Geen enkel bedrijf wil met een knal in het nieuws

,,Het gaat om veiligheid in extreme situaties.”

,,Bedrijven die met gevaarlijke of brandbare stoffen werken, weten niet wanneer stoffen zo reageren dat de boel ontploft”, vertelt ir. John Zevenbergen, van de explosiegroep aan de TU. ,,Om toch veiligheid voor werknemers en omwonenden te garanderen, werken industrieën met hoeveelheden, temperaturen en druk waarmee het productieproces zeker veilig is. Logisch, want aan veiligheid ga je niet zitten.”

Bij de explosiegroep weten explosiedeskundigen wel precies wanneer het tot een knal komt. Daar richten ze zich op explosiegevoeligheid en -hevigheid. Hoe moeilijk, of makkelijk, is het om een bepaalde mix of chemische substantie te ontsteken? En wat als een mengsel of chemische substantie al brandt, wat voor een explosie kunnen de onderzoekers dan verwachten?

In het laboratorium aan de Julianaweg hebben de wetenschappers apparatuur tot hun beschikking waarin ze met gemak gevaarlijke stoffen verhitten tot vierhonderd graden, de druk opbouwen tot 25 bar (de druk in een autoband is ongeveer twee bar) en turbulente omstandigheden maken zoals die in de fabriek voorkomen. Zevenbergen: ,,Het gaat in de industrie om veiligheid in extreme situaties. De limit testen we hier. We berekenen precies wanneer de boel klapt. Met deze kennis kunnen bedrijven hun veiligheidsmarges efficiënter instellen.”

Klep

De explosiebestendige apparatuur is uniek in de wereld. Hij is niet afhankelijk van de omgevingstemperatuur, iets waar andere explosiegroepen wel afhankelijk van zijn. Die uniekheid straalt er echter niet van af. Een bol met een inhoud van twintig liter, niet groter dan een strandbal, staat veilig opgeborgen in een bunker met dertig centimeter dikke wanden van beton en metaal. Daarin houden zo’n dertig metertjes, displaytjes, wijzertjes en thermokoppels de druk en temperatuur in de gaten. De metalen bol is ingepakt met een isolatiematras van glaswol tegen temperatuurverlies en is verbonden met een kleinere bol waarin lucht of een ander gas of poeder zit. Een tussenschot houdt de substanties uit elkaar. ,,En op het moment dat we het schot verwijderen, en de zuurstof bij bijvoorbeeld methaan komt, gaan de stoffen een feestje vieren”, legt Zevenbergen uit.

,,De bunker is zo ontworpen dat er geen risico’s zijn voor de rest van het laboratorium en de TU-wijk”, verzekert Andrzej Pekalski, aio bij dezelfde sectie als Zevenbergen. ,,De ramen klappen naar buiten zodat de druk weg kan. Er is geen gevaar voor de mensen in het gebouw.”

Tijdens de experimenten kunnen de onderzoekers door een raam de bunker inkijken. Zelf lopen ze geen gevaar. ,,De bol is zo ontworpen dat die niet uit elkaar spat bij explosies. Na de knal slaat de apparatuur af”, legt Zevenbergen uit. ,,We weten wat de bol aankan, tot welke druk we kunnen gaan. Komen we per ongeluk toch te dicht bij de grens, dan is er een drukontlastingsklep die er voor zorgt dat de druk niet verder opbouwt voordat de boel klapt.”

Studenten mogen in de bunker aan het werk, zij het na een uitgebreide instructie. ,,Het is namelijk een enorme inspanning om de proeven goed te laten verlopen”, vertelt Pekalski. ,,Studenten moeten niet alleen leren hoe het apparaat werkt, ook begrijpen wat er gebeurt tijdens de processen. Wanneer treedt er spontaan een ontploffing op, wanneer niet, wat als er een klep lekt? Bovendien kost de apparatuur al met al wel een half miljoen euro, dus een beetje voorzichtigheid is wel nodig.”

Vooral bazen in de petrochemische industrie laten hun substanties bij Pekalski en Zevenbergen testen, maar ook de farmaceutische industrie heeft hen gevonden voor poeders en stofmengsels. Intussen heeft de explosiegroep al zo’n zestien jaar ervaring en doen beiden veel contractonderzoek tussen hun promotiewerk door. Voorbeelden daarvan geven, gaat echter niet. ,,Bedrijven willen hun concurrentiepositie natuurlijk niet prijsgeven. Veel processen uit de petrochemische industrie testen we hier. De bedrijven die ons opdracht daartoe geven, doen soms al jaren onderzoek naar nieuwe brandstoffen of tussenproducten voor plastics of pillen voor de farmaceutische industrie”, legt Zevenbergen uit. ,,En daar mag niet iemand anders mee weglopen.”

Daarnaast willen bedrijven niet geassocieerd worden met onveilige situaties. ,,Geen enkel bedrijf wil immers met een knal in het nieuws terechtkomen”, aldus Zevenbergen.

Lontje

Door al die ‘onderzoekjes’ tussendoor zijn de promotieonderzoeken van zowel Pekalski als Zevenbergen iets uitgelopen. Zevenbergen houdt zich bezig met laserontsteking, ‘een net even andere manier van een explosies aansteken dan met een gewoon lontje’, en Pekalski met cool flames (zie kader). Ze zitten niet zo met de opgelopen vertraging. ,,Het is best leuk hoor dat promoveren, maar het is nog leuker om fundamenteel werk te doen en tegelijk het bedrijfsleven te helpen”, zegt Zevenbergen. ,,Nu zijn we tenminste met proeven onder realistische omstandigheden bezig en het zet je promotieonderzoek in een breder perspectief.”

Sinds juni 2001 werkt de explosiegroep expliciet samen met TNO aan het veiligheidsvraagstuk in het ‘Kenniscentrum Reactieve Gasdynamica en Explosieveiligheid’. Hier kan de industrie terecht voor veiligheid omtrent explosies, maar ook verzekeraars en overheden die te maken hebben met preventie, bescherming en de gevolgen van explosies.

Zevenbergen is wetenschappelijk-directeur, hij moet nog een beetje wennen aan de nieuwe collega’s. ,,Formeel kenden we elkaar al wel, maar nu werken we ineens intensief samen. Het zijn toch twee verschillenden culturen. Niet alleen omdat wij de fundamentele kennis hebben, en TNO de praktische, het is ook de openheid die wijzijn gewend. Voor elke publicatie krijgt onze onderzoeksgroep geld van de universiteit. Voor TNO is dat wat minder relevant.”

Van TNO krijgt de explosiegroep geld om mensen in dienst van het kenniscentrum te nemen. ,,Hiermee gaan we binnenkort aan de slag met een project voor explosieveiligheid in tunnels. Het zal zich richten op vragen als hoeveel tunnels er komen in Nederland, welke stoffen mogen er doorheen, welke richtlijnen komen er? Maar zover is het nog niet, eerst maar eens promoveren. Dat is aanstaande juni al.”

Cool flame to blame

Cool flames: een contradictie in terminus? Iets dat van sterretjes stamt, die kindjes met oud en nieuw dapper vasthouden? Nee hoor, een fenomeen dat weinig aandacht krijgt terwijl het veel gevaar kan opleveren. Vergeleken met een gewone vlam of vuur is de cool flame inderdaad koud, maximaal vierhonderd graden Celsius, terwijl een gewone verbranding begint bij zestienhonderd graden Celsius en makkelijk de tweeduizend graden Celsius haalt.

Veel praktische en theoretische kennis is nog niet bekend over cool flames. Ze zijn in het licht niet zichtbaar, in het donker wel; een licht blauw gloeiend vuurtje. Een cool flame heeft geen ontstekingsbron nodig, het ontsteekt vanzelf, afhankelijk van de juiste hoeveelheid stof, druk, en temperatuur.

Zelfontsteking zien we ook bij gewone branden, alleen bij cool flames gebeurt dit al bij een veel lagere temperatuur. Brandt een cool flame eenmaal, dan nemen temperatuur en druk langzaam toe. Dit geeft uiteindelijk een explosie of er gebeurt juist niets en het koude vuur dooft.

Cool flames worden verdacht van talloze branden waarvoor geen logische verklaringen zijn. Zoals in de jaren zeventig, toen een Amerikaans straalvliegtuig tijdens een testvlucht bij de daling in brand vloog. Aanvankelijk dachten onderzoekers dat het om een kinderziekte van het toestel ging, maar bij de volgende vlucht vatte de vleugel weer vlam. Een cool flame was to blame. Bij een snelheid van twee Mach, twee keer de snelheid van het geluid, raken de randen van de vleugels, waarin de brandstof zit, behoorlijk heet. Heet genoeg voor een cool flame-reactie met de brandstof. Nog niets aan de hand. Toen zorgde de snelle afdaling voor een toename in druk waardoor er een overgang van een cool naar een hot flame ontstond en de tank explodeerde.

Cool flames zorgen in de industrie voor vervuiling. ,,Na een gewone brand ontstaan de reactieproducten koolstofdioxide en water”, vertelt Andrzej Pekalski, aio bij the explosiegroep in Delft, waar hij zich onder andere bezighoudt met cool flames. ,,Maar bij een cool flame zien we peroxiden en aldehyde ontstaan. Of liever, we ruiken ze, want aldehyden stinken enorm.”

Volgens Pekalski mengen peroxiden met chemicaliën waardoor bijproducten ontstaan. Daarnaast zijn peroxiden onstabiel en neigen ze tot opstapelen, wat kan leiden tot een onverwachte ontstekingshaard. ,,Daarom is het van groot belang dat er rekening wordt gehouden met cool flames als bepalende factor in het veiligheidsproces”, aldus Pekalski.

Als twee brandbare stoffen elkaar ontmoeten in een afgesloten ruimte gaat er wel eens wat mis. Wanneer dat precies gebeurt, rekenen ze bij de vakgroep deeltjestechnologie van de TU Delft uit. ,,Het gaat om veiligheid in extreme situaties.”

,,Bedrijven die met gevaarlijke of brandbare stoffen werken, weten niet wanneer stoffen zo reageren dat de boel ontploft”, vertelt ir. John Zevenbergen, van de explosiegroep aan de TU. ,,Om toch veiligheid voor werknemers en omwonenden te garanderen, werken industrieën met hoeveelheden, temperaturen en druk waarmee het productieproces zeker veilig is. Logisch, want aan veiligheid ga je niet zitten.”

Bij de explosiegroep weten explosiedeskundigen wel precies wanneer het tot een knal komt. Daar richten ze zich op explosiegevoeligheid en -hevigheid. Hoe moeilijk, of makkelijk, is het om een bepaalde mix of chemische substantie te ontsteken? En wat als een mengsel of chemische substantie al brandt, wat voor een explosie kunnen de onderzoekers dan verwachten?

In het laboratorium aan de Julianaweg hebben de wetenschappers apparatuur tot hun beschikking waarin ze met gemak gevaarlijke stoffen verhitten tot vierhonderd graden, de druk opbouwen tot 25 bar (de druk in een autoband is ongeveer twee bar) en turbulente omstandigheden maken zoals die in de fabriek voorkomen. Zevenbergen: ,,Het gaat in de industrie om veiligheid in extreme situaties. De limit testen we hier. We berekenen precies wanneer de boel klapt. Met deze kennis kunnen bedrijven hun veiligheidsmarges efficiënter instellen.”

Klep

De explosiebestendige apparatuur is uniek in de wereld. Hij is niet afhankelijk van de omgevingstemperatuur, iets waar andere explosiegroepen wel afhankelijk van zijn. Die uniekheid straalt er echter niet van af. Een bol met een inhoud van twintig liter, niet groter dan een strandbal, staat veilig opgeborgen in een bunker met dertig centimeter dikke wanden van beton en metaal. Daarin houden zo’n dertig metertjes, displaytjes, wijzertjes en thermokoppels de druk en temperatuur in de gaten. De metalen bol is ingepakt met een isolatiematras van glaswol tegen temperatuurverlies en is verbonden met een kleinere bol waarin lucht of een ander gas of poeder zit. Een tussenschot houdt de substanties uit elkaar. ,,En op het moment dat we het schot verwijderen, en de zuurstof bij bijvoorbeeld methaan komt, gaan de stoffen een feestje vieren”, legt Zevenbergen uit.

,,De bunker is zo ontworpen dat er geen risico’s zijn voor de rest van het laboratorium en de TU-wijk”, verzekert Andrzej Pekalski, aio bij dezelfde sectie als Zevenbergen. ,,De ramen klappen naar buiten zodat de druk weg kan. Er is geen gevaar voor de mensen in het gebouw.”

Tijdens de experimenten kunnen de onderzoekers door een raam de bunker inkijken. Zelf lopen ze geen gevaar. ,,De bol is zo ontworpen dat die niet uit elkaar spat bij explosies. Na de knal slaat de apparatuur af”, legt Zevenbergen uit. ,,We weten wat de bol aankan, tot welke druk we kunnen gaan. Komen we per ongeluk toch te dicht bij de grens, dan is er een drukontlastingsklep die er voor zorgt dat de druk niet verder opbouwt voordat de boel klapt.”

Studenten mogen in de bunker aan het werk, zij het na een uitgebreide instructie. ,,Het is namelijk een enorme inspanning om de proeven goed te laten verlopen”, vertelt Pekalski. ,,Studenten moeten niet alleen leren hoe het apparaat werkt, ook begrijpen wat er gebeurt tijdens de processen. Wanneer treedt er spontaan een ontploffing op, wanneer niet, wat als er een klep lekt? Bovendien kost de apparatuur al met al wel een half miljoen euro, dus een beetje voorzichtigheid is wel nodig.”

Vooral bazen in de petrochemische industrie laten hun substanties bij Pekalski en Zevenbergen testen, maar ook de farmaceutische industrie heeft hen gevonden voor poeders en stofmengsels. Intussen heeft de explosiegroep al zo’n zestien jaar ervaring en doen beiden veel contractonderzoek tussen hun promotiewerk door. Voorbeelden daarvan geven, gaat echter niet. ,,Bedrijven willen hun concurrentiepositie natuurlijk niet prijsgeven. Veel processen uit de petrochemische industrie testen we hier. De bedrijven die ons opdracht daartoe geven, doen soms al jaren onderzoek naar nieuwe brandstoffen of tussenproducten voor plastics of pillen voor de farmaceutische industrie”, legt Zevenbergen uit. ,,En daar mag niet iemand anders mee weglopen.”

Daarnaast willen bedrijven niet geassocieerd worden met onveilige situaties. ,,Geen enkel bedrijf wil immers met een knal in het nieuws terechtkomen”, aldus Zevenbergen.

Lontje

Door al die ‘onderzoekjes’ tussendoor zijn de promotieonderzoeken van zowel Pekalski als Zevenbergen iets uitgelopen. Zevenbergen houdt zich bezig met laserontsteking, ‘een net even andere manier van een explosies aansteken dan met een gewoon lontje’, en Pekalski met cool flames (zie kader). Ze zitten niet zo met de opgelopen vertraging. ,,Het is best leuk hoor dat promoveren, maar het is nog leuker om fundamenteel werk te doen en tegelijk het bedrijfsleven te helpen”, zegt Zevenbergen. ,,Nu zijn we tenminste met proeven onder realistische omstandigheden bezig en het zet je promotieonderzoek in een breder perspectief.”

Sinds juni 2001 werkt de explosiegroep expliciet samen met TNO aan het veiligheidsvraagstuk in het ‘Kenniscentrum Reactieve Gasdynamica en Explosieveiligheid’. Hier kan de industrie terecht voor veiligheid omtrent explosies, maar ook verzekeraars en overheden die te maken hebben met preventie, bescherming en de gevolgen van explosies.

Zevenbergen is wetenschappelijk-directeur, hij moet nog een beetje wennen aan de nieuwe collega’s. ,,Formeel kenden we elkaar al wel, maar nu werken we ineens intensief samen. Het zijn toch twee verschillenden culturen. Niet alleen omdat wij de fundamentele kennis hebben, en TNO de praktische, het is ook de openheid die wijzijn gewend. Voor elke publicatie krijgt onze onderzoeksgroep geld van de universiteit. Voor TNO is dat wat minder relevant.”

Van TNO krijgt de explosiegroep geld om mensen in dienst van het kenniscentrum te nemen. ,,Hiermee gaan we binnenkort aan de slag met een project voor explosieveiligheid in tunnels. Het zal zich richten op vragen als hoeveel tunnels er komen in Nederland, welke stoffen mogen er doorheen, welke richtlijnen komen er? Maar zover is het nog niet, eerst maar eens promoveren. Dat is aanstaande juni al.”

Cool flame to blame

Cool flames: een contradictie in terminus? Iets dat van sterretjes stamt, die kindjes met oud en nieuw dapper vasthouden? Nee hoor, een fenomeen dat weinig aandacht krijgt terwijl het veel gevaar kan opleveren. Vergeleken met een gewone vlam of vuur is de cool flame inderdaad koud, maximaal vierhonderd graden Celsius, terwijl een gewone verbranding begint bij zestienhonderd graden Celsius en makkelijk de tweeduizend graden Celsius haalt.

Veel praktische en theoretische kennis is nog niet bekend over cool flames. Ze zijn in het licht niet zichtbaar, in het donker wel; een licht blauw gloeiend vuurtje. Een cool flame heeft geen ontstekingsbron nodig, het ontsteekt vanzelf, afhankelijk van de juiste hoeveelheid stof, druk, en temperatuur.

Zelfontsteking zien we ook bij gewone branden, alleen bij cool flames gebeurt dit al bij een veel lagere temperatuur. Brandt een cool flame eenmaal, dan nemen temperatuur en druk langzaam toe. Dit geeft uiteindelijk een explosie of er gebeurt juist niets en het koude vuur dooft.

Cool flames worden verdacht van talloze branden waarvoor geen logische verklaringen zijn. Zoals in de jaren zeventig, toen een Amerikaans straalvliegtuig tijdens een testvlucht bij de daling in brand vloog. Aanvankelijk dachten onderzoekers dat het om een kinderziekte van het toestel ging, maar bij de volgende vlucht vatte de vleugel weer vlam. Een cool flame was to blame. Bij een snelheid van twee Mach, twee keer de snelheid van het geluid, raken de randen van de vleugels, waarin de brandstof zit, behoorlijk heet. Heet genoeg voor een cool flame-reactie met de brandstof. Nog niets aan de hand. Toen zorgde de snelle afdaling voor een toename in druk waardoor er een overgang van een cool naar een hot flame ontstond en de tank explodeerde.

Cool flames zorgen in de industrie voor vervuiling. ,,Na een gewone brand ontstaan de reactieproducten koolstofdioxide en water”, vertelt Andrzej Pekalski, aio bij the explosiegroep in Delft, waar hij zich onder andere bezighoudt met cool flames. ,,Maar bij een cool flame zien we peroxiden en aldehyde ontstaan. Of liever, we ruiken ze, want aldehyden stinken enorm.”

Volgens Pekalski mengen peroxiden met chemicaliën waardoor bijproducten ontstaan. Daarnaast zijn peroxiden onstabiel en neigen ze tot opstapelen, wat kan leiden tot een onverwachte ontstekingshaard. ,,Daarom is het van groot belang dat er rekening wordt gehouden met cool flames als bepalende factor in het veiligheidsproces”, aldus Pekalski.