Van bamboekanon tot stofexplosie

/strong>

Een beetje melkpoeder uitstrooien boven een waxinelichtje geeft al snel een behoorlijke steekvlam. De chemische industrie is als de dood voor dit soort poeders. Juist in fabrieken zijn de condities uitermate geschikt voor het opwekken van enorme explosies, met alle gevolgen van dien. Onderzoeker Arief Dahoe stelde modellen op om de druk in reactorvaten uit te rekenen. Experimenten bevestigen zijn nieuwe model, dat een betere kijk geeft op explosiegevaar en veiligheid in fabrieken.

,,Een ontstekingsbron heb je al snel,” vertelt Dahoe. ,,Een vonk die vrijkomt als een losgetrild schroefje valt of een ontlading van statische elektriciteit. Daar kun je niet veel aan doen. Je kunt wel de vaten en transportbuizen zo sterk maken dat ze een explosie kunnen weerstaan. Expres zwakke plekken aanbrengen om snelle drukveranderingen op te vangen werkt ook. Maar dan moet je wel weten hoe snel de druk tijdens een verbranding verandert. Daar was niet veel over bekend. En dat het belangrijk is blijkt wel uit alle cijfers over stofexplosies. Vele miljarden schade en soms vallen er doden.”

In de chemische industrie spelen stoffen in deeltjesvorm een belangrijke rol. In maar liefst tachtig procent van alle processen zijn het poeders die door buizen stromen of in reactorvaten worden gemengd. Deze poeders kunnen zeer brandgevaarlijk zijn. Hierbij geldt dat hoe fijner het poeder is, hoe makkelijker het in de fik vliegt.

Voor een beetje steekvlam is de menging met lucht namelijk doorslaggevend. Een massieve berg poeder brandt slecht. Uitgestrooid poeder daarentegen, kan al een aardige steekvlam opleveren. Het is vergelijkbaar met het verbranden van hout. Slechts een paar vlammetjes spelen met een blok hout in een openhaard, terwijl dezelfde hoeveelheid hout als schaafsel binnen de kortste keren in lichterlaaie staat.

Maar een vlam maakt nog geen stofexplosie. De harde knal ontbreekt nog. Pas als een snelle verbranding plaatsvindt in een gesloten vat kan er een explosie optreden: het vuur in het vat zorgt dan voor een zo grote druk dat het openbarst. Het gevolg is een grote steekvlam en een enorme drukverandering die wordt ervaren als geluid.
Bamboekanon

Al in zijn jeugd spraken explosies tot de verbeelding van de onderzoeker. In Paramaribo ontwierp hij op elfjarige leeftijd zijn eerste bamboekanon. ,,Eerst haalde ik de tussenschotten uit een stuk bamboe. Het laatste schot liet ik zitten en daar prikte ik een klein gaatje in. De loop werd gevuld met projectielen, een beetje benzinein het kanon en met een fietspomp lucht door het gaatje pompen. En dan aansteken.”

Dahoe blijkt een expert op dit gebied: ,,Soms zag ik andere kinderen met verschroeide wenkbrauwen. Dan wist ik wel wat er gebeurd was. Zij hadden ook een kanon willen maken, maar hun wapen was uit elkaar geknald. Die benzinedamp kan echt een enorme steekvlam geven. Ik had mijn kanon altijd beveiligd door er draad omheen te wikkelen.”

Tijdens zijn opleiding tot chemisch ingenieur in Delft bleven explosies hem fascineren. Zozeer zelfs dat hij besloot om er een promotieonderzoek aan te wijden. Over processen in industriële reactorvaten is echter lang niet zoveel bekend als over die van de kleine vaten voor laboratoria. Om toch aanbevelingen over explosiegevaar te kunnen doen gebruiken technologen de kubische wet. Deze dertig jaar oude, Duitse wet regelt het opschalen van explosies in laboratoria. Dahoe en zijn Delftse collega’s twijfelden aan de juistheid van de wet. Maar als ze daar met vakgenoten over praatten, was hoongelach hun deel. Of hadden zij opeens geen tijd meer en liepen weg.

Deze negatieve geluiden brachten de onderzoeker niet van zijn stuk en al snel begon hij modellen op te stellen om de drukopbouw in reactorvaten uit te rekenen. ,,De processen tijdens een explosie zijn erg complex”, benadrukt de promovendus. ,,De kunst is om alles zodanig te vereenvoudigen dat je de explosiedruk kunt voorspellen. De parameters waar het omgaat zijn de temperatuur in het vat, de turbulentie, de brandsnelheid en de vlamdikte.”
Alarm

Om een waarde te geven aan de constanten in de theorie waren experimenten nodig. Een niet zo eenvoudige zaak. Een bolvormig vat met een inhoud van twintig liter moest uitsluitsel geven. In het begin gingen veel mis omdat niet bekend was tot welke hoogte de druk kon oplopen. Kranen vlogen van de opstelling af of het alarm ging voor de zoveelste keer af na een mislukt experiment.

Beetje bij beetje begon de onderzoeker echter gevoel te krijgen voor de geheimen van het reactorvat. En ironisch genoeg ging het er hierbij juist om de apparatuur heel te houden en geen explosies op te wekken. ,,Saai?, Welnee. Wacht maar totdat je de resultaten ziet. Die zijn helemaal niet saai.”

Toen de proefopstelling eindelijk naar behoren werkte, rolden de gewenste getallen er rap uit. En daarmee kon Dahoe snelheid van drukopbouw voor willekeurige parameters berekenen. Uitgebreidere metingen in het vat bewezen het gelijk van het nieuwe model en lieten tegelijkertijd niet veel over van de oude, kubische wet. Slechts in uitzonderlijke gevallen gaat de wet op maar die zijn niet van praktisch nut.

Om nog meer te weten te komen over verbrandingsprocessen bouwden de Delftse chemici een tweede opstelling om poeders te verbranden. In de openlucht deze keer. Met de trial and error methode werd een recept gevonden om achter glas een stabiele vlam te laten branden. De spectaculaire opstelling leverde waardevolle informatie over vlamdikte en brandsnelheid en bewijst nog steeds zijn dienst bij voorlichtingsdagen.
IJsjes

Terugkijkend op zijn onderzoek vertelt Dahoe dat het begin zeker niet makkelijk is geweest. ,,Ik wist van niets en maakte veel dingen stuk. Het was een duur onderzoek waar moeilijk geld voor te vinden was. Het begon pas echt leuk te worden toen dingen begonnen te lukken. De eerste publicaties, de eerste reacties. Dat is een enorme stimulans geweest.”

De geldzorgen zijn inmiddels verdwenen. Bedrijven staan te popelen om hun producten in Delft te testen. Internationale bedrijven zoals Shell, Exxon en ICI, het grootste chemische concern van Engeland. En fabrikanten van ijsjes die het zekere voor het onzekere nemen met hun poeders van limoen- en sinaasappelsmaken.

ICI financiert nu een groot deel van het vervolgonderzoek. Dit moet leiden tot nog betere aanbevelingen ter voorkoming van stofexplosies. En daar zal Dahoe ook de komende twee jaar nog zijn steentje aan bijdragen als postdoc. ,,Een realistische aanpak is mijn motto. Niet alleen bolvormige vaten, maar ook de complexere geometrieën uit de industrie komen aan bod. Veel meer kan ik je niet vertellen, het is contractonderzoek.”

Alleen al in Nederland schatten onderzoekers het aantal stofexplosies op één per twee weken. De schadepost is enorm. Promovendus Arief Dahoe geeft de industrie adviezen met zijn modelberekeningen.

Een beetje melkpoeder uitstrooien boven een waxinelichtje geeft al snel een behoorlijke steekvlam. De chemische industrie is als de dood voor dit soort poeders. Juist in fabrieken zijn de condities uitermate geschikt voor het opwekken van enorme explosies, met alle gevolgen van dien. Onderzoeker Arief Dahoe stelde modellen op om de druk in reactorvaten uit te rekenen. Experimenten bevestigen zijn nieuwe model, dat een betere kijk geeft op explosiegevaar en veiligheid in fabrieken.

,,Een ontstekingsbron heb je al snel,” vertelt Dahoe. ,,Een vonk die vrijkomt als een losgetrild schroefje valt of een ontlading van statische elektriciteit. Daar kun je niet veel aan doen. Je kunt wel de vaten en transportbuizen zo sterk maken dat ze een explosie kunnen weerstaan. Expres zwakke plekken aanbrengen om snelle drukveranderingen op te vangen werkt ook. Maar dan moet je wel weten hoe snel de druk tijdens een verbranding verandert. Daar was niet veel over bekend. En dat het belangrijk is blijkt wel uit alle cijfers over stofexplosies. Vele miljarden schade en soms vallen er doden.”

In de chemische industrie spelen stoffen in deeltjesvorm een belangrijke rol. In maar liefst tachtig procent van alle processen zijn het poeders die door buizen stromen of in reactorvaten worden gemengd. Deze poeders kunnen zeer brandgevaarlijk zijn. Hierbij geldt dat hoe fijner het poeder is, hoe makkelijker het in de fik vliegt.

Voor een beetje steekvlam is de menging met lucht namelijk doorslaggevend. Een massieve berg poeder brandt slecht. Uitgestrooid poeder daarentegen, kan al een aardige steekvlam opleveren. Het is vergelijkbaar met het verbranden van hout. Slechts een paar vlammetjes spelen met een blok hout in een openhaard, terwijl dezelfde hoeveelheid hout als schaafsel binnen de kortste keren in lichterlaaie staat.

Maar een vlam maakt nog geen stofexplosie. De harde knal ontbreekt nog. Pas als een snelle verbranding plaatsvindt in een gesloten vat kan er een explosie optreden: het vuur in het vat zorgt dan voor een zo grote druk dat het openbarst. Het gevolg is een grote steekvlam en een enorme drukverandering die wordt ervaren als geluid.
Bamboekanon

Al in zijn jeugd spraken explosies tot de verbeelding van de onderzoeker. In Paramaribo ontwierp hij op elfjarige leeftijd zijn eerste bamboekanon. ,,Eerst haalde ik de tussenschotten uit een stuk bamboe. Het laatste schot liet ik zitten en daar prikte ik een klein gaatje in. De loop werd gevuld met projectielen, een beetje benzinein het kanon en met een fietspomp lucht door het gaatje pompen. En dan aansteken.”

Dahoe blijkt een expert op dit gebied: ,,Soms zag ik andere kinderen met verschroeide wenkbrauwen. Dan wist ik wel wat er gebeurd was. Zij hadden ook een kanon willen maken, maar hun wapen was uit elkaar geknald. Die benzinedamp kan echt een enorme steekvlam geven. Ik had mijn kanon altijd beveiligd door er draad omheen te wikkelen.”

Tijdens zijn opleiding tot chemisch ingenieur in Delft bleven explosies hem fascineren. Zozeer zelfs dat hij besloot om er een promotieonderzoek aan te wijden. Over processen in industriële reactorvaten is echter lang niet zoveel bekend als over die van de kleine vaten voor laboratoria. Om toch aanbevelingen over explosiegevaar te kunnen doen gebruiken technologen de kubische wet. Deze dertig jaar oude, Duitse wet regelt het opschalen van explosies in laboratoria. Dahoe en zijn Delftse collega’s twijfelden aan de juistheid van de wet. Maar als ze daar met vakgenoten over praatten, was hoongelach hun deel. Of hadden zij opeens geen tijd meer en liepen weg.

Deze negatieve geluiden brachten de onderzoeker niet van zijn stuk en al snel begon hij modellen op te stellen om de drukopbouw in reactorvaten uit te rekenen. ,,De processen tijdens een explosie zijn erg complex”, benadrukt de promovendus. ,,De kunst is om alles zodanig te vereenvoudigen dat je de explosiedruk kunt voorspellen. De parameters waar het omgaat zijn de temperatuur in het vat, de turbulentie, de brandsnelheid en de vlamdikte.”
Alarm

Om een waarde te geven aan de constanten in de theorie waren experimenten nodig. Een niet zo eenvoudige zaak. Een bolvormig vat met een inhoud van twintig liter moest uitsluitsel geven. In het begin gingen veel mis omdat niet bekend was tot welke hoogte de druk kon oplopen. Kranen vlogen van de opstelling af of het alarm ging voor de zoveelste keer af na een mislukt experiment.

Beetje bij beetje begon de onderzoeker echter gevoel te krijgen voor de geheimen van het reactorvat. En ironisch genoeg ging het er hierbij juist om de apparatuur heel te houden en geen explosies op te wekken. ,,Saai?, Welnee. Wacht maar totdat je de resultaten ziet. Die zijn helemaal niet saai.”

Toen de proefopstelling eindelijk naar behoren werkte, rolden de gewenste getallen er rap uit. En daarmee kon Dahoe snelheid van drukopbouw voor willekeurige parameters berekenen. Uitgebreidere metingen in het vat bewezen het gelijk van het nieuwe model en lieten tegelijkertijd niet veel over van de oude, kubische wet. Slechts in uitzonderlijke gevallen gaat de wet op maar die zijn niet van praktisch nut.

Om nog meer te weten te komen over verbrandingsprocessen bouwden de Delftse chemici een tweede opstelling om poeders te verbranden. In de openlucht deze keer. Met de trial and error methode werd een recept gevonden om achter glas een stabiele vlam te laten branden. De spectaculaire opstelling leverde waardevolle informatie over vlamdikte en brandsnelheid en bewijst nog steeds zijn dienst bij voorlichtingsdagen.
IJsjes

Terugkijkend op zijn onderzoek vertelt Dahoe dat het begin zeker niet makkelijk is geweest. ,,Ik wist van niets en maakte veel dingen stuk. Het was een duur onderzoek waar moeilijk geld voor te vinden was. Het begon pas echt leuk te worden toen dingen begonnen te lukken. De eerste publicaties, de eerste reacties. Dat is een enorme stimulans geweest.”

De geldzorgen zijn inmiddels verdwenen. Bedrijven staan te popelen om hun producten in Delft te testen. Internationale bedrijven zoals Shell, Exxon en ICI, het grootste chemische concern van Engeland. En fabrikanten van ijsjes die het zekere voor het onzekere nemen met hun poeders van limoen- en sinaasappelsmaken.

ICI financiert nu een groot deel van het vervolgonderzoek. Dit moet leiden tot nog betere aanbevelingen ter voorkoming van stofexplosies. En daar zal Dahoe ook de komende twee jaar nog zijn steentje aan bijdragen als postdoc. ,,Een realistische aanpak is mijn motto. Niet alleen bolvormige vaten, maar ook de complexere geometrieën uit de industrie komen aan bod. Veel meer kan ik je niet vertellen, het is contractonderzoek.”