Wat is de minimale ontstekingsenergie (MIE)?

Inzicht in de minimale ontstekingsenergie (Engels: Minimum Ignition Energy), of MIE, is van cruciaal belang in industrieën waar brandbaar stof en brandbare dampen aanwezig zijn. Voor stof geldt dit voor houtbewerkingsprocessen of metaalbewerking, vooral bij polijst- en slijpbewerkingen; ook voor de landbouw, aangezien silo explosies kunnen voorkomen bij de opslag van granen; en voedselverwerking, vooral bij de omgang met meel, suikers en andere uiterst fijne materialen.

Dampen verspreiden zich ook in veel werkomgevingen. Verfwerkzaamheden met auto-onderdelen hebben bijvoorbeeld een intrinsiek gevaar. Veel vloeistoffen zijn vluchtig, maar laat je niet misleiden door dit vaak verwarrende woord. Water is zeer vluchtig, maar aangezien Londen nog steeds bestaat, kunnen we het er allemaal over eens zijn dat mist (waterdamp) onder de meeste omstandigheden niet ontvlambaar of explosief is.

Minimale Ontstekingsenergie (MIE) is de kleinste hoeveelheid energie die nodig is om een mengsel van een brandbare stof met lucht te ontsteken, gemeten in millijoule (mJ).

Deze energie varieert met het type stof en de concentratie ervan en is cruciaal voor het beoordelen van explosierisico’s in veiligheidstoepassingen.

Het gevaar schuilt in brandbare of ontvlambare dampen, zoals VOC’s (Volatile Organic Chemicals) waaronder koolwaterstoffen vallen. Deze naam kan gedeeltelijk verklaren waarom sommige mensen vluchtig verwarren met explosief. VOC’s omvatten ook alcoholen, aldehyden, ketonen, ethers en aromaten zoals benzeen, die allemaal brandbaar zijn.

Er bestaat dus gevaar bij de verwerking van aardolie en de exploratie van olie en gas, en dubbel gevaar bij de winning van steenkool, waar zowel stof als brandbare dampen (methaan) samen voorkomen.

Andere gevaarlijke gebieden zijn dingen die je niet zou vermoeden, zoals de productie van pillen waarbij poeders sterk worden samengeperst om er tabletten van te maken. En vergeet de productie van rubber en plastic niet, waarbij poeders worden gebruikt in het proces en nog meer worden gegenereerd bij de afwerking.

Net zo onverwacht zou de textielindustrie kunnen zijn, waar lappen stof op hoge snelheid worden afgewikkeld en op maat gesneden, waardoor vezels de lucht in worden geslingerd en statische ontladingen ontstaan. Hetzelfde geldt voor de papier- en drukindustrie, en om precies dezelfde redenen.

Gecombineerde industrieën, zoals recycling, kunnen te maken krijgen met al deze gevaren tegelijkertijd, bij het recyclen van metalen, oliën, brandstoffen, papier en plastic. Daarom zijn de juiste voorzorgsmaatregelen en veiligheidsmaatregelen, waaronder effectieve stofbeheersing, statische ontladingstechnologie en explosiepreventiestrategieën, essentieel om het risico op stof- of dampgerelateerde branden en explosies te minimaliseren. Verrassend genoeg is het grootste risico te vinden binnen de brandbare stofverzamelingssystemen door over het hoofd te zien onderhoud!

Gewoonlijk meten we MIE in een laboratorium met apparatuur die voor dit doel is ontworpen. De twee meest gebruikte methoden zijn de directe vonkmethode (continu of statisch) en de Hot Surface-methode.

Bij de eerste methode wordt een teststof gelijkmatig verdeeld in een kamer en wordt er een vonk met lage energie geïntroduceerd. In het geval van stof zal een mechanisch systeem, zoals een luchtkanon, het materiaal in een gelijkmatige wolk lanceren. Brandbare dampen zijn natuurlijk veel gemakkelijker om mee te werken. De energie van de vonk wordt verhoogd tot er ontsteking is en die waarde wordt de MIE, maar alleen voor dat specifieke monster. Testen worden meestal uitgevoerd onder STP-omstandigheden (standaard temperatuur en druk) en vervolgens geëxtrapoleerd voor veldomstandigheden.

De Hot Surface-methode maakt gebruik van een verwarmde draad of spoel en de temperatuur wordt verhoogd totdat er ontsteking optreedt. Dat wordt geregistreerd als de MIE voor dat stof of gas.

MIE wordt meestal gemeten in eenheden van energie per massa-eenheid, zoals millijoule per gram (mJ/g) of volumetrisch als microjoule per kubieke meter (µJ/m³). Hoe lager de MIE-waarde, hoe gemakkelijker de brandstof ontbrandt. Alles met een MIE <3 mJ is extreem gevoelig voor ontsteking en vereist zeer nauwkeurige maatregelen. Om dit in context te zetten, waterstof in lucht met een concentratie van 30% zou ontbranden bij slechts 0,0057 mJ, of 5700 µJ energie.

Deeltjes groter dan 0,4 mm zijn bestand tegen ontsteking – kleiner dan die grootte verhoogt het ontstekingsgevaar.

Voor brandbaar stof hangt de MIE af van verschillende factoren, waaronder de deeltjesgrootteverdeling, de concentratie in de lucht en de specifieke eigenschappen van het stof zelf. Fijnere stofdeeltjes hebben een groter oppervlak per massa-eenheid en zijn gevoeliger voor ontsteking. Daarnaast kan ook de aanwezigheid van bepaalde gassen in de omgeving de MIE beïnvloeden. Zelfs de temperatuur kan een sterke invloed hebben.

Bijvoorbeeld, een klein ondiep schaaltje kerosine zal een brandende lucifer doven bij kamertemperatuur, maar als de kerosine wordt verwarmd tot 45℃ zal het ontbranden omdat de dampdruk hoog genoeg is voor de lucifervlam om de MIE te leveren. In dit geval ontbreekt de “brandstof”-component van de branddriehoek totdat de kerosine wordt verhit.

Dit is ook de verklaring waarom gastanks in auto’s nooit ontploffen (behalve in Hollywoodfilms) omdat de brandstofdichtheid te hoog is en er onvoldoende zuurstof beschikbaar is. Zoals altijd kun je natuurlijk nog steeds brand krijgen als de brandstof en damp voldoende zuurstof krijgen door lekken of morsen. Interessant genoeg worden deze stuntexplosies bereikt met iets dat Lycopodiumpoeder heet, speciaal omdat het een heel fijn stof is dat gemakkelijk ontbrandt. Het wordt met een luchtdrukkanon door een vonk de lucht in geschoten om prachtige maar kortstondige vuurballen te maken die uiterst veilig zijn als ze door pyrotechnici worden gehanteerd.

Je kunt de explosiviteit verlagen door inerte stoffen toe te voegen, zoals natriumbicarbonaat (dat wordt gebruikt in brandblussers, omdat het onbrandbaar en onbrandbaar is). De relatie tussen v/v% (volume per volume) of w/w% (gewicht per gewicht) aanwezigheid van inerte stoffen is niet lineair. Iets met tot 80% inerte stof kan nog steeds significant ontvlambaar zijn.

MIE varieert meer met de inerte component, maar wordt gedefinieerd door de fijnste fractie van de brandbare stof. Als de deeltjes fijner worden door zeef- en overbrengingsbewerkingen tijdens het proces, kan de MIE kelderen, wat een gevaar vormt in (bijvoorbeeld) de farmaceutische productie.

Minimale Ontstekingsenergie is niet een intrinsieke eigenschap van een stof of materiaal. Het is specifiek voor het individuele monster en de grootteverdeling, meestal gebaseerd op de gemiddelde grootte, maar de kleinste deeltjesgrootte in het monster kan de MIE aanzienlijk beïnvloeden. Onder ATEX speelt MIE een cruciale rol bij het identificeren van gevaren.

Het is ook gebaseerd op de morfologie of vorm van de deeltjes, aangezien onregelmatige deeltjes meer oppervlakte hebben in vergelijking met volume, en de MIE verlagen. Ter vergelijking: het zou veel gemakkelijker zijn om een plakje spek te ontsteken dan een blokje vlees met dezelfde massa, omdat het oppervlak relatief enorm is. MIE varieert ook met het vochtgehalte dat ontsteking tegengaat, en een hogere vochtigheid tijdens de verwerking kan de kans op vonken verminderen (elektrostatische ontlading).

De atmosferische druk kan veranderen hoe vlamfronten zich door een gas- of stofwolk voortplanten. De omgevingstemperatuur beïnvloedt de MIE, net als het zuurstofgehalte. In feite is de minimale zuurstofconcentratie (MOC) nauw verbonden met de energie van de ontstekingsbron, waarbij een directe correlatie wordt waargenomen: hogere zuurstofconcentraties verminderen de behoefte aan ontstekingsenergie, terwijl lagere concentraties de behoefte doen toenemen.

In de meeste gevallen zijn er gestandaardiseerde testprocedures beschikbaar via organisaties zoals de American Society for Testing and Materials (ASTM) of de International Electrotechnical Commission (IEC) om richtlijnen te bieden voor het testen van MIE.

MIE varieert, zelfs bij hetzelfde materiaal, afhankelijk van vele externe omstandigheden. Extrapolatie van laboratoriumtestresultaten kan nuttig zijn, maar het verkrijgen van specifieke tests voor uw monsters en omstandigheden is veel onthullender.