F
AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJODIPLOMSKO DELO
Nastja Stovanje
Ljubljana, 2021
F
AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJOUNIVERZITETNI ŠTUDIJSKI PROGRAM 1. STOPNJE TEH- NIŠKA VARNOST
Določanje eksplozijskih parametrov pri prašnih eksplozijah
DIPLOMSKO DELO
Nastja Stovanje
M
ENTOR: doc. dr. Barbara Novosel
Ljubljana, 2021
IZJAVA O AVTORSTVU
Diplomskega dela
Spodaj podpisana Nastja Stovanje sem avtorica diplomskega dela z naslovom:
Določanje eksplozijskih parametrov pri prašnih eksplozijah S svojim podpisom zagotavljam, da:
• je diplomsko delo rezultat mojega raziskovalnega dela pod mentorstvom doc. dr.
Barbare Novosel;
• sem poskrbela, da so dela in mnenja drugih avtorjev, ki jih uporabljam v predlo- ženem diplomskem delu, navedena oziroma citirana v skladu z navodili;
• se zavedam, da je plagiatorstvo, v katerem so tuje misli oziroma ideje predstav- ljene kot moje lastne, kaznivo po zakonu (Zakon o avtorski in sorodnih pravicah – uradno prečiščeno besedilo (ZASP-UPB3) (Ur. list RS, št. 16/2007);
• sem poskrbela za slovnično in oblikovno korektnost diplomskega dela;
• je elektronska oblika diplomskega dela identična tiskani obliki diplomskega dela.
V Ljubljani, avgusta 2021 Podpis avtorice:
Zahvaljujem se moji mentorici, doc. dr. Barbari No- vosel, za pomoč in vodenje pri pisanju diplomskega dela. Prav tako se zahvaljujem asistentu, dr. Marku Krivcu, in strokovni sodelavki Jerneji Črepinšek za pomoč pri izvedbi eksperimentalnega dela in koristne nasvete.
Povzetek:
Eksplozija prahu lahko pusti hude posledice za človeka, množico, infrastrukturo in okolje.
Z razumevanjem temeljnega vzroka nastanka prašne eksplozije in dejavnikov, ki vplivajo na njeno napredovanje, lahko obvladujemo tveganje njenega nastanka. Na nastanek in napredovanje prašne eksplozije predvsem vpliva velikost delcev, koncentracija prahu in termične lastnosti prahu.
Trem komercialno dostopnim izomerom gorljivega prahu (ftalna, izoftalna, tereftalna) ter velikostnim frakcijam delcev med 56 in 80 µm, 80 in 100 µm ter 100 µm in 125 µm sem eksperimentalno določila velikost in porazdelitev velikosti delcev, termične lastnosti in minimalno vžigno energijo.
Najnižje območje MVE imajo velikostne frakcije delcev 56 µm – 80 µm, ta je v območju med 10 mJ in 30 mJ. Enako območje MVE imata tudi originalna vzorca IPA in TPA.
Vrednost Es je pri obeh enaka in znaša 18,7 mJ. Originalni vzorec PA ima najvišje ob- močje MVE in sicer nad 1000 mJ. Pri povečanju velikostnih frakcij delcev pride do po- večanja MVE. Največji porast območja MVE je pri TPA, ko med najmanjšo in največjo velikostno frakcijo, območje MVE naraste iz 10 mJ – 30 mJ na 300 mJ – 600 mJ. PA ima najnižje območje MVE, v kolikor so delci veliki med 80 µm in 125 µm . V primerjavi z IPA in TPA je to območje približno 100-krat nižje. Najnižjo vrednost Es doseže PA, naj- višjo pa TPA. Do nižjega območja MVE pride zaradi slabe termične stabilnosti spojine, ki razpade pri 190 °C na novo spojino, ftalni anhidrid. Medtem ko sta IPA in TPA bolj stabilni spojini, razpadeta namreč pri 240 °C oziroma 260 °C. Največji vpliv na MVE ima velikost in porazdelitev velikosti delcev. Originalna vzorca IPA in TPA imata v pri- merjavi z originalnim vzorcem PA nizka območja MVE. To povzroči dovolj velik delež manjših delcev v vzorcu in ožja porazdelitev velikosti delcev. Porazdelitev velikosti del- cev je pri PA med nekaj 10 µm in 2000 µm, medtem ko je pri originalnima vzorcema IPA in TPA med nekaj 10 µm in 500 µm. Vsebnost vlage v vzorcih sicer igra pomembno vlogo pri nastanku prašne eksplozije, vendar pri nobeni izmed spojin vlaga ne preseže 0,1
%, zato ta dejavnik ni imel bistvenega pomena na rezultate. Dejavnik, ki najbolj vpliva na MVE, je velikost delcev. Manjši delci so tisti, ki povzročijo vžige in so najbolj nevarni.
Ključne besede: prašna eksplozija, minimalna vžigna energija, ftalna kislina, tereftalna kislina, izoftalna kislina.
Abstract:
A dust explosion can have serious consequences for humans, the crowd, infrastructure and the environment. By understanding the root cause of a dust explosion and the factors that influence its progression, we can manage the risk of its occurrence. The formation and progression of a dust explosion are mainly influenced by the particle size, dust con- centration and thermal properties of the dust.
I experimentally determined the size and distribution of particle size, thermal properties and minimum ignition energy for three commercially available isomers of combustible dust (phthalic, isophthalic, terephthalic) and particle size fractions between 56 and 80 μm, 80 and 100 μm, 100 μm and 125 μm.
Particle size fractions of 56 µm - 80 µm have the lowest MVE range, which is in the range between 10 mJ and 30 mJ. The original IPA and TPA samples have the same MVE range.
The value of Es is the same in both and is 18.7 mJ. The original PA sample has the highest MVE range above 1000 mJ. As the particle size fractions increase, the MVE range in- creases. The largest increase in the MVE area is in TPA, when between the smallest and largest size fraction, the MVE area increases from 10 mJ - 30 mJ to 300 mJ - 600 mJ. PA has the lowest MVE range if the particles are between 80 µm and 125 µm in size. Com- pared to IPA and TPA, this range is about 100x lower. The lowest value of Es is reached by PA and the highest by TPA. The lower MVE range occurs due to the poor thermal stability of the compound, which decomposes at 190 ° C to a new compound, phthalic anhydride. While IPA and TPA are more stable compounds, they decompose at 240 ° C and 260 ° C, respectively. Particle size and particle size distribution have the greatest impact on MVE. The original IPA and TPA samples have low MVE ranges compared to the original PA sample due to the sufficiently large proportion of smaller particles in the sample and due to the narrower particle size distribution. The particle size distribution is between a few 10 µm and 2000 µm for PA, while it is between a few 10 µm and 500 µm for the original IPA and TPA samples. The moisture content of the samples plays an important role in the formation of the dust explosion, but for none of the compounds does the moisture exceed 0.1%, so this factor was not essential for the results. The factor that most affects MVE is particle size. Smaller particles are the ones that cause ignition and are the most dangerous.
Keywords: dust explosion, phthalic acid, isophthalic acid, terephthalic acid, minimum ignition energy.
KAZALO
1 Uvod ... 1
1.1 Eksplozija ... 1
1.1.1 Prašna eksplozija ... 2
1.2 Kriteriji za vrednotenje prašnih eksplozij ... 3
1.3 Dejavniki, ki vplivajo na nastanek prašne eksplozije ... 6
1.4 Benzendikarboksilne kisline ... 9
1.5 Ftalna kislina ... 10
1.5.1 Uporaba ftalne kisline ... 11
1.6 Izoftalna kislina ... 11
1.6.1 Uporaba izoftalne kisline ... 11
1.7 Tereftalna kislina ... 12
1.7.1 Uporaba tereftalne kisline ... 12
1.8 Identifikacijski podatki o izomerih ftalne kisline ... 12
1.9 Toksikološki podatki ... 13
1.10 Podatki o eksplozijskih parametrih za PA, IPA in TPA ... 14
1.11 Protieksplozijska zaščita ... 15
2 Namen dela in hipoteze ... 17
3 Eksperimentalni del ... 19
3.1 Sejanje ... 20
3.2 Mletje ... 22
3.3 Določanje velikosti in porazdelitev velikosti delcev ... 23
3.4 Termična analiza... 25
3.5 Določanje minimalne vžigne energije ... 28
4 Rezultati in razprava ... 33
4.1 Fizikalno – kemijski podatki ... 33
4.2 Sejanje ... 34
4.3 Določitev velikosti in porazdelitve velikosti delcev ... 36
4.5 Določanje minimalne vžigne energije ... 48
4.5.1 Primerjava rezultatov območij MVE in Es vrednosti ... 55
4.5.2 Primerjava dobljenih območij MVE z literaturnimi podatki ... 58
5 Zaključek ... 61
6 Literatura ... 63
Slika 1: Eksplozijski petkotnik ... 3
Slika 2: Maksimalni eksplozijski tlak različnih vrst prahu ... 5
Slika 3: Potrebna koncentracija prahu za nastanek prašne eksplozije ... 7
Slika 4: Nastanek anhidrida ftalne kisline... 11
Slika 5: Termični razpad izoftalne kisline na benzojsko kislino in benzen ... 11
Slika 6: Set sit za namen sejanja ... 21
Slika 7: Planetni mikromlin za mletje ... 22
Slika 8: Princip merjenja velikosti in porazdelitve velikosti delcev ... 24
Slika 9: Naprava za določanje velikosti in porazdelitve velikosti delcev ... 24
Slika 10: Primer TG in DTG krivulje ... 26
Slika 11: Aparatura za termično analizo Netzsch STA 449 F3 Jupiter ... 27
Slika 12: Naprava za merjenje MVE s Hartmannovo cevjo ... 29
Tabela 1: Eksplozijske karakteristike gorljivih prahov ... 6
Tabela 2: Imena spojin s strukturnimi formulami ... 10
Tabela 3: Identifikacijski podatki o izomerih ftalne kisline ... 13
Tabela 4: Toksikološki podatki za PA,IPA in TPA pri podganah ... 14
Tabela 5: Podatki o eksplozijskih parametrih ... 15
Tabela 6: Podatki o uporabljenih kemikalijah ... 20
Tabela 7: Energijski nivoji glede na izbrano kapacitivnost in električno napetost ... 31
Tabela 8: Fizikalno - kemijski podatki o izomerah ... 34
Tabela 9: Statistični parametri velikosti delcev mlete PA in originalnih vzorcev ... 38
Tabela 10: Statistični parametri delcev velikosti med 56 µm in 80 µm ... 40
Tabela 11: Statistični parametri za frakcijo delcev 80 do100 µm ... 41
Tabela 12: Statistični parametri za frakcijo delcev 100 do 125 µm ... 42
Tabela 13: Razmere v laboratoriju pri določitvi MVE ... 48
Tabela 14: MVE originalnega vzorca PA ... 48
Tabela 15: MVE originalnega vzorca IPA ... 49
Tabela 16: MVE originalnega vzorca TPA ... 49
Tabela 17: Razmere v laboratoriju pri določitvi MVE ... 50
Tabela 18: MVE vzorca IPA frakcije delcev med 56 µm in 80 µm ... 50
Tabela 19: MVE vzorca TPA frakcije delcev med 56 µm in 80 µm ... 51
Tabela 20: Razmere v laboratoriju pri določitvi MVE ... 51
Tabela 21: MVE vzorca PA frakcije delcev med 80 µm in 100 µm ... 52
Tabela 22: MVE vzorca IPA frakcije delcev med 80 µm in 100 µm ... 52
Tabela 23: MVE vzorca TPA frakcije delcev med 80 µm in 100 µm ... 53
Tabela 24: Razmere v laboratoriju pri določitvi MVE ... 54
Tabela 25: MVE vzorca PA frakcije delcev med 100 µm in 125 µm ... 54
Tabela 26: MVE vzorca IPA frakcije delcev med 100 µm in 125 µm ... 54
Tabela 27: MVE vzorca TPA frakcije delcev med 100 µm in 125 µm ... 55
Tabela 28: Rezultati MVE območij ... 56
Tabela 29: Primerjava MVE območij originalnih vzorcev... 58
Graf 1: Sejalna analiza IPA ... 35
Graf 2: Sejalna analiza TPA ... 36
Graf 3: Mleta ftalna kislina in originalni vzorci PA, IPA, TPA ... 37
Graf 4: Frakcija delcev med 56 µm in 80 µm ... 39
Graf 5: Frakcija delcev med 80 µm in 100 µm ... 40
Graf 6: Frakcije delcev med 100 µm in 125 µm ... 42
Graf 7: Termična analiza vzorca PA ... 44
Graf 8: Termična analiza izoftalne kisline ... 45
Graf 9: Termična analiza tereftalne kisline ... 46
Graf 10: Primerjava TG in DTG krivulj ... 47
Graf 11: Es vrednosti za vse eksperimentalno merjene vzorce glede na MVE ... 57
Seznam uporabljenih kratic in simbolov
C kapacitivnost kondenzatorja [nF]
CAS število za določanje kemikalij
Cizmerjena izmerjena kapacitivnost kondenzatorja [nF]
Cnazivna nazivna kapacitivnost kondenzatorja [nF]
CS specifična površina delca [m2/mL]
dmodus premer delcev, modus [µm]
dpovprečna povprečen premer delcev [µm]
d50 srednji premer delcev [µm]
DTA diferenčna termična analiza [mW/mg]
DTG derivatna termogravimetrija [%/min]
E energija [mJ]
Es statistična vrednost minimalne vžigne energije [mJ]
E1 energija, pri kateri v 10 zaporednih poizkusih vžiga ne pride do vžiga [mJ]
E2 energija, pri kateri pride do vžiga pri vsaj eni izmed merjenih mas vzorca [mJ]
IPA izoftalna kislina
Kst deflagracijski indeks [bar m/s]
LD50 srednji smrtni odmerek [mg/kg telesne mase]
M molska masa [g/mol]
MA povprečni premer delca glede na površino delca [µm]
MEK maksimalna eksplozijska koncentracija [g/m3] MIE minimalna vžigna energija [mJ]
MN povprečni premer delcev glede na število delcev [µm]
MV povprečni premer delca glede na volumen delca [µm]
MVE minimalna vžigna energija [°C]
MVT minimalna vžigna temperatura [°C]
MZ aritmetično povprečje vseh velikosti delcev v vzorcu [µm]
Δm sprememba mase [%]
NV ni vžiga PA ftalna kislina
pmax maksimalni eksplozijski tlak [bar]
(Δp/Δt)max maksimalna hitrost porasta tlaka [bar/s]
SD standardni odklon [µm]
St razredi gorljivosti prahov T temperatura [°C]
t čas [min]
Tf končna temperatura [°C]
Ti začetna temperatura [°C]
Tpl temperatura plamenišča [°C]
Tt temperatura tališča [°C]
TG termogravimetrija [%]
TPA tereftalna kislina U napetost [kV]
V vžig
w delež delcev posamezne velikostne frakcije [%]
Ʃw vsota deležev velikostnih frakcij delcev [%]
Θ relativna vlažnost [%]
1
1 Uvod
Požari in eksplozije so lahko v industrijskih procesih uničujoče, pri čemer lahko incidenti zelo pogosto povzročijo dolgotrajne poškodbe ali celo smrt oseb v prostorih ali v bližini.
Vzroki in metode za preprečevanje nastanka požarov/eksplozij morajo biti na delovnih mestih temeljito raziskani, vendar veliko podjetij spregleda potencialno nevarnost eks- plozij, posebno prašnih eksplozij. Ko pa se le-te pojavijo, pa je učinek lahko katastrofalen [1].
Prašne eksplozije segajo že v 18. stoletje, s prvo dokumentirano eksplozijo prahu, ki se je zgodila leta 1785 v Torinu v Italiji. Nastala je silovita prašna eksplozija z moko, ki so jo pridobivali v tamkajšnjem mlinu. Takrat je veljalo, da je razpršen prah proizvedel vne- tljiv plin, ki se je vnel [2]. Pri eksploziji sta se dve zaposleni poškodovali [3].
Eksplozije prahu poleg eksplozij parnega oblaka predstavljajo najresnejše in najbolj raz- širjene nevarnosti eksplozij v predelovalnih industrijah. Več kot 70 % prahu v industriji je predelanega, kar pomeni, da je večina industrijskih obratov dovzetna za eksplozije prahu [4].
Žal taki tragični dogodki še naprej pestijo vse države po svetu, vse to pa prinese izgub- ljena življenja, nešteto poškodb, zaradi katerih prihaja do bolniških staležev in večjih po- slovnih izgub ter zmanjšanja produktivnosti in povečevanja bremena stroškov [3].
Te zgodovinski dogodki poudarjajo potrebo po panogah, ki se ukvarjajo z gorljivim pra- hom predvsem, da bi se povečala raven znanja in ozaveščenosti o nevarnosti prahu in bi se s tem zmanjšala škoda, ki nastane zaradi le-tega. S tem pa bi preprečili tveganje za nastanek poškodb ali celo smrtnih izidov [3].
1.1 Eksplozija
ISO 8421-1, EN 1127-1 opredeljuje eksplozijo kot nenadno reakcijo oksidacije ali raz- gradnje s povišanjem temperature, tlaka ali obeh hkrati. Predstavlja kemično reakcijo, ki ob hkratni konvergenci kisika (zraka), vnetljivega materiala in vira vžiga v določenem razmerju povzroči, da temperatura in tlak nenadoma narasteta. Najhujša eksplozija se širi s hitrostjo, hitrejšo od hitrosti zvoka, s čimer se razvije neizmerna uničujoča moč [5].
Poznamo več vrst eksplozij. Glede na vir ali povzročitelja, ločimo dve glavni vrsti eks- plozij. To sta fizikalna in kemijska eksplozija. Pri fizikalni eksploziji ne prihaja do
2
kemijskih sprememb snovi, ampak nastane tako, da npr. fluidu zvišujemo tlak z zunanjim segrevanjem ali pri hipnem izpustu plin iz naprave [6]. Kemijske eksplozije povzročijo kemijske reakcije, npr. nenadzorovana eksotermna reakcija kot je razpad snovi ali poli- merizacija [7]. Glede na hitrost, s katero se reakcije širijo, pa ločimo dve vrsti eksplozij, deflagracijo in detonacijo. Deflagracija je reakcija, ki se širi s podzvočno hitrostjo do 344 m/s, v zraku pri 20 °C. Pri deflagraciji se reakcija širi z manjšo hitrostjo kot je hitrost zvoka, tlak enakomerno narašča po zaprtem prostoru. Pri detonaciji, se plamen širi s hi- trostjo, ki je večja od hitrosti zraka. Pri detonaciji narašča tlak zelo neenakomerno, do dviga tlaka pride v hipu, ko se udarni val širi skozi medij [6]. Detonacija povzroči večji dvig tlaka kot deflagracija in je tudi bolj uničujoča [7].
V diplomskem delu se natančneje ukvarjam s prašnimi eksplozijami, ki spadajo med ke- mijske eksplozije. Natančneje so predstavljene v nadaljevanju.
1.1.1 Prašna eksplozija
Prašna eksplozija je hitra oksidacijska reakcija fino razdrobljenih delcev gorljivega ma- teriala, ki je suspendiran v zadostni količini zraka ali drugega plinastega oksidanta. Na splošno prašna eksplozija predstavlja deflagracijo oziroma širjenje zgorevalnega območja s hitrostjo, ki je manjša od hitrosti zvoka v nereagirnem mediju [8].
Po Evropski agenciji za varnost in zdravje pri delu (OSHA) gorljiv prah pomeni trdno snov, sestavljeno iz ločenih delcev ali kosov, ne glede na velikost, obliko ali kemično sestavo, ki lahko predstavljajo nevarnost požara ali vnetja, če je v zraku ali drugem oksi- dacijskem sredstvu suspendirana v zadostni koncentraciji [9]. Prisotnost takega prahu na odprtih in nevidnih območjih lahko predstavlja resno nevarnost za zaposlene, delodajalce in objekte [10].
Da bi se izognili in zaščitili pred eksplozijami prahu, moramo fenomen razumeti. Poleg znanega trikotnika gorenja, kjer so potrebni trije pogoji, da pride do gorenja: kisik, vir vžiga in gorivo, je za nastanek prašne eksplozije potrebnih 5 pogojev, ki so prisotni soča- sno in tvorijo tako imenovan eksplozijski petkotnik [1].
Na sliki 1 so prikazani pogoji za nastanek prašne eksplozije. Če eden izmed elementov petkotnika manjka, do prašne eksplozije ne more priti [9].
3
Slika 1: Eksplozijski petkotnik [4]
Poznamo dve vrsti prašnih eksplozij. To sta primarna prašna eksplozija, ki nastane po zgoraj omenjenem postopku, ter sekundarna eksplozija, ki lahko pusti še večje posledice [11]. V primeru, da je prostor, v katerem pride do primarne eksplozije zaprt, deflagracija prahov ali plinov povzroči porast tlaka in temperature, kar vodi do nastanka primarnega udarnega vala. Ko pride do primarne prašne eksplozije, lahko njeni učinki povzročijo sekundarno prašno eksplozijo, ki predstavljajo najhujši primer prašne eksplozije [6].
1.2 Kriteriji za vrednotenje prašnih eksplozij
Kriterije za vrednotenje prašnih eksplozij v splošnem delimo na tiste, ki določajo verjet- nost vžiga (občutljivost na vžig), to so MEK, MVT in MVE, ter tiste, ki opisujejo posle- dice nastale eksplozije (silovitost eksplozije), to sta pmax in (Δp/Δt)max [6]. Omenjeni kri- teriji so opisani spodaj.
Minimalna eksplozijska koncentracija (MEK) predstavlja parameter občutljivosti na vžig [6]. Je najnižja koncentracija suspendirane trdne snovi v oksidativni atmosferi, ki lahko povzroči vžig [12].
Minimalna vžigna temperatura (MVT) je najnižja temperatura, pri kateri pride do vžiga oblaka ali plasti prahu. [13].
Minimalna vžigna energija (MVE) je najnižja energija, ki je potrebna za vžig gorljivih prašnih delcev, porazdeljenih v atmosferi, z zadostno količino oksidanta. V splošnem ve- lja, da nižja kot je MVE, bolj nevaren je prah [14]. Je najbolj razširjen kriterij za oceno nevarnosti pojava prašne eksplozije. Vsi gorljivi prahovi imajo določeno MVE. Do ne- davnega je bila po raziskavah MVE za prahove nekaj redov višja od tiste, ki je potrebna za vžig vnetljivih plinov, to je 1 mJ, vendar so kasneje dokazali, da so vrednosti MVE vnetljivih plinov primerljive vrednostim MVE za prahove [15]. MVE je odvisna od šte- vilnih dejavnikov, ki so natančneje predstavljeni v nadaljevanju, vendar glavni dejavnik, ki vpliva na MVE, je velikost delcev. Posledice prašne eksplozije, ki nastanejo pri
4
pomanjšanju velikosti delcev, puščajo najhujše posledice [2]. MVE predstavimo kot ener- gijsko območje. Nižja vrednost energije predstavlja energijo, pri kateri ni vžiga, višja vrednost pa energijo, pri kateri se lahko mešanica prahu in zraka vžge [16]. Poleg obmo- čja MVE, lahko izračunamo najbolj verjetno statistično vrednost Es, ki nam poda natan- čen približek območju MVE. Z njo lažje ocenimo, točno pri kateri energiji bo prišlo do začetka vžiga. Znana so energijska območja določanja MVE in sicer:
- 1 mJ – 3 mJ, - 3 mJ - 10 mJ, - 10 mJ – 30 mJ, - 30 mJ – 100 mJ, - 100 mJ – 300 mJ, - 300 mJ – 600 mJ, - 600 mJ – 1000 mJ [16].
Podatki iz literature dokazujejo, da je območje MVE za izoftalno kislino med 3 mJ in 5 mJ [43]. Glede na literaturne podatke, je območje MVE za tereftalno med 10 mJ in 30 mJ [37]. Medtem ko literaturnih podatkov o območju MVE za ftalno kislino v pregledani literaturi nisem pridobila [2].
Maksimalni eksplozijski tlak (pmax) je parameter, ki opisuje silovitost eksplozije. Je najvišja vrednost tlaka, ki ga povzroči propagiranje plamena skozi disperzijo prahu pri optimalni koncentraciji prahu [6]. Predstavlja najvišji tlak, pri kateri se eksplozija začne v zaprtem prostoru z začetnim tlakom 101,3 kPa [12].
Na sliki 2 so predstavljene krivulje, ki prikazujejo časovno odvisnost tlaka pri prašnih eksplozijah različnih vrst prahu. Aluminijev prah doseže najvišji maksimalni eksplozijski tlak v najkrajšem času, kar pomeni, da bo nastala zelo močna eksplozija, ki se lahko konča z uničenjem infrastrukture okolice ali celo smrtnim izidom.
5
Slika 2: Maksimalni eksplozijski tlak različnih vrst prahu [15]
Maksimalna hitrost porasta tlaka (Δp/Δt)max je najvišja hitrost porasta tlaka ob napre- dovanju plamena v disperziji prahu z optimalno koncentracijo. Tudi ta parameter določa silovitost prašne eksplozije in se meri v eksplozijski komori [6]. Je razmerje razlike tlaka, ki se je razvil v zaprti posodi v določenem časovnem intervalu [12].
S pridobljenimi podatki o maksimalni hitrosti porasta tlaka lahko izračunamo deflagra- cijski indeks Kst, s katerim ovrednotimo resnost prašne eksplozije in določimo ustrezno vrsto protieksplozijske zaščite. Vrednost Kst je produkt maksimalne hitrosti porasta tlaka (Δp/Δt)max in prostornine eksplozijske komore.
𝐾𝑠𝑡 = (𝑑𝑝
𝑑𝑡) max ∙ 𝑉
1 3 [17]
V tabeli 1 so navedeni razredi eksplozivnosti glede na rezultate Kst ter posledice prašnih eksplozij za polietilen, premog, aluminij, lesni prah in koruzni škrob.
Glede na rezultate vrednosti Kst delimo posledice prašnih eksplozij v tri razrede. V raz- redu 1 je rezultat Kst 0–200 bar·m/s in so posledice prašne eksplozije šibke. Razred 2 je pri vrednosti Kst 201–300 bar·m/s, kjer so posledice prašne eksplozije močne, ter razred 3, kjer je vrednost Kst > 300 bar·m/s in predstavlja zelo močne posledice prašne eksplo- zije [17].
6
Tabela 1: Eksplozijske karakteristike gorljivih prahov [17]
Vrsta prahu Kst
[bar·m/s]
Razred eksplo-
zivnosti Posledice eksplozije
Polietilen 131 1 Šibka
Premog 135 1 Šibka
Lesni prah 208 2 Močna
Koruzni škrob 202 2 Močna
Aluminij 650 3 zelo močna
Iz tabele je razvidno, da ima aluminij najvišjo vrednost Kst, zato ga uvrščamo v tretji razred eksplozivnosti. Posledice prašne eksplozije z aluminijem so zelo močne. Najnižjo Kst vrednost ima polietilen, pri katerem so posledice eksplozije šibke.
Tako kot vplivajo različni dejavniki na MVE, vplivajo tudi na vrednost Kst. Prahovi ftalne, izoftalne in tereftalne kisline glede na podatke v literaturi o Kst spadajo v prvi razred eksplozivnosti, kjer so posledice eksplozije šibke. Literaturni podatki so predstav- ljeni v nadaljevanju.
1.3 Dejavniki, ki vplivajo na nastanek prašne eksplozije
Na nastanek prašne eksplozije in njen razvoj ter napredovanje pa vpliva še nekaj dejav- nikov, katere je potrebno preučiti. Med te dejavnike spadajo: kemijska sestava prahu, koncentracija prahu, velikost delcev, vsebnost vlage, turbulenca ter prisotnost inertnih plinov. Omenjeni dejavniki, so natančneje opisane spodaj.
Kemijska sestava prahu
Gorljivi prahovi so pogosto bodisi kovinski prahovi (aluminij, sicilij, magnezij), ki so drobno zmleti v manjše delce, in organski prahovi (premog, les, škrob) ali pa mešanica obeh vrst [2]. Pri organskih prahovih se pri izpostavitvi viru vžiga začno delci s pomočjo pirolize pretvarjati v gorljive pline. Drobni delci kovin se ne pretvarjajo v gorljive pline, ampak gorijo posamezni delci [18]. Eksplozijska nevarnost za prahove se poveča v pri- meru, da vsebujejo karboksilne funkcionalne skupine (-COOH), hidroksilne (-OH), amin- ske ali nitro (-NO2) skupine. Nevarnost za reagiranje prašnih delcev pa zmanjšamo tako, da uporabimo nadomestek vodik ali halogene elemente [2].
7
Koncentracija prahu
Prah ima veliko površino v primerjavi s svojo maso. Ker se gorenje lahko pojavi le na trdni ali tekoči površini, kjer lahko reagira s kisikom, povzroči, da je prah veliko bolj vnetljiv kot pa snovi v razsutem stanju [19].
Slika 3: Potrebna koncentracija prahu za nastanek prašne eksplozije [19]
Na sliki 3 je prikazano območje koncentracije, pri kateri pride do eksplozije in koncen- tracija, pri kateri do vžiga še ne prihaja oziroma pride do zaprašenosti. Pri določanju kon- centracije prahu, potrebne za nastanek prašne eksplozije, ne govorimo o natančni vredno- sti koncentracije. Govorimo o nekem območju, ki ponazarja količino prahu v nekem pro- storu, da nastane eksplozija. Koncentracija prahu mora biti zadostna, to pomeni, da prahu ne sme biti preveč, saj pride do zaprašenosti in prahu ne sme biti premalo. Da do prašne eksplozije pride, mora biti koncentracija prahu nekaj 10 g/m3 [19].
Velikost delcev
Kot že omenjeno, je prah opredeljen kot material, ki je sestavljen iz ločenih delcev ali kosov. Delce delimo na fine in grobe. Pod prah štejemo delce, ki so manjši od 420 µm.
Velikost in oblika prašnih delcev pa sta bistvenega pomena pri nastanku prašne eksplozije in razpršljivosti prahu [20].
Velikost delcev prahu močno vpliva na eksplozivnost oblaka prahu. Zmanjšanje velikosti delcev pomeni povečanje površine na enoto teže in posledično povečanje enostavnosti nastanka vžiga. Velikost in oblika delcev imata zelo velik vpliv tudi na eksplozijske ka- rakteristike prašnih eksplozij [21]. Različne velikosti delcev, povzročajo različne maksi- malne eksplozijske tlake. Pri določeni koncentraciji nekega prahu se maksimalen eksplo- zijski tlak manjša s povečanjem velikosti delcev. To se zgodi predvsem zato, ker znotraj določenega obsega manjša velikost delcev prispeva k boljši razpršitvi prahu. Manjši delci prav tako bolj hlapijo, zato je velikost delcev obratno sorazmerna eksplozijskemu tlaku
8
[22]. Velikost delcev ima vpliv tudi na ostale eksplozijske parametre. Največje porasti hitrosti dviga tlaka se pojavljajo pri zmanjšanju velikosti delcev [23]. Povečanje velikosti delcev zvišuje minimalno vžigno energijo, saj večji delci zaradi težje disperzije potrebu- jejo več energije, da se vžgejo [24].
Med postopkom zgorevanja, ki se dogaja pri eksploziji prahu, so vključene kemične re- akcije na meji trdne snovi s kisikom. Posledično površina trdne snovi, ki je na voljo za oksidacijo, in prenos toplote pomembno vplivata na sprožitev in napredek prašne eksplo- zije. Delci prahu imajo notranje in zunanje površine, ki so sposobne reagirati s kisikom.
Ko se material drobi na določeni površini, se razmerje med skupnimi zunanjimi in notra- njimi površinami glede na skupno maso poveča in tako novonastali prah lahko lažje gori, prah tako se ta prah lažje razprši in ostaja v suspenziji prahu. To je v celoti posledica povečane površine, zmanjšanje prvotne velikosti delcev tako povzroči povečanje povr- šine le-teh. Temu posledično pripišemo tudi povečanje gorljivosti in eksplozivnosti takih delcev. Dodati je potrebno še pomembnost mehanskih vezi med delci prahu. Če ima prah zelo majhno velikost delcev, lahko kohezijske sile povzročijo, da imajo aglomerati de- jansko večjo velikost delcev z ustrezno manjšo specifično površino kot drobnejši delci.
V teh okoliščinah lahko obstaja nevarnost za manjšo eksplozijo, vendar se lahko pojavijo disperzne sile, ki premagajo kohezijske sile in s tem ustvarijo finejše delce, ki imajo večjo specifično površino in so bolj nevarni [2].
Vsebnost vlage
Vlaga je lahko prisotna v gorljivem materialu kot tudi v atmosferi. Vsebnost vlage v gorljivem prahu ali atmosferi vpliva na minimalno vžigno energijo. Minimalna vžigna energija se za nekatere prahove poveča s povečano vsebnostjo vlage v vzorcu. Prah je zato potrebno preizkusiti v suhih pogojih, brez vlage. Prav tako je potrebno preučiti, ko- liko vlage vsebuje vzorec in na podlagi tega približati vsebnost vlage za pogoje meritev.
Če vzorec vsebuje vlago, je potrebno vzorec sušiti. Suhe vzorce je potrebno prevažati v zaprtih vsebnikih pod suhim zrakom in nato hraniti v eksikatorju [16].
Ko se vsebnost vlage v prahu povečuje, prašni delci na splošno postanejo bolj kohezivni in tvorijo aglomerate, ki jih je težje razpršiti. Razpršeni aglomerati v vlažnem okolju imajo tako dejansko večjo velikost delcev kot razmeroma suh prah, zato se težje vnamejo.
[2].
9
Turbulenca
Delci v zraku se gibajo v različne smeri. Turbulenca delcem v zraku omogoča, da lebdijo.
Kadar je prisotna turbulenca, omogoča delcem, da se zadevajo drug ob drugega in zaradi neprestanega vrtinčenja se toplota porazgubi. Posledično se za vžig prašnih delcev MVE dvigne. Visoka stopnja turbulence ob eksploziji z mešanjem zračnih mas, ki vsebujejo prah, omogoči boljšo oskrbo gorljivih delcev z oksidantom. Hitrejše vrtinčenje omogoča hitrejši porast tlaka in hujše posledice prašne eksplozije. Ko se delci vrtinčijo, lažje zade- nejo ob delec, ki še ne gori [18].
Prisotnost inertnih plinov
Vnetljivost prašnega oblaka se zmanjša z zmanjšanjem vsebnosti kisika v mediju, v ka- terem je razpršen. Običajna koncentracija kisika v zraku je 21 %. Če koncentracijo kisika zmanjšamo na polovico, do prašne eksplozije ne prihaja. Ko se vsebnost kisika zmanjša, se minimalna temperatura vroče površine, potrebne za vžig, postopoma zvišuje. Ta meja je odvisna od inertnih lastnosti drugih komponent ozračja. Ogljikov dioksid in dušik sta učinkovita inertna sredstva za ogljikove materiale, vendar se nekateri praški v določenih okoliščinah lahko vnamejo tudi v ogljikovem dioksidu ali dušiku. Višja je koncentracija inertnih plinov, manjša bo možnost nastanka prašne eksplozije. Z nižanjem koncentracije kisika se namreč poveča potrebna koncentracija prahu za nastanek eksplozije prahu [21].
1.4 Benzendikarboksilne kisline
Dikarboksilne kisline so spojine z nerazvejano verigo, ki vsebujejo dve COOH skupini.
Benzendikarboksline spojine ali aromatske spojine vključujejo COOH skupino, ki je ve- zana na aromatski obroč [25]. Ftalna kislina in njene izomere, spadajo v skupino benzen- dikarboksilnih kislin, tako imenovanih aromatskih dikarboksilnih kislin. To je skupina kemičnih spojin, ki so dikarboksilni derivati benzena [26]. Obstajajo trije različni izomeri, ki se razlikujejo po položaju obeh karboksilnih skupin v aromatskem obroču [27]. Ome- njene spojine so predstavljene v tabeli 2.
10
Tabela 2: Imena spojin s strukturnimi formulami [29], [30], [31]
Ime spojine Strukturna formula
Ftalna kislina (1,2 – benzendikarboksilna kislina) – orto oblika
Izoftalna kislina (1,3 – benzendikarboksilna kislina) – meta oblika
Tereftalna kislina (1,4 – benzendikarboksilna kislina) – para oblika
Iz strukturnih formul izomer je razvidno, da so karboksilne skupine pri orto obliki bolj skupaj kot pri meta in para obliki. Posledično pri orto obliki hitreje prihaja do reakcije med sosednjimi ogljikovimi atomi.
1.5 Ftalna kislina
Ftalna kislina je aromatska dikarboksilna kislina s formulo C8H6O4. Je izomer izoftalne in tereftalne kisline, ki sta natančneje predstavljeni spodaj. Čeprav je ftalna kislina skrom- nega komercialnega pomena, je sorodni derivat ftalni anhidrid osnovna kemikalija, ki se proizvaja v velikem obsegu [31].
Ftalna kislina je brezbarvna kristalinična dikarboksilna kislina, pri kateri sta dve COOH skupini substituirani na sosednjih ogljikovih atomih aromatskega obroča [32].
Termična razgradnja orto oblike ftalne kisline, ki se začne pri približno 200 °C, privede do reakcije tvorbe anhidrida ftalne kisline. Do tvorbe anhidrida ftalne kisline prihaja za- radi položaja obeh karboksilnih skupin, ki sta dovolj blizu skupaj [26]. Termična razgrad- nja je prikazana na sliki 4.
11
Slika 4: Nastanek anhidrida ftalne kisline [26]
1.5.1 Uporaba ftalne kisline
Ftalna kislina se največ proizvaja in trži v obliki svojega anhidrida, pridobljenega z oksi- dacijo ortoksilena in naftalena. Njena široka uporaba temelji na orto povezanih skupinah karboksilne kisline. Uporablja se za izdelavo enostavnih estrov, ki se pogosto uporabljajo kot mehčala. Prav tako jo uporabljamo za izdelavo nenasičenih poliestrskih smol, alkilnih smol, barvil in pigmentov, halogeniranih anhidridov in polieterimidnih smol [30]. Manjše količine ftalne kisline se uporabljajo tudi za proizvodnjo antrakinona, fenolftaleina in fta- locianinskih pigmentov [33].
1.6 Izoftalna kislina
Izoftalna kislina je brezbarvna trdna snov. Uporablja se kot predhodnik komercialno po- membnih polimerov. Visoko zmogljiv polimerni polibenzimidazol je izdelan iz izoftalne kisline [34]. Izoftalna kislina ob segrevanju ne tvori anhidrida, tako kot ga ftalna kislina.
Pri temperaturah višjih od 280 °C, prične termično razpadati [35].
Prične se tvoriti CO2, benzojska kislina in benzen. Med termično analizo nastaja CO2, poročajo pa tudi o nastajanju CO [26]. Termični razpad izoftalne kisline je prikazan na sliki 5.
Slika 5: Termični razpad izoftalne kisline na benzojsko kislino in benzen[26]
1.6.1 Uporaba izoftalne kisline
Izoftalna kislina ima odlične lastnosti delovanja, vključno z izjemno trdoto, odpornostjo proti koroziji in madežem ter toplotno stabilnostjo. Predstavlja ključno sestavino na trgih
12
za izdelke, kot so morske cevi, avtomobilske in odporne cevi ter rezervoarji. Poliestri, ki vsebujejo prečiščeno izoftalno kislino, se pogosto uporabljajo v industrijskih premazih za gospodinjske aparate, avtomobile, aluminijaste obloge in kovinsko pohištvo. Njeni glavni nameni uporabe so za polietilen tereftalata, kjer se izoftalna kislina uporablja kot stranski produkt, pa tudi za nenasičene poliestrske smole, kjer dodatek izoftalne kisline izboljša toplotno odpornost in mehanske lastnosti [36].
1.7 Tereftalna kislina
Tereftalna kislina je običajno na voljo v obliki tekočega prahu, sestavljenega iz zaobljenih kristalov. Če jo počasi prekristaliziramo, tvori igle [35].
Tereftalna kislina na podlagi termičnih analiz prične z razgradnjo 320 °C [37]. Med raz- gradnjo nastanejo novi produkti, predvsem benzen, benzojska kislina in bifenili. Te spo- jine spadajo med glavne produkte termične razgradnje tereftalne kisline. Prvič je bila iz- olirana leta 1846, pomembno vlogo je dobila po drugi svetovni vojni ob pojavu sintetičnih vlaken. Na začetku je bila tereftalna kislina komercialno sintetizirana z oksidacijo para- ksilena z razredčeno dušikovo kislino. Oksidacija je potekala ob prisotnosti zraka, da se je zmanjšala poraba dušikove kisline. Tereftalna kislina, proizvedena na tak način, je ne- čista, njeno čistost pa dosežemo z esterifikacijo do dimetil tereftalata, iz katerega so iz- delana vlakna. Novejši podatki sinteze pa temeljijo na oksidaciji para-ksilena in ocetne kisline ob prisotnosti zraka. V procesu sta uporabljena tudi magnezijev ali kobaltov ace- tat, ki služita kot katalizatorja [38].
1.7.1 Uporaba tereftalne kisline
Skoraj vsa prečiščena tereftalna kislina se uporablja za proizvodnjo poliestra, vključno s poliestrskimi vlakni, smolo za polietilen tereftalat in poliestrsko smolo. Uporablja se kot vmesni proizvod dimetil tereftalata, ki se uporablja v tekstilu in posodah za hrano in pi- jačo. Preostala tereftalna kislina se uporablja za tereftaloiklorid, elastomer kopoliestr- skega etra, mehčalce in polimere iz tekočih kristalov [39].
1.8 Identifikacijski podatki o izomerih ftalne kisline
V tabeli 3 so prikazani glavni identifikacijski podatki o ftalni, tereftalni in izoftalni kislini, ki se komercialno uporabljajo.
13
Tabela 3: Identifikacijski podatki o izomerih ftalne kisline
PA IPA TPA
CAS število 88-99-3 [28] 121-91-5 [40] 100-21-0 [29]
EC število 201-873-2 [28] 204-506-4 [40] 202-830-0 [29]
Molekulska
formula C8H6O4 [28] C8H6O4 [40] C8H6O4 [29]
M [g/mol] 166,13 [28] 166,13 [40] 166,13 [29]
Piktogram ne- varnosti
[28]
/ [40] / [40]
Identifikacijski podatki o snoveh omogočajo pravilno identifikacijo škodljivih snovi. S tem se tudi omogoči vzpostavitev ustreznih preventivnih zaščitnih ukrepov, ki jih je po- trebno sprejeti za nadzor tveganja, ki izhaja iz teh snovi. Čeprav imajo spojine enako molekulsko formulo, se med seboj razlikujejo. Iz piktograma nevarnosti za PA je razvi- dno, da je snov škodljiva. Lahko povzroča draženje ali poškodbo oči ter dihal. Če pride v prebavno cev, lahko povzroči razjede sluznice, zaspanost in omotico [28]. Ostali dve spo- jini nista označeni kot nevarni.
1.9 Toksikološki podatki
Toksikološki podatki, nam dajo jasen vpogled učinkov neke snovi, ki vplivajo na zdravje ljudi in se lahko pojavijo pri ravnanju ali ob uporabi nevarne snovi in pripravka. Eden izmed pomembnih podatkov je LD50.
LD50 (smrtna koncentracija) je količina snovi v mg/kg telesne teže, ki povzroči odmrtje ali pogin 50 % testnih osebkov v 14 dneh [41].
V tabeli 4 je predstavljen LD50 za ftalno, izoftalno in tereftalno kislino pri podganah z oralnim zaužitjem nevarne snovi.
14
Tabela 4: Toksikološki podatki za PA,IPA in TPA pri podganah
PA IPA TPA
LD50 podgana
oralno [mg/kg] 7900 [28] >5000 [40] >6400 [29]
Izomere ftalne kisline imajo nizko akutno strupenost. Toksičnost izomerov se zmanjšuje po vrsti od orto oblike do para oblike ftalne kisline. Glavni simptomi so predvsem lokalno draženje kože in sluznice membrane. Ftalna kislina na splošno ne povzroča preobčutlji- vosti, opažene pa so bile alergijske reakcije pri proizvodnih delavcih, kot sta ekcem in astma. Kronične zastrupitve niso znane, so pa znane akutne toksičnosti za miši in pod- gane. Povzroča predvsem spremembe v motorični aktivnosti, mišicah, pljučih, prsnem košu ali težave z dihanjem [42].
1.10 Podatki o eksplozijskih parametrih za PA, IPA in TPA
Podatki o eksplozijskih parametrih za različne prahove so pokazatelji potencialne nevar- nosti prašne eksplozije. Podatka pmax in (p/t)max sta merilo za določitev silovitosti eks- plozije. Višji sta te vrednosti, bolj silovita bo eksplozija. S pomočjo podatka o (p/t)max
lahko glede na vrednost Kst določimo posledice eksplozije. Kot je bilo predstavljeno že v uvodnih poglavjih, višja vrednost Kst pomeni močnejše posledice eksplozije. Glede na podatek o MEK prav tako določimo posledice prašne eksplozije. Največji pomen za na- stanek prašne eksplozije ima podatek o območju MVE. Nižje je območje MVE, bolj je prah nevaren.
Literaturni podatki o eksplozijskih parametrih so predstavljeni v tabeli 5, vendar se nana- šajo na vzorce iz originalnih embalaž. Na prašno eksplozijo vpliva več dejavnikov, zaradi katerih se te podatki lahko v praksi razlikujejo. Podatkov o eksplozijskih parametrih za PA v moji literaturi nisem pridobila, zato sem eksperimentalno določila MVE, s katerimi sem dopolnila pomanjkljive podatke.
15
Tabela 5: Podatki o eksplozijskih parametrih
MVE [mJ] MEK [g/cm3] pmax [bar] (p/t)max
[bar/s]
Kst [bar ·m/s]
PA / / / / /
IPA 3 ̶ 5 [44] 40 ̶ 50 [43] 7,7 [43] / 173 ̶ 220
[43]
TPA 10 ̶ 30 [37] 50 [37] 7,1 [37] 511 [37] 139 [39]
Glede na pridobljene podatke v tabeli ima IPA najnižje območje MVE, kar pomeni, da bo pri tej spojini najhitreje prišlo do vžiga. IPA in TPA bosta potrebovali skoraj enako MEK, da bo prišlo do vžiga prahu, zato glede na ta podatek težko ocenim katera snov je bolj nevarna. IPA ima najvišji pmax, kar pomeni, da bo eksplozija s IPA najsilovitejša.
Podatka o (p/t)max za IPA v literaturi nisem pridobila, lahko pa ocenim posledice glede na Kst vrednost. Glede na vrednosti Kst bodo posledice eksplozije z IPA in TPA šibke.
IPA uvrščamo v prvi razred po eksplozivnosti, kjer so posledice eksplozije šibke, čeprav vrednost 220 bar·m/s sega že v drugi razred eksplozivnosti in lahko povzroči nekoliko močnejšo eksplozijo. Posledice eksplozije s TPA so glede na Kst vrednost šibke.
Glede na podatke o eksplozijskih parametrih lahko ocenim, da bo pri originalnem vzorcu IPA najhitreje prišlo do vžiga in da bo imel vzorec najnižjo MVE. Z eksperimentalnim delom bom dopolnila podatke o območjih MVE tako originalnih vzorcev, kot tudi različ- nih velikostnih frakcijah delcev.
Iz literature že vemo, da na prašno eksplozijo vpliva več dejavnikov, katere je potrebno preučiti, zato ni dovolj, da se sklicujemo samo na literaturne podatke o eksplozijskih pa- rametrih. Z eksperimentalnim delom bom overila te literaturne podatke z dodatnimi ana- lizami, na podlagi katerih lažje ocenimo kater prah je nevaren in zakaj.
1.11 Protieksplozijska zaščita
Pravilnik o protieksplozijski zaščiti določa zahteve, ki jih morajo izpolnjevati oprema in zaščitni sistemi, namenjeni za uporabo v potencialno eksplozivnih atmosferah [44].
Eksplozivna atmosfera so zmesi vnetljivih snovi v obliki plinov, hlapov, megle ali prahu z zrakom pri atmosferskih razmerah, v katerih se ob vžigu plamen razširi na celotno ne- zgorelo zmes. Če želimo v takem okolju delati varno, se je treba držati vseh zahtev za- ščitne opreme in sistemov. Kadar v industriji ali proizvodnji nastaja gorljiv prah v koli- čini, ki je lahko nevarna in v obliki manjših delcev, je velika možnost nastanka prašne
16
eksplozije. V skladu s pravilnikom, se prostori, kjer nastaja eksplozivna atmosfera zaradi prahu, razvrstijo v tri kvalifikacije con [44].
Cona 20: je prostor, v katerem je eksplozivna atmosfera v obliki oblaka gorljivega prahu v zraku prisotna stalno, za daljša obdobja ali pogosto.
Cona 21: je prostor, v katerem lahko pri normalnem delovanju občasno nastane eksplo- zivna atmosfera v obliki oblaka gorljivega prahu v zraku .
Cona 22: je prostor, v katerem pri normalnem obratovanju eksplozivna atmosfera v obliki oblaka gorljivega prahu v zraku ne nastane, če pa že nastane, je to le za kratek čas [44].
Podatki o eksplozijskih parametrih, posebno podatki o MVE, so nam tako lahko v pomoč pri določanju con, saj se na podlagi tega odločimo, katero električno opremo bomo upo- rabljali v industriji, kjer se uporablja gorljiv prah [6].
17
2 Namen dela in hipoteze
Osnovni namen diplomskega dela, je določiti snovne lastnosti vzorca (karakteristične lastnosti vzorca) kot so barva, izgled, vonj, vlažnost in čistost treh izomerov ftalne kisline, in sicer: orto (1,2 ̶ benzendikarboksilna kislina), meta (1,3 – benzendikarboksilna kislina) in para (1,3 – benzendikarboksilna kislina) oblike. Namen bo ovrednotiti njihovo občutljivost na nastanek prašne eksplozije. Najpomembnejše karakteristične lastnosti za prašno eksplozijo so organska sestava prahu, velikost prašnih delcev in odstotek vlage v ozračju in v prahu. S temi podatki bom lažje ocenila verjetnost nastanka prašne eksplo- zije. Verjetnost nastanka eksplozije opišemo z eksplozivno atmosfero, to je zmes vnetlji- vih snovi v obliki plinov, hlapov, megle ali prahu z zrakom pri atmosferskih pogojih, v katerih se po vžigu plamen razširi na celotno nezgorelo zmes.
Določitev snovnih lastnosti bom pričela s sejalno analizo vzorca, in sicer z namenom pridobitve vzorca z ožjo porazdelitvijo velikosti delcev. To bom opravila s suhim seja- njem, po potrebi bom grobe frakcije mlela. Po pridobitvi ožje porazdelitve velikosti del- cev bom nadaljevala z določitvijo velikosti in porazdelitve velikosti delcev. Trem vzor- cem prahu ftalne, izoftalne in tereftalne kisline ter izoliranimi velikostnimi frakcijami delcev bom določila velikost in porazdelitev velikosti delcev z laserskim analizatorjem, ki omogoča meritev porazdelitve velikosti delcev. Originalnim vzorcem treh izomerov ftalne, izoftalne in tereftalne kisline bom določila termične lastnosti (TG/DTA analiza določitve vlage ali hlapnih komponent). Poleg karakterističnih lastnosti nameravam izo- merom ftalne kisline in velikostnim frakcijam delcev določiti minimalno vžigno energijo.
Ta parameter je ključnega pomena za oceno tveganja za nastanek prašne eksplozije oz.
ovrednotenje občutljivosti za nastanek prašne eksplozije.
Z eksperimentalnim delom bom potrdila naslednje hipoteze:
- originalni vzorci PA, IPA in TPA bodo imeli različna območja MVE - večji delci bodo imeli višjo MVE
- termično manj obstojne spojine bodo imele nižje območje MVE (ker PA razpade na ftalni anhidrid, bo imela najnižjo MVE)
- podatki iz literature se bodo razlikovali z eksperimentalno določenimi podatki
18
Po opravljenem eksperimentalnem delu se lahko določi resnost dane nevarnosti s ftalno kislino. S pridobljenimi rezultati bom lahko obravnavala oceno tveganja nastanka prašne eksplozije glede na različne velikosti delcev. Glede na podatke literature in izvedeno eks- perimentalno delo bom potrdila ali ovrgla pravilnost danih hipotez in določila ustrezno protieksplozijsko zaščito pri delu s ftalno kislino.
19
3 Eksperimentalni del
Eksperimentalno delo se je izvajalo v laboratorijih Fakultete za kemijo in kemijsko teh- nologijo. V začetku študijskega leta 2020/2021 sem opravila usposabljanje za varno delo študentov v laboratoriju. Eksperimentalno delo je potekalo v času epidemije virusa COVID-19, zato je bilo delo zelo okrnjeno in je potekalo zgolj individualno. V izogib širjenja koronavirusa je enkrat na teden potekalo testiranje za študente in zaposlene na okužbo s COVID-19. Na UL FKKT so veljali številni ukrepi za preprečevanje širjenja virusa, kot je redno umivanje in razkuževanje rok ter površin, nošenje zaščitne maske in vzpostavljanje varnostne razdalje med osebami v laboratoriju.
Za eksperimentalno delo, sem potrebovala vzorce prahu komercialno dostopnih spojin ftalne, izoftalne in tereftalne kisline. Kupljene vzorce sem prejela na fakulteti. Preučila sem varnostne liste in osnovne fizikalno – kemijske lastnosti spojin. Eksperimentalno delo sem izvajala v skladu z laboratorijskim redom [52]. Z aparaturami in ostalimi napra- vami, sem rokovala v skladu z navodili in pod nadzorom zaposlenih na UL FKKT.
Pričela sem z določanjem granulacijske sestave delcev s suhim sejanjem. Z sejanjem sem pridobila manjše velikostne frakcije delcev velikosti med 56 µm in 200 µm. Vzorec ftalne kisline, je bilo potrebno mleti, ker smo z sejanjem ugotovili, da vsebuje prevelike delce.
Na podlagi rezultatov sejanja smo se odločili, da bomo za eksperimentalno delo uporabili frakcije delcev velikosti med 56 µm in 80 µm, med 80 µm in 100 µm ter med 100 µm in 125 µm. Vzorcem ftalne, izoftalne in tereftalne kisline iz originalne embalaže sem nato določila velikost in porazdelitev velikosti delcev, da sem lahko ocenila, katere velikosti delcev so v vzorcih in kakšna je njihova porazdelitev. Trem originalnim vzorcem ftalne, izoftalne in tereftalne kisline ter mleti ftalni kislini sem nato določila termične lastnosti.
Na koncu pa sem trem originalnim vzorcem ftalne, izoftalne in tereftalne kisline ter veli- kostnim frakcijam delcev (56 µm – 80 µm, 80 µm – 100 µm ter 100 µm – 125 µm) določila minimalno vžigno energijo. Kemikalije, aparature, naprave in pripomočki, ki sem jih uporabljala, ter potek dela so opisani v nadaljevanju.
V tabeli 6 so navedene kemikalije, ki sem jih uporabila tekom eksperimentalnega dela.
20
Tabela 6: Podatki o uporabljenih kemikalijah
Spojina CAS Čistost [%]
Kataloška šte-
vilka lot Proizvajalec
Ftalna
kislina 88-99-3 ≥ 99,5 80010-KG # BCBK3753V Sigma Aldrich Izoftalna
kislina 121-91-5 99 I19209-500G # WXBD1928V Sigma Aldrich Tereftalna
kislina 100-21-0 98 185361-500G # MKCL6627 Sigma Aldrich
3.1 Sejanje
Najstarejši in najpogostejši način določanja velikosti delcev v velikostnem redu med ne- kaj sto µm do nekaj cm je sejanje [45]. Površine, na katerih vzorec sejemo, so razna sita z mrežami iz enakomernih odprtin določene velikosti. Z uporabo sit z različnimi odprti- nami se delci v vzorcih na posameznih sitih razvrstijo. Za uspešno sejanje moramo zago- toviti:
- prehod delcev po sejalni površini, - primeren čas sejanja [45].
Vrhnje sito je tisto, ki ima največje odprtine, pod njim pa zaporedoma zložimo sita z vedno manjšimi odprtinami (do 10 sit). Odprtine sit so standardizirane, obravnavajo jih različni nacionalni standardi. Sejanje je lahko suho ali mokro [45].
Pripomoček za sejanje so sita, iz tkane žične mreže, velikosti 200 x 50 mm, iz nerjavnega jekla, proizvajalca Retsch Test Sieve, za velikosti delcev med 200 µm in 56 µm. Sita izberemo tako, da bo ostanek na situ z največjo odprtino manjši od 5 % začetne mase, prav tako naj bo manj kot 5 % začetne mase tudi presežek skozi najfinejšo sito [45].
Posamezni ostanki na vmesnih sitih naj ne bi presegli 25 % začetne mase. Masa vzorca (m0), ki ga stresemo na zgornje sito, naj bo okoli 100 gramov [16].
Poleg omenjenega pripomočka sem uporabljala tudi stresalnik VEB MLV LA- BORTECHNIK za sita Retsch, kamor sem postavila sita. Sita, katera sem uporabljala za namen sejanja, so prikazana spodaj.
21
Slika 6: Set sit za namen sejanja; slikano v prostorih FKKT, februar 2021
Ostale naprave in pripomočki
- PE posode z zamaškom (200 mL), - tehtnica POB250-3, proizvajalec Kern, - plastična spatula
Potek dela
Priprava vzorca za sejalno analizo mora biti skladna s standardnimi načini vzorčenja. Za sejalno analizo pripravimo sita (med 5 in 10 različnih sit), v mojem primeru 7, in jih zložimo od bolj grobih (zgoraj) do finejših (spodaj) [46].
Na vrhu je sito za delce velikosti nad 200 µm, najnižje sito pa je za delce, ki so manjši od 56 µm. Uporabljala sem suho sejanje, pri katerem na sita natresemo le vzorec zrnatega kolektiva. Sejanje sem izvajala s pomočjo stresalnika VEB MLV LABORTECHNIK, ka- mor sem vpela stav sit. Sejanje je na stresalniku potekalo 20 min. S sejanjem sem prido- bila ustrezne frakcije velikosti delcev, ki sem jih potrebovala za nadaljnjo eksperimenti- ranje. Potrebovala sem naslednje frakcije delcev:
1. Frakcija med velikostjo delcev 56 µm in 80 µm (za delce, ki so večji od 56 µm in manjši od 80 µm)
2. Frakcija delcev med velikostjo delcev 80 µm in 100 µm (za delce, ki so večji od 80 µm in manjši od 100 µm)
22
3. Frakcija delcev med velikostjo delcev 100 µm in 125 µm (za delce, ki so večji od 100 µm in manjši od 125 µm).
Po opravljenem sejanju za vzorec ftalne kisline smo pridobili večinoma delce, velikosti nad 200 µm, delež teh delcev je bil 87 %, zato je bilo potrebno najprej mletje vzorca in potem sejanje.
3.2 Mletje
Mletje je metoda, s katero izvajamo drobljenje grobih frakcij delcev z namenom pridobi- tve manjše velikosti delcev. Poznamo dve vrsti mletja, suho in mokro mletje. V mojem primeru sem uporabljala suho mletje. Učinek mletja je odvisen od hitrosti mletja in števila mlevnih teles. Originalni vzorec ftalne kisline vsebuje grobe frakcije delcev, katere je bilo potrebno zmleti. Uspešnost mletja smo dosegli tako, da smo najprej določili izhodiščno granulacijsko sestavo vzorca s pomočjo sejanja in analize velikosti in porazdelitve veli- kosti delcev.
Aparatura
Aparatura za mletje je planetni mikro mlin PULVERISETTE 7, Fritsch Premium Line. V mlinu sta dve mlevni posodi iz cirkonijevega oksida. Ena mlevna posoda je prazna in služi kot protiutež, druga pa je posoda z vzorcem. Omenjena aparatura je prikazana na sliki 7.
Slika 7: Planetni mikromlin za mletje, slikano v prostorih UL FKKT, februar 2021
23
Ostale naprave in pripomočki
- kovinska spatula iz nerjavnega jekla, - steklena čaša (250 mL),
- mlevna telesa, velikosti 10 mm iz cirkonijevega oksida.
Potek dela
V večjo čašo sem si natehtala približno 300 g ftalne kisline iz originalne embalaže. Pred mletjem sem v eno izmed mlevnih posod v mlinu nasula vzorec ftalne kisline iz originalne embalaže. Nasula sem ga do 2/3 velikosti mlevne posode in dodala 9 mlevnih teles (kro- glice iz cirkonijevega dioksida velikosti 10 mm). Mlevni posodi sem pokrila in pritrdila na pogonski del mlina. Nastavila sem parametre mletja: hitrost mletja je 500 mph, čas mletja: 3 min. S pomočjo tipke start na zaslonu se je pričelo mletje. Po končanem mletju sem mleti vzorec pretresla na zgornje sito in ločila mlevna telesa, ki so ostala na situ.
3.3 Določanje velikosti in porazdelitev velikosti delcev
V vseh kategorijah gorljivega prahu velikost delcev vpliva na to, kako snov reagira v različnih pogojih. Za razliko od vnetljivih tekočin in hlapov, ima velikost delcev eno iz- med glavnih vlog pri nastanku in napredovanju prašne eksplozije. Rezultati določanja velikosti delcev močno vplivajo na strategije ugotavljanja ublažitve nevarnosti [46].
Aparatura
Velikost delcev in porazdelitev velikosti delcev se opravlja z aparaturo Microtrac Model S3500 Particle Size Analyser, ki je prikazana na sliki 9. Aparatura je namenjena določa- nju velikosti delcev in porazdelitve velikosti delcev v suhem (dry) in mokrem (wet) na- činu. Povezana je z računalnikom, v katerem je nameščena programska oprema Micro- trac, ta nam izriše porazdelitveni histogram. Za določevanje se je uporabljalo suhi način, saj je vzorec dispergiran v suhem zraku. Aparatura deluje na principu treh laserskih žar- kov, ki obsvetijo delce. Uklon svetlobe določa velikost delcev (velik uklonski kot pomeni veliko velikost delcev). Aparatura ima na koncu detektor, ki določa količino delcev [47].
Princip delovanja aparature je prikazan na sliki 8.
24
Slika 8: Princip merjenja velikosti in porazdelitve velikosti delcev [48]
Slika 9: Naprava za določanje velikosti in porazdelitve velikosti delcev; slikano v prostorih FKKT, februar 2021
Ostale naprave in pripomočki - ščetka za čiščenje naprave, - kovinska spatula.
Potek dela
Pred začetkom izvajanja meritev določanja velikosti delcev mojih vzorcev sem opravila tri meritve z referenčnim materialom, s steklenim prahom: Glass1-159666, Lot # 111011- A131-HT-MS-, da sem potrdila ustreznost delovanja naprave glede na standard S6111- 1b za stekleni prah. Pripravila sem aparaturo za način merjenja suho. Opravila sem tri meritve in s tem potrdila, da naprava deluje pravilno.
25
Glede na standard S6111-1b za referenčni material stekleni prah nam program izriše dia- gram z zbirno in frekvenčno krivuljo. Iz frekvenčne krivulje je razvidno, da je porazdeli- tev normala, zbirna krivulja pa nam pokaže porazdelitev, ki je monomodalna in podobna Gaussovi krivulji. Po omenjenem standardu nam naprava izpiše tudi statistične podatke, kot so: MV, MN, MA, CS, SD, MZ ter percentilne odklone [48].
Po opravljeni poizkusni meritvi sem pričela z meritvami mojih pripravljenih vzorcev.
Meritve sem opravila za vse izomere ftalne kisline iz originalne embalaže in velikostne frakcije delcev velikosti med 56 µm in 80 µm, 80 µm in 100 µm ter med 100 µm in 125 µm. Meritev velikosti in porazdelitve velikosti delcev za vzorec ftalne kisline, frakcije delcev med 56 µm in 80 µm nisem opravila, saj z načinom sejanja nisem pridobila dovolj te velikostne frakcije. Po vsaki opravljeni meritvi sem napravo temeljito očistila.
3.4 Termična analiza
Termična analiza je skupina metod, s katerimi določamo termične lastnosti vzorca v kon- troliranem temperaturnem režimu in atmosferi. To pomeni, da lahko spremljamo pretoke in pline, ki vstopajo v napravo. Vzorec lahko segrevamo ali ohlajamo pri določeni tem- peraturi [49]. Tekom eksperimentalnega dela diplomske naloge sem za določitev termič- nih lastnosti vzorcev uporabljala TG, DTA in DTG analizo, ki so natančneje predstavljene spodaj.
1. TG analiza (termogravimetrija)
TG je spremljanje mase v odvisnosti od temperature ali časa v kontroliranih pogojih. Me- toda se uporablja za določevanje termične stabilnosti, preučevanje vplivov na termično stabilnost, spreminjanje vsebnosti vlage in aditivov ter za vrednotenje fizikalno - kemij- skih lastnosti vzorcev [49].
2. DTA (diferenčna termična analiza)
Diferenčna termična analiza je tehnika, ki združuje enostavnost merjenja krivulj ogreva- nja ali hlajenja s kvantitativnimi značilnostmi vzorca. Temperatura se meri neprekinjeno, diferencialno merjenje temperature pa omogoča izračun razlike v toplotnem toku med referenčnim lončkom in lončkom z vzorcem, ki se nahajata v enakih okoljih (peč). Na ta način lahko natančneje določimo temperaturo razpada oziroma temperaturo, pri kateri pride do reakcije, vključno s spremembo mase tekom fizikalnih (taljenje, sublimacija, izparevanje, polimorfni prehodi, …) in kemijskih (oksidacija, redukcija, razpad, polime- rizacija, katalitske reakcije, …) sprememb. Gre torej za detekcijo endotermnih (energija
26
se porablja) in eksotermnih (energija se sprošča) sprememb. Signal DTA krivulje je raz- lika v temperaturi vzorca in temperaturi reference, tako lahko določimo ali gre za endo- termno ali eksotermno reakcijo [50].
3. DTG (derivatna termogravimetrija)
Z derivatno termogravimetrijo kvantitativno določimo spreminjanje mase v odvisnosti od temperature ali časa. DTG krivulja predstavlja prvi odvod TG krivulje po temperaturi. To so odvodi prve stopnje, ki nam zrišejo minimume in maksimume krivulje [51]. Z DTG krivuljo lažje vizualiziramo rezultate in ugotovimo, kateri vzorec je bolj termično stabilen in pri kateri temperaturi se prične razpad, določimo izgubo mase tekom segrevanja in končno izgubo mase. Primer oblike TG in DTG krivulje, je prikazan na sliki 10.
Slika 10: Primer TG in DTG krivulje [56]
Aparatura
Termično analizo smo izvajali s pomočjo aparature Netzsch STA 449 F3 Jupiter. Z apa- raturo spremljamo spremembo mase, toplote in sestave plinske zmesi. Aparaturo sestavlja električna uporovna peč, z žicami iz rodija. Peč doseže temperaturo do 1600 °C. Da do- sežemo inertno atmosfero, v napravo dovajamo inertni plin stisnjen argon (Ar 5.0, UN1006, Messer), ki ne reagira z vzorcem in služi kot zaščitni plin, ki odnaša nastale plinaste produkte. Aparatura v notranjosti sestoji iz tehtnice in nosilca vzorca, na katerem imamo dve merilni mesti z lončki iz Al2O3, volumna 0,3 mL. Na prvem merilnem mestu imamo referenčni lonček, ki je prazen, na drugem pa lonček z vzorcem. Tekom celotnega procesa, tehtalni mehanizem spremlja spremembo mase v referenčnem lončku in lončku z vzorcem. Edina masa, ki se spreminja, je masa vzorca v lončku. Ko se prične segrevanje,
27
se sproščajo plini in argon 5.0 omogoča, da ti plini skozi kapilaro izstopajo v odsesavano cev. Aparatura je prikazana na sliki 11.
Slika 11: Aparatura za termično analizo Netzsch STA 449 F3 Jupiter; slikano v prostorih FKKT, februar 2021
Ostale naprave in pripomočki - tehtnica METTLER H54, - kovinska spatula.
Potek dela
Pogoji pri termični analizi:
- lončki (iz Al2O3, volumna 0,3 mL),
- pretok nosilnega plina skozi peč: 100 mL/min, - masa vzorca: 50–51 mg,
- nosilni plin: Ar 5.0 (UN1006, Messer), - segrevana hitrost: 10 K/min,
- območje temperature: 30–600 °C, - nosilec vzorca: TG/DTA.
S pomočjo termične analize sem določila termične lastnosti in vsebnost vlage v original- nih vzorcih ftalne, izoftalne in tereftalne kisline ter pri mletemu vzorcu ftalne kisline.
Mletemu vzorcu sem določala termične lastnosti zato, ker bi se med mletjem lahko vzorec termično spremenil. S pomočjo tehtnice sem v lonček natehtala maso vzorca. Po tehtanju, sem ga namestila na merilno mesto. Na drugo merilno mesto pa sem namestila TG/DTA Al2O3 referenčni lonček. Program Netzch Proteus 6.1.0 mi je omogočil vrednotenje
28
podatkov, kjer mi je izrisal graf z TG, DTG in DTA krivuljami. S pomočjo krivulj sem določila spremembe mase v vzorcih v posameznih temperaturnih intervalih.
3.5 Določanje minimalne vžigne energije
MVE je ključni parameter za oceno občutljivosti gorljivega prahu za nastanek prašne eksplozije. MVE predstavimo kot območje med dvema energijama, še bolj natančen pri- bližek območju MVE pa je statistična vrednost Es, ki se jo lahko izračuna. MVE sem določala trem originalnim vzorcem ftalne, izoftalne in tereftalne kisline ter velikostnim frakcijam delcev velikosti med 56 µm in 80 µm, med 80 µm in 100 µm ter med 100 µm in 125 µm.
Pred pričetkom določanja MVE svojim vzorcem sem umeritveni preizkus izvedla na re- ferenčnem prahu Likopodium, katerega MVE leži med 10 mJ in 30 mJ. Kalibracija in preizkušanje je potrebno zato, da se preveri, ali se lastnosti disperzije in turbulence ko- more spreminjajo. Na splošno, more biti vzorec dovolj droben za doseganje pravilnih rezultatov [16]. Za dosego drobnosti delcev sem originalni vzorec PA najprej zmlela, nato sejala, saj vsebuje večinsko delce, ki so večji od 200 µm. Vzorca IPA in TPA, smo samo presejali skozi sita.
Aparatura
Za določanje minimalne vžigne energije se uporablja aparatura na UL FKKT, ki je mo- difikacija Hartmannove cevi, predstavljena je na sliki 12. Komora, katere volumen je 0,7 L, se uporablja za določitev MVE prašnih delcev, katerih velikost ne presega 420 µm [18].
29
Slika 12: Naprava za merjenje MVE s Hartmannovo cevjo; slikano v prostorih FKKT, februar 2021
1… Zgornji navoj, ki drži stekleno cev; 7… Osciloskop;
2… Hartmannova steklena cev; 8… Tlačna posoda;
3… Območje iskre med dvema elektrodama; 9… Visokonapetostni kondenzator;
4… Držalo za elektrode; 10… Pripomoček za vpih;
5… Posoda z vzorcem in tesnilom; 11… Voltmeter;
6… Visokonapetostni ventil; 12… Gumb za vpih prahu.
Ostale naprave in pripomočki - digitalni voltmeter, - plastična spatula,
- tehtnica POB250-3, KERN, - vodni sesalec Hyla,
- destilirana voda.
1
3 2
4 5 6
7
8
9
10 11
12
30
Potek dela
Pred začetkom opravljanja meritev sem opravila meritve prostora, kot so tlak in vlaga v prostoru ter temperatura prostora. Vlago in temperaturo sem odčitala iz merilnika vlage, prav tako tudi temperaturo prostora. Za odčitavanje tlaka sem uporabila telefonsko na- pravo. Minimalno vžigno energijo sem določala po evropskem standardnem postopku E2019-03 za določanje MVE s Hartmannovo cevjo v kontroliranih pogojih [16]. Pred izvedbo testa sem pripravila aparaturo in pripomočke. Najprej sem napravo očistila s po- močjo ultrazvočne kopeli, kamor sem prenesla vse dele naprave. Po navodilih in s pomo- čjo asistenta sem napravo sestavila in pripravila za eksperimentiranje. Razmak med elek- trodami sem nastavila na 7 mm. V digestorij sem spustila stisnjen zrak (UN 1956; Messer) s tlakom 7 barov v vstopnem vpihu. Za ustrezno energijo iskre je bilo potrebno izbrati kondenzator znane kapacitivnosti in mu izmeriti dejansko kapacitivnost z digitalnim mul- timetrom. Nato sem izračunala napetost, ki sem jo morala nastaviti za izvedbo meritev.
To napetost sem izračunala po enačbi:
𝑈 = √20 ∙𝐸
𝐶 ∙ 10 [16]
Za preizkus testa vžiga sem meritve opravila z snovjo likopodij, tako sem potrdila tudi pravilno delovanje naprave, saj so bile vrednosti v ustreznih mejah po zgoraj omenjenem standardu. Nato sem natehtala šest serij mas predhodno pripravljenega vzorca ftalne, izoftalne in tereftalne kisline iz originalne embalaže in velikostne frakcije delcev. Začetno energijo sem nastavila glede na pridobljene literaturne podatke izomerov. Če pri začetni energiji ni prišlo do vžiga, sem energijo povečevala, dokler ni prišlo do vžiga mešanice prahu in zraka. Tako sem dobila območje MVE, ki leži med E1, ki pomeni najnižjo ener- gijo, pri kateri ni prišlo do vžiga pri nobeni izmed testiranih mas vzorcev, in E2, ki pomeni najnižjo energijo, pri kateri je prišlo do vžiga pri vsaj eni izmed testiranih mas vzorca v desetih poizkusih. Določila sem tudi statistično najbolj verjetno vrednost, oziroma Es, izračunano po spodnji enačbi:
𝐸𝑠 = 10
𝑙𝑜𝑔𝐸2−𝑉𝐸2 ∙(𝑙𝑜𝑔𝐸2−𝑙𝑜𝑔𝐸1) (𝑁𝑉+𝑉)𝐸2+1
[14]
Energijski nivoji glede na izbrano kapacitivnost in električna napetost so zapisani v tabeli 7.
31
Tabela 7: Energijski nivoji glede na izbrano kapacitivnost in električno napetost
Cnazivna [nF] Cizmerjena [nF] U [kV] E [mJ]
0,1 0,1 7,75 3
0,33 0,32 7,89 10
0,98 0,97 7,86 30
2,94 2,91 8,29 100
9,95 9,23 8,06 300
21 20,9 7,58 600
