Begriffe in der Gasmesstechnik - Teil 1: Grundlagen:

Bei industriellen Prozessen werden in steigendem Maße sehr gefährliche Stoffe, insbesondere zündfähige und toxische Gase sowie Sauerstoff verwendet und erzeugt. Gelegentliche Gasaustritte, die eine potenzielle Gefährdung der Industrieanlage, der darin Beschäftigten und der Anwohner darstellen, sind nahezu unvermeidlich. Weltweit auftretende Zwischenfälle, die Erstickungen, Explosionen und Todesfälle zur Folge haben, sind eine ständige Erinnerung an dieses Problem.

In den meisten Industriezweigen ist die Verwendung von Frühwarneinrichtungen, wie z. B. Gasdetektoren, ein wichtiger Bestandteil jedes Sicherheitsplans, um die Risiken für Personen und Anlagen zu verringern. Diese Einrichtungen tragen dazu bei, dem Betreiber einer Anlage mehr Zeit zu verschaffen, um Abhilfe- oder Schutzmaßnahmen zu ergreifen. Sie können außerdem in ein umfassendes integriertes Überwachungs- und Sicherheitssystems für einen industriellen Betrieb eingebunden werden.


Was ist Gas?

Der Name Gas stammt von dem lateinischen Wort ‚Chaos‘. Gas besteht aus einem Schwarm von Molekülen, die sich willkürlich und chaotisch bewegen und ständig miteinander sowie mit allem um sie herum kollidieren. Gase füllen jeden verfüg­ baren Raum aus. Aufgrund der sehr hohen Geschwindigkeit, mit der sie sich bewegen, vermischen sie sich rasch mit jeder Atmosphäre, in der sie freigesetzt werden.

Gase können leichter oder schwerer als Luft sein oder in etwa die gleiche Dichte besitzen. Gase können einen Geruch haben oder geruchlos sein. Es gibt farbige und farblose Gase. Wenn man sie nicht sehen, riechen oder fassen kann, bedeutet dies nicht, dass sie nicht vorhanden sind.


Gefährdungen durch Gase

Die drei Hauptgefährdungen durch Gase sind:

Brennbar - Gefahr von Bränden und/oder Explosionen, z. B. Methan, Butan, Propan
Toxisch - Vergiftungsgefahr, z. B. Kohlenmonoxid, Schwefelwasserstoff, Chlor
Erstickend - Erstickungsgefahr, z. B. Sauerstoffmangel. Sauerstoff kann verbraucht oder durch ein anderes Gas verdrängt werden


Gefährdungen durch brennbare Gase

Verbrennung ist eine recht einfache chemische Reaktion, bei der sich Sauerstoff rasch mit anderen Stoffen verbindet, wobei Energie freigesetzt wird. Diese Energie zeigt sich hauptsächlich als Hitze, zuweilen in der Form von Flammen. Der entzündete Stoff ist normalerweise, aber nicht immer, eine Kohlenwasserstoffverbindung, die fest, flüssig, als Dampf oder Gas vorliegen kann.

Es gibt nur einen begrenzten Bereich der Gas/Luftkonzentration, in dem ein explosionsfähiges Gemisch vorhanden ist. Dieser Bereich ist für jedes Gas und je- den Dampf spezifisch und liegt zwischen einer oberen Explosionsgrenze (OEG) und einer unteren Explosionsgrenze (UEG). 

Bei Konzentrationen unter der UEG ist nicht genügend Gas vorhanden, um eine Explosion zu erzeugen (d. h. das Gemisch ist zu "mager"), während über der OEG nicht ausreichend Sauerstoff vorhanden ist (d. h. das Gemisch ist zu "fett"). Der zündfähige Bereich liegt daher für jedes einzelne Gas oder Gemisch von Gasen zwischen der UEG und der OEG. Außerhalb dieser Grenzen ist das Gemisch nicht brennfähig. Eine Erhöhung des Drucks, der Temperatur oder des Sauerstoffgehalts erweitert gewöhnlich den Zündfähigkeitsbereich.

In einer durchschnittlichen Industrieanlage entweichen normalerweise keine Gase in die Umgebung, oder es liegen nur niedrige Untergrundkonzentrationen von Gasen vor. Das Mess- und Frühwarnsystem wird daher nur benötigt, um Konzentrationen von null Prozent Gas bis zur unteren Explosionsgrenze zu erkennen. Bis zu dem Zeitpunkt, zu dem diese Konzentration erreicht ist, sollten Abschaltverfahren in Gang gesetzt oder die Anlage geräumt worden sein. Dies geschieht im Allgemeinen schon bei Konzentrationen weit unter 50 Prozent der UEG, sodass eine ausreichende Sicherheitsmarge gewährleistet ist.

Es darf aber in keinem Falle außer acht gelassen werden, das in geschlossenen oder unbelüfteten Bereichen durchaus Konzentrationen über der OEG auftreten können. Bei Inspektionen ist daher besondere Aufmerksamkeit erforderlich, wenn Luken oder Türen geöffnet werden, da durch das Eindringen von Luft Gase auf gefährliche, zündfähige Gemische verdünnt werden können.


Eigenschaften brennbarer Gase

Zündtemperatur: Für jedes brennbare Gas gibt es außerdem eine Temperatur, bei der eine Zündung auch dann stattfindet, wenn keine externe Zündquelle, wie z. B. ein Funken oder eine Flamme, vorliegt. Diese Temperatur wird als die Zündtemperatur bezeichnet. Betriebsmittel, die in explosionsgefährdeten Bereichen verwendet werden, dürfen keine Oberflächentemperatur über der Zündtemperatur erreichen. Sie sind daher mit einer maximalen Oberflächentemperatur oder Temperaturklasse gekennzeichnet.

Flammpunkt (°C): Der Flammpunkt einer brennbaren Flüssigkeit ist die niedrigste Temperatur, bei der die Oberfläche der Flüssigkeit so viel Dampf abgibt, dass sich dieser durch eine kleine Flamme entzündet. Dies ist nicht zu verwechseln mit der Zündtemperatur; die beiden Werte können sehr verschieden sein.

Dampfdichte: Hilfreich bei der Festlegung der Sensorplatzierung Dichte eines Gases / Dampfes verglichen mit Luft wobei Luft = 1,0. Dampfdichte < 1,0: Gas/Dampf steigt auf Dampfdichte > 1,0: Gas/Dampf sinkt ab.




Gefährdungen durch toxische Gase

Manche Gase sind giftig und können schon bei sehr niedrigen Konzentrationen lebensbedrohend sein. Andere Gase haben einen sehr starken Geruch, wie z. B. der deutlich wahrnehmbare Geruch nach "faulen Eiern" von H2S. Die gängigsten Maßeinheiten für die Konzentration toxischer Gase sind ppm (Parts per Million) und ppb (Parts per Billion). 1ppm wäre zum Beispiel gleichbedeutend mit einem Raum, der mit insgesamt einer Million Bällen gefüllt ist, von denen einer rot ist. Dieser rote Ball entspricht dann 1ppm.

Es sterben mehr Menschen an toxischen Gasen als durch Explosionen, die durch das Entzünden brennbarer Gase hervorgerufen werden. (Zu bemerken ist, dass es eine große Gruppe von Gasen gibt, die sowohl zündfähig als auch toxisch sind, sodass Detektoren für toxische Gase manchmal auch eine Genehmigung für explosionsgefährdete Bereiche benötigen.) Der Hauptgrund für die getrennte Betrachtung zündfähiger und toxischer Gase ist, dass die Gefährdungen und Vorschriften sowie die benötigten Sensortypen verschieden sind.

Das Hauptproblem bei toxischen Stoffen ist (abgesehen von den offensichtlichen Umweltproblemen) ihre Einwirkung auf Personen schon bei sehr niedrigen Konzentrationen, die eingeatmet oder durch den Mund oder die Haut aufgenommen werden können. Da nachteilige Einflüsse häufig durch sich summierende Langzeitaussetzung entstehen können, ist es wichtig, nicht nur die Gaskonzentration sondern auch die gesamte Expositionszeit zu messen. Es gibt sogar einige bekannte Fälle synergetischer Effekte, bei denen Stoffe zusammenwirken und dann einen erheblich nachteiligeren Einfluss ausüben als jeder Stoff für sich allein.

Die Berücksichtigung von Konzentrationen toxischer Stoffe am Arbeitsplatz konzentriert sich sowohl auf organische als auch anorganische Verbindungen, einschließlich der Einflüsse, die sie auf Gesundheit und Sicherheit der Mitarbeiter, mögliche Kontamination des gefertigten Endprodukts (oder der für die Fertigung verwendeten Betriebsmittel) sowie der daraus folgenden Unterbrechung der normalen Arbeitstätigkeit haben.


Arbeitshygiene

Aufgabe der industriellen Arbeitshygiene ist es sicherzustellen, dass die Mitarbeiter keinen gesundheitsgefährdenden Zuständen durch Gase, Staub, Lärm usw. ausgesetzt sind, d. h. dass die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte am Arbeitsplatz nicht überschritten werden.

Dies betrifft sowohl die Flächenmessung (Profilierung möglicher Expositionen) als auch die persönliche Überwachung, wobei Geräte von Arbeitern getragen und Messungen so nahe wie möglich an der Atemzone durchgeführt werden. Damit ist gewährleistet, dass die gemessenen Kontaminationen tatsächlich repräsentativ für die vom Arbeiter eingeatmeten Stoffe sind.

Es muss betont werden, dass sowohl die persönliche Überwachung als auch die Überwachung des Arbeitsplatzes als wichtige Bestandteile eines umfassenden, integrierten Sicherheitsplans anzusehen sind. Beide liefern ausschließlich Informationen über die Bedingungen und Zustände am Arbeitsplatz. Mit Hilfe dieser Informationen können dann die notwendigen Maßnahmen ergriffen werden, um die einschlägigen industriellen Vorschriften und Sicherheitsanforderungen zu erfüllen.

Unabhängig von der Methode ist es wichtig, die Toxizität der beteiligten Gase eingehend zu berücksichtigen. Ein Gerät, das z. B. nur einen zeitgewichteten Mittelwert misst, oder ein Gerät, das eine Probe für eine Laboranalyse entnimmt, würde einen Arbeiter nicht vor einer kurzzeitigen Exposition durch eine tödliche Dosis einer hochgiftigen Substanz schützen. Andererseits könnte es durchaus normal sein, dass kurzzeitig ein mittlerer Langzeitpegel (LTEL) in einigen Bereichen der Anlage überschritten wird, der nicht als Alarmsituation angezeigt werden muss. Ein optimales Gerätesystem sollte daher imstande sein, sowohl kurzzeitige als auch längere Expositionen sowie momentane Alarmschwellen zu überwachen.


Arbeitsplatzgrenzwerte für toxische Gase (Europäische Arbeitsplatzgrenzwerte)

Arbeitsplatzgrenzwerte werden von den zuständigen nationalen Behörden oder anderen maßgeblichen Einrichtungen als Grenzwerte für die Gefahrstoffkonzentrationen in der Umgebungsluft am Arbeitsplatz festgesetzt. Arbeitsplatzgrenzwerte für Gefahrstoffe sind ein wichtiges Hilfsmittel für Risikobewertung und -management und liefern wertvolle Informationen für die Kontrolle gefährlicher Stoffe zur Gewährleistung von Sicherheit und Gesundheitsschutz bei der Arbeit.

Arbeitsplatzgrenzwerte können für Verkaufsprodukte ebenso wie für Abfälle und Nebenprodukte aus Produktionsprozessen gelten. Es handelt sich um Grenzwerte zum Schutz vor Gesundheitsschäden, die sich aber nicht auf sicherheitsrelevante Aspekte wie beispielsweise entflammbare Konzentrationen beziehen. Da sich Grenzwerte häufig ändern und von Land zu Land verschieden sein können, sollten Sie sich an ihre zuständigen nationalen Behörden wenden, um sicherstellen, dass Sie die neuesten Informationen besitzen.




Gefährdung durch Erstickung (Sauerstoffmangel)

Zum Leben benötigen wie alle Sauerstoff (O2) in der Atemluft. Luft enthält neben Sauerstoff mehrere andere Gase. Normale Umgebungsluft besitzt eine Sauerstoffkonzentration von 20.9Vol%. Sinkt der Sauerstoffgehalt unter 19.5Vol%, besteht Sauerstoffmangel. Sauerstoffkonzentrationen unter 16Vol% sind für Menschen gefährlich.


Sauerstoffüberschuss

Oft wird nicht daran gedacht, dass auch zu viel Sauerstoff ein Risiko darstellen kann. Mit steigendem O2­Gehalt erhöht sich die Entflammbarkeit von Werkstoffen und Gasen. Bei 24% Sauerstoff kann sich z. B. Kleidung spontan entzünden.

Beim Gasschweißen verbinden sich Sauerstoff und Acetylen, um extrem hohe Temperaturen zu erzeugen. Andere Bereiche, in denen durch mit Sauerstoff angereicherte Atmosphären Gefahren entstehen können, sind z. B. Fertigungs- und Lagerstätten für Raketenantriebssysteme, Bleichprodukte für die Zellstoff- und Papierindustrie sowie Abwasseraufbereitungsanlagen. Sensoren müssen für die Verwendung in mit O2 angereicherten Atmosphären speziell zertifiziert sein.


Weiter zum Teil 2: Messprinzipien

Quelle: Gasbuch der Firma Honeywell Analytics