Yanıcı gaz ve buhar karışımları: gaz grubu ve sıcaklık sınıfının seçimi

Yanıcı gaz veya buhar karışımları için basit ve her zaman güvenli tarafta kalan kural, salınan buharda bulunabilecek bileşenlerin en zorlu gaz grubunu ve en düşük kendiliğinden tutuşma sıcaklığını (İng. AIT) esas almaktır. Bu kural fazla maliyetli olduğunda ISO/IEC 80079-20-1, bir karışımın maksimum deneysel güvenli aralığını (İng. MESG) tahmin etmek için Le Chatelier tipi bir formül verir; asetilen, oksitleyiciler ve hacimce %5'ten fazla karbon monoksit içeren karışımlar bu formülün dışında tutulur. Aynı standart, hacimce en fazla %25 hidrojen içeren metanı IIA olarak sınıflandırır. Bir karışımın alt patlama sınırı (APS, İng. LEL) Le Chatelier kuralıyla tahmin edilebilir; AIT için ise kabul görmüş bir karışım kuralı yoktur, bu nedenle karışım test edilmedikçe en düşük bileşen değeri geçerlidir.

Bu yazı güvenli taraftaki kuralları, tahmin formüllerini ve sınırlarını açıklar, örnekler üzerinden ilerler (doğal gaz, bir hidrojen karışımı, bir çözücü karışımı) ve laboratuvar testinin daha iyi bir cevap olduğu durumları sıralar.

Temel noktalar

• Yanıcı konsantrasyonda bulunabilecek bileşenler arasındaki en zorlu gaz grubu ve en düşük AIT, bir karışım için her zaman güvenli bir sınıflandırma verir.
• ISO/IEC 80079-20-1, bir karışımın MESG değerinin, her bileşenin hacim oranının kendi MESG değerine bölünmesiyle elde edilen terimlerin toplamının tersi olarak tahmin edilmesine izin verir. Bu yöntem asetilen veya kendiliğinden bozunabilen başka gazlar, oksijen veya başka bir güçlü oksitleyici ya da %5'ten fazla karbon monoksit içeren karışımlarda kullanılmamalıdır.
• İnert bileşenler formülde hesaba katılır: hacimce %5'in altında olduklarında MESG değerleri sonsuz, %5 veya üzerinde olduklarında 2 mm alınır.
• ISO/IEC 80079-20-1, hacimce en fazla %25 hidrojen içeren metanı IIA olarak sınıflandırır; kok fırını gazı için hidrojen ile karbon monoksitin toplamı %75'in altındaysa IIB alev sızdırmaz ekipman, aksi halde IIC önerir.
• Le Chatelier kuralı bir yakıt karışımının APS değerini iyi tahmin eder; üst sınırda daha az güvenilirdir.
• Bir karışımın AIT değeri için kabul görmüş bir kural yoktur. Basit bir ağırlıklı ortalama bu değeri olduğundan yüksek gösterebilir, bu da güvensizdir; bu yüzden en düşük bileşen AIT değerini kullanın veya karışımı test ettirin.
• Sıvıyı değil, gerçekte salınan buharı sınıflandırın: uçucu bileşenler sıvının küçük bir kısmını oluştursalar bile buharda baskın olurlar.

Güvenli taraftaki kural

Gaz grubu ve sıcaklık sınıfı bir maddenin özellikleridir; bölge sınıflandırması ise gerçek salımlarla ilgilenir: doğal gaz, rafineri atık gazı, çözücü karışımları, yakıt ve proses akışları. Doğrudan yaklaşım şudur:

• Gaz grubu: yanıcı karışımda bulunabilecek herhangi bir bileşenin en zorlu grubu. Propan (IIA), etilen (IIB) ve hidrojen (IIC) içeren bir akış IIC olarak değerlendirilir.
• Sıcaklık sınıfı: bulunabilecek herhangi bir bileşenin en düşük AIT değerinin belirlediği sınıf. Toluen (530 °C) ve n-heptan (204 °C) karışımı T3 olarak değerlendirilir.

Bu, genel kabul görmüş güvenli taraftaki esastır: olağan yakıt karışımlarında karışımın MESG değeri bileşenlerininkiler arasında kalır ve yüzey sıcaklıkları için en düşük bileşen AIT değeri güvenli başlangıç noktasıdır. Reaktif veya alışılmadık karışımlar istisnadır ve test edilmelidir. Bu kuralın belirgin zayıflığı, bir bileşenin eser miktarının bile tüm sınıflandırmayı belirleyebilmesidir. Yüzde birin altında hidrojen içeren bir doğal gaz akışı IIC olurdu; uygulamada bunu kimse yapmaz.

Pratikteki soru bu nedenle "bulunabilecek" ifadesinin ne anlama geldiğidir. Yalnızca eser miktarda, tutuşmayı etkileyeceği konsantrasyonun çok altında bulunan bileşenler normalde dikkate alınmaz, ancak evrensel bir eşik yoktur. Bir örnek olarak, Avustralya açık deniz düzenleyicisi NOPSEMA'nın 2021 tarihli bir bilgi notunda aktarılan bir gaz türbini standardı (ISO 21789), hacimce %3'ün üzerinde bulunan herhangi bir bileşenin en düşük AIT değerini esas alır. Bu tür eşikler genel bir kural değil, belirli bir standardın uzlaşımlarıdır ve gerekçe kayda geçirilmelidir.

IIC grubundaki tek bileşen hidrojen olduğunda, IIB+H2 işaretli ekipman IIC'ye bir alternatiftir (bkz. IIB+H2 açıklaması). Asetilen veya karbon disülfür bulunduğunda ise alternatif değildir.

Bir karışımın gaz grubu: MESG tahmin formülü

Formül

Gaz gruplarının dayandığı standart olan ISO/IEC 80079-20-1, Le Chatelier ilkesine dayanan bir karışım MESG tahminini kabul eder:

1 / MESG_mix = x1 / MESG1 + x2 / MESG2 + x3 / MESG3 + ...

Burada x1, x2, ... bileşenlerin gaz akışındaki hacim oranları (toplamları 1), MESG1, MESG2, ... ise bunların MESG değerleridir. Sonuç grup sınırlarıyla karşılaştırılır: 0,90 mm veya üzeri IIA, 0,50 mm'nin üzerinde ve 0,90 mm'nin altında IIB, 0,50 mm veya altı IIC'dir.

Azot gibi inert bileşenler akışın bir parçasıdır. Standart, bileşenlerden birinin inert olduğu iki bileşenli bir karışımın gerçekçi olmayan yükseklikte MESG tahminleri verebileceği konusunda uyarır ve bir kural koyar: hacimce %5'in altındaki bir inert gazın MESG değeri sonsuz alınır (terimi düşer), %5 veya üzerindeki bir inert gaza ise 2 mm MESG değeri verilir. Standart ayrıca literatürde stokiyometrik oranları hesaba katan daha ayrıntılı bir yönteme de işaret eder.

Formülün kullanılmaması gereken durumlar

Standart üç tür karışımı kapsam dışı bırakır:

• asetilen veya kendiliğinden bozunabilme gibi eşdeğer tehlikeye sahip başka bir gaz içeren karışımlar;
• bileşen olarak oksijen veya başka bir güçlü oksitleyici içeren karışımlar;
• hacimce %5'ten fazla karbon monoksit içeren karışımlar.

Bunlar için en ağır bileşen kuralını kullanın veya karışımı test ettirin. Formül ayrıca bir tahmindir: bir grup sınırına yakın durumlarda test daha iyi bir esastır.

Standarttaki özel hükümler

ISO/IEC 80079-20-1, iki önemli karışım için doğrudan bir sınıflandırma verir ve bu sınıflandırma formülden önce gelir:

• Metan ile hidrojen: hacimce en fazla %25 hidrojen içeren metan IIA olarak sınıflandırılır.
• Kok fırını gazı (hidrojen, karbon monoksit ve metan karışımı): hidrojen ile karbon monoksitin toplamı hacimce %75'in altındaysa IIB alev sızdırmaz ekipman önerilir; aksi halde IIC.

Metan örneği formülün ne kadar temkinli olduğunu gösterir. Endüstriyel metan için tipik 1,12 mm (IIA; sıkça aktarılan 1,14 mm değeri Grup I'deki grizuya aittir) ve hidrojen için 0,29 mm MESG değerleriyle formül yaklaşık %9 hidrojenden itibaren IIB öngörürken, test verileri %25'e kadar IIA'ya izin verir. %25'in üzerinde formül olağan esastır: yaklaşık %43 hidrojene kadar IIB, bunun üzerinde IIC öngörür.

Bir karışımın APS değeri: Le Chatelier kuralı

Dedektör ayarları ve bölge boyutlarının tahmini için karışımın APS değeri önemlidir. Le Chatelier karışım kuralı bu değeri yanıcı bileşenlerin APS değerlerinden tahmin eder:

LEL_mix = 100 / (C1 / LEL1 + C2 / LEL2 + C3 / LEL3 + ...)

Burada C1, C2, ... her bileşenin gazın yanıcı kısmı içindeki yüzde payları (toplamları 100), LEL1, LEL2, ... ise hacimce % olarak APS değerleridir. Mashuga ve Crowl 2000 yılında, kuralın dayandığı varsayımların alt patlama sınırında makul ölçüde geçerli, üst sınırda ise daha az geçerli olduğunu göstermiştir. Kural benzer hidrokarbonların karışımlarında iyi çalışır ve endüstride yaygın olarak kullanılır; alışılmadık karışımlar veya üst sınır için ölçülmüş bir değer daha iyidir. Patlama sınırları EN 1839 gibi standart yöntemlerle ölçülür.

Gaz inert bileşenler de içeriyorsa, kuralı yanıcı kısma uygulayın ve gazın tamamının havadaki APS değerini bulmak için sonucu yanıcı oranına bölün. Bu yaklaşım inert gazı saf seyreltici olarak ele alır; APS civarındaki düşük konsantrasyonlarda bu makul bir yaklaşımdır.

Bir karışımın sıcaklık sınıfı

Kendiliğinden tutuşma sıcaklığı için kabul görmüş bir karışım kuralı yoktur ve ISO/IEC 80079-20-1 de böyle bir kural vermez. Bir karışımın AIT değeri büyük ölçüde bileşimine bağlıdır, karışım verileri azdır ve tahmin modelleri hâlâ bir araştırma konusudur. Tahmin yöntemlerine ilişkin 2019 tarihli bir çalışma, örneğin, bir karışım grubu için önerilen basit bir ağırlıklandırma formülünün ölçülen AIT değerlerinden yaklaşık 20 K yüksek değerler verdiğini belirtmiştir. Bileşen AIT değerlerinin ortalaması bu nedenle güvenli yüzey sıcaklığını olduğundan yüksek gösterebilir.

Pratik kural, yanıcı buharda bulunabilecek herhangi bir bileşenin en düşük AIT değerini almak ve sıcaklık sınıfını buna göre seçmektir. Bu, uygulanamaz bir sonuç verirse (örneğin tek bir küçük bileşen yüzünden bütün tesis için T4 veya T5 ekipman), seçenekler şunlardır: bileşenin bir salımda kayda değer bir konsantrasyona ulaşamayacağını değerlendirmeyle göstermek ya da gerçek karışımın AIT değerini ISO/IEC 80079-20-1 yöntemiyle ölçtürmek.

Sıvıyı değil, buharı sınıflandırın

Sıvı karışımlarda patlayıcı ortama ulaşan buhardır ve buharın bileşimi sıvınınkinden farklıdır. Her bileşen buhara kabaca, sıvıdaki mol oranı ile buhar basıncının çarpımıyla orantılı olarak katkıda bulunur (ideal karışımlar için Raoult yasası). Uçucu bileşenler bu nedenle buharda belirgin biçimde zenginleşir:

• Birkaç yüzde çözünmüş hafif hidrokarbon içeren ağır bir yağ veya yakıt, çoğunlukla bu hafif bileşenlerden oluşan bir buhar salabilir. Bu durumda parlama noktası ve buharın APS değeri sıvının geneline değil, hafif fraksiyonlara göre belirlenir.
• Bir çözücü karışımı açık bir yüzeyden veya bir döküntüden buharlaştıkça buharın bileşimi zamanla değişir: başta en uçucu bileşen, sonda en az uçucu bileşen baskındır. Herhangi bir aşamada baskın olabilecek her bileşen dikkate alınmalıdır.
• Sıvının ısıtılması oranları yeniden değiştirir, çünkü buhar basınçları farklı hızlarda artar.

Ürünün güvenlik bilgi formu, sıvıyı tedarik edildiği haliyle tanımlar. Sınıflandırma için buharda bulunabilecek bileşenleri listeleyin ve onların verilerini kullanın. Veri kaynakları ve verilere erişim gaz grubu ve sıcaklık sınıfı nasıl bulunur yazısında ele alınmıştır.

Çözümlü örnekler

%30 hidrojen katılmış doğal gaz

Bir pilot proje, metan bakımından zengin doğal gaza %30 hidrojen katar.

1. Grup, güvenli taraftaki kural: hidrojen IIC olduğundan IIC (ya da IIC grubundaki tek bileşen hidrojen olduğu için IIB+H2).
2. Grup, özel hüküm: hidrojen oranı %25'in üzerinde olduğundan uygulanamaz.
3. Grup, formül: 1 / MESG = 0,70 / 1,12 + 0,30 / 0,29 = 0,625 + 1,034 = 1,659; dolayısıyla MESG yaklaşık 0,60 mm'dir, bu da IIB demektir. İstisnaların hiçbiri geçerli değildir (asetilen, oksitleyici ve karbon monoksit yok). Tahmin IIB bandının rahatça içindedir.
4. Sıcaklık sınıfı: metan yaklaşık 600 °C, hidrojen 560 °C (başka derlemeler hidrojen için yaklaşık 500 ile 585 °C arasında değerler verir); hepsi 450 °C'nin üzerinde, dolayısıyla T1.
5. APS: 100 / (70/4,4 + 30/4,0) = 100 / (15,91 + 7,50) = hacimce yaklaşık %4,3.

Sonuç: tahmine dayanarak IIB T1. Çok sayıda alev sızdırmaz ekipman söz konusu olduğundan proje ekibi bunu, tahmine bağımlılığı tamamen ortadan kaldıran ve ileride daha yüksek hidrojen oranlarına izin veren IIB+H2 veya IIC ekipman alımıyla karşılaştırır. Her iki durumda da gerekçe kayda geçirilir.

Bir boya karıştırma odasında çözücü karışımı

Bir tiner toluen, etil asetat ve n-heptan içerir.

Üçü de IIA olduğundan karışım IIA'dır. En düşük AIT 204 °C'dir (n-heptan), dolayısıyla karışım T3'tür. n-Heptan aynı zamanda daha uçucu bileşenlerden biridir, bu yüzden buharda kesinlikle bulunur. 204 °C ile T3 sınırı olan 200 °C arasındaki pay yalnızca 4 K'dir; bu nedenle birçok mühendis bu odada T4 ekipman belirler.

Asetilen içeren bir proses akışı

Bir kraker atık gazı ağırlıklı olarak metan, etilen ve hidrojen ile bir miktar asetilen içerir. Asetilen bulunduğundan MESG formülü kullanılamaz. Belgelenmiş bir değerlendirme asetilenin kayda değer bir konsantrasyona ulaşamayacağını göstermedikçe akış, alev sızdırmaz ekipman için asetilene özgü kısıtlamalarla birlikte IIC'dir ve IIB+H2 kabul edilemez. Bkz. IIC'nin özel durumları.

Test ne zaman gerekir

Hesaplama ve güvenli taraftaki kurallar çoğu durumu karşılar. Gerçek karışımın ISO/IEC 80079-20-1'deki MESG ve AIT yöntemleriyle laboratuvarda test edilmesi şu durumlarda daha iyi bir esastır:

• formül sonucu bir grup sınırına yakınsa veya en düşük AIT'ye sahip bileşen bir sıcaklık sınıfı sınırına yakınsa;
• karışım formülün kapsamı dışındaysa (asetilen veya bozunabilen başka gazlar, oksitleyiciler, %5'ten fazla karbon monoksit);
• koşullar atmosferik değilse: yüksek basınç veya sıcaklık ya da oksijence zenginleştirilmiş ortamlar MESG, AIT ve sınırları değiştirir (bkz. oksijen zenginleşmesi ve inertleme);
• karışım, bileşen verileri eksik olan reaktif veya alışılmadık bileşikler içeriyorsa;
• cevaba çok sayıda ekipman bağlıysa, örneğin bir ünitenin tüm alev sızdırmaz motorları için IIB veya IIC, ya da bir tesisin aydınlatması için T3 veya T4 kararı.

Bir test, test edilen bileşim için geçerlidir. Bileşim aralığını kayda geçirin ve proses değişirse testi tekrarlayın veya genişletin.

Sık yapılan hatalar

• AIT değerlerinin ortalamasını almak. Bileşen AIT değerlerinin ağırlıklı ortalaması, karışımın gerçek AIT değerinden yüksek olabilir. Düzeltme: en düşük bileşen AIT değerini veya karışım için ölçülmüş bir değeri kullanın.
• MESG formülünü kapsam dışı bir karışıma uygulamak. Asetilen, oksitleyiciler ve %5'ten fazla karbon monoksit formülü geçersiz kılar. Düzeltme: en ağır bileşen kuralını kullanın veya test ettirin.
• İnert gazları ya da onlara ilişkin kuralı göz ardı etmek. %20 azotu hesaptan çıkarmak veya hava gibi saymak tahmini değiştirir. Düzeltme: inert gazları %5 veya üzerindeyse 2 mm, %5'in altındaysa sonsuz MESG değeriyle hesaba katın.
• Sıvı bileşimine göre sınıflandırmak. Küçük bir uçucu bileşen buharda baskın olabilir. Düzeltme: salınan buharda bulunabilecek bileşenleri belirleyin.
• Eser bir bileşenin sınıflandırmayı düşünmeden belirlemesine izin vermek. Bu güvenlidir, ancak çok pahalıya mal olabilir. Düzeltme: bileşenin kayda değer bir konsantrasyona ulaşıp ulaşamayacağını değerlendirin ve belgeleyin.
• Proses değişikliklerinin sınıflandırmayı değiştirdiğini unutmak. Yeni bir hammadde veya hidrojen katkısı grubu değiştirebilir. Düzeltme: karışımın sınıflandırma esasını değişiklik yönetimi kontrol listesine ekleyin.

Sık sorulan sorular

Bir gaz karışımının gaz grubunu nasıl bulurum?

Güvenli kural, bulunabilecek herhangi bir bileşenin en zorlu gaz grubudur. Gereksiz ağırlıktan kaçınmak için ISO/IEC 80079-20-1, asetilen, oksitleyici veya %5'ten fazla karbon monoksit içeren karışımlar dışında, karışımın MESG değerinin Le Chatelier tipi bir formülle tahmin edilip grup sınırlarıyla karşılaştırılmasına izin verir. Bir sınıra yakın durumlarda test daha iyidir.

Bir çözücü karışımına hangi sıcaklık sınıfı uygulanır?

Buharda bulunabilecek herhangi bir bileşenin en düşük kendiliğinden tutuşma sıcaklığının belirlediği sıcaklık sınıfını kullanın. AIT için kabul görmüş bir karışım kuralı yoktur ve ortalamalar güvensiz olabilir. Sonuç uygulanamazsa gerçek karışımın AIT değeri ölçülebilir.

Hidrojen katılmış doğal gaz hâlâ IIA mıdır?

ISO/IEC 80079-20-1, hacimce en fazla %25 hidrojen içeren metanı IIA olarak sınıflandırır. Bunun üzerinde karışım formülü veya test belirleyicidir; %30 hidrojenli bir metan karışımı IIB olarak tahmin edilir, daha yüksek oranlar ise bir noktada IIC'ye ulaşır. Daha ağır hidrokarbonlar veya başka bileşenler içeren doğal gaz, gerçek bileşimine göre değerlendirilmelidir.

Bir gaz karışımının APS değeri nasıl hesaplanır?

Le Chatelier kuralıyla: 100'ü, her bileşenin yanıcı gazdaki payının (% olarak) kendi APS değerine bölünmesiyle elde edilen terimlerin toplamına bölün. %90 metan, %6 etan ve %4 propan için bu, hacimce yaklaşık %3,95 verir. Kural benzer hidrokarbonlar için alt sınırda güvenilir, üst sınırda daha az güvenilirdir.

Bir gaz karışımı ne zaman test edilmelidir?

Bir tahmin bir grup veya sıcaklık sınıfı sınırına yakın olduğunda, karışım MESG formülünün kapsamı dışında kaldığında, koşullar atmosferik olmadığında, bileşen verileri eksik olduğunda veya sonuca önemli bir ekipman maliyeti bağlı olduğunda. Test yalnızca test edilen bileşim için geçerlidir.

excodex'te ilgili yazılar

• Bir maddenin gaz grubu ve sıcaklık sınıfı nasıl bulunur
• MESG ve MIC: IIA, IIB ve IIC gaz gruplarının arkasındaki iki test değeri
• APS ve ÜPS açıklaması
• T1'den T6'ya sıcaklık sınıfları
• Hibrit karışımlar: yanıcı gaz ve yanıcı toz birlikte bulunduğunda
• Araçlar: gaz ve çözücü kütüphanesi, forum, standart sayfaları ISO/IEC 80079-20-1 ve IEC 60079-10-1

Standartlar ve ek kaynaklar

• ISO/IEC 80079-20-1, gaz ve buhar sınıflandırması için malzeme özellikleri: test yöntemleri ve veriler (karışımların sınıflandırılması, MESG ve AIT testleri).
• IEC 60079-10-1, patlayıcı gaz ortamları için alanların sınıflandırılması.
• IEC 60079-14, elektrik tesislerinin tasarımı, seçimi ve kurulumu.
• EN 1839, gaz ve buharların patlama sınırlarının ve sınırlayıcı oksijen konsantrasyonunun belirlenmesi.
• ISO/IEC 80079-20-1:2017 katalog kaydı ve önizlemesi: standards.iteh.ai
• NSW TestSafe (Yeni Güney Galler Hükümeti), endüstriyel metan (1,12 mm, IIA) ve grizu (1,14 mm, Grup I) dahil MESG değerlerini içeren gaz sınıflandırma tablosu: nsw.gov.au
• C. V. Mashuga ve D. A. Crowl, Derivation of Le Chatelier's mixing rule for flammable limits, Process Safety Progress, 2000: digitalcommons.mtu.edu
• I. A. Zlochower ve G. M. Green (NIOSH), The limiting oxygen concentration and flammability limits of gases and gas mixtures, 2009: stacks.cdc.gov
• S. Shen ve arkadaşları, Prediction of the auto-ignition temperatures of binary miscible liquid mixtures from molecular structures, Int. J. Mol. Sci., 2019: PDF
• NOPSEMA bilgi notu, Management of hot surfaces, 2021: nopsema.gov.au

Bu yazı excodex editör ekibinin hazırladığı genel teknik bilgidir. Geçerli standartların, ekipman sertifikalarının ve talimatlarının, ulusal mevzuatın veya yetkin bir kişinin değerlendirmesinin yerini tutmaz.