Flammpunkt


Flammpunkt

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Der Flammpunkt eines Stoffes ist die niedrigste Temperatur, bei der sich über einem Stoff ein zündfähiges Dampf-Luft-Gemisch bilden kann. Ist das Volumen des Gemisches groß genug, kann eine Explosion erfolgen. Unterhalb des Flammpunktes kann sich die Flammfront nicht von der Zündquelle weg ausbreiten, da die Wärme aus der Oxidation nicht ausreicht, um das Gemisch auf die zur Verbrennung nötige Temperatur aufzuheizen. Literaturwerte für Flammpunkte gelten allgemein für einen Luftdruck von 1013 mbar. Bei höherem Druck liegt der Flammpunkt höher – da mehr Luft aufgeheizt werden muss, ist auch eine höhere Konzentration an Dampf nötig.

Weitere Details

  • die Zündquelle (z. B. elektrostatischer Funke oder Flamme) muss eine Mindestzündenergie erzeugen (Bsp.: für Methan 0,2 mJ),
  • die Atmosphäre muss einen Mindestgehalt an Sauerstoff aufweisen (z. B.: für Bisphenol A 2,0 Vol.-%).

Zur Aufrechterhaltung der Verbrennung muss zusätzlich zumindest die Verdampfungswärme aufgebracht werden (Viele Stoffe befinden sich an ihrem Flammpunkt bereits im flüssigen Aggregatzustand, andere sind fest und sublimieren, manche sind am Flammpunkt nicht stabil, sodass der Dampf Zersetzungsprodukte enthält). Die dazu nötige, höhere Dampfkonzentration entsteht bei einer um wenige Grad höheren Temperatur, dem Brennpunkt. Vom Flamm- und Brennpunkt zu unterscheiden ist die Zündtemperatur, bei der eine Zündquelle nicht mehr nötig ist.

Brandversuch

Dieselkraftstoff oder Heizöl mit einem Flammpunkt von etwa 55 °C lassen sich bei Raumtemperatur mit einem Streichholz nicht entflammen. Wird jedoch das Streichholz lange genug an die Flüssigkeit gehalten, steigt lokal die Temperatur an der Flüssigkeitsoberfläche, wodurch der Flammpunkt erreicht und damit die Flüssigkeit lokal entflammt wird. Von hier breitet sich die Flamme dann kreisförmig auf der Oberfläche aus.

Flammpunktmessung

Der Flammpunkt ist ausschlaggebend bei der Einstufung und Klassifizierung als Gefahrstoff bzw. nach BetrSichV.

Es gibt verschiedene standardisierte Apparaturen, um den Flammpunkt einer Flüssigkeit zu bestimmen:

  • Methode nach Pensky-Martens (> 50 °C; DIN 51758, EN 22719, aktuell Standardapparatur)
  • Methode nach Abel-Pensky (< 50 °C; DIN 51755, geschlossener Tiegel = c. c. closed cup)
  • Methode nach Cleveland (DIN 51376, offener Tiegel = open cup)
  • Methode nach Marcusson (DIN 51584, offener Tiegel, veraltete Methode von 1959)

Generell liefern Closed-cup-Methoden niedrigere Flammpunkte als die veralteten Open-cup-Methoden. Letztere dienten in Abwandlungen zur Bestimmung des heute nicht mehr gebräuchlichen Brennpunkts.

Gemische brennbarer Stoffe

In Gemischen bestimmt der Dampfdruck der am niedrigsten siedenden Substanz den Flammpunkt des Gemischs.

  • Dem Ottokraftstoff (Benzin) sind neuerdings leichtsiedende Ether (Methyl-tert-butylether, Ethyl-tert-butylether) beigemischt, die nicht nur den Flammpunkt, sondern auch die Zündtemperatur des Kohlenwasserstoff-Gemischs senken.
  • Hefeweizenbier (= 5 Vol.-% Ethanol in Wasser) ergab bei Messung einen Flammpunkt von 81 °C; d. h. 5-prozentiges Ethanol entwickelt erst bei 81 °C die zur Zündung notwendige Konzentration an brennbaren Dämpfen von 3,5 % (= UEG).

Dies lässt sich mit dem Raoultschen Gesetz über die Partialdampfdrücke von Wasser und Ethanol nachrechnen.

Beispiele

1,0 Vol.-% = 10.000 ppm

Substanz Siedepunkt
Flammpunkt
untere
Explosions-
grenze
obere
Explosions-
grenze
Zünd
temperatur
[°C] [°C] [Vol.-%] [Vol.-%] [°C]
Wasserstoff -253 4 77 465
Methan (Erdgas) -162 4,4 16,5 595
Acetylen -84 2,3 82 305
Propan -42 1,7 10,9 470
Butan 0 1,4 9,3 365
Acetaldehyd +20 -30 4 57 155
n-Pentan +36 -35 1,4 8,0 285
Diethylether +36 -40 1,7 36 160
Schwefelkohlenstoff +46 -30 1,0 60 102
Propionaldehyd +47 -40 2,3 21 175
Methyl-tert-butylether +55 -28 1,6 8,4 460
Aceton +56 -18 2,1 13 540
Methanol +65 +11 5,5 37 455
n-Hexan +69 -22 1,0 8,1 240
Ethyl-tert-butylether +71 -19 1,2 7,7
Ethanol (Brennspiritus) +78 +13 3,5 15 425
Isopropanol +82 +12 2 12 425
Ethylenglycoldimethylether 84-86 -6 1,6 10,4 200
n-Heptan +98 -4 1,0 7 215 = ROZ=0
Isooctan, 2,2,4-Trimethylpentan +99 -12 1,0 6 410 = ROZ=100
1,4-Dioxan +101 +11 1,7 25 300
1-Butanol +117 +34 1,4 11,3 340
Propylenglycolmonomethylether 119-122 +32 1,7 11,5 270
n-Octan +126 +12 0,8 6,5 210
Diethylenglycoldimethylether 155-165 +51 1,4 17,4 190
Dipropylenglycoldimethylether 175 +65 0,85 165
Dipropylenglycolmonomethylether 185-195 +80 1,1 14 205
Glycerin 290 Zers. 176 400
 
Benzin für Kfz. (KW-Gemisch) 70-210 < -20 0,6 8 200-410
Diesel für Kfz. (KW-Gemisch) 150-390 > +55 0,6 6,5 ca. 220
Biodiesel (FS-Methylester) ca. 300 180 ca. 250
Jet-A1 Flugturbinentreibstoff ca. 150 +38 0,6 6,5 ca. 220
Rapsöl (FS-Triglycerid) ca. 350 230 ca. 300

Die Daten von Rapsöl gelten stellvertretend für alle Speisefette und Speiseöle. Den Flammpunkt von Rapsöl kann man anhand der Beispiele recht zuverlässig auf ca. 230 °C schätzen. Brände am Herd entstehen durch Überschreitung der Zündtemperatur (ca. 300 °C) von Speisefetten oder Ölen.

Druck- und Konzentrationsabhängigkeit des Flammpunkts

Die Daten der Tabelle wurden unter standardisierten Bedingungen mit Reinsubstanzen ermittelt. Bei Verdünnen mit Inertgasen und/oder unter Druck ist es wahrscheinlich[1], dass sich die Werte für die untere Explosionsgrenze um 20 % (pro 100 °C) verringern und die der oberen Explosionsgrenze um 10 % (pro 100 °C) erhöhen. Die Absenkung der unteren Explosionsgrenze um 20 % entspricht ungefähr einem 5 °C niedrigerem Flammpunkt (vgl. Sättigungsdampfdruckkurve).

Erfahrungen aus der Praxis

Zur Vermeidung von Zündgefahren ist man immer bestrebt, einen „Sicherheitsabstand“ von 50 °C zum Flammpunkt einzuhalten.

Siehe auch

  • CHEMSAFE: Datenbank für Flammpunkte (unter anderem) der PTB und der BAM

Literatur

  • Brandes E., Möller W., „Sicherheitstechnische Kenngrößen“, Band 1: „Brennbare Flüssigkeiten und Gase“, Wirtschaftsverlag NW, Verlag für neue Wissenschaft GmbH, Bremerhaven, 2003, ISBN 3-89701-745-8

Einzelnachweise

  1. PTB, Elisabeth Brandes, Martin Thedens: Kenngrößen des Explosionsschutzes bei nichtatmosphärischen Bedingungen (Version vom 30. September 2007 im Internet Archive)