Knallend stof

Een mengsel van lucht en brandbaar poeder geeft een stofwolk die bij ontsteking krachtig kan exploderen. De Delftse promovendus Arief Dahoe ging na welke rol turbulentie hierbij speelt. `De ramp in Enschede is een klassieke stofexplosie.'

TERWIJL HIJ de zware deur naar de explosieruimte met drukvat ontgrendelt en zijn veiligheidsbril opzet, laat chemisch technoloog Arief Dahoe zijn licht schijnen over de ramp in Enschede. ``Een klassiek voorbeeld van een stofexplosie'', zegt hij. ``Dat zie je aan de beelden. Eerst schieten er wat rotjes weg, daarna krijg je een ontploffing. Dan gebeurt er een tijdje niks en vervolgens verschijnt een rode gloed die versneld uitdijt en die eindigt in de catastrofale klap. Dus wat gebeurt er? Eén bunker ontploft. Die laat een brand achter. Door de schok breken de andere bunkers open. Alles wat daar aan los kruit of bestanddelen van kruit ligt stuift op en er vormt zich een gigantische stofwolk. Die wolk daalt en zakt in en op een gegeven moment komt de concentratie boven een kritieke waarde. Als hij dan in contact komt met het vuur vat hij vlam en ontstaat de gloed. Het front van die gloed beweegt naar buiten, eerst met een paar meter per seconde maar opeens schiet de snelheid omhoog tot boven de geluidssnelheid. Het effect is detonatie: een verwoestende schokgolf.''

Het is een theorie naast vele andere en de feiten zullen moeten uitwijzen wat de ramp bij SE Fireworks precies heeft veroorzaakt. Maar het geluid uit Delft is geen loze kreet. Komende maandag promoveert Dahoe, die als kind in Paramaribo al gegrepen was door ontploffingen en op elfjarige leeftijd zijn eerste bamboekanon in elkaar knutselde, aan de Technische Universiteit op het gedrag van turbulente stofexplosies. Die richten in de industrie grote schade aan en tot nu toe was niet goed bekend hoe de druk in reactorvaten zich in zo'n situatie opbouwt. Bedrijven tonen interesse in de resultaten van het Delftse onderzoek en ICI, het grootste chemische concern van Engeland, financiert een fors deel van het vervolgproject dat Dahoe de komende twee jaar als postdoc bij de Delftse explosiegroep gaat uitvoeren. ``De chemische industrie hecht sterk aan veiligheid. Grote bedrijven lopen tien jaar voor op de wetgever.''

Een stofexplosie is een snelle verbranding van een mengsel van fijnverdeeld poeder en lucht. Dat poeder kan meel zijn, cacaopoeder, poedersuiker, maar ook zaagsel of buskruit. In de praktijk kan het uren in de lucht blijven zweven. De ontsteking van het poeder-luchtmengsel kan diverse oorzaken hebben. Dahoe: ``Als er een metalen schroefje lostrilt en valt, kan dat een mechanische vonk opleveren. Bij elektriciteitsdraden is vonkoverslag mogelijk en ook statische elektriciteit kan de boosdoener zijn. Om een stofwolk te ontsteken is weinig energie nodig, ongeveer een honderdste joule. Die hoeveelheid heb je al als er een vonkje van je vinger afspringt.''

Na de ontsteking ontstaat in de stofwolk een vlam. Dahoe: ``Die is in eerste instantie bolvormig en dijt in alle richtingen uit. Hij consumeert brandstof en laat verbrandingsproducten achter. De expansie gaat net zo lang door tot alles verbrand is. De snelheid waarmee het front van de vlam zich uitbreidt is aanvankelijk laag, een paar meter per seconde. De grote vraag is: blijft dat zo of treedt er een versnelling op? Is dat laatste het geval, en de snelheid loopt op tot boven de geluidssnelheid van ruim een kilometer per seconde, dan kan de druk die wordt opgebouwd niet meer weg. Die situatie heet detonatie: er ontstaat een schokgolf van lucht met een hoge temperatuur en druk. Overal waar die langs komt, ontstaat brand.''

Het onderzoek van Dahoe richt zich op de turbulenties die bij stofexplosies kunnen optreden en die de kans op detonatie sterk vergroten. ``Stel ik maak een mengsel van aardgas en lucht in de open lucht. Als ik dat ontsteek krijg je een vlam die zwelt en daarna is het over. Maar als ik die uitbreidende vlam obstakels tegenkomt krijg je turbulenties. Dan raakt het front van de vlam als het ware opgevouwen, het oppervlak vergroot. Turbulentie bespoedigt de warmteoverdracht en de mengprocessen. En versnelt dus de expansie. Zo ontstaat een zichzelf versterkend effect, uitmondend in detonatie.''

Om de drukopbouw bij een turbulente stofexplosie te meten, heeft Dahoe in het laboratorium in Delft gewerkt met twee vaten van 20 liter en een van 1000 liter. ``Een theoretische beschrijving van het proces is erg lastig. Tot nu toe ging men bij het opschalen van kleine laboratoriumvaten naar industriële reactorvaten uit van een dertig jaar oude, Duitse wet. Toen ik de experimenten herhaalde, klopte die wet niet. Toen ik vanuit first principles hem opnieuw trachtte af te leiden, vond ik dat hij beperkt geldig was. De theorie die ik ontwikkeld heb gaat verder en is wel toepasbaar op situaties die zich in de praktijk voordoen.''

Met kunstmatig opgewekte, gecontroleerde explosies in drukvaten heeft Dahoe zijn theorie getest. Daarbij gebruikte hij een CO2-laser om mengsels te ontsteken, en andere typen lasers om de turbulenties te volgen. In het begin was het tasten in het duister. Voor hij de zaken onder de knie had knalde er af en toe een kraan van de opstelling af. Dahoe: ``De conclusie uit de proeven is dat je bij stofexplosies vooral moet kijken naar de vlamdikte, de brandsnelheid en het effect daarop van turbulenties. Als je weet hoe snel de druk zich tijdens een explosie opbouwt, kun je je veiligheidsmaatregelen, zoals een breukplaat in de wand van het reactorvat, daarop afstemmen. In mijn vervolgonderzoek kijk ik ook naar niet-bolvormige reactors.''

Explosieven hebben bij stofexplosies geen door hindernissen veroorzaakte turbulenties nodig om te detoneren, aldus Dahoe. ``Buskruit bestaat uit fijne deeltjes. Je hebt zwavel, koolstof, en kaliumnitraat, natriumnitraat en ammoniumnitaat om het in compacte vorm te oxideren. Als je kruitpoeder in de lucht gooit, treedt lucht op als oxidator, naast de nitraten. In die situaties zijn instabiliteiten in het vlamfront al voldoende om de turbulenties op te wekken die tot detonatie leiden. Volgens mij moet op het terrein van SE Fireworks los brandbaar poeder hebben gelegen en buskruit is niets anders dan een mengsel van poeders.''