Volgens werktuigbouwkundige Arend Beune (30) lijden berekeningen van veiligheidssystemen bij extreem hoge druk onder grote onzekerheden: “LPDE bijvoorbeeld, de grondstof van plastic zakken en verpakkingsmateriaal, wordt bij drukken tussen vijftienhonderd en drieduizend bar gemaakt, maar de berekeningsvoorschriften gaan slechts tot tweehonderd bar en boven de tweehonderdvijftig bar zijn er ook geen faciliteiten meer om deze veiligheidssystemen te testen.”

Om te voorkomen dat een chemiereactor ontploft, kun je deze voorzien van veiligheidskleppen. Beune vergelijkt die constructie met een hogedrukpan: “Op zo’n pan met een luchtdicht afsluitbaar deksel zit een ventiel dat stoom afblaast als de druk in de pan te hoog wordt. Als de druk in een chemiereactor boven de maximale waarde komt, kun je via een veiligheidsklep de stoffen van een op hol geslagen reactie afvoeren en zo de druk gecontroleerd weer binnen veilige grenzen brengen. Het is het laatste redmiddel tegen explosiegevaar.”

De veiligheidsklep moet bij de juiste druk opengaan en ook voldoende afvoercapaciteit hebben: anders vliegt de fabriek alsnog de lucht in. De huidige onzekerheid is dan ook ongemakkelijk voor een chemische gigant als het Duitse BASF, waar in 1921 bij een ontploffing nog vijfhonderd mensen omkwamen. Beune voerde zijn promotieonderzoek uit in opdracht van dit bedrijf. “Bij BASF is gelukkig al zestig jaar niets meer gebeurd, maar het is de vraag hoe lang dat nog goed gaat als de capaciteitsgrenzen steeds verder worden opgerekt. “

De onderzoeksgroep Procestechnologie onder leiding van prof.dr.ir. Bert Brouwers (TU/e-faculteit Werktuigbouwkunde) werkt al jaren samen met de afdeling veiligheidstechniek van BASF, waar alleen al bij de vestiging in Ludwigshafen bij Mannheim aan de Rijn meer dan dertigduizend mensen werken. “BASF is eigenlijk alleen bekend van de cassettebandjes, maar het is de grootste producent van chemische grondstoffen ter wereld. Ludwigshafen is ook de grootste agglomeratie van chemie-fabrieken in Europa en BASF gebruikt op het terrein naar schatting vijfhonderd veiligheidskleppen geschikt voor een druk boven driehonderd bar.” Dechemiereus maakt dan ook zijn eigen veiligheidskleppen, waarvoor een speciale smederij is ingericht.

“Pas als je een veiligheidsklep test onder reële omstandigheden, weet je zeker of hij ook echt werkt”, zegt Beune, “maar proeven onder reële omstandigheden voer je niet zo gemakkelijk uit; zeker niet als je het hebt over een druk van zesendertighonderd bar.” Om een idee te krijgen van de krachten die bij deze extreme druk spelen: een bar komt overeen met een kilo per vierkante centimeter, wat betekent dat op de kleinste kleppen (met een buisdoorsnede van een centimeter) een kracht van een paar ton komt te staan. “En dat op zo’n dun buisje!”

De klep wordt met zeer stijve veren op zijn plek gehouden en de afdichting van de kleppen gebeurt met staal op staal, vertelt Beune. “Bij deze extreme drukken voldoen de gebruikelijke rubberen ringen niet. In plaats daarvan gebruik je hoogwaardig staal met een uitzonderlijk vlak oppervlak, dat met de hand tot op minder dan een micrometer nauwkeurig wordt geslepen.” Veel van de kleppen komen -gelukkig- nooit in actie, maar gaan ze in een noodsituatie toch open, dan vervormt het staal door de ontsnappende gas- of vloeistofstroom zodanig dat ze opnieuw moeten worden gemaakt.

In kleine testvaten is relatief eenvoudig een zeer hoge druk te bereiken, maar een klein vat loopt volgens Beune te snel leeg om te kunnen meten wat er nu precies gebeurt. Daarom mocht hij van BASF gebruikmaken van een tweetal reactorvaten van elf meter lang, waarin ooit het chroomdioxide voor de cassettebandjes werd gemaakt en die met de komst van het digitale tijdperk overbodig waren geworden.

Beune vulde de reactorvaten onder hoge druk afwisselend met water en stikstofgas en vergeleek de manier waarop de veiligheidskleppen openden en hoe het water en gas vrijkwamen met computerberekeningen. “Het openen van de klep gaat gepaard met een gigantisch lawaai”, vertelt de promovendus. Hij droeg een koptelefoon over zijn oordoppen heen om het geluid een beetje draaglijk te maken. Het ontsnappende gas giert met een gigantische snelheid door de klepopening en in het water ontstaan gasbellen die met een enorme klap imploderen. “Het is alsof je naast een straalmotor staat. Per seconde komt er veertig liter water uit het vat; normale stromingsmeters kunnen dat niet aan.”

Daarom ving Beune de waterstraal op in een grote bak, die hij op een weegschaal plaatste. Met wat slimme foefjes om het effect van de turbulentie te omzeilen, leek dat goed te werken. “Maar zo’n systeem moet je nog wel ijken. Uiteindelijk hebben we de brandweer ingeschakeld. Die kond voldoende watercapaciteit leveren onder lage druk, zodat we een conventionele stroommeter konden gebruiken om mijn meetapparaat te ijken.”

Onder Beunes leiding verrees in Ludwigshafen een volwaardige meetfaciliteit die uiteindelijk zal worden gebruikt om kleppen te certificeren. De voorlopige resultaten zijn geen reden voor ongerustheid, zegt hij: “Het blijkt dat je de vereenvoudigde stromingsmodellen voor drukken tot zeshonderd bar redelijk kunt extrapoleren en de modellen geven ook meer inzicht in het openingsgedrag van de veiligheidsklep. Daarmee brengt mijn onderzoek de veiligheidstechniek voor hoge druk op een hoger niveau.” (TJ)/.