Welche ATEX-Anforderungen gelten für Pulvermischer in der Waschmittelproduktion, und wie setze ich inertisierte Prozesse um?
Pulvermischer in der Waschmittelproduktion können brennbare organische Stäube, oxidierende Bestandteile, Duftstoffträger, Tenside, Polymere, Enzymgranulate und weitere funktionelle Komponenten verarbeiten. Ob daraus eine explosionsfähige Atmosphäre entsteht, ist nicht aus der Produktgruppe „Waschmittel“ ableitbar, sondern muss für die konkrete Rezeptur, ihre Feinstaubfraktion und mögliche Dampf-Staub-Hybridgemische bewertet werden. Die Grundlage bilden eine Gefährdungsbeurteilung, sicherheitstechnische Stoffdaten und ein Explosionsschutzdokument.
Die ATEX-Produktrichtlinie 2014/34/EU regelt die Anforderungen an Geräte und Schutzsysteme, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden. Die ATEX-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG betrifft die Betreiberpflichten, darunter Zoneneinteilung, Auswahl geeigneter Geräte, organisatorische Maßnahmen und Dokumentation. In Deutschland werden diese Anforderungen unter anderem durch die Betriebssicherheitsverordnung, Gefahrstoffverordnung und die Technischen Regeln für Gefahrstoffe konkretisiert.
Zoneneinteilung und Geräteauswahl
Das Innere eines Mischers, Silos, Filters oder einer staubführenden Leitung ist häufig Zone 20, wenn eine explosionsfähige Staubatmosphäre dort ständig, über lange Zeiträume oder häufig auftreten kann. Zone 21 kann an Befüll-, Austrags-, Probenahme- oder Filterstellen vorliegen, wenn im Normalbetrieb gelegentlich Staub freigesetzt wird. Zone 22 bezeichnet Bereiche, in denen eine gefährliche Staubatmosphäre nur selten und kurzzeitig auftritt. Die konkrete Einteilung richtet sich nach tatsächlichen Freisetzungsquellen, Staubeigenschaften, Dichtheit, Absaugung, Reinigungsmaßnahmen und der Geometrie des Aufstellraums. Sie darf nicht pauschal aus der Anlagenfunktion abgeleitet werden.
Für Zone 20 ist grundsätzlich Gerät der Kategorie 1D erforderlich. In Zone 21 können Geräte der Kategorie 1D oder 2D eingesetzt werden; in Zone 22 sind Geräte der Kategorien 1D, 2D oder 3D zulässig. Die Bewertung umfasst nicht nur Motoren, Sensoren und Schaltschränke, sondern ebenso Mischerwellen, Lager, Dichtungen, Mischwerkzeuge, Klappen, Zellenradschleusen, Fördereinrichtungen und Filter. Alle Komponenten müssen hinsichtlich mechanischer, thermischer, elektrischer und elektrostatischer Zündquellen beurteilt werden.
Die relevante Stoffcharakterisierung umfasst mindestens KSt, maximalen Explosionsdruck pmax, Mindestzündenergie, Mindestzündtemperatur der Staubwolke, Mindestzündtemperatur einer Staubschicht, Korngrößenverteilung, Feuchte und elektrische Leitfähigkeit. Bei Rezepturen mit flüchtigen Flüssigkeiten, Lösemitteln oder Duftstoffen müssen auch mögliche Hybridgemische berücksichtigt werden. Bei einer Inertisierung wird zusätzlich die Sauerstoffgrenzkonzentration, international meist als Limiting Oxygen Concentration bezeichnet, für das konkrete Produkt-Inertgas-System benötigt.
Zündquellen und Schutzkonzept
Die Vermeidung explosionsfähiger Atmosphären und wirksamer Zündquellen hat Vorrang. Im Mischer sind insbesondere Lager- und Dichtungstemperaturen, Werkzeug-Wand-Kontakte, Fremdkörper, Blockaden, Reibung, heiße Oberflächen, elektrostatische Entladungen und elektrische Betriebsmittel zu betrachten. Geeignete Maßnahmen können Temperatur- und Drehmomentüberwachung, Fremdkörperabscheider, begrenzte Werkzeugdrehzahlen, sichere Dichtungskonzepte, Erdung und Potentialausgleich, leit- oder ableitfähige Komponenten sowie vorbeugende Instandhaltung sein. Für Staubschichten nennt die TRGS 723 grundsätzlich einen Sicherheitsabstand von 75 °C zwischen der Mindestzündtemperatur der Staubschicht und der Oberflächentemperatur, sofern die Gefährdungsbeurteilung keine andere Festlegung rechtfertigt.
Natriumpercarbonat ist ein oxidierender Stoff und kein brennbarer Staub im üblichen Sinn. Es kann jedoch Brände verstärken, ist feuchteempfindlich und kann bei Zersetzung Sauerstoff freisetzen. Sicherheitsdatenblätter weisen darauf hin, dass es von Wärmequellen fernzuhalten ist und mit brennbaren Materialien kritisch reagieren kann. Deshalb müssen bei Waschmittelrezepturen mit Percarbonat insbesondere Temperaturführung, Feuchteeintrag, Materialverträglichkeit, Kontamination mit organischen Stoffen und mögliche Sauerstofffreisetzung berücksichtigt werden. Eine Inertisierung mit Stickstoff verhindert weder eine exotherme Zersetzung noch die brandfördernde Wirkung eines Sauerstoffträgers.
Wenn sich eine Explosion nicht mit ausreichender Sicherheit vermeiden lässt, kommen konstruktive Maßnahmen infrage: explosionsdruckfeste oder explosionsdruckstoßfeste Ausführung, Explosionsdruckentlastung, flammenlose Druckentlastung, Explosionsunterdrückung und explosionstechnische Entkopplung. Die Auslegung muss den vollständigen Prozesszug umfassen. Filter, Silos, Förderleitungen und Austragsstellen können im Ereignisfall von Druck und Flammen betroffen sein. Zellenradschleusen, Rückschlagklappen, Schnellschlussschieber oder Löschmittelsperren sind nur dann wirksam, wenn sie für die jeweilige Entkopplungsfunktion geeignet, korrekt dimensioniert und regelmäßig geprüft sind.
Inertisierte Prozesse
Inertisierung senkt den Sauerstoffanteil im Prozessraum durch Zugabe eines geeigneten Inertgases, in der Regel Stickstoff, auf einen Wert, bei dem sich keine Explosion mehr ausbreiten kann. Kohlendioxid oder andere Gase können in einzelnen Fällen geeignet sein, müssen aber auf Produktchemie, Korrosion, Druckniveau, Temperatur und Arbeitsschutz abgestimmt werden. Die Sauerstoffgrenzkonzentration ist keine allgemeine Konstante für „Waschmittelstaub“. Sie wird experimentell für ein bestimmtes Brennstoff-Inertgas-System unter definierten Bedingungen ermittelt.
Aus der Sauerstoffgrenzkonzentration wird ein maximal zulässiger Sauerstoffwert für den Betrieb abgeleitet. Dieser Wert muss einen Sicherheitsabstand berücksichtigen, beispielsweise Schwankungen von Produkt, Temperatur, Druck, Feuchte, Messunsicherheit, Luftleckage und Sauerstofffreisetzung. Die Inertisierungsrichtlinie unterscheidet deshalb zwischen der experimentell bestimmten Sauerstoffgrenzkonzentration, der maximal zulässigen Sauerstoffkonzentration und dem Auslösewert für einen Sicherheitsstopp. Allgemeine Sollwerte wie 8 bis 12 Volumenprozent Sauerstoff oder ein pauschaler Abstand von 2 bis 5 Prozentpunkten sind ohne stoffbezogenen Nachweis nicht belastbar.
Bei Chargenprozessen kann die Inertisierung durch wiederholtes Evakuieren und Fluten eines vakuumfesten Mischers erfolgen. Alternativ wird die Luft vor Prozessbeginn durch eine definierte Inertgas-Spülung verdrängt. Während des Betriebs kann eine kontrollierte Inertgasnachspeisung erforderlich sein, um Luftleckagen, Gasverdrängung durch Beschickung und mögliche Sauerstoffeinträge auszugleichen. Ein leichter Überdruck kann den Lufteintrag reduzieren, ist jedoch nur im Rahmen der zulässigen Druckstufe, der Dichtheit, der Sicherheitseinrichtungen und des Gesamtprozesses festzulegen.
Eine sichere Inertisierung erfordert eine ausreichend gasdichte Anlage, definierte Spülsequenzen, zuverlässige Sauerstoffmessung, geeignete Messstellen, Alarmgrenzen, Sicherheitsverriegelungen und eine Notfallstrategie. Mischermotor, Produktzufuhr, Flüssigkeitszugabe oder Heizung dürfen nur entsprechend der festgelegten Sicherheitslogik freigegeben werden. Bei Überschreitung des sicheren Sauerstoffwerts muss die Anlage in einen bewerteten sicheren Zustand überführt werden. Die erforderliche funktionale Sicherheit der Mess- und Verriegelungskette wird risikobasiert festgelegt; ein pauschales SIL-2-Erfordernis lässt sich nicht für jede Anlage ableiten.
Inertisierung schützt nicht gegen jede Gefahr. Sie verhindert weder Selbstentzündung, exotherme Zersetzung, thermische Zersetzung von Natriumpercarbonat noch die Freisetzung von Sauerstoff aus oxidierenden Komponenten. CEN/TR 15281 weist ausdrücklich darauf hin, dass eine zur Explosionsvermeidung ausreichende Inertisierung nicht automatisch gegen Brände, Selbstentzündung, exotherme Reaktionen oder Deflagrationen in Staubablagerungen schützt.
Betrieb und Prüfung
Ein sicherer Betrieb umfasst die regelmäßige Prüfung der Inertgasversorgung, der Dichtheit, der Sauerstoffanalysatoren, der Alarm- und Verriegelungsfunktionen sowie aller Maßnahmen zur Explosionentkopplung und Druckentlastung. Die Prüffristen ergeben sich aus Gefährdungsbeurteilung, Herstellerangaben, verwendeten Schutzsystemen und den jeweils geltenden Vorschriften. Änderungen an Rezeptur, Rohstoffqualität, Feuchte, Duftstoffzugabe, Durchsatz oder Anlagengeometrie müssen über ein dokumentiertes Änderungsmanagement bewertet werden.
Das Bedienpersonal benötigt Unterweisungen zu ATEX-Zonen, Zündquellenvermeidung, sicherer Reinigung, Verhalten bei Alarmen und den besonderen Risiken einer Inertisierung. Stickstoff und Kohlendioxid können in umgebenden Bereichen zu Sauerstoffmangel führen. Deshalb gehören Gaswarnkonzept, ausreichende Raumlüftung, Kennzeichnung, Zugangsbeschränkungen und Rettungsmaßnahmen zum Arbeitsschutzkonzept.
So unterstützt amixon® den Explosionsschutz bei Waschmittelpulvern
ATEX-gerechte Auslegung des Produktraums
In der Waschmittelproduktion können feine Feststoffe, organische Bestandteile, Duftstoffträger und Rezepturfeinstäube eine explosionsfähige Staubatmosphäre bilden. Das Innere eines Mischers ist deshalb häufig als Zone 20 zu bewerten. Zone 20 bezeichnet einen Bereich, in dem eine explosionsfähige Staubatmosphäre ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist. Die endgültige Zoneneinteilung der Gesamtanlage ist jedoch Teil der Gefährdungsbeurteilung und liegt beim Betreiber. Sie umfasst nicht nur den Mischer, sondern auch Dosierung, Ein- und Austrag, Filter, Silos, Förderleitungen, Abfüllung und den jeweiligen Aufstellbereich.
amixon® kann verschiedene Mischer, Granulatoren, Vakuum-Mischtrockner und Mischreaktoren für einen als Zone 20 eingestuften Produktraum ausführen. Dazu gehören – abhängig von Baureihe und Projektkonfiguration – Einwellenmischer, Vertikal- und Konusmischer, Containermischer, Kontinuierlichmischer sowie die Vakuum-Mischtrockner und Reaktoren VMT und AMT. Die konkrete Gerätekategorie, die maximal zulässige Oberflächentemperatur, die elektrische und nicht elektrische Ausrüstung sowie die ATEX-Dokumentation müssen für jede Anlage anhand der tatsächlichen Rezeptur und Prozessbedingungen festgelegt werden.
Die ATEX-Produktrichtlinie 2014/34/EU regelt die Anforderungen an Geräte und Schutzsysteme für explosionsgefährdete Bereiche. Die ATEX-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG verpflichtet Betreiber zur Gefährdungsbeurteilung, Zoneneinteilung, Erstellung und Aktualisierung des Explosionsschutzdokuments sowie zur Auswahl und Prüfung geeigneter Betriebsmittel. Für den Mischraum in Zone 20 ist grundsätzlich ein sehr hohes Schutzniveau erforderlich, das regelmäßig einer Ausführung der Kategorie 1D entspricht.
Zündquellen kontrollieren
Die Mischintensität und Umfangsgeschwindigkeit beeinflussen die mechanische Beanspruchung des Produkts und sind damit auch für die Zündquellenbewertung relevant. Viele amixon® Vertikalmischer können mit niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten betrieben werden. Für die Baureihen VM und HM nennt amixon® einen einstellbaren Bereich von etwa 0,8 bis 3,5 m/s. Eine niedrige Werkzeuggeschwindigkeit kann Reib-, Prall- und Abriebenergie begrenzen und die Partikelstruktur schonen. Sie ist jedoch kein alleiniger Nachweis dafür, dass keine wirksame Zündquelle auftreten kann.
Die Zündquellenbewertung muss Lager, Dichtungen, Wellen, Werkzeuge, mögliche Werkzeug-Wand-Kontakte, Fremdkörper, Blockaden, Oberflächentemperaturen, elektrostatische Aufladung und elektrische Komponenten einschließen. Sinnvolle Maßnahmen können Temperatur- und Drehmomentüberwachung, Begrenzung der Werkzeugdrehzahl, Fremdkörperabscheidung, geeignete Dichtungskonzepte, Erdung, Potentialausgleich und eine vorbeugende Instandhaltung sein. In Zone 20 muss das Gesamtkonzept auch seltene Betriebsstörungen berücksichtigen.
Dichtheit und Prozessführung
Fugenarm ausgeführte Mischräume, verschliffene Schweißnähte und geeignete Dichtungssysteme unterstützen eine staubdichte Prozessführung. Clever-Cut®-Inspektionstüren mit OmgaSeal®-Dichtung sind nach Angaben von amixon® für eine totraumarme Abdichtung des Produktraums ausgelegt. Die tatsächliche Dichtheit hängt jedoch zusätzlich von Druckdifferenzen, Dichtungswerkstoff, Verschleiß, Wartung und den realen Betriebsbedingungen ab.
Geschlossene Produktübergaben können Staubfreisetzungen und damit Ablagerungen im Aufstellraum verringern. Dies reduziert das Risiko von Staubaufwirbelungen und Sekundärexplosionen, ersetzt aber kein Reinigungs- und Instandhaltungskonzept. Dosierstellen, Filter, Probenahmen, Entleerung, Reinigungsöffnungen und Wartungsarbeiten müssen in das Zonenkonzept einbezogen werden.
In Waschmittelprozessen können Flüssigkeiten wie Tenside, Öle oder Duftstoffformulierungen über geeignete Lanzen und Düsen in das bewegte Pulver eingebracht werden. Tropfengröße, Sprühbild, Eintragsposition, Flüssigkeitsmenge, Temperatur und Viskosität müssen so abgestimmt sein, dass lokale Übernässung, Anbackungen und Klumpenbildung begrenzt werden. Eine vollständig anhaftungsfreie Verarbeitung kann nicht allgemein zugesagt werden. Bei empfindlichen Komponenten wie Enzymgranulaten oder Natriumpercarbonat sind Feuchte, Temperatur, mechanische Belastung und Kontaktzeiten besonders sorgfältig zu beherrschen.
Für hohe Durchsätze kann der Kontinuierlichmischer AMK eingesetzt werden. Der AMK arbeitet mit kontrolliertem Füllgrad und einer Verweilzeit, die laut amixon® über Füllgrad und Durchsatz beeinflusst werden kann. Die Flüssigkeitszugabe, das Dosierkonzept und die Mischintensität müssen auf die Rezeptur abgestimmt werden. Bei flüchtigen Duftstoffen, stark viskosen Tensiden, Enzymen oder Sauerstoffträgern sind Versuche mit Originalprodukt notwendig, um Produktstabilität, Homogenität, Feuchte, Austrag und Reinigbarkeit nachzuweisen.
Inertisierung und Druckprozesse
Vakuum-Mischtrockner und Mischreaktoren der Baureihen VMT und AMT können gas-, vakuum- und druckdicht ausgeführt werden. Sie eignen sich deshalb für Prozesse, bei denen Mischen, Reagieren, Trocknen oder Konditionieren unter Vakuum, Überdruck oder Inertgasatmosphäre erfolgen soll. Die erreichbare Vakuumhöhe, der zulässige Betriebsdruck und die Dichtheitsanforderungen sind projektspezifisch festzulegen. Eine Druck- oder Vakuumfestigkeit ist nicht automatisch gleichbedeutend mit einer explosionsdruckfesten Auslegung nach DIN EN 14460.
Für Batchprozesse kann der Prozessraum durch wiederholtes Evakuieren und anschließendes Fluten mit einem geeigneten Inertgas inertisiert werden. Dadurch wird der Sauerstoffgehalt schrittweise abgesenkt. Die zulässige Sauerstoffkonzentration muss mit ausreichendem Sicherheitsabstand unterhalb der für das konkrete Produkt-Inertgas-System bestimmten Sauerstoffgrenzkonzentration liegen. Erforderlich sind eine ausreichend dichte Anlage, zuverlässige Sauerstoffmessung, definierte Alarm- und Abschaltwerte, sicherheitsgerichtete Verriegelungen sowie eine geeignete Inertgasversorgung.
Die Inertisierung verhindert jedoch weder die thermische Zersetzung noch die Sauerstofffreisetzung oxidierender Waschmittelbestandteile. Natriumpercarbonat ist beispielsweise ein oxidierender Stoff; es kann bei Zersetzung Sauerstoff freisetzen und Brände verstärken. Bei solchen Rezepturen müssen Temperatur, Feuchte, Verunreinigungen und Materialverträglichkeit zusätzlich kontrolliert werden.
Fertigung und Erprobung
Die technische Auslegung folgt der User Requirement Specification des Betreibers sowie den sicherheitstechnischen Stoffdaten. Relevant sind insbesondere KSt, pmax, Mindestzündenergie, Mindestzündtemperaturen von Staubwolke und Staubschicht, elektrische Leitfähigkeit, Feuchte, Partikelgrößenverteilung und mögliche Hybridgemische. Daraus ergeben sich Zonenkonzept, Gerätekategorie, Temperaturgrenzen, Dichtheitsanforderungen, Erdung, Inertisierung sowie gegebenenfalls Druckentlastung, Unterdrückung oder Entkopplung.
amixon® kann die verfahrenstechnische Eignung mit Originalprodukt im Technikum untersuchen. Dabei lassen sich beispielsweise Mischqualität, Temperaturentwicklung, Flüssigkeitsverteilung, mögliche Anbackungen, Partikelintegrität, Entleerung und Reinigbarkeit bewerten. Diese Versuche unterstützen die Auswahl des Mischsystems und der Prozessparameter, ersetzen aber nicht die erforderliche sicherheitstechnische Bewertung der Gesamtanlage durch qualifizierte Explosionsschutzfachleute.