Welche ATEX-Zonenkonzepte, Inertisierungslösungen und druckfesten Bauweisen sind für staubexplosive Pulver üblich?
Für staubexplosive Pulver werden Schutzkonzepte immer aus drei miteinander verknüpften Bausteinen entwickelt: der Zoneneinteilung, der Vermeidung explosionsfähiger Atmosphäre und Zündquellen sowie – falls erforderlich – konstruktiven Maßnahmen zur Begrenzung einer Explosion. Welche Kombination geeignet ist, hängt von den sicherheitstechnischen Stoffdaten, dem Prozess, der Apparategröße, dem Aufstellort und dem gesamten Anlagenverbund ab.
Die Zoneneinteilung allein beschreibt noch keinen vollständigen Explosionsschutz. Sie bestimmt jedoch, welche Geräte und Schutzsysteme im jeweiligen Bereich verwendet werden dürfen. Inertisierung kann das Auftreten einer explosionsfähigen Atmosphäre vermeiden. Druckfeste, explosionsdruckstoßfeste oder druckentlastete Apparate begrenzen dagegen die Auswirkungen, falls es trotz aller vorbeugenden Maßnahmen zu einer Explosion kommt.
Zonenkonzepte für Stäube
Zone 20 bezeichnet einen Bereich, in dem eine explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus brennbarem Staub in Luft ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist. Typische Beispiele sind das Innere von Mischern, Silos, Mühlen, Trocknern, Filtern, Zyklonen und staubführenden Förderleitungen. Zone 21 liegt vor, wenn eine gefährliche explosionsfähige Staubatmosphäre im Normalbetrieb gelegentlich auftreten kann. Dies betrifft häufig Befüll-, Entleer-, Abfüll- und Probenahmestellen sowie den unmittelbaren Bereich offener oder nicht vollständig dichter Übergaben. Zone 22 umfasst Bereiche, in denen eine gefährliche Staubatmosphäre im Normalbetrieb nicht oder nur kurzzeitig auftritt, etwa bei seltenen Leckagen, Störungen oder beim Aufwirbeln abgelagerter Stäube. Die tatsächliche Zonengrenze muss anhand von Freisetzung, Staubeigenschaften, Dichtheit, Absaugung, Reinigung, Luftströmung und Raumgeometrie bestimmt werden.
Für Zone 20 ist in der Regel Gerät der Kategorie 1D erforderlich. In Zone 21 sind Geräte der Kategorie 1D oder 2D zulässig; in Zone 22 können Geräte der Kategorien 1D, 2D oder 3D eingesetzt werden. Diese Anforderungen gelten nicht nur für elektrische Betriebsmittel, sondern ebenso für nicht elektrische Komponenten, etwa Wellen, Dichtungen, Lager, Mischwerkzeuge, Klappen, Zellenradschleusen und Förderer. Kategorie 1D entspricht dem sehr hohen Schutzlevel für Staubatmosphären und muss auch bei seltenen Betriebsstörungen wirksam bleiben.
Inertisierungslösungen
Inertisierung ist eine vorbeugende Schutzmaßnahme. Ein geeignetes Inertgas senkt den Sauerstoffanteil im Prozessraum auf einen Wert, bei dem eine Explosion oder – abhängig von Stoffsystem und Gas – auch ein Brand nicht mehr entstehen oder sich nicht fortpflanzen kann. Die dafür maßgebliche Sauerstoffgrenzkonzentration, international als Limiting Oxygen Concentration bezeichnet, ist produkt-, inertgas- und bedingungsabhängig. Sie muss für das konkrete Staub-Inertgas-System unter relevanten Temperatur-, Druck-, Feuchte- und Partikelbedingungen bestimmt werden. CEN/TR 15281 behandelt die Inertisierung ausdrücklich als Maßnahme zur Vermeidung von Explosionen und Bränden.
Stickstoff ist für viele organische Stäube und chemische Pulver das am häufigsten verwendete Inertgas. Er ist breit verfügbar und für zahlreiche Stoffsysteme geeignet. Kohlendioxid kann in bestimmten Anwendungen eine wirtschaftliche Alternative sein, ist aber nur nach Prüfung der Produkt- und Werkstoffverträglichkeit einzusetzen. Bei reaktiven Metallpulvern, beispielsweise Aluminium, Magnesium, Titan oder Zirkonium, ist eine allgemeine Empfehlung für Stickstoff, Kohlendioxid oder Argon nicht zulässig. Diese Metalle können mit bestimmten Gasen oder bei hohen Temperaturen reagieren. Die Auswahl des Inertgases muss daher auf Basis der konkreten Reaktivität, Temperatur, Korngröße, Feuchte und möglicher Lösch- oder Zersetzungsreaktionen erfolgen.
Bei Chargenprozessen wird häufig die Vakuum-Druckwechselinertisierung verwendet. Dabei wird ein vakuumfester Behälter evakuiert und anschließend mit Inertgas geflutet. Der Vorgang wird wiederholt, bis der Sauerstoffgehalt unterhalb des zulässigen Grenzwerts liegt. Bei Apparaten ohne Vakuumfestigkeit oder bei kontinuierlichen Prozessen kann eine Durchfluss- oder Spülinertisierung eingesetzt werden. Ein definierter Inertgasstrom verdrängt zunächst die Luft und kompensiert im Betrieb Leckagen, Luftzutritt durch Beschickung oder den Gasaustausch beim Austrag. Ein leichter Inertgasüberdruck kann den Luftzutritt reduzieren, muss aber mit zulässigem Betriebsdruck, Dichtheit und Sicherheitskonzept vereinbar sein.
Sauerstoffmessung, Alarmgrenzen und Verriegelungen sind notwendige Bestandteile einer sicher inertisierten Anlage. Die Messstellen müssen repräsentativ sein; bei großen oder komplexen Apparaten können mehrere Messpunkte erforderlich sein. Die Anzahl der Sensoren, die erforderliche Redundanz und die funktionale Sicherheit werden anhand der Gefährdungsbeurteilung festgelegt. Pauschale Vorgaben wie stets zwei Sensoren, ein bestimmter SIL-Wert oder ein fester Abstand von einigen Volumenprozent unterhalb der Sauerstoffgrenzkonzentration sind ohne konkreten Sicherheitsnachweis nicht ausreichend.
Druckfeste und druckstoßfeste Bauweisen
Explosionsfeste Geräte werden so gebaut, dass sie einer inneren Explosion standhalten, ohne zu bersten oder gefährliche Auswirkungen auf die Umgebung zu verursachen. EN 14460 beschreibt die Anforderungen an explosionsfeste Geräte. Die Auslegung basiert auf dem erwarteten Explosionsdruck und berücksichtigt Behältergeometrie, Volumen, Werkstoff, Temperatur, Druck, Anschlüsse, Dichtungen und mögliche Hybridgemische.
Bei explosionsdruckfester Ausführung wird der Apparat für den relevanten maximalen Explosionsdruck ausgelegt. Im Unterschied dazu kann bei einer explosionsdruckstoßfesten Ausführung eine bleibende Verformung zulässig sein, sofern der Behälter nicht versagt und keine gefährlichen Folgen nach außen entstehen. Die Begriffe werden in der Praxis häufig ungenau verwendet. Deshalb müssen die zulässige Druckstufe, die erwartete Explosionslast und die Anforderungen an die Weiterverwendung nach einem Ereignis im projektspezifischen Sicherheitskonzept eindeutig festgelegt werden.
Eine explosionsdruckstoßfeste Bauweise ist nicht automatisch eine auf den reduzierten Explosionsdruck ausgelegte Bauweise in Verbindung mit Druckentlastung. Eine Druckentlastung kann zwar den reduzierten Explosionsdruck pred begrenzen, ihre Wirkung hängt aber von Entlastungsfläche, Öffnungsdruck, Behältervolumen, Staubkennwerten, Geometrie, Leitungslängen und möglichen Flammenausbreitungen ab. Die Auslegung von Druckentlastungssystemen muss nach einschlägigen Regeln erfolgen und den sicheren Abblasebereich berücksichtigen. Bei Innenaufstellung können flammenlose Entlastung oder andere Schutzkonzepte erforderlich sein.
Explosionsunterdrückungssysteme erkennen den Beginn einer Explosion über Druck- oder Flammensensoren und bringen ein geeignetes Löschmittel in den Apparat ein. Dadurch soll der Druckanstieg auf ein beherrschbares Niveau begrenzt werden. Diese Systeme sind besonders relevant, wenn eine Druckentlastung ins Freie nicht möglich ist oder wenn Freisetzung von Flammen, Druck und Produkt nicht akzeptabel wäre. Sie erfordern schnelle Detektion, geeignete Löschmittel, regelmäßige Prüfung und eine explosionstechnische Entkopplung angeschlossener Komponenten.
Unabhängig von der Bauweise ist die Entkopplung verbundenen Anlagenteile häufig erforderlich. Ohne Entkopplung können Druck und Flammen über Rohrleitungen oder Fördereinrichtungen auf Silos, Filter und andere Apparate übergreifen. Mögliche Systeme sind explosionsschutztechnisch geeignete Rückschlagklappen, Schnellschlussschieber, Explosionsschutzventile, Löschmittelsperren oder zertifizierte Zellenradschleusen. Die gewählte Einrichtung muss für die tatsächliche Staubexplosionsklasse, Leitungsgeometrie, Durchsatz, Druckverhältnisse und Einbauposition geeignet sein.
Integriertes Schutzkonzept
Ein praxistaugliches Konzept folgt dem Grundsatz, eine Explosion zunächst zu verhindern und erst anschließend ihre Folgen zu begrenzen. Die erste Schutzebene ist die Begrenzung oder Vermeidung einer explosionsfähigen Atmosphäre, beispielsweise durch geschlossene Prozessführung, Staubvermeidung oder Inertisierung. Die zweite Schutzebene ist die Vermeidung wirksamer Zündquellen durch geeignete Gerätekategorien, Temperaturbegrenzung, Erdung, Potentialausgleich, Fremdkörpermanagement und Wartung. Die dritte Schutzebene umfasst Druckentlastung, Unterdrückung, explosionsfeste Auslegung und Entkopplung.
Ausgangspunkt jeder Auslegung sind die sicherheitstechnischen Stoffdaten. Dazu gehören KSt, maximaler Explosionsdruck pmax, Mindestzündenergie, Mindestzündtemperatur von Staubwolke und Staubschicht, Korngrößenverteilung, Feuchte, elektrische Leitfähigkeit, Sauerstoffgrenzkonzentration sowie gegebenenfalls Daten zu Hybridgemischen. Die Schutzstrategie muss den normalen Betrieb, Anfahren, Abfahren, Befüllen, Entleeren, Reinigen, Wartung und vorhersehbare Störungen berücksichtigen.
So unterstützt amixon® den Explosionsschutz bei staubexplosiven Pulvern
ATEX-gerechte Auslegung des Produktraums
Bei staubexplosiven Pulvern ist das Innere eines Mischers, Granulators, Trockners oder Reaktors häufig als Zone 20 einzustufen. Zone 20 bezeichnet einen Bereich, in dem eine explosionsfähige Staubatmosphäre ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist. Die Einstufung des gesamten Anlagenbereichs wird jedoch im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung durch den Betreiber festgelegt. Sie umfasst nicht nur den Mischraum, sondern auch Dosierung, Befüllung, Austrag, Filter, Förderleitungen, Silos, Abfüllung und den Aufstellraum.
amixon® kann seine Apparate für Prozesse mit einem als Zone 20 eingestuften Produktraum ausführen. Dazu zählen – abhängig von Baureihe, Größe und Projektkonfiguration – Einwellenmischer, Vertikal- und Konusmischer, Containermischer, Kontinuierlichmischer sowie Vakuum-Mischtrockner und Mischreaktoren der Baureihen VMT und AMT. Die konkrete ATEX-Auslegung muss für jede Anwendung separat festgelegt werden. Sie umfasst unter anderem Gerätekategorie, zulässige Oberflächentemperaturen, elektrische und nicht elektrische Betriebsmittel, Erdung, mögliche Prozessüberwachung sowie die erforderliche Dokumentation.
Die ATEX-Produktrichtlinie 2014/34/EU betrifft Geräte und Schutzsysteme für explosionsgefährdete Bereiche. Die ATEX-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG verpflichtet den Betreiber zur Gefährdungsbeurteilung, Zoneneinteilung und Erstellung des Explosionsschutzdokuments. Für den Produktraum in Zone 20 ist grundsätzlich ein sehr hohes Schutzniveau erforderlich, das regelmäßig einer Ausführung der Kategorie 1D entspricht.
Zündquellen systematisch vermeiden
Niedrige Werkzeuggeschwindigkeiten können die mechanische Energieeintragung sowie Reib-, Prall- und Abriebvorgänge verringern. Für die Vertikalmischer VM und HM nennt amixon® einen einstellbaren Umfangsgeschwindigkeitsbereich von etwa 0,8 bis 3,5 m/s. Die Geschwindigkeit ist jedoch nur eine von mehreren Größen in der Zündquellenbewertung. Auch bei niedriger Drehzahl müssen mögliche Werkzeug-Wand-Kontakte, blockierende Fremdkörper, Lager, Dichtungen, Oberflächentemperaturen, elektrostatische Aufladung und elektrische Komponenten berücksichtigt werden.
Die Zündquellenvermeidung kann Temperatur- und Drehmomentüberwachung, kontrollierte Drehzahlen, geeignete Werkstoffpaarungen, Fremdkörperabscheidung, gasdichte und für die Anwendung passende Dichtungssysteme, Erdung und Potentialausgleich sowie vorbeugende Instandhaltung umfassen. 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 zulässt.
Dichtheit und Druckauslegung
Fugenarm ausgeführte und verschliffene Produktbereiche, geeignete Dichtungen sowie geschlossene Übergabestellen können Staubaustritte verringern. Clever-Cut®-Inspektionstüren mit OmgaSeal®-Dichtung sind nach Angaben von amixon® für eine totraumarme Abdichtung des Produktraums ausgelegt. Die reale Dichtheit hängt jedoch zusätzlich von Druckdifferenzen, Dichtungswerkstoff, Verschleiß, Wartung und der Prozessführung ab. Staubdichtheit reduziert mögliche Staubablagerungen im Aufstellraum, ersetzt aber weder ein Reinigungskonzept noch die Bewertung möglicher Sekundärexplosionen.
Die Baureihen VMT und AMT können gas-, vakuum- und druckdicht ausgeführt werden. Sie eignen sich damit für Misch-, Reaktions- und Trocknungsprozesse unter Vakuum, Überdruck oder Inertgasatmosphäre. Die mögliche Vakuumhöhe, die Druckstufe und die zulässigen Temperaturbereiche sind projektspezifisch auszuführen. Druck- oder Vakuumfestigkeit ist nicht automatisch gleichbedeutend mit einer explosionsdruckfesten oder explosionsdruckstoßfesten Auslegung. Eine solche Auslegung muss auf den sicherheitstechnischen Stoffdaten, insbesondere KSt, pmax, Mindestzündenergie, Zündtemperaturen, Korngröße, Feuchte und möglichen Hybridgemischen beruhen. EN 14460 beschreibt Anforderungen an explosionsfeste Geräte, die einer inneren Explosion ohne Bersten standhalten sollen.
Eine explosionsdruckfeste oder explosionsdruckstoßfeste Bauweise ist nur ein möglicher Bestandteil des Schutzkonzepts. Wenn Druckentlastung, Explosionsunterdrückung oder andere konstruktive Schutzmaßnahmen vorgesehen sind, müssen alle angeschlossenen Apparate und Rohrleitungen betrachtet werden. Explosionstechnische Entkopplung kann erforderlich sein, damit sich Flamme und Druck nicht auf Filter, Silos, Förderer oder nachgeschaltete Prozessstufen übertragen.
Inertisierung und Prozessintegration
Inertisierung kann als vorbeugende Explosionsschutzmaßnahme eingesetzt werden. Dabei wird der Sauerstoffgehalt im Prozessraum durch ein geeignetes Inertgas, beispielsweise Stickstoff, unter einen für das jeweilige Staub-Inertgas-System definierten sicheren Wert abgesenkt. Vakuum-Mischtrockner und Mischreaktoren können für Vakuum-Druckwechselprozesse ausgelegt werden. Der Raum wird dabei evakuiert und anschließend mit Inertgas geflutet; durch Wiederholung kann der Sauerstoffgehalt weiter reduziert werden. amixon® beschreibt dieses Inertisierungsprinzip für Vakuum-Mischtrockner und Synthesereaktoren.
Die Inertisierung setzt eine ausreichend dichte Apparatur, eine geeignete Inertgasversorgung, definierte Spül- und Evakuierungssequenzen, repräsentative Sauerstoffmessung sowie Alarm- und Sicherheitsverriegelungen voraus. Der zulässige Sauerstoffwert muss mit Sicherheitsabstand unterhalb der für Produkt, Inertgas und Betriebsbedingungen ermittelten Sauerstoffgrenzkonzentration liegen. Allgemeingültige Sauerstoff-Sollwerte sind nicht belastbar. Die Auswahl des Inertgases muss außerdem auf chemische Reaktivität, Temperatur, Korrosionsverhalten, Produktqualität und Arbeitsschutz abgestimmt werden.
Die Verbindung mehrerer Schritte in einem geschlossenen Apparat kann offene Umfüllvorgänge reduzieren und damit das Risiko von Staubfreisetzungen begrenzen. Ob Mischen, Granulieren, Reagieren und Trocknen sinnvoll in einer Einheit kombiniert werden können, hängt allerdings vom Produkt, der Rezeptur, den verfahrenstechnischen Anforderungen und der gesamten Sicherheitsbewertung ab. Auch bei einer integrierten Prozessführung müssen Beschickung, Austrag, Filter, Kondensation, Probenahme, Reinigung und Wartung in das Zonenkonzept einbezogen werden.
Fertigung und Erprobung
Die projektspezifische Auslegung folgt der User Requirement Specification des Betreibers und den sicherheitstechnischen Stoffdaten. Prüfungen mit Originalprodukt können verfahrenstechnische Eigenschaften wie Mischqualität, Temperatureintrag, Flüssigkeitsverteilung, Anbackungen, Entleerung und Reinigbarkeit untersuchen. Sie ersetzen jedoch keine sicherheitstechnische Stoffprüfung, keine Auslegung von Explosionsschutzsystemen und keine Gefährdungsbeurteilung durch qualifizierte Fachleute.
amixon® bietet nach eigenen Angaben Versuche mit Originalprodukt in Technikumsanlagen an. Die dokumentierten Ergebnisse können die Wahl von Mischertyp, Werkzeugen, Dichtungen, Dosierkonzept, Wärmeübertragung und Prozessführung unterstützen.