Welche Auslegungsrichtlinien gibt es für ATEX-konformes Design in Mischern für organische Pulver?
Für Mischer, die organische oder andere brennbare Pulver verarbeiten, ist ein ATEX-konformes Design immer das Ergebnis einer stoff-, prozess- und anlagenspezifischen Bewertung. Die Produktbezeichnung allein reicht nicht aus: Entscheidend sind die tatsächliche Feinstaubfraktion, Feuchte, Korngröße, mögliche Lösemittel- oder Duftstoffdämpfe, Temperatur, Prozessdruck und die Betriebszustände von Anfahren bis Reinigung. Für Mischer und Mischanlagen ist VDI 2263 Blatt 10 eine zentrale Auslegungsrichtlinie; sie behandelt ausdrücklich Brand- und Explosionsschutz für Mischer mit Staub-, Gas-, Dampf- und Hybridgemischen.
Zonenkonzept und Stoffdaten
Die Zoneneinteilung gehört in das Explosionsschutzdokument des Betreibers. Zone 20 liegt vor, wenn im Inneren eines Mischers, Filters, Silos oder einer Förderleitung eine explosionsfähige Staubatmosphäre ständig, über lange Zeit oder häufig vorhanden ist. Zone 21 betrifft Bereiche, in denen eine solche Atmosphäre im Normalbetrieb gelegentlich auftreten kann, beispielsweise an Befüll-, Austrags- oder Probenahmestellen. Zone 22 beschreibt Bereiche, in denen sie nur selten und kurzzeitig auftritt. Die konkrete Abgrenzung ergibt sich aus Staubfreisetzung, Dichtheit, Absaugung, Reinigung und Umgebungssituation.
Für Zone 20 ist grundsätzlich ein sehr hohes Schutzniveau erforderlich; in der klassischen ATEX-Kategorisierung entspricht dies regelmäßig Kategorie 1D. Für Zone 21 sind Kategorie 1D oder 2D und für Zone 22 Kategorie 1D, 2D oder 3D zulässig. Die Zuordnung umfasst elektrische und nicht elektrische Komponenten: Motoren, Sensoren, Aktoren, Wellen, Lager, Dichtungen, Mischwerkzeuge, Klappen und Fördereinrichtungen müssen gemeinsam betrachtet werden. Die passende Konformitätsbewertung und die Notwendigkeit einer EU-Baumusterprüfung richten sich nach Gerätekategorie, Gerätegruppe, Gerätetyp und anwendbarem ATEX-Konformitätsbewertungsverfahren; eine Baumusterprüfung ist daher nicht pauschal für jedes Gerät der Kategorie 1D oder 2D erforderlich.
Vor der Detailauslegung sind repräsentative sicherheitstechnische Stoffdaten erforderlich. Dazu gehören mindestens KSt, maximaler Explosionsdruck pmax, Mindestzündenergie, Mindestzündtemperatur der Staubwolke, Mindestzündtemperatur der Staubschicht, Korngrößenverteilung, Feuchte und elektrische Leitfähigkeit. Bei der Zugabe flüchtiger Flüssigkeiten oder Lösemittel sind Dampf-Staub-Hybridgemische gesondert zu bewerten, da sich Zünd- und Explosionsverhalten gegenüber reinem Staub verändern kann. Allgemeine Mindestzündenergie-Bereiche für „Waschmittelstäube“ oder andere Produktgruppen sind nicht ausreichend belastbar und sollten nicht als Auslegungsgrundlage verwendet werden.
Zündquellen verhindern
Die Vermeidung wirksamer Zündquellen ist eine zentrale Schutzebene. EN 1127-1 betrachtet verschiedene Zündquellenarten, darunter heiße Oberflächen, Flammen und heiße Gase, mechanisch erzeugte Funken, elektrische Betriebsmittel, Streuströme, statische Elektrizität, Blitzschlag, elektromagnetische Strahlung und exotherme Reaktionen. EN ISO 80079-36 und -37 sind für die Bewertung nicht elektrischer Geräte und ihrer potenziellen Zündquellen relevant.
Mechanische Spaltmaße, Werkstoffpaarungen, mögliche Kontaktpunkte und Fremdkörper müssen so ausgelegt werden, dass im Normalbetrieb und bei den zu berücksichtigenden Störungen keine gefährlichen Reib-, Schlag- oder Schleiffunken entstehen. Eine allgemein gültige Höchstgeschwindigkeit wie „unter 1 m/s“ für Mischwerkzeuge in Zone 20 gibt es nicht. Die zulässige Umfangsgeschwindigkeit hängt von Geometrie, Werkstoffen, Korngröße, möglichem Fremdkörpereintrag, Kontaktwahrscheinlichkeit, Temperatur, Mischaufgabe und weiteren Schutzmaßnahmen ab. Sie muss im Rahmen der Zündgefahrenbewertung begründet werden.
Lager und Dichtungen sind kritische Stellen. Möglich sind außenliegende Lager, eine wirksame Trennung von Produkt- und Antriebsraum, geeignete Wellenabdichtungen, Temperaturüberwachung und Zustandsüberwachung. Die Maßnahmen müssen zum Pulver, zur Drehzahl, zum Druck, zur Temperatur und zum vorgesehenen Reinigungsverfahren passen. Bei Staubschichten nennt die TRGS 723 grundsätzlich einen Sicherheitsabstand von 75 °C zwischen Mindestzündtemperatur der Staubschicht und Oberflächentemperatur, sofern die Gefährdungsbeurteilung keine andere Festlegung zulässt.
Elektrostatische Aufladungen können insbesondere bei trockenen, feinen und schlecht leitfähigen Pulvern eine Zündquelle darstellen. Notwendig sind ein durchgängiges Erdungs- und Potentialausgleichskonzept, die Bewertung leitfähiger und isolierender Bauteile, geeignete Schläuche, Filtermedien, flexible Verbindungen, Gebinde und persönliche Schutzausrüstung. TRGS 727 beschreibt die Anforderungen zur Vermeidung elektrostatischer Zündgefahren. Ein pauschaler Erdungswiderstand von 106 Ω ist nicht auf sämtliche Anlagenteile und Anwendungsfälle übertragbar. Für FIBCs des Typs C nennt die TRGS 727 beispielsweise einen Ableitwiderstand von weniger als 107 Ω zum Erdungspunkt; FIBCs des Typs D benötigen keine Erdung, dürfen aber nur eingesetzt werden, wenn der Nachweis erbracht ist, dass keine gefährlichen Aufladungen auftreten.
Elektrische Betriebsmittel müssen für die zugeordnete Zone, die Staubatmosphäre und die zulässige Oberflächentemperatur geeignet sein. Bei staubgeschützten elektrischen Geräten ist eine staubdichte Schutzart wie IP6X häufig relevant; die erforderliche Schutzart und Kennzeichnung ergeben sich jedoch aus dem gewählten Schutzprinzip und der konkreten Gerätezulassung. Eigensicherheit kann für bestimmte Mess- und Steuerkreise sinnvoll sein, ist aber keine universelle Vorgabe für alle Sensoren im Mischer.
Schutzkonzept und Inertisierung
Ein Schutzkonzept folgt einer Rangfolge. Zuerst wird geprüft, ob sich gefährliche explosionsfähige Atmosphäre vermeiden oder begrenzen lässt, etwa durch geschlossene Prozessführung, Begrenzung von Staubfreisetzungen oder Inertisierung. Danach werden wirksame Zündquellen vermieden. Können beide Ziele nicht zuverlässig erreicht werden, kommen konstruktive Maßnahmen zur Begrenzung der Explosionsfolgen hinzu.
Bei einer Inertisierung wird Sauerstoff durch ein geeignetes Gas, oft Stickstoff, so weit reduziert, dass der Sauerstoffgehalt unterhalb der stoff- und prozessspezifisch bestimmten Sauerstoffgrenzkonzentration liegt. Ein pauschaler Zielwert von weniger als 8 Volumenprozent Sauerstoff ist nicht zulässig; die zulässige Betriebskonzentration muss aus der Sauerstoffgrenzkonzentration, Messunsicherheit, Leckageannahmen, Prozessschwankungen und einem definierten Sicherheitsabstand abgeleitet werden. Die Inertisierung benötigt eine ausreichend gasdichte Anlage, geeignete Inertgasversorgung, Sauerstoffmessung, definierte Alarm- und Abschaltwerte sowie sicherheitsgerichtete Verriegelungen.
Bei Rezepturen mit Oxidationsmitteln, etwa Natriumpercarbonat, ist die Inertisierung besonders sorgfältig zu bewerten. Natriumpercarbonat kann bei Zersetzung Sauerstoff freisetzen und Brände verstärken. Eine Sauerstoffreduktion durch Stickstoff ersetzt daher weder Temperaturkontrolle noch die Bewertung thermischer Zersetzung, möglicher Kontaminationen oder exothermer Reaktionen.
Konstruktive Schutzmaßnahmen können explosionsdruckfeste oder explosionsdruckstoßfeste Apparate, Druckentlastung, flammenlose Entlastung, Explosionsunterdrückung und die Entkopplung angeschlossener Anlagenteile umfassen. EN 14460 behandelt explosionsfeste Geräte; EN 14491 behandelt Explosionsdruckentlastung und EN 14373 behandelt Entwurf, Anwendung, Wirksamkeitsprüfung, Betrieb und Wartung von Explosionsunterdrückungssystemen. Solche Systeme sind für geschlossene oder im Wesentlichen geschlossene Einhausungen bestimmt und gelten nicht für instabile, explosive, pyrotechnische oder pyrophore Stoffe.
Die Entkopplung ist besonders wichtig, damit sich Explosionen nicht über Leitungen auf Filter, Silos, Dosier- und Abfüllanlagen übertragen. Geeignete Lösungen können explosionsschutztechnisch geprüfte Rückschlagklappen, Schnellschlussschieber, Löschmittelsperren, Explosionsschutzventile oder dafür geeignete Zellenradschleusen sein. Jede Entkopplungseinrichtung muss zur Staubexplosionsklasse, Rohrleitung, Prozessrichtung, Druckverhältnissen und Einbausituation passen.
Dokumentation und Prüfung
Die Auslegung muss in einer Risikobeurteilung des Herstellers sowie im Explosionsschutzdokument des Betreibers nachvollziehbar dokumentiert sein. Sie umfasst Stoffdaten, Zonen, Zündgefahrenbewertung, Gerätekategorien, Schutzkonzept, Schnittstellen, Betriebsgrenzen, Wartung, Reinigung, Prüfungen und die Behandlung von Anfahren, Abfahren, Rezepturwechseln und Störungen.
Vor Inbetriebnahme und wiederkehrend sind Prüfungen nach den für den Standort geltenden Vorschriften erforderlich. In Deutschland sind insbesondere die Vorgaben aus Gefahrstoffverordnung und Betriebssicherheitsverordnung zu beachten. Eine strukturierte HAZOP- oder vergleichbare Sicherheitsstudie kann bei komplexen Mischanlagen sehr sinnvoll sein, ist jedoch keine pauschale gesetzliche Pflicht für jede Anlage.
So unterstützt amixon® ein ATEX-konformes Design für organische Pulver
Auslegung für Zone-20-Anwendungen
Bei Mischprozessen mit organischen oder anderen brennbaren Pulvern ist das Innere des Mischers häufig als Zone 20 eingestuft. Zone 20 bezeichnet einen Bereich, in dem eine explosionsfähige Staubatmosphäre ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist. Die endgültige Zoneneinteilung der Gesamtanlage liegt beim Betreiber und ist im Explosionsschutzdokument festzuhalten. Sie berücksichtigt neben dem Mischer auch Rohstoffannahme, Dosierung, Filter, Förderer, Silos, Ein- und Austrag, Abfüllung, Reinigung und Wartung.
amixon® kann seine Mischer, Granulatoren, Vakuum-Mischtrockner und Mischreaktoren für einen als Zone 20 eingestuften Produktraum ausführen. Abhängig von Baureihe und Projektkonfiguration betrifft dies beispielsweise Einwellenmischer, Vertikal- und Konusmischer, Containermischer, Kontinuierlichmischer sowie die Vakuum-Mischtrockner und Mischreaktoren VMT und AMT. Für Zone 20 ist grundsätzlich ein sehr hohes Schutzniveau erforderlich, das in der klassischen ATEX-Kategorisierung regelmäßig Kategorie 1D entspricht. Die konkrete Gerätekategorie, Oberflächentemperatur, elektrische und nicht elektrische Ausrüstung, Erdung sowie die Dokumentation müssen auf Basis der Stoffdaten und Betriebsbedingungen projektspezifisch festgelegt werden.
Die ATEX-Produktrichtlinie 2014/34/EU betrifft Geräte und Schutzsysteme für explosionsgefährdete Bereiche. Die ATEX-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG legt Anforderungen an Betreiber fest, darunter Gefährdungsbeurteilung, Zoneneinteilung, Explosionsschutzdokument und wiederkehrende Prüfungen. amixon® kann die Apparatedokumentation für die gelieferte Maschinenkonfiguration bereitstellen. Die Verantwortung für das Zonenkonzept, die Gefährdungsbeurteilung und die explosionsschutztechnische Gesamtbetrachtung der Produktionsanlage bleibt beim Betreiber.
Zündquellen und Prozessführung
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. Niedrige Werkzeuggeschwindigkeiten können die mechanische Energieeintragung sowie Reib-, Prall- und Abriebenergie begrenzen. Sie sind jedoch kein allgemeiner Nachweis dafür, dass keine wirksame Zündquelle auftritt. Die Zündquellenbewertung muss außerdem Lager, Dichtungen, Wellen, Werkzeug-Wand-Kontakte, Fremdkörper, Blockaden, Oberflächentemperaturen, elektrostatische Aufladung und elektrische Komponenten einbeziehen.
Für ein ATEX-konformes Design können Temperatur- und Drehmomentüberwachung, kontrollierte Drehzahl, geeignete Lager- und Dichtungskonzepte, Fremdkörpermanagement, Erdung, Potentialausgleich und vorbeugende Instandhaltung erforderlich sein. Für Staubschichten nennt die TRGS 723 grundsätzlich einen Sicherheitsabstand von 75 °C zwischen der Mindestzündtemperatur einer Staubschicht und der Oberflächentemperatur, sofern die Gefährdungsbeurteilung keine andere Festlegung zulässt.
Bei der Zugabe flüssiger Komponenten wie Tenside, Öle oder Duftstoffformulierungen sind Tropfengröße, Dosiermenge, Viskosität, Temperatur und Eintragsposition auf die Produktbewegung abzustimmen. Ziel ist eine gleichmäßige Verteilung, ohne lokale Übernässung, Klumpenbildung oder unzulässige Anbackungen zu fördern. Eine vollständig anhaftungsfreie Verarbeitung kann nicht allgemein zugesagt werden. Bei Enzymgranulaten, feinen organischen Pulvern oder oxidierenden Komponenten wie Natriumpercarbonat sind Feuchte, Temperatur, mechanische Belastung und mögliche Dampf-Staub-Hybridgemische besonders sorgfältig zu bewerten.
Dichtheit, Druck und Inertisierung
Fugenarm ausgeführte und verschliffene Produktbereiche, geschlossene Übergabestellen sowie geeignete Dichtungen können Staubaustritte reduzieren. Clever-Cut®-Inspektionstüren mit OmgaSeal®-Dichtung sind nach Angaben von amixon® für eine totraumarme Abdichtung des Produktraums ausgelegt. Die tatsächliche Dichtheit hängt jedoch von Druckdifferenzen, Dichtungswerkstoff, Verschleiß, Wartung und Prozessführung ab. Eine staubdichte Konstruktion kann Staubablagerungen im Aufstellraum begrenzen, ersetzt aber nicht Absaugung, Reinigung und die Bewertung einer möglichen Sekundärexplosion.
Die Vakuum-Mischtrockner und Mischreaktoren VMT und AMT können gas-, vakuum- und druckdicht ausgeführt werden. Sie eignen sich damit für Misch-, Reaktions-, Granulations- oder Trocknungsprozesse unter Vakuum, Überdruck oder Inertgasatmosphäre. Die erreichbare Vakuumhöhe, zulässige Druckstufe und Temperaturbereiche müssen projektspezifisch festgelegt werden. Druck- oder Vakuumfestigkeit allein bedeutet nicht, dass ein Apparat explosionsdruckfest oder explosionsdruckstoßfest ausgelegt ist. Eine entsprechende Auslegung setzt die Bewertung von KSt, pmax, Mindestzündenergie, Zündtemperaturen, Korngröße, Feuchte und Hybridgemischen voraus.
Die Inertisierung kann bei geeigneter Ausführung als vorbeugende Explosionsschutzmaßnahme eingesetzt werden. Bei Vakuumapparaten wird der Prozessraum beispielsweise evakuiert und anschließend mit einem geeigneten Inertgas geflutet. Durch wiederholte Vakuum-Druckwechsel kann der Sauerstoffgehalt weiter gesenkt werden. amixon® beschreibt dieses Verfahren für Vakuum-Mischtrockner und Synthesereaktoren.
Die Sauerstoffkonzentration muss dabei mit einem definierten Sicherheitsabstand unterhalb der für das konkrete Pulver-Inertgas-System bestimmten Sauerstoffgrenzkonzentration liegen. Erforderlich sind eine ausreichend gasdichte Apparatur, geeignete Inertgasversorgung, repräsentative Sauerstoffmessung, Alarmgrenzen und Sicherheitsverriegelungen. Inertisierung verhindert weder Selbstentzündung noch thermische Zersetzung oder Sauerstofffreisetzung aus oxidierenden Komponenten. Sie ist deshalb nur ein Element eines vollständigen Schutzkonzepts.
Kontinuierliche Prozesse und Tests
Für hohe Durchsätze kann der Kontinuierlichmischer AMK eingesetzt werden. Nach Herstellerangaben arbeitet der AMK mit kontrolliertem Füllgrad; die mittlere Verweilzeit wird über Füllgrad und Durchsatz beeinflusst. Flüssigkeitszugabe, Massenstrom, Mischintensität und Verweilzeit müssen für die konkrete Rezeptur gemeinsam ausgelegt werden. Bei Duftstoffen, viskosen Tensiden, Enzymgranulaten oder oxidierenden Bestandteilen sind Mischversuche mit Originalprodukt erforderlich, um Homogenität, Feuchte, Temperatur, Partikelintegrität, Austrag und Reinigbarkeit zu bewerten.
amixon® gibt an, am Standort Paderborn mehr als 30 Testanlagen verschiedener Baugrößen zu betreiben und zusätzlich internationale Technika zu unterhalten. Versuche mit Originalprodukt können unter praxisnahen Füllgraden, Druck- und Temperaturbedingungen durchgeführt werden. Die Ergebnisse unterstützen die Wahl von Mischer, Werkzeugen, Dichtungen, Flüssigkeitszugabe und Betriebsparametern. Sie ersetzen jedoch weder die sicherheitstechnische Stoffprüfung noch die Explosionsschutzbewertung der Gesamtanlage durch qualifizierte Fachleute.