Wie wähle ich den passenden Explosionsdruckfestigkeitsgrad für einen Mischer in St1-/St2-Staubumgebungen?
Die Auswahl erfolgt nicht allein nach Staubklasse St1 oder St2. Maßgeblich ist ein vollständiges Explosionsschutzkonzept aus geprüften Stoffdaten, Prozessbedingungen, Apparategeometrie, Leitungsnetz, Aufstellort sowie vorgesehenen Maßnahmen wie Inertisierung, Druckentlastung, Unterdrückung und Entkopplung. St1 und St2 beschreiben nur die Druckanstiegsgeschwindigkeit eines Staubs, nicht automatisch den erforderlichen Druckfestigkeitsgrad des Mischers.
Die richtige Frage lautet daher nicht „St1 oder St2 – welche Wandstärke?“, sondern: Welcher maximale Druck kann im konkreten Mischer einschließlich aller plausiblen Betriebs- und Störfälle entstehen, und welches Schutzsystem begrenzt diesen Druck nachweisbar auf welchen Wert?
Stoffdaten und Prozessdaten
Grundlage der Auslegung sind repräsentative sicherheitstechnische Kennwerte des tatsächlichen Produkts. Dazu gehören KSt, maximaler Explosionsdruck pmax, Mindestzündenergie, Mindestzündtemperaturen von Staubwolke und Staubschicht, Korngrößenverteilung, Feuchte, Sauerstoffgrenzkonzentration und elektrische Leitfähigkeit. Bei Flüssigkeitszugabe oder Lösemitteln müssen zusätzlich mögliche Dampf-Staub-Hybridgemische untersucht werden.
Die Staubexplosionsklassen werden über den KSt-Wert definiert: St1 liegt bei 0<KSt≤200 bar⋅m/s, St2 bei 200<KSt≤300 bar⋅m/s. Ein höherer KSt-Wert bedeutet eine schnellere Druckentwicklung und kann kürzere Reaktionszeiten für Entlastungs-, Unterdrückungs- und Entkopplungssysteme erforderlich machen. Er liefert jedoch keine vollständige Aussage über pmax, die notwendige Behälterfestigkeit oder die Eignung einer Schutzmaßnahme.
Literatur- oder Datenbankwerte sind nur für eine erste Vorplanung geeignet. Für eine sicherheitsrelevante Auslegung sollten Prüfwerte des konkreten Produkts oder einer nachweislich repräsentativen Produktgruppe verwendet werden. Rezepturänderungen, geänderte Feuchte, feinere Korngrößen, organische Nebenbestandteile oder eine Flüssigkeitszugabe können das Explosionsverhalten verändern.
Zusätzlich müssen Betriebsdruck, Temperatur, Füllgrad, Prozessatmosphäre, Einbauten, Drehzahl, mögliche Staubablagerungen, Beschickung, Austrag und der Zustand angeschlossener Leitungen berücksichtigt werden. Besonders relevant sind Drucküberhöhungen, hohe Temperatur, turbulenzerzeugende Einbauten, lange Verbindungsleitungen und potenzielle Druckaufstauungen. Sie können die Explosionsheftigkeit und den Druckverlauf erheblich verändern.
Bauweise richtig wählen
Bei einer explosionsdruckfesten Bauweise wird der Mischer so konstruiert, dass er der zugrunde gelegten inneren Explosionslast ohne gefährliches Versagen standhält. Ob bleibende Verformungen zulässig sind, ist dabei im gewählten Auslegungskonzept ausdrücklich zu definieren. Eine Auslegung auf den maximalen Explosionsdruck pmax ist besonders dann relevant, wenn keine wirksame Druckentlastung oder Unterdrückung möglich ist, wenn der Mischer sehr dicht integriert steht, wenn Produktfreisetzung nicht zulässig ist oder wenn der Schutz auf passive Behälterfestigkeit gestützt werden soll.
Eine explosionsdruckstoßfeste Bauweise kann bleibende Verformungen zulassen, darf aber nicht bersten oder gefährlich lecken. Sie kann auf den maximalen Explosionsdruck oder auf einen reduzierten Explosionsdruck ausgelegt werden. Deshalb ist die Aussage „druckstoßfest bedeutet immer Pred-Auslegung“ zu ungenau. Der erforderliche Auslegungsdruck muss im Sicherheitskonzept klar benannt und rechnerisch nachgewiesen werden.
Eine Auslegung auf den reduzierten Explosionsdruck pred ist möglich, wenn eine wirksame Druckentlastung oder Explosionsunterdrückung vorgesehen ist. Der Mischer, seine Flansche, Deckel, Sichtfenster, Messstutzen, Wellenabdichtungen, Austragsorgane und Anschlüsse müssen dann für den tatsächlich zu erwartenden maximalen reduzierten Explosionsdruck ausgelegt sein. Sie dürfen nicht nur auf den Behälterkörper fokussieren.
Die EN 14491 behandelt Auswahl und Auslegung von Druckentlastungssystemen für Staubexplosionen. Sie berücksichtigt unter anderem Behältervolumen, Staubdaten, Öffnungsdruck, Entlastungsfläche, Entlastungskanäle, Rückstoßkräfte und Wirkungen außerhalb des Behälters. Lange Entlastungskanäle, Turbulenzen, Druckaufstau und Flammenstrahlen können den reduzierten Explosionsdruck erhöhen. Die Norm weist zudem darauf hin, dass in den meisten Fällen Entkopplungsmaßnahmen in den Verbindungsleitungen erforderlich sind.
Praktisches Vorgehen
Zuerst werden die aktuellen Stoffdaten und alle Betriebszustände erfasst. Anschließend wird festgelegt, ob die Atmosphäre durch Inertisierung zuverlässig verhindert werden kann. Ist dies der Fall, müssen Inertgasversorgung, Sauerstoffmessung, Verriegelungen, Leckagen und Ausfallszenarien so ausgelegt sein, dass der zulässige Sauerstoffwert sicher eingehalten wird. Inertisierung kann die notwendige Druckfestigkeit beeinflussen, ersetzt aber nicht automatisch ein Rückfallebenenkonzept für Störungen, Anfahren, Öffnen, Reinigen oder Verlust der Inertgasversorgung.
Danach wird entschieden, ob der Mischer auf pmax ausgelegt, mit Druckentlastung auf pred geschützt oder durch ein Unterdrückungssystem auf einen nachgewiesenen Druck begrenzt wird. Bei Innenaufstellung ist besonders zu prüfen, ob eine Druckentlastung ins Freie möglich ist. Falls nicht, können flammenlose Entlastung, Unterdrückung oder eine explosionsfeste Bauweise geeigneter sein. Die Entscheidung hängt auch davon ab, ob im Ereignisfall Produkt, Flammen oder toxische Stoffe austreten dürfen.
Die Auswahl muss den gesamten Anlagenverbund einbeziehen. Verbindungsleitungen zu Filtern, Silos, Förderern, Vakuumsystemen und Abfüllanlagen können eine Explosion übertragen oder Druckaufstau verursachen. Deshalb ist häufig eine explosionstechnische Entkopplung erforderlich, beispielsweise mit geeigneten Rückschlagklappen, Schnellschlussschiebern, Löschmittelsperren oder qualifizierten Zellenradschleusen.
Sicherheitszuschläge dürfen nicht pauschal mit 10 oder 20 Prozent angesetzt werden. Sie ergeben sich aus der gewählten Norm, den Berechnungsverfahren, Unsicherheiten der Stoffdaten, den Konstruktionsregeln, Druckschwankungen, Materialkennwerten und der jeweils zuständigen Prüfstelle. Auch ein typischer Auslegungsbereich von 0,2 bis 2 bar für pred ist keine allgemeine Vorgabe; solche Werte sind nur im Rahmen der Gültigkeitsbereiche des jeweils verwendeten Verfahrens zulässig.
Besonderheiten bei St2
St2-Stäube besitzen eine höhere Druckanstiegsgeschwindigkeit als St1-Stäube. Dadurch verkleinert sich das verfügbare Zeitfenster für aktive Systeme wie Unterdrückung oder Schnellschlussschieber. Auch Druckentlastung und Entkopplung müssen besonders sorgfältig ausgelegt werden. Größere Entlastungsflächen können erforderlich sein, sind aber nicht automatisch ausreichend: Behältergeometrie, Einbauten, Leitungen, Rückstoßkräfte und mögliche Flammenausbreitung sind mit zu bewerten.
Eine erhöhte Betriebstemperatur oder ein erhöhter Ausgangsdruck kann die Explosionsparameter verändern. Hybridgemische aus brennbarem Staub und Dampf können ebenfalls zu höheren Explosionsdrücken oder veränderten Zündempfindlichkeiten führen. Für St2-Produkte ist es daher besonders wichtig, nicht von konservativ wirkenden Standardwerten auszugehen, sondern die tatsächlichen Bedingungen mit Fachleuten für konstruktiven Explosionsschutz auszulegen.
Dokumentation und Prüfung
Die Druckauslegung, die verwendeten Stoffdaten, das Schutzkonzept, die Berechnungen, die Entkopplung und die Anforderungen an die Anbauteile müssen im Explosionsschutzdokument und in den technischen Unterlagen nachvollziehbar festgehalten werden. Änderungen an Rezeptur, Korngröße, Feuchte, Betriebsdruck, Temperatur, Durchsatz, Leitungsnetz, Entlastungseinrichtungen oder angeschlossenen Apparaten können eine erneute Bewertung erforderlich machen.
Die Prüfung vor der erstmaligen Inbetriebnahme muss bestätigen, dass Mischer, Schutzsysteme und angeschlossene Anlagen entsprechend dem Explosionsschutzkonzept errichtet wurden und wirksam funktionieren. Das gilt ebenso nach prüfpflichtigen Änderungen.
So unterstützt amixon® die Auslegung für St1- und St2-Stäube
Grundlage: Stoffdaten und Schutzkonzept
Der erforderliche Explosionsdruckfestigkeitsgrad eines Mischers ergibt sich nicht allein aus der Einteilung des Staubs in St1 oder St2. Die Staubklasse beschreibt den KSt-Wert und damit die maximale Druckanstiegsgeschwindigkeit, nicht aber automatisch die notwendige Druckfestigkeit des Mischers. St1 umfasst KSt-Werte von über 0 bis 200 bar⋅m/s, St2 Werte von über 200 bis 300 bar⋅m/s. Für die Apparateauslegung sind zusätzlich insbesondere pmax, Mindestzündenergie, Mindestzündtemperaturen, Feuchte, Korngröße, Betriebsdruck, Betriebstemperatur und mögliche Dampf-Staub-Hybridgemische relevant.
amixon® kann Mischer, Granulatoren, Vakuum-Mischtrockner und Mischreaktoren für Anwendungen mit einem als Zone 20 eingestuften Produktraum ausführen. Die genaue Zoneneinteilung und das gesamte Explosionsschutzkonzept werden jedoch durch den Betreiber auf Basis der Gefährdungsbeurteilung festgelegt. Sie umfassen neben dem Mischer auch Dosierung, Filter, Silos, Förderstrecken, Austrag, Abfüllung und alle Verbindungsleitungen.
Die ATEX-Produktrichtlinie 2014/34/EU regelt die Konformität von Geräten und Schutzsystemen für explosionsgefährdete Bereiche. Die ATEX-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG verpflichtet den Betreiber zur Gefährdungsbeurteilung, Zoneneinteilung und zum Explosionsschutzdokument. Für das Mischerinnere in Zone 20 ist grundsätzlich ein sehr hohes Schutzniveau erforderlich, das regelmäßig Kategorie 1D entspricht. Die Kategorie 1D ist allerdings keine Definition für die Druckfestigkeit eines Behälters. Druckfestigkeit und konstruktiver Explosionsschutz müssen zusätzlich, ausdrücklich und projektspezifisch festgelegt werden.
Wahl der Druckauslegung
Eine explosionsdruckfeste oder explosionsdruckstoßfeste Auslegung muss auf dem für den Apparat und die Schutzstrategie relevanten Explosionsdruck beruhen. Der Mischer kann für den maximalen Explosionsdruck pmax oder – sofern eine wirksame Druckentlastung oder Explosionsunterdrückung vorgesehen ist – für den nachweislich begrenzten reduzierten Explosionsdruck pred ausgelegt werden.
Bei einer Auslegung auf pmax muss der Behälter einer inneren Explosion ohne gefährliches Versagen standhalten. Diese Lösung kann sinnvoll sein, wenn keine sichere Druckentlastung möglich ist, wenn der Apparat im Gebäude steht, wenn Produkt- oder Flammenaustritt nicht zulässig ist oder wenn die Sicherheitsstrategie auf einer robusten Behälterausführung beruht. Bei einer explosionsdruckstoßfesten Ausführung können bleibende Verformungen zulässig sein; der Behälter darf jedoch nicht bersten oder gefährlich lecken. Welche Verformungen zulässig sind und ob der Behälter nach einem Ereignis weiterverwendet werden darf, muss in der Spezifikation und im Sicherheitskonzept eindeutig geregelt sein.
Bei einer Auslegung auf pred müssen die Druckentlastung oder die Explosionsunterdrückung als Teil des Gesamtsystems nachweislich wirksam sein. Nicht nur der Mischerbehälter, sondern auch Deckel, Flansche, Wellenabdichtungen, Sichtfenster, Messstutzen, Ein- und Ausläufe, Filteranschlüsse sowie Verbindungsleitungen müssen für die definierte Druckbelastung ausgelegt werden. Die EN 14491 beschreibt die Auswahl und Auslegung von Druckentlastungssystemen für Staubexplosionen.
amixon® kann insbesondere die Baureihen VMT und AMT gas-, vakuum- und druckdicht ausführen. Diese Eigenschaften ermöglichen Prozessführung unter Vakuum, Überdruck und gegebenenfalls Inertgas. Sie sind jedoch nicht automatisch gleichbedeutend mit einer explosionsdruckfesten oder explosionsdruckstoßfesten Auslegung. Falls eine solche Auslegung erforderlich ist, muss der zulässige Explosionsdruck in der User Requirement Specification eindeutig definiert und auf Grundlage der Stoffdaten sowie des gewählten Schutzkonzepts berechnet werden.
Zündquellen, Dichtheit und Inertisierung
amixon® Vertikalmischer können mit niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten betrieben werden. Für VM und HM nennt amixon® einen einstellbaren Bereich von etwa 0,8 bis 3,5 m/s. Niedrige Werkzeuggeschwindigkeiten können Reib-, Prall- und Abriebenergie begrenzen. Sie sind jedoch kein allgemeiner Nachweis für die Zündquellenfreiheit. Lager, Dichtungen, Wellen, mögliche Werkzeug-Wand-Kontakte, Fremdkörper, Blockaden, Oberflächentemperaturen, elektrostatische Aufladung und elektrische Komponenten müssen im Rahmen der Zündgefahrenbewertung berücksichtigt werden.
Fugenarm ausgeführte und verschliffene Produktbereiche sowie geeignete Dichtungen können Staubaustritte begrenzen. Clever-Cut®-Inspektionstüren mit OmgaSeal®-Dichtung sind nach Angaben von amixon® für eine totraumarme Abdichtung des Produktraums ausgelegt. Die erreichbare Dichtheit hängt jedoch auch von Druckdifferenz, Dichtungswerkstoff, Verschleiß, Einbau und Wartung ab. Staubdichtheit allein ersetzt weder Absaugung und Reinigung noch ein Konzept gegen Sekundärexplosionen.
Bei gas- und vakuumdichten Apparaten kann eine Inertisierung als vorbeugende Schutzmaßnahme vorgesehen werden. Der Prozessraum wird beispielsweise evakuiert und mit einem geeigneten Inertgas geflutet. Wiederholte Vakuum-Druckwechsel können den Sauerstoffgehalt weiter reduzieren. Eine sichere Inertisierung benötigt eine dichte Anlage, Inertgasversorgung, Sauerstoffmessung, Alarm- und Abschaltwerte sowie Sicherheitsverriegelungen. Der zulässige Sauerstoffwert muss für das konkrete Staub-Inertgas-System mit Sicherheitsabstand unterhalb der bestimmten Sauerstoffgrenzkonzentration liegen.
Inertisierung kann die Wahrscheinlichkeit einer Explosion stark reduzieren, ersetzt jedoch nicht automatisch die Auslegung für alle Betriebszustände. Besonders für Anfahren, Abfahren, Öffnen, Reinigen, Störungen oder Ausfall der Inertgasversorgung muss eine bewertete Schutzstrategie vorhanden sein. Inertisierung schützt außerdem nicht zwangsläufig gegen Selbstentzündung, Zersetzung oder exotherme Reaktionen.
St1 und St2 im Anlagenverbund
Bei St2-Stäuben ist die Druckanstiegsgeschwindigkeit höher als bei St1-Stäuben. Dadurch kann das Zeitfenster für Unterdrückungs- und Entkopplungssysteme kleiner werden. Druckentlastung, Unterdrückung und Entkopplung müssen daher besonders sorgfältig auf Behältervolumen, Geometrie, Einbauten, Verbindungsleitungen und Staubdaten abgestimmt werden. Der höhere KSt-Wert bedeutet nicht zwangsläufig, dass ein St2-Mischer immer auf einen höheren Behälterdruck ausgelegt werden muss; er beeinflusst aber die Anforderungen an das gewählte Schutzsystem wesentlich.
Explosionstechnische Entkopplung ist erforderlich, wenn Druck, Flammen oder brennende Partikel über Rohrleitungen auf angeschlossene Filter, Silos, Förderer oder weitere Apparate übergreifen könnten. Geeignet sein können geprüfte Rückschlagklappen, Schnellschlussschieber, Löschmittelsperren, Explosionsschutzventile oder qualifizierte Zellenradschleusen. Welche Technik passend ist, hängt vom gesamten Prozesszug, der Rohrleitungsgeometrie, Durchsatz, Strömungsrichtung und den Stoffdaten ab.
Erprobung und Dokumentation
amixon® bietet Versuche mit Originalprodukt im Technikum an. Diese können Mischverhalten, Produkterwärmung, Abrieb, Anbackungen, Entleerung, Vakuum- und Inertisierungsabläufe sowie die Eignung der Prozessführung untersuchen. Sie ersetzen jedoch keine sicherheitstechnische Staubprüfung und keine Berechnung oder Prüfung eines konstruktiven Explosionsschutzsystems.
Die Druckauslegung, verwendete Stoffdaten, Festigkeit aller druckbeanspruchten Bauteile, Schutzsysteme, Entkopplung und Betriebsgrenzen müssen im Explosionsschutzdokument sowie in den technischen Unterlagen nachvollziehbar dokumentiert werden. Änderungen an Rezeptur, Feuchte, Korngröße, Temperatur, Druck, Durchsatz oder Leitungsnetz können eine erneute Bewertung erforderlich machen.