¿Qué soluciones existen para los requisitos ATEX y de inertización en el mezclado de materiales de baterías?
En la fabricación y el procesamiento de materiales de baterías pueden aparecer polvos combustibles, polvos conductores, componentes sensibles a la humedad, así como slurries con contenido de disolvente. Los sólidos típicos son NMC, NCA, LFP, grafito o compuestos de silicio. Si de ellos se deriva un riesgo de explosión, una sensibilidad a la humedad o una reactividad especial debe evaluarse individualmente para cada formulación y etapa del proceso.
Especialmente exigentes son los procesos en los que pueden aparecer simultáneamente polvos combustibles y vapores de disolvente. Estas mezclas híbridas pueden tener requisitos de seguridad más estrictos que las atmósferas puramente de polvo o de gas. Por ello, el concepto de protección debe considerar todo el proceso, incluidas la carga, el mezclador, la descarga, la técnica de transporte, las instalaciones de filtración y el entorno de la sala seca.
La base es una evaluación de riesgos referida a la sustancia. Los valores característicos relevantes son, por ejemplo, el valor Kst, la presión máxima de explosión, la energía mínima de ignición, la temperatura mínima de ignición, la resistencia eléctrica y la concentración límite de oxígeno. En los procesos con contenido de disolvente deben tenerse en cuenta, además, los límites de explosividad, el punto de inflamación y el comportamiento de evaporación.
Protección primaria contra explosiones mediante inertización
La inertización debe impedir que se forme una atmósfera capaz de ignición en el espacio de proceso. Para ello, el contenido de oxígeno en el mezclador y en las partes de la instalación conectadas se mantiene por debajo de la concentración límite de oxígeno determinada para el producto concreto. Unos valores límite de oxígeno generales no son suficientes, ya que el tipo de polvo, el disolvente, la temperatura, la presión y el tamaño de partícula influyen en el diseño necesario.
Como gas inerte se emplea generalmente nitrógeno. En materiales que pueden reaccionar con el nitrógeno, por ejemplo en aplicaciones con litio elemental, puede ser necesario el argón. Los métodos adecuados son la inertización por barrido, la inertización por cambio de presión con evacuación y llenado posterior, así como el barrido continuo durante los procesos en marcha.
El contenido de oxígeno se supervisa con una técnica de medición y análisis adecuada. Los sensores de punto de rocío o de humedad complementan la medición cuando el producto requiere valores bajos de humedad residual. Los valores de medición se conectan con el sistema de control. Las etapas críticas del proceso solo pueden iniciarse una vez alcanzados los valores de liberación predefinidos. En caso de superarse los valores límite, la instalación debe pasar a un estado seguro definido.
Protección secundaria contra explosiones mediante la prevención de fuentes de ignición
Si no puede excluirse con seguridad una atmósfera explosiva, deben evitarse las fuentes de ignición eficaces. La clasificación de zonas se orienta según la probabilidad, la duración y la extensión de las atmósferas explosivas. El espacio interior de un mezclador puede evaluarse, por ejemplo, como zona 20 en productos con capacidad de explosión de polvo. Las zonas en los puntos de carga, descarga y filtración pueden clasificarse como zona 21 o zona 22. En disolventes combustibles se requiere, además, una evaluación de las posibles zonas de gas o de vapor.
El mezclador, las herramientas de mezclado, las tuberías, los filtros, los contenedores y los envases móviles deben integrarse en un concepto continuo de compensación de potencial y puesta a tierra. Las mangueras, las juntas y los revestimientos deben seleccionarse de modo que no favorezcan cargas electrostáticas inadmisibles. Los equipos eléctricos deben ser adecuados para la zona correspondiente. También deben evaluarse y, en su caso, supervisarse las fuentes de ignición mecánicas, como la fricción, el impacto, los cojinetes recalentados o los defectos en las juntas.
Protección constructiva contra explosiones
La protección constructiva contra explosiones sirve como un nivel de protección adicional cuando un evento de explosión no puede excluirse con la seguridad suficiente pese a la inertización y la prevención de fuentes de ignición. La instalación puede ejecutarse resistente a la onda de presión de explosión o equiparse con alivio de la presión de explosión, supresión de la explosión y desacoplamiento.
Los discos de ruptura o las compuertas de explosión desvían la presión hacia zonas adecuadas. En la instalación en interiores pueden ser necesarios dispositivos de alivio sin llama o sistemas de supresión de explosiones. Las válvulas de cierre rápido, las barreras de agente extintor u otros sistemas adecuados evitan la transmisión de llamas y presión a las partes de la instalación situadas aguas arriba o aguas abajo. La idoneidad de cada medida de protección debe demostrarse para el producto concreto y la configuración de la instalación.
Mezclas híbridas y técnica de sala seca
Las mezclas híbridas de polvo y vapor de disolvente pueden presentar un comportamiento de ignición modificado. Incluso proporciones pequeñas de vapor pueden reducir la energía mínima de ignición de una mezcla de polvo. Por ello, el diseño de la inertización y de las medidas de protección debe tener en cuenta el escenario realista más desfavorable.
Los sistemas cerrados de carga y descarga reducen las salidas de polvo, las pérdidas de producto y la entrada de aire ambiente húmedo. Según el proceso se emplean sistemas de acoplamiento de contenedores estancos, esclusas, cajas de guantes o aisladores. En materiales muy sensibles a la humedad, el mezclador puede integrarse en una sala seca. La sala seca y la inertización del proceso deben coordinarse entre sí en cuanto a las cascadas de presión, la transferencia de material y la conducción del aire de salida.
El concepto de seguridad como sistema global
Un concepto seguro para el mezclado de materiales de baterías combina la caracterización del material, la evaluación de riesgos, el concepto de zonas, la inertización, la prevención de fuentes de ignición y, en su caso, la protección constructiva contra explosiones. Todos los componentes relevantes para la seguridad deben ser comprobables, mantenibles y estar integrados en instrucciones de funcionamiento claras. Lo decisivo es la interacción coordinada de las propiedades del material, la conducción del proceso, el mezclador, la periferia y el entorno.
Así mezcla amixon® materiales de baterías: polvos de cátodo y ánodo con baja contaminación, de forma suave y con baja segregación
Los materiales de baterías plantean elevados requisitos a la técnica de mezclado y al concepto de instalación. Los polvos de cátodo y ánodo no deben incorporar, en la medida de lo posible, abrasión metálica, las estructuras de partícula sensibles deben conservarse, y la mezcla debe poder vaciarse por completo y sin una segregación apreciable. Para ello, amixon® combina movimientos de mezclado lentos, una intensa recirculación total, materiales de bajo desgaste y una construcción diseñada para el vaciado residual.
La protección contra la contaminación empieza en el material
Las impurezas metálicas pueden perjudicar la calidad del producto en los materiales de baterías. Por ello, en amixon® la selección de materiales se adapta a las propiedades del producto concreto. Según la abrasividad y el requisito de pureza, entran en consideración materiales resistentes al desgaste, herramientas de mezclado endurecidas o con incrustaciones de metal duro, así como recubrimientos cerámicos en las superficies especialmente solicitadas.
Movimiento de giro lento y calidad de mezcla ideal
El movimiento de giro lento es una característica central de la técnica de mezclado de amixon®. Combina un tratamiento suave del producto con una recirculación intensa de todo el volumen de mezclado. La recirculación total SinConvex® capta el producto en todo el espacio de mezclado y puede reducir considerablemente las zonas locales de cizalla e impacto.
Esto resulta especialmente ventajoso para las formulaciones de cátodo y ánodo con componentes sensibles, como negro de humo conductor, partículas recubiertas o gránulos esféricos. También con distintos tamaños de partícula y densidades puede alcanzarse una calidad de mezcla muy elevada. El objetivo es una distribución reproducible y estadísticamente uniforme de todos los componentes de la formulación con la menor solicitación mecánica posible del producto.
Vaciado casi completo y con baja segregación
Una calidad de mezcla elevada no debe perderse durante la descarga. Por ello, en amixon® el vaciado es un componente esencial del concepto de mezclado. Los elementos ComDisc® favorecen el vaciado del producto residual de la cámara de mezclado y reducen el riesgo de segregación durante la fase de descarga.
El KoneSlid® KS permite un vaciado muy rápido del mezclador. El tiempo de descarga corto puede limitar la formación de cono de vertido y los efectos de separación posteriores. De este modo, el producto llega al proceso siguiente o al envase previsto de la forma más completa, homogénea y reproducible posible. El vaciado residual alcanzable depende siempre del producto, la formulación, la humedad, la estructura de partícula y la configuración de la instalación.
Ejecución resistente a la presión o a la onda de presión
En los materiales de baterías pueden aparecer polvos finos combustibles, atmósferas de disolvente o materiales activos sensibles a la oxidación. Por ello, el mezclador puede diseñarse de forma específica para cada proyecto para la inertización, el funcionamiento al vacío, así como para requisitos de resistencia a la presión o a la onda de presión.
Una ejecución resistente a la presión está diseñada para presiones internas definidas y puede ser necesaria, por ejemplo, en procesos de vacío, inertización o conducción de proceso hermética al gas. Una ejecución resistente a la onda de presión forma parte de un concepto de protección contra explosiones cuando el mezclador debe soportar los efectos mecánicos de una presión de explosión definida. Qué tipo de construcción es necesaria se deriva de la evaluación de riesgos, los valores característicos de seguridad del producto y el concepto de protección contra explosiones de la instalación global.
Con un diseño adecuado, la cámara de mezclado puede ser apta para aplicaciones en zona ATEX 20. Para materiales sensibles a la oxidación o a la humedad, el material de mezcla puede inertizarse. Los aparatos herméticos al gas, como el VMT y el AMT, pueden permitir además procesos de vacío y secado-mezclado al vacío en el mismo espacio de proceso. Con ello pueden reducirse los pasos de trasvase, las interfaces y las posibles fuentes de contaminación.
Tamaños constructivos hasta la escala de gigafactoría
amixon® ofrece técnica de mezclado desde el mezclador de centro de ensayos hasta la instalación de producción de gran volumen. Los mezcladores de doble eje HM están disponibles en tamaños constructivos estándar de hasta 20 metros cúbicos y en tamaños constructivos especiales de hasta 50 metros cúbicos. El Gyraton® GM puede diseñarse para lotes grandes y es adecuado también para masas de baterías en el rango de aproximadamente 10 a 100 metros cúbicos.
El diseño se prueba antes de la inversión en el centro de ensayos de amixon® con el producto original. De este modo pueden evaluarse la calidad de mezcla, la protección del producto, la abrasión, el vaciado residual, la inertización y la limpiabilidad en condiciones realistas. Los análisis de partículas y de contaminación pueden integrarse en el concepto de ensayo junto con el explotador.
El diseño higiénico como base constructiva
El diseño higiénico de amixon® (amixon® Hygienic Design) favorece la limpiabilidad, la pureza del producto y los cambios de lote seguros. La cámara de mezclado y el órgano mezclador están soldados y pulidos sin juntas. El órgano mezclador está apoyado exclusivamente en la parte superior. De este modo puede prescindirse de un paso de eje inferior en contacto con el producto.
Las grandes puertas de inspección Clever-Cut® con juntas OmgaSeal® permiten un buen acceso a las superficies en contacto con el producto. Los órganos de descarga con pocos espacios muertos y las lanzas de lavado integradas de forma opcional favorecen la limpieza en seco o en húmedo. Según el producto, el mercado y los requisitos, la instalación puede diseñarse conforme a los conceptos de higiene y las normas relevantes.
amixon® combina así un movimiento de giro lento, una calidad de mezcla muy elevada, un vaciado casi completo y una construcción que puede diseñarse para la resistencia a la presión o a la onda de presión. El resultado es una instalación de mezclado que procesa materiales de baterías exigentes de forma suave, segura y reproducible.