Quels concepts de zones ATEX, solutions d'inertage et constructions résistantes à la pression sont usuels pour les poudres à risque d'explosion de poussière ?
Pour les poudres explosibles en poussière, des concepts de protection sont toujours développés à partir de trois éléments interconnectés : le classement en zones, l'évitement d'une atmosphère explosible et des sources d'inflammation, ainsi que — si nécessaire — des mesures constructives pour limiter une explosion. La combinaison appropriée dépend des données de sécurité de la substance, du procédé, de la taille de l'appareil, du lieu d'implantation et de l'ensemble de l'installation.
Le classement en zones seul ne décrit pas encore une protection complète contre les explosions. Il détermine toutefois quels équipements et systèmes de protection peuvent être utilisés dans la zone concernée. L'inertisation peut éviter l'apparition d'une atmosphère explosible. Les appareils résistants à la pression, résistants au choc de pression d'explosion ou à décompression limitent en revanche les effets, si une explosion se produit malgré toutes les mesures préventives.
Concepts de zones pour les poussières
La zone 20 désigne une zone où une atmosphère explosible sous forme de nuage de poussière combustible dans l'air est présente en permanence, pendant de longues périodes ou fréquemment. Des exemples typiques sont l'intérieur des mélangeurs, silos, broyeurs, sécheurs, filtres, cyclones et conduites de transport véhiculant de la poussière. La zone 21 est présente lorsqu'une atmosphère de poussière explosible dangereuse peut occasionnellement apparaître en fonctionnement normal. Cela concerne souvent les points de remplissage, de vidange, de conditionnement et de prélèvement ainsi que la zone immédiate des transferts ouverts ou non entièrement étanches. La zone 22 comprend les zones où une atmosphère de poussière dangereuse n'apparaît pas ou seulement brièvement en fonctionnement normal, par exemple lors de fuites rares, de dysfonctionnements ou de la remise en suspension de poussières déposées. La limite de zone réelle doit être déterminée sur la base de l'émission, des propriétés de la poussière, de l'étanchéité, de l'aspiration, du nettoyage, du flux d'air et de la géométrie du local.
Pour la zone 20, un équipement de catégorie 1D est en général requis. En zone 21, des équipements de catégorie 1D ou 2D sont admissibles ; en zone 22, des équipements des catégories 1D, 2D ou 3D peuvent être utilisés. Ces exigences s'appliquent non seulement aux équipements électriques, mais également aux composants non électriques, tels que les arbres, joints, paliers, outils de mélange, clapets, sas rotatifs et convoyeurs. La catégorie 1D correspond au niveau de protection très élevé pour les atmosphères de poussière et doit rester efficace même en cas de dysfonctionnements rares.
Solutions d'inertisation
L'inertisation est une mesure de protection préventive. Un gaz inerte approprié abaisse la teneur en oxygène dans l'espace de procédé jusqu'à une valeur à laquelle une explosion, ou — selon le système de substances et le gaz — également un incendie, ne peut plus se produire ou se propager. La concentration limite en oxygène déterminante, appelée à l'international Limiting Oxygen Concentration, dépend du produit, du gaz inerte et des conditions. Elle doit être déterminée pour le système poussière-gaz inerte concret, dans des conditions pertinentes de température, de pression, d'humidité et de particules. Le CEN/TR 15281 traite explicitement l'inertisation comme une mesure d'évitement des explosions et des incendies.
L'azote est le gaz inerte le plus fréquemment utilisé pour de nombreuses poussières organiques et poudres chimiques. Il est largement disponible et convient pour de nombreux systèmes de substances. Le dioxyde de carbone peut être une alternative économique dans certaines applications, mais ne doit être utilisé qu'après vérification de la compatibilité avec le produit et les matériaux. Pour les poudres métalliques réactives, par exemple l'aluminium, le magnésium, le titane ou le zirconium, une recommandation générale pour l'azote, le dioxyde de carbone ou l'argon n'est pas admissible. Ces métaux peuvent réagir avec certains gaz ou à des températures élevées. Le choix du gaz inerte doit donc se fonder sur la réactivité concrète, la température, la granulométrie, l'humidité et d'éventuelles réactions d'extinction ou de décomposition.
Pour les procédés discontinus, l'inertisation par cycles de vide et de pression est fréquemment utilisée. Une cuve résistante au vide est alors évacuée puis remplie de gaz inerte. Le processus est répété jusqu'à ce que la teneur en oxygène soit inférieure à la valeur limite admissible. Pour les appareils non résistants au vide ou pour les procédés continus, une inertisation par balayage ou purge peut être utilisée. Un flux de gaz inerte défini déplace d'abord l'air et compense, en exploitation, les fuites, l'entrée d'air par l'alimentation ou l'échange de gaz lors de l'évacuation. Une légère surpression de gaz inerte peut réduire l'entrée d'air, mais doit être compatible avec la pression de service admissible, l'étanchéité et le concept de sécurité.
La mesure de l'oxygène, les seuils d'alarme et les verrouillages sont des composants nécessaires d'une installation inertisée de façon sûre. Les points de mesure doivent être représentatifs ; pour les appareils grands ou complexes, plusieurs points de mesure peuvent être nécessaires. Le nombre de capteurs, la redondance requise et la sécurité fonctionnelle sont déterminés sur la base de l'évaluation des risques. Des indications générales telles que toujours deux capteurs, une valeur SIL déterminée ou une marge fixe de quelques points de pourcentage en dessous de la concentration limite en oxygène ne sont pas suffisantes sans preuve de sécurité concrète.
Constructions résistantes à la pression et au choc de pression
Les équipements résistants aux explosions sont construits pour résister à une explosion interne sans éclater ni provoquer d'effets dangereux sur l'environnement. La norme EN 14460 décrit les exigences applicables aux équipements résistants aux explosions. La conception se fonde sur la pression d'explosion attendue et tient compte de la géométrie de la cuve, du volume, du matériau, de la température, de la pression, des raccords, des joints et d'éventuels mélanges hybrides.
Pour une exécution résistante à la pression d'explosion, l'appareil est conçu pour la pression d'explosion maximale pertinente. À la différence, pour une exécution résistante au choc de pression d'explosion, une déformation permanente peut être admissible, à condition que la cuve ne cède pas et qu'aucune conséquence dangereuse ne se produise vers l'extérieur. Les termes sont souvent utilisés de façon imprécise dans la pratique. C'est pourquoi le palier de pression admissible, la charge d'explosion attendue et les exigences relatives à la réutilisation après un événement doivent être clairement définis dans le concept de sécurité spécifique au projet.
Une exécution résistante au choc de pression d'explosion n'est pas automatiquement une exécution conçue pour la pression d'explosion réduite en combinaison avec une décompression. Une décompression peut certes limiter la pression d'explosion réduite pred, mais son efficacité dépend de la surface de décompression, de la pression d'ouverture, du volume de la cuve, des caractéristiques de la poussière, de la géométrie, des longueurs de conduite et des propagations de flammes possibles. La conception des systèmes de décompression doit suivre les règles applicables et tenir compte d'une zone d'évacuation sûre. Pour une implantation intérieure, une décompression sans flamme ou d'autres concepts de protection peuvent être nécessaires.
Les systèmes de suppression d'explosion détectent le début d'une explosion via des capteurs de pression ou de flamme et introduisent un agent extincteur approprié dans l'appareil. Cela vise à limiter la montée de pression à un niveau maîtrisable. Ces systèmes sont particulièrement pertinents lorsqu'une décompression vers l'extérieur n'est pas possible ou lorsqu'une libération de flammes, de pression et de produit ne serait pas acceptable. Ils nécessitent une détection rapide, des agents extincteurs appropriés, un contrôle régulier et un découplage technique des composants raccordés.
Indépendamment de la construction, le découplage des parties d'installation reliées est souvent nécessaire. Sans découplage, la pression et les flammes peuvent se propager via des tuyauteries ou des dispositifs de transport vers des silos, filtres et autres appareils. Les systèmes possibles sont des clapets anti-retour appropriés du point de vue de la protection contre les explosions, des vannes à fermeture rapide, des vannes de protection contre les explosions, des barrières d'extinction ou des sas rotatifs certifiés. Le dispositif choisi doit convenir à la classe d'explosion de poussière réelle, à la géométrie des conduites, au débit, aux rapports de pression et à la position de montage.
Concept de protection intégré
Un concept adapté à la pratique suit le principe consistant à d'abord empêcher une explosion, puis seulement à en limiter les conséquences. Le premier niveau de protection est la limitation ou l'évitement d'une atmosphère explosible, par exemple par une conduite de procédé fermée, l'évitement de la poussière ou l'inertisation. Le deuxième niveau de protection est l'évitement de sources d'inflammation efficaces par des catégories d'équipement appropriées, la limitation de la température, la mise à la terre, l'équipotentialité, la gestion des corps étrangers et la maintenance. Le troisième niveau de protection comprend la décompression, la suppression, la conception résistante aux explosions et le découplage.
Le point de départ de toute conception est constitué par les données de sécurité de la substance. Cela comprend KSt, la pression d'explosion maximale pmax, l'énergie minimale d'inflammation, la température minimale d'inflammation du nuage et de la couche de poussière, la répartition granulométrique, l'humidité, la conductivité électrique, la concentration limite en oxygène ainsi que, le cas échéant, les données relatives aux mélanges hybrides. La stratégie de protection doit tenir compte du fonctionnement normal, du démarrage, de l'arrêt, du remplissage, de la vidange, du nettoyage, de la maintenance et des dysfonctionnements prévisibles.
Ainsi amixon® soutient la protection contre les explosions pour les poudres explosibles en poussière
Conception conforme à l'ATEX de l'espace produit
Pour les poudres explosibles en poussière, l'intérieur d'un mélangeur, granulateur, sécheur ou réacteur doit souvent être classé en zone 20. La zone 20 désigne une zone où une atmosphère de poussière explosible est présente en permanence, pendant de longues périodes ou fréquemment. Le classement de l'ensemble de la zone d'installation est toutefois défini par l'exploitant dans le cadre de l'évaluation des risques. Il comprend non seulement la chambre de mélange, mais aussi le dosage, le remplissage, l'évacuation, les filtres, les conduites de transport, les silos, le conditionnement et le local d'implantation.
amixon® peut réaliser ses appareils pour des procédés avec un espace produit classé en zone 20. En font partie — selon la série, la taille et la configuration du projet — les mélangeurs à un arbre, les mélangeurs verticaux et coniques, les mélangeurs conteneurs, les mélangeurs continus ainsi que les mélangeurs-sécheurs sous vide et réacteurs-mélangeurs des séries VMT et AMT. La conception ATEX concrète doit être définie séparément pour chaque application. Elle comprend notamment la catégorie d'équipement, les températures de surface admissibles, l'équipement électrique et non électrique, la mise à la terre, une éventuelle surveillance du procédé ainsi que la documentation requise.
La directive produit ATEX 2014/34/UE concerne les équipements et systèmes de protection pour les zones à risque d'explosion. La directive d'exploitation ATEX 1999/92/CE oblige l'exploitant à l'évaluation des risques, au classement en zones et à l'établissement du document relatif à la protection contre les explosions. Pour l'espace produit en zone 20, un niveau de protection très élevé est en principe requis, correspondant régulièrement à une exécution de catégorie 1D.
Éviter systématiquement les sources d'inflammation
De faibles vitesses d'outil peuvent réduire l'apport d'énergie mécanique ainsi que les phénomènes de frottement, de choc et d'abrasion. Pour les mélangeurs verticaux VM et HM, amixon® indique une plage réglable de vitesse périphérique d'environ 0,8 à 3,5 m/s. La vitesse n'est toutefois qu'une des nombreuses grandeurs de l'évaluation des sources d'inflammation. Même à faible vitesse de rotation, les contacts possibles entre l'outil et la paroi, les corps étrangers bloquants, les paliers, les joints, les températures de surface, la charge électrostatique et les composants électriques doivent être pris en compte.
L'évitement des sources d'inflammation peut comprendre la surveillance de la température et du couple, des vitesses de rotation contrôlées, des associations de matériaux appropriées, la séparation des corps étrangers, des systèmes d'étanchéité étanches aux gaz et adaptés à l'application, la mise à la terre et l'équipotentialité ainsi qu'une maintenance préventive. Pour les couches de poussière, la TRGS 723 mentionne en principe une marge de sécurité de 75 °C entre la température minimale d'inflammation de la couche de poussière et la température de surface, sauf si l'évaluation des risques permet une autre disposition.
Étanchéité et conception de la pression
Des zones de produit à faibles interstices et polies, des joints appropriés ainsi que des points de transfert fermés peuvent réduire les émissions de poussière. Les portes d'inspection Clever-Cut® avec joint OmgaSeal® sont conçues, selon amixon®, pour une étanchéité pauvre en espace mort de l'espace produit. L'étanchéité réelle dépend toutefois en outre des différences de pression, du matériau du joint, de l'usure, de la maintenance et de la conduite du procédé. L'étanchéité à la poussière réduit les dépôts possibles dans le local d'implantation, mais ne remplace ni un concept de nettoyage ni l'évaluation d'une éventuelle explosion secondaire.
Les séries VMT et AMT peuvent être réalisées étanches aux gaz, au vide et à la pression. Elles conviennent ainsi pour des procédés de mélange, de réaction et de séchage sous vide, sous pression ou en atmosphère de gaz inerte. Le niveau de vide possible, le palier de pression et les plages de température admissibles doivent être exécutés de façon spécifique au projet. Une résistance à la pression ou au vide n'équivaut pas automatiquement à une conception résistante à la pression d'explosion ou au choc de pression d'explosion. Une telle conception doit se fonder sur les données de sécurité de la substance, notamment KSt, pmax, l'énergie minimale d'inflammation, les températures d'inflammation, la granulométrie, l'humidité et d'éventuels mélanges hybrides. La norme EN 14460 décrit les exigences applicables aux équipements résistants aux explosions, censés résister à une explosion interne sans éclater.
Une exécution résistante à la pression d'explosion ou au choc de pression d'explosion n'est qu'un élément possible du concept de protection. Si une décompression, une suppression d'explosion ou d'autres mesures de protection constructives sont prévues, tous les appareils et tuyauteries raccordés doivent être pris en compte. Un découplage technique contre les explosions peut être nécessaire pour que les flammes et la pression ne se propagent pas vers les filtres, silos, convoyeurs ou étapes de procédé en aval.
Inertisation et intégration du procédé
L'inertisation peut être utilisée comme mesure préventive de protection contre les explosions. La teneur en oxygène de l'espace de procédé est alors abaissée, à l'aide d'un gaz inerte approprié, par exemple l'azote, en dessous d'une valeur sûre définie pour le système poussière-gaz inerte concerné. Les mélangeurs-sécheurs sous vide et réacteurs-mélangeurs peuvent être conçus pour des procédés à cycles de vide et de pression. L'espace est alors évacué puis rempli de gaz inerte ; la répétition permet de réduire davantage la teneur en oxygène. amixon® décrit ce principe d'inertisation pour les mélangeurs-sécheurs sous vide et les réacteurs de synthèse.
L'inertisation suppose un appareillage suffisamment étanche, une alimentation en gaz inerte appropriée, des séquences de purge et d'évacuation définies, une mesure d'oxygène représentative ainsi que des verrouillages d'alarme et de sécurité. La valeur d'oxygène admissible doit se situer avec une marge de sécurité en dessous de la concentration limite en oxygène déterminée pour le produit, le gaz inerte et les conditions d'exploitation. Des valeurs de consigne d'oxygène généralement valables ne sont pas fiables. Le choix du gaz inerte doit en outre être adapté à la réactivité chimique, à la température, au comportement à la corrosion, à la qualité du produit et à la protection du travail.
La combinaison de plusieurs étapes dans un appareil fermé peut réduire les transferts ouverts et donc limiter le risque d'émissions de poussière. La question de savoir si le mélange, la granulation, la réaction et le séchage peuvent être combinés de façon pertinente dans une seule unité dépend toutefois du produit, de la recette, des exigences de procédé et de l'évaluation globale de sécurité. Même avec une conduite de procédé intégrée, l'alimentation, l'évacuation, les filtres, la condensation, l'échantillonnage, le nettoyage et la maintenance doivent être intégrés au concept de zones.
Fabrication et essais
La conception spécifique au projet suit la User Requirement Specification de l'exploitant et les données de sécurité de la substance. Des essais avec le produit d'origine peuvent examiner des propriétés de procédé telles que la qualité de mélange, l'apport de température, la répartition du liquide, les collages, la vidange et la nettoyabilité. Ils ne remplacent toutefois ni un contrôle de sécurité de la substance, ni la conception des systèmes de protection contre les explosions, ni l'évaluation des risques par des spécialistes qualifiés.
amixon® propose, selon ses propres indications, des essais avec le produit d'origine dans des installations en halle d'essais. Les résultats documentés peuvent soutenir le choix du type de mélangeur, des outils, des joints, du concept de dosage, du transfert de chaleur et de la conduite de procédé.