Quelles directives de conception existent pour une conception conforme ATEX dans les mélangeurs de poudres organiques ?
Pour les mélangeurs traitant des poudres organiques ou d'autres poudres combustibles, une conception conforme à l'ATEX résulte toujours d'une évaluation spécifique à la substance, au procédé et à l'installation. La seule désignation du produit ne suffit pas : ce qui est déterminant, c'est la fraction de poussière fine réelle, l'humidité, la granulométrie, d'éventuelles vapeurs de solvant ou de parfum, la température, la pression de procédé et les états d'exploitation allant du démarrage au nettoyage. Pour les mélangeurs et installations de mélange, la VDI 2263 feuillet 10 est une directive de conception centrale ; elle traite explicitement de la protection contre l'incendie et les explosions pour les mélangeurs avec des mélanges de poussière, de gaz, de vapeur et hybrides.
Concept de zones et données de substance
Le classement en zones fait partie du document relatif à la protection contre les explosions de l'exploitant. La zone 20 est présente lorsque, à l'intérieur d'un mélangeur, d'un filtre, d'un silo ou d'une conduite de transport, une atmosphère de poussière explosible est présente en permanence, pendant longtemps ou fréquemment. La zone 21 concerne les zones où une telle atmosphère peut occasionnellement apparaître en fonctionnement normal, par exemple aux points de remplissage, d'évacuation ou de prélèvement. La zone 22 décrit les zones où elle n'apparaît que rarement et brièvement. La délimitation concrète résulte de l'émission de poussière, de l'étanchéité, de l'aspiration, du nettoyage et de la situation environnante.
Pour la zone 20, un niveau de protection très élevé est en principe requis ; dans la catégorisation ATEX classique, cela correspond régulièrement à la catégorie 1D. Pour la zone 21, les catégories 1D ou 2D sont admissibles, et pour la zone 22, les catégories 1D, 2D ou 3D. Cette attribution comprend les composants électriques et non électriques : moteurs, capteurs, actionneurs, arbres, paliers, joints, outils de mélange, clapets et dispositifs de transport doivent être considérés ensemble. L'évaluation de conformité appropriée et la nécessité d'un examen UE de type dépendent de la catégorie d'équipement, du groupe d'équipement, du type d'équipement et de la procédure d'évaluation de conformité ATEX applicable ; un examen de type n'est donc pas requis de façon générale pour chaque équipement de catégorie 1D ou 2D.
Avant la conception détaillée, des données de sécurité représentatives de la substance sont nécessaires. Cela comprend au minimum KSt, la pression d'explosion maximale pmax, l'énergie minimale d'inflammation, la température minimale d'inflammation du nuage de poussière, la température minimale d'inflammation de la couche de poussière, la répartition granulométrique, l'humidité et la conductivité électrique. En cas d'ajout de liquides volatils ou de solvants, les mélanges hybrides vapeur-poussière doivent être évalués séparément, car le comportement à l'inflammation et à l'explosion peut différer de celui de la poussière pure. Des plages générales d'énergie minimale d'inflammation pour les « poussières de lessive » ou d'autres groupes de produits ne sont pas suffisamment fiables et ne devraient pas être utilisées comme base de conception.
Empêcher les sources d'inflammation
L'évitement de sources d'inflammation efficaces est un niveau de protection central. La norme EN 1127-1 considère différents types de sources d'inflammation, notamment les surfaces chaudes, les flammes et gaz chauds, les étincelles d'origine mécanique, les équipements électriques, les courants vagabonds, l'électricité statique, la foudre, le rayonnement électromagnétique et les réactions exothermiques. Les normes EN ISO 80079-36 et -37 sont pertinentes pour l'évaluation des équipements non électriques et de leurs sources d'inflammation potentielles.
Les jeux mécaniques, les associations de matériaux, les points de contact possibles et les corps étrangers doivent être conçus de manière à ce qu'en fonctionnement normal et lors des dysfonctionnements à prendre en compte, aucune étincelle dangereuse de frottement, de choc ou de meulage n'apparaisse. Il n'existe pas de vitesse maximale universellement valable comme « inférieure à 1 m/s » pour les outils de mélange en zone 20. La vitesse périphérique admissible dépend de la géométrie, des matériaux, de la granulométrie, d'une éventuelle entrée de corps étrangers, de la probabilité de contact, de la température, de la tâche de mélange et d'autres mesures de protection. Elle doit être justifiée dans le cadre de l'évaluation du risque d'inflammation.
Les paliers et les joints sont des points critiques. Sont envisageables des paliers extérieurs, une séparation efficace de l'espace produit et de l'espace d'entraînement, des systèmes d'étanchéité d'arbre appropriés, une surveillance de la température et une surveillance d'état. Les mesures doivent être adaptées à la poudre, à la vitesse de rotation, à la pression, à la température et au procédé de nettoyage prévu. 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.
Les charges électrostatiques peuvent constituer une source d'inflammation en particulier pour les poudres sèches, fines et peu conductrices. Un concept continu de mise à la terre et d'équipotentialité est nécessaire, ainsi que l'évaluation des composants conducteurs et isolants, des tuyaux flexibles, médias filtrants, connexions flexibles, contenants et équipements de protection individuelle appropriés. La TRGS 727 décrit les exigences pour éviter les risques d'inflammation électrostatiques. Une résistance de mise à la terre générale de 106 Ω n'est pas transposable à l'ensemble des parties d'installation et cas d'application. Pour les FIBC de type C, la TRGS 727 mentionne par exemple une résistance de dissipation inférieure à 107 Ω vers le point de mise à la terre ; les FIBC de type D ne nécessitent pas de mise à la terre, mais ne peuvent être utilisés que si la preuve est apportée qu'aucune charge dangereuse n'apparaît.
Les équipements électriques doivent être adaptés à la zone attribuée, à l'atmosphère de poussière et à la température de surface admissible. Pour les équipements électriques protégés contre la poussière, un mode de protection étanche à la poussière tel qu'IP6X est souvent pertinent ; le mode de protection et le marquage requis résultent toutefois du principe de protection choisi et de l'homologation concrète de l'équipement. La sécurité intrinsèque peut être pertinente pour certains circuits de mesure et de commande, mais ce n'est pas une exigence universelle pour tous les capteurs du mélangeur.
Concept de protection et inertisation
Un concept de protection suit un ordre de priorité. On vérifie d'abord s'il est possible d'éviter ou de limiter une atmosphère explosible dangereuse, par exemple par une conduite de procédé fermée, la limitation des émissions de poussière ou l'inertisation. Ensuite, les sources d'inflammation efficaces sont évitées. Si ces deux objectifs ne peuvent pas être atteints de façon fiable, des mesures constructives de limitation des conséquences de l'explosion s'y ajoutent.
Lors d'une inertisation, l'oxygène est réduit par un gaz approprié, souvent l'azote, jusqu'à ce que la teneur en oxygène soit inférieure à la concentration limite en oxygène déterminée de façon spécifique à la substance et au procédé. Une valeur cible générale de moins de 8 pour cent volumique d'oxygène n'est pas admissible ; la concentration d'exploitation admissible doit être déduite de la concentration limite en oxygène, de l'incertitude de mesure, des hypothèses de fuite, des variations de procédé et d'une marge de sécurité définie. L'inertisation nécessite une installation suffisamment étanche aux gaz, une alimentation en gaz inerte appropriée, une mesure d'oxygène, des valeurs d'alarme et de coupure définies ainsi que des verrouillages orientés sécurité.
Pour les recettes contenant des agents oxydants, par exemple le percarbonate de sodium, l'inertisation doit être évaluée avec un soin particulier. Le percarbonate de sodium peut libérer de l'oxygène lors de sa décomposition et intensifier les incendies. Une réduction d'oxygène par l'azote ne remplace donc ni le contrôle de la température, ni l'évaluation de la décomposition thermique, d'éventuelles contaminations ou de réactions exothermiques.
Les mesures de protection constructives peuvent comprendre des appareils résistants à la pression d'explosion ou au choc de pression d'explosion, la décompression, la décompression sans flamme, la suppression d'explosion et le découplage des parties d'installation raccordées. La norme EN 14460 traite des équipements résistants aux explosions ; la norme EN 14491 traite de la décompression d'explosion et la norme EN 14373 traite de la conception, de l'application, du contrôle d'efficacité, de l'exploitation et de la maintenance des systèmes de suppression d'explosion. De tels systèmes sont destinés à des enceintes fermées ou essentiellement fermées et ne s'appliquent pas aux substances instables, explosives, pyrotechniques ou pyrophoriques.
Le découplage est particulièrement important pour que les explosions ne se propagent pas via les conduites vers les filtres, silos, installations de dosage et de conditionnement. Des solutions appropriées peuvent être des clapets anti-retour éprouvés du point de vue de la protection contre les explosions, des vannes à fermeture rapide, des barrières d'extinction, des vannes de protection contre les explosions ou des sas rotatifs adaptés à cet effet. Chaque dispositif de découplage doit convenir à la classe d'explosion de poussière, à la tuyauterie, au sens du procédé, aux rapports de pression et à la situation de montage.
Documentation et contrôle
La conception doit être documentée de façon traçable dans une évaluation des risques du fabricant ainsi que dans le document relatif à la protection contre les explosions de l'exploitant. Elle comprend les données de substance, les zones, l'évaluation du risque d'inflammation, les catégories d'équipement, le concept de protection, les interfaces, les limites de fonctionnement, la maintenance, le nettoyage, les contrôles et le traitement du démarrage, de l'arrêt, des changements de recette et des dysfonctionnements.
Avant la mise en service et de façon récurrente, des contrôles sont nécessaires selon les prescriptions applicables au site. En Allemagne, les exigences de l'ordonnance sur les substances dangereuses et de l'ordonnance sur la sécurité d'exploitation doivent notamment être respectées. Une étude HAZOP structurée ou une étude de sécurité comparable peut être très pertinente pour des installations de mélange complexes, mais ce n'est pas une obligation légale générale pour chaque installation.
Ainsi amixon® soutient une conception conforme à l'ATEX pour les poudres organiques
Conception pour les applications en zone 20
Dans les procédés de mélange avec des poudres organiques ou d'autres poudres combustibles, l'intérieur du mélangeur est souvent 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 final en zones de l'ensemble de l'installation relève de l'exploitant et doit être consigné dans le document relatif à la protection contre les explosions. Il prend en compte, outre le mélangeur, la réception des matières premières, le dosage, les filtres, les convoyeurs, les silos, l'introduction et l'évacuation, le conditionnement, le nettoyage et la maintenance.
amixon® peut réaliser ses mélangeurs, granulateurs, mélangeurs-sécheurs sous vide et réacteurs-mélangeurs pour un espace produit classé en zone 20. Selon la série et la configuration du projet, cela concerne par exemple 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 VMT et AMT. Pour la zone 20, un niveau de protection très élevé est en principe requis, correspondant régulièrement, dans la catégorisation ATEX classique, à la catégorie 1D. La catégorie d'équipement concrète, la température de surface, l'équipement électrique et non électrique, la mise à la terre ainsi que la documentation doivent être définis de façon spécifique au projet, sur la base des données de substance et des conditions d'exploitation.
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 fixe les exigences applicables à l'exploitant, notamment l'évaluation des risques, le classement en zones, le document relatif à la protection contre les explosions et les contrôles récurrents. amixon® peut fournir la documentation d'appareil pour la configuration de machine livrée. La responsabilité du concept de zones, de l'évaluation des risques et de l'analyse globale de protection contre les explosions de l'installation de production reste à l'exploitant.
Sources d'inflammation et conduite du procédé
Les mélangeurs verticaux amixon® peuvent fonctionner à faible vitesse périphérique. Pour les séries VM et HM, amixon® indique une plage réglable d'environ 0,8 à 3,5 m/s. De faibles vitesses d'outil peuvent limiter l'apport d'énergie mécanique ainsi que l'énergie de frottement, de choc et d'abrasion. Elles ne constituent toutefois pas une preuve générale qu'aucune source d'inflammation efficace n'apparaît. L'évaluation des sources d'inflammation doit en outre inclure les paliers, joints, arbres, contacts entre l'outil et la paroi, corps étrangers, blocages, températures de surface, charge électrostatique et composants électriques.
Pour une conception conforme à l'ATEX, la surveillance de la température et du couple, une vitesse de rotation contrôlée, des concepts appropriés de paliers et de joints, la gestion des corps étrangers, la mise à la terre, l'équipotentialité et la maintenance préventive peuvent être nécessaires. Pour les couches de poussière, la TRGS 723 mentionne en principe une marge de sécurité de 75 °C entre la température minimale d'inflammation d'une couche de poussière et la température de surface, sauf si l'évaluation des risques permet une autre disposition.
Lors de l'ajout de composants liquides tels que des tensioactifs, des huiles ou des formulations de parfum, la taille des gouttes, la quantité dosée, la viscosité, la température et la position d'introduction doivent être adaptées au mouvement du produit. L'objectif est une répartition uniforme, sans favoriser la surhumidification locale, la formation de grumeaux ou des collages inadmissibles. Un traitement totalement exempt d'adhérences ne peut pas être garanti de façon générale. Pour les granulés d'enzymes, les poudres organiques fines ou les composants oxydants tels que le percarbonate de sodium, l'humidité, la température, la sollicitation mécanique et d'éventuels mélanges hybrides vapeur-poussière doivent être évalués avec un soin particulier.
Étanchéité, pression et inertisation
Des zones de produit à faibles interstices et polies, des points de transfert fermés ainsi que des joints appropriés 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 des différences de pression, du matériau du joint, de l'usure, de la maintenance et de la conduite du procédé. Une construction étanche à la poussière peut limiter les dépôts de poussière dans le local d'implantation, mais ne remplace pas l'aspiration, le nettoyage et l'évaluation d'une éventuelle explosion secondaire.
Les mélangeurs-sécheurs sous vide et réacteurs-mélangeurs VMT et AMT peuvent être réalisés étanches aux gaz, au vide et à la pression. Ils conviennent ainsi pour des procédés de mélange, de réaction, de granulation ou de séchage sous vide, sous pression ou en atmosphère de gaz inerte. Le niveau de vide atteignable, le palier de pression admissible et les plages de température doivent être définis de façon spécifique au projet. Une résistance à la pression ou au vide seule ne signifie pas qu'un appareil est conçu résistant à la pression d'explosion ou au choc de pression d'explosion. Une conception correspondante suppose l'évaluation de KSt, pmax, de l'énergie minimale d'inflammation, des températures d'inflammation, de la granulométrie, de l'humidité et des mélanges hybrides.
L'inertisation peut, avec une exécution appropriée, être utilisée comme mesure préventive de protection contre les explosions. Pour les appareils sous vide, l'espace de procédé est par exemple évacué puis rempli avec un gaz inerte approprié. Par des cycles répétés de vide et de pression, la teneur en oxygène peut être encore réduite. amixon® décrit ce procédé pour les mélangeurs-sécheurs sous vide et les réacteurs de synthèse.
La concentration en oxygène doit alors se situer avec une marge de sécurité définie en dessous de la concentration limite en oxygène déterminée pour le système poudre-gaz inerte concret. Sont nécessaires un appareillage suffisamment étanche aux gaz, une alimentation en gaz inerte appropriée, une mesure d'oxygène représentative, des seuils d'alarme et des verrouillages de sécurité. L'inertisation n'empêche ni l'auto-inflammation, ni la décomposition thermique, ni la libération d'oxygène par des composants oxydants. Elle n'est donc qu'un élément d'un concept de protection complet.
Procédés continus et essais
Pour les débits élevés, le mélangeur continu AMK peut être utilisé. Selon le fabricant, l'AMK fonctionne avec un taux de remplissage contrôlé ; le temps de séjour moyen est influencé par le taux de remplissage et le débit. L'ajout de liquide, le débit massique, l'intensité de mélange et le temps de séjour doivent être conçus ensemble pour la recette concrète. Pour les parfums, les tensioactifs visqueux, les granulés d'enzymes ou les composants oxydants, des essais de mélange avec le produit d'origine sont nécessaires pour évaluer l'homogénéité, l'humidité, la température, l'intégrité des particules, l'évacuation et la nettoyabilité.
amixon® indique exploiter, sur le site de Paderborn, plus de 30 installations d'essai de tailles différentes et entretenir en outre des centres techniques internationaux. Des essais avec le produit d'origine peuvent être réalisés dans des conditions de taux de remplissage, de pression et de température proches de la pratique. Les résultats soutiennent le choix du mélangeur, des outils, des joints, de l'ajout de liquide et des paramètres de fonctionnement. Ils ne remplacent toutefois ni le contrôle de sécurité de la substance ni l'évaluation de la protection contre les explosions de l'ensemble de l'installation par des spécialistes qualifiés.