Quelles exigences ATEX s'appliquent aux procédés de mélange avec des poudres à risque d'explosion de poussière (zone 20/21) et comment les mettre en œuvre concrètement ?
Pour les procédés de mélange avec des poudres combustibles, s'appliquent dans l'Union européenne en particulier la directive d'exploitation ATEX 1999/92/CE pour les exploitants ainsi que la directive produit ATEX 2014/34/UE pour les équipements et systèmes de protection. La mise en œuvre pratique commence par une évaluation des risques et un document relatif à la protection contre les explosions. Y sont définies les propriétés de la poussière, les points d'émission possibles, le classement en zones, les sources d'inflammation et les mesures de protection pour l'ensemble de l'installation — donc pas seulement pour le mélangeur, mais aussi pour les doseurs, silos, filtres, convoyeurs, tuyauteries, évacuation et conditionnement.
Une conception conforme à l'ATEX ne peut pas être déduite uniquement de la désignation d'une poudre. Le fait qu'une poudre soit organique ou très fine ne signifie pas automatiquement qu'elle est explosible en poussière ; inversement, des substances inorganiques ou des mélanges de substances peuvent également présenter un danger correspondant. La base est constituée d'examens de sécurité représentatifs du produit concret, y compris les variations possibles de granulométrie, d'humidité, de teneur en solvant et de recette.
Zones et choix des équipements
Pour les poussières combustibles, les zones sont classées selon la fréquence et la durée d'apparition d'une atmosphère de poussière explosible dangereuse. La zone 20 désigne les zones où une atmosphère de poussière explosible est présente en permanence, pendant de longues périodes ou fréquemment. Dans les procédés de mélange, cela concerne typiquement l'intérieur des cuves fermées, tuyauteries, filtres ou silos. La zone 21 désigne les zones où une atmosphère de poussière dangereuse peut occasionnellement apparaître en fonctionnement normal, par exemple à l'intérieur de certains appareils ou à proximité immédiate des points de prélèvement, de remplissage et d'évacuation. La zone 22 est présente lorsqu'une atmosphère de poussière dangereuse n'apparaît pas ou seulement brièvement en fonctionnement normal, par exemple dans des zones plus éloignées avec de rares émissions de poussière. La limite de zone exacte résulte de l'émission de poussière réelle, de l'aspiration, du nettoyage et de la configuration des lieux — et non de valeurs de distance générales.
Pour la zone 20, un équipement de catégorie 1D est en général requis. En zone 21, des équipements des catégories 1D ou 2D peuvent être utilisés ; en zone 22, des équipements des catégories 1D, 2D ou 3D sont admissibles. Le marquage doit correspondre à l'atmosphère de poussière, à la classe de température ou à la température de surface admissible, au groupe d'appareils et à la zone. Ce ne sont pas seulement les composants électriques qui sont pertinents. Les dispositifs non électriques tels que les arbres de mélangeur, paliers, joints, clapets, convoyeurs, accouplements, freins et outils doivent également être évalués quant aux sources d'inflammation mécaniques possibles.
Données de substance et sources d'inflammation
Les caractéristiques de sécurité de la poudre effectivement traitée constituent la base de la conception. Cela comprend en particulier 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 d'une couche de poussière, la répartition granulométrique, l'humidité, la conductivité électrique et, pour les recettes contenant des solvants, les propriétés d'éventuels mélanges hybrides vapeur-poussière. La limite inférieure d'explosivité peut être pertinente en complément, mais elle est souvent, pour les poussières, plus difficile à utiliser comme grandeur de pilotage fiable en pratique opérationnelle que les autres caractéristiques.
Le niveau de protection le plus important est l'évitement des atmosphères explosibles dangereuses et des sources d'inflammation efficaces. Dans le mélangeur, il convient d'évaluer en particulier les surfaces chaudes, le frottement et la surchauffe des paliers ou des joints, les étincelles de choc mécaniques dues à des corps étrangers, les outils bloquants, les équipements électriques et les décharges électrostatiques. En zone 20, même en cas de dysfonctionnement rare, aucun processus de frottement, de choc ou d'abrasion susceptible de conduire à une source d'inflammation efficace ne doit se produire. La TRGS 723 mentionne en outre, pour les couches de poussière, une marge de sécurité de principe de 75 °C entre la température minimale d'inflammation de la couche de poussière et la température de surface, sauf disposition contraire de l'évaluation des risques.
Les mesures pratiques sont des paliers et joints à surveillance de température, une surveillance de la vitesse de rotation et du couple, une protection contre le blocage, une séparation appropriée des corps étrangers, une maintenance préventive ainsi qu'une mise à la terre sûre et une équipotentialité continue. Les parties d'installation conductrices ou dissipatrices, les connexions flexibles, les médias filtrants, les contenants et le personnel opérateur doivent être intégrés au concept de protection électrostatique. Toutefois, une valeur limite de résistance unique telle que 106 Ω n'est pas applicable sans restriction à chaque composant et chaque fonction de mise à la terre ; les exigences résultent du matériau, de la fonction du composant et du concept concret de protection contre les explosions.
Pour les substances particulièrement sensibles ou lorsque les sources d'inflammation ne peuvent pas être évitées de façon suffisamment sûre, l'inertisation de la chambre de mélange peut être une mesure appropriée. La teneur en oxygène est alors maintenue, à l'aide d'azote ou d'un autre gaz inerte approprié, en dessous d'une concentration limite en oxygène déterminée de façon spécifique à la substance et au procédé. Une énergie minimale d'inflammation inférieure à 10 mJ n'est pas un seuil universellement valable à partir duquel l'inertisation serait obligatoire. La nécessité de celle-ci résulte de l'évaluation des risques, des données de substance et de la faisabilité technique.
Protection constructive
Si une explosion ne peut pas être évitée avec une sécurité suffisante, ses effets doivent être limités. Les mesures possibles sont des appareils résistants à la pression d'explosion ou au choc de pression d'explosion, la décompression d'explosion, la décompression sans flamme, la suppression d'explosion et le découplage technique contre les explosions. La méthode de protection doit correspondre à l'intensité d'explosion, au volume de la cuve, à l'implantation intérieure ou extérieure, au site et à la technique d'installation raccordée.
Des disques de rupture ou des clapets d'explosion peuvent évacuer une pression vers une zone sûre. Ils nécessitent une surface de décompression correctement dimensionnée et une zone d'évacuation sûre. Pour les installations implantées à l'intérieur, une décompression directe vers l'extérieur peut être nécessaire ou, si cela n'est pas possible, un système de décompression sans flamme approprié. Les systèmes de décompression doivent être conçus selon des règles reconnues ; la norme EN 14491 contient des exigences fondamentales pour le choix et la conception des systèmes de protection pour la décompression d'explosion en cas d'explosions de poussière.
Le découplage est nécessaire lorsqu'une explosion pourrait se propager via des tuyauteries vers des filtres, silos, tronçons de transport ou d'autres appareils. Peuvent entrer en ligne de compte par exemple des sas rotatifs adaptés et éprouvés pour la protection contre les explosions, des clapets anti-retour, des vannes de protection contre les explosions, des vannes à fermeture rapide ou des barrières d'extinction. Un sas rotatif n'empêche une transmission de flammes ou de pression que s'il est expressément conçu pour cette fonction, correctement dimensionné, installé, surveillé et exploité. La simple utilisation d'un sas rotatif quelconque n'est pas une mesure de découplage suffisante.
Exploitation et documentation
Le document relatif à la protection contre les explosions doit être établi avant le début des travaux et actualisé en cas de modifications. Il documente notamment l'évaluation des risques, le classement en zones, les données de substance, les équipements et systèmes de protection sélectionnés, l'évaluation des sources d'inflammation, les mesures organisationnelles, les contrôles et les exigences de maintenance. Les modifications de recette, les nouvelles sources de matières premières, les granulométries différentes, l'humidité modifiée, les nouveaux solvants ou les transformations peuvent modifier les propriétés d'explosion et donc la stratégie de protection.
Un concept adapté à la pratique comprend des transferts fermés et étanches à la poussière, une aspiration efficace, des filtres conçus conformément à l'ATEX, l'élimination régulière des dépôts de poussière et des inspections documentées. Les couches de poussière ne doivent pas être évaluées selon une valeur limite générale telle que « 1 mm » ; même de faibles dépôts peuvent, selon la surface, les propriétés de la poussière et une remise en suspension possible, favoriser une explosion secondaire. Les intervalles de nettoyage et les quantités de dépôt admissibles doivent donc être fixés en fonction du risque.
S'y ajoutent des formations, des procédures d'autorisation pour les travaux à chaud, des règles pour les équipements mobiles, le contrôle des connexions de mise à la terre et une gestion contrôlée des modifications. Les dispositifs de décompression, les systèmes de suppression et de découplage ainsi que les surveillances de température, de pression et de vitesse de rotation doivent être inspectés selon les délais de contrôle prévus par des personnes compétentes ou des organismes spécialisés, et maintenus en état de fonctionnement.
Ainsi amixon® soutient la protection contre les explosions pour les poudres explosibles
Exécution d'appareil conforme à l'ATEX
Dans les procédés de mélange avec des poussières combustibles, l'intérieur d'un mélangeur 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 final en zones de l'ensemble de l'installation fait toutefois partie de l'évaluation des risques et relève de la responsabilité de l'exploitant. Il comprend, outre le mélangeur, également le dosage, le remplissage, l'évacuation, les filtres, les conduites de transport, les silos et la zone d'implantation.
amixon® peut réaliser ses mélangeurs, mélangeurs-sécheurs et réacteurs pour des applications avec un espace produit classé en zone 20. Cela concerne — selon la série et la configuration choisies — par exemple les mélangeurs à un arbre, les mélangeurs verticaux et coniques, les mélangeurs conteneurs, les mélangeurs continus, les mélangeurs-sécheurs sous vide, les réacteurs-mélangeurs. La catégorie ATEX concrète, le groupe d'appareils, la classe de température ou la température de surface maximale admissible, l'équipement électrique et non électrique ainsi que la documentation requise doivent être définis pour chaque projet sur la base des données de substance et des conditions de procédé.
La directive produit ATEX 2014/34/UE concerne les équipements et systèmes de protection destinés à être utilisés en zones à risque d'explosion. La directive d'exploitation ATEX 1999/92/CE oblige l'exploitant à effectuer l'évaluation des risques, le classement en zones, le document relatif à la protection contre les explosions ainsi que le choix et le contrôle des équipements appropriés. Pour l'espace intérieur du mélangeur en zone 20, une exécution avec le niveau de protection très élevé de la catégorie 1D est en principe requise.
Minimiser les sources d'inflammation
L'intensité de mélange et la vitesse périphérique sont des grandeurs d'influence pertinentes pour l'évaluation des sources d'inflammation mécaniques. De nombreux mélangeurs verticaux amixon® peuvent fonctionner à faible vitesse périphérique ; pour les mélangeurs VM et HM, amixon® indique une plage réglable d'environ 0,8 à 3,5 m/s. Une faible vitesse d'outil peut réduire l'énergie de frottement, de choc et d'abrasion tout en préservant la structure des particules. Elle ne constitue toutefois pas une preuve complète qu'aucune source d'inflammation efficace ne peut apparaître.
L'évaluation des sources d'inflammation doit inclure notamment les paliers, joints, outils, arbres, contacts possibles entre l'outil et la paroi, corps étrangers, blocages, températures de surface, charge électrostatique, composants électriques et états de maintenance. Les mesures de protection appropriées peuvent comprendre la surveillance de la température et du couple, des vitesses de rotation contrôlées, la séparation des corps étrangers, des concepts d'étanchéité appropriés, l'équipotentialité, la mise à la terre et la maintenance préventive. En particulier en zone 20, aucune source d'inflammation efficace ne doit apparaître, même en cas de dysfonctionnement rare.
Étanchéité et protection constructive
Des chambres de mélange à faibles interstices, polies, ainsi que des systèmes d'inspection et d'étanchéité appropriés peuvent soutenir l'étanchéité à la poussière et la nettoyabilité. Les portes Clever-Cut® avec joint OmgaSeal® sont conçues, selon amixon®, pour une étanchéité pauvre en espace mort de l'espace produit. La question de savoir si une installation reste durablement étanche à la poussière dépend toutefois aussi des différences de pression, du matériau du joint, de l'usure, du montage, de la maintenance et de la conduite réelle du procédé.
Une conduite de procédé étanche à la poussière peut réduire les fuites de poussière et les dépôts dans le local d'implantation. Elle ne remplace toutefois pas un concept de nettoyage et de maintenance : même de faibles fuites ou pertes de produit peuvent entraîner de la poussière susceptible de se déposer. L'évitement des explosions secondaires nécessite donc des transferts fermés, une aspiration efficace, une technique de filtration appropriée, un nettoyage basé sur le risque et un contrôle régulier des zones critiques.
Pour les mélangeurs-sécheurs et réacteurs des séries VMT et AMT, des exécutions étanches aux gaz, au vide et à la pression sont possibles. Les appareils peuvent être conçus pour des procédés de température, de pression et de vide. Le niveau de vide possible, le palier de pression admissible et la question de savoir si une cuve doit être résistante à la pression d'explosion ou au choc de pression d'explosion doivent être définis de façon spécifique au projet. La conception nécessite notamment pmax, KSt, l'énergie minimale d'inflammation, les données de température, l'humidité du produit, d'éventuelles vapeurs de solvant et l'évaluation des mélanges hybrides. Une résistance à la pression ou au vide seule n'équivaut pas à une conception résistante aux explosions selon la norme DIN EN 14460.
Inertisation et chaîne de 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 de gaz inertes appropriés, par exemple l'azote, en dessous d'une valeur sûre définie pour le système de substances concerné. Pour les mélangeurs-sécheurs sous vide ou les réacteurs, cela peut se faire par évacuation et remplissage répétés avec du gaz inerte. amixon® décrit ce principe pour ses appareils de mélange et de séchage sous vide.
Une inertisation n'est efficace que si l'espace de l'appareil est suffisamment étanche, que la séquence d'inertisation a été définie, que la mesure d'oxygène et les verrouillages de sécurité sont présents, et que la valeur d'oxygène admissible se situe avec une marge de sécurité en dessous de la concentration limite en oxygène spécifique à la substance et au procédé. L'inertisation ne remplace pas automatiquement d'autres mesures de protection contre les explosions pour les filtres, condenseurs, convoyeurs ou points d'évacuation raccordés.
Des chaînes de procédé fermées peuvent réduire le nombre de transferts ouverts et donc les émissions de poussière possibles. Néanmoins, le dosage, l'alimentation, l'échantillonnage, la vidange, la filtration, le nettoyage et la maintenance doivent être intégrés séparément dans le concept de zones. La question de savoir si une étape de procédé telle que le mélange, la granulation et le séchage est combinée de façon pertinente dans le même appareil dépend du produit, de la recette, de l'objectif de procédé et de l'évaluation de sécurité.
Conception et essais
La conception spécifique au projet commence par les données de substance relatives à la sécurité et la User Requirement Specification de l'exploitant. Cela comprend au minimum KSt, pmax, l'énergie minimale d'inflammation, la température minimale d'inflammation du nuage et de la couche de poussière, la conductivité électrique, l'humidité, la granulométrie ainsi que, pour les substances volatiles, les données d'éventuels mélanges hybrides vapeur-poussière. Sur cette base sont définis le concept de zones, la catégorie d'équipement, les limites de température, le concept de mise à la terre, l'étanchéité, l'inertisation, la décompression, la suppression ou le découplage.
Des essais avec le produit d'origine peuvent ensuite évaluer le comportement de mélange, l'apport de température, d'éventuels collages, l'abrasion du produit, la vidange et la nettoyabilité. Ils ne remplacent toutefois pas un contrôle de sécurité conforme aux normes ni l'évaluation des risques par des spécialistes qualifiés. Les résultats peuvent soutenir la conception du procédé et sécuriser le choix des séries de mélangeurs ou de sécheurs appropriées.