Existe-t-il des installations de mélange et de séchage à construction résistante à la pression d'explosion et pouvant être inertées pour les produits chimiques fins ?
Oui. Pour les produits chimiques fins, inflammables, réactifs ou contenant des solvants, il existe des installations de mélange, de réaction et de séchage conçues pour résister aux explosions ou au choc de pression d'explosion, et pouvant être combinées à une inertisation de l'espace de procédé. Les appareils typiques sont les sécheurs sous vide coniques, les mélangeurs-sécheurs sous vide, les sécheurs agités et à pales, les sécheurs-filtres, les sécheurs à nutsche ainsi que les réacteurs-mélangeurs étanches aux gaz.
La conception doit toujours être réalisée pour la substance concrète, le mode de fonctionnement réel et l'ensemble de l'installation. Une conception résistante aux explosions d'une seule cuve ne suffit pas si, par exemple, les conduites de dosage, les filtres, les condenseurs, les systèmes de vide, les organes d'évacuation ou les installations de transport en aval ne sont pas protégés en conséquence ou découplés sur le plan de la protection contre les explosions.
Conception résistante aux explosions
Les équipements résistants aux explosions sont conçus pour résister à une explosion interne sans éclater ni provoquer d'effets dangereux sur l'environnement. La norme DIN EN 14460 distingue les équipements résistants à la pression d'explosion et ceux résistants au choc de pression d'explosion. Les équipements résistants à la pression d'explosion doivent résister à la pression d'explosion définie sans déformation permanente. Pour les équipements résistants au choc de pression d'explosion, des déformations permanentes sont admissibles, à condition que l'intégrité de l'appareil soit préservée et qu'aucun effet dangereux ne se produise vers l'extérieur.
La conception requise se fonde sur des caractéristiques de sécurité de la substance et des données de procédé. Pour les poussières combustibles, cela comprend en particulier la pression d'explosion maximale pmax, la caractéristique d'explosion de poussière KSt, l'énergie minimale d'inflammation, la température minimale d'inflammation, la température de combustion lente, la granulométrie, l'humidité et d'éventuels mélanges hybrides de poussière et de vapeur de solvant. Pour les liquides inflammables et les vapeurs de solvant, le point d'éclair, les limites d'explosivité, la température d'inflammation, la pression de service et la température de service sont notamment pertinents.
Une construction résistante aux explosions n'est qu'une mesure de protection possible. D'autres options sont par exemple la décompression d'explosion, la décompression sans flamme, la suppression d'explosion ou une installation globale résistante aux explosions ou découplée sur le plan de la protection contre les explosions. La mesure admissible et pertinente dépend du lieu d'implantation, du produit, du volume de la cuve, de l'intensité d'explosion possible, de l'exposition du personnel et des parties d'installation raccordées.
Inertisation de l'espace de procédé
L'inertisation empêche ou réduit la probabilité d'une atmosphère explosible en remplaçant l'oxygène par un gaz non réactif tel que l'azote, l'argon ou, dans la mesure où cela est admissible du point de vue du produit et du procédé, le dioxyde de carbone. La concentration en oxygène est maintenue en dessous de la concentration limite en oxygène déterminée pour le système combustible-gaz inerte concret, généralement appelée à l'international Limiting Oxygen Concentration. Cette concentration n'est pas une constante générale de la substance : elle dépend du produit, de la granulométrie, de l'humidité, de la température, de la pression, du gaz inerte et des conditions d'essai, et doit être déterminée pour l'application prévue.
Les procédés d'inertisation possibles sont l'inertisation par cycles de vide et de pression, l'évacuation et le remplissage répétés d'un appareil résistant au vide, l'inertisation par balayage avec purge continue à l'azote ainsi que l'inertisation par déplacement en cas d'alimentation continue. Les procédés à cycles de vide et de pression sont particulièrement avantageux pour les sécheurs sous vide, car l'espace de procédé est déjà conçu pour la dépression. L'aptitude dépend toutefois de l'étanchéité de la cuve, de la plage de pression admissible, du comportement du produit, de la quantité de solvant, du système de condensation et de la consommation d'azote.
Une inertisation sûre comprend plus que l'ajout unique d'azote. Elle nécessite une séquence d'inertisation définie, une étanchéité vérifiée, des points de mesure appropriés, une surveillance de l'oxygène, des valeurs d'alarme et de coupure, des verrouillages contre le remplissage ou le chauffage en cas de teneur en oxygène trop élevée, ainsi que des mesures pour les erreurs de mesure, la maintenance des capteurs et les pannes d'énergie. La concentration en oxygène admissible doit être fixée avec une marge de sécurité en dessous de la concentration limite déterminée expérimentalement.
Concept d'installation et sécurité
Pour les produits chimiques fins, la combinaison de la protection préventive et constructive contre les explosions est souvent judicieuse. L'inertisation doit empêcher la formation d'une atmosphère explosible. La construction résistante aux explosions ou au choc de pression d'explosion peut constituer un niveau de protection supplémentaire en cas de défaillance de l'inertisation, d'entrée d'air, de formation d'un mélange hybride ou d'une autre perturbation. Ces niveaux de protection ne doivent toutefois pas être considérés comme automatiquement indépendants ou suffisants sans une évaluation formelle des risques.
Pour les poudres fines, des décharges électrostatiques peuvent déjà constituer une source d'inflammation efficace. C'est pourquoi la mise à la terre et l'équipotentialité, l'évaluation des sources d'inflammation non électriques, les matériaux appropriés, les vitesses de remplissage et d'évacuation contrôlées ainsi que, le cas échéant, des composants conducteurs ou dissipateurs, font partie du concept global. L'inertisation ne peut pas empêcher en principe les charges électrostatiques ; elle réduit avant tout le risque qu'une atmosphère inflammable soit présente.
Le classement en zones et le choix des équipements pour les zones à risque d'explosion résultent de l'évaluation des risques et du document relatif à la protection contre les explosions. La directive produit ATEX 2014/34/UE concerne les équipements et systèmes de protection destinés à être utilisés en zones à risque d'explosion. L'évaluation du lieu de travail, des zones et des mesures organisationnelles s'effectue dans le cadre des prescriptions de protection du travail et de protection contre les explosions applicables. Une inertisation efficacement surveillée peut conduire à ce qu'aucune atmosphère explosible ne soit attendue à l'intérieur d'un appareil. Elle ne conduit toutefois pas automatiquement à un classement de zone déterminé ni à l'exemption complète de toutes les parties d'installation de la protection contre les explosions.
Validation et sélection
Le choix d'une installation de mélange ou de séchage devrait résulter d'une analyse de sécurité documentée. Cela comprend les données de substance et les essais de sécurité, un examen du fonctionnement normal, du démarrage, de l'arrêt, du nettoyage, de la maintenance et des incidents, ainsi que l'évaluation de toutes les interfaces avec les filtres, condenseurs, pompes à vide, tuyauteries, systèmes de transport et installations de conditionnement.
Les données de conception essentielles sont pmax, KSt, l'énergie minimale d'inflammation, les températures d'inflammation, la concentration limite en oxygène, les concentrations de solvant et de poussière, la pression de service, la température de service, l'humidité du produit, la granulométrie et la conductivité électrique. C'est à partir de ces données que sont déduits la valeur de consigne d'oxygène admissible, les exigences relatives à la cuve et aux joints, le dimensionnement de l'alimentation en gaz inerte, l'instrumentation de sécurité et les mesures de protection ou de découplage nécessaires.
Mélangeurs-sécheurs sous vide et réacteurs de synthèse amixon®
amixon® propose, avec les séries VMT et AMT, des mélangeurs-sécheurs sous vide et des réacteurs-mélangeurs pour poudres, suspensions, pâtes et produits pâteux. Ils peuvent être conçus pour des procédés dans lesquels le mélange, la réaction, la mise en suspension, la cristallisation, le conditionnement, l'enrobage, la désagglomération et le séchage par contact ou sous vide se déroulent dans un appareil fermé. La possibilité de combiner utilement l'ensemble de ces étapes dans un seul appareil dépend du système de substances, de la cinétique de réaction, de l'évolution de la viscosité, du transfert de chaleur, du comportement du solide et des exigences de nettoyage, et devrait être vérifiée par des essais avec le produit d'origine.
Le mélangeur-sécheur et réacteur vertical sous vide VMT convient pour des procédés avec des produits secs, humides ou pâteux. Le mélangeur-sécheur et réacteur conique AMT est également conçu pour poudres, suspensions, pâtes et pâtons. Les deux appareils peuvent être réalisés étanches au vide et à la pression et thermorégulés par eau, vapeur ou huile thermique. Cela permet de régler la température du produit, la pression du système et le flux de chaleur de façon spécifique au procédé. Le niveau de vide réellement atteignable, la pression de service admissible, les limites de température ainsi que le temps de séchage dépendent de la taille de l'appareil, du système de vide, de la condensation, de l'étanchéité, du produit et du solvant, et doivent être spécifiés de façon spécifique au projet.
Transfert de chaleur et séchage
Lors du séchage par contact sous vide, la chaleur est transmise au produit via la paroi double de la cuve et, selon l'exécution, via des outils de mélange thermorégulés. Un arbre thermorégulable, des bras de mélange et des outils hélicoïdaux peuvent agrandir la surface de transfert de chaleur par rapport à une enveloppe de cuve uniquement chauffée. Cela soutient le transfert de chaleur et de matière, en particulier lorsque le produit modifie son état rhéologique pendant le séchage ou a tendance à former des grumeaux.
Des rotors de coupe entraînés séparément peuvent, avec une conduite de produit adaptée, soutenir la dissolution des grumeaux et ainsi agrandir la surface de produit effective pendant le séchage. Ils augmentent simultanément l'apport d'énergie mécanique et doivent être utilisés avec précaution pour les cristaux ou granulés sensibles. Un filtre à vapeurs thermorégulable peut limiter l'entraînement de solides vers la ligne de vide et de condensation. Pour les procédés contenant des solvants, des systèmes de condensation et de récupération appropriés peuvent être prévus ; leur conception dépend notamment du solvant, de la quantité de vapeur, du niveau de pression, de la température de condensation et du concept de sécurité.
Protection contre les explosions et inertisation
La chambre de mélange et les raccords de procédé peuvent être réalisés étanches aux gaz, au vide et résistants à la pression pour des applications avec des poussières, vapeurs ou mélanges hybrides combustibles. amixon® indique, pour les exécutions VMT et AMT, une chambre de mélange adaptée à la zone ATEX 20. Cette indication ne remplace toutefois pas l'évaluation de la protection contre les explosions spécifique à l'installation. La question de savoir si l'appareil lui-même doit être résistant à la pression d'explosion, résistant au choc de pression d'explosion, à décompression ou exploité en atmosphère inerte résulte des caractéristiques de la substance, de la géométrie de l'appareil, de la pression de service, de la proportion de solvant, des composants d'installation raccordés et du concept de protection choisi.
Pour l'inertisation, l'espace de procédé peut d'abord être évacué, puis rempli de gaz inerte. Des cycles répétés d'évacuation et de purge permettent d'abaisser encore davantage la teneur en oxygène. amixon® décrit cette procédure pour ses mélangeurs-sécheurs sous vide et réacteurs de synthèse ; comme gaz inertes, l'entreprise mentionne notamment l'azote, le dioxyde de carbone et les gaz nobles. La question de savoir si l'azote, le dioxyde de carbone ou un autre gaz inerte convient dépend de la chimie du produit, de la température de service, de la réactivité éventuelle, des données de sécurité et de la limite d'oxygène requise.
L'inertisation exige une installation étanche, des séquences de purge et d'évacuation définies, une mesure d'oxygène appropriée ainsi que des verrouillages orientés sécurité. La valeur d'oxygène admissible doit être fixée avec une marge de sécurité suffisante en dessous de la concentration limite en oxygène spécifique à la substance et au procédé. L'inertisation est une mesure préventive de protection contre les explosions. Elle peut empêcher l'apparition d'une atmosphère explosible, mais ne remplace pas automatiquement l'évaluation des sources d'inflammation possibles, le contrôle des composants raccordés ou la résistance à la pression et le découplage nécessaires de l'ensemble de l'installation.
Matériaux et concept d'hygiène
Pour les applications corrosives, abrasives ou de haute pureté, des matériaux et concepts de surface appropriés peuvent être choisis. amixon® présente par exemple un VMT 200 en Alloy 59 et mentionne également des revêtements céramiques par plasma comme protection contre l'usure. D'autres matériaux spéciaux, par exemple des alliages à base de nickel, doivent être choisis en fonction de la corrosion, de la température, du solvant, de la teneur en chlorures, de la chimie de nettoyage et de la pureté du produit.
Le VMT peut, selon le fabricant, être conçu de manière à tenir compte des exigences de la FDA, des directives EHEDG et des 3-A Sanitary Standards, et l'appareil peut être utilisé comme réacteur stérile. La question de savoir si ces exigences sont satisfaites pour une installation concrète doit être spécifiée et documentée sur la base de l'exécution réelle, des matériaux en contact avec le produit, des joints, des surfaces et des paramètres de nettoyage et de stérilisation. Le VMT possède, selon amixon®, une vanne à segment sphérique pauvre en espace mort, résistante au vide et à la pression.
Conception par essais
Pour les procédés exigeants de séchage, de cristallisation ou de réaction, les essais avec le produit d'origine sont déterminants. On peut y examiner le niveau de pression, la température du produit, les fluides de chauffage et de refroidissement, l'intensité de mélange, l'utilisation du rotor de coupe, la condensation et le déroulement de l'inertisation. Les résultats pertinents sont par exemple le temps de séchage, le solvant résiduel, l'humidité résiduelle, la forme cristalline, la répartition granulométrique, la formation d'agglomérats, la température du produit, le transfert de chaleur, le comportement à l'évacuation et la nettoyabilité.
amixon® propose à cet effet, selon ses propres indications, des essais avec le produit d'origine dans les centres techniques de l'entreprise. Les résultats servent à concevoir la taille de l'appareil, la surface de transfert de chaleur, le système de vide et de condensation, l'outil de mélange, le matériau ainsi que le concept de sécurité et d'inertisation pour l'exploitation de production prévue.