Quali concetti di protezione contro le esplosioni (costruzione resistente all'urto di pressione, inertizzazione, disaccoppiamento) sono usuali in presenza di rischi di esplosione da polvere?
In presenza di rischi di esplosione da polvere si combinano misure di protezione preventive e costruttive. In primo luogo si devono evitare atmosfere di polvere pericolose ed esplosive e fonti di innesco efficaci. Se ciò non è possibile con sufficiente sicurezza, le misure costruttive limitano le conseguenze di una possibile esplosione a un livello accettabile. La TRGS 724 indica a tal fine quattro misure fondamentali: costruzione resistente alle esplosioni, sfogo della sovrapressione di esplosione, soppressione dell'esplosione e disaccoppiamento antideflagrante di fiamme e pressione.
La scelta del concetto di protezione dipende dai dati di sicurezza della sostanza, dalle dimensioni dell'apparecchio, dalle tubazioni collegate, dal luogo di installazione, dal concetto di esercizio e dalle possibili conseguenze di un evento. I dati rilevanti sono in particolare il KSt, la pressione massima di esplosione pmax, l'energia minima di innesco, le temperature minime di innesco, la granulometria, l'umidità, la conduttività elettrica nonché, se del caso, i dati relativi alle miscele ibride.
Costruzione resistente alle esplosioni
Gli apparecchi resistenti alle esplosioni, ad esempio miscelatori, filtri, silos, cicloni, essiccatori o tubazioni, sono progettati in modo da resistere senza lacerarsi a un'esplosione interna attesa. Dopo un evento di esplosione o di detonazione, le parti di impianto interessate devono essere verificate per accertare se la loro resistenza alle esplosioni sia ancora garantita.
Si distingue in proposito tra costruzione resistente alla pressione di esplosione e costruzione resistente all'urto di pressione di esplosione. I componenti resistenti alla pressione di esplosione sopportano la pressione massima o ridotta di esplosione senza deformazione permanente. I componenti resistenti all'urto di pressione di esplosione possono deformarsi plasticamente, ma non devono rompersi né presentare perdite pericolose. Una costruzione resistente alla pressione di esplosione soddisfa al tempo stesso i requisiti di una costruzione resistente all'urto di pressione di esplosione.
Il dimensionamento può basarsi sulla pressione massima di esplosione oppure – se è previsto uno sfogo di sovrapressione o una soppressione dell'esplosione efficaci – sulla pressione ridotta di esplosione pred. Valori generici come «da 8 a 10 bar» non costituiscono una base di dimensionamento per un apparecchio concreto. Possono variare in modo considerevole a seconda della polvere, della miscela ibrida, della pressione iniziale, della temperatura e della geometria. È necessario un dimensionamento specifico per il progetto, basato su dati di sostanza verificati e regole riconosciute.
Inertizzazione
Nell'inertizzazione il contenuto di ossigeno nel vano di processo viene ridotto mediante un gas inerte idoneo, oppure l'atmosfera viene sostituita in gran parte con gas inerte. In questo modo si intende impedire che un'esplosione o un incendio possa insorgere o svilupparsi. L'inertizzazione è quindi una misura di protezione dalle esplosioni preventiva e non costruttiva.
L'azoto viene impiegato di frequente per le polveri organiche e per molte polveri chimiche. In determinati casi possono essere idonei l'anidride carbonica o l'argon. La scelta presuppone tuttavia una valutazione della reattività chimica, della temperatura di processo, della possibile corrosione, della qualità del prodotto, dei requisiti di sicurezza sul lavoro e del comportamento della sostanza in caso di anomalie. Per le polveri metalliche reattive, un gas inerte non idoneo può esso stesso causare rischi aggiuntivi.
Il valore di ossigeno ammesso deve restare al di sotto della concentrazione limite di ossigeno determinata per il concreto sistema polvere-gas inerte. Viene fissato con un margine di sicurezza e tiene conto dell'incertezza di misura, di eventuali perdite, delle oscillazioni di pressione e di temperatura, dell'umidità, dei cambi di prodotto e di una possibile liberazione di ossigeno. Valori obiettivo generici per l'ossigeno residuo non sono sufficienti.
Procedimenti tipici sono l'inertizzazione a scambio di pressione sottovuoto nei processi discontinui, l'inertizzazione per spurgo o a flusso continuo negli impianti continui, nonché la sovrapposizione con una leggera sovrapressione di gas inerte. Un'attuazione sicura richiede un impianto sufficientemente a tenuta, un'alimentazione di gas inerte idonea, una misura rappresentativa dell'ossigeno, soglie di allarme, interblocchi e un concetto per anomalie o mancanza di energia.
Disaccoppiamento e protezione consequenziale
Il disaccoppiamento antideflagrante impedisce che pressione, fiamme o particelle in combustione si propaghino, tramite tubazioni e percorsi di trasporto, ad altre parti dell'impianto. È particolarmente importante alle interfacce tra miscelatore, filtro, silo, ciclone, trasportatore, essiccatore e riempimento. Senza un disaccoppiamento idoneo, un'esplosione in un piccolo volume di apparecchio può propagarsi a parti di impianto collegate più grandi.
Come disaccoppiamento entrano in considerazione, ad esempio, valvole di non ritorno idonee dal punto di vista della protezione dalle esplosioni, valvole a chiusura rapida, valvole di protezione dalle esplosioni, barriere per agente estinguente o rotocelle certificate. La singola misura deve essere adatta alla classe di esplosione della polvere, alla geometria delle tubazioni, alla direzione di flusso, alla portata, ai rapporti di pressione e alla posizione di montaggio. Una rotocella è efficace come disaccoppiamento solo se è espressamente progettata per questa funzione di protezione, installata in modo idoneo e sottoposta a verifica periodica.
Lo sfogo di sovrapressione e la soppressione dell'esplosione completano i concetti citati. Nello sfogo di sovrapressione si aprono dischi di rottura o valvole di sfogo, in modo che pressione e fiamme vengano convogliate verso una zona sicura. Se uno sfogo verso l'esterno non è possibile, possono essere necessari sistemi di sfogo senza fiamma o impianti di soppressione. I sistemi di soppressione dell'esplosione riconoscono l'inizio di un evento e immettono agente estinguente per limitare l'aumento di pressione. Entrambi i procedimenti richiedono un dimensionamento, una verifica e una manutenzione coordinati.
Così amixon® supporta la protezione dalle esplosioni con polveri a rischio di esplosione
Dimensionamento conforme ad ATEX del vano prodotto
Con le polveri a rischio di esplosione, l'interno di un miscelatore, granulatore, essiccatore o reattore è spesso classificato come zona 20. La zona 20 indica un'area in cui un'atmosfera di polvere esplosiva è presente in modo continuo, per lunghi periodi o frequentemente. La classificazione definitiva delle zone dell'intero impianto viene tuttavia stabilita dal gestore nell'ambito della valutazione dei rischi. Essa comprende, oltre al miscelatore, anche il dosaggio, il riempimento, lo scarico, i filtri, le tubazioni di trasporto, i silos, il confezionamento e il locale di installazione.
amixon® può realizzare miscelatori, granulatori, essiccatori-miscelatori sottovuoto e reattori di miscelazione per applicazioni con un vano prodotto classificato come zona 20. Questo riguarda – a seconda della serie, della taglia costruttiva e della configurazione di progetto – miscelatori a un albero, miscelatori verticali e conici, miscelatori a container, miscelatori continui, nonché essiccatori-miscelatori sottovuoto e reattori di miscelazione delle serie VMT e AMT. L'esecuzione concreta dell'apparecchio, la categoria di apparecchiatura, la temperatura superficiale ammessa, l'equipaggiamento elettrico e non elettrico, nonché la documentazione richiesta, vengono stabiliti per ogni progetto sulla base dei dati di sostanza e delle condizioni di processo.
La direttiva prodotti ATEX 2014/34/UE disciplina i requisiti per apparecchi e sistemi di protezione destinati a essere utilizzati in atmosfera potenzialmente esplosiva. La direttiva di esercizio ATEX 1999/92/CE obbliga i gestori alla valutazione dei rischi, alla classificazione delle zone e alla redazione del documento di protezione contro le esplosioni. Per un vano prodotto classificato come zona 20 è in linea di principio richiesto un livello di protezione molto elevato, che corrisponde di norma a un'esecuzione di categoria 1D.
Fonti di innesco e tenuta
Velocità ridotte dell'utensile possono limitare l'apporto di energia meccanica nonché l'energia di attrito, urto e abrasione. Per i miscelatori verticali VM e HM, amixon® indica un campo regolabile di circa 0,8–3,5 m/s. Questa modalità di esercizio può inoltre ridurre la sollecitazione delle particelle nel caso di polveri sensibili. Non costituisce tuttavia una dimostrazione generale del fatto che nel miscelatore non possa comparire alcuna fonte di innesco efficace. Anche a basse velocità di rotazione devono essere valutati, tra l'altro, cuscinetti, guarnizioni, alberi, contatti utensile-parete, corpi estranei, blocchi, temperature superficiali, cariche elettrostatiche e componenti elettrici.
Le camere di miscelazione e gli utensili di miscelazione possono essere realizzati con un numero ridotto di fughe e rettificati. Secondo quanto indicato da amixon®, gli sportelli di ispezione Clever-Cut® con guarnizione OmgaSeal® sono concepiti per una tenuta del vano prodotto con spazi morti ridotti al minimo. Queste caratteristiche possono ridurre le fuoriuscite di polvere e i depositi. La tenuta effettiva è tuttavia determinata anche da differenze di pressione, materiale della guarnizione, usura, montaggio, manutenzione e dalla concreta conduzione del processo. Una costruzione a tenuta di polvere riduce il rischio di depositi di polvere, ma non sostituisce né un concetto di pulizia efficace né la valutazione di possibili esplosioni secondarie.
Per un concetto complessivo conforme ad ATEX possono essere necessari il monitoraggio di temperatura e coppia, concetti idonei di cuscinetti e guarnizioni, la gestione dei corpi estranei, la messa a terra, l'equipotenzialità e la manutenzione preventiva. Per gli strati di polvere, la TRGS 723 indica in linea di principio un margine di sicurezza di 75 °C tra la temperatura minima di innesco dello strato di polvere e la temperatura superficiale, salvo diversa indicazione della valutazione dei rischi.
Dimensionamento della pressione e disaccoppiamento
Gli essiccatori-miscelatori sottovuoto e i reattori di miscelazione VMT e AMT possono essere realizzati a tenuta di gas, di vuoto e di pressione. Queste caratteristiche sono necessarie per processi sotto vuoto, in sovrapressione o in atmosfera di gas inerte. Non significano tuttavia automaticamente che un apparecchio sia dimensionato come resistente alla pressione di esplosione o all'urto di pressione di esplosione. Un dimensionamento in tal senso deve essere specificato espressamente e si basa su dati di sicurezza della sostanza quali KSt, pmax, energia minima di innesco, temperature di innesco, umidità, granulometria ed eventuali miscele ibride.
Una costruzione resistente alla pressione di esplosione o all'urto di pressione di esplosione può far parte di un concetto costruttivo di protezione dalle esplosioni. A seconda della strategia di protezione, viene dimensionata sulla pressione massima di esplosione oppure su una pressione ridotta grazie allo sfogo di sovrapressione o alla soppressione. Dopo un evento, i componenti interessati devono essere verificati per accertarne l'ulteriore integrità e idoneità all'uso.
Il disaccoppiamento antideflagrante è necessario quando pressione, fiamme o particelle in combustione potrebbero propagarsi, tramite le tubazioni di collegamento, ad altre parti dell'impianto. Ciò riguarda in particolare le interfacce tra miscelatore, filtro, silo, essiccatore, trasportatore e impianto di riempimento. Misure idonee possono essere valvole di non ritorno verificate ai fini della protezione dalle esplosioni, valvole a chiusura rapida, valvole di protezione dalle esplosioni, barriere per agente estinguente o rotocelle idonee. La scelta e il dimensionamento avvengono per il concreto tratto di processo, la classe di esplosione della polvere, la geometria delle tubazioni, la portata e i rapporti di pressione.
Inertizzazione come misura preventiva
L'inertizzazione può essere impiegata come misura preventiva di protezione dalle esplosioni. Il contenuto di ossigeno nel vano di processo viene così ridotto, mediante un gas inerte idoneo, a un valore sicuro al di sotto della concentrazione limite di ossigeno determinata per il concreto sistema polvere-gas inerte. Negli apparecchi sottovuoto l'atmosfera può essere regolata, ad esempio, mediante evacuazioni ripetute seguite dall'immissione di un gas inerte idoneo. amixon® descrive questo principio per gli essiccatori-miscelatori sottovuoto e i reattori di sintesi.
I presupposti sono un impianto sufficientemente a tenuta, un'alimentazione di gas inerte idonea, sequenze definite di evacuazione e spurgo, una misura rappresentativa dell'ossigeno, soglie di allarme e interblocchi orientati alla sicurezza. Il valore di riferimento ammesso per l'ossigeno deve essere definito per la ricetta concreta, il gas inerte, la pressione, la temperatura, l'umidità e l'incertezza di misura. Valori di riferimento generici per l'ossigeno non sono sufficienti.
L'inertizzazione riduce la probabilità di un'atmosfera esplosiva, ma non sostituisce tutte le altre misure di protezione. Non protegge automaticamente dall'autoaccensione, dalla decomposizione termica, dalle reazioni esotermiche o da possibili incendi nei depositi. In presenza di componenti ossidanti e polveri reattive, l'idoneità del gas inerte e l'efficacia dell'inertizzazione devono essere verificate con particolare attenzione.
Prove e dimensionamento
Il dimensionamento segue i dati di sicurezza della sostanza, la User Requirement Specification del gestore e la valutazione dell'intero complesso di impianto. Le prove con il prodotto originale possono valutare l'idoneità dal punto di vista dell'ingegneria di processo, ad esempio la qualità di miscelazione, l'andamento della temperatura, la distribuzione del liquido, le incrostazioni, lo scarico, la pulibilità e il comportamento sotto vuoto. Non sostituiscono tuttavia la prova di sicurezza della sostanza, il dimensionamento dello sfogo di sovrapressione, della soppressione o del disaccoppiamento, né la valutazione dei rischi da parte di esperti qualificati in protezione dalle esplosioni.
amixon® dichiara di gestire, presso la sede di Paderborn, oltre 30 impianti di prova di diverse taglie costruttive; centri prove supplementari sono disponibili in Giappone, India, Thailandia, Cina, Corea del Sud e Stati Uniti. I risultati delle prove possono supportare la scelta di miscelatore, utensili, guarnizioni, trasmissione del calore, concetto di dosaggio e conduzione del processo.