Come scelgo il grado di resistenza alla pressione di esplosione adatto per un miscelatore in ambienti con polveri St1/St2?
La scelta non avviene soltanto in base alla classe di polvere St1 o St2. Determinante è un concetto completo di protezione dalle esplosioni, costituito da dati di sostanza verificati, condizioni di processo, geometria dell'apparecchio, rete di tubazioni, luogo di installazione, nonché misure previste quali inertizzazione, sfogo di sovrapressione, soppressione e disaccoppiamento. St1 e St2 descrivono soltanto la velocità di aumento della pressione di una polvere, non automaticamente il grado di resistenza alla pressione richiesto per il miscelatore.
La domanda corretta non è quindi «St1 o St2 – quale spessore di parete?», bensì: quale pressione massima può insorgere nel concreto miscelatore, tenendo conto di tutti gli stati di esercizio e di anomalia plausibili, e quale sistema di protezione limita in modo dimostrabile questa pressione a quale valore?
Dati di sostanza e dati di processo
La base del dimensionamento sono valori caratteristici di sicurezza rappresentativi del prodotto effettivo. Rientrano in ciò il KSt, la pressione massima di esplosione pmax, l'energia minima di innesco, le temperature minime di innesco della nube e dello strato di polvere, la distribuzione granulometrica, l'umidità, la concentrazione limite di ossigeno e la conduttività elettrica. In caso di aggiunta di liquidi o solventi devono inoltre essere esaminate le possibili miscele ibride vapore-polvere.
Le classi di esplosione della polvere vengono definite tramite il valore KSt: St1 corrisponde a 0 < KSt ≤ 200 bar·m/s, St2 a 200 < KSt ≤ 300 bar·m/s. Un valore KSt più elevato significa uno sviluppo di pressione più rapido e può rendere necessari tempi di reazione più brevi per i sistemi di sfogo, soppressione e disaccoppiamento. Non fornisce tuttavia un'indicazione completa su pmax, sulla resistenza necessaria del recipiente o sull'idoneità di una misura di protezione.
I valori di letteratura o di banca dati sono idonei solo per una prima pianificazione preliminare. Per un dimensionamento rilevante ai fini della sicurezza dovrebbero essere utilizzati valori di prova del prodotto concreto o di un gruppo di prodotti dimostrabilmente rappresentativo. Modifiche di ricetta, umidità variata, granulometrie più fini, componenti secondari organici o un'aggiunta di liquido possono modificare il comportamento esplosivo.
Devono inoltre essere considerati la pressione di esercizio, la temperatura, il grado di riempimento, l'atmosfera di processo, i componenti interni, la velocità di rotazione, possibili depositi di polvere, il caricamento, lo scarico e lo stato delle tubazioni collegate. Sono particolarmente rilevanti gli aumenti di pressione, le temperature elevate, i componenti interni che generano turbolenza, le tubazioni di collegamento lunghe e i possibili accumuli di pressione. Possono modificare in modo considerevole la violenza dell'esplosione e l'andamento della pressione.
Scegliere correttamente il tipo costruttivo
Con una costruzione resistente alla pressione di esplosione, il miscelatore viene progettato in modo da resistere, senza un cedimento pericoloso, al carico di esplosione interna posto a base del dimensionamento. Se siano ammesse deformazioni permanenti deve essere definito espressamente nel concetto di dimensionamento scelto. Un dimensionamento sulla pressione massima di esplosione pmax è particolarmente rilevante quando non è possibile uno sfogo di sovrapressione o una soppressione efficaci, quando il miscelatore è integrato in modo molto ravvicinato, quando il rilascio di prodotto non è ammesso, oppure quando la protezione deve basarsi sulla resistenza passiva del recipiente.
Una costruzione resistente all'urto di pressione di esplosione può ammettere deformazioni permanenti, ma non deve rompersi né presentare perdite pericolose. Può essere dimensionata sulla pressione massima di esplosione o su una pressione ridotta di esplosione. L'affermazione «resistente all'urto di pressione significa sempre dimensionamento su pred» è quindi troppo imprecisa. La pressione di dimensionamento richiesta deve essere indicata chiaramente nel concetto di sicurezza e dimostrata mediante calcolo.
Un dimensionamento sulla pressione ridotta di esplosione pred è possibile quando è previsto uno sfogo di sovrapressione o una soppressione dell'esplosione efficaci. Il miscelatore, le sue flange, i coperchi, le finestre di ispezione, i bocchettoni di misura, le tenute dell'albero, gli organi di scarico e i raccordi devono allora essere dimensionati per la pressione ridotta di esplosione massima effettivamente prevista. Non ci si può concentrare soltanto sul corpo del recipiente.
La EN 14491 tratta la scelta e il dimensionamento dei sistemi di sfogo della sovrapressione per le esplosioni da polvere. Tiene conto, tra l'altro, del volume del recipiente, dei dati della polvere, della pressione di apertura, della superficie di sfogo, dei canali di sfogo, delle forze di rinculo e degli effetti all'esterno del recipiente. Canali di sfogo lunghi, turbolenze, accumulo di pressione e getti di fiamma possono aumentare la pressione ridotta di esplosione. La norma segnala inoltre che, nella maggior parte dei casi, sono necessarie misure di disaccoppiamento nelle tubazioni di collegamento.
Procedimento pratico
In primo luogo vengono rilevati i dati di sostanza attuali e tutti gli stati di esercizio. Successivamente si stabilisce se l'atmosfera possa essere impedita in modo affidabile mediante inertizzazione. Se ciò è possibile, l'alimentazione di gas inerte, la misura dell'ossigeno, gli interblocchi, le eventuali perdite e gli scenari di guasto devono essere dimensionati in modo che il valore di ossigeno ammesso sia rispettato con sicurezza. L'inertizzazione può influire sulla resistenza alla pressione necessaria, ma non sostituisce automaticamente un concetto di livelli di riserva per anomalie, avviamento, apertura, pulizia o perdita dell'alimentazione di gas inerte.
In seguito si decide se il miscelatore debba essere dimensionato su pmax, protetto con sfogo di sovrapressione su pred, oppure limitato tramite un sistema di soppressione a una pressione dimostrata. In caso di installazione interna occorre verificare in particolare se sia possibile uno sfogo di sovrapressione verso l'esterno. In caso contrario, lo sfogo senza fiamma, la soppressione o una costruzione resistente alle esplosioni possono essere più idonei. La decisione dipende anche dal fatto che, in caso di evento, sia ammesso il rilascio di prodotto, fiamme o sostanze tossiche.
La scelta deve tenere conto dell'intero complesso di impianto. Le tubazioni di collegamento verso filtri, silos, trasportatori, sistemi di vuoto e impianti di riempimento possono trasmettere un'esplosione o causare un accumulo di pressione. Per questo è spesso necessario un disaccoppiamento antideflagrante, ad esempio con valvole di non ritorno idonee, valvole a chiusura rapida, barriere per agente estinguente o rotocelle qualificate.
I margini di sicurezza non possono essere fissati genericamente al 10 o al 20 per cento. Risultano dalla norma scelta, dai metodi di calcolo, dalle incertezze dei dati di sostanza, dalle regole costruttive, dalle oscillazioni di pressione, dai valori caratteristici del materiale e dall'ente di verifica competente. Anche un tipico campo di dimensionamento di 0,2–2 bar per pred non è una prescrizione generale; tali valori sono ammissibili solo nell'ambito del campo di validità del rispettivo metodo utilizzato.
Particolarità per St2
Le polveri St2 presentano una velocità di aumento della pressione superiore rispetto alle polveri St1. Ciò riduce la finestra temporale disponibile per sistemi attivi come la soppressione o le valvole a chiusura rapida. Anche lo sfogo di sovrapressione e il disaccoppiamento devono essere dimensionati con particolare cura. Superfici di sfogo maggiori possono essere necessarie, ma non sono automaticamente sufficienti: devono essere valutati anche la geometria del recipiente, i componenti interni, le tubazioni, le forze di rinculo e la possibile propagazione delle fiamme.
Una temperatura di esercizio elevata o una pressione iniziale elevata possono modificare i parametri di esplosione. Anche le miscele ibride di polvere combustibile e vapore possono portare a pressioni di esplosione più elevate o a sensibilità di innesco modificate. Per i prodotti St2 è quindi particolarmente importante non partire da valori standard apparentemente prudenziali, ma dimensionare le condizioni effettive insieme a esperti di protezione costruttiva dalle esplosioni.
Documentazione e verifica
Il dimensionamento della pressione, i dati di sostanza utilizzati, il concetto di protezione, i calcoli, il disaccoppiamento e i requisiti per i componenti accessori devono essere documentati in modo comprensibile nel documento di protezione contro le esplosioni e nella documentazione tecnica. Modifiche di ricetta, granulometria, umidità, pressione di esercizio, temperatura, portata, rete di tubazioni, dispositivi di sfogo o apparecchi collegati possono richiedere una nuova valutazione.
La verifica prima della prima messa in servizio deve confermare che il miscelatore, i sistemi di protezione e gli impianti collegati siano stati realizzati conformemente al concetto di protezione dalle esplosioni e funzionino in modo efficace. Ciò vale anche dopo modifiche soggette a verifica.
Così amixon® supporta il dimensionamento per polveri St1 e St2
Base: dati di sostanza e concetto di protezione
Il grado di resistenza alla pressione di esplosione necessario per un miscelatore non risulta soltanto dalla classificazione della polvere in St1 o St2. La classe di polvere descrive il valore KSt e quindi la velocità massima di aumento della pressione, ma non automaticamente la resistenza alla pressione necessaria del miscelatore. St1 comprende valori KSt da oltre 0 fino a 200 bar·m/s, St2 valori da oltre 200 fino a 300 bar·m/s. Per il dimensionamento dell'apparecchio sono inoltre rilevanti in particolare pmax, l'energia minima di innesco, le temperature minime di innesco, l'umidità, la granulometria, la pressione di esercizio, la temperatura di esercizio e le possibili miscele ibride vapore-polvere.
amixon® può realizzare miscelatori, granulatori, essiccatori-miscelatori sottovuoto e reattori di miscelazione per applicazioni con un vano prodotto classificato come zona 20. La classificazione esatta delle zone e l'intero concetto di protezione dalle esplosioni vengono tuttavia stabiliti dal gestore sulla base della valutazione dei rischi. Comprendono, oltre al miscelatore, anche dosaggio, filtri, silos, tratti di trasporto, scarico, confezionamento e tutte le tubazioni di collegamento.
La direttiva prodotti ATEX 2014/34/UE disciplina la conformità di apparecchi e sistemi di protezione destinati a essere utilizzati in atmosfera potenzialmente esplosiva. La direttiva di esercizio ATEX 1999/92/CE obbliga il gestore alla valutazione dei rischi, alla classificazione delle zone e al documento di protezione contro le esplosioni. Per l'interno del miscelatore in zona 20 è in linea di principio richiesto un livello di protezione molto elevato, che corrisponde di norma alla categoria 1D. La categoria 1D non è tuttavia una definizione della resistenza alla pressione di un recipiente. La resistenza alla pressione e la protezione costruttiva dalle esplosioni devono essere stabilite in aggiunta, espressamente e per ogni progetto.
Scelta del dimensionamento della pressione
Un dimensionamento resistente alla pressione o all'urto di pressione di esplosione deve basarsi sulla pressione di esplosione rilevante per l'apparecchio e per la strategia di protezione. Il miscelatore può essere dimensionato sulla pressione massima di esplosione pmax oppure – se è previsto uno sfogo di sovrapressione o una soppressione dell'esplosione efficaci – sulla pressione ridotta di esplosione pred, limitata in modo dimostrabile.
Con un dimensionamento su pmax, il recipiente deve resistere a un'esplosione interna senza un cedimento pericoloso. Questa soluzione può essere opportuna quando non è possibile uno sfogo di sovrapressione sicuro, quando l'apparecchio si trova all'interno di un edificio, quando il rilascio di prodotto o di fiamme non è ammesso, oppure quando la strategia di sicurezza si basa su un'esecuzione robusta del recipiente. Con un'esecuzione resistente all'urto di pressione di esplosione possono essere ammesse deformazioni permanenti; il recipiente non deve tuttavia rompersi né presentare perdite pericolose. Quali deformazioni siano ammesse e se il recipiente possa essere riutilizzato dopo un evento deve essere disciplinato in modo univoco nella specifica e nel concetto di sicurezza.
Con un dimensionamento su pred, lo sfogo di sovrapressione o la soppressione dell'esplosione, quali parte del sistema complessivo, devono essere dimostrabilmente efficaci. Non solo il recipiente del miscelatore, ma anche coperchi, flange, tenute d'albero, finestre di ispezione, bocchettoni di misura, ingressi e uscite, raccordi filtro nonché tubazioni di collegamento devono essere dimensionati per il carico di pressione definito. La EN 14491 descrive la scelta e il dimensionamento dei sistemi di sfogo della sovrapressione per le esplosioni da polvere.
amixon® può realizzare in particolare le serie VMT e AMT a tenuta di gas, di vuoto e di pressione. Queste caratteristiche consentono la conduzione di processo sotto vuoto, in sovrapressione e, se del caso, in gas inerte. Non equivalgono tuttavia automaticamente a un dimensionamento resistente alla pressione o all'urto di pressione di esplosione. Se un tale dimensionamento è necessario, la pressione di esplosione ammessa deve essere definita in modo univoco nella User Requirement Specification e calcolata sulla base dei dati di sostanza e del concetto di protezione scelto.
Fonti di innesco, tenuta e inertizzazione
I miscelatori verticali amixon® possono essere fatti funzionare con velocità periferiche ridotte. Per VM e HM, amixon® indica un campo regolabile di circa 0,8–3,5 m/s. Velocità ridotte dell'utensile possono limitare l'energia di attrito, urto e abrasione. Non costituiscono tuttavia una dimostrazione generale dell'assenza di fonti di innesco. Cuscinetti, guarnizioni, alberi, possibili contatti utensile-parete, corpi estranei, blocchi, temperature superficiali, cariche elettrostatiche e componenti elettrici devono essere considerati nell'ambito della valutazione del rischio di innesco.
Aree prodotto realizzate con un numero ridotto di fughe e rettificate, nonché guarnizioni idonee, possono limitare le fuoriuscite di polvere. Secondo quanto indicato da amixon®, gli sportelli di ispezione Clever-Cut® con guarnizione OmgaSeal® sono progettati per una tenuta del vano prodotto con spazi morti ridotti al minimo. La tenuta raggiungibile dipende tuttavia anche dalla differenza di pressione, dal materiale della guarnizione, dall'usura, dal montaggio e dalla manutenzione. La tenuta alla polvere da sola non sostituisce né l'aspirazione e la pulizia, né un concetto contro le esplosioni secondarie.
Per gli apparecchi a tenuta di gas e di vuoto può essere prevista un'inertizzazione come misura di protezione preventiva. Il vano di processo viene, ad esempio, evacuato e immerso in un gas inerte idoneo. Cicli ripetuti di evacuazione e pressione possono ridurre ulteriormente il contenuto di ossigeno. Un'inertizzazione sicura richiede un impianto a tenuta, l'alimentazione di gas inerte, la misura dell'ossigeno, valori di allarme e di disinserzione nonché interblocchi di sicurezza. Il valore di ossigeno ammesso deve restare, con margine di sicurezza, al di sotto della concentrazione limite di ossigeno determinata per il concreto sistema polvere-gas inerte.
L'inertizzazione può ridurre fortemente la probabilità di un'esplosione, ma non sostituisce automaticamente il dimensionamento per tutti gli stati di esercizio. In particolare per l'avviamento, l'arresto, l'apertura, la pulizia, le anomalie o il guasto dell'alimentazione di gas inerte deve esistere una strategia di protezione valutata. L'inertizzazione inoltre non protegge necessariamente dall'autoaccensione, dalla decomposizione o dalle reazioni esotermiche.
St1 e St2 nel complesso di impianto
Con le polveri St2, la velocità di aumento della pressione è superiore rispetto alle polveri St1. Ciò può ridurre la finestra temporale disponibile per i sistemi di soppressione e di disaccoppiamento. Lo sfogo di sovrapressione, la soppressione e il disaccoppiamento devono quindi essere adattati con particolare cura al volume del recipiente, alla geometria, ai componenti interni, alle tubazioni di collegamento e ai dati della polvere. Un valore KSt più elevato non significa necessariamente che un miscelatore St2 debba sempre essere dimensionato per una pressione di recipiente maggiore; influisce tuttavia in modo sostanziale sui requisiti del sistema di protezione scelto.
Il disaccoppiamento antideflagrante è necessario quando pressione, fiamme o particelle in combustione potrebbero propagarsi, tramite le tubazioni, a filtri, silos, trasportatori o altri apparecchi collegati. Possono essere idonee valvole di non ritorno verificate, valvole a chiusura rapida, barriere per agente estinguente, valvole di protezione dalle esplosioni o rotocelle qualificate. Quale tecnica sia adeguata dipende dall'intero tratto di processo, dalla geometria delle tubazioni, dalla portata, dalla direzione di flusso e dai dati di sostanza.
Prove e documentazione
amixon® offre prove con il prodotto originale nel centro prove. Queste possono esaminare il comportamento di miscelazione, il riscaldamento del prodotto, l'abrasione, le incrostazioni, lo svuotamento, i cicli di vuoto e di inertizzazione, nonché l'idoneità della conduzione di processo. Non sostituiscono tuttavia una prova di sicurezza della polvere né il calcolo o la verifica di un sistema costruttivo di protezione dalle esplosioni.
Il dimensionamento della pressione, i dati di sostanza utilizzati, la resistenza di tutti i componenti sollecitati dalla pressione, i sistemi di protezione, il disaccoppiamento e i limiti di esercizio devono essere documentati in modo comprensibile nel documento di protezione contro le esplosioni e nella documentazione tecnica. Modifiche di ricetta, umidità, granulometria, temperatura, pressione, portata o rete di tubazioni possono richiedere una nuova valutazione.