Quali linee guida di dimensionamento esistono per un design conforme ATEX nei miscelatori per polveri organiche?
Per i miscelatori che lavorano polveri organiche o altre polveri combustibili, un design conforme ad ATEX è sempre il risultato di una valutazione specifica per sostanza, processo e impianto. La sola denominazione del prodotto non è sufficiente: sono determinanti l'effettiva frazione di polvere fine, l'umidità, la granulometria, possibili vapori di solvente o di sostanze profumate, la temperatura, la pressione di processo e gli stati operativi dall'avvio alla pulizia. Per miscelatori e impianti di miscelazione, la VDI 2263 foglio 10 è una linea guida di dimensionamento centrale; tratta espressamente la protezione da incendio ed esplosione per miscelatori con miscele di polvere, gas, vapore e ibride.
Concetto di zone e dati delle sostanze
La classificazione delle zone rientra nel documento di protezione contro le esplosioni del gestore. La zona 20 è presente quando all'interno di un miscelatore, filtro, silo o di una tubazione di trasporto un'atmosfera di polvere esplosiva è presente costantemente, per lungo tempo o frequentemente. La zona 21 riguarda aree in cui una tale atmosfera può verificarsi occasionalmente durante l'esercizio normale, ad esempio in punti di riempimento, scarico o campionamento. La zona 22 descrive aree in cui si verifica solo raramente e per breve tempo. La delimitazione concreta risulta dal rilascio di polvere, dalla tenuta, dall'aspirazione, dalla pulizia e dalla situazione ambientale.
Per la zona 20 è in linea di principio richiesto un livello di protezione molto elevato; nella classica categorizzazione ATEX ciò corrisponde regolarmente alla categoria 1D. Per la zona 21 sono ammesse le categorie 1D o 2D, per la zona 22 le categorie 1D, 2D o 3D. L'assegnazione comprende componenti elettrici e non elettrici: motori, sensori, attuatori, alberi, cuscinetti, guarnizioni, utensili di miscelazione, valvole e dispositivi di trasporto devono essere considerati congiuntamente. La valutazione di conformità idonea e la necessità di un esame CE del tipo dipendono da categoria dell'apparecchio, gruppo di apparecchi, tipo di apparecchio e procedura di valutazione di conformità ATEX applicabile; un esame del tipo non è quindi richiesto genericamente per ogni apparecchio di categoria 1D o 2D.
Prima del dimensionamento dettagliato sono necessari dati caratteristici di sicurezza rappresentativi della sostanza. Ne fanno parte almeno KSt, la pressione massima di esplosione pmax, l'energia minima di accensione, la temperatura minima di accensione della nube di polvere, la temperatura minima di accensione dello strato di polvere, la distribuzione granulometrica, l'umidità e la conducibilità elettrica. Nell'aggiunta di liquidi volatili o solventi, le miscele ibride vapore-polvere devono essere valutate separatamente, poiché il comportamento di accensione ed esplosione può variare rispetto alla polvere pura. Intervalli generici di energia minima di accensione per «polveri di detersivo» o altri gruppi di prodotti non sono sufficientemente affidabili e non dovrebbero essere utilizzati come base di dimensionamento.
Prevenire le fonti di innesco
La prevenzione di fonti di innesco efficaci è un livello di protezione centrale. La EN 1127-1 considera diversi tipi di fonti di innesco, tra cui superfici calde, fiamme e gas caldi, scintille generate meccanicamente, mezzi di esercizio elettrici, correnti vaganti, elettricità statica, fulmini, radiazioni elettromagnetiche e reazioni esotermiche. La EN ISO 80079-36 e -37 sono rilevanti per la valutazione degli apparecchi non elettrici e delle loro potenziali fonti di innesco.
Le tolleranze meccaniche, gli abbinamenti di materiali, i possibili punti di contatto e i corpi estranei devono essere dimensionati in modo che, nell'esercizio normale e nelle anomalie da considerare, non si generino scintille pericolose da attrito, urto o sfregamento. Non esiste una velocità massima generalmente valida come «inferiore a 1 m/s» per gli utensili di miscelazione in zona 20. La velocità periferica ammissibile dipende da geometria, materiali, granulometria, possibile ingresso di corpi estranei, probabilità di contatto, temperatura, compito di miscelazione e ulteriori misure di protezione. Deve essere motivata nell'ambito della valutazione del pericolo di accensione.
Cuscinetti e guarnizioni sono punti critici. Sono possibili cuscinetti esterni, un'efficace separazione tra vano prodotto e vano di azionamento, guarnizioni d'albero idonee, monitoraggio della temperatura e monitoraggio dello stato. Le misure devono essere adeguate a polvere, velocità di giro, pressione, temperatura e procedimento di pulizia previsto. Per gli strati di polvere la TRGS 723 indica in linea di principio una distanza di sicurezza di 75 °C tra la temperatura minima di accensione dello strato di polvere e la temperatura superficiale, salvo diversa determinazione ammessa dalla valutazione del rischio.
Le cariche elettrostatiche possono costituire una fonte di innesco in particolare con polveri secche, fini e scarsamente conduttive. Sono necessari un concetto continuo di messa a terra ed equipotenzialità, la valutazione di componenti conduttivi e isolanti, tubi flessibili idonei, mezzi filtranti, collegamenti flessibili, contenitori e dispositivi di protezione individuale idonei. La TRGS 727 descrive i requisiti per la prevenzione dei pericoli di innesco elettrostatici. Una resistenza di terra generica di 10⁶ Ω non è trasferibile a tutte le parti di impianto e tutti i casi applicativi. Per i FIBC di tipo C, la TRGS 727 indica ad esempio una resistenza di dispersione inferiore a 10⁷ Ω verso il punto di messa a terra; i FIBC di tipo D non necessitano di messa a terra, ma possono essere impiegati solo se è dimostrato che non si verificano cariche pericolose.
I mezzi di esercizio elettrici devono essere idonei per la zona assegnata, l'atmosfera di polvere e la temperatura superficiale ammissibile. Per gli apparecchi elettrici protetti dalla polvere è spesso rilevante un grado di protezione a tenuta di polvere come IP6X; il grado di protezione richiesto e la marcatura risultano tuttavia dal principio di protezione scelto e dall'omologazione concreta dell'apparecchio. La sicurezza intrinseca può essere sensata per determinati circuiti di misura e controllo, ma non è un requisito universale per tutti i sensori nel miscelatore.
Concetto di protezione e inertizzazione
Un concetto di protezione segue una gerarchia. Dapprima si verifica se un'atmosfera esplosiva pericolosa possa essere evitata o limitata, ad esempio mediante conduzione di processo chiusa, limitazione del rilascio di polvere o inertizzazione. Successivamente vengono evitate fonti di innesco efficaci. Se entrambi gli obiettivi non possono essere raggiunti in modo affidabile, si aggiungono misure costruttive per limitare le conseguenze dell'esplosione.
Nell'inertizzazione, l'ossigeno viene ridotto mediante un gas idoneo, spesso azoto, fino a quando il contenuto di ossigeno non si trovi al di sotto della concentrazione limite di ossigeno determinata in modo specifico per sostanza e processo. Un valore obiettivo generico inferiore all'8 percento in volume di ossigeno non è ammissibile; la concentrazione di esercizio ammissibile deve essere derivata dalla concentrazione limite di ossigeno, dall'incertezza di misura, dalle ipotesi di perdita, dalle variazioni di processo e da un margine di sicurezza definito. L'inertizzazione richiede un impianto sufficientemente a tenuta di gas, un'alimentazione idonea di gas inerte, misurazione dell'ossigeno, valori di allarme e disattivazione definiti nonché interblocchi orientati alla sicurezza.
Con ricette contenenti agenti ossidanti, ad esempio percarbonato di sodio, l'inertizzazione deve essere valutata con particolare attenzione. Il percarbonato di sodio può rilasciare ossigeno in caso di decomposizione e intensificare gli incendi. Una riduzione dell'ossigeno tramite azoto non sostituisce quindi né il controllo della temperatura né la valutazione della decomposizione termica, di possibili contaminazioni o reazioni esotermiche.
Le misure di protezione costruttive possono comprendere apparecchi resistenti alla pressione di esplosione o all'urto di pressione da esplosione, sfogo di pressione, sfogo senza fiamma, soppressione dell'esplosione e il disaccoppiamento delle parti di impianto collegate. La EN 14460 tratta gli apparecchi resistenti all'esplosione; la EN 14491 tratta lo sfogo di pressione da esplosione e la EN 14373 tratta progettazione, applicazione, verifica dell'efficacia, esercizio e manutenzione dei sistemi di soppressione dell'esplosione. Tali sistemi sono destinati a involucri chiusi o essenzialmente chiusi e non valgono per sostanze instabili, esplosive, pirotecniche o piroforiche.
Il disaccoppiamento è particolarmente importante affinché le esplosioni non si trasmettano tramite tubazioni a filtri, sili, impianti di dosaggio e confezionamento. Soluzioni idonee possono essere valvole di non ritorno collaudate dal punto di vista della protezione contro le esplosioni, saracinesche a chiusura rapida, barriere di estinzione, valvole di protezione contro le esplosioni o valvole rotative idonee a tale scopo. Ogni dispositivo di disaccoppiamento deve essere adeguato alla classe di esplosione della polvere, alla tubazione, alla direzione del processo, ai rapporti di pressione e alla situazione di montaggio.
Documentazione e verifica
Il dimensionamento deve essere documentato in modo tracciabile nella valutazione del rischio del produttore nonché nel documento di protezione contro le esplosioni del gestore. Comprende dati delle sostanze, zone, valutazione del pericolo di accensione, categorie di apparecchi, concetto di protezione, interfacce, limiti operativi, manutenzione, pulizia, verifiche e la gestione di avvio, arresto, cambi di ricetta e anomalie.
Prima della messa in servizio e periodicamente sono necessarie verifiche secondo le norme vigenti per il sito. In Germania vanno osservate in particolare le disposizioni del regolamento sulle sostanze pericolose e del regolamento sulla sicurezza di esercizio. Uno studio di sicurezza strutturato di tipo HAZOP o equivalente può essere molto utile per impianti di miscelazione complessi, ma non è un obbligo di legge generico per ogni impianto.
Così amixon® supporta un design conforme ad ATEX per polveri organiche
Dimensionamento per applicazioni in zona 20
Nei processi di miscelazione con polveri organiche o altre polveri combustibili, l'interno del miscelatore è spesso classificato come zona 20. La zona 20 indica un'area in cui un'atmosfera di polvere esplosiva è presente costantemente, per lunghi periodi o frequentemente. La classificazione definitiva delle zone dell'intero impianto spetta al gestore ed è da fissare nel documento di protezione contro le esplosioni. Considera, oltre al miscelatore, anche ricevimento delle materie prime, dosaggio, filtri, dispositivi di trasporto, sili, carico e scarico, confezionamento, pulizia e manutenzione.
amixon® può realizzare i propri miscelatori, granulatori, essiccatori-miscelatori sottovuoto e reattori di miscelazione per un vano prodotto classificato come zona 20. A seconda di serie e configurazione di progetto ciò riguarda, ad esempio, miscelatori a un albero, miscelatori verticali e conici, miscelatori a container, miscelatori continui nonché gli essiccatori-miscelatori sottovuoto e reattori di miscelazione VMT e AMT. Per la zona 20 è in linea di principio richiesto un livello di protezione molto elevato, che nella classica categorizzazione ATEX corrisponde regolarmente alla categoria 1D. La categoria dell'apparecchio concreta, la temperatura superficiale, l'equipaggiamento elettrico e non elettrico, la messa a terra nonché la documentazione devono essere stabiliti in modo specifico per progetto sulla base dei dati delle sostanze e delle condizioni di esercizio.
La direttiva prodotti ATEX 2014/34/UE riguarda apparecchi e sistemi di protezione per aree a rischio di esplosione. La direttiva sull'esercizio ATEX 1999/92/CE stabilisce requisiti per i gestori, tra cui valutazione del rischio, classificazione delle zone, documento di protezione contro le esplosioni e verifiche periodiche. amixon® può fornire la documentazione dell'apparecchio per la configurazione della macchina consegnata. La responsabilità per il concetto di zone, la valutazione del rischio e la considerazione complessiva della protezione dalle esplosioni dell'impianto di produzione resta in capo al gestore.
Fonti di innesco e conduzione del processo
I miscelatori verticali amixon® possono essere gestiti con basse velocità periferiche. Per le serie VM e HM amixon® indica un intervallo regolabile di circa 0,8-3,5 m/s. Basse velocità dell'utensile possono limitare l'immissione di energia meccanica nonché l'energia di attrito, urto e abrasione. Non costituiscono tuttavia una prova generale che non si verifichi alcuna fonte di innesco efficace. La valutazione del pericolo di accensione deve inoltre comprendere cuscinetti, guarnizioni, alberi, contatti utensile-parete, corpi estranei, blocchi, temperature superficiali, carica elettrostatica e componenti elettrici.
Per un design conforme ad ATEX possono essere necessari monitoraggio di temperatura e coppia, velocità di giro controllata, concetti idonei di cuscinetto e guarnizione, gestione dei corpi estranei, messa a terra, equipotenzialità e manutenzione preventiva. Per gli strati di polvere la TRGS 723 indica in linea di principio una distanza di sicurezza di 75 °C tra la temperatura minima di accensione di uno strato di polvere e la temperatura superficiale, salvo diversa determinazione ammessa dalla valutazione del rischio.
Nell'aggiunta di componenti liquide come tensioattivi, oli o formulazioni di profumo, dimensione delle gocce, quantità di dosaggio, viscosità, temperatura e posizione di introduzione vanno armonizzate con il movimento del prodotto. L'obiettivo è una distribuzione uniforme, senza favorire sovrainumidimento locale, formazione di grumi o incrostazioni inammissibili. Una lavorazione completamente priva di adesioni non può essere garantita in generale. Con granulati enzimatici, polveri organiche fini o componenti ossidanti come il percarbonato di sodio, umidità, temperatura, sollecitazione meccanica e possibili miscele ibride vapore-polvere devono essere valutate con particolare attenzione.
Tenuta, pressione e inertizzazione
Zone di prodotto con poche fughe e levigate, punti di trasferimento chiusi nonché guarnizioni idonee possono ridurre le fuoriuscite di polvere. Le porte di ispezione Clever-Cut® con guarnizione OmgaSeal® sono progettate, secondo amixon®, per una tenuta a basso spazio morto del vano prodotto. La tenuta effettiva dipende tuttavia da differenze di pressione, materiale della guarnizione, usura, manutenzione e conduzione del processo. Una costruzione a tenuta di polvere può limitare i depositi di polvere nell'ambiente di installazione, ma non sostituisce l'aspirazione, la pulizia e la valutazione di una possibile esplosione secondaria.
Gli essiccatori-miscelatori sottovuoto e i reattori di miscelazione VMT e AMT possono essere realizzati a tenuta di gas, di vuoto e di pressione. Sono quindi adatti per processi di miscelazione, reazione, granulazione o essiccazione sotto vuoto, sovrappressione o atmosfera di gas inerte. Il grado di vuoto raggiungibile, il livello di pressione ammissibile e gli intervalli di temperatura devono essere stabiliti in modo specifico per progetto. Resistenza alla pressione o al vuoto da sola non significa che un apparecchio sia dimensionato resistente alla pressione di esplosione o all'urto di pressione da esplosione. Un dimensionamento corrispondente presuppone la valutazione di KSt, pmax, energia minima di accensione, temperature di accensione, granulometria, umidità e miscele ibride.
L'inertizzazione può essere impiegata, con un'esecuzione idonea, come misura preventiva di protezione dalle esplosioni. Negli apparecchi sottovuoto il vano di processo viene ad esempio evacuato e successivamente riempito con un gas inerte idoneo. Mediante ripetuti cicli vuoto-pressione il contenuto di ossigeno può essere ulteriormente abbassato. amixon® descrive questo procedimento per essiccatori-miscelatori sottovuoto e reattori di sintesi.
La concentrazione di ossigeno deve in questo caso trovarsi con un margine di sicurezza definito al di sotto della concentrazione limite di ossigeno determinata per il concreto sistema polvere-gas inerte. Sono necessari un apparecchio sufficientemente a tenuta di gas, un'alimentazione idonea di gas inerte, una misurazione dell'ossigeno rappresentativa, limiti di allarme e interblocchi di sicurezza. L'inertizzazione non impedisce né l'autoaccensione né la decomposizione termica o il rilascio di ossigeno da componenti ossidanti. È quindi solo un elemento di un concetto di protezione completo.
Processi continui e prove
Per portate elevate può essere impiegato il miscelatore continuo AMK. Secondo le indicazioni del produttore, l'AMK lavora con un grado di riempimento controllato; il tempo di permanenza medio viene influenzato tramite grado di riempimento e portata. Aggiunta di liquido, portata massica, intensità di miscelazione e tempo di permanenza devono essere dimensionati congiuntamente per la ricetta concreta. Con sostanze profumate, tensioattivi viscosi, granulati enzimatici o componenti ossidanti sono necessarie prove di miscelazione con il prodotto originale, per valutare omogeneità, umidità, temperatura, integrità delle particelle, scarico e pulibilità.
amixon® dichiara di gestire nella sede di Paderborn più di 30 impianti di prova di diverse taglie e di disporre inoltre di centri prove internazionali. Le prove con il prodotto originale possono essere eseguite in condizioni di grado di riempimento, pressione e temperatura vicine alla pratica. I risultati supportano la scelta di miscelatore, utensili, guarnizioni, aggiunta di liquido e parametri di esercizio. Non sostituiscono tuttavia né la verifica di sicurezza delle sostanze né la valutazione della protezione dalle esplosioni dell'intero impianto da parte di specialisti qualificati.