St1/St2粉じん環境向けミキサーに適した耐爆圧強度等級を選ぶにはどうすればよいですか。
選定は、粉じんクラスSt1やSt2だけに基づいて行うものではありません。決め手となるのは、検証済みの物質データ、プロセス条件、装置形状、配管系統、設置場所、そして不活性化、圧力開放、抑制、デカップリングといった予定された対策から成る、完全な防爆コンセプトです。St1とSt2は、粉じんの圧力上昇速度のみを表すものであり、ミキサーに必要な耐爆発圧力等級を自動的に示すものではありません。
したがって正しい問いは、「St1かSt2か――どの板厚が必要か」ではなく、「起こりうるすべての運転状態と異常事態を含めて、具体的なミキサー内でどの程度の最大圧力が発生しうるか、そしてどの保護システムがその圧力を、実証可能な形でどの値まで制限するか」です。
物質データとプロセスデータ
設計の基礎となるのは、実際の製品の代表性のある安全技術上の特性値です。これには、KSt値、最大爆発圧力 pmax、最小着火エネルギー、粉じん雲と粉じん層の最小着火温度、粒度分布、水分、酸素限界濃度、電気伝導率が含まれます。液体添加や溶剤がある場合には、さらに起こりうる蒸気・粉じんハイブリッド混合物についても検討する必要があります。
粉じん爆発クラスはKSt値によって定義されます。St1は0＜KSt≤200 bar・m/s、St2は200＜KSt≤300 bar・m/sです。KSt値が高いほど圧力の立ち上がりが速いことを意味し、開放、抑制、デカップリングの各システムに、より短い反応時間を要求することがあります。ただし、KSt値だけでは、pmax、必要な容器強度、防護対策の適合性について完全な答えは得られません。
文献値やデータベース値は、初期の概略検討にのみ適しています。安全に関わる設計には、具体的な製品、あるいは代表性が実証された製品グループの試験値を用いるべきです。レシピの変更、水分の変化、より微細な粒度、有機系の副成分、液体の添加は、爆発挙動を変化させることがあります。
さらに、運転圧力、温度、充填率、プロセス雰囲気、内部構造物、回転数、起こりうる粉じん堆積、投入、排出、そして接続配管の状態を考慮しなければなりません。特に重要なのは、圧力の上昇、高温、乱流を生じさせる内部構造物、長い接続配管、そして起こりうる圧力の蓄積です。これらは、爆発の激しさと圧力推移を大きく変化させることがあります。
構造形式の正しい選択
耐爆発圧力構造では、ミキサーは、想定される内部爆発負荷に対して危険な破損を生じることなく耐えるように設計します。永久変形を許容するかどうかは、選定した設計コンセプトの中で明確に定義しなければなりません。最大爆発圧力 pmax を基準とする設計は、有効な圧力開放や抑制が不可能な場合、ミキサーが非常に密集して設置されている場合、製品の放出が許されない場合、あるいは受動的な容器強度に防護を委ねたい場合に特に重要になります。
耐爆発圧力衝撃構造は永久変形を許容することがありますが、破裂したり危険な漏れを生じたりしてはなりません。これは最大爆発圧力を基準にも、低減爆発圧力を基準にも設計できます。したがって、「耐爆発圧力衝撃構造は常にPred設計を意味する」という言い方は不正確です。必要な設計圧力は、安全コンセプトの中で明確に定め、計算によって実証しなければなりません。
低減爆発圧力 pred を基準とする設計は、有効な圧力開放または爆発抑制が計画されている場合に可能です。この場合、ミキサー本体だけでなく、そのフランジ、蓋、覗き窓、測定口、シャフトシール、排出機構、接続部も、実際に想定される最大の低減爆発圧力に対して設計されていなければなりません。容器本体だけに注目してはなりません。
EN 14491は、粉じん爆発に対する圧力開放システムの選定と設計を扱っています。これは、容器容積、粉じんデータ、開放圧力、開放面積、開放ダクト、反力、容器外部での影響などを考慮します。長い開放ダクト、乱流、圧力の蓄積、火炎の噴出は、低減爆発圧力を高めることがあります。この規格はまた、ほとんどの場合、接続配管においてデカップリング対策が必要であることも指摘しています。
実務上の進め方
まず、最新の物質データとすべての運転状態を把握します。続いて、不活性化によって雰囲気を確実に防止できるかどうかを判断します。可能である場合には、不活性ガス供給、酸素測定、インターロック、漏れ、故障シナリオを、許容される酸素値が確実に維持されるように設計しなければなりません。不活性化は必要な耐圧性に影響を与えることがありますが、異常時、起動時、開放時、洗浄時、あるいは不活性ガス供給の喪失時に対するフォールバック（代替防護段階）のコンセプトに自動的に代わるものではありません。
その後、ミキサーをpmaxで設計するか、圧力開放によってpredまで保護するか、あるいは抑制システムによって実証済みの圧力に制限するかを決定します。屋内設置の場合には、屋外への圧力開放が可能かどうかを特に検討する必要があります。それが不可能な場合には、無炎排出、抑制、あるいは耐爆発構造のほうが適していることがあります。この判断は、事象発生時に製品、火炎、有毒物質の放出が許容できるかどうかにも左右されます。
選定には、設備全体の連関を含める必要があります。フィルタ、サイロ、コンベヤ、真空システム、充填設備への接続配管は、爆発を伝播させたり、圧力の蓄積を引き起こしたりすることがあります。したがって、しばしば爆発技術的デカップリングが必要となり、たとえば適切な逆止弁、急速遮断弁、消火剤バリア、あるいは認証されたロータリーバルブが用いられます。
安全マージンを一律に10%や20%と設定してはなりません。これは、採用した規格、計算方法、物質データの不確かさ、設計規則、圧力変動、材料特性値、そして所管の検査機関によって定まります。predの典型的な設計範囲として0.2から2 barが挙げられることがありますが、これも一般的な指針ではなく、こうした値は、それぞれ用いる手法の適用範囲内でのみ許容されます。
St2に特有の留意点
St2の粉じんは、St1の粉じんよりも圧力上昇速度が速くなります。これにより、抑制システムや急速遮断弁といった能動的なシステムに利用できる時間的余裕が小さくなります。圧力開放とデカップリングも、特に慎重に設計しなければなりません。より大きな開放面積が必要になることがありますが、それだけで自動的に十分というわけではありません。容器形状、内部構造物、配管、反力、そして起こりうる火炎の伝播も併せて評価する必要があります。
運転温度や初期圧力が高くなると、爆発パラメータが変化することがあります。可燃性粉じんと蒸気から成るハイブリッド混合物も、より高い爆発圧力や着火感度の変化をもたらすことがあります。したがってSt2の製品では、一見保守的に見える標準値をそのまま前提とするのではなく、構造上の防爆を専門とする担当者とともに、実際の条件に基づいて設計することが特に重要です。
文書化と検査
圧力設計、使用した物質データ、防護コンセプト、計算、デカップリング、そして付属部品への要求事項は、防爆文書と技術資料の中に、追跡可能な形で記録しなければなりません。レシピ、粒度、水分、運転圧力、温度、処理量、配管系統、開放装置、あるいは接続された装置に変更があった場合には、再評価が必要になることがあります。
初回立ち上げ前の検査では、ミキサー、保護システム、そして接続された設備が、防爆コンセプトに従って構築され、有効に機能していることを確認しなければなりません。これは、検査義務のある変更が行われた後にも同様に当てはまります。
amixon® はこうしてSt1・St2粉じんの設計を支援します
基礎：物質データと防護コンセプト
ミキサーに必要な耐爆発圧力等級は、粉じんをSt1またはSt2に分類しただけでは定まりません。粉じんクラスはKSt値、すなわち最大圧力上昇速度を表すものであり、ミキサーに必要な耐圧性を自動的に示すものではありません。St1はKSt値が0を超えて200 bar・m/s以下、St2は200を超えて300 bar・m/s以下の範囲です。装置設計には、これに加えて特にpmax、最小着火エネルギー、最小着火温度、水分、粒度、運転圧力、運転温度、起こりうる蒸気・粉じんハイブリッド混合物が重要です。
amixon® は、製品空間がゾーン20に区分される用途向けに、ミキサー、造粒機、真空混合乾燥機、混合反応機を設計できます。ただし、正確なゾーン区分と防爆コンセプト全体は、危険性評価に基づき操業者が定めます。これには、ミキサーだけでなく、計量、フィルタ、サイロ、搬送経路、排出、充填設備、そしてすべての接続配管も含まれます。
ATEX製品指令2014/34/EUは、爆発の危険がある区域向けの機器および保護システムの適合性を規定しています。ATEX事業者指令1999/92/EGは、操業者に対して危険性評価、ゾーン区分、防爆文書の作成を義務付けています。ゾーン20にあるミキサー内部には、原則として非常に高い保護レベルが必要であり、これは通常カテゴリー1Dに相当します。ただし、カテゴリー1Dは容器の耐圧性を定義するものではありません。耐圧性と構造上の防爆は、これとは別に、明確かつプロジェクトごとに定める必要があります。
圧力設計の選択
耐爆発圧力構造または耐爆発圧力衝撃構造の設計は、その装置と防護戦略にとって関連性のある爆発圧力に基づかなければなりません。ミキサーは、最大爆発圧力 pmax を基準に、あるいは有効な圧力開放または爆発抑制が計画されている場合には、実証可能な形で制限された低減爆発圧力 pred を基準に設計できます。
pmaxを基準とする設計では、容器は内部爆発に対して危険な破損を生じることなく耐えなければなりません。この解決策は、安全な圧力開放が不可能な場合、装置が建屋内に設置されている場合、製品や火炎の放出が許されない場合、あるいは安全戦略が堅牢な容器仕様に基づいている場合に有効なことがあります。耐爆発圧力衝撃仕様では、永久変形が許容されることがありますが、容器が破裂したり危険な漏れを生じたりしてはなりません。どのような変形が許容されるか、そして事象発生後に容器を継続使用できるかどうかは、仕様書と安全コンセプトの中で明確に定めておかなければなりません。
predを基準とする設計では、圧力開放または爆発抑制が、総合システムの一部として実証可能な有効性を備えていなければなりません。ミキサー容器本体だけでなく、蓋、フランジ、シャフトシール、覗き窓、測定口、投入口・排出口、フィルタ接続部、接続配管も、定められた圧力負荷に対して設計する必要があります。EN 14491は、粉じん爆発に対する圧力開放システムの選定と設計を規定しています。
amixon® は、特にVMTおよびAMTシリーズについて、ガス密閉、真空密閉、圧力密閉の仕様にできます。これらの特性により、真空、加圧、必要に応じて不活性ガスの下でのプロセス運用が可能になります。ただし、これらは自動的に耐爆発圧力構造や耐爆発圧力衝撃構造であることを意味するものではありません。そのような設計が必要な場合には、許容される爆発圧力をユーザー要求仕様書（URS）の中で明確に定義し、物質データと選定した防護コンセプトに基づいて計算する必要があります。
着火源、気密性、不活性化
amixon® の縦型ミキサーは、低い周速で運転できます。VMおよびHMについて、amixon® は約0.8～3.5 m/sの調整可能な範囲を挙げています。低い工具速度は、摩擦・衝突・摩耗エネルギーを抑えることができます。ただし、これは着火源が存在しないことの一般的な証明にはなりません。軸受、シール、シャフト、工具と壁面が接触する可能性、異物、詰まり、表面温度、静電帯電、電気部品は、着火危険性評価の枠組みの中で考慮しなければなりません。
継ぎ目の少ない構造とし、研磨仕上げにした製品領域、そして適切なシールは、粉じんの漏出を抑えることができます。OmgaSeal® シール付きの Clever-Cut® 点検扉は、amixon® によれば、製品空間をデッドスペースの少ない状態で密閉するように設計されています。ただし到達できる気密性は、圧力差、シール材質、摩耗、組込み、保守にも左右されます。防じん性だけでは、吸引・洗浄にも、二次爆発への対策にも代わるものではありません。
ガス密閉・真空密閉の装置では、不活性化を予防的な防護対策として計画できます。プロセス空間は、たとえば排気された後、適切な不活性ガスで満たされます。繰り返しの真空圧力交番により、酸素濃度をさらに低減できます。安全な不活性化には、気密な設備、不活性ガス供給、酸素測定、警報・遮断値、そして安全インターロックが必要です。許容される酸素値は、その具体的な粉じん・不活性ガス系について定められた酸素限界濃度を、安全マージンを設けて下回っていなければなりません。
不活性化は爆発の確率を大きく下げることができますが、あらゆる運転状態に対する設計に自動的に代わるものではありません。特に起動、停止、開放、洗浄、異常時、あるいは不活性ガス供給の喪失に対しては、評価済みの防護戦略が備わっていなければなりません。さらに不活性化は、自然発火、分解、発熱反応に対して必ずしも保護するものではありません。
設備連関におけるSt1とSt2
St2の粉じんでは、St1の粉じんよりも圧力上昇速度が速くなります。これにより、抑制システムやデカップリングシステムに利用できる時間的余裕が小さくなることがあります。したがって、圧力開放、抑制、デカップリングは、容器容積、形状、内部構造物、接続配管、粉じんデータに特に慎重に合わせる必要があります。KSt値が高いことは、St2のミキサーが常により高い容器圧力を基準に設計されなければならないことを必ずしも意味しませんが、選定した防護システムへの要求事項には大きく影響します。
爆発技術的デカップリングは、圧力、火炎、燃焼中の粒子が配管を通じて接続されたフィルタ、サイロ、コンベヤ、その他の装置に波及する可能性がある場合に必要です。適した手段としては、検証済みの逆止弁、急速遮断弁、消火剤バリア、防爆バルブ、あるいは認証されたロータリーバルブが考えられます。どの技術が適しているかは、プロセス系統全体、配管形状、処理量、流れ方向、物質データによって決まります。
試験と文書化
amixon® は、テストセンターにおいて実製品を用いた試験を提供しています。これにより、混合挙動、製品の温度上昇、摩耗、固着、排出、真空・不活性化の手順、そしてプロセス運用の適合性を調査できます。ただしこれらは、安全技術上の粉じん試験や、構造上の防爆システムの計算・検査に代わるものではありません。
圧力設計、使用した物質データ、圧力を受けるすべての部品の強度、保護システム、デカップリング、運転限界は、防爆文書と技術資料の中に、追跡可能な形で記録しなければなりません。レシピ、水分、粒度、温度、圧力、処理量、あるいは配管系統に変更があった場合には、再評価が必要になることがあります。