St1/St2 분진 환경의 혼합기에 적합한 내폭압 등급을 어떻게 선택합니까?
선택은 분진 등급 St1 또는 St2만으로 이루어지지 않습니다. 결정적인 것은 검증된 물질 데이터, 공정 조건, 장치 형상, 배관망, 설치 장소, 그리고 불활성화, 압력 방출, 억제, 디커플링과 같은 계획된 조치로 이루어진 완전한 폭발 방지 콘셉트입니다. St1과 St2는 분진의 압력 상승 속도만을 나타낼 뿐, 혼합기에 필요한 내압 등급을 자동으로 결정하지는 않습니다.
따라서 올바른 질문은 "St1인가 St2인가 - 벽 두께는 얼마인가?"가 아니라, "모든 타당한 운전 및 이상 상황을 포함하여 구체적인 혼합기 내에서 발생할 수 있는 최대 압력은 얼마이며, 어떤 보호 시스템이 이 압력을 어느 값까지 검증 가능하게 제한하는가?"입니다.
물질 데이터와 공정 데이터
설계의 기초는 실제 제품의 대표성 있는 안전 관련 특성값입니다. 여기에는 KSt, 최대 폭발 압력 pmax, 최소 점화 에너지, 분진 구름과 분진층의 최소 점화 온도, 입자 크기 분포, 습도, 한계 산소 농도, 전기 전도도가 포함됩니다. 액체 첨가나 용제가 있는 경우에는 증기-분진 혼합 가스 가능성도 추가로 조사해야 합니다.
분진 폭발 등급은 KSt 값을 통해 정의됩니다: St1은 0<KSt≤200 bar⋅m/s, St2는 200<KSt≤300 bar⋅m/s에 해당합니다. KSt 값이 높을수록 압력 상승이 빨라지며, 방출·억제·디커플링 시스템에 더 짧은 반응 시간이 요구될 수 있습니다. 그러나 이 값만으로는 pmax, 필요한 용기 강도, 또는 보호 조치의 적합성에 대한 완전한 정보를 제공하지 않습니다.
문헌이나 데이터베이스 값은 초기 사전 계획에만 적합합니다. 안전과 관련된 설계에는 실제 제품 또는 입증된 대표성을 가진 제품군의 시험값을 사용해야 합니다. 레시피 변경, 습도 변화, 더 미세한 입자 크기, 유기 부성분, 또는 액체 첨가는 폭발 거동을 변화시킬 수 있습니다.
추가로 운전 압력, 온도, 충전율, 공정 대기, 내장물, 회전 속도, 발생 가능한 분진 퇴적물, 투입, 배출, 그리고 연결된 배관의 상태를 고려해야 합니다. 특히 압력 상승, 고온, 난류를 일으키는 내장물, 긴 연결 배관, 잠재적인 압력 축적이 중요합니다. 이들은 폭발의 격렬함과 압력 경과를 크게 변화시킬 수 있습니다.
올바른 구조 방식 선택
내폭압 구조에서는 혼합기가 위험한 파손 없이 기준이 되는 내부 폭발 하중을 견디도록 설계됩니다. 영구 변형이 허용되는지 여부는 선택된 설계 콘셉트에서 명시적으로 정의되어야 합니다. 최대 폭발 압력 pmax를 기준으로 한 설계는 유효한 압력 방출이나 억제가 불가능한 경우, 혼합기가 매우 밀집된 형태로 설치된 경우, 제품 방출이 허용되지 않는 경우, 또는 보호가 수동적인 용기 강도에 의존해야 하는 경우에 특히 중요합니다.
내폭압충격 구조는 영구 변형을 허용할 수 있지만, 파열되거나 위험하게 누출되어서는 안 됩니다. 이는 최대 폭발 압력 또는 저감된 폭발 압력을 기준으로 설계될 수 있습니다. 따라서 "내폭압충격은 항상 Pred 설계를 의미한다"는 주장은 부정확합니다. 필요한 설계 압력은 안전 콘셉트에서 명확히 명시되고 계산으로 입증되어야 합니다.
저감된 폭발 압력 pred를 기준으로 한 설계는 유효한 압력 방출이나 폭발 억제가 계획된 경우에 가능합니다. 이 경우 혼합기와 그 플랜지, 뚜껑, 점검창, 계측 노즐, 축 실링, 배출 기구, 연결부는 실제로 예상되는 최대 저감 폭발 압력에 맞춰 설계되어야 합니다. 용기 본체에만 초점을 맞춰서는 안 됩니다.
EN 14491은 분진 폭발용 압력 방출 시스템의 선정과 설계를 다룹니다. 여기에는 용기 용적, 분진 데이터, 개방 압력, 방출 면적, 방출 경로, 반발력, 용기 외부 영향 등이 고려됩니다. 긴 방출 경로, 난류, 압력 축적, 화염 분출은 저감된 폭발 압력을 높일 수 있습니다. 이 규격은 또한 대부분의 경우 연결 배관에 디커플링 조치가 필요하다는 점을 지적하고 있습니다.
실무적 절차
먼저 최신 물질 데이터와 모든 운전 상태를 파악합니다. 이어서 불활성화를 통해 대기를 신뢰성 있게 방지할 수 있는지를 결정합니다. 그렇다면 불활성 가스 공급, 산소 측정, 인터록, 누설, 고장 시나리오가 허용 산소 값을 안전하게 유지할 수 있도록 설계되어야 합니다. 불활성화는 필요한 내압 강도에 영향을 줄 수 있지만, 이상 상황, 기동, 개방, 세정, 또는 불활성 가스 공급 상실에 대한 대체 방안 콘셉트를 자동으로 대체하지는 않습니다.
다음으로 혼합기를 pmax 기준으로 설계할지, 압력 방출을 통해 pred로 보호할지, 또는 억제 시스템을 통해 검증된 압력으로 제한할지를 결정합니다. 실내 설치의 경우 옥외로의 압력 방출이 가능한지를 특히 확인해야 합니다. 불가능한 경우에는 무화염 방출, 억제, 또는 내폭압 구조가 더 적합할 수 있습니다. 이 결정은 사고 발생 시 제품, 화염, 또는 유독 물질의 방출이 허용되는지 여부에도 좌우됩니다.
선택은 전체 설비 연계를 포함해야 합니다. 필터, 사일로, 이송 장치, 진공 시스템, 충전 설비로의 연결 배관은 폭발을 전파하거나 압력 축적을 일으킬 수 있습니다. 따라서 예를 들어 적절한 역류 방지 플랩, 급속 차단 슬라이드 밸브, 소화제 배리어, 또는 검증된 로터리 밸브를 이용한 폭발 기술적 디커플링이 흔히 필요합니다.
안전 여유는 일률적으로 10% 또는 20%로 설정되어서는 안 됩니다. 이는 선택된 규격, 계산 방법, 물질 데이터의 불확실성, 설계 규칙, 압력 변동, 재료 특성값, 그리고 해당 심사 기관에 따라 정해집니다. pred에 대한 0,2~2 bar의 전형적인 설계 범위 역시 일반적인 기준이 아닙니다. 이러한 값은 사용된 방법의 적용 범위 내에서만 유효합니다.
St2의 특수성
St2 분진은 St1 분진보다 압력 상승 속도가 더 빠릅니다. 이로 인해 억제 시스템이나 급속 차단 슬라이드 밸브와 같은 능동형 시스템에 사용 가능한 시간대가 줄어듭니다. 압력 방출과 디커플링도 특히 신중하게 설계해야 합니다. 더 큰 방출 면적이 필요할 수 있지만, 이것만으로 자동으로 충분한 것은 아닙니다. 용기 형상, 내장물, 배관, 반발력, 발생 가능한 화염 전파도 함께 평가해야 합니다.
운전 온도나 초기 압력이 높아지면 폭발 매개 변수가 변할 수 있습니다. 가연성 분진과 증기의 혼합 가스 역시 더 높은 폭발 압력이나 변화된 점화 민감도를 초래할 수 있습니다. 따라서 St2 제품의 경우, 보수적으로 보이는 표준값에서 출발하지 않고 실제 조건을 구조적 폭발 방지 전문가와 함께 설계하는 것이 특히 중요합니다.
문서화와 점검
압력 설계, 사용된 물질 데이터, 보호 콘셉트, 계산, 디커플링, 부속 부품에 대한 요구 사항은 폭발 방지 문서와 기술 서류에 이해할 수 있게 기록되어야 합니다. 레시피, 입자 크기, 습도, 운전 압력, 온도, 처리량, 배관망, 방출 장치, 또는 연결된 장치의 변경은 재평가를 필요로 할 수 있습니다.
최초 가동 전 점검은 혼합기, 보호 시스템, 연결된 설비가 폭발 방지 콘셉트에 따라 시공되었고 유효하게 작동함을 확인해야 합니다. 이는 점검 의무가 있는 변경 후에도 마찬가지로 적용됩니다.
amixon®이 St1 및 St2 분진 설계를 지원하는 방법
기초: 물질 데이터와 보호 콘셉트
혼합기에 필요한 내폭압 등급은 분진을 St1 또는 St2로 분류하는 것만으로 결정되지 않습니다. 분진 등급은 KSt 값, 즉 최대 압력 상승 속도를 나타낼 뿐, 혼합기에 필요한 내압 강도를 자동으로 결정하지는 않습니다. St1은 0을 초과하여 200 bar⋅m/s 이하의 KSt 값을, St2는 200을 초과하여 300 bar⋅m/s 이하의 값을 포함합니다. 장치 설계에는 추가로 특히 pmax, 최소 점화 에너지, 최소 점화 온도, 습도, 입자 크기, 운전 압력, 운전 온도, 그리고 발생 가능한 증기-분진 혼합 가스가 중요합니다.
amixon®은 존 20으로 분류된 제품 공간을 갖춘 응용을 위해 혼합기, 조립기, 진공 혼합건조기, 혼합 반응기를 제작할 수 있습니다. 그러나 정확한 존 구분과 전체 폭발 방지 콘셉트는 위험성 평가를 근거로 운영자가 결정합니다. 여기에는 혼합기뿐만 아니라 계량, 필터, 사일로, 이송 구간, 배출, 충전, 그리고 모든 연결 배관도 포함됩니다.
ATEX 제품 지침 2014/34/EU는 폭발 위험 지역용 기기 및 보호 시스템의 적합성을 규정합니다. ATEX 운영 지침 1999/92/EG는 운영자에게 위험성 평가, 존 구분, 폭발 방지 문서의 의무를 부과합니다. 존 20에 해당하는 혼합기 내부에는 원칙적으로 매우 높은 보호 수준이 필요하며, 이는 통상 카테고리 1D에 해당합니다. 다만 카테고리 1D는 용기의 내압 강도에 대한 정의가 아닙니다. 내압 강도와 구조적 폭발 방지는 추가로, 명시적으로, 프로젝트별로 정해져야 합니다.
압력 설계의 선택
내폭압 또는 내폭압충격 설계는 해당 장치와 보호 전략에 관련된 폭발 압력을 기준으로 해야 합니다. 혼합기는 최대 폭발 압력 pmax를 기준으로 설계되거나, 유효한 압력 방출이나 폭발 억제가 계획된 경우에는 검증 가능하게 제한된 저감 폭발 압력 pred를 기준으로 설계될 수 있습니다.
pmax를 기준으로 설계하는 경우 용기는 위험한 파손 없이 내부 폭발을 견뎌야 합니다. 이 방식은 안전한 압력 방출이 불가능한 경우, 장치가 건물 내부에 설치된 경우, 제품이나 화염의 방출이 허용되지 않는 경우, 또는 안전 전략이 견고한 용기 사양에 기반하는 경우에 유용할 수 있습니다. 내폭압충격 사양에서는 영구 변형이 허용될 수 있지만, 용기는 파열되거나 위험하게 누출되어서는 안 됩니다. 어떤 변형이 허용되는지, 사고 후 용기를 계속 사용할 수 있는지는 사양서와 안전 콘셉트에 명확히 규정되어야 합니다.
pred를 기준으로 설계하는 경우 압력 방출이나 폭발 억제가 전체 시스템의 일부로서 검증 가능하게 유효해야 합니다. 혼합기 용기뿐만 아니라 뚜껑, 플랜지, 축 실링, 점검창, 계측 노즐, 투입구와 배출구, 필터 연결부, 연결 배관도 정의된 압력 하중에 맞춰 설계되어야 합니다. EN 14491은 분진 폭발용 압력 방출 시스템의 선정과 설계를 설명하고 있습니다.
amixon®은 특히 VMT 및 AMT 시리즈를 가스, 진공, 압력 기밀 구조로 제작할 수 있습니다. 이러한 특성은 진공, 과압, 필요한 경우 불활성 가스 조건에서의 공정 운영을 가능하게 합니다. 그러나 이는 내폭압 또는 내폭압충격 설계와 자동으로 동일한 것은 아닙니다. 그러한 설계가 필요한 경우에는 사용자 요구 사양(User Requirement Specification)에 허용 폭발 압력이 명확히 정의되어야 하며, 물질 데이터와 선택된 보호 콘셉트를 바탕으로 계산되어야 합니다.
점화원, 기밀성, 불활성화
amixon® 수직 혼합기는 낮은 원주 속도로 운전할 수 있습니다. VM 및 HM에 대해 amixon®은 약 0,8~3,5 m/s의 조정 가능한 범위를 제시하고 있습니다. 낮은 공구 속도는 마찰, 충돌, 마모 에너지를 제한할 수 있습니다. 그러나 이는 점화원이 없음을 보여주는 일반적인 증명이 되지는 않습니다. 베어링, 실링, 축, 발생 가능한 공구-벽 접촉, 이물질, 막힘, 표면 온도, 정전기 대전, 전기 부품은 점화 위험 평가의 틀 안에서 고려되어야 합니다.
이음매가 적게 설계되고 연마 처리된 제품 영역과 적절한 실링은 분진 누출을 제한할 수 있습니다. OmgaSeal® 실링이 적용된 Clever-Cut® 점검문은 amixon®에 따르면 제품 공간을 데드스페이스 없이 밀폐하도록 설계되었습니다. 그러나 도달 가능한 기밀성은 압력차, 실링 재질, 마모, 조립, 유지 보수에도 좌우됩니다. 방진성만으로는 흡입과 세정을 대체하지 않으며, 2차 폭발에 대한 콘셉트도 대체하지 않습니다.
가스 및 진공 기밀 장치의 경우 불활성화를 예방적 보호 조치로 마련할 수 있습니다. 공정 공간은 예를 들어 배기된 후 적절한 불활성 가스로 재충전됩니다. 반복적인 진공-압력 교환을 통해 산소 함량을 더욱 줄일 수 있습니다. 안전한 불활성화에는 기밀한 설비, 불활성 가스 공급, 산소 측정, 경보 및 차단 값, 안전 인터록이 필요합니다. 허용 산소 값은 해당 분진-불활성 가스 시스템에 대해 결정된 한계 산소 농도보다 안전 여유를 두고 낮게 설정되어야 합니다.
불활성화는 폭발 발생 가능성을 크게 줄일 수 있지만, 모든 운전 상태에 대한 설계를 자동으로 대체하지는 않습니다. 특히 기동, 정지, 개방, 세정, 이상 상황, 또는 불활성 가스 공급 상실에 대해서는 평가된 보호 전략이 마련되어 있어야 합니다. 불활성화는 또한 자연 발화, 분해, 발열 반응을 반드시 방지하지는 않습니다.
설비 연계 내의 St1과 St2
St2 분진은 St1 분진보다 압력 상승 속도가 더 빠릅니다. 이로 인해 억제 및 디커플링 시스템에 사용 가능한 시간대가 줄어들 수 있습니다. 따라서 압력 방출, 억제, 디커플링은 용기 용적, 형상, 내장물, 연결 배관, 분진 데이터에 맞춰 특히 신중하게 조정되어야 합니다. KSt 값이 더 높다고 해서 St2 혼합기가 항상 더 높은 용기 압력으로 설계되어야 하는 것은 아니지만, 선택된 보호 시스템에 대한 요구 사항에는 크게 영향을 미칩니다.
폭발 기술적 디커플링은 압력, 화염, 또는 연소 중인 입자가 배관을 통해 연결된 필터, 사일로, 이송 장치, 그 밖의 장치로 번질 수 있는 경우 필요합니다. 적합한 수단으로는 검증된 역류 방지 플랩, 급속 차단 슬라이드 밸브, 소화제 배리어, 폭발 방지 밸브, 또는 자격을 갖춘 로터리 밸브가 있습니다. 어떤 기술이 적합한지는 전체 공정 라인, 배관 형상, 처리량, 흐름 방향, 물질 데이터에 따라 달라집니다.
테스트와 문서화
amixon®은 테크니쿰에서 원제품을 이용한 테스트를 제공합니다. 이를 통해 혼합 거동, 제품 승온, 마모, 부착물, 배출, 진공 및 불활성화 절차, 그리고 공정 운영의 적합성을 조사할 수 있습니다. 다만 이는 안전 관련 분진 시험이나 구조적 폭발 방지 시스템의 계산 및 검증을 대체하지 않습니다.
압력 설계, 사용된 물질 데이터, 압력을 받는 모든 부품의 강도, 보호 시스템, 디커플링, 운전 한계는 폭발 방지 문서와 기술 서류에 이해할 수 있게 문서화되어야 합니다. 레시피, 습도, 입자 크기, 온도, 압력, 처리량, 또는 배관망의 변경은 재평가를 필요로 할 수 있습니다.