Mieszaniny hybrydowe

Definicja

Mieszanina hybrydowa to atmosfera wybuchowa, zawierająca jednocześnie pył palny oraz gaz palny, parę lub mgłę. Termin ten opisuje zatem przypadek graniczny pomiędzy dwoma klasycznymi obszarami ochrony przeciwwybuchowej – wybuchem gazowym i pyłowym – dla których obowiązują odrębne strefy, kategorie urządzeń i parametry charakterystyczne.

Z punktu widzenia bezpieczeństwa mieszanka hybrydowa nie jest sumą swoich składników, lecz należy ją oceniać samodzielnie. Kluczowe znaczenie ma fakt, że mieszanka hybrydowa może być zapalna, chociaż ani zawartość pyłu, ani zawartość gazu nie osiągają samodzielnie odpowiedniej dolnej granicy wybuchowości.

Wpływ na parametry wybuchowości

Już niewielkie ilości gazu lub pary palnej znacząco zmieniają zachowanie mieszaniny pyłowo-powietrznej:

• Minimalna energia zapłonu (MZE) znacznie spada. Źródła zapłonu, które w przypadku czystego pyłu nie stanowiłyby zagrożenia – na przykład słabe wyładowania elektrostatyczne – mogą okazać się wystarczające. Jest to najważniejsza zmiana z praktycznego punktu widzenia.
• Wzrasta prędkość wzrostu ciśnienia. Wartość Kst mieszaniny jest wyższa niż w przypadku czystego pyłu; skraca się czas reakcji dostępny dla systemów zabezpieczających.
• Maksymalne nadciśnienie wybuchowe pmax wzrasta. Wzrasta obciążenie projektowe zbiorników.
• Przesuwają się granice wybuchowości. Dolna granica wybuchowości mieszaniny znajduje się poniżej poszczególnych granic wybuchowości pyłu i gazu.
• Minimalna temperatura zapłonu może spaść. W związku z tym zaostrzają się dopuszczalne temperatury powierzchniowe i klasy temperaturowe.

Efekty te nie mają charakteru liniowego i nie da się ich obliczyć na podstawie poszczególnych parametrów. Wiarygodne wartości można uzyskać jedynie poprzez badanie rzeczywistej mieszaniny w warunkach zbliżonych do praktycznych.

Gdzie powstają mieszaniny hybrydowe w technologii mieszania

W przetwórstwie proszków mieszanki hybrydowe występują częściej, niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Typowe konfiguracje:

• Dodawanie cieczy do proszków: rozpylanie lub dozowanie olejów, aromatów, oleożywic, alkoholu lub roztworów alkoholowych w trakcie trwającego procesu mieszania
• Granulacja i instantyzacja: tworzenie aglomeratów za pomocą spoiw zawierających rozpuszczalniki
• Powlekanie i nakładanie powłok: nakładanie roztworów lub zawiesin na powierzchnie cząstek
• Mieszanie próżniowe z suszeniem i synteza: odparowywanie rozpuszczalników organicznych w aparacie wypełnionym pyłem
• Resztkowe rozpuszczalniki w surowcu: proszki pochodzące z poprzednich procesów, które nadal zawierają składniki lotne i uwalniają je w komorze mieszania
• Produkty ulatniające się: substancje, które pod wpływem wzrostu temperatury lub obciążenia mechanicznego uwalniają palne produkty rozkładu

Na szczególną uwagę zasługuje ostatni przypadek: proces, który zgodnie z założeniami ma charakter czysto pyłowy, może nieumyślnie przekształcić się w proces hybrydowy z powodu wilgoci resztkowej, pozostałości rozpuszczalnika lub rozkładu.

Konsekwencje dla podziału na strefy i doboru urządzeń

W przypadku mieszaniny hybrydowej podział na strefy oparty wyłącznie na pyle nie ma już zastosowania. Należy ocenić oba rodzaje atmosfery:

• Dany obszar należy sklasyfikować zarówno pod względem stref gazowych 0, 1 i 2, jak i stref pyłowych 20, 21 i 22.
• Urządzenia i systemy ochronne muszą spełniać bardziej rygorystyczne wymagania z obu tych kategorii – zarówno w odniesieniu do kategorii urządzenia i poziomu ochrony, jak i rodzaju ochrony przed zapłonem oraz klasy temperaturowej.
• Oznaczenie musi potwierdzać przydatność do obu rodzajów atmosfery, czyli zarówno do grupy urządzeń G, jak i D.

Zmienia się również skuteczność poszczególnych środków ochronnych: środki zaprojektowane z myślą o pyle – na przykład analizy warstwy granicznej dotyczące osadów pyłu – nie mają zastosowania w przypadku gazów, a odwrotnie – koncepcje wentylacyjne dla gazów mają jedynie ograniczoną skuteczność w przypadku pyłu.

Konsekwencje konstrukcyjne dla urządzeń

• Konstrukcja odporna na uderzenia ciśnieniowe: Ciśnienie projektowe należy określić na podstawie parametrów charakterystycznych mieszaniny hybrydowej. Urządzenie zaprojektowane pod kątem czystego pyłu może być niedowymiarowane.
• Odciążenie ciśnieniowe: Wymagane powierzchnie odciążające stają się większe, ponieważ ciśnienie rośnie szybciej. W przypadku oparów rozpuszczalników odciążenie na zewnątrz jest często niedopuszczalne; w takim przypadku należy rozważyć zastosowanie systemów bezpłomieniowych.
• Inertyzacja: W przypadku mieszanin hybrydowych obniżenie zawartości tlenu jest często najbardziej ekonomicznym i najbezpieczniejszym rozwiązaniem, ponieważ obejmuje jednocześnie obie atmosfery. Wymaga to kontrolowanego doprowadzania gazu oraz monitorowania tlenu.
• Oddzielenie wybuchowe: Ze względu na wyższą prędkość płomienia oddzielenie od poprzedzających i następujących elementów instalacji ma szczególne znaczenie.
• Zaostrzone wymagania dotyczące zapobiegania źródłom zapłonu: Ze względu na niską minimalną energię zapłonu dodatkowe znaczenie zyskują ciągłe uziemienie, wyrównanie potencjałów, zapobieganie iskrom mechanicznym oraz ograniczenie temperatur powierzchniowych.

• Szczelność i przepływ gazu: Urządzenie powinno być wykonane w sposób gazoszczelny, aby opary nie przedostawały się do otoczenia i nie tworzyły tam dodatkowej strefy gazowej.

   

Wytyczne i normy

Ocena mieszanin hybrydowych odbywa się w ramach tych samych wytycznych, co pozostałe aspekty ochrony przeciwwybuchowej, w szczególności dyrektywy 2014/34/UE dotyczącej urządzeń i systemów ochronnych oraz dyrektywy 1999/92/WE dotyczącej obowiązków operatorów. Podstawy metodologiczne zapewniają między innymi norma EN 1127-1 dotycząca zasad i metodologii ochrony przeciwwybuchowej oraz norma VDI 2263 dotycząca pożarów pyłowych i wybuchów pyłowych. Mieszaniny hybrydowe należy wyraźnie określić jako takie w dokumencie dotyczącym ochrony przeciwwybuchowej i poddać je ocenie.

Wskazówki praktyczne

• Pełne uwzględnienie procesu: Należy wziąć pod uwagę wszystkie substancje, które są dostarczane do mieszalnika lub mogą w nim powstawać – w tym środki czyszczące, resztki rozpuszczalników i produkty rozkładu.
• Określenie parametrów mieszanki: Wartości podawane w literaturze dla czystego pyłu nie są miarodajne w przypadku mieszanek hybrydowych. Konieczne jest zbadanie rzeczywistej mieszanki w certyfikowanym laboratorium.
• Wczesne ustalenie: To, czy proces ma charakter hybrydowy, decyduje o konstrukcji, ciśnieniu projektowym i koncepcji zabezpieczeń. Późniejsza zmiana jest znacznie bardziej pracochłonna niż uwzględnienie tego na etapie planowania.
• Sprawdzenie zmian receptury: Zmiana spoiwa lub nośnika aromatu może przekształcić proces, który dotychczas miał charakter wyłącznie pyłowy, w proces hybrydowy.