Wartość Kst

Definicja

Wartość Kst – zwana również stałą wybuchowości pyłu, K-pył, wskaźnikiem deflagracji lub specyficznym wskaźnikiem wybuchowości – jest parametrem bezpieczeństwa charakteryzującym zachowanie pyłów palnych podczas wybuchu w układach zamkniętych. Opisuje ona maksymalną prędkość wzrostu ciśnienia w czasie podczas wybuchu pyłu, znormalizowaną do objętości badawczej wynoszącej 1 m³. Jednostką miary jest bar·m/s.

Wartość Kst oblicza się zgodnie z tzw. prawem sześciennym:

Kst = (dp/dt)max × V^(1/3)

W tym przypadku (dp/dt)max oznacza maksymalną szybkość wzrostu ciśnienia w bar/s, a V – objętość zbiornika badawczego w m³. Wartość Kst jest zatem parametrem niezależnym od objętości, charakterystycznym dla danego pyłu i metody badawczej, który wraz z maksymalnym nadciśnieniem wybuchowym pmax opisuje zachowanie pyłu w reakcji wybuchowej.

Obliczanie wartości Kst

Wartość Kst określa się w warunkach znormalizowanych, zazwyczaj zgodnie z normami ISO 6184-1, VDI 3673 i VDI 2263.

Typowymi zbiornikami testowymi są zbiornik kulisty o pojemności 20 litrów oraz zbiornik o pojemności 1 m³. W uproszczeniu procedura wygląda następująco:

• Rozproszenie określonej mieszaniny pyłu i powietrza w zbiorniku
• Zapłon za pomocą zapalnika chemicznego lub iskry o określonej energii, zazwyczaj 10 kJ
• Pomiar przebiegu ciśnienia i określenie wartości (dp/dt)max

• Obliczanie wartości Kst zgodnie z prawem sześciennym; maksymalna wartość pomiarowa jest uznawana za wartość Kst charakterystyczną dla danej substancji

   

Podział na klasy wybuchowości pyłu

Na podstawie wartości Kst pyły palne dzieli się na klasy wybuchowości pyłów (klasy St):

Wyższa wartość Kst oznacza szybszy wzrost ciśnienia, a tym samym silniejszy i bardziej niebezpieczny wybuch. Podczas gdy wartość Kst jest mierzalną wielkością charakterystyczną, klasy St grupują te wartości w zakresy projektowe; techniczne konsekwencje dla konstrukcji i środków ochronnych opisano w haśle dotyczącym klas wybuchowości pyłu od St1 do St3.

Główne cechy i czynniki wpływające

Wskaźnik charakterystyczny dla danego materiału

Każdy pył palny ma swoją indywidualną wartość Kst. Zależy ona od:

• skład chemiczny
• Wielkość cząstek – drobniejsze pyły mają zazwyczaj wyższą wartość Kst• 
• Zawartość wilgoci
• Stężenie pyłu
• Zakłócenia w systemie
• Energia zapłonowa

Niezależność od objętości

Dzięki zależności (dp/dt)max × V^(1/3) = stała wartość Kst można zastosować do dowolnych objętości zbiorników, dzięki czemu nadaje się ona do projektowania rzeczywistych instalacji.

Związek z pmax

Podczas gdy pmax określa maksymalne ciśnienie wybuchu, wartość Kst wskazuje, jak szybko ciśnienie to narasta. Obie wielkości razem stanowią podstawę do obliczania i projektowania konstrukcyjnych środków ochrony przeciwwybuchowej, takich jak odprowadzanie ciśnienia i odporność na uderzenia ciśnieniowe.

Znaczenie praktyczne w technice mieszanej

W procesach przetwarzania proszków i materiałów sypkich podczas mieszania powstają wirujące chmury pyłu o stężeniach potencjalnie wybuchowych. Wartość Kst jest zatem kluczową wielkością dla projektowania pod kątem bezpieczeństwa oraz eksploatacji takich instalacji zgodnie z dyrektywą ATEX.

Projekt zbiornika mieszającego

Wartość Kst przetwarzanych produktów ma wpływ na to, czy mieszalnik musi być odporny na ciśnienie, odporny na uderzenia ciśnieniowe, czy też wyposażony w urządzenia odciążające ciśnienie, takie jak płytki bezpieczeństwa. Im wyższa wartość Kst, tym szybciej wzrasta ciśnienie w przypadku wybuchu i tym wyższe są wymagania dotyczące wytrzymałości lub powierzchni odciążających zbiornika.

Wybór odpowiednich środków ochronnych

• Odciążenie ciśnieniowe: Wielkość powierzchni odciążającej oraz ciśnienie zadziałania oblicza się głównie na podstawie wartości Kst i pmax.
• Tłumienie wybuchu: Ilość środka gaśniczego, rozmieszczenie dysz i czas reakcji zależą od przewidywanego tempa wzrostu ciśnienia.
• Izolacja przeciwwybuchowa: Wartość Kst ma wpływ na dobór i projektowanie odpowiednich urządzeń izolujących dla przewodów doprowadzających i odprowadzających.

Projektowanie procesów i inertyzacja

Ze względu na swoją budowę mieszalniki często powodują powstawanie chmur pyłu w górnej części zbiornika. W przypadku produktów o wartościach Kst w klasie St 2 lub St 3 wskazane jest podjęcie dodatkowych środków:

• Inertyzacja, np. praca w atmosferze azotu, w celu obniżenia zawartości tlenu poniżej granicy zapalności
• Odciążanie ciśnieniowe i tłumienie wybuchów
• Optymalizacja procesów napełniania i opróżniania w celu zminimalizowania unoszenia się pyłu
• Kontrola źródeł zapłonu w przypadku gorących powierzchni, iskier i ładunków elektrostatycznych

Zmiany produktów i receptur

Jeśli w instalacji przetwarzane są różne produkty lub receptury, mieszalnik musi być zawsze zaprojektowany pod kątem najniebezpieczniejszego produktu o najwyższej wartości Kst i pmax. Zmiany w asortymencie produktów lub stopniu rozdrobnienia stanowią powód do weryfikacji istniejącej koncepcji ochrony przeciwwybuchowej. Ponieważ wartość Kst w dużym stopniu zależy od wielkości cząstek i wilgotności, już sama zmiana z granulatu na bardzo drobny proszek tej samej substancji może znacząco wpłynąć na klasę wybuchowości.

Przykładowe wartości Kst dla typowych produktów

Poniższe wartości mają charakter orientacyjny i mogą się różnić w zależności od jakości produktu, rozkładu wielkości cząstek oraz wilgotności. Do opracowania środków ochronnych niezbędne są wartości materiału wyjściowego określone w badaniach laboratoryjnych.

Wskazówki praktyczne i porady ekspertów

• Nie należy stosować ogólnych wartości podanych w literaturze: dane z literatury mają jedynie charakter orientacyjny. W celu uzyskania wiążącej interpretacji środków ochrony przeciwwybuchowej należy zawsze przeprowadzać badania dostosowane do konkretnej substancji i procesu produkcyjnego w certyfikowanych laboratoriach.• 
• Decydujące znaczenie ma stan materiału: drobny pył może wykazywać znacznie wyższą wartość Kst niż grubszy granulat tej samej substancji. Również niewielkie zmiany zawartości wilgoci lub składu mogą w zauważalny sposób wpływać na parametry wybuchowości.
• Mieszaniny hybrydowe należy badać oddzielnie: w przypadku dodania gazów palnych, oparów lub rozpuszczalników parametry charakterystyczne czystego pyłu tracą swoją miarodajność.
• Profesjonalna ocena zagrożeń: planowanie, projektowanie i ocena środków ochrony przeciwwybuchowej, w tym zgodność z dyrektywą ATEX, powinny zawsze być przeprowadzane przez wykwalifikowany personel specjalistyczny na podstawie kompleksowej oceny zagrożeń.