Jakie rozwiązania istnieją dla wymagań ATEX i inertyzacji przy mieszaniu materiałów bateryjnych?
Przy produkcji i przetwarzaniu materiałów bateryjnych mogą występować palne pyły, proszki przewodzące, składniki wrażliwe na wilgoć oraz zawiesiny (slurry) zawierające rozpuszczalniki. Typowymi ciałami stałymi są NMC, NCA, LFP, grafit lub kompozyty krzemowe. To, czy stwarzają one zagrożenie wybuchem, wrażliwość na wilgoć lub szczególną reaktywność, musi zostać ocenione indywidualnie dla każdej receptury i etapu procesu.
Szczególnie wymagające są procesy, w których jednocześnie mogą występować palne pyły i opary rozpuszczalników. Takie mieszaniny hybrydowe mogą mieć bardziej rygorystyczne wymagania bezpieczeństwa niż czyste atmosfery pyłowe lub gazowe. Dlatego koncepcja ochrony musi obejmować cały proces, w tym zasilanie, mieszalnik, opróżnianie, technikę transportową, instalacje filtracyjne oraz otoczenie suszarni.
Podstawą jest ocena ryzyka związana z konkretną substancją. Istotnymi parametrami są na przykład wartość Kst, maksymalne ciśnienie wybuchu, minimalna energia zapłonu, minimalna temperatura zapłonu, rezystancja elektryczna i graniczne stężenie tlenu. W procesach z udziałem rozpuszczalników należy dodatkowo uwzględnić granice wybuchowości, temperaturę zapłonu i zachowanie podczas odparowywania.
Pierwotna ochrona przeciwwybuchowa przez inertyzację
Inertyzacja ma zapobiegać powstawaniu w przestrzeni procesowej atmosfery zdolnej do zapłonu. Zawartość tlenu w mieszalniku i podłączonych elementach instalacji jest w tym celu utrzymywana poniżej granicznego stężenia tlenu określonego dla danego produktu. Ogólne wartości graniczne tlenu nie są wystarczające, ponieważ rodzaj pyłu, rozpuszczalnik, temperatura, ciśnienie i wielkość cząstek wpływają na wymagany dobór.
Jako gaz inertny stosuje się zwykle azot. W przypadku materiałów, które mogą reagować z azotem, na przykład przy zastosowaniach z litem metalicznym, może być konieczny argon. Odpowiednimi metodami są inertyzacja przepłukowa, inertyzacja ze zmianą ciśnienia z ewakuacją i późniejszym napełnieniem oraz ciągłe przepłukiwanie podczas trwających procesów.
Zawartość tlenu jest monitorowana za pomocą odpowiedniej techniki pomiarowej i analitycznej. Czujniki punktu rosy lub wilgotności uzupełniają pomiar, gdy produkt wymaga niskiej wilgotności resztkowej. Wartości pomiarowe są połączone ze sterowaniem. Krytyczne etapy procesu mogą rozpocząć się dopiero po osiągnięciu zadanych wartości dopuszczenia. Przy przekroczeniu wartości granicznych instalacja musi przejść w zdefiniowany stan bezpieczny.
Wtórna ochrona przeciwwybuchowa przez unikanie źródeł zapłonu
Jeśli nie można bezpiecznie wykluczyć wybuchowej atmosfery, konieczne jest unikanie skutecznych źródeł zapłonu. Podział na strefy zależy od prawdopodobieństwa, czasu trwania i rozległości wybuchowych atmosfer. Wnętrze mieszalnika może przy produktach zdolnych do wybuchu pyłowego zostać na przykład ocenione jako strefa 20. Obszary przy punktach zasilania, opróżniania i filtracji mogą zostać zaklasyfikowane jako strefa 21 lub strefa 22. W przypadku palnych rozpuszczalników konieczna jest dodatkowo ocena możliwych stref gazowych lub oparowych.
Mieszalnik, narzędzia mieszające, rurociągi, filtry, kontenery i przenośne opakowania muszą być włączone w spójną koncepcję wyrównania potencjałów i uziemienia. Węże, uszczelnienia i wykładziny należy dobierać tak, aby nie sprzyjały niedopuszczalnym ładunkom elektrostatycznym. Urządzenia elektryczne muszą być odpowiednie dla danej strefy. Również mechaniczne źródła zapłonu, takie jak tarcie, uderzenie, przegrzewające się łożyska lub defekty uszczelnień, muszą być ocenione i w razie potrzeby monitorowane.
Konstrukcyjna ochrona przeciwwybuchowa
Konstrukcyjna ochrona przeciwwybuchowa stanowi kolejny poziom zabezpieczenia, gdy zdarzenia wybuchowego nie można wystarczająco bezpiecznie wykluczyć mimo inertyzacji i unikania źródeł zapłonu. Instalacja może zostać wykonana jako odporna na uderzenie ciśnieniowe lub wyposażona w odciążenie wybuchowe, tłumienie wybuchu i odsprzęganie.
Membrany bezpieczeństwa lub klapy wybuchowe odprowadzają ciśnienie do odpowiednich obszarów. Przy ustawieniu wewnątrz budynku mogą być konieczne bezpłomieniowe urządzenia odciążające lub systemy tłumienia wybuchu. Zasuwy szybkozamykające, blokady środka gaśniczego lub inne odpowiednie systemy zapobiegają przenoszeniu płomienia i ciśnienia na wcześniejsze lub kolejne elementy instalacji. Skuteczność każdego środka ochronnego musi zostać wykazana dla konkretnego produktu i konfiguracji instalacji.
Mieszaniny hybrydowe i technika suszarni
Mieszaniny hybrydowe pyłu i oparów rozpuszczalnika mogą wykazywać zmienione zachowanie zapłonowe. Już niewielkie udziały pary mogą obniżyć minimalną energię zapłonu mieszaniny pyłowej. Dobór inertyzacji i środków ochronnych musi zatem uwzględniać najgorszy realistyczny scenariusz.
Zamknięte systemy zasilania i opróżniania redukują wydostawanie się pyłu, straty produktu oraz przenikanie wilgotnego powietrza otoczenia. W zależności od procesu stosuje się szczelne systemy dokujące kontenerów, śluzy, rękawice ochronne (glove box) lub izolatory. Przy materiałach bardzo wrażliwych na wilgoć mieszalnik może zostać zintegrowany w suszarni. Suszarnia i inertyzacja procesu muszą być wzajemnie dostosowane pod względem kaskad ciśnienia, transferu materiału i prowadzenia powietrza wywiewnego.
Koncepcja bezpieczeństwa jako system całościowy
Bezpieczna koncepcja mieszania materiałów bateryjnych łączy charakterystykę materiałową, ocenę ryzyka, koncepcję stref, inertyzację, unikanie źródeł zapłonu oraz ewentualnie konstrukcyjną ochronę przeciwwybuchową. Wszystkie komponenty istotne dla bezpieczeństwa muszą być sprawdzalne, konserwowalne i włączone w jasne instrukcje eksploatacji. Decydujące jest dopasowane współdziałanie właściwości materiałowych, prowadzenia procesu, mieszalnika, peryferii i otoczenia.
Jak amixon® miesza materiały bateryjne: proszki katodowe i anodowe w sposób niskokontaminacyjny, łagodny i o niskiej skłonności do rozdzielania się
Materiały bateryjne stawiają wysokie wymagania technice mieszania i koncepcji instalacji. Proszki katodowe i anodowe powinny w miarę możliwości nie przyjmować ścierania metalu, wrażliwe struktury cząstek mają zostać zachowane, a mieszanina musi dać się opróżnić całkowicie i bez istotnego rozdzielania się. amixon® łączy w tym celu powolne ruchy mieszające, intensywną całkowitą cyrkulację, materiały o niskim zużyciu oraz konstrukcję zaprojektowaną pod kątem opróżniania resztkowego.
Ochrona przed kontaminacją zaczyna się od materiału
Zanieczyszczenia metaliczne mogą pogarszać jakość materiałów bateryjnych. Dlatego dobór materiałów w amixon® jest dopasowywany do właściwości danego produktu. W zależności od ścieralności i wymagań co do czystości stosuje się materiały odporne na zużycie, hartowane lub wyposażone w węgliki spiekane narzędzia mieszające, a także powłoki ceramiczne na szczególnie obciążonych powierzchniach.
Powolny ruch obrotowy i idealna jakość mieszania
Powolny ruch obrotowy jest kluczową cechą techniki mieszania amixon®. Łączy on łagodne traktowanie produktu z intensywnym obiegiem całej objętości mieszania. Całkowita cyrkulacja SinConvex® obejmuje produkt w całej przestrzeni mieszania i może wyraźnie redukować lokalne strefy ścinania i uderzenia.
Jest to szczególnie korzystne dla formulacji katodowych i anodowych zawierających wrażliwe składniki, takie jak sadze przewodzące, cząstki powlekane lub granulaty sferyczne. Również przy różnych wielkościach ziarna i gęstościach można osiągnąć bardzo wysoką jakość mieszania. Celem jest odtwarzalny, statystycznie równomierny rozkład wszystkich składników receptury przy możliwie niskim obciążeniu mechanicznym produktu.
Niemal całkowite i wolne od rozdzielania się opróżnianie
Wysoka jakość mieszania nie może zostać utracona podczas wyładunku. Dlatego opróżnianie jest istotnym elementem koncepcji mieszania w amixon®. Elementy ComDisc® wspierają opróżnianie resztkowego produktu z przestrzeni mieszania i redukują ryzyko rozdzielania się podczas fazy wyładunku.
KoneSlid® KS umożliwia bardzo szybkie opróżnianie mieszalnika. Krótki czas wyładunku może ograniczyć tworzenie się stożka usypowego i późniejsze efekty separacji. Produkt trafia dzięki temu możliwie kompletnie, homogenicznie i w sposób odtwarzalny do kolejnego procesu lub przewidzianego opakowania. Osiągalne opróżnianie resztkowe zależy zawsze od produktu, receptury, wilgotności, struktury cząstek i konfiguracji instalacji.
Wykonanie ciśnieniowe lub odporne na uderzenie ciśnieniowe
W przypadku materiałów bateryjnych mogą występować drobne, palne pyły, atmosfery rozpuszczalnikowe lub materiały aktywne wrażliwe na utlenianie. Dlatego mieszalnik może zostać zaprojektowany specyficznie dla projektu pod kątem inertyzacji, pracy próżniowej oraz wymagań dotyczących wytrzymałości ciśnieniowej lub odporności na uderzenie ciśnieniowe.
Wykonanie ciśnieniowe jest zaprojektowane na określone ciśnienia wewnętrzne i może być wymagane na przykład w procesach próżniowych, przy inertyzacji lub prowadzeniu procesu w sposób gazoszczelny. Wykonanie odporne na uderzenie ciśnieniowe stanowi element koncepcji ochrony przeciwwybuchowej, gdy mieszalnik musi wytrzymać mechaniczne skutki określonego ciśnienia wybuchu. To, jaka konstrukcja jest wymagana, wynika z oceny ryzyka, parametrów bezpieczeństwa produktu oraz koncepcji ochrony przeciwwybuchowej całej instalacji.
Przestrzeń mieszania może przy odpowiednim doborze nadawać się do zastosowań w strefie ATEX 20. Dla materiałów wrażliwych na utlenianie lub wilgoć mieszany materiał może zostać inertyzowany. Gazoszczelne aparaty, takie jak VMT i AMT, mogą ponadto umożliwiać procesy próżniowe i próżniowe suszenie mieszaniny w tej samej przestrzeni procesowej. Dzięki temu można ograniczyć etapy przesypywania, interfejsy i potencjalne źródła kontaminacji.
Wielkości konstrukcyjne aż do skali gigafabryki
amixon® oferuje technikę mieszania od mieszalnika w skali centrum prób aż po wielkoobjętościową instalację produkcyjną. Dwuwałowe mieszalniki HM są dostępne w standardowych wielkościach konstrukcyjnych do 20 metrów sześciennych oraz w wykonaniach specjalnych do 50 metrów sześciennych. Gyraton® GM może zostać zaprojektowany dla dużych wsadów i nadaje się również do mas bateryjnych w zakresie ok. 10 do 100 metrów sześciennych.
Dobór jest sprawdzany przed inwestycją w centrum prób amixon® z oryginalnym produktem. Można przy tym ocenić jakość mieszania, łagodność wobec produktu, ścieranie, opróżnianie resztkowe, inertyzację i możliwość czyszczenia w warunkach realistycznych. Analizy cząstek i kontaminacji mogą zostać włączone do koncepcji prób wspólnie z operatorem.
Projektowanie higieniczne jako podstawa konstrukcyjna
Projektowanie higieniczne amixon® wspiera możliwość czyszczenia, czystość produktu i bezpieczną zmianę wsadów. Przestrzeń mieszania i mieszadło są spawane bez szczelin i wypolerowane. Mieszadło jest łożyskowane wyłącznie od góry. Dolny przepust wału mający kontakt z produktem może dzięki temu odpaść.
Duże drzwi inspekcyjne Clever-Cut® z uszczelkami OmgaSeal® umożliwiają dobry dostęp do powierzchni mających kontakt z produktem. Organy wylotowe o niskiej liczbie stref martwych oraz opcjonalnie zintegrowane lance myjące wspierają czyszczenie na sucho lub na mokro. W zależności od produktu, rynku i wymagań instalacja może zostać zaprojektowana zgodnie z odpowiednimi koncepcjami i standardami higienicznymi.
amixon® łączy tym samym powolny ruch obrotowy, bardzo wysoką jakość mieszania, niemal całkowite opróżnianie oraz konstrukcję możliwą do zaprojektowania pod kątem wytrzymałości ciśnieniowej lub odporności na uderzenie ciśnieniowe. Rezultatem jest instalacja mieszająca, która przetwarza wymagające materiały bateryjne w sposób łagodny, bezpieczny i odtwarzalny.