Czy istnieją instalacje mieszająco-suszące o konstrukcji odpornej na ciśnienie wybuchu i możliwości inertyzacji dla drobnych chemikaliów?
Tak. Dla drobnych, palnych, reaktywnych lub zawierających rozpuszczalniki chemikaliów dostępne są instalacje mieszające, reaktorowe i suszące, które mogą być projektowane jako odporne na wybuch, odpowiednio odporne na uderzenie ciśnienia wybuchu, i łączone z inertyzacją przestrzeni procesowej. Typowymi aparatami są suszarki próżniowe stożkowe, próżniowe suszarko-mieszalniki, suszarki z mieszadłem i łopatkowe, suszarki filtracyjne, suszarki nucz oraz gazoszczelne reaktory mieszające.
Projekt musi być zawsze wykonany dla konkretnej substancji, rzeczywistego sposobu eksploatacji i całego zespołu instalacji. Sama odporna na wybuch konstrukcja zbiornika nie wystarcza, jeśli na przykład przewody dozujące, filtry, kondensatory, systemy próżniowe, organy wyładowcze lub kolejne instalacje transportowe nie są odpowiednio chronione lub oddzielone technicznie od strefy zagrożenia wybuchem.
Konstrukcja odporna na wybuch
Urządzenia odporne na wybuch są skonstruowane tak, aby wytrzymać wewnętrzny wybuch bez rozerwania i bez wywoływania niebezpiecznych skutków dla otoczenia. Norma DIN EN 14460 rozróżnia urządzenia odporne na ciśnienie wybuchu i odporne na uderzenie ciśnienia wybuchu. Urządzenia odporne na ciśnienie wybuchu muszą wytrzymać ustalone ciśnienie wybuchu bez trwałego odkształcenia. Przy urządzeniach odpornych na uderzenie ciśnienia wybuchu dopuszczalne są trwałe odkształcenia, o ile zachowana zostaje integralność aparatu i nie powstają niebezpieczne skutki na zewnątrz.
Wymagany projekt opiera się na bezpieczeństwie technicznym parametrów substancji i danych procesowych. Przy pyłach palnych należą do nich zwłaszcza maksymalne ciśnienie wybuchu pmax, wskaźnik wybuchowości pyłu KSt, minimalna energia zapłonu, minimalna temperatura zapłonu, temperatura żarzenia, wielkość ziarna, wilgotność i możliwe mieszaniny hybrydowe pyłu i par rozpuszczalnika. Przy palnych cieczach i parach rozpuszczalników istotne są między innymi temperatura zapłonu, granice wybuchowości, temperatura samozapłonu, ciśnienie robocze i temperatura robocza.
Konstrukcja odporna na wybuch to tylko jeden z możliwych środków ochronnych. Inne opcje to na przykład odciążenie ciśnienia wybuchu, bezpłomieniowe odciążenie ciśnienia, tłumienie wybuchu lub odporna na wybuch, odpowiednio technicznie odsprzężona od wybuchu, cała instalacja. Który środek jest dopuszczalny i sensowny, zależy od miejsca ustawienia, produktu, objętości zbiornika, możliwej siły wybuchu, narażenia personelu i podłączonych części instalacji.
Inertyzacja przestrzeni procesowej
Inertyzacja zapobiega lub redukuje prawdopodobieństwo powstania atmosfery wybuchowej poprzez zastąpienie tlenu gazem niereaktywnym, takim jak azot, argon lub – o ile jest to dopuszczalne materiałowo i procesowo – dwutlenek węgla. Stężenie tlenu utrzymywane jest poniżej granicznego stężenia tlenu określonego dla konkretnego systemu paliwo-gaz obojętny, międzynarodowo nazywanego zazwyczaj Limiting Oxygen Concentration. To stężenie nie jest ogólną stałą materiałową: zależy od produktu, wielkości ziarna, wilgotności, temperatury, ciśnienia, gazu obojętnego i warunków badania i musi zostać określone dla przewidzianego zastosowania.
Możliwymi metodami inertyzacji są inertyzacja próżniowo-ciśnieniowa zmienna, wielokrotne ewakuowanie i zalewanie aparatu odpornego na próżnię, inertyzacja przepływowa z ciągłym płukaniem azotem oraz inertyzacja wypierająca przy ciągłym zasilaniu. Metody próżniowo-ciśnieniowe są szczególnie korzystne przy suszarkach próżniowych, ponieważ przestrzeń procesowa jest już zaprojektowana na podciśnienie. Przydatność zależy jednak od szczelności zbiornika, dopuszczalnego zakresu ciśnienia, zachowania produktu, ilości rozpuszczalnika, systemu kondensacji i zużycia azotu.
Bezpieczna inertyzacja obejmuje więcej niż jednorazowe dodanie azotu. Wymaga zdefiniowanej sekwencji inertyzacji, sprawdzonej szczelności, odpowiednich punktów pomiarowych, nadzoru zawartości tlenu, wartości alarmowych i wyłączających, blokad przed napełnianiem lub ogrzewaniem przy zbyt wysokiej zawartości tlenu oraz środków na wypadek błędów pomiaru, konserwacji czujników i awarii zasilania. Dopuszczalne stężenie tlenu musi być ustalone z marginesem bezpieczeństwa poniżej eksperymentalnie określonego stężenia granicznego.
Koncepcja instalacji i bezpieczeństwo
Dla drobnych chemikaliów sensowna jest często kombinacja prewencyjnej i konstrukcyjnej ochrony przeciwwybuchowej. Inertyzacja ma zapobiegać powstawaniu atmosfery wybuchowej. Konstrukcja odporna na wybuch lub na uderzenie ciśnienia wybuchu może stanowić dodatkową warstwę ochrony, gdyby inertyzacja zawiodła, wniknęło powietrze, powstała mieszanina hybrydowa lub wystąpiła inna usterka. Tych warstw ochrony nie wolno jednak bez formalnej oceny zagrożenia uznawać automatycznie za niezależne lub wystarczające.
Przy drobnych proszkach wyładowania elektrostatyczne mogą już być skutecznym źródłem zapłonu. Dlatego do całościowej koncepcji należą uziemienie i wyrównanie potencjałów, ocena nieelektrycznych źródeł zapłonu, odpowiednie materiały, kontrolowane prędkości napełniania i wyładowania oraz ewentualnie przewodzące lub odprowadzające ładunki komponenty. Inertyzacja nie może zasadniczo zapobiec naładowaniu elektrostatycznemu; zmniejsza ona przede wszystkim ryzyko obecności atmosfery zdolnej do zapłonu.
Podział na strefy i dobór urządzeń dla obszarów zagrożonych wybuchem wynikają z oceny zagrożenia i dokumentu zabezpieczenia przed wybuchem. Dyrektywa produktowa ATEX 2014/34/UE dotyczy urządzeń i systemów ochronnych do stosowania w obszarach zagrożonych wybuchem. Ocena stanowiska pracy, stref i środków organizacyjnych odbywa się w ramach obowiązujących przepisów bezpieczeństwa pracy i ochrony przeciwwybuchowej. Skutecznie nadzorowana inertyzacja może sprawić, że wewnątrz aparatu nie należy spodziewać się atmosfery wybuchowej. Nie prowadzi ona jednak automatycznie do określonego podziału na strefy ani do pełnego zwolnienia wszystkich części instalacji z ochrony przeciwwybuchowej.
Walidacja i dobór
Wybór instalacji mieszającej lub suszącej powinien wynikać z udokumentowanej analizy bezpieczeństwa. Należą do niej dane materiałowe i badania bezpieczeństwa, rozpatrzenie eksploatacji normalnej, rozruchu, wyłączania, czyszczenia, konserwacji i zdarzeń awaryjnych, a także ocena wszystkich interfejsów do filtrów, kondensatorów, pomp próżniowych, przewodów rurowych, systemów transportowych i instalacji napełniania.
Istotnymi danymi projektowymi są pmax, KSt, minimalna energia zapłonu, temperatury zapłonu, graniczne stężenie tlenu, stężenia rozpuszczalnika i pyłu, ciśnienie robocze, temperatura robocza, wilgotność produktu, wielkość ziarna i przewodność elektryczna. Dopiero z nich wyprowadza się dopuszczalną wartość zadaną tlenu, wymagania wobec zbiornika i uszczelnień, wymiarowanie zasilania w gaz obojętny, oprzyrządowanie bezpieczeństwa i konieczne środki ochronne lub oddzielające.
Próżniowe suszarko-mieszalniki i reaktory syntezy amixon®
amixon® oferuje z seriami VMT i AMT próżniowe suszarko-mieszalniki i reaktory mieszające dla proszków, zawiesin, past i produktów ciastowatych. Mogą być projektowane do procesów, w których mieszanie, reagowanie, suspendowanie, krystalizacja, kondycjonowanie, powlekanie, deaglomeracja oraz suszenie kontaktowe lub próżniowe odbywają się w jednym zamkniętym aparacie. Czy wszystkie te kroki dają się sensownie połączyć w jednym aparacie, zależy od układu substancji, kinetyki reakcji, przebiegu lepkości, przenoszenia ciepła, zachowania fazy stałej i wymagań czyszczenia, i powinno być sprawdzone w próbach z oryginalnym produktem.
Pionowy próżniowy suszarko-mieszalnik i reaktor VMT nadaje się do procesów z produktami suchymi, wilgotnymi lub pastowatymi. Stożkowy suszarko-mieszalnik i reaktor AMT jest również przystosowany do proszków, zawiesin, past i ciast. Oba aparaty mogą być wykonane szczelnie ciśnieniowo i próżniowo oraz temperowane wodą, parą lub olejem termalnym. Umożliwia to specyficzne dla procesu ustawienie temperatury produktu, ciśnienia w układzie i strumienia ciepła. Rzeczywiście osiągalna wysokość próżni, dopuszczalne ciśnienie robocze, granice temperatury oraz czas suszenia zależą od wielkości aparatu, systemu próżniowego, kondensacji, szczelności, produktu i rozpuszczalnika i muszą być specyfikowane specyficznie dla projektu.
Przenoszenie ciepła i suszenie
Przy suszeniu kontaktowym próżniowym ciepło jest przenoszone do produktu przez podwójną ściankę zbiornika oraz – zależnie od wykonania – przez temperowane narzędzia mieszające. Temperowany wał, ramiona mieszające i narzędzia helikalne mogą powiększać powierzchnię wymiany ciepła w porównaniu z wyłącznie ogrzewanym płaszczem zbiornika. Wspiera to przenoszenie ciepła i masy, zwłaszcza gdy produkt zmienia swój stan reologiczny podczas suszenia lub skłania się do tworzenia grudek.
Oddzielnie napędzane rotory tnące mogą przy odpowiednim prowadzeniu produktu wspierać rozpuszczanie grudek i tym samym powiększać efektywną powierzchnię produktu podczas suszenia. Jednocześnie zwiększają one mechaniczne wprowadzanie energii i muszą być stosowane ostrożnie przy wrażliwych kryształach lub granulatach. Temperowany filtr oparowy może ograniczać wynos fazy stałej do odcinka próżniowo-kondensacyjnego. Przy procesach zawierających rozpuszczalnik mogą być przewidziane odpowiednie systemy kondensacji i odzysku; ich dobór zależy między innymi od rozpuszczalnika, ilości pary, poziomu ciśnienia, temperatury kondensacji i koncepcji bezpieczeństwa.
Ochrona przeciwwybuchowa i inertyzacja
Komora mieszania i przyłącza procesowe mogą być wykonane gazoszczelnie, próżniowo-szczelnie i wytrzymale na ciśnienie dla zastosowań z palnymi pyłami, parami lub mieszaninami hybrydowymi. amixon® podaje dla wykonań VMT i AMT komorę mieszania odpowiednią dla strefy ATEX 20. Ta informacja nie zastępuje jednak specyficznej dla instalacji oceny ochrony przeciwwybuchowej. Czy sam aparat musi być odporny na ciśnienie wybuchu, odporny na uderzenie ciśnienia wybuchu, odciążony ciśnieniowo czy eksploatowany w atmosferze obojętnej, wynika z parametrów materiałowych, geometrii aparatu, ciśnienia roboczego, udziału rozpuszczalnika, podłączonych komponentów instalacji i wybranej koncepcji ochronnej.
Dla inertyzacji przestrzeń procesowa może być najpierw ewakuowana, a następnie napełniona gazem obojętnym. Poprzez powtarzane cykle ewakuacji i płukania można dalej obniżać zawartość tlenu. amixon® opisuje to postępowanie dla próżniowych suszarko-mieszalników i reaktorów syntezy; jako gazy obojętne firma podaje między innymi azot, dwutlenek węgla i gazy szlachetne. Czy azot, dwutlenek węgla czy inny gaz obojętny jest odpowiedni, zależy od chemii produktu, temperatury roboczej, możliwej reaktywności, danych bezpieczeństwa i wymaganej granicy tlenu.
Inertyzacja wymaga szczelnej instalacji, zdefiniowanych przebiegów płukania i ewakuacji, odpowiedniego pomiaru tlenu oraz blokad zorientowanych na bezpieczeństwo. Dopuszczalna wartość tlenu musi być ustalona z wystarczającym marginesem bezpieczeństwa poniżej specyficznego dla substancji i procesu granicznego stężenia tlenu. Inertyzacja jest prewencyjnym środkiem ochrony przeciwwybuchowej. Może zapobiec wystąpieniu atmosfery wybuchowej, nie zastępuje jednak automatycznie oceny możliwych źródeł zapłonu, sprawdzenia podłączonych komponentów ani wymaganej wytrzymałości ciśnieniowej i oddzielenia całej instalacji.
Materiały i koncepcja higieniczna
Dla zastosowań korozyjnych, ściernych lub wysokoczystych można wybierać odpowiednie materiały i koncepcje powierzchni. amixon® pokazuje na przykład VMT 200 wykonany z Alloy 59 i podaje ponadto ceramiczne powłoki plazmowe jako ochronę przed zużyciem. Inne materiały specjalne, na przykład stopy na bazie niklu, muszą być dobierane zależnie od korozji, temperatury, rozpuszczalnika, zawartości chlorków, chemii czyszczącej i czystości produktu.
VMT może być według producenta wykonany tak, aby uwzględniać wymagania FDA, wytyczne EHEDG i normy 3-A Sanitary Standards i aby mógł być stosowany jako reaktor sterylny. Czy te wymagania są spełnione dla konkretnej instalacji, musi być określone i udokumentowane na podstawie rzeczywistego wykonania, materiałów mających kontakt z produktem, uszczelnień, powierzchni oraz parametrów czyszczenia i sterylizacji. VMT posiada według amixon® zawór kulowo-segmentowy o niskim udziale stref martwych, szczelny próżniowo i wytrzymały na ciśnienie.
Projektowanie poprzez próby
Dla wymagających procesów suszenia, krystalizacji lub reakcji decydujące są próby z oryginalnym produktem. Można przy tym badać poziom ciśnienia, temperaturę produktu, media grzewcze i chłodzące, intensywność mieszania, zastosowanie rotora tnącego, kondensację i przebieg inertyzacji. Istotnymi wynikami są na przykład czas suszenia, resztkowy rozpuszczalnik, wilgotność resztkowa, forma kryształów, rozkład wielkości cząstek, tworzenie aglomeratów, temperatura produktu, przenoszenie ciepła, zachowanie wyładowcze i czyszczalność.
amixon® oferuje w tym celu według własnych informacji próby z oryginalnym produktem w zakładowych centrach prób. Wyniki służą do doboru wielkości aparatu, powierzchni wymiany ciepła, systemu próżniowo-kondensacyjnego, narzędzia mieszającego, materiału oraz koncepcji bezpieczeństwa i inertyzacji dla przewidzianej eksploatacji produkcyjnej.