Jakie koncepcje ochrony przeciwwybuchowej (konstrukcja odporna na uderzenie ciśnienia, inertyzacja, odsprzęganie) są typowe przy ryzyku wybuchu pyłu?
Przy ryzyku wybuchu pyłu łączy się środki ochronne o charakterze zapobiegawczym i konstrukcyjnym. W pierwszej kolejności należy unikać niebezpiecznych wybuchowych atmosfer pyłowych oraz skutecznych źródeł zapłonu. Jeżeli nie jest to możliwe z wystarczającą pewnością, środki konstrukcyjne ograniczają skutki ewentualnego wybuchu do akceptowalnego poziomu. TRGS 724 wymienia w tym celu cztery podstawowe środki: konstrukcję odporną na wybuch, odciążenie wybuchowe, tłumienie wybuchu oraz odsprzężenie techniczne płomieni i ciśnienia.
Wybór koncepcji ochronnej zależy od danych materiałowych istotnych dla bezpieczeństwa, wielkości aparatu, podłączonych rurociągów, miejsca ustawienia, koncepcji eksploatacji oraz możliwych skutków zdarzenia. Istotne dane to w szczególności KSt, maksymalne ciśnienie wybuchu pmax, minimalna energia zapłonu, minimalne temperatury zapłonu, wielkość ziarna, wilgotność, przewodność elektryczna oraz w razie potrzeby dane dotyczące mieszanin hybrydowych.
Konstrukcja odporna na wybuch
Aparaty odporne na wybuch, na przykład mieszalniki, filtry, silosy, cyklony, suszarki lub rurociągi, projektuje się tak, aby wytrzymały spodziewany wybuch wewnętrzny bez rozerwania. Po zdarzeniu wybuchu lub detonacji dotknięte części instalacji muszą zostać sprawdzone pod kątem tego, czy ich odporność na wybuch nadal jest zachowana.
Rozróżnia się przy tym konstrukcję odporną na ciśnienie wybuchu i konstrukcję odporną na uderzenie ciśnienia wybuchu. Komponenty odporne na ciśnienie wybuchu wytrzymują maksymalne lub zredukowane ciśnienie wybuchu bez trwałego odkształcenia. Komponenty odporne na uderzenie ciśnienia wybuchu mogą ulegać odkształceniu plastycznemu, nie mogą jednak pękać ani niebezpiecznie przeciekać. Konstrukcja odporna na ciśnienie wybuchu spełnia jednocześnie wymagania konstrukcji odpornej na uderzenie ciśnienia wybuchu.
Dobór konstrukcji może opierać się na maksymalnym ciśnieniu wybuchu lub – jeżeli przewidziano skuteczne odciążenie ciśnieniowe albo tłumienie wybuchu – na zredukowanym ciśnieniu wybuchu pred. Ogólne wartości typu „8 do 10 bar” nie stanowią podstawy doboru dla konkretnego aparatu. Mogą one znacząco odbiegać w zależności od pyłu, mieszaniny hybrydowej, ciśnienia początkowego, temperatury i geometrii. Konieczny jest dobór właściwy dla danego projektu, oparty na sprawdzonych danych materiałowych i uznanych regułach.
Inertyzacja
Przy inertyzacji zawartość tlenu w przestrzeni procesowej jest zmniejszana za pomocą odpowiedniego gazu obojętnego albo atmosfera jest w dużej mierze zastępowana gazem obojętnym. Dzięki temu wybuch lub pożar nie powinien powstać albo nie powinien się rozwinąć. Inertyzacja jest zatem zapobiegawczym, a nie konstrukcyjnym środkiem ochrony przeciwwybuchowej.
Azot jest często stosowany do pyłów organicznych i wielu proszków chemicznych. Dwutlenek węgla lub argon mogą być odpowiednie w określonych przypadkach. Wybór wymaga jednak oceny reaktywności chemicznej, temperatury procesu, możliwej korozji, jakości produktu, wymagań BHP oraz zachowania substancji w przypadku zakłóceń. W przypadku reaktywnych proszków metali niewłaściwie dobrany gaz obojętny może sam stwarzać dodatkowe ryzyko.
Dopuszczalna wartość tlenu musi znajdować się poniżej granicznego stężenia tlenu wyznaczonego dla konkretnego układu pył–gaz obojętny. Ustala się ją z zapasem bezpieczeństwa, uwzględniając niepewność pomiaru, nieszczelności, wahania ciśnienia i temperatury, wilgotność, zmiany produktu oraz możliwe uwolnienie tlenu. Ogólne wartości docelowe dla tlenu resztkowego nie są wystarczające.
Typowymi metodami są inertyzacja próżniowo-ciśnieniowa (wielokrotna zmiana ciśnienia) przy procesach wsadowych, inertyzacja przepływowa lub przez przepłukiwanie przy instalacjach ciągłych oraz utrzymywanie lekkiego nadciśnienia gazu obojętnego. Bezpieczne wdrożenie wymaga wystarczająco szczelnej instalacji, odpowiedniego zasilania gazem obojętnym, reprezentatywnego pomiaru tlenu, granic alarmowych, blokad oraz koncepcji postępowania na wypadek zakłóceń lub awarii zasilania.
Odsprzężenie i ochrona wtórna
Odsprzężenie techniczne pod względem ochrony przeciwwybuchowej zapobiega przenoszeniu się ciśnienia, płomieni lub płonących cząstek przez rurociągi i drogi transportu na inne części instalacji. Ma ono szczególne znaczenie na styku mieszalnika, filtra, silosu, cyklonu, przenośnika, suszarki i stacji napełniania. Bez odpowiedniego odsprzężenia wybuch w niewielkiej objętości aparatu może rozprzestrzenić się na większe, podłączone obszary instalacji.
Jako odsprzężenie stosuje się na przykład odpowiednie pod względem ochrony przeciwwybuchowej klapy zwrotne, zasuwy szybkozamykające, zawory przeciwwybuchowe, bariery gaśnicze lub certyfikowane śluzy celkowe. Dany środek musi być dopasowany do klasy wybuchowości pyłu, geometrii rurociągu, kierunku przepływu, wydajności, warunków ciśnieniowych i miejsca montażu. Śluza celkowa jest skuteczna jako odsprzężenie tylko wtedy, gdy jest wyraźnie zaprojektowana do tej funkcji ochronnej, odpowiednio zainstalowana i regularnie sprawdzana.
Odciążenie ciśnieniowe i tłumienie wybuchu uzupełniają wymienione koncepcje. Przy odciążeniu ciśnieniowym otwierają się membrany bezpieczeństwa lub klapy odciążające, dzięki czemu ciśnienie i płomienie są odprowadzane do bezpiecznego obszaru. Jeżeli odciążenie na zewnątrz nie jest możliwe, konieczne mogą być bezpłomieniowe systemy odciążające lub instalacje tłumiące. Systemy tłumienia wybuchu rozpoznają początek zdarzenia i wprowadzają środek gaśniczy, aby ograniczyć wzrost ciśnienia. Obie metody wymagają skoordynowanego doboru, kontroli i konserwacji.
W ten sposób amixon® wspiera ochronę przeciwwybuchową przy pyłach wybuchowych
Dobór komory produktowej zgodny z ATEX
Przy proszkach wybuchowych pyłowo wnętrze mieszalnika, granulatora, suszarki lub reaktora jest często klasyfikowane jako strefa 20. Strefa 20 oznacza obszar, w którym wybuchowa atmosfera pyłowa występuje stale, przez długi czas lub często. Ostateczny podział na strefy dla całej instalacji jest jednak ustalany przez użytkownika w ramach oceny ryzyka. Obejmuje on oprócz mieszalnika także dozowanie, napełnianie, wyładunek, filtry, przewody transportowe, silosy, stację napełniania i pomieszczenie, w którym instalacja jest ustawiona.
amixon® może wykonywać mieszalniki, granulatory, próżniowe suszarko-mieszalniki i reaktory mieszające do zastosowań z komorą produktową sklasyfikowaną jako strefa 20. Dotyczy to – zależnie od serii, wielkości i konfiguracji projektu – mieszalników jednowałowych, mieszalników pionowych i stożkowych, mieszalników kontenerowych, mieszalników ciągłych oraz próżniowych suszarko-mieszalników i reaktorów mieszających serii VMT i AMT. Konkretne wykonanie aparatu, kategoria urządzenia, dopuszczalna temperatura powierzchni, wyposażenie elektryczne i nieelektryczne oraz wymagana dokumentacja są ustalane indywidualnie dla projektu na podstawie danych materiałowych i warunków procesowych.
Dyrektywa produktowa ATEX 2014/34/UE reguluje wymagania dotyczące urządzeń i systemów ochronnych dla obszarów zagrożonych wybuchem. Dyrektywa eksploatacyjna ATEX 1999/92/WE zobowiązuje użytkownika do przeprowadzenia oceny ryzyka, podziału na strefy i sporządzenia dokumentu zabezpieczenia przed wybuchem. Dla komory produktowej sklasyfikowanej jako strefa 20 zasadniczo wymagany jest bardzo wysoki poziom ochrony, odpowiadający zwykle wykonaniu kategorii 1D.
Źródła zapłonu i szczelność
Niskie prędkości narzędzia mogą ograniczać wprowadzanie energii mechanicznej oraz energię tarcia, uderzenia i ścierania. Dla mieszalników pionowych VM i HM amixon® podaje nastawialny zakres około 0,8 do 3,5 m/s. Ten sposób pracy może dodatkowo zmniejszać obciążenie cząstek przy wrażliwych proszkach. Nie stanowi on jednak ogólnego dowodu na to, że w mieszalniku nie może wystąpić skuteczne źródło zapłonu. Również przy niskich obrotach należy ocenić między innymi łożyska, uszczelnienia, wały, kontakty narzędzie–ściana, ciała obce, blokady, temperatury powierzchni, ładunki elektrostatyczne i komponenty elektryczne.
Komory mieszania i narzędzia mieszające mogą być wykonane z niewielką liczbą szczelin i wypolerowane. Drzwi inspekcyjne Clever-Cut® z uszczelnieniem OmgaSeal® są według amixon® zaprojektowane do uszczelnienia komory produktowej z minimalną liczbą stref martwych. Te cechy mogą zmniejszać emisję pyłu i osadzanie się złogów. Rzeczywista szczelność jest jednak określana także przez różnice ciśnień, materiał uszczelnienia, zużycie, montaż, konserwację i konkretne prowadzenie procesu. Konstrukcja pyłoszczelna zmniejsza ryzyko osadzania się pyłu, ale nie zastępuje ani skutecznej koncepcji czyszczenia, ani oceny możliwych wybuchów wtórnych.
Dla całościowej koncepcji zgodnej z ATEX konieczne mogą być monitorowanie temperatury i momentu obrotowego, odpowiednie koncepcje łożyskowania i uszczelnień, zarządzanie ciałami obcymi, uziemienie, wyrównanie potencjałów oraz konserwacja zapobiegawcza. Dla warstw pyłu TRGS 723 podaje zasadniczo margines bezpieczeństwa 75°C między minimalną temperaturą zapłonu warstwy pyłu a temperaturą powierzchni, o ile ocena ryzyka nie dopuszcza innego ustalenia.
Dobór ciśnieniowy i odsprzężenie
Próżniowe suszarko-mieszalniki i reaktory mieszające VMT i AMT mogą być wykonane w wersji gazoszczelnej, próżnioszczelnej i ciśnieniowoszczelnej. Cechy te są wymagane dla procesów prowadzonych pod próżnią, nadciśnieniem lub w atmosferze gazu obojętnego. Nie oznaczają one jednak automatycznie, że aparat jest zaprojektowany jako odporny na ciśnienie wybuchu lub na uderzenie ciśnienia wybuchu. Odpowiedni dobór musi zostać wyraźnie określony i opiera się na danych materiałowych istotnych dla bezpieczeństwa, takich jak KSt, pmax, minimalna energia zapłonu, temperatury zapłonu, wilgotność, wielkość ziarna i możliwe mieszaniny hybrydowe.
Konstrukcja odporna na ciśnienie wybuchu lub na uderzenie ciśnienia wybuchu może być częścią konstrukcyjnej koncepcji ochrony przeciwwybuchowej. Jest ona dobierana, zależnie od strategii ochrony, na maksymalne ciśnienie wybuchu albo na ciśnienie zredukowane przez odciążenie lub tłumienie. Po zdarzeniu dotknięte elementy muszą zostać sprawdzone pod kątem dalszej integralności i przydatności do eksploatacji.
Odsprzężenie techniczne pod względem ochrony przeciwwybuchowej jest konieczne, jeżeli ciśnienie, płomienie lub płonące cząstki mogłyby przenosić się przez przewody łączące na inne części instalacji. Dotyczy to zwłaszcza styków między mieszalnikiem, filtrem, silosem, suszarką, przenośnikiem i instalacją napełniającą. Odpowiednimi środkami mogą być sprawdzone pod względem ochrony przeciwwybuchowej klapy zwrotne, zasuwy szybkozamykające, zawory przeciwwybuchowe, bariery gaśnicze lub odpowiednie śluzy celkowe. Wybór i dobór następują dla konkretnego ciągu procesowego, klasy wybuchowości pyłu, geometrii rurociągu, wydajności i warunków ciśnieniowych.
Inertyzacja jako środek zapobiegawczy
Inertyzacja może być stosowana jako zapobiegawczy środek ochrony przeciwwybuchowej. Zawartość tlenu w przestrzeni procesowej jest przy tym redukowana za pomocą odpowiedniego gazu obojętnego do bezpiecznej wartości poniżej granicznego stężenia tlenu wyznaczonego dla konkretnego układu pył–gaz obojętny. W aparatach próżniowych atmosferę można ustawić na przykład przez wielokrotne odpompowywanie i następujące po nim napełnianie odpowiednim gazem obojętnym. amixon® opisuje tę zasadę dla próżniowych suszarko-mieszalników i reaktorów syntezy.
Warunkiem jest wystarczająco szczelna instalacja, odpowiednie zasilanie gazem obojętnym, zdefiniowane sekwencje odpompowywania i przepłukiwania, reprezentatywny pomiar tlenu, granice alarmowe oraz blokady związane z bezpieczeństwem. Dopuszczalna wartość zadana tlenu musi zostać zdefiniowana dla konkretnej receptury, gazu obojętnego, ciśnienia, temperatury, wilgotności i niepewności pomiaru. Ogólne wartości zadane tlenu nie są wystarczające.
Inertyzacja zmniejsza prawdopodobieństwo powstania atmosfery wybuchowej, nie zastępuje jednak wszystkich pozostałych środków ochronnych. Nie chroni ona automatycznie przed samozapłonem, rozkładem termicznym, reakcjami egzotermicznymi ani możliwymi pożarami w osadach. Przy składnikach utleniających i proszkach reaktywnych szczególnie starannie należy sprawdzić przydatność gazu obojętnego oraz skuteczność inertyzacji.
Próby i dobór
Dobór opiera się na danych materiałowych istotnych dla bezpieczeństwa, specyfikacji wymagań użytkownika (User Requirement Specification) oraz analizie całego układu instalacji. Próby z produktem oryginalnym mogą ocenić przydatność procesową, na przykład jakość mieszania, rozwój temperatury, rozprowadzenie cieczy, narosty, wyładunek, zdolność do czyszczenia i zachowanie pod próżnią. Nie zastępują one jednak badania bezpieczeństwa substancji, doboru odciążenia ciśnieniowego, tłumienia lub odsprzężenia ani oceny ryzyka przeprowadzanej przez wykwalifikowanych specjalistów ds. ochrony przeciwwybuchowej.
amixon® podaje, że w siedzibie w Paderborn eksploatuje ponad 30 instalacji próbnych różnych wielkości; dodatkowe centra prób dostępne są w Japonii, Indiach, Tajlandii, Chinach, Korei Południowej i USA. Wyniki prób mogą wspierać wybór mieszalnika, narzędzi, uszczelnień, sposobu przenoszenia ciepła, koncepcji dozowania i prowadzenia procesu.