Jakie wymagania ATEX obowiązują dla mieszalników proszków w produkcji detergentów i jak wdrożyć procesy inertyzowane?
Mieszalniki proszków w produkcji detergentów mogą przetwarzać palne pyły organiczne, składniki utleniające, nośniki zapachowe, surfaktanty, polimery, granulaty enzymatyczne i inne komponenty funkcjonalne. Czy powstaje z tego atmosfera wybuchowa, nie da się wyprowadzić z grupy produktowej „detergent”, lecz musi być ocenione dla konkretnej receptury, jej frakcji drobnopyłowej i możliwych mieszanin hybrydowych pary i pyłu. Podstawę stanowią ocena zagrożenia, dane bezpieczeństwa technicznego materiałów i dokument zabezpieczenia przed wybuchem.
Dyrektywa produktowa ATEX 2014/34/UE reguluje wymagania wobec urządzeń i systemów ochronnych stosowanych w obszarach zagrożonych wybuchem. Dyrektywa eksploatacyjna ATEX 1999/92/WE dotyczy obowiązków użytkownika, w tym podziału na strefy, doboru odpowiednich urządzeń, środków organizacyjnych i dokumentacji. W Niemczech wymagania te są konkretyzowane między innymi przez rozporządzenie o bezpieczeństwie eksploatacji, rozporządzenie o substancjach niebezpiecznych i techniczne reguły dla substancji niebezpiecznych.
Podział na strefy i dobór urządzeń
Wnętrze mieszalnika, silosu, filtra lub przewodu prowadzącego pył jest często strefą 20, jeśli wybuchowa atmosfera pyłowa może tam występować stale, przez długi czas lub często. Strefa 21 może występować w miejscach napełniania, wyładunku, poboru próbek lub filtrów, gdy w normalnej eksploatacji okazjonalnie uwalniany jest pył. Strefa 22 oznacza obszary, w których niebezpieczna atmosfera pyłowa występuje tylko rzadko i krótkotrwale. Konkretny podział zależy od rzeczywistych źródeł uwalniania, właściwości pyłu, szczelności, odsysania, środków czyszczących i geometrii pomieszczenia ustawienia. Nie może być wyprowadzany ryczałtowo z funkcji instalacji.
Dla strefy 20 zasadniczo wymagane jest urządzenie kategorii 1D. W strefie 21 mogą być stosowane urządzenia kategorii 1D lub 2D; w strefie 22 dopuszczalne są urządzenia kategorii 1D, 2D lub 3D. Ocena obejmuje nie tylko silniki, czujniki i szafy sterownicze, lecz również wały mieszalnika, łożyska, uszczelnienia, narzędzia mieszające, klapy, śluzy komórkowe, urządzenia transportowe i filtry. Wszystkie komponenty muszą być ocenione pod względem mechanicznych, termicznych, elektrycznych i elektrostatycznych źródeł zapłonu.
Istotna charakterystyka materiałowa obejmuje co najmniej KSt, maksymalne ciśnienie wybuchu pmax, minimalną energię zapłonu, minimalną temperaturę zapłonu chmury pyłu, minimalną temperaturę zapłonu warstwy pyłu, rozkład wielkości ziaren, wilgotność i przewodność elektryczną. Przy recepturach z lotnymi cieczami, rozpuszczalnikami lub substancjami zapachowymi muszą być uwzględnione także możliwe mieszaniny hybrydowe. Przy inertyzacji dodatkowo potrzebne jest graniczne stężenie tlenu, międzynarodowo nazywane zwykle Limiting Oxygen Concentration, dla konkretnego systemu produkt-gaz obojętny.
Źródła zapłonu i koncepcja ochronna
Priorytet ma unikanie atmosfer wybuchowych i skutecznych źródeł zapłonu. W mieszalniku należy rozpatrywać zwłaszcza temperatury łożysk i uszczelnień, kontakty narzędzie-ściana, ciała obce, blokady, tarcie, gorące powierzchnie, wyładowania elektrostatyczne i urządzenia elektryczne. Odpowiednie środki to nadzór temperatury i momentu obrotowego, separatory ciał obcych, ograniczone obroty narzędzi, bezpieczne koncepcje uszczelnień, uziemienie i wyrównanie potencjałów, komponenty przewodzące lub odprowadzające ładunki oraz prewencyjne utrzymanie ruchu. Dla warstw pyłu TRGS 723 podaje zasadniczo margines bezpieczeństwa 75 °C między minimalną temperaturą zapłonu warstwy pyłu a temperaturą powierzchni, o ile ocena zagrożenia nie uzasadnia innego ustalenia.
Nadwęglan sodu jest substancją utleniającą, a nie palnym pyłem w zwykłym sensie. Może jednak wzmacniać pożary, jest wrażliwy na wilgoć i przy rozkładzie może uwalniać tlen. Karty charakterystyki wskazują, że należy go trzymać z dala od źródeł ciepła i że może krytycznie reagować z materiałami palnymi. Dlatego przy recepturach detergentów z nadwęglanem szczególnie muszą być uwzględnione prowadzenie temperatury, wprowadzanie wilgoci, zgodność materiałowa, zanieczyszczenie substancjami organicznymi i możliwe uwalnianie tlenu. Inertyzacja azotem nie zapobiega ani egzotermicznemu rozkładowi, ani działaniu wzmacniającemu pożar substancji utleniającej.
Jeśli wybuchu nie można uniknąć z wystarczającą pewnością, w grę wchodzą środki konstrukcyjne: wykonanie odporne na ciśnienie wybuchu lub na uderzenie ciśnienia wybuchu, odciążenie ciśnienia wybuchu, bezpłomieniowe odciążenie ciśnienia, tłumienie wybuchu i techniczne oddzielenie od wybuchu. Projekt musi obejmować cały ciąg procesowy. Filtry, silosy, przewody transportowe i miejsca wyładunku mogą w razie zdarzenia być narażone na ciśnienie i płomienie. Śluzy komórkowe, klapy zwrotne, szybkozamykające zasuwy lub bariery środka gaśniczego są skuteczne tylko wtedy, gdy są odpowiednie dla danej funkcji oddzielającej, prawidłowo zwymiarowane i regularnie sprawdzane.
Procesy inertyzowane
Inertyzacja obniża udział tlenu w przestrzeni procesowej poprzez dodanie odpowiedniego gazu obojętnego, zazwyczaj azotu, do wartości, przy której wybuch nie może się już rozprzestrzeniać. Dwutlenek węgla lub inne gazy mogą w pojedynczych przypadkach być odpowiednie, muszą być jednak dostosowane do chemii produktu, korozji, poziomu ciśnienia, temperatury i ochrony pracy. Graniczne stężenie tlenu nie jest ogólną stałą dla „pyłu detergentowego”. Jest ono ustalane eksperymentalnie dla konkretnego systemu paliwo-gaz obojętny w zdefiniowanych warunkach.
Z granicznego stężenia tlenu wyprowadzana jest maksymalnie dopuszczalna wartość tlenu dla eksploatacji. Wartość ta musi uwzględniać margines bezpieczeństwa, na przykład wahania produktu, temperatury, ciśnienia, wilgotności, niepewność pomiaru, nieszczelności powietrza i uwalnianie tlenu. Wytyczna dotycząca inertyzacji rozróżnia więc między eksperymentalnie ustalonym granicznym stężeniem tlenu, maksymalnie dopuszczalnym stężeniem tlenu i wartością wyzwalającą zatrzymanie bezpieczeństwa. Ogólne wartości zadane, takie jak 8 do 12 procent objętościowych tlenu lub ryczałtowy margines 2 do 5 punktów procentowych, nie są wiarygodne bez dowodu odniesionego do substancji.
W procesach wsadowych inertyzacja może odbywać się poprzez wielokrotne ewakuowanie i zalewanie odpornego na próżnię mieszalnika. Alternatywnie powietrze jest wypierane przed rozpoczęciem procesu przez zdefiniowane płukanie gazem obojętnym. Podczas eksploatacji może być konieczne kontrolowane uzupełnianie gazu obojętnego, aby zrównoważyć nieszczelności powietrza, wypieranie gazu przez zasilanie i możliwe wnikanie tlenu. Lekkie nadciśnienie może redukować wnikanie powietrza, musi być jednak ustalane wyłącznie w ramach dopuszczalnego stopnia ciśnienia, szczelności, urządzeń bezpieczeństwa i całego procesu.
Bezpieczna inertyzacja wymaga wystarczająco gazoszczelnej instalacji, zdefiniowanych sekwencji płukania, niezawodnego pomiaru tlenu, odpowiednich punktów pomiarowych, granic alarmowych, blokad bezpieczeństwa i strategii awaryjnej. Silnik mieszalnika, doprowadzenie produktu, dodawanie cieczy czy ogrzewanie mogą być zwalniane tylko zgodnie z ustaloną logiką bezpieczeństwa. Przy przekroczeniu bezpiecznej wartości tlenu instalacja musi zostać przeprowadzona do ocenionego bezpiecznego stanu. Wymagany poziom bezpieczeństwa funkcjonalnego łańcucha pomiarowo-blokującego jest ustalany na podstawie ryzyka; ryczałtowego wymogu SIL 2 nie da się wyprowadzić dla każdej instalacji.
Inertyzacja nie chroni przed każdym zagrożeniem. Nie zapobiega ani samozapłonowi, ani egzotermicznemu rozkładowi, ani termicznemu rozkładowi nadwęglanu sodu, ani uwalnianiu tlenu z komponentów utleniających. CEN/TR 15281 wyraźnie wskazuje, że inertyzacja wystarczająca do zapobieżenia wybuchowi nie chroni automatycznie przed pożarami, samozapłonem, reakcjami egzotermicznymi ani deflagracjami w osadach pyłu.
Eksploatacja i badania
Bezpieczna eksploatacja obejmuje regularne sprawdzanie zasilania w gaz obojętny, szczelności, analizatorów tlenu, funkcji alarmowych i blokujących oraz wszystkich środków oddzielenia wybuchu i odciążenia ciśnienia. Terminy badań wynikają z oceny zagrożenia, danych producenta, zastosowanych systemów ochronnych i odpowiednich obowiązujących przepisów. Zmiany receptury, jakości surowców, wilgotności, dodawania substancji zapachowych, wydajności lub geometrii instalacji muszą być oceniane w ramach udokumentowanego zarządzania zmianami.
Personel obsługi wymaga szkoleń dotyczących stref ATEX, unikania źródeł zapłonu, bezpiecznego czyszczenia, zachowania przy alarmach oraz szczególnych ryzyk inertyzacji. Azot i dwutlenek węgla mogą w otaczających obszarach prowadzić do niedoboru tlenu. Dlatego do koncepcji bezpieczeństwa pracy należą koncepcja ostrzegania gazowego, wystarczająca wentylacja pomieszczeń, oznakowanie, ograniczenia dostępu i środki ratownicze.
Tak amixon® wspiera ochronę przeciwwybuchową przy proszkach detergentowych
Projekt zgodny z ATEX przestrzeni produktowej
W produkcji detergentów drobne substancje stałe, składniki organiczne, nośniki zapachowe i pyły drobnoziarniste receptury mogą tworzyć wybuchową atmosferę pyłową. Dlatego wnętrze mieszalnika trzeba często oceniać jako strefę 20. Strefa 20 oznacza obszar, w którym wybuchowa atmosfera pyłowa jest obecna stale, przez długi czas lub często. Ostateczny podział na strefy całej instalacji jest jednak częścią oceny zagrożenia i leży po stronie użytkownika. Obejmuje on nie tylko mieszalnik, ale również dozowanie, wsad i wyładunek, filtry, silosy, przewody transportowe, napełnianie i dany obszar ustawienia.
amixon® może wykonywać różne mieszalniki, granulatory, próżniowe suszarko-mieszalniki i reaktory mieszające dla przestrzeni produktowej sklasyfikowanej jako strefa 20. Należą do nich – zależnie od serii i konfiguracji projektu – mieszalniki jednowałowe, mieszalniki pionowe i stożkowe, mieszalniki kontenerowe, mieszalniki ciągłe oraz próżniowe suszarko-mieszalniki i reaktory VMT i AMT. Konkretna kategoria urządzenia, maksymalna dopuszczalna temperatura powierzchni, wyposażenie elektryczne i nieelektryczne oraz dokumentacja ATEX muszą być ustalone dla każdej instalacji na podstawie rzeczywistej receptury i warunków procesowych.
Dyrektywa produktowa ATEX 2014/34/UE reguluje wymagania wobec urządzeń i systemów ochronnych dla obszarów zagrożonych wybuchem. Dyrektywa eksploatacyjna ATEX 1999/92/WE zobowiązuje użytkowników do oceny zagrożenia, podziału na strefy, sporządzenia i aktualizacji dokumentu zabezpieczenia przed wybuchem oraz doboru i sprawdzenia odpowiednich środków eksploatacyjnych. Dla komory mieszania w strefie 20 zasadniczo wymagany jest bardzo wysoki poziom ochrony, odpowiadający regularnie wykonaniu kategorii 1D.
Kontrola źródeł zapłonu
Intensywność mieszania i prędkość obwodowa wpływają na obciążenie mechaniczne produktu i są tym samym istotne również dla oceny źródeł zapłonu. Wiele mieszalników pionowych amixon® może być eksploatowanych przy niskich prędkościach obwodowych. Dla serii VM i HM amixon® podaje regulowany zakres od około 0,8 do 3,5 m/s. Niska prędkość narzędzia może ograniczać energię tarcia, uderzenia i ścierania oraz chronić strukturę cząstek. Nie jest to jednak samodzielny dowód, że nie może wystąpić skuteczne źródło zapłonu.
Ocena źródeł zapłonu musi obejmować łożyska, uszczelnienia, wały, narzędzia, możliwe kontakty narzędzie-ściana, ciała obce, blokady, temperatury powierzchni, naładowanie elektrostatyczne i komponenty elektryczne. Sensownymi środkami mogą być nadzór temperatury i momentu obrotowego, ograniczenie obrotów narzędzia, separacja ciał obcych, odpowiednie koncepcje uszczelnień, uziemienie, wyrównanie potencjałów i prewencyjne utrzymanie ruchu. W strefie 20 całościowa koncepcja musi uwzględniać także rzadkie zakłócenia eksploatacyjne.
Szczelność i prowadzenie procesu
Komory mieszania o niskim udziale spoin, wygładzone spoiny spawalnicze i odpowiednie systemy uszczelniające wspierają pyłoszczelne prowadzenie procesu. Drzwi inspekcyjne Clever-Cut® z uszczelnieniem OmgaSeal® są według amixon® zaprojektowane do uszczelnienia przestrzeni produktowej o niskim udziale stref martwych. Rzeczywista szczelność zależy jednak dodatkowo od różnic ciśnienia, materiału uszczelnienia, zużycia, konserwacji i rzeczywistych warunków eksploatacji.
Zamknięte przekazania produktu mogą redukować emisje pyłu, a tym samym osady w pomieszczeniu ustawienia. Zmniejsza to ryzyko wzniecenia pyłu i wybuchów wtórnych, nie zastępuje jednak koncepcji czyszczenia i utrzymania ruchu. Miejsca dozowania, filtry, pobieranie próbek, opróżnianie, otwory czyszczące i prace konserwacyjne muszą być uwzględnione w koncepcji stref.
W procesach detergentowych ciecze, takie jak surfaktanty, oleje lub formulacje zapachowe, mogą być wprowadzane do poruszanego proszku przez odpowiednie lance i dysze. Wielkość kropli, obraz natrysku, pozycja wprowadzania, ilość cieczy, temperatura i lepkość muszą być tak dostrojone, aby lokalne przewilżenie, naklejenia i tworzenie się grudek były ograniczone. Pełne przetwarzanie bez naklejeń nie może być ogólnie zagwarantowane. Przy wrażliwych składnikach, takich jak granulaty enzymatyczne czy nadwęglan sodu, wilgotność, temperatura, obciążenie mechaniczne i czasy kontaktu muszą być kontrolowane ze szczególną starannością.
Dla wysokich wydajności może być stosowany mieszalnik ciągły AMK. AMK pracuje z kontrolowanym stopniem napełnienia i czasem przebywania, który według amixon® może być wpływany poprzez stopień napełnienia i wydajność. Dodawanie cieczy, koncepcja dozowania i intensywność mieszania muszą być dostosowane do receptury. Przy lotnych substancjach zapachowych, silnie lepkich surfaktantach, enzymach lub nośnikach tlenu konieczne są próby z oryginalnym produktem, aby wykazać stabilność produktu, jednorodność, wilgotność, wyładunek i czyszczalność.
Inertyzacja i procesy ciśnieniowe
Próżniowe suszarko-mieszalniki i reaktory mieszające serii VMT i AMT mogą być wykonane gazoszczelnie, próżniowo-szczelnie i wytrzymale na ciśnienie. Nadają się więc do procesów, w których mieszanie, reagowanie, suszenie lub kondycjonowanie ma odbywać się pod próżnią, nadciśnieniem lub w atmosferze gazu obojętnego. Osiągalna wysokość próżni, dopuszczalne ciśnienie robocze i wymagania dotyczące szczelności są ustalane specyficznie dla projektu. Wytrzymałość ciśnieniowa lub próżniowa nie jest automatycznie równoznaczna z konstrukcją odporną na wybuch według DIN EN 14460.
Dla procesów wsadowych przestrzeń procesowa może być inertyzowana poprzez wielokrotne ewakuowanie i następujące zalewanie odpowiednim gazem obojętnym. Dzięki temu zawartość tlenu jest stopniowo obniżana. Dopuszczalne stężenie tlenu musi leżeć z wystarczającym marginesem bezpieczeństwa poniżej granicznego stężenia tlenu ustalonego dla konkretnego systemu produkt-gaz obojętny. Wymagane są wystarczająco szczelna instalacja, niezawodny pomiar tlenu, zdefiniowane wartości alarmowe i wyłączające, blokady zorientowane na bezpieczeństwo oraz odpowiednie zasilanie w gaz obojętny.
Inertyzacja nie zapobiega jednak ani termicznemu rozkładowi, ani uwalnianiu tlenu z utleniających składników detergentów. Nadwęglan sodu jest przykładowo substancją utleniającą; przy rozkładzie może uwalniać tlen i wzmacniać pożary. Przy takich recepturach dodatkowo muszą być kontrolowane temperatura, wilgotność, zanieczyszczenia i zgodność materiałowa.
Produkcja i próby
Projekt techniczny wynika ze specyfikacji wymagań użytkownika oraz danych bezpieczeństwa technicznego. Istotne są zwłaszcza KSt, pmax, minimalna energia zapłonu, minimalne temperatury zapłonu chmury i warstwy pyłu, przewodność elektryczna, wilgotność, rozkład wielkości cząstek i możliwe mieszaniny hybrydowe. Z tego wynikają koncepcja stref, kategoria urządzenia, granice temperatury, wymagania dotyczące szczelności, uziemienie, inertyzacja oraz ewentualnie odciążenie ciśnienia, tłumienie lub oddzielenie.
amixon® może badać przydatność procesową z oryginalnym produktem w centrum prób. Można przy tym ocenić na przykład jakość mieszania, rozwój temperatury, rozprowadzenie cieczy, możliwe naklejenia, integralność cząstek, opróżnianie i czyszczalność. Próby te wspierają wybór systemu mieszania i parametrów procesowych, nie zastępują jednak wymaganej oceny bezpieczeństwa technicznego całej instalacji przez wykwalifikowanych specjalistów ds. ochrony przeciwwybuchowej.