Какие концепции зонирования ATEX, решения по инертизации и взрывопрочные конструкции приняты для взрывоопасных по пыли порошков?
Для взрывоопасных по пыли порошков концепции защиты всегда разрабатываются из трёх взаимосвязанных составляющих: зонирования, предотвращения взрывоопасной атмосферы и источников зажигания, а также — при необходимости — конструктивных мер по ограничению последствий взрыва. Какая комбинация подходит, зависит от данных по безопасности материала, процесса, размера аппарата, места установки и всего комплекса оборудования.
Само по себе зонирование ещё не описывает полную взрывозащиту. Однако оно определяет, какое оборудование и защитные системы допустимо использовать в соответствующей зоне. Инертизация может предотвратить возникновение взрывоопасной атмосферы. Взрывоустойчивые по давлению, взрывоударопрочные или оснащённые сбросом давления аппараты, напротив, ограничивают последствия, если, несмотря на все профилактические меры, всё же происходит взрыв.
Концепции зонирования для пыли
Зона 20 обозначает область, в которой взрывоопасная атмосфера в виде облака горючей пыли в воздухе присутствует постоянно, в течение длительных периодов или часто. Типичные примеры — внутреннее пространство смесителей, силосов, мельниц, сушилок, фильтров, циклонов и пылепроводящих транспортных трубопроводов. Зона 21 имеет место, если опасная взрывоопасная пылевая атмосфера может время от времени возникать при нормальной эксплуатации. Это часто касается мест загрузки, разгрузки, фасовки и отбора проб, а также непосредственной зоны открытых или не полностью герметичных узлов передачи. Зона 22 охватывает области, в которых опасная пылевая атмосфера при нормальной эксплуатации не возникает или возникает лишь кратковременно, например при редких утечках, нарушениях или взвихрении отложившейся пыли. Фактическую границу зоны необходимо определять на основе выделения, свойств пыли, герметичности, аспирации, очистки, воздушного потока и геометрии помещения.
Для зоны 20 обычно требуется оборудование категории 1D. В зоне 21 допускается оборудование категории 1D или 2D; в зоне 22 может применяться оборудование категорий 1D, 2D или 3D. Эти требования касаются не только электрооборудования, но и неэлектрических компонентов, таких как валы, уплотнения, подшипники, смесительные инструменты, заслонки, роторные шлюзовые затворы и транспортёры. Категория 1D соответствует очень высокому уровню защиты для пылевых атмосфер и должна оставаться эффективной даже при редких эксплуатационных нарушениях.
Решения по инертизации
Инертизация — это профилактическая защитная мера. Подходящий инертный газ снижает долю кислорода в технологическом пространстве до значения, при котором взрыв или — в зависимости от системы веществ и газа — также пожар больше не может возникнуть или распространиться. Определяющая для этого предельная концентрация кислорода, на международном уровне обозначаемая как Limiting Oxygen Concentration, зависит от продукта, инертного газа и условий. Её необходимо определять для конкретной системы «пыль — инертный газ» при соответствующих условиях температуры, давления, влажности и размера частиц. CEN/TR 15281 прямо рассматривает инертизацию как меру предотвращения взрывов и пожаров.
Азот является наиболее часто используемым инертным газом для многих органических видов пыли и химических порошков. Он широко доступен и подходит для многочисленных систем веществ. Диоксид углерода может в определённых применениях быть экономичной альтернативой, но его следует применять только после проверки совместимости с продуктом и материалом. Для реакционноспособных металлических порошков, например алюминия, магния, титана или циркония, общая рекомендация по применению азота, диоксида углерода или аргона недопустима. Эти металлы могут вступать в реакцию с определёнными газами или при высоких температурах. Поэтому выбор инертного газа должен основываться на конкретной реакционной способности, температуре, размере частиц, влажности и возможных реакциях тушения или разложения.
В периодических процессах часто применяется вакуумно-циклическая инертизация. При этом вакуумостойкая ёмкость вакуумируется, а затем заполняется инертным газом. Процедура повторяется до тех пор, пока содержание кислорода не окажется ниже допустимого предельного значения. Для аппаратов без вакуумостойкости или для непрерывных процессов может применяться проточная или продувочная инертизация. Определённый поток инертного газа сначала вытесняет воздух, а затем в ходе эксплуатации компенсирует утечки, поступление воздуха при загрузке или газообмен при выгрузке. Небольшое избыточное давление инертного газа может снижать поступление воздуха, но должно быть совместимо с допустимым рабочим давлением, герметичностью и концепцией безопасности.
Измерение кислорода, аварийные пределы и блокировки являются необходимыми элементами надёжно инертизированной установки. Точки измерения должны быть репрезентативными; для крупных или сложных аппаратов может потребоваться несколько точек измерения. Количество датчиков, необходимая избыточность и уровень функциональной безопасности определяются на основе оценки рисков. Обобщённые требования, такие как обязательные два датчика, определённое значение SIL или фиксированный запас в несколько объёмных процентов ниже предельной концентрации кислорода, недостаточны без конкретного обоснования безопасности.
Взрывоустойчивые по давлению и взрывоударопрочные конструкции
Взрывоустойчивое оборудование строится так, чтобы выдерживать внутренний взрыв без разрушения и без опасных последствий для окружающей среды. EN 14460 описывает требования к взрывоустойчивому оборудованию. Расчёт основывается на ожидаемом давлении взрыва и учитывает геометрию ёмкости, объём, материал, температуру, давление, присоединения, уплотнения и возможные гибридные смеси.
При исполнении, взрывоустойчивом по давлению, аппарат рассчитывается на соответствующее максимальное давление взрыва. В отличие от этого, при взрывоударопрочном исполнении может допускаться остаточная деформация, при условии что ёмкость не разрушается и не возникает опасных последствий для окружающей среды. На практике эти понятия часто используются неточно. Поэтому допустимый класс давления, ожидаемую нагрузку от взрыва и требования к дальнейшему использованию после аварийного события необходимо однозначно определить в специфической для проекта концепции безопасности.
Взрывоударопрочная конструкция не является автоматически конструкцией, рассчитанной на сниженное давление взрыва в сочетании со сбросом давления. Сброс давления действительно может ограничивать сниженное давление взрыва pred, однако его эффективность зависит от площади сброса, давления открытия, объёма ёмкости, характеристик пыли, геометрии, длины трубопроводов и возможного распространения пламени. Расчёт систем сброса давления должен выполняться согласно соответствующим правилам и учитывать безопасную зону выброса. При установке внутри помещения могут потребоваться беспламенный сброс давления или другие концепции защиты.
Системы подавления взрыва распознают начало взрыва с помощью датчиков давления или пламени и вводят в аппарат подходящее огнетушащее вещество. Благодаря этому рост давления должен ограничиваться до управляемого уровня. Такие системы особенно актуальны, когда сброс давления наружу невозможен или когда выброс пламени, давления и продукта был бы неприемлем. Они требуют быстрого обнаружения, подходящих огнетушащих веществ, регулярной проверки и взрывотехнической развязки подключённых компонентов.
Независимо от конструкции, часто требуется развязка соединённых частей установки. Без развязки давление и пламя могут распространяться через трубопроводы или транспортирующие устройства на силосы, фильтры и другие аппараты. Возможными системами являются пригодные с точки зрения взрывозащиты обратные клапаны, быстрозапорные задвижки, взрывозащитные клапаны, барьеры с огнетушащим веществом или сертифицированные роторные шлюзовые затворы. Выбранное устройство должно подходить для фактического класса взрывоопасности пыли, геометрии трубопровода, производительности, соотношения давлений и места установки.
Комплексная концепция защиты
Практичная концепция следует принципу — сначала предотвратить взрыв, а уже затем ограничивать его последствия. Первый уровень защиты — это ограничение или предотвращение взрывоопасной атмосферы, например за счёт закрытого ведения процесса, предотвращения выделения пыли или инертизации. Второй уровень защиты — предотвращение эффективных источников зажигания за счёт подходящих категорий оборудования, ограничения температуры, заземления, выравнивания потенциалов, управления посторонними предметами и технического обслуживания. Третий уровень защиты включает сброс давления, подавление взрыва, взрывоустойчивую конструкцию и развязку.
Отправной точкой любого расчёта являются данные по безопасности материала. К ним относятся KSt, максимальное давление взрыва pmax, минимальная энергия зажигания, минимальная температура воспламенения пылевого облака и слоя пыли, гранулометрический состав, влажность, электрическая проводимость, предельная концентрация кислорода, а также при необходимости данные о гибридных смесях. Стратегия защиты должна учитывать нормальную эксплуатацию, пуск, останов, загрузку, разгрузку, очистку, техническое обслуживание и предсказуемые нарушения.
Как amixon® поддерживает взрывозащиту при работе со взрывоопасными по пыли порошками
ATEX-совместимая конструкция продуктового пространства
При работе со взрывоопасными по пыли порошками внутреннее пространство смесителя, гранулятора, сушилки или реактора часто следует классифицировать как зону 20. Зона 20 обозначает область, в которой взрывоопасная пылевая атмосфера присутствует постоянно, в течение длительных периодов или часто. Однако классификация всей зоны установки определяется эксплуатирующей организацией в рамках оценки рисков. Она охватывает не только пространство смесителя, но и дозирование, загрузку, выгрузку, фильтры, транспортные трубопроводы, силосы, фасовку и помещение установки.
amixon® может выполнять свои аппараты для процессов с продуктовым пространством, классифицированным как зона 20. В зависимости от серии, размера и конфигурации проекта к ним относятся одновальные смесители, вертикальные и конусные смесители, контейнерные смесители, смесители непрерывного действия, а также вакуумные сушилки-смесители и смесительные реакторы серий VMT и AMT. Конкретная разработка ATEX должна определяться отдельно для каждого применения. Она включает, в частности, категорию оборудования, допустимую температуру поверхности, электрическое и неэлектрическое оснащение, заземление, возможный контроль процесса, а также необходимую документацию.
Директива ATEX по продукции 2014/34/EU касается оборудования и защитных систем для взрывоопасных зон. Директива ATEX по эксплуатации 1999/92/EG обязывает эксплуатирующую организацию проводить оценку рисков, выполнять зонирование и составлять документ о взрывозащите. Для продуктового пространства в зоне 20 принципиально требуется очень высокий уровень защиты, который, как правило, соответствует исполнению категории 1D.
Систематическое предотвращение источников зажигания
Низкие скорости инструмента могут снижать механический ввод энергии, а также процессы трения, удара и истирания. Для вертикальных смесителей VM и HM amixon® указывает регулируемый диапазон окружной скорости приблизительно от 0,8 до 3,5 м/с. Однако скорость — лишь одна из нескольких величин при оценке источников зажигания. Даже при низкой частоте вращения необходимо учитывать возможные контакты инструмента со стенкой, блокирующие посторонние предметы, подшипники, уплотнения, температуру поверхности, электростатический заряд и электрические компоненты.
Предотвращение источников зажигания может включать контроль температуры и крутящего момента, контролируемую частоту вращения, подходящие сочетания материалов, отделение посторонних предметов, газонепроницаемые и подходящие для применения системы уплотнений, заземление и выравнивание потенциалов, а также профилактическое техническое обслуживание. Для слоёв пыли TRGS 723 в целом устанавливает температурный запас безопасности 75 °C между минимальной температурой воспламенения слоя пыли и температурой поверхности, если оценка рисков не допускает иного значения.
Герметичность и расчёт на давление
Малошовное исполнение и зачищенные продуктовые области, подходящие уплотнения, а также закрытые узлы передачи могут снижать выброс пыли. По данным amixon®, смотровые дверцы Clever-Cut® с уплотнением OmgaSeal® рассчитаны на герметизацию продуктового пространства с минимальными застойными зонами. Однако реальная герметичность дополнительно зависит от перепадов давления, материала уплотнения, износа, технического обслуживания и ведения процесса. Пыленепроницаемость снижает возможные отложения пыли в помещении установки, но не заменяет ни концепцию очистки, ни оценку возможных вторичных взрывов.
Серии VMT и AMT могут выполняться газо-, вакуум- и давлениенепроницаемыми. Поэтому они подходят для процессов смешивания, реакции и сушки под вакуумом, избыточным давлением или в атмосфере инертного газа. Возможная глубина вакуума, класс давления и допустимые температурные диапазоны должны выполняться индивидуально для проекта. Устойчивость к давлению или вакууму автоматически не означает конструкцию, взрывоустойчивую по давлению или взрывоударопрочную. Такая конструкция должна основываться на данных по безопасности материала, в частности KSt, pmax, минимальной энергии зажигания, температурах воспламенения, размере частиц, влажности и возможных гибридных смесях. EN 14460 описывает требования к взрывоустойчивому оборудованию, которое должно выдерживать внутренний взрыв без разрушения.
Исполнение, взрывоустойчивое по давлению или взрывоударопрочное, — лишь один из возможных элементов концепции защиты. Если предусмотрены сброс давления, подавление взрыва или другие конструктивные защитные меры, необходимо рассматривать все подключённые аппараты и трубопроводы. Взрывотехническая развязка может потребоваться для того, чтобы пламя и давление не передавались на фильтры, силосы, транспортёры или последующие стадии процесса.
Инертизация и интеграция процесса
Инертизация может применяться в качестве профилактической меры взрывозащиты. При этом содержание кислорода в технологическом пространстве снижается подходящим инертным газом, например азотом, до безопасного значения, определённого для соответствующей системы «пыль — инертный газ». Вакуумные сушилки-смесители и смесительные реакторы могут быть рассчитаны на вакуумно-циклические процессы. При этом пространство вакуумируется, а затем заполняется инертным газом; за счёт повторения содержание кислорода можно снижать и далее. amixon® описывает этот принцип инертизации для вакуумных сушилок-смесителей и реакторов синтеза.
Инертизация предполагает достаточно герметичную аппаратуру, подходящую систему подачи инертного газа, определённые последовательности продувки и вакуумирования, репрезентативное измерение кислорода, а также сигнализацию и защитные блокировки. Допустимое значение кислорода должно находиться с запасом безопасности ниже предельной концентрации кислорода, определённой для продукта, инертного газа и рабочих условий. Универсальные целевые значения кислорода не имеют силы. Выбор инертного газа также необходимо согласовывать с химической реакционной способностью, температурой, коррозионным поведением, качеством продукта и охраной труда.
Объединение нескольких стадий в одном закрытом аппарате может сокращать открытые операции перегрузки и тем самым ограничивать риск выделения пыли. Однако возможность целесообразного объединения смешивания, гранулирования, реакции и сушки в одной установке зависит от продукта, рецептуры, технологических требований и общей оценки безопасности. Даже при интегрированном ведении процесса загрузку, выгрузку, фильтры, конденсацию, отбор проб, очистку и техническое обслуживание необходимо включать в концепцию зонирования.
Изготовление и испытания
Специфическая для проекта разработка следует техническому заданию пользователя (User Requirement Specification), составленному эксплуатирующей организацией, и данным по безопасности материала. Испытания с оригинальным продуктом могут исследовать технологические характеристики, такие как качество смешивания, ввод тепла, распределение жидкости, налипание, выгрузку и очищаемость. Однако они не заменяют ни испытание материала на безопасность, ни расчёт систем взрывозащиты, ни оценку рисков квалифицированными специалистами.
По собственным данным, amixon® предлагает проведение испытаний с оригинальным продуктом на установках испытательного центра. Задокументированные результаты могут способствовать выбору типа смесителя, инструментов, уплотнений, концепции дозирования, теплопередачи и ведения процесса.