Какие требования ATEX действуют для порошковых смесителей в производстве моющих средств, и как реализовать инертизированные процессы?
Порошковые смесители в производстве моющих средств могут перерабатывать горючую органическую пыль, окисляющие компоненты, отдушки-носители, поверхностно-активные вещества (ПАВ), полимеры, ферментные гранулы и другие функциональные компоненты. Возникает ли при этом взрывоопасная атмосфера, нельзя определить исходя из товарной группы «моющие средства» — это необходимо оценивать для конкретной рецептуры, её мелкодисперсной пылевой фракции и возможных гибридных смесей пар/пыль. Основой служат оценка рисков, данные о безопасности материала и документ о взрывозащите.
Директива ATEX по продукции 2014/34/EU регулирует требования к оборудованию и защитным системам, применяемым во взрывоопасных зонах. Директива ATEX по эксплуатации 1999/92/EG касается обязанностей эксплуатирующей организации, включая зонирование, выбор подходящего оборудования, организационные меры и документацию. В Германии эти требования конкретизируются, в частности, Постановлением о безопасности производства (BetrSichV), Постановлением об опасных веществах (GefStoffV) и Техническими правилами по опасным веществам (TRGS).
Зонирование и выбор оборудования
Внутреннее пространство смесителя, силоса, фильтра или пылепроводящего трубопровода часто относится к зоне 20, если взрывоопасная пылевая атмосфера может присутствовать там постоянно, в течение длительных периодов или часто. Зона 21 может иметь место в местах загрузки, выгрузки, отбора проб или у фильтров, если при нормальной эксплуатации пыль выделяется время от времени. Зона 22 обозначает области, в которых опасная пылевая атмосфера возникает лишь редко и кратковременно. Конкретное зонирование определяется реальными источниками выделения, свойствами пыли, герметичностью, аспирацией, мерами по очистке и геометрией помещения установки. Его нельзя выводить обобщённо только из функции установки.
Для зоны 20 принципиально требуется оборудование категории 1D. В зоне 21 может применяться оборудование категории 1D или 2D; в зоне 22 допускается оборудование категорий 1D, 2D или 3D. Оценка охватывает не только двигатели, датчики и шкафы управления, но и валы смесителя, подшипники, уплотнения, смесительные инструменты, заслонки, роторные шлюзовые затворы, транспортирующие устройства и фильтры. Все компоненты должны оцениваться с точки зрения механических, термических, электрических и электростатических источников зажигания.
Соответствующая характеристика материала включает как минимум KSt, максимальное давление взрыва pmax, минимальную энергию зажигания, минимальную температуру воспламенения пылевого облака, минимальную температуру воспламенения слоя пыли, гранулометрический состав, влажность и электрическую проводимость. Для рецептур с летучими жидкостями, растворителями или отдушками необходимо также учитывать возможные гибридные смеси. При инертизации дополнительно требуется предельная концентрация кислорода, на международном уровне обычно обозначаемая как Limiting Oxygen Concentration, для конкретной системы «продукт — инертный газ».
Источники зажигания и концепция защиты
Приоритет отдаётся предотвращению взрывоопасных атмосфер и эффективных источников зажигания. В смесителе особое внимание следует уделять температуре подшипников и уплотнений, контактам инструмента со стенкой, посторонним предметам, блокировкам, трению, горячим поверхностям, электростатическим разрядам и электрооборудованию. Подходящими мерами могут быть контроль температуры и крутящего момента, сепараторы посторонних предметов, ограничение частоты вращения инструмента, надёжные концепции уплотнений, заземление и выравнивание потенциалов, электропроводящие или отводящие заряд компоненты, 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 обосновывает иное значение.
Перкарбонат натрия — окисляющее вещество, а не горючая пыль в обычном смысле. Однако он может усиливать горение, чувствителен к влаге и при разложении способен выделять кислород. Паспорта безопасности указывают, что его следует держать вдали от источников тепла и что он может вступать в критические реакции с горючими материалами. Поэтому в рецептурах моющих средств с перкарбонатом особое внимание нужно уделять контролю температуры, поступлению влаги, совместимости материалов, загрязнению органическими веществами и возможному выделению кислорода. Инертизация азотом не предотвращает ни экзотермическое разложение, ни поддерживающее горение действие кислородсодержащего вещества.
Если взрыв невозможно предотвратить с достаточной надёжностью, рассматриваются конструктивные меры: исполнение, взрывоустойчивое по давлению или взрывоударопрочное, сброс давления взрыва, беспламенный сброс давления, подавление взрыва и взрывотехническая развязка. Расчёт должен охватывать весь технологический тракт. Фильтры, силосы, транспортные трубопроводы и места выгрузки при аварии могут подвергаться воздействию давления и пламени. Роторные шлюзовые затворы, обратные клапаны, быстрозапорные задвижки или барьеры с огнетушащим веществом эффективны только в том случае, если они подходят для соответствующей функции развязки, правильно рассчитаны и регулярно проверяются.
Инертизированные процессы
Инертизация снижает долю кислорода в технологическом пространстве за счёт добавления подходящего инертного газа, как правило азота, до значения, при котором распространение взрыва становится невозможным. Диоксид углерода или другие газы могут в отдельных случаях подходить, но их применение необходимо согласовывать с химией продукта, коррозией, уровнем давления, температурой и охраной труда. Предельная концентрация кислорода не является универсальной постоянной величиной для «пыли моющих средств». Она определяется экспериментально для конкретной системы «горючее вещество — инертный газ» при заданных условиях.
Из предельной концентрации кислорода выводится максимально допустимое рабочее значение кислорода. Это значение должно учитывать запас безопасности, например колебания продукта, температуры, давления, влажности, погрешность измерения, утечку воздуха и выделение кислорода. Поэтому руководство по инертизации различает экспериментально определённую предельную концентрацию кислорода, максимально допустимую концентрацию кислорода в эксплуатации и пороговое значение для аварийной остановки. Общие целевые значения, такие как 8–12 объёмных процентов кислорода, или фиксированный запас в 2–5 процентных пунктов, не имеют силы без обоснования, привязанного к конкретному веществу.
В периодических процессах инертизация может выполняться путём многократного вакуумирования и заполнения вакуумостойкого смесителя. В качестве альтернативы воздух перед началом процесса вытесняется определённой продувкой инертным газом. Во время работы может потребоваться контролируемая подпитка инертным газом для компенсации утечек воздуха, вытеснения газа при загрузке и возможного поступления кислорода. Небольшое избыточное давление может снизить поступление воздуха, однако его следует устанавливать только в рамках допустимого класса давления, герметичности, защитных устройств и всего процесса в целом.
Безопасная инертизация требует достаточно газонепроницаемой установки, определённых последовательностей продувки, надёжного измерения кислорода, подходящих точек измерения, аварийных пределов, защитных блокировок и стратегии действий в чрезвычайной ситуации. Двигатель смесителя, подача продукта, дозирование жидкости или нагрев могут разблокироваться только в соответствии с установленной логикой безопасности. При превышении безопасного значения кислорода установка должна переводиться в оценённое безопасное состояние. Требуемый уровень функциональной безопасности измерительной и блокировочной цепи определяется на основе оценки рисков; обобщённое требование уровня SIL 2 нельзя выводить для каждой установки.
Инертизация не защищает от всех опасностей. Она не предотвращает ни самовозгорание, ни экзотермическое разложение, ни термическое разложение перкарбоната натрия, ни выделение кислорода из окисляющих компонентов. CEN/TR 15281 прямо указывает, что инертизация, достаточная для предотвращения взрыва, не защищает автоматически от пожаров, самовозгорания, экзотермических реакций или дефлаграций в отложениях пыли.
Эксплуатация и контроль
Безопасная эксплуатация включает регулярную проверку системы подачи инертного газа, герметичности, анализаторов кислорода, функций сигнализации и блокировки, а также всех мер по взрывной развязке и сбросу давления. Периодичность проверок определяется оценкой рисков, указаниями изготовителя, применяемыми защитными системами и действующими предписаниями. Изменения рецептуры, качества сырья, влажности, дозирования отдушек, производительности или геометрии установки должны оцениваться в рамках документированного управления изменениями.
Обслуживающий персонал нуждается в инструктаже по зонам ATEX, предотвращению источников зажигания, безопасной очистке, действиям при срабатывании сигнализации и особым рискам инертизации. Азот и диоксид углерода в окружающих помещениях могут приводить к недостатку кислорода. Поэтому концепция газовой сигнализации, достаточная вентиляция помещений, маркировка, ограничение доступа и спасательные мероприятия входят в состав концепции охраны труда.
Как amixon® поддерживает взрывозащиту при работе с порошковыми моющими средствами
ATEX-совместимая конструкция продуктового пространства
В производстве моющих средств мелкодисперсные твёрдые вещества, органические компоненты, отдушки-носители и мелкая пыль рецептуры могут образовывать взрывоопасную пылевую атмосферу. Поэтому внутреннее пространство смесителя часто следует оценивать как зону 20. Зона 20 обозначает область, в которой взрывоопасная пылевая атмосфера присутствует постоянно, в течение длительных периодов или часто. Однако окончательное зонирование всей установки является частью оценки рисков и относится к компетенции эксплуатирующей организации. Оно охватывает не только смеситель, но и дозирование, загрузку и выгрузку, фильтры, силосы, транспортные трубопроводы, фасовку и соответствующую зону размещения оборудования.
amixon® может выполнять различные смесители, грануляторы, вакуумные сушилки-смесители и смесительные реакторы с продуктовым пространством, классифицированным как зона 20. В зависимости от серии и конфигурации проекта к ним относятся одновальные смесители, вертикальные и конусные смесители, контейнерные смесители, смесители непрерывного действия, а также вакуумные сушилки-смесители и реакторы серий VMT и AMT. Конкретная категория оборудования, максимально допустимая температура поверхности, электрическое и неэлектрическое оснащение, а также документация ATEX должны определяться для каждой установки на основе фактической рецептуры и условий процесса.
Директива ATEX по продукции 2014/34/EU регулирует требования к оборудованию и защитным системам для взрывоопасных зон. Директива ATEX по эксплуатации 1999/92/EG обязывает эксплуатирующую организацию проводить оценку рисков, выполнять зонирование, составлять и обновлять документ о взрывозащите, а также выбирать и проверять подходящее оборудование. Для пространства смесителя в зоне 20 принципиально требуется очень высокий уровень защиты, который, как правило, соответствует исполнению категории 1D.
Контроль источников зажигания
Интенсивность смешивания и окружная скорость влияют на механическую нагрузку на продукт и поэтому также имеют значение для оценки источников зажигания. Многие вертикальные смесители amixon® могут работать при низких окружных скоростях. Для серий VM и HM amixon® указывает регулируемый диапазон приблизительно от 0,8 до 3,5 м/с. Низкая скорость инструмента может ограничивать энергию трения, удара и истирания и щадить структуру частиц. Однако сама по себе она не является доказательством того, что эффективный источник зажигания исключён.
Оценка источников зажигания должна включать подшипники, уплотнения, валы, инструменты, возможные контакты инструмента со стенкой, посторонние предметы, блокировки, температуру поверхности, электростатический заряд и электрические компоненты. Целесообразными мерами могут быть контроль температуры и крутящего момента, ограничение частоты вращения инструмента, отделение посторонних предметов, подходящие концепции уплотнений, заземление, выравнивание потенциалов и профилактическое техническое обслуживание. В зоне 20 общая концепция должна учитывать и редкие эксплуатационные нарушения.
Герметичность и ведение процесса
Малошовное исполнение смесительного пространства, зачищенные сварные швы и подходящие системы уплотнений способствуют пыленепроницаемому ведению процесса. По данным amixon®, смотровые дверцы Clever-Cut® с уплотнением OmgaSeal® рассчитаны на герметизацию продуктового пространства с минимальными застойными зонами. Однако фактическая герметичность дополнительно зависит от перепадов давления, материала уплотнения, износа, технического обслуживания и реальных условий эксплуатации.
Закрытые узлы передачи продукта могут снижать выброс пыли и, соответственно, её отложение в помещении установки. Это уменьшает риск взвихрения пыли и вторичных взрывов, но не заменяет концепцию очистки и технического обслуживания. Места дозирования, фильтры, точки отбора проб, разгрузка, отверстия для очистки и работы по обслуживанию должны быть включены в концепцию зонирования.
В процессах производства моющих средств жидкости, такие как ПАВ, масла или композиции отдушек, могут вводиться в перемешиваемый порошок через подходящие форсунки и распылители. Размер капель, картину распыления, положение ввода, количество жидкости, температуру и вязкость необходимо согласовывать таким образом, чтобы ограничить локальное переувлажнение, налипание и образование комков. Полностью безналипную переработку гарантировать в общем виде нельзя. Для чувствительных компонентов, таких как ферментные гранулы или перкарбонат натрия, особенно тщательно необходимо контролировать влажность, температуру, механическую нагрузку и время контакта.
Для высокой производительности может применяться смеситель непрерывного действия AMK. AMK работает с контролируемой степенью заполнения и временем пребывания, на которое, по данным amixon®, можно влиять через степень заполнения и производительность. Ввод жидкости, концепцию дозирования и интенсивность смешивания необходимо согласовывать с рецептурой. При летучих отдушках, сильно вязких ПАВ, ферментах или кислородсодержащих веществах необходимы испытания с оригинальным продуктом для подтверждения стабильности продукта, однородности, влажности, выгрузки и очищаемости.
Инертизация и процессы под давлением
Вакуумные сушилки-смесители и смесительные реакторы серий VMT и AMT могут выполняться газо-, вакуум- и давлениенепроницаемыми. Поэтому они подходят для процессов, в которых смешивание, реагирование, сушка или кондиционирование должны происходить под вакуумом, избыточным давлением или в атмосфере инертного газа. Достижимая глубина вакуума, допустимое рабочее давление и требования к герметичности определяются индивидуально для каждого проекта. Устойчивость к давлению или вакууму автоматически не означает конструкцию, взрывоустойчивую по давлению согласно DIN EN 14460.
Для периодических процессов пространство процесса может инертизироваться путём многократного вакуумирования и последующего заполнения подходящим инертным газом. Благодаря этому содержание кислорода поэтапно снижается. Допустимая концентрация кислорода должна находиться с достаточным запасом безопасности ниже предельной концентрации кислорода, определённой для конкретной системы «продукт — инертный газ». Требуются достаточно герметичная установка, надёжное измерение кислорода, определённые значения сигнализации и отключения, связанные с безопасностью блокировки, а также подходящая система подачи инертного газа.
Однако инертизация не предотвращает ни термическое разложение, ни выделение кислорода из окисляющих компонентов моющего средства. Перкарбонат натрия, например, является окисляющим веществом; при разложении он может выделять кислород и усиливать горение. Для таких рецептур дополнительно необходимо контролировать температуру, влажность, загрязнения и совместимость материалов.
Изготовление и испытания
Техническая разработка следует техническому заданию пользователя (User Requirement Specification), составленному эксплуатирующей организацией, а также данным по безопасности материала. Особое значение имеют KSt, pmax, минимальная энергия зажигания, минимальные температуры воспламенения пылевого облака и слоя пыли, электрическая проводимость, влажность, гранулометрический состав и возможные гибридные смеси. Из них вытекают концепция зонирования, категория оборудования, температурные пределы, требования к герметичности, заземление, инертизация, а также при необходимости сброс давления, подавление взрыва или развязка.
amixon® может исследовать технологическую пригодность на оригинальном продукте в испытательном центре. При этом можно оценить, например, качество смешивания, изменение температуры, распределение жидкости, возможное налипание, целостность частиц, выгрузку и очищаемость. Эти испытания помогают в выборе смесительной системы и параметров процесса, но не заменяют необходимую оценку взрывобезопасности всей установки квалифицированными специалистами по взрывозащите.