Какие требования ATEX действуют для процессов смешивания взрывоопасных по пыли порошков (зона 20/21) и как реализовать их на практике?
Для процессов смешивания горючих порошков в Европейском союзе действуют прежде всего Директива ATEX по эксплуатации 1999/92/EG для эксплуатирующих организаций и Директива ATEX по продукции 2014/34/EU для оборудования и защитных систем. Практическая реализация начинается с оценки риска и документа о защите от взрывов. В нём определяются свойства пыли, возможные места выброса, зонирование, источники зажигания и защитные меры для всей установки — то есть не только для смесителя, но и для дозаторов, силосов, фильтров, транспортёров, трубопроводов, выгрузки и фасовки.
Расчёт, соответствующий ATEX, нельзя вывести только из наименования порошка. То, что порошок органический или очень тонкий, не означает автоматически его взрывоопасность по пыли; и наоборот, неорганические вещества или смеси веществ также могут представлять соответствующую опасность. Основой служат репрезентативные испытания безопасности конкретного продукта, включая возможные колебания размера частиц, влажности, содержания растворителя и рецептуры.
Зоны и выбор оборудования
Для горючих пылей зоны классифицируются по частоте и продолжительности возникновения опасной взрывоопасной пылевой атмосферы. Зона 20 обозначает зоны, в которых взрывоопасное пылевое облако присутствует постоянно, длительное время или часто. В процессах смешивания это, как правило, касается внутреннего пространства закрытых ёмкостей, трубопроводов, фильтров или силосов. Зона 21 обозначает зоны, в которых опасная пылевая атмосфера может периодически возникать при нормальном режиме работы, например внутри определённых аппаратов или в непосредственной близости от мест отбора, заполнения и выгрузки. Зона 22 имеется тогда, когда опасная пылевая атмосфера при нормальной работе не возникает или возникает лишь кратковременно, например в более удалённых зонах при редких выбросах пыли. Точная граница зоны определяется фактическим выбросом пыли, отсосом, очисткой и ситуацией в помещении — а не универсальными значениями расстояния.
Для зоны 20, как правило, требуется оборудование категории 1D. В зоне 21 можно применять оборудование категорий 1D или 2D; в зоне 22 допустимо оборудование категорий 1D, 2D или 3D. Маркировка должна соответствовать пылевой атмосфере, температурному классу или допустимой температуре поверхности, группе оборудования и зоне. При этом релевантны не только электрические компоненты. Неэлектрические устройства, такие как валы смесителя, опоры, уплотнения, заслонки, транспортёры, муфты, тормоза и инструменты, также необходимо оценивать на предмет возможных механических источников зажигания.
Данные о веществе и источники зажигания
Основой расчёта являются показатели безопасности фактически перерабатываемого порошка. К ним относятся, в частности, KSt, максимальное давление взрыва pmax, минимальная энергия зажигания, минимальная температура воспламенения пылевого облака, минимальная температура воспламенения пылевого слоя, распределение частиц по размерам, влажность, электропроводность и — для рецептур с растворителями — свойства возможных гибридных смесей паров и пыли. Дополнительно может быть релевантен нижний предел взрываемости, однако для пылей в производственной практике его часто сложнее использовать как надёжную регулируемую величину, чем остальные показатели.
Важнейшей ступенью защиты является предотвращение опасных взрывоопасных атмосфер и действующих источников зажигания. В смесителе необходимо оценивать прежде всего горячие поверхности, трение и перегрев опор или уплотнений, механические удар-искры от посторонних предметов, заклинивающие инструменты, электрическое оборудование и электростатические разряды. В зоне 20 даже при редких сбоях в работе не должны возникать процессы трения, удара или истирания, способные привести к действующему источнику зажигания. TRGS 723 также в общем случае указывает для пылевых слоёв запас безопасности в 75 °C между минимальной температурой воспламенения пылевого слоя и температурой поверхности, если оценка риска не устанавливает иного.
Практическими мерами являются опоры и уплотнения с контролем температуры, контроль частоты вращения и крутящего момента, защита от заклинивания, подходящее улавливание посторонних предметов, профилактическое техническое обслуживание, а также надёжное заземление и сплошное выравнивание потенциалов. Токопроводящие или антистатические части установки, гибкие соединения, фильтрующие материалы, тара и обслуживающий персонал должны быть включены в концепцию электростатической защиты. Однако единое предельное значение сопротивления, такое как 10⁶ Ом, не применимо без ограничений к каждому компоненту и каждой функции заземления; требования определяются материалом, функцией узла и конкретной концепцией взрывозащиты.
Для особо чувствительных веществ или в случаях, когда источники зажигания нельзя с достаточной надёжностью исключить, подходящей мерой может быть инертизация смесительного пространства. При этом доля кислорода удерживается азотом или другим подходящим инертным газом ниже предельной концентрации кислорода, определённой для конкретного вещества и процесса. Минимальная энергия зажигания менее 10 мДж не является общеприменимым пороговым значением, начиная с которого инертизация обязательна. Её необходимость определяется оценкой риска, данными о веществе и технической осуществимостью.
Конструктивная защита
Если взрыв нельзя предотвратить с достаточной надёжностью, необходимо ограничивать его последствия. Возможными мерами являются взрывостойкие или взрывоударопрочные аппараты, сброс давления взрыва, беспламенный сброс давления, подавление взрыва и развязка по взрывобезопасности. Метод защиты должен соответствовать силе взрыва, объёму ёмкости, установке внутри или снаружи помещения, месту расположения и подключённой технике установки.
Разрывные мембраны или взрывные клапаны могут отводить давление в безопасную зону. Им требуется корректно рассчитанная площадь сброса и безопасная зона выброса. Для установок, размещённых внутри помещения, может потребоваться прямой сброс давления наружу или, если это невозможно, подходящая беспламенная система сброса давления. Системы сброса давления должны рассчитываться согласно признанным правилам; EN 14491 содержит основные требования к выбору и расчёту защитных систем для сброса давления взрыва при пылевых взрывах.
Развязка необходима, если взрыв может через трубопроводы перекинуться на фильтры, силосы, транспортные участки или другие аппараты. Подходящими являются, например, специально испытанные на взрывозащиту ячейковые затворы, обратные клапаны, взрывозащитные клапаны, быстродействующие задвижки или барьеры с гасящим составом. Ячейковый затвор предотвращает передачу пламени или давления только тогда, когда он прямо предназначен для этой функции, правильно рассчитан, установлен, контролируется и эксплуатируется. Простое применение любого ячейкового затвора не является достаточной мерой развязки.
Эксплуатация и документация
Документ о защите от взрывов необходимо составить до начала работ и актуализировать при изменениях. Он документирует, среди прочего, оценку риска, зонирование, данные о веществе, выбранное оборудование и защитные системы, оценку источников зажигания, организационные меры, проверки и требования к обслуживанию. Изменения рецептуры, новые источники сырья, отличающийся размер частиц, изменённая влажность, новые растворители или переоборудование могут изменять взрывоопасные свойства и тем самым стратегию защиты.
Практичная концепция включает закрытые и пыленепроницаемые места передачи, эффективный отсос, фильтры, рассчитанные в соответствии с ATEX, регулярное удаление пылевых отложений и задокументированные инспекции. Пылевые слои нельзя оценивать по универсальному предельному значению, такому как «1 мм»; уже незначительные отложения в зависимости от площади, свойств пыли и возможного взметания могут способствовать вторичному взрыву. Поэтому интервалы очистки и допустимые количества отложений необходимо устанавливать на основе оценки риска.
Дополнительно необходимы инструктажи, процедуры допуска к огневым работам, правила для мобильного оборудования, проверка заземляющих соединений и контролируемое управление изменениями. Устройства сброса давления, системы подавления и развязки, а также контроль температуры, давления и частоты вращения необходимо инспектировать и поддерживать в работоспособном состоянии компетентными лицами или специализированными службами согласно предусмотренным срокам проверки.
Так amixon® поддерживает взрывозащиту при взрывоопасных по пыли порошках
Исполнение аппаратов в соответствии с ATEX
При процессах смешивания с горючими пылями внутреннее пространство смесителя часто необходимо классифицировать как зону 20. Зона 20 обозначает зону, в которой взрывоопасная пылевая атмосфера присутствует постоянно, длительное время или часто. Однако окончательное зонирование всей установки является частью оценки риска и относится к ответственности эксплуатирующей организации. Оно охватывает, помимо смесителя, также дозирование, заполнение, выгрузку, фильтры, транспортные трубопроводы, силосы и зону размещения.
amixon® может выполнять свои смесители, смесители-сушилки и реакторы для применений с продуктовым пространством, классифицированным как зона 20. Это касается, в зависимости от выбранной серии и конфигурации, например, одновальных смесителей, вертикальных и конусных смесителей, контейнерных смесителей, непрерывных смесителей, вакуумных смесителей-сушилок, смесительных реакторов. Конкретную категорию ATEX, группу оборудования, температурный класс или максимально допустимую температуру поверхности, электрическое и неэлектрическое оснащение, а также требуемую документацию необходимо определять для каждого проекта на основе данных о веществе и условий процесса.
Директива ATEX по продукции 2014/34/EU касается оборудования и защитных систем для применения во взрывоопасных зонах. Директива ATEX по эксплуатации 1999/92/EG обязывает эксплуатирующую организацию проводить оценку риска, зонирование, составлять документ о защите от взрывов, а также выбирать и проверять подходящее оборудование. Для внутреннего пространства смесителя в зоне 20 принципиально требуется исполнение с очень высоким уровнем защиты категории 1D.
Минимизация источников зажигания
Интенсивность смешивания и окружная скорость являются релевантными влияющими величинами для оценки механических источников зажигания. Многие вертикальные смесители amixon® могут работать при низких окружных скоростях; для смесителей VM и HM amixon® указывает регулируемый диапазон примерно от 0,8 до 3,5 м/с. Низкая скорость инструмента может снижать энергию трения, удара и истирания и одновременно щадить структуру частиц. Однако она не является полным доказательством того, что действующий источник зажигания не может возникнуть.
Оценка источников зажигания должна включать, среди прочего, опоры, уплотнения, инструменты, валы, возможные контакты инструмента со стенкой, посторонние предметы, заклинивания, температуры поверхности, электростатическое заряжение, электрические компоненты и состояние обслуживания. Подходящие защитные меры могут включать контроль температуры и крутящего момента, контролируемые частоты вращения, улавливание посторонних предметов, подходящие концепции уплотнений, выравнивание потенциалов, заземление и профилактическое техническое обслуживание. Особенно в зоне 20 даже при редких сбоях не должны возникать действующие источники зажигания.
Герметичность и конструктивная защита
Выполненные с минимумом швов, отшлифованные смесительные пространства и подходящие системы инспекции и уплотнений могут поддерживать пыленепроницаемость и пригодность к очистке. По данным amixon®, двери Clever-Cut® с уплотнением OmgaSeal® рассчитаны на герметизацию продуктового пространства с минимумом застойных зон. Однако сохранение установкой длительной пыленепроницаемости зависит также от перепадов давления, материала уплотнения, износа, монтажа, обслуживания и фактического ведения процесса.
Пыленепроницаемое ведение процесса может снижать выброс пыли и отложения в помещении размещения установки. Однако оно не заменяет концепцию очистки и технического обслуживания: даже небольшие утечки или потери продукта могут приводить к образованию отложений пыли. Поэтому предотвращение вторичных взрывов требует закрытых мест передачи, эффективного отсоса, подходящей фильтрационной техники, очистки на основе оценки риска и регулярного контроля критичных зон.
Для смесителей-сушилок и реакторов серий VMT и AMT возможны газо-, вакуумо- и давленонепроницаемые исполнения. Аппараты можно конструировать для температурных, барических и вакуумных процессов. Возможную глубину вакуума, допустимую ступень давления и вопрос о том, должна ли ёмкость выполняться взрывоустойчивой или взрывоударопрочной по давлению, необходимо определять индивидуально для проекта. Расчёт требует, в частности, pmax, KSt, минимальной энергии зажигания, температурных данных, влажности продукта, возможных паров растворителя и оценки гибридных смесей. Одна лишь стойкость к давлению или вакууму не равнозначна взрывостойкому исполнению по DIN EN 14460.
Инертизация и технологическая цепочка
Инертизация может применяться как превентивная мера защиты от взрыва. При этом содержание кислорода в технологическом пространстве снижается подходящими инертными газами, например азотом, ниже безопасного значения, установленного для соответствующей системы веществ. У вакуумных смесителей-сушилок или реакторов это может достигаться повторным вакуумированием и заполнением инертным газом. amixon® описывает этот принцип для своих смесительных и вакуумно-сушильных аппаратов.
Инертизация эффективна только тогда, когда пространство аппарата достаточно герметично, определена последовательность инертизации, имеются измерение кислорода и защитные блокировки, а допустимое значение кислорода лежит с запасом безопасности ниже специфичной для вещества и процесса предельной концентрации кислорода. Инертизация автоматически не заменяет дополнительные меры защиты от взрыва для подключённых фильтров, конденсаторов, транспортёров или мест выгрузки.
Закрытые технологические цепочки могут снижать число открытых мест передачи и тем самым возможные выбросы пыли. Тем не менее дозирование, загрузку, отбор проб, выгрузку, фильтрацию, очистку и обслуживание необходимо отдельно включать в концепцию зонирования. Целесообразность объединения таких этапов процесса, как смешивание, грануляция и сушка, в одном аппарате зависит от продукта, рецептуры, цели процесса и оценки безопасности.
Расчёт и испытания
Индивидуальный для проекта расчёт начинается с данных безопасности вещества и User Requirement Specification эксплуатирующей организации. К ним относятся как минимум KSt, pmax, минимальная энергия зажигания, минимальная температура воспламенения пылевого облака и пылевого слоя, электропроводность, влажность, размер частиц, а для летучих веществ — данные возможных гибридных смесей паров и пыли. На этой основе определяются концепция зонирования, категория оборудования, температурные пределы, концепция заземления, герметичность, инертизация, сброс давления, подавление или развязка.
Испытания с оригинальным продуктом позволяют затем оценить поведение смешивания, внесение тепла, возможное налипание, истирание продукта, выгрузку и очищаемость. Однако они не заменяют соответствующую нормам проверку безопасности или оценку риска квалифицированными специалистами. Результаты могут поддерживать технологический расчёт и подтверждать выбор подходящих серий смесителей или сушилок.