06.1- Sistemas Para La Defensa Contra Explosiones
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SISTEMAS PARA LA DFEFENSA CONTRA EXPLOSIONES
Carlos Alberto García C. – Ingeniero Químico Instructor HAZMAT – Cruz Roja Colombiana
A) EXPLOSIÓN DEFLAGRANTE
A1. Prevenir la deflagración: mantener las reacciones químicas
explosibles con concentraciones que estén fuera de los límites
de explosividad, si ello es posible. ver los Capítulos 2 y 3 de
NFPA-69
A.2. Suprimir la deflagración en su iniciación, Capítulo 4 de
NFPA-69.
Carlos Alberto García C. – Ingeniero Químico Instructor HAZMAT – Cruz Roja Colombiana
A) EXPLOSIÓN DEFLAGRANTE
A.3. Diseñar los recipientes de manera que puedan resistir la
presión resultante de la deflagración: presión de diseño
adecuada a considerar en el diseño. Ver Capítulo 5 de NFPA-69.
A.4. Ventear la deflagración: Ampliar en la NFPA-68
Carlos Alberto García C. – Ingeniero Químico Instructor HAZMAT – Cruz Roja Colombiana
B) EXPLOSIÓN DETONANTE
B. 1. Distancia como medio de protección pasiva;
consideración del alcance, o atenuación
B.2. Muros protectores como protección pasiva de
elementos sensibles (salas de control, equipos críticos,
etc.) de las instalaciones. lo que recibe la horrible
denominación de «bunkerización».
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Carlos Alberto García C. – Ingeniero Químico Instructor HAZMAT – Cruz Roja Colombiana
Es importante recordar y recalcar aquí, una vez más, que
la acción humana sólo tiene efecto sobre la corta (mseg)
pero importante etapa deflagrante de la explosión, Una
vez que ésta haya alcanzado el régimen detonante (mseg,
cm, >=340 m/seg, DP cuatro veces, etc.) solamente
cabe la protección pasiva mediante distancias y muros.
Nota:
1 lb/pulg2 (psi) = 6,895 KPa = 0,07 Kg/cm2
1 kg/cm2 = 100 KPa = 98 1 mbar
1 KPa = 9,81 mbar
1 bar = 1,019 Kg/cm2 = 750 mm Hg
1 Pa = 1 Newton/m2
Carlos Alberto García C. – Ingeniero Químico Instructor HAZMAT – Cruz Roja Colombiana
1. RECIPIENTES RESISTENTES
A LAS EXPLOSIONES
Recordar que los dispositivos para alivio que se han considerado en el diseño de proceso no son útiles, porque su actuación es demasiado lenta y, por tanto, ineficaz. Para establecer la presión de diseño, en el caso del aire como oxidante, se puede utilizar la ecuación siguiente:
P = 1,5 [R(Pi + 14,7) - 14,7] F
donde: P = Presión de diseño (psig) para resistir la deflagración (en dos usos que se verán). R = Pf/Pi, (en unidades consistentes de presión absoluta):
Para la mayoría de las mezclas gas/aire : R = 9. Para mezclas de polvo orgánico/aire : R = 10. Para mezclas de polvo tipo St-3/aire : R = 13.
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1. RECIPIENTES RESISTENTES
A LAS EXPLOSIONES
Para temperaturas de operación (T°C) inferiores a 25°C corregir usando:
R’ = R [298 / (T + 273)].
Pr = Presión máxima de deflagración (psig) previsible. Pi = Presión inicial (psig) prevista (normalmente la de proceso). F = Razón de las tensiones de deterioro (rotura o deformación) del recipiente con respecto a la tensión máxima permisible; dos casos: Prevención F P Valores de F para P (Nota 1)
Ante rotura Fr Pdr 4.0 Ante deformación (2) Fd Pdd 2.0
Carlos Alberto García C. – Ingeniero Químico Instructor HAZMAT – Cruz Roja Colombiana
1. RECIPIENTES RESISTENTES
A LAS EXPLOSIONES
Fr = tensión límite de rotura del material tensión máxima permisible
Fd = tensión límite de deformación del material
tensión máxima permisible
Notas:
(1) Aceros al carbono con bajo contenido de éste; aceros
inoxidables poco aleados.
(2) En este caso se debe diseñar el recipiente también para
vacío total.
(3) 1 psi = 6,89 KPa = 0,07 Kg/cm2.
(4) La ecuación no es aplicable a recipientes con L/D > 5.
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2. SUPRESIÓN DE EXPLOSIONES
Se trata de aprovechar el tiempo muy breve (mseg.), que
transcurre entre la iniciación de la deflagración y el
desarrollo de presiones destructoras, para apagar la
reacción explosiva.
La supresión de deflagración se efectúa en tres etapas
que deben sucederse con gran rapidez.
Son, junto a consideraciones relativas al diseño del
equipo correspondiente, las siguientes:
Carlos Alberto García C. – Ingeniero Químico Instructor HAZMAT – Cruz Roja Colombiana
2. SUPRESIÓN
DE EXPLOSIONES
Diagrama esquemático de la eliminación
de una explosión en el interior de un
depósito típico de 1.OOO galones
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Carlos Alberto García C. – Ingeniero Químico Instructor HAZMAT – Cruz Roja Colombiana
2. SUPRESIÓN DE EXPLOSIONES
a) Detección. La iniciación de una deflagración se detecta
mediante el aumento
de presión, o mejor, la velocidad de dicho aumento. Tal
detección debe ser automática, muy rápida y capaz de
discernir los efectos de una deflagración iniciada con
respecto a variaciones de presión debidas al ambiente o
al proceso que puedan darse normalmente. Para la
detección de explosiones de polvo suelen emplearse
sensores de presión. Para las de gases o vapores pueden
emplearse dichos sensores o detectores de radiación
ultravioleta, que son más rápidos.
Carlos Alberto García C. – Ingeniero Químico Instructor HAZMAT – Cruz Roja Colombiana
2. SUPRESIÓN DE EXPLOSIONES
b) Activación del sistema supresor . La señal procedente
del detector se analiza y, si es el caso, da lugar al
disparo del sistema supresor, a bloquear (con válvulas
muy rápidas) parte de la instalación y a activar la parada
de emergencia del proceso.
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2. SUPRESIÓN DE EXPLOSIONES
c) Supresión. Se trata de aplicar aquí las mismas
acciones que las empleadas en la extinción de incendios:
enfriamiento, inertización-sofocación y, sobre todo,
inhibición de las reacciones en cadena propias de la
combustión. El equipo supresor debe dispersar el agente
supresor de manera homogénea en todo el recinto y
finamente dividido (niebla o polvo).
Carlos Alberto García C. – Ingeniero Químico Instructor HAZMAT – Cruz Roja Colombiana
Diagrama presión-tiempo para una explosión normal y para una suprimida
2. SUPRESIÓN DE EXPLOSIONES
Carlos Alberto García C. – Ingeniero Químico Instructor HAZMAT – Cruz Roja Colombiana
Vuelve a ser crítica la velocidad de actuación. Por ello es
frecuente la utilización, como medio propulsor del agente
(por ejemplo, nitrógeno), a presión muy elevada e,
incluso, de detonadores cuyas explosiones auxiliares
impulsan la dispersión. El agente supresor puede ser
líquido (hidrocarburos halogenados: Halones 1011 y 1301)
o polvo sólido (fosfato amónico).
2. SUPRESIÓN DE EXPLOSIONES
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Son típicas las aplicaciones de los sistemas supresores de
explosiones deflagrantes en los casos siguientes:
Equipo para proceso: reactores, mezcladores,
pulverizadores, molinos, secadores, hornos, filtros,
tamizadores, separadores de polvo, etc.
Equipo para el transporte de sólidos: neumático, de
cangilones, de tornillo, de cinta, etc.
Equipo para el almacenamiento: tanques, silos, etc.
2. SUPRESIÓN DE EXPLOSIONES
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Los sistemas indicados no son idóneos cuando:
Las sustancias son objeto de descomposición química violenta.
Procesos que operan a temperatura >= 538°C a presiones >
7,1 bar.
Equipo no diseñado para resistir la presión originada por la
deflagración (no detonante).
Zonas ocupadas por personas: al no haber aviso con
antelación suficiente, las personas pueden sufrir daño y/o
pánico.
2. SUPRESIÓN DE EXPLOSIONES
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3. VENTEO DE EXPLOSIONES
Suponiendo que la prevención y la supresión no hayan podido evitar el
desarrollo de la deflagración , y que el recinto no la pueda resistir,
cabe la posibilidad aún de aliviar la variación destructiva mediante
sistemas de venteo especiales.
Será posible siempre que no se alcancen las condiciones detonantes
La mayoría de las explosiones suelen ser de ámbito localizado y en
condiciones alejadas de las óptimas (mejor pésimas) para que tenga
lugar la explosión máxima posible (concentraciones, recinto
completamente lleno de mezcla explosiva, etc.).
Los medios más eficaces de venteo están en disponer, cuando sea
posible, el equipo fuente de peligro al aire libre, bajo cubierta sin
paredes o en edificios de construcción muy ligera
Carlos Alberto García C. – Ingeniero Químico Instructor HAZMAT – Cruz Roja Colombiana
3. VENTEO DE EXPLOSIONES
La norma NFPA-68 distingue dos casos según sea la resistencia
del recinto al impulso de presión, que vamos a considerar.
El umbral de separación entre recintos de baja resistencia y los
de alta se establece en una sobrepresión de daño DPd = 1,5 psig
(0,1 bar man) (10.5 KPa).
El criterio general para diseño del venteo, para ambos casos, es
que la presión en el interior del recinto nunca exceda de 2/3 de
la correspondiente a la tensión límite de rotura de la parte más
débil del mismo. Ello incluye que el recinto pueda deformarse
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3.1. Recintos de resistencia alta
Valor de la sobrepresión (DP = Pf - Pi) que produciría
daños en el recinto
Para diseñar venteos en recintos (locales o recipientes)
capaces de resistir sobrepresiones superiores a 0,1 bar
man (10 KPa): recipientes, silos, etc
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3.1. Recintos de resistencia alta
A) Para deflagraciones de mezclas gaseosas: donde:
Av = Área de venteo necesaria (m2).
a, b, c, d = Constantes dependientes del gas combustible (Tabla 1).
e = Base de los logaritmos naturales (2,7183).
Pf = Presión máxima durante el venteo (bar man). Es dato de diseño
y se toma inferior a la que originaría daños en el recinto (2/3).
Pf/Pmax 2/3 y Pf.max = Pi + DPd. Recordar que Pf será P +
acumulación.
DPd = Sobrepresión umbral de daños al recinto (KPa man).
V = Volumen del recinto (m3).
P = Presión de consigna para disparo del venteo (bar man).
dpc
f
b ePaVvA
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3.1. Recintos de resistencia alta
B) Para deflagraciones de polvos: siendo:
Av = Área de venteo (m2) necesaria.
g = 0,000571 e2*p
h = 0,978 e-0.105*P
i = - 0,678 e0,226*P.
P. = Presión máxima durante el venteo (bar man).
i
f
h
ST PKgV 3/2
vA
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3.1. Recintos de resistencia alta
Gas KG a b c d
Metano 55,o 0,105 0,770 -0,823 1.23
Propano 75,0 0,148 0,703 -0,671 0,942
Gas de coquería 140,o 0,150 0,695 -0,707 1,38
Hidrógeno 550,o 0,279 0,680 -0,393 0,755
Constantes para la ecuación
V = Volumen del recinto (m3).
KST = Constante dependiente del polvo combustible (bar * m/seg),
P = Presión máxima (consigna más sobrepresión tolerable) durante el venteo(bar man).
e = Base de los logaritmos naturales (2,7183).
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3.1. Recintos de resistencia alta
C) Validez de las ecuaciones
• P entre 0,1 y 0,5 bar man.
• P + 0,1 < DPd < 2 bar man; para otras presiones superiores, ver
apartado de la NFPA-68 para presiones de hasta 3 bar man.
• KST entre 50 y 600 (para polvos).
• V entre 1 y 1.000 m3.
• Relación dimensional del recinto L/D < 5.
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3.2. Recintos de resistencia baja
Se trata del diseño para venteos de recintos capaces de resistir
sobrepresiones bajas (<10,5 KPa) como son: locales, edificios,
hornos, separadores de polvos, etc
donde:
Av = Área de venteo necesaria (m2).
k = Constante dependiente del combustible (KPa1/2):
Ar = Área interior del recinto (m2); considerar el área geométrica proyectada (no incluir dientes de sierra, ondulación de paramentos y techo, etc.).
DPd = Sobrepresión umbral de daños al recinto (KPa man.)
d
rv
P
kAA
D
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3.2. Recintos de resistencia baja
Se
Combustible k (KPa1/2)
Metano Propano y otros gases (excepto
metano) con S, < 60 cmiseg
0,37
(1) 0,45
Amoníaco 0,13
Polvos ST-1 (2) 0,26
Polvos ST-2 (2) 0,30
Polvos ST-3 (2) 0,51
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3.2. Recintos de resistencia baja
Validez:
DPd entre 0,35 y 1,50 psig (2,45 y 10,5 KPa man)
(0,024 y 0,100 bar man).
DPd - Pc > 0,35 psi (2,45 KPa) (Pc = presión de
consigna para el dispositivo de venteo; psig).
Relación dimensional del recinto L/D <= 3.
En estos casos se requiere que la presión de consigna Pc
sea bastante inferior a la sobrepresión de daño DPd
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MECANISMO DE EXPLOSIONES DE POLVOS
A) POLVOS COMBUSTIBLES, DISPERSOS EN EL AIRE QUE AL QUEMARSE EXPLOTAN , DEBIDO A UNA COMBUSTIÓN MUY VIOLENTA.
B) EFECTO EN SERIE: LA EXPLOSIÓN INICIAL PRO DUCE LA AGITACIÓN DEL POLVO ACUMULADO EN OTRAS SECCIONES DE LA PLANTA, GENERÁN
DOSE EXPLOSIONES SECUNDARIAS.
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COMPARACIÓN CON LÍQUIDOS Y GASES
LAS VELOCIDADES DE REACCIÓN Y DE AUMENTO DE PRESIÓN SON MENORES, QUE LAS DE LOS LÍQUI DOS Y GASES , PERO OCASIONALMENTE LA ENER GÍA GENERADA, (IMPULSO), ES MAYOR
¿ CUAL EXPLOTA MÁS FUERTE ?
ELLO PUEDE IMPLICAR PÉRDIDAS MÁS DESASTROSAS
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CONDICIONES PARA LA GENERACIÓN DE POLVOS EXPLOSIVOS
UN COMBUSTIBLE SÓLIDO EN POLVO, DISPERSO EN UN MEDIO OXIDANTE, USUALMENTE AIRE.
CONCENTRACIÓN DEL POLVO DENTRO DEL RANGO EXPLOSIVO.
UNA FUENTE EXTERNA DE IGNICIÓN.
LA COMBUSTIÓN OCURRE EN UN VOLUMEN CONFINADO.
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FUENTES DE IGNICIÓN
1. LLAMAS ABIERTAS, EJ: SOPLETES 2. SUPERFICIES CALIENTES: EJ: HORNOS, CAÑERÍAS
DE VAPOR 3. ELECTRICIDAD ESTÁTICA: GENERACIÓN DE CAR
GA ELÉCTRICA POR CONTACTO. 4. ARCOS ELÉCTRICOS: EJ: AL INTERRUMPIRSE UN
CIRCUITO ELÉCTRICO. 5. FUMAR. 6. OTROS: ROCE MECÁNICO, HERRAMIENTAS, ETC.
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EJEMPLOS INDUSTRIALES
OPERACIONES DE MOLIENDA: MEZCLAS DE POLVO EN INTE RIOR DEL MOLINO Y POLVO ACUMULADO EN EXTERIOR.
OPERACIONES CON GRANOS: TRANSPORTE, ELEVACIÓN, FILTRACIÓN Y ENSILADO: SE PRODUCE POLVO QUE SE DISPERSA EN EL AIRE.
TRANSPORTE NEUMÁTICO: OPERACIONES DE CAPTACIÓN DE POLVOS Y DE SUSTANCIAS QUE SE VAN DESMENUZANDO
MINERÍA DE CARBÓN: POLVOS CARBONOSOS EXPLOSIVOS, CON EL AGREGADO DEL GAS METANO, ( GAS INFLAMABLE).
Carlos Alberto García C. – Ingeniero Químico Instructor HAZMAT – Cruz Roja Colombiana
Parámetros de los Polvos Explosivos
TAMAÑO :
CONCENTRACIÓN:
MENOR QUE 400 MICRONES, ( MENOR QUE 0.4 mm).
NIVEL INFERIOR: 30 - 60 GR/MT3
NIVEL SUPERIOR: 2 - 6 KG/MT3
INDICE DE EXPLOSIVIDAD:
ES UNA MEDIDA DEL TIPO DE LA EXPLOSIÓN
OTROS : ENERGÍA DE IGNICIÓN, CONCENTRA CIÓN DE OXÍGENO, HUMEDAD.
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Indice de Explosividad Tipo de Explosión
< 0.1 Débil
0.1 - 1.0 Moderada
1.0 - 10 Fuerte
> 10 Muy Fuerte
Ind.Exp. = Sensibilidad Exp. X Gravedad Exp.
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EJEMPLOS DE POLVOS EXPLOSIVOS
ALMIDÓN DE MAIZ 9.5 45 AZÚCAR EN POLVO 9.6 45 HARINA DE TRIGO 4.1 50 MALTA DE CEBADA 5.5 55 CARBÓN DE PITTSBURGH 1.0 55 ASPIRINA >10 50 ALUMINIO >10 45
Ind. Explosiv grs/mt3
106
109
97
95
90
88
84
Presion (Lbs)
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SISTEMAS ELÉCTRICOS EN ATMÓSFERAS EXPLOSIVAS, (CLASE II)
LA PRESENCIA CONSTANTE DE POLVOS CONSTITUYE UNA ATMÓSFERA EXPLOSIVA, POR LO QUE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS DEBEN CUMPLIR LAS SIGUIENTES NORMAS:
MOTORES CON CUBIERTAS QUE EVITEN LA ENTRADA DE POLVOS. LOS APARATOS DE ILUMINACIÓN, INTERRUPTORES, FUSI BLES, ETC, DEBEN ESTAR EN CAJAS QUE IMPIDAN LA IGNICIÓN DE LOS POLVOS. LA TEMPERATURA MÁXIMA DE LOS EQUIPOS ADYACENTES NO DEBE EXCEDER DE 150 ºC.
Carlos Alberto García C. – Ingeniero Químico Instructor HAZMAT – Cruz Roja Colombiana
PREVENCIÓN DE EXPLOSIONES I
IGNICIÓN: ELIMINACIÓN DE FUENTES DE IGNICIÓN.
HERMETICIDAD: UTILIZACIÓN DE EQUIPOS HERMÉTICOS.
SUCCIÓN INTERNA: DE POLVOS Y ENVÍO A COLECTORES DE POLVO.
DISEÑO ADECUADO: SUPERFICIES CON ÁNGULOS > 60 º, PARA FAVORECER DESLIZAMIENTO DEL POLVO.
SUCCIÓN EXTERNA: LIMPIEZA FRECUENTE.
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CONSTRUCCIÓN A PRUEBA DE EXPLOSIÓN: PANELES VENTANAS, VENTEOS, ETC, QUE SE ABRAN A LA MÍNIMA PRESIÓN.
INERTIZACIÓN: REEMPLAZO PARCIAL DEL OXÍGENO POR GASES INERTES, (NITRÓGENO O DIOXIDO DE CARBONO). DILUCIÓN DEL POLVO CARBONOSO CON 65 % DE CALIZA.
SUPRESIÓN: EXISTEN SISTEMAS DE SUPRESIÓN DE LA EXPLOSIÓN, LOS QUE UTILIZAN SENSORES, QUE EN MILI SEGUNDOS PUEDEN DETECTAR UNA EXPLOSIÓN INCIPIENTE Y SUPRIMIRLA.
PREVENCIÓN DE EXPLOSIONES II
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GRACIAS