EXPLOSIONES

EXPLOSIONES
EXPLOSIONES
•
Fenómeno complejo, con velocidad de llama variable, que se
propaga a través de una mezcla aire - combustible no homogénea, a lo largo de las instalaciones. Cybulski (1975)
•
Cambio físico o químico súbito en el estado de una masa con
importante liberación de energía. Henrich (1979)
•
Emisión de energía en un lapso suficientemente pequeño, en
un volumen suficientemente reducido, quee genera una onda
de presión finita, la cual puede ser oída y viajar alaejándose
de su origen. Baker (1983)
•
En términos de cinética química, una explosión tiene lugar
cuando la velocidad de reacción es la misma en todos los
puntos del sistema y bruscamente se incrementa hasta un valor extremo muy elevado. Medard (1989)
PROPAGACIÓN
EXPLOSIÓN
HOMOGÉNEA
PRODUCTOS DE
LA REACCIÓN
MATERIAL SIN
REACCIONAR
De PROPAGACIÓN
MATERIAL
REACCIONANDO
Frente
de llama
PROPAGACIÓN
PROPAGACIÓN
Deflagración
Detonación
Variación contínua de:
• Densidad
• Presión
• Temperatura
Frente
de llama
© 2006 Eduardo D. Álvarez
Variación brusca de:
• Densidad
• Presión
• Temperatura
Frente de llama y
onda de choque
Prohibida su reproducción total o parcial
1
EXPLOSIONES
Parámetros Característicos
PROPAGACIÓN
Presión
Presión
desarrollada
desarrollada
Velocidad
Velocidadde
de
propagación
propagación
DEFLAGRACIÓN
DEFLAGRACIÓN
DETONACIÓN
DETONACIÓN
Baja
Baja
(1
(1aa10
10bar)
bar)
Alta
Alta 5
(más
(másde
de10
105bar)
bar)
PRESIÓN
Pmáx
Baja
Alta
Baja
Alta
(0,001
(0,001aa100
100m/s)
m/s) (más
(másde
de1.000
1.000m/s)
m/s)
Frente
Frentede
dellama
llama
respecto
respectode
deonda
onda
de
depresión
presión
Atrasado
Atrasado
Acoplado
Acoplado
(dP/dt)máx
TIEMPO
20 ms
Ignición
Ley Cúbica
Esfera de 20 litros
EXPLOSIÓN DE GAS
(dP/dt)máx .
3
V = KG
EXPLOSIÓN DE POLVO
(dP/dt)máx .
3
V = Kst
Valores de Kst [bar.m/s] y Pmáx [bar]
Valores de KG [bar.m/s]
Sin turbulencia
Energía de ignición E = 10 J
Pmáx = 7,4 bar
Gas
Gas inflamable
inflamable
KKGG
Metano
Metano
55
55
Propano
Propano
75
75
Hidrógeno
Hidrógeno
550
550
© 2006 Eduardo D. Álvarez
Tipo
Tipo de
de polvo
polvo
PPmáx
máx
KKstst
PVC
PVC
Leche
Leche en
en polvo
polvo
6,7
6,7 –– 8,5
8,5
8,1
8,1 –– 9,7
9,7
27–
27– 98
98
58
58 –– 130
130
Polietileno
Polietileno
Azúcar
Azúcar
7,4
7,4 –– 8,8
8,8
8,2
8,2 –– 9,4
9,4
54
54 –– 131
131
59
59 –– 165
165
Resina
Resina
Madera
Madera
Celulosa
Celulosa
7,8
7,8 –– 8,9
8,9
7,7
7,7 –– 10,5
10,5
8,0
8,0 –– 9,8
9,8
108
108 –– 174
174
83
83 –– 211
211
Pigmentos
Pigmentos
Aluminio
Aluminio
6,5
6,5 –– 10,7
10,7
5,4
5,4 –– 12,9
12,9
56
56 –– 229
229
28
28 –– 344
344
16
16 –– 750
750
Prohibida su reproducción total o parcial
2
EXPLOSIONES
EXPLOSIÓN DE POLVO
Clasificación de explosiones de polvos
CLASE
CLASE
KKstst
CARACTERÍSTICA
CARACTERÍSTICA
St
St 00
00
Sin
Sin explosión
explosión
St
St 11
00 -- 200
200
Explosión
Explosión débil
débil
St
St 22
200
200 -- 300
300
Explosión
Explosión fuerte
fuerte
St
St 33
>> 300
300
Expl.
Expl. muy
muy fuerte
fuerte
( Tmi . Emi . Cmi ) Pittsburgh
Sensibilidad
a la ignición
SI =
Severidad de
la explosión
SE =
Índice de
explosividad
IE = SI . SE
(Tmi . Emi . Cmi ) Muestra
( Pmáx . Rmáx ) Pittsburgh
(Pmáx . Rmáx ) Muestra
Índices de Pittsburgh
Influencia del volumen
EXPLOSIÓN DE POLVO
SI
SI
SE
SE
IE
IE
Tipo
Tipo de
de explosión
explosión
<< 0,2
0,2
<< 0,5
0,5
<< 0,1
0,1
Débil
Débil
0,2
0,2 aa 11
0,5
0,5 aa 11
0,1
0,1 aa 11
Moderada
Moderada
11 aa 55
11 aa 22
11 aa 10
10
Fuerte
Fuerte
>> 55
>> 22
>> 10
10
Muy
Muyfuerte
fuerte
Índices de Pittsburgh
Influencia sobre LFL y UFL de la
presión inicial y de la energía de ignición
Pi
[bar]
LFL
UFL
P
[bar]
V = 0,001m3
(dp/dt)max = 720 bar/s
V = 1m3
(dp/dt)max = 75 bar/s
V = 20m3
(dp/dt)max = 27 bar/s
7
0
0,5
1
t [s]
El rango de explosividad se amplía
al incrementar la presión inicial
y la energía de ignición.
E = 10J
2
Rango
explosivo
E = 100J
1
0
5
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En los materiales pulverulentos
el límite superior se produce
debido a la dificultad del oxígeno
para alcanzar la superficie de
las partículas en suspensión.
10 Concentración
propano [%]
Prohibida su reproducción total o parcial
3
EXPLOSIONES
En explosiones de gases, los
mayores valores de (dP/dt)máx
y de Pmáx se obtienen con
mezclas estequiométricas.
En explosiones de polvos, los
mayores valores de (dP/dt)máx
y de Pmáx se obtienen con
mezclas dos a tres veces
las estequiométricas.
Influencia de la presión inicial
Pmax
[bar]
Para polvos combustibles:
LFL Æ 20 a 60 g/m3
UFL Æ 2000 a 6000 g/m3
Estequiométrica Æ 100 a 300 g/m3
EXPLOSIONES DE GASES Y DE POLVOS
Carácterísticas y condicionantes
15
10
Con mayores temperaturas iniciales
se incrementa la velocidad de la
reacción y, por lo tanto, (dP/dt)máx .
La Pmáx disminuye por ser menor
la diferencia entre tinicial y tfinal .
PRESIÓN NORMAL
5
0
(dp/dt)max
[bar/s]
750
500
250
0
0,5
1
1,5
Pi [bar]
EXPLOSIÓNES DE GASES Y DE POLVOS
Carácterísticas y condicionantes
EXPLOSIÓN DE POLVO
Carácterísticas y condicionantes
La humedad absorbe el calor de
la reacción e incrementa la cohesión
del polvo reduciendo su dispersión.
Sin embargo se requieren valores
de hasta 50% de humedad para
evitar la explosión.
El gas tiende a difundirse,
el polvo a depositarse influído
por la fuerza de gravedad.
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Prohibida su reproducción total o parcial
4
EXPLOSIONES
EXPLOSIÓN DE POLVO
Carácterísticas y condicionantes
EXPLOSIÓN DE POLVO
Carácterísticas y condicionantes
Explosión
Primaria
Explosiones
Secundarias
Influencia del tamaño de la partícula
Pmax
[bar]
5
PVC
Polietileno
Un polvo con granulometría gruesa
que normalmente no puede hacer
explosión, puede ser explosivo al
agregársele un 5 a 10% de polvo
con granulometría fina.
0
(dp/dt)max
[bar/s]
200
Metilcelulosa
100
0
Harina
100
200
300
Ømed [µm]
EXPLOSIÓNES DE GASES Y DE POLVOS
Carácterísticas y condicionantes
Al aumentar la turbulencia de una
mezcla pulverulenta, se incrementa
la velocidad de la reacción y,
por lo tanto, (dP/dt)máx . La Pmáx
se mantiene pues no hay variación
en el volumen de los productos
de combustión que se generan.
En los materiales pulverulentos
la reacción es superficial.
Polvos más finos poseen mayor
facilidad de hacer explosión y
producen explosiones más violentas.
Mezclas híbridas
Pex
[bar]
5
0
(dp/dt)
[bar/s]
250
7%
5%
3%
1%
0
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Concentración
metano en aire
0%
3
500 Concentración polvo PVC [g/m ]
Prohibida su reproducción total o parcial
5
EXPLOSIONES
Combustión en cañería
(Cerrada en un extremo)
pa
no
no
óg
e
1000
Ø 40cm
M
et
an
o
Pr
o
vex
[m/s] Ø 20cm
Hid
r
Aquellos polvos que no pueden
hacer explosión aun con elevadas
energías de ignición, pueden convertirse
en explosivos si se les agrega un gas
o vapor inflamable.
Las mezclas polvo/aire + gas/aire,
ambas por debajo del LFL, pueden
formar, al combinarse, una
mezcla explosiva.
0
Pex
[bar]
5
0
20
10
30 0
10
Longitud de la cañería [m]
20
30
PROTECCIÓN CONTRA EXPLOSIONES
PROTECCIÓN CONTRA EXPLOSIONES
1 Evitar el proceso de combustión
1 Evitar el proceso de combustión
• Condiciones del producto
• Condiciones del producto
• Eliminar fuentes de ignición
• Condiciones del ambiente
¾
¾
¾
¾
2 Suprimir y confinar la explosión
• Evitar la propagación
• Extinguir la explosión
Usar otro producto
Generar menos cantidad de polvo
Generar polvo con mayor granulometría
Evitar la acumulación
– Captación
– Limpieza
3 Reducir o resistir sus efectos
• Diseño resistente
• Venteo de alivio
PROTECCIÓN CONTRA EXPLOSIONES
PROTECCIÓN CONTRA EXPLOSIONES
1 Evitar el proceso de combustión
• Eliminar fuentes de ignición
1 Evitar el proceso de combustión
• Eliminar fuentes de ignición
’
’
’
’
’
’
’
Controlar temperatura de superficies
Verificar certificaciones de equipos eléctricos
Control de tareas en caliente
Temperatura superficial de equipos eléctricos
Cigarrillos
Motores de combustión interna
Calentamiento espontáneo (biológico)
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Controlar fricción en bandas y rodillos
Verificar lubricación de cojinetes
’ Extraer objetos metálicos extraños
’ Controlar descargas electrostáticas
’
’
–
–
–
–
Cuerpos conductores aislados
Recipientes y contenedores sin conexión a tierra
Materiales de construcción no conductores
Controlar polvos con R > 1012 +m
Prohibida su reproducción total o parcial
6
EXPLOSIONES
PROTECCIÓN CONTRA EXPLOSIONES
PROTECCIÓN CONTRA EXPLOSIONES
1 Evitar el proceso de combustión
• Condiciones del ambiente
1 Evitar el proceso de combustión
• Condiciones del ambiente
INERTIZACIÓN
Influencia de la inertización
Pex
[bar]
21% O2
16% O2
5
PROTECCIÓN CONTRA EXPLOSIONES
2 Suprimir y confinar la explosión
• Evitar la propagación
11% O2
12% O2
10% O2
 Multiplicación
de equipos
de compuertas rotativas y sinfines
 Uso de válvulas de acción rápida
 Uso de barreras extintoras
0
 Uso
(dp/dt)
[bar/s]
100
0
[g/m3]
500 Concentración polvo polietileno
AISLACIÓN y VENTEO de la explosión
Control
Venteo
Detector de
presión
Válvula de
acción rápida
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Prohibida su reproducción total o parcial
7
EXPLOSIONES
AISLACIÓN y VENTEO de la explosión
AISLACIÓN y VENTEO de la explosión
Ondas de
presión
Ignición
AISLACIÓN y VENTEO de la explosión
Explosión en
desarrollo
AISLACIÓN y VENTEO de la explosión
Explosión
venteada
Válvula
accionada
Explosión
aislada
PROTECCIÓN CONTRA EXPLOSIONES
2 Suprimir y confinar la explosión
• Extinguir la explosión
COMO EN UN PROCESO
DE COMBUSTIÓN
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Prohibida su reproducción total o parcial
8
EXPLOSIONES
SUPRESIÓN DE LA EXPLOSIÓN
SUPRESIÓN DE LA EXPLOSIÓN
Supresor
Válvula
P
IGNICIÓN
RUPTURA
Control
t
Detector de
presión
Difusor
SUPRESIÓN DE LA EXPLOSIÓN
Ondas de
presión
000
000
mseg
mbar
SUPRESIÓN DE LA EXPLOSIÓN
P
Inyección
de agente
RUPTURA
P
RUPTURA
t
020
035
030
085
mseg
mbar
mseg
mbar
SUPRESIÓN DE LA EXPLOSIÓN
Continúa
inyección
t
SUPRESIÓN DE LA EXPLOSIÓN
P
Supresión
completada
RUPTURA
P
RUPTURA
t
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t
050
200
080
150
mseg
mbar
mseg
mbar
Prohibida su reproducción total o parcial
9
EXPLOSIONES
PROTECCIÓN CONTRA EXPLOSIONES
PROTECCIÓN CONTRA EXPLOSIONES
3 Reducir o resistir sus efectos
• Diseño resistente
3 Reducir o resistir sus efectos
• Venteo de alivio de la explosión
¾ 5 a 12 bar
¾ Resistente a la Pmáx
¾ Resistente a la variación de presión
Abrir un equipo originalmente cerrado,
por un corto tiempo o permanentemente,
en una dirección no crítica, luego que una
explosión se ha desarrollado
hasta un cierto grado.
TRIPLES
SIMPLES
RANURADOS
DE GRAFITO
DISCOS DE RUPTURA
BLEVE
Boiling
Liquid
Expanding
Vapour
Explosion
Explosión por
Expansión de
Vapores de
Líquidos en
Ebullición
VÁLVULAS DE CIERRE POR RESORTE
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Prohibida su reproducción total o parcial
10
EXPLOSIONES
BLEVE
James B. Smith
BLEVE
P
T2
T1
T3
PUNTO
CRÍTICO
Introdujeron el
término BLEVE
en 1957.
Williams S. Marsh
Wilbur L. Walls
T4
Explicó el fenómeno a
través de su teoría de los
líquidos sobrecalentados
en 1978.
Robert C. Reid
v
BLEVE
P
T2
T4
h
USPID
AL
T1
T3
CUR
VA C
EXPERIENCIA
DE REID
∂P
∂V
+
-
=0
T=cte
T
v
P[atm]
PROPANO
BLEVE
45
h
35
C
20
B
15
A
SO
B
10
T
T>TEBULLICIÓN
5
0
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E
20
RE LÍMIT
CA
E
LE DE
NT
AM
IE
25
NT
O
30
EXPERIENCIA
DE REID
40
D
53 60
80
T[°C]
Prohibida su reproducción total o parcial
11
EXPLOSIONES
BOILOVER
BOILOVER
Onda de
Calor
DESBORDE POR EBULLICIÓN
BOILOVER
BOILOVER
Agua
BOILOVER
Rebosamiento
por Ebullición
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Prohibida su reproducción total o parcial
12