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 © 2006 Eduardo D. Álvarez 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. © 2006 Eduardo D. Álvarez 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 © 2006 Eduardo D. Álvarez 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) © 2006 Eduardo D. Álvarez 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 © 2006 Eduardo D. Álvarez 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 © 2006 Eduardo D. Álvarez 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 © 2006 Eduardo D. Álvarez 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 © 2006 Eduardo D. Álvarez 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 © 2006 Eduardo D. Álvarez 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 © 2006 Eduardo D. Álvarez Prohibida su reproducción total o parcial 12