Cybulski Henrich EXPLOSIONES1 EXPLOSIONES • Cambio físico o químico súbito en el estado de una...

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EXPLOSIONES

• 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 va-lor extremo muy elevado. Medard (1989)

Fenómeno complejo, con velocidad de llama variable, que se propaga a través de una mezcla aire - combustible no homo-génea, a lo largo de las instalaciones. Cybulski (1975)

•

EXPLOSIÓN

HOMOGÉNEA

De PROPAGACIÓNFrente

de llama

PROPAGACIÓN

PRODUCTOS DELA REACCIÓN

MATERIAL REACCIONANDO

MATERIAL SIN REACCIONAR

Frente de llama

PROPAGACIÓN

Deflagración

• Densidad• Presión• Temperatura

Variación contínua de:

Frente de llama yonda de choque

PROPAGACIÓN

Detonación

• Densidad• Presión• Temperatura

Variación brusca de:

EXPLOSIONES

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

2

DEFLAGRACIÓN DETONACIÓN

Presióndesarrollada

Baja(1 a 10 bar)

Alta(más de 105 bar)

Velocidad depropagación

Baja (0,001 a 100 m/s)

Alta (más de 1.000 m/s)

Frente de llamarespecto de onda

de presiónAtrasado Acoplado

DEFLAGRACIÓN DETONACIÓN

Presióndesarrollada

Baja(1 a 10 bar)

Alta(más de 105 bar)

Velocidad depropagación

Baja (0,001 a 100 m/s)

Alta (más de 1.000 m/s)

Frente de llamarespecto de onda

de presiónAtrasado Acoplado

PROPAGACIÓN

PRESIÓN

TIEMPO

Pmáx

(dP/dt)máx

20 ms

Ignición

Parámetros Característicos

Ley Cúbica

EXPLOSIÓN DE POLVO

(dP/dt)máx . = KG3 V

EXPLOSIÓN DE GAS

(dP/dt)máx . = Kst3 V

Esfera de 20 litros

Gas inflamable KG

Metano 55

Propano 75

Hidrógeno 550

Gas inflamable KG

Metano 55

Propano 75

Hidrógeno 550

Valores de KG [bar.m/s]Sin turbulenciaEnergía de ignición E = 10 JPmáx = 7,4 bar

Tipo de polvo Pmáx Kst

PVC 6,7 – 8,5 27– 98 Leche en polvo 8,1 – 9,7 58 – 130

Polietileno 7,4 – 8,8 54 – 131 Azúcar 8,2 – 9,4 59 – 165 Resina 7,8 – 8,9 108 – 174 Madera 7,7 – 10,5 83 – 211

Celulosa 8,0 – 9,8 56 – 229

Pigmentos 6,5 – 10,7 28 – 344 Aluminio 5,4 – 12,9 16 – 750

Tipo de polvo Pmáx Kst

PVC 6,7 – 8,5 27– 98 Leche en polvo 8,1 – 9,7 58 – 130

Polietileno 7,4 – 8,8 54 – 131 Azúcar 8,2 – 9,4 59 – 165 Resina 7,8 – 8,9 108 – 174 Madera 7,7 – 10,5 83 – 211

Celulosa 8,0 – 9,8 56 – 229

Pigmentos 6,5 – 10,7 28 – 344 Aluminio 5,4 – 12,9 16 – 750

Valores de Kst [bar.m/s] y Pmáx [bar]

EXPLOSIONES


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Clasificación de explosiones de polvos

CLASE Kst CARACTERÍSTICA

St 0 0 Sin explosión

St 1 0 - 200 Explosión débil

St 2 200 - 300 Explosión fuerte

St 3 > 300 Expl. muy fuerte

CLASE Kst CARACTERÍSTICA

St 0 0 Sin explosión

St 1 0 - 200 Explosión débil

St 2 200 - 300 Explosión fuerte

St 3 > 300 Expl. muy fuerte

EXPLOSIÓN DE POLVO

Sensibilidada la ignición

Severidad dela explosión

SI =

SE =

( Tmi . Emi . Cmi ) Pittsburgh

(Tmi . Emi . Cmi ) Muestra

( Pmáx . Rmáx ) Pittsburgh

(Pmáx . Rmáx ) Muestra

Índice deexplosividad IE = SI . SE

Índices de Pittsburgh

EXPLOSIÓN DE POLVO

SI SE IE Tipo de explosión

< 0,2 < 0,5 < 0,1 Débil

0,2 a 1 0,5 a 1 0,1 a 1 Moderada

1 a 5 1 a 2 1 a 10 Fuerte

> 5 > 2 > 10 Muy fuerte

SI SE IE Tipo de explosión

< 0,2 < 0,5 < 0,1 Débil

0,2 a 1 0,5 a 1 0,1 a 1 Moderada

1 a 5 1 a 2 1 a 10 Fuerte

> 5 > 2 > 10 Muy fuerte

Índices de Pittsburgh

7

0

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

0,5 1

P[bar]

t [s]

Influencia del volumen

Pi[bar]

2

1

05 10 Concentración

propano [%]

E = 10J

E = 100J

LFL UFL

Influencia sobre LFL y UFL de la presión inicial y de la energía de ignición

Rangoexplosivo

El rango de explosividad se amplíaal incrementar la presión inicial

y la energía de ignición.

En los materiales pulverulentosel límite superior se produce

debido a la dificultad del oxígenopara alcanzar la superficie delas partículas en suspensión.

EXPLOSIONES


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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.

Para polvos combustibles: LFL 20 a 60 g/m3

UFL 2000 a 6000 g/m3

Estequiométrica 100 a 300 g/m3

Pmax[bar]

(dp/dt)max[bar/s]

Pi [bar]

15

10

5

0

750

500

250

00,5 1 1,5

PRES

IÓN

NORM

AL

Influencia de la presión inicial

Con mayores temperaturas inicialesse incrementa la velocidad de la

reacción y, por lo tanto, (dP/dt)máx .La Pmáx disminuye por ser menorla diferencia entre tinicial y tfinal .

EXPLOSIONES DE GASES Y DE POLVOSCarácterísticas y condicionantes

La humedad absorbe el calor dela reacción e incrementa la cohesióndel polvo reduciendo su dispersión.Sin embargo se requieren valoresde hasta 50% de humedad para

evitar la explosión.

EXPLOSIÓNES DE GASES Y DE POLVOSCarácterísticas y condicionantes

El gas tiende a difundirse, el polvo a depositarse influído

por la fuerza de gravedad.

EXPLOSIÓN DE POLVOCarácterísticas y condicionantes

EXPLOSIONES


5


Explosión Primaria


Explosiones Secundarias

Pmax[bar]

(dp/dt)max[bar/s]

200

100

0

5

0

Ømed [µm]100 200 300

Influencia del tamaño de la partícula

PVC

Polietileno

Harina

Metilcelulosa

Un polvo con granulometría gruesaque normalmente no puede hacerexplosión, puede ser explosivo alagregársele un 5 a 10% de polvo

con granulometría fina.

En los materiales pulverulentosla reacción es superficial.

Polvos más finos poseen mayorfacilidad de hacer explosión y

producen explosiones más violentas.

Al aumentar la turbulencia de unamezcla 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 productosde combustión que se generan.

EXPLOSIÓNES DE GASES Y DE POLVOSCarácterísticas y condicionantes

Pex[bar]

(dp/dt)[bar/s]

Concentración polvo PVC [g/m3]500

250

0

5

0

7%

5%

3%

1%

0%

Concentración metano en aire

Mezclas híbridas

EXPLOSIONES


6

Aquellos polvos que no puedenhacer explosión aun con elevadas

energías de ignición, pueden convertirseen 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, unamezcla explosiva.

Pex[bar]

vex[m/s]

Longitud de la cañería [m]0 10 20 30

1000

0

5

0 10 20 30

Hidr

ógen

oPr

opan

o

Metano

Ø 20cm Ø 40cm

Combustión en cañería(Cerrada en un extremo)

PROTECCIÓN CONTRA EXPLOSIONES

1 Evitar el proceso de combustión• Condiciones del producto• Eliminar fuentes de ignición• Condiciones del ambiente

2 Suprimir y confinar la explosión• Evitar la propagación• Extinguir la explosión

3 Reducir o resistir sus efectos• Diseño resistente• Venteo de alivio

Usar otro productoGenerar menos cantidad de polvoGenerar polvo con mayor granulometríaEvitar la acumulación– Captación– Limpieza

PROTECCIÓN CONTRA EXPLOSIONES1 Evitar el proceso de combustión

• Condiciones del producto

Controlar temperatura de superficiesVerificar certificaciones de equipos eléctricosControl de tareas en calienteTemperatura superficial de equipos eléctricosCigarrillosMotores de combustión internaCalentamiento espontáneo (biológico)


• Eliminar fuentes de ignición

Controlar fricción en bandas y rodillosVerificar lubricación de cojinetesExtraer objetos metálicos extrañosControlar descargas electrostáticas– Cuerpos conductores aislados– Recipientes y contenedores sin conexión a tierra– Materiales de construcción no conductores– Controlar polvos con R > 1012 +m


• Eliminar fuentes de ignición

EXPLOSIONES


7


• Condiciones del ambiente


INERTIZACIÓN

1 Evitar el proceso de combustión• Condiciones del ambiente

[g/m3]Concentración polvo polietileno5000

Pex[bar]

(dp/dt)[bar/s]

5

0

100

21% O2

16% O2

12% O2

11% O2

10% O2

Influencia de la inertización

Multiplicación de equipos

Uso de compuertas rotativas y sinfines

Uso de válvulas de acción rápida

Uso de barreras extintoras

PROTECCIÓN CONTRA EXPLOSIONES2 Suprimir y confinar la explosión

• Evitar la propagación

AISLACIÓN y VENTEO de la explosión

Válvula de acción rápida

Venteo

Control

Detector de presión

EXPLOSIONES


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Ignición


Ondas de presión

Explosión en desarrollo


Válvula accionada


Explosión aislada

Explosión venteada


COMO EN UN PROCESO DE COMBUSTIÓN

2 Suprimir y confinar la explosión• Extinguir la explosión

EXPLOSIONES


9

Supresor

Detector de presiónDifusor

SUPRESIÓN DE LA EXPLOSIÓN

Control

Válvula

tt

RUPTURA


000 000

P

msegmseg mbar

IGNICIÓN

tt

RUPTURA


020 035

P

msegmseg mbar

Ondas de presión

tt

RUPTURA


030 085

P

msegmseg mbar

Inyección de agente

tt

RUPTURA


050 200

P

msegmseg mbar

Continúa inyección

tt

RUPTURA


080 150

P

msegmseg mbar

Supresión completada

EXPLOSIONES


10

5 a 12 bar

Resistente a la Pmáx

Resistente a la variación de presión

PROTECCIÓN CONTRA EXPLOSIONES3 Reducir o resistir sus efectos

• Diseño resistente


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.

3 Reducir o resistir sus efectos• Venteo de alivio de la explosión

SIMPLES TRIPLES

RANURADOS DE GRAFITO

DISCOS DE RUPTURA

VÁLVULAS DE CIERRE POR RESORTE

BLEVE

BoilingLiquidExpandingVapourExplosion

Explosión porExpansión deVapores deLíquidos enEbullición

EXPLOSIONES


11

BLEVE

James B. Smith

Williams S. Marsh

Wilbur L. Walls

Robert C. Reid

Introdujeron el término BLEVE en 1957.

Explicó el fenómeno a través de su teoría de los líquidos sobrecalentados en 1978.

T1 T2

T3 T4

PUNTO CRÍTICO

P

v

BLEVE

T1 T2

T3 T4

P

v

CU

RV

A C

US

PID

AL

BLEVE

∂P∂V

T=cte

= 0 T

h

EXPERIENCIADE REID

+-

T

h

T>TEBULLICIÓN

EXPERIENCIADE REID

P[atm]

T[°C]20 40 60 80

0

5

10

15

20

25

30

35

45

53

A

B

E

C

D

LÍM

ITE

DE

SO

BR

EC

ALE

NTA

MIE

NTO

PROPANOBLEVE

EXPLOSIONES


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BOILOVER

DESBORDE POR EBULLICIÓN

BOILOVER

Onda deCalor

BOILOVER BOILOVER

Agua

BOILOVER

Rebosamiento por Ebullición

EXPLOSIONES


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