Elementos de detención de llama en explosiones de polvo

Venteo sin llama (apagallamas)

Jef Snoyes29/11/2007

Hay multitud de industrias que manejan materiales con potencial para producir una explosión de polvo y existen requisitos establecidos por la ley para adoptar medidas, tanto de prevención como de protección, para proteger el personal y los equipos de estas plantas de fabricación. Durante muchos años el método de protección más común y popular ha sido el empleo del venteo de explosiones. En su forma más sencilla, el venteo consiste en una abertura en el lateral o en la parte superior del equipo a proteger proporcionando un alivio de presión durante una explosión. Además de proveer un área de alivio de presión suficiente, la abertura de venteo debe de estar sellada con un recubrimiento hermético ante agua o polvo, tener una inercia baja para una apertura rápida, una presión estática de apertura calibrada y, por supuesto, ser no fragmentable durante la operación. Estos requerimientos llevan al uso de paneles de venteo certificados, como por ejemplo el panel de venteo CV de Fike de la figura 1, que resultan familiares para muchos en la industria hoy en día.

Fig 1. Panel de venteo tipo CV

Venteo sin Llama

Una solución posible es el venteo sin llama, usando un filtro de llamas para eliminar el calor de la combustión hasta tal punto que la temperatura es reducida por debajo del punto de auto ignición, extinguiendo de ese modo la llama. En 1992, un programa de pruebas fue llevado a cabo por el doctor W. Bartknecht y por A. Vogl en las instalaciones de FSA en Kappelrodeck, Alemania, para verificar hasta qué punto los filtros apagallamas comerciales disponibles podían aplicarse para detener la propagación de explosiones de polvo industrial. Los filtros apagallamas testeados estaban formados por tiras metálicas angulares entrelazadas en paralelo, formando así numerosos canales apagallamas de igual tamaño, típicamente de dimensiones 0.9 mm de anchura y 10 mm de longitud. A partir de los experimentos se vio que una combinación de dos apagallamas era necesaria para evitar la propagación de la llama. (ver figura 2).

Figura 2: apagallamas tipo cinta

Se probaron tres tipos diferentes de polvo (lypocodium, harina de trigo y almidón de maíz), en dos tamaños de apagallamas (DN300 & DN500) y con volúmenes diferentes. Como podría esperarse, los elementos apagallamas ofrecieron una resistencia al flujo y la superficie de alivio efectiva disminuyó. La eficiencia del venteo, EF, definida como la relación entre el área de venteo efectiva y el área de venteo geométrica, puede verse en las gráficas de la figura 3.

Refinando la idea para aplicaciones industriales, Fike desarrolló la unidad original FlamQuench. Este elemento combina las ventajas de un panel de venteo de explosiones certificado y de un apagallamas, proporcionando una solución realmente necesaria para la industria en protección contra explosiones. No obstante, la relativamente baja eficiencia de venteo del 50 por ciento limitaba su aplicación a recipientes con una presión de diseño de 0.5 barg o más. En un intento de mejorar su ejecución, una unidad modificada fue diseñada para aumentar el área del elemento apagallamas. Usando una forma cilíndrica, donde tanto la parte superior como los laterales de la estructura están fabricados a partir de capas de mallas de retención de acero inoxidable, se llegó a una eficiencia de venteo mucho mayor (véase la figura 4)

En el año 2001 se emprendió un programa de pruebas para determinar la efectividad de la nueva unidad y obtener una certificación ATEX** para su uso en atmósferas potencialmente explosivas. Deflagraciones de polvo de carbón, almidón de maíz y antraquinaona fueron inicialmente conducidas en recipientes de prueba de volúmenes desde 0.5 m3 a 4.0 m3 para calibrar el equipo y establecer los retrasos de ignición requeridos para obtener el rango correcto de valores de explosividad (Kst). Las pruebas realizadas sólo con panel de venteo y otras realizadas con el nuevo Flamquench II’ fueron llevadas a cabo para realizar una comparación directa de las presiones generadas.

Figura 3: Gráfica de Eficiencia de venteo

Figura 4: ensamblaje del FlamQuench II

**ATEX es la nueva legislación europea vigente desde Julio del año 2003. Todos los elementos de protección instalados después de esta fecha deben cumplir con los Requisitos Esenciales de Seguridad de la Directiva.

Venteo de explosión con panel de venteo

Venteo de explosión con panel de venteo y FlamQuench II

La siguiente tabla muestra algunos de los resultados obtenidos en las pruebas de venteo:

Cinco tamaños de FlamQuench II fueron probados (200, 350, 500, 600 y 910mm) con dos modelos diferentes de paneles de venteo y dos presiones estáticas de apertura. La instrumentación utilizada para medir las presiones del venteo de la deflagración consistían en transductores de presión, amplificadores y demás equipos de recogida de datos con un rango de presiones de entre 0 y 13 barg. Los efectos externos de la presión fueron medidos con transductores de presión ( de 0 a a 0,3 barg) situados a 0,6 m y a 2,5 m del lateral y a 0,6 m de la parte superior de la unidad FlamQuench II , y además se grabaron los niveles de ruido.

Tres diferentes métodos se usaron para comprobar cuál de todas las deflagraciones fue retenida de forma efectiva por la malla de acero inoxidable. La temperatura de la superficie externa se monitorizó con un termopar J-Type unido a la estructura y en la malla se colocaron materiales combustibles (un trapo empapado con gasolina y polvos secundarios) mientras dos cámaras de video grababan cada prueba para su posterior examen. No se detectó ninguna combustión externa en ninguna de las pruebas realizadas, demostrando claramente la efectividad de la nueva unidad y su seguridad para el uso en aplicaciones industriales.

Con la nueva unidad se midieron eficiencias de venteo mucho mayores, alcanzando un 100 por ciento en muchos de los casos. La eficiencia medida más baja fue del 84 por ciento, permitiendo su aplicación a la mayoría de los equipos y procesos industriales con riesgo de explosiones de polvo. En particular, los elementos más difíciles de proteger en un proceso como por ejemplo pequeñas tolvas de almacenamiento, ciclones, filtros de extracción de polvo, secadoras de lecho fluidizado, las cañas de los elevadores, cortadoras de bolsas y básculas son todos aptos para el FlamQuench II.

Figura 5: Datos típicos de presión/tiempo externos.

Venteo sin llama de transpotadores

Desde su introducción, muchos han sido los procesos protegidos con venteo sin llama FlamQuench II incluyendo procesos alimenticios, farmacéuticos, de agricultura, plantas energéticas... implicando a su vez un amplio rango de equipos desde tolvas a filtros de mangas y mezcladoras. Sin embargo, algunos equipamientos específicos de los procesos requieren una protección especial debido a sus características físicas y a su modo de operar. Por ejemplo, los transportadores requieren múltiples localizaciones de venteo distribuidas a lo largo de su dimensión mayor, típicamente su longitud.

Los transportadores son ampliamente utilizados en sistemas de transporte a granel.

Las estadísticas nos muestran que hay un riesgo alto para que se produzca una explosión de polvo cuando se transporta un polvo fino y seco.

Se ha descubierto que aproximadamente el 50 por ciento de las explosiones de polvo de grano se han originado en un elevador de cangilones, a través del cual la explosión se ha propagado por transportadores horizontales a otros equipos del proceso a los que estaba conectado como silos u otros elevadores.

Si se debe aplicar el venteo de explosiones a elevadores que se encuentran en el interior de un edificio, los conductos de venteo deben usarse para dirigir la explosión a zona segura, tal y como dicen las normas NFPA 68 y VDI 3673.

Fike ha desarrollado el venteo de explosiones EleGuard, con unas características de fácil instalación, diseñadas especialmente para usarse en elevadores.

Basándose en el éxito de la tecnología del venteo sin llama FlamQuench II, que elimina la necesidad de utilizar conductos de venteo, Fike ha desarrollado recientemente una unidad de venteo sin llama llamada Ele-Quench para hacer posible el venteo sin llama de elevadores situados en interiores.

El objetivo de esta unidad es combinar las características únicas de la tecnología del FlamQuench II con las ventajas específicas del panel de venteo para elevadores, permitiendo tener un venteo convencional en interiores sin liberar llama o polvo.

Tras muchas pruebas y mejoras del producto, Fike ha tenido éxito en el desarrollo de esta unidad especial de FlamQuench que puede ser atornillada directamente en el panel de venteo de explosiones Fike EleGuard.

Para demostrar la efectiovidad del producto y dar una orientación sobre su utilización, un elevador típico se levantó en las instalaciones de pruebas de Fike Corporation en Blue Springs, Estados Unidos. Se eligió el diseño de forma que los ajustes de la prueba permitieran que las explosiones producidas dentro del elevador se desarrollasen con una similitud aceptable. Se soldaron placas horizontales intermedias para reproducir las turbulencias que generan las obstrucciones, y se puso en ellas almidón de maíz, para permitir que este polvo en suspensión entrar en el flujo del proceso de combustión, simulando cangilones llenos de almidón. Se registraron presiones y llamas a lo largo de todo el elevador, y se colocaron ventanas de plexiglás en un lateral de la caña para poder grabar con vídeo.

Las pruebas mostraron que la eficiencia de venteo (comparada con el venteo convencional de elevadores) es del 100 por cien. Esto significa que usando únicamente venteo la Pred no se verá aumentada si le añadimos un filtro apagallamas; o que no es necesario aumentar el área de venteo para mantener la misma Pred que con el panel de venteo solo.

Filtro apagallamas EleQuench atornillado en panel de venteo Eleguard.

Las conclusiones del programa de pruebas, confirmadas y notificadas por un organismo de inspección ajeno, pueden resumirse en:

• El venteo sin llama de elevadores previene que las llamas producidas por una deflagración de polvo salgan por las áreas de venteo.

• Las deflagraciones de polvo de hidrocarburos con temperaturas de llama similares al almidón de maíz se extinguen.

• La temperatura de los gases emergentes de la unidad Ele-Quench están considerablemente por debajo de la temperatura de autoignición de gases y polvos.

• La combinación de Elev-Ex y Ele-Quench, usada en elevadores que transportan almidón de maíz con una Kst de 150 bar.m/s, ha demostrado una eficiencia de venteo del 100 por cien en comparación con el venteo realizado sólo con paneles Elev-Ex.

Otras características:

• Es un sistema pasivo que no requiere de mantenimiento.

• Instalación sencilla: el Ele-Quench, se suministra de fábrica con juntas que facilitan su instalación directa en los paneles Elev-Ex. Igualmente el número de tornillos se ha reducido para minimizar costes de instalación.

Fike lanza FlamQuench II SQ: filtros apagallamas para instalación en paneles de venteo rectangulares.

El FlamQuench II SQ asocia la tecnología de los apagallamas Fike con paneles de venteo de explosiones rectangulares, lo que permite combinar grandes áreas de venteo con altas eficiencias de venteo. La unidad está certificada ATEX ExD (LOM 01ATEX6056U) y diseñada para el venteo de explosions de clase ST1 y presiones reducidas de menos de 1 bar.

Su construcción se optimizó para poder obtener tanta área en el filtro apagallamas como fuera posible y solo se colocó filtro en las posiciones que contribuían eficientemente al proceso de venteo. El filtro se posiciona de forma perpendicular a la dirección de venteo, para optimizar asimismo la eficiencia del venteo. Debido a que los laterales contribuyen considerablemente poco al proceso del venteo, no se les puso filtro pero están diseñados de forma que el panel de venteo puede abrirse por completo en el interior de la unidad sin obstruir el apagallamas de ninguna manera. En uno de los laterales hay una compuerta de inspección para poder comprobar el estado del panel de venteo sin necesidad de quitar el filtro.

• El filtro apagallamas FlamQuench II previene que la combustión emerja de recipientes con venteo de explosiones. Polvos de hidrocarburos con

temperaturas de llama similares a las del almidón de maíz, el carbón y la antraquinaona serán extinguidos.

• La temperatura de los gases emergentes del Flamquench II está por

debajo de la temperatura de autoignición de gases y polvos.

• El FlamQuench II’ tiene una eficiencia de venteo mucho mayor que la

unidad original de Fike, permitiendo su aplicación en la mayoría de

procesos y plantas industriales, limitado únicamente por la restricción

de los combustibles orgánicos (no metálicos) de clases St 1 y St 2

(Kst < 300 bar m/s).

• Los niveles de sonido medios han sido disminuidos en 15-20 dB

en comparación con el venteo solo.

• El venteo sin llama es una alternativa excelente al uso de conductos

de venteo cuando l equipo está situado en interiores.

• Apropiado para su uso en un amplio rango de equipos de proceso como cañas de elevadores, cortadoras de bolsas, secadores, ciclones y filtros.

• FlamQuench II está certificado ATEX para su uso en atmósferas

pulvurulentas potencialmente explosivas..

Examen tipo EC Certificado no. LOM 01ATEX6056U.

De forma similar a los anteriormente descritos, un programa de pruebas se llevó a cabo en el año 2005 para determinar la efectividad de la unidad y obtener la certificación ATEX** para su uso en atmósferas potencialmente explosivas.

Se realizaron deflagraciones de polvo en un recipiente de pruebas esférico de 2.0 m3.Se realizaron unas pruebas con panel de venteo y otras con diferentes relaciones área del filtro apagallamas/ área de venteo para definir la forma más eficiente de unir una unidad apagallamas a un panel de venteo de explosiones rectangular.

Merece la pena apuntar que las características del flujo de una deflagración cuando se ventea a través de una abertura circular son significativamente diferentes en comparación con aberturas rectangulares; además la respuesta dinámica de un panel de venteo rectangular es diferente comparada a un venteo circular.