EXPLOSIONES

EXPLOSIONES

Definición: Una explosión es una liberación súbita de gas a alta presión en el ambiente. Súbita porque la liberación debe ser lo suficientemente rápida de forma que la energía contenida en el gas se disipe mediante una onda de choque. A alta presión porque significa que en el instante de la liberación de la presión del gas es superior a la de la atmósfera circundante.

Una explosión puede  resultar de una sobre presión de un contenedor o estructura por medios físicos (rotura de un globo), medios fisicoquímicos (explosión de una caldera) o una reacción química (combustión de una mezcla de gas).

Clasificación de las explosiones por su origen: La diferencia fundamental entre las explosiones causadas por un gas a alta presión se debe al origen de las mismas. A continuación mostramos un cuadro con la clasificación:

Explosiones Físicas: En determinados casos el gas alta presión se genera por medios mecánicos o por fenómenos sin presencia de un cambio fundamental en la sustancia química. Es decir alcanza presión mecánicamente, por aporte de calor a gases, líquidos o sólidos o bien el sobrecalentamiento de un líquido puede originar una explosión por medios mecánicos debido a la evaporación repentina del mismo. Ninguno de estos fenómenos significa cambio en la sustancia química de las sustancias involucradas. Todo el proceso de generación de alta presión, descarga y efectos de la explosión puede entenderse de acuerdo a las leyes fundamentales de la física.

La mayor parte de las explosiones físicas involucran a un contenedor tal como calderas, cilindros de gas, compresores, etc. En el contenedor se genera alta presión por compresión mecánica de gas, calentamiento del contenido o introducción de otro gas a elevada presión desde otro contenedor. Cuando la presión alcanza el límite de resistencia de la parte más débil del contenedor se produce el fallo. Los daños generados dependen básicamente del modo de fallo. Si fallan pequeños elementos pero el contenedor permanece prácticamente intacto, la metralla proyectada resulta peligrosa como balas, pero la descarga de gas es direccional y controlada en esta condiciones los daños causados se limitan a penetración de metrallas, quemaduras y otros efectos dañinos por gases calientes.

Cuando el fallo ocurre en las paredes del contenedor se producen proyecciones de metrallas de mayor tamaño provocando un violento empuje de la estructura del contenedor en la dirección opuesta a la descarga del gas. En este caso la liberación del gas es extremadamente rápida y genera una violenta onda de choque.

En el caso de que el contendor almacene un líquido sobrecalentado (líquido a temperatura superior a su punto de ebullición o un gas licuado como amoníaco o dióxido de carbono) cuando el contenedor se rompa se producirá súbita evaporación del líquido. El volumen evaporado es suficiente como para enfriar el producto liberado hasta su punto de ebullición y aumentar los efectos de la presión. Este fenómeno se conoce como BLEVE (explosión de vapor en expansión de un líquido en ebullición).
Otro fenómeno es la evaporación de un líquido puesto en contacto con otra sustancia a una temperatura muy por encima del punto de ebullición del líquido. Este es el caso de la introducción de agua de tubos de calderas, cómo intercambiador de calor o tanques de fluidos de transferencia de calor, a alta temperatura pueden provocar violentas explosiones.

Explosiones Químicas: En otros casos la generación del gas a alta presión resulta de la reacción química de un producto donde la naturaleza del mismo difiere de la inicial (reactivo), La reacción química más común presente en la explosiones es la combustión, dónde un combustible (por ejemplo metano) se mezcla con el aire, se inflama y arde generando dióxido de carbono, vapor de agua y otros subproductos hay otras reacciones químicas que generan gases a alta presión.

Las explosiones resultan de las descomposiciones de sustancias puras, detonación, combustión, hidratación, corrosión y distintas interacciones de más o más sustancias químicas. Cualquier reacción química puede provocar una explosión si se emiten productos gaseosos, si se evaporizan sustancias ajenas por el calor liberado en la reacción o si se eleva la temperatura de gases presente, por la energía liberada.

La reacción química más conocida que produce gases a alta presión por medio de otros gases o vapores, en la combustión de gases en el aire sin embargo otros gases oxidantes cómo el oxígeno, cloro, flúor, etc. Pueden ser sustituidos por algo, produciendo con frecuencia procesos de combustión muchos más intensos.

Los polvos y nebulizadores (líquidos en estado pulverizado) pueden generar, al quemarse en el aire o en otro medio gaseoso reactivo, gases a elevada presión. La combustión puede producirse con cualquier partícula, pero en la práctica de mayores riesgos se encuentran en las de 840 micras o menos. A medida que disminuye el tamaño más fácil se produce la dispersión y más estable y duradera resulta. Las partículas más finamente definida implica mayor riesgo al facilitar la formación de dispersiones, mantenerlas durante más tiempo y quemarse más rápidamente las partículas de mayor tamaño.

Las reacciones químicas pueden clasificarse en uniformes que son transformaciones químicas que involucran toda la masa reactiva y reacciones de propagación, en la que existe un frente de reacción, claramente definido que separa el material sin reacción de los productos de la reacción, avanzando a través de toda la masa reactiva.

Reacciones uniformes: En este tipo de reacciones la velocidad sólo depende de la temperatura y la concentración de los agentes de la reacción manteniéndose constante en toda la masa reactiva. A medida que aumenta la temperatura de la masa la reacción se acelera alcanzando el punto de calentamiento en el que el calor generado supera al disipado por al ambiente por la masa. Puesto que se genera calor en toda la masa reactiva, pero disipa más lentamente desde el centro que desde la superficie exterior el centro se calienta más y aumenta su velocidad de reacción.

Reacciones de propagaciones: Una mezcla de hidrógeno y oxígeno puede almacenar a temperatura ambiente durante extensos períodos de tiempo sin indicios de reacciones químicas. No obstante la mayoría de estas mezclas reaccionan violentamente si se aplica una fuente de ignición. La reacción comienza en dicha fuente y se propaga por la mezcla. Pueden diferenciarse tres zonas distintas la zona de reacción, la zona de producto (detrás de la llama) y la zona sin reacción (frente a la llama).  Una reacción de propagación siempre es exotérmica. La reacción se inicia con una zona relativamente pequeña de alta temperatura, generada por un encendedor externo o por acumulación de calor en el núcleo de un sistema de reacción uniforme. Para que la reacción se propague, el núcleo, activado por el inflamador, debe elevar suficientemente la temperatura del material circundante de forma que entre en reacción. Cuanto más elevada sea la temperatura inicial del sistema, más fácilmente se inflama y más probable resulta la reacción de propagación, puesto que se requiere menos transmisión de energía para que entre en reacción el material circundante.  Puesto que una reacción de propagación se inicia en un punto específico y se propaga a través de la masa reactiva, la velocidad de disipación depende de la propagación del frente de reacción. Las velocidades de propagación varían desde cero a varias veces la velocidad del sonido, dependiendo de la composición, temperatura, presión, grado de confinamiento y otros factores.

Determinación del potencial explosivo: Para determinar el potencial explosivo se requiere conocer la naturaleza fundamental de las sustancias procesadas, manipuleadas, utilizadas o transportadas, así como las características de la instalación específica en la que las sustancias se encuentran.

También debe considerarse el medio ambiente circundante.

Por lo anteriormente expuesto se deben considerar las propiedades de los materiales, del sistema y del medio ambiente:

Propiedades de los materiales: Se deben tener cuenta dos conceptos fundamentales: la severidad, es decir el tipo y potencia de la reacción, en otras palabras ¿qué daños puede causarse? y la sensibilidad, el modo de iniciación es decir ¿qué puede provocarla?

Severidad: Es muy importante determinar las presiones y temperaturas máximas, velocidades de aumento de presión y temperaturas, calor de reacción y las condiciones en las que dichas reacciones pueden producirse. Es recomendable conocer las propiedades del material en condiciones extremas. La severidad resulta ser difícil de determinar.

Sensibilidad: Los mecanismos de iniciación de una explosión suponen una absorción de energía por los materiales. Si se elige una forma específica de energía de activación, puede determinarse la mínima cantidad necesaria para producir una reacción. Sin embargo, dicha cantidad varía ampliamente según el tipo elegido. Las relaciones entre los diferentes tipos de energía absorbida son complicadas, ya que cualquier fuente aporta energía en formas muy variadas, y sólo aquellas que puedan ser absorbidas por enlaces moleculares resultan eficaces para iniciar reacciones químicas. En la práctica aquellas aportaciones de energía que generan elevadas temperaturas localizadas son las más propicias para iniciar una reacción química. Las más comunes son las llamas, descargas eléctricas, superficies calientes, compresión mecánica y compresión por onda de choque.

Propiedades del sistema: El sistema es el equipo operativo en el que se encuentran los materiales. Todo sistema tiene elementos activos u operativos y elementos pasivos o no operativos.

Elementos activos: Son los que contienen partes móviles como bombas, sopladores, trituradores, válvulas, agitadores, etc. Constituyen los medios a través de los cuales la energía externa se trasmite a los materiales en condiciones normales de funcionamiento. Por ejemplo un soplador o ventilador normalmente suministra energía para mover una gas; esta energía se suministra de forma regular y discreta mediante el giro de paletas. Si una paleta se deforma, la energía se concentra en forma de partículas fundidas de la propia pala o la carcasa que constituyen una eficacísima fuente de ignición. Se debe evaluar el fallo de un elemento activo para asegurar que el sistema se diseñe de modo que tales fallos no conduzcan a una explosión o que incorpore elementos apropiados de control de los efectos explosivos y protección del personal y medio circundante.

Elementos pasivos: Los elementos pasivos de un sistema no aportan energía a los materiales. En lugar de ello, confinan materiales y la energía que liberan. También pueden crear condiciones en las que la energía puede concentrarse y/ o transformarse con  riesgo de ignición. Como por ejemplo la generación de cargas electroestáticas en materiales que fluyen. Los elementos pasivos deben poseer la adecuada resistencia, forma y propiedades químicas para contener el material en las condiciones de absorción que prevalecerán durante situaciones de funcionamientos normales y anormales.

Propiedades del medio ambiente: El término se refiere al entorno inmediato al sistema que puede actuar con los materiales del mismo. El medio ambiente puede aportar energía al sistema mediante descargas eléctricas, soldadura, fuego, explosión, impacto de máquinas, etc.

Contramedidas: Mediante una evaluación adecuada del potencial explosivo, puede determinarse el carácter y severidad de dichas anomalías y las reacciones resultantes y, por tanto, adoptar contramedidas en el sistema operativo. Se entiende por contramedidas la adopción de acciones o instalación de elementos que contrarresten la reacción, más que medidas preventivas. Las contramedidas utilizadas son: contención, enfriamiento, amortiguación, amortiguación, ventilación y aislamiento.

Contención: En muchos casos es factible diseñar el sistema para que soporte la máxima presión  que podría generarse por la reacción explosiva prevista.

Las principales ventajas de la contención es su carácter pasivo (no constituye ninguna función operativa)  y  su limpieza (no permite la dispersión de materiales), y la principal desventaja se debe a que exige una gran exactitud en la estimación de la amplitud  de la onda de choque, ya que la energía liberada en la misma está íntimamente relacionada con la presión de rotura.

La contención es más fácil de practicar en el caso de combustión de fases gaseosas, donde las presiones máximas son  de 2 a 20 veces a la inicial.

Es extremadamente difícil de practicar en el caso reacciones térmicas incontroladas y de descomposición, dado que el volumen de los reactivos y las presiones máximas alcanzadas hacen casi imposible la práctica de estas contenciones desde el punto de vista económico e ingenieril. Para el caso de estas reacciones el sistema de contención se limita a sistemas de pequeño volumen en procesos pilotos, estos sistemas también son utilizados para los casos de deflagración en fases condensadas.

Enfriamiento: Consiste en la eliminación de calor o inhibición química en condiciones potencial o realmente explosivas.

Esta eliminación puede realizarse por medios externos. La inhibición consiste en agregar productos al sistema químico para atenuar la reacción  por dilución o eliminación de compuestos químicos activos.

El medio más común  para la eliminación de calor es el parallamas, utilizado para impedir la  propagación de combustiones de vapor y aire, disipándose el calor de frente de llama, enfriando la zona de reacción y bajando la velocidad de reacción.

Las combustiones de polvos y gases también pueden combatirse por dilución con anhídrido carbónico, agua, vapor de agua, pulverizaciones, polvos secos, etc. para generar una absorción de calor que atenúe o extinga el frente de llama.

Amortiguación: Consiste en la eliminación de la propia mezcla reactiva. La amortiguación no detiene la reacción, solo transfiere el problema a una ubicación supuestamente más favorable para poder aplicar otro tratamiento. Por ejemplo,  lo más común es que las fases condensadas se amortigüen en un contenedor  lleno de atenuador frío, dicho contenedor debe ser capaz de soportar condiciones potencialmente explosivas en el caso de que el proceso de enfriamiento no se desarrolle adecuadamente.

Ventilación: Se refiere específicamente a la liberación de un gas de un contenedor de contención en una forma controlada.

La ventilación resulta útil con combustiones de gas, polvos, nebulizaciones, reacciones uniformes o de propagación en fases  condensadas y en la mayoría de los casos que conducen a explosiones físicas.

Los requerimientos básicos para un sistema de ventilación son que éste alcance su pleno funcionamiento en forma rápida y que sea capaz de liberar el gas a la máxima velocidad de generación del mismo  por las condiciones potencialmente explosivas.

Aislamiento: Consiste en la separación de un elemento del entorno que puede resultar negativamente afectado por una explosión.

Esta separación puede lograrse alejando el elemento potencialmente peligroso o agregando estructuras resistentes diseñadas para deflectar, atenuar o contener las ondas de choque y los productos expulsados.

El aislamiento por alejamiento resulta práctico para los casos en donde se realizan trabajos peligrosos (Ej. Fábrica de explosivos).

El aislamiento mediante estructuras resistentes al choque requiere de un diseño más sofisticado y costoso; en este caso es necesario determinar  la magnitud de la explosión, la forma de la  onda de choque, la metralla y los productos producidos. Este sistema debe diseñarse para soportar el choque o impulso de la explosión, la presión estática generada por el gas liberado, la penetración de la metralla y cualquier efecto secundario generado por  el material expulsado.

Como hemos visto en anteriormente para que una explosión se produzca se deben dar varias situaciones:

La concentración de combustible debe estar ente los límites superior e inferior de inflamabilidad. Debe haber oxidantes a una concentración que supere un mínimo de seguridad. Los reactivos deben mezclarse íntimamente. Debe haber una fuente de ignición.
Las medidas de prevención y protección que se explican a continuación consisten en la disminución, supresión o control de las situaciones mencionadas anteriormente.

Control de las fuentes de ignición: Las deflagraciones y las posibles explosiones resultantes serían imposibles si se pudieran eliminar complementariamente las fuentes de ignición de los espacios donde se desarrollan los procesos. Los procedimientos utilizados para diseñar, utilizar y mantener los sistemas de procesos deben tener siempre en cuenta la prevención de las fuentes de ignición. Dentro de los métodos más comunes encontramos:

·   Llama abierta y permiso para trabajos peligrosos.

·   Control de los equipos eléctricos.

·   Control de ignición por descargas eléctricas.

·   Chispas generadas mecánicamente.

·   Ignición por superficies calientes.

Reducción de la concentración de oxidantes: Las explosiones se pueden evitar manteniendo la concentración de oxígeno u otros oxidantes en el local por debajo de la necesaria para que se produzca la combustión a la temperatura y presión del proceso.

El método más común de reducir dicha concentración es el purgado o inertizado del espacio con un gas poco oxidante.

El riesgo de incendio y explosiones de muchos materiales se puede evitar durante su almacenaje y procesos su se utiliza un gas inerte adecuado. Esto se puede hacer porque la combustión de la mayoría de los materiales no se produce si hay poco oxígeno en la atmósfera o si su concentración se reduce por debajo de un límite dado.
Cuando se utiliza un gas inerte como medio de controlar los fuegos y explosiones, su principal función es evitar las mezclas explosivas de vapor y aire, generalmente en espacios cerrados. Algunos ejemplos son la inertización de lo depósitos antes de repararlos o el vaciado de los depósitos donde ha habido líquidos inflamables mediante aire a presión, la prevención de la formación de mezclas explosivas en los hornos de secado o el aislamiento de los líquidos inflamables en sus depósitos o equipos de reacción.

Supresión de la deflagración: El aumento de presión en un recipiente cerrado debido a la deflagración de una atmósfera combustible en su interior, se produce a una velocidad que depende de diversión factores, como hemos indicado anteriormente.

Los sistemas de supresión de la deflagración son sistemas activos que detectan el proceso de combustión en sus etapas iniciales de desarrollo, proporcionando a continuación suficiente agente extintor para cumplir la deflagración incipiente. Este método de mitigación de las explosiones que impide el avance del proceso de combustión, eliminado así el riesgo de que se originen productos de la combustión a gran presión y temperatura.

Los sistemas de supresión de deflagraciones se han venido empleado para proteger los procesos industriales desde la década de los 50. Esta tecnología ha evolucionado enormemente, sobre todo en cuanto al tipo de agentes y sistemas de aplicación. Los sistemas de supresión de las deflagraciones se encuentran en todos los procesos industriales en los que hay materiales combustibles.

Limitación de la presión: La presión máxima que produce una deflagración en un recipiente cerrado puede llegar hasta unos 100-150 psi (700-1000 Kg Kpa) a partir de la presión atmosférica o hasta 7-10 veces la presión inicial.

Muchos equipos de procesos, fabricados para soportar el vacío y/ o una moderada presión de trabajo, si se someten a un análisis cuidadoso se ve que tienen una resistencia a la rotura superior a la presión máxima que se puede producir en el sistema.

Auque la práctica recomienda un factor de seguridad de 4:1 en la presión de rotura respecto a la presión normal de trabajo de un recipiente, no es raro que se pueda producir una explosión, que depende de la resistencia del recipiente en la rotura con un factor de seguridad muy pequeño.

Dicho sistema limitaría el peligro de explosión del recipiente, que en el peor de los casos se podría alterar o deformar. Los esfuerzos por limitar la presión evitarían a su vez la rotura del recipiente y los posibles daños catastróficos que causarían en la zona.