¿Qué conceptos de protección contra explosiones (construcción resistente al choque de presión, inertización, desacoplamiento) son habituales ante riesgos de explosión de polvo?
Ante riesgos de explosión de polvo se combinan medidas de protección preventivas y constructivas. En primer lugar deben evitarse las atmósferas de polvo explosivas peligrosas y las fuentes de ignición eficaces. Si esto no es posible con suficiente seguridad, las medidas constructivas limitan las consecuencias de una posible explosión a un nivel admisible. La TRGS 724 menciona para ello cuatro medidas básicas: construcción resistente a explosión, alivio de presión de explosión, supresión de explosiones y desacoplamiento técnico frente a llamas y presión.
La elección del concepto de protección depende de los datos de seguridad de las sustancias, el tamaño del aparato, las tuberías conectadas, el lugar de instalación, el concepto de operación y las posibles consecuencias de un suceso. Los datos relevantes son en particular el KSt, la presión máxima de explosión pmax, la energía mínima de ignición, las temperaturas mínimas de ignición, el tamaño de grano, la humedad, la conductividad eléctrica y, en su caso, los datos sobre mezclas híbridas.
Construcción resistente a explosión
Los aparatos resistentes a explosión, por ejemplo mezcladores, filtros, silos, ciclones, secadores o tuberías, se diseñan de modo que soporten una explosión interna esperada sin desgarrarse. Tras un suceso de explosión o detonación, las partes de la instalación afectadas deben comprobarse para determinar si su resistencia a explosión sigue siendo válida.
En este contexto se distingue entre construcción resistente a la presión de explosión y construcción resistente al choque de presión de explosión. Los componentes resistentes a la presión de explosión soportan la presión de explosión máxima o reducida sin deformación permanente. Los componentes resistentes al choque de presión de explosión pueden deformarse plásticamente, pero no deben reventar ni presentar fugas peligrosas. Una construcción resistente a la presión de explosión cumple al mismo tiempo los requisitos de una construcción resistente al choque de presión de explosión.
El diseño puede basarse en la presión máxima de explosión o, si se prevé un alivio de presión o una supresión de explosiones eficaces, en la presión de explosión reducida pred. Valores generales como «8 a 10 bar» no constituyen una base de diseño para un aparato concreto. Pueden diferir considerablemente según el polvo, la mezcla híbrida, la presión inicial, la temperatura y la geometría. Es necesario un diseño específico del proyecto basado en datos de sustancias comprobados y reglas reconocidas.
Inertización
En la inertización se reduce el contenido de oxígeno en el espacio del proceso mediante un gas inerte adecuado, o bien la atmósfera se sustituye en gran medida por gas inerte. Con ello se pretende que no se produzca ni se desarrolle una explosión o un incendio. La inertización es, por tanto, una medida preventiva y no una medida constructiva de protección contra explosiones.
El nitrógeno se emplea con frecuencia para polvos orgánicos y muchos polvos químicos. El dióxido de carbono o el argón pueden ser adecuados en determinados casos. Sin embargo, la selección presupone una evaluación de la reactividad química, la temperatura del proceso, la posible corrosión, la calidad del producto, los requisitos de protección laboral y el comportamiento de la sustancia ante fallos. Para polvos metálicos reactivos, un gas inerte inadecuado puede incluso generar riesgos adicionales.
El valor de oxígeno admisible debe situarse por debajo de la concentración límite de oxígeno determinada para el sistema concreto de polvo y gas inerte. Se fija con un margen de seguridad y tiene en cuenta la incertidumbre de medición, las fugas, las variaciones de presión y temperatura, la humedad, los cambios de producto y una posible liberación de oxígeno. Los valores objetivo generales para el oxígeno residual no son suficientes.
Los procedimientos típicos son la inertización por vacío y cambio de presión en procesos discontinuos, la inertización por purga o flujo continuo en instalaciones continuas, así como la superposición con una ligera sobrepresión de gas inerte. Una implementación segura requiere una instalación suficientemente estanca, un suministro adecuado de gas inerte, una medición de oxígeno representativa, valores límite de alarma, enclavamientos y un concepto para fallos o corte de energía.
Desacoplamiento y protección consecutiva
El desacoplamiento técnico contra explosiones evita que la presión, las llamas o las partículas en combustión se propaguen a otras partes de la instalación a través de tuberías y vías de transporte. Es especialmente importante en las interfaces entre mezclador, filtro, silo, ciclón, transportador, secador y envasado. Sin un desacoplamiento adecuado, una explosión en un pequeño volumen de aparato puede propagarse a zonas de instalación conectadas de mayor tamaño.
Como desacoplamiento pueden emplearse, por ejemplo, válvulas antirretorno adecuadas desde el punto de vista de la protección contra explosiones, compuertas de cierre rápido, válvulas de protección contra explosiones, barreras de agente extintor o válvulas rotativas celulares certificadas. Cada medida individual debe adecuarse a la clase de explosión de polvo, la geometría de la tubería, el sentido de flujo, el caudal, las relaciones de presión y la posición de montaje. Una válvula rotativa celular solo es eficaz como desacoplamiento si está expresamente diseñada para esta función de protección, instalada de forma adecuada y verificada periódicamente.
El alivio de presión y la supresión de explosiones complementan los conceptos mencionados. En el alivio de presión se abren discos de ruptura o compuertas de alivio, de modo que la presión y las llamas se conducen a una zona segura. Si no es posible un alivio hacia el exterior, pueden ser necesarios sistemas de alivio sin llama o instalaciones de supresión. Los sistemas de supresión de explosiones detectan el inicio de un suceso e introducen agente extintor para limitar el aumento de presión. Ambos procedimientos requieren un diseño, una verificación y un mantenimiento coordinados.
Así apoya amixon® la protección contra explosiones en polvos con riesgo de explosión
Diseño conforme a ATEX del espacio de producto
En polvos con riesgo de explosión, el interior de un mezclador, granulador, secador o reactor suele clasificarse como zona 20. La zona 20 designa un área en la que una atmósfera de polvo explosiva está presente de forma permanente, durante largos periodos o con frecuencia. Sin embargo, la clasificación definitiva de zonas de toda la instalación la determina el titular en el marco de la evaluación de riesgos. Esta abarca, además del mezclador, la dosificación, el llenado, la descarga, los filtros, las líneas de transporte, los silos, el envasado y la sala de instalación.
amixon® puede ejecutar mezcladores, granuladores, secadores-mezcladores de vacío y reactores mezcladores para aplicaciones con un espacio de producto clasificado como zona 20. Esto afecta —según la serie, el tamaño constructivo y la configuración del proyecto— a mezcladores de un solo eje, mezcladores verticales y cónicos, mezcladores de contenedores, mezcladores continuos, así como secadores-mezcladores de vacío y reactores mezcladores de las series VMT y AMT. La ejecución concreta del aparato, la categoría de equipo, la temperatura superficial admisible, el equipamiento eléctrico y no eléctrico, así como la documentación necesaria, se determinan de forma específica para cada proyecto en función de los datos de las sustancias y las condiciones de proceso.
La Directiva de producto ATEX 2014/34/UE regula los requisitos para equipos y sistemas de protección destinados a atmósferas potencialmente explosivas. La Directiva de operación ATEX 1999/92/CE obliga a los titulares a realizar la evaluación de riesgos, la clasificación de zonas y el documento de protección contra explosiones. Para un espacio de producto clasificado como zona 20 se requiere, en principio, un nivel de protección muy alto, que suele corresponder a una ejecución de categoría 1D.
Fuentes de ignición y estanqueidad
Las velocidades bajas de la herramienta pueden limitar la aportación mecánica de energía, así como la energía de fricción, impacto y abrasión. Para los mezcladores verticales VM y HM, amixon® indica un rango ajustable de aproximadamente 0,8 a 3,5 m/s. Este modo de operación puede reducir además la solicitación de las partículas en polvos sensibles. Sin embargo, no constituye una prueba general de que en el mezclador no pueda aparecer una fuente de ignición eficaz. También con velocidades de giro bajas deben evaluarse, entre otros aspectos, los cojinetes, las juntas, los ejes, los contactos entre herramienta y pared, los cuerpos extraños, los bloqueos, las temperaturas superficiales, las cargas electrostáticas y los componentes eléctricos.
Las cámaras y herramientas de mezclado pueden ejecutarse con pocas juntas y con superficies rectificadas. Según indica amixon®, las puertas de inspección Clever-Cut® con junta OmgaSeal® están concebidas para un sellado del espacio de producto con pocos espacios muertos. Estas características pueden reducir las salidas de polvo y las acumulaciones. No obstante, la estanqueidad real también depende de las diferencias de presión, el material de la junta, el desgaste, el montaje, el mantenimiento y la conducción concreta del proceso. Una construcción estanca al polvo reduce el riesgo de acumulaciones de polvo, pero no sustituye ni un concepto de limpieza eficaz ni la evaluación de posibles explosiones secundarias.
Para un concepto ATEX global conforme pueden ser necesarios el monitoreo de temperatura y par, conceptos adecuados de cojinetes y juntas, la gestión de cuerpos extraños, la puesta a tierra, la compensación de potencial y el mantenimiento preventivo. Para capas de polvo, la TRGS 723 indica, en principio, una distancia de seguridad de 75 °C entre la temperatura mínima de ignición de la capa de polvo y la temperatura superficial, salvo que la evaluación de riesgos permita otra determinación.
Diseño de presión y desacoplamiento
Los secadores-mezcladores de vacío y reactores mezcladores VMT y AMT pueden ejecutarse estancos al gas, al vacío y a la presión. Estas propiedades son necesarias para procesos bajo vacío, sobrepresión o atmósfera de gas inerte. Sin embargo, no implican automáticamente que un aparato esté diseñado como resistente a la presión de explosión o al choque de presión de explosión. Un diseño correspondiente debe especificarse expresamente y se basa en datos de seguridad de las sustancias como KSt, pmax, energía mínima de ignición, temperaturas de ignición, humedad, tamaño de grano y posibles mezclas híbridas.
Una construcción resistente a la presión de explosión o al choque de presión de explosión puede formar parte de un concepto constructivo de protección contra explosiones. Se diseña, según la estrategia de protección, para la presión máxima de explosión o para una presión reducida mediante alivio de presión o supresión. Tras un suceso, los componentes afectados deben comprobarse en cuanto a su integridad y capacidad de uso continuadas.
El desacoplamiento técnico contra explosiones es necesario cuando la presión, las llamas o las partículas en combustión pudieran propagarse a otras partes de la instalación a través de líneas de conexión. Esto afecta en particular a las interfaces entre mezclador, filtro, silo, secador, transportador e instalación de envasado. Como medidas adecuadas pueden emplearse válvulas antirretorno verificadas desde el punto de vista de la protección contra explosiones, compuertas de cierre rápido, válvulas de protección contra explosiones, barreras de agente extintor o válvulas rotativas celulares adecuadas. La selección y el diseño se realizan para el tren de proceso concreto, la clase de explosión de polvo, la geometría de la tubería, el caudal y las relaciones de presión.
Inertización como medida preventiva
La inertización puede emplearse como medida preventiva de protección contra explosiones. En ella se reduce el contenido de oxígeno en el espacio del proceso, mediante un gas inerte adecuado, a un valor seguro por debajo de la concentración límite de oxígeno determinada para el sistema concreto de polvo y gas inerte. En aparatos de vacío, la atmósfera puede ajustarse, por ejemplo, mediante evacuación repetida y posterior inundación con un gas inerte adecuado. amixon® describe este principio para secadores-mezcladores de vacío y reactores de síntesis.
Son requisitos previos una instalación suficientemente estanca, un suministro adecuado de gas inerte, secuencias definidas de evacuación y purga, una medición de oxígeno representativa, valores límite de alarma y enclavamientos orientados a la seguridad. El valor de consigna admisible de oxígeno debe definirse para la receta concreta, el gas inerte, la presión, la temperatura, la humedad y la incertidumbre de medición. Los valores de consigna generales de oxígeno no son suficientes.
La inertización reduce la probabilidad de una atmósfera explosiva, pero no sustituye todas las demás medidas de protección. No protege automáticamente frente a la autoignición, la descomposición térmica, las reacciones exotérmicas o posibles incendios en acumulaciones de producto. En componentes oxidantes y polvos reactivos, la idoneidad del gas inerte y la eficacia de la inertización deben comprobarse con especial cuidado.
Ensayos y diseño
El diseño sigue los datos de seguridad de las sustancias, la especificación de requisitos de usuario del titular y la consideración de todo el conjunto de la instalación. Los ensayos con producto original pueden evaluar la idoneidad desde el punto de vista de la ingeniería de procesos, por ejemplo la calidad de mezcla, la evolución de la temperatura, la distribución de líquido, las adherencias, la descarga, la limpiabilidad y el comportamiento bajo vacío. Sin embargo, no sustituyen el ensayo de seguridad de las sustancias, el diseño del alivio de presión, la supresión o el desacoplamiento, ni la evaluación de riesgos por parte de especialistas cualificados en protección contra explosiones.
amixon® indica que opera en su sede de Paderborn más de 30 instalaciones de ensayo de distintos tamaños; se dispone de centros de ensayo adicionales en Japón, India, Tailandia, China, Corea del Sur y Estados Unidos. Los resultados de los ensayos pueden apoyar la selección de mezclador, herramientas, juntas, transmisión de calor, concepto de dosificación y conducción del proceso.