En el caso de los polvos con riesgo de explosión, los conceptos de protección se desarrollan siempre a partir de tres elementos interrelacionados: la clasificación de zonas, la evitación de la atmósfera explosiva y de las fuentes de ignición, y —si es necesario— las medidas constructivas para limitar una explosión. Qué combinación es adecuada depende de los datos de seguridad de la sustancia, el proceso, el tamaño del aparato, el lugar de instalación y el conjunto completo de la instalación.

La clasificación de zonas por sí sola aún no describe una protección contra explosiones completa. Sin embargo, determina qué equipos y sistemas de protección pueden emplearse en la zona correspondiente. La inertización puede evitar la aparición de una atmósfera explosiva. Los aparatos resistentes a la presión, resistentes al choque de presión de explosión o con alivio de presión, en cambio, limitan los efectos en caso de que se produzca una explosión pese a todas las medidas preventivas.

Conceptos de zona para polvos

La zona 20 designa una zona en la que una atmósfera explosiva en forma de nube de polvo combustible en aire está presente de forma permanente, durante largos periodos o con frecuencia. Ejemplos típicos son el interior de mezcladores, silos, molinos, secadores, filtros, ciclones y conductos de transporte que transportan polvo. La zona 21 se da cuando una atmósfera de polvo peligrosa y explosiva puede aparecer ocasionalmente en el funcionamiento normal. Esto afecta a menudo a los puntos de llenado, descarga, envasado y toma de muestras, así como al entorno inmediato de las transferencias abiertas o no completamente estancas. La zona 22 comprende las zonas en las que una atmósfera de polvo peligrosa no aparece en el funcionamiento normal, o solo brevemente, por ejemplo en caso de fugas poco frecuentes, averías o resuspensión de polvo depositado. El límite real de la zona debe determinarse a partir de la liberación, las propiedades del polvo, la estanqueidad, la aspiración, la limpieza, el flujo de aire y la geometría de la sala.

Para la zona 20 se requiere, por lo general, equipo de la categoría 1D. En la zona 21 son admisibles equipos de la categoría 1D o 2D; en la zona 22 pueden emplearse equipos de las categorías 1D, 2D o 3D. Estos requisitos no se aplican solo a los equipos eléctricos, sino también a los componentes no eléctricos, como ejes, juntas, rodamientos, herramientas de mezclado, compuertas, válvulas rotativas y equipos de transporte. La categoría 1D corresponde al nivel de protección muy alto para atmósferas de polvo y debe seguir siendo eficaz también ante averías poco frecuentes.

Soluciones de inertización

La inertización es una medida de protección preventiva. Un gas inerte adecuado reduce la proporción de oxígeno en la cámara de proceso hasta un valor en el que una explosión o —dependiendo del sistema de sustancias y del gas— también un incendio ya no pueden producirse o propagarse. La concentración límite de oxígeno determinante para ello, denominada internacionalmente Limiting Oxygen Concentration, depende del producto, del gas inerte y de las condiciones. Debe determinarse para el sistema polvo-gas inerte concreto bajo las condiciones relevantes de temperatura, presión, humedad y tamaño de partícula. El informe CEN/TR 15281 trata la inertización expresamente como medida para evitar explosiones e incendios.

El nitrógeno es el gas inerte más empleado para numerosos polvos orgánicos y polvos químicos. Está ampliamente disponible y es adecuado para numerosos sistemas de sustancias. El dióxido de carbono puede ser una alternativa económica en determinadas aplicaciones, pero solo debe emplearse tras comprobar la compatibilidad con el producto y los materiales. En los polvos metálicos reactivos, por ejemplo aluminio, magnesio, titanio o circonio, no es admisible una recomendación general de nitrógeno, dióxido de carbono o argón. Estos metales pueden reaccionar con determinados gases o a temperaturas elevadas. Por ello, la selección del gas inerte debe realizarse en función de la reactividad concreta, la temperatura, el tamaño de grano, la humedad y las posibles reacciones de extinción o descomposición.

En los procesos por lotes se emplea con frecuencia la inertización por ciclos de vacío-presión. En ella, un recipiente resistente al vacío se evacúa y a continuación se llena con gas inerte. El proceso se repite hasta que el contenido de oxígeno se sitúa por debajo del valor límite admisible. En los aparatos sin resistencia al vacío o en los procesos continuos puede emplearse una inertización por flujo continuo o por purga. Un flujo de gas inerte definido desplaza primero el aire y, durante el funcionamiento, compensa las fugas, la entrada de aire por la carga o el intercambio de gas en la descarga. Una ligera sobrepresión de gas inerte puede reducir la entrada de aire, pero debe ser compatible con la presión de servicio admisible, la estanqueidad y el concepto de seguridad.

La medición de oxígeno, los límites de alarma y los enclavamientos son componentes necesarios de una instalación inertizada de forma segura. Los puntos de medición deben ser representativos; en aparatos grandes o complejos pueden ser necesarios varios puntos de medición. El número de sensores, la redundancia necesaria y la seguridad funcional se determinan a partir de la evaluación de riesgos. Las indicaciones genéricas, como el uso siempre de dos sensores, un determinado valor SIL o un margen fijo de algunos puntos porcentuales en volumen por debajo de la concentración límite de oxígeno, no son suficientes sin una demostración de seguridad concreta.

Diseños resistentes a la presión y al choque de presión

Los equipos resistentes a explosiones se construyen de modo que soporten una explosión interna sin estallar ni provocar efectos peligrosos sobre el entorno. La norma EN 14460 describe los requisitos de los equipos resistentes a explosiones. El diseño se basa en la presión de explosión esperada y tiene en cuenta la geometría del recipiente, el volumen, el material, la temperatura, la presión, las conexiones, las juntas y las posibles mezclas híbridas.

En la ejecución resistente a la presión de explosión, el aparato se diseña para la presión máxima de explosión relevante. A diferencia de ello, en una ejecución resistente al choque de presión de explosión puede admitirse una deformación permanente, siempre que el recipiente no falle y no se produzcan consecuencias peligrosas hacia el exterior. En la práctica, estos términos se emplean a menudo de forma imprecisa. Por ello, el nivel de presión admisible, la carga de explosión esperada y los requisitos para la reutilización tras un incidente deben establecerse de forma inequívoca en el concepto de seguridad específico del proyecto.

Una construcción resistente al choque de presión de explosión no equivale automáticamente a un diseño calculado para la presión de explosión reducida en combinación con alivio de presión. Un alivio de presión puede, en efecto, limitar la presión de explosión reducida (pred), pero su eficacia depende de la superficie de alivio, la presión de apertura, el volumen del recipiente, los parámetros característicos del polvo, la geometría, las longitudes de conducto y las posibles propagaciones de llama. El diseño de los sistemas de alivio de presión debe realizarse conforme a las reglas pertinentes y tener en cuenta la zona de descarga segura. En caso de instalación en interiores pueden ser necesarios un alivio sin llama u otros conceptos de protección.

Los sistemas de supresión de explosiones detectan el inicio de una explosión mediante sensores de presión o de llama e introducen un agente extintor adecuado en el aparato. Con ello se pretende limitar el aumento de presión a un nivel controlable. Estos sistemas son especialmente relevantes cuando no es posible un alivio de presión al exterior o cuando la liberación de llamas, presión y producto no sería aceptable. Requieren una detección rápida, agentes extintores adecuados, comprobación periódica y el desacoplamiento técnico frente a explosiones de los componentes conectados.

Con independencia de la construcción, el desacoplamiento de las partes de la instalación conectadas suele ser necesario. Sin desacoplamiento, la presión y las llamas pueden propagarse, a través de tuberías o equipos de transporte, a silos, filtros y otros aparatos. Los posibles sistemas son 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 certificadas. El dispositivo elegido debe ser adecuado para la clase de explosión de polvo real, la geometría de la tubería, el caudal, las relaciones de presión y la posición de montaje.

Concepto de protección integrado

Un concepto viable en la práctica sigue el principio de impedir primero una explosión y solo después limitar sus consecuencias. El primer nivel de protección es la limitación o evitación de una atmósfera explosiva, por ejemplo mediante una conducción de proceso cerrada, la evitación de polvo o la inertización. El segundo nivel de protección es la evitación de fuentes de ignición eficaces mediante categorías de equipo adecuadas, la limitación de temperatura, la puesta a tierra, la compensación de potencial, la gestión de cuerpos extraños y el mantenimiento. El tercer nivel de protección comprende el alivio de presión, la supresión, el diseño resistente a explosiones y el desacoplamiento.

El punto de partida de todo diseño son los datos de seguridad de la sustancia. Entre ellos se cuentan KSt, la presión máxima de explosión pmax, la energía mínima de ignición, la temperatura mínima de ignición de la nube y de la capa de polvo, la distribución del tamaño de grano, la humedad, la conductividad eléctrica, la concentración límite de oxígeno y, en su caso, los datos de las mezclas híbridas. La estrategia de protección debe tener en cuenta el funcionamiento normal, el arranque, la parada, el llenado, la descarga, la limpieza, el mantenimiento y las averías previsibles.