¿Cómo elijo el grado de resistencia a la presión de explosión adecuado para un mezclador en entornos de polvo St1/St2?
La selección no se realiza únicamente según la clase de polvo St1 o St2. Lo decisivo es un concepto completo de protección contra explosiones compuesto por datos de sustancias comprobados, condiciones de proceso, geometría del aparato, red de tuberías, lugar de instalación, así como las medidas previstas, como inertización, alivio de presión, supresión y desacoplamiento. St1 y St2 solo describen la velocidad de aumento de presión de un polvo, no automáticamente el grado de resistencia a la presión requerido para el mezclador.
Por ello, la pregunta correcta no es «¿St1 o St2, qué espesor de pared?», sino: ¿qué presión máxima puede producirse en el mezclador concreto, incluidos todos los escenarios de operación y de fallo plausibles, y qué sistema de protección limita esta presión, de forma demostrable, a qué valor?
Datos de sustancias y datos de proceso
La base del diseño son los valores característicos de seguridad representativos del producto real. Entre ellos se encuentran el KSt, la presión máxima de explosión pmax, la energía mínima de ignición, las temperaturas mínimas de ignición de la nube de polvo y de la capa de polvo, la distribución del tamaño de grano, la humedad, la concentración límite de oxígeno y la conductividad eléctrica. En caso de adición de líquido o disolventes, deben investigarse además las posibles mezclas híbridas de vapor y polvo.
Las clases de explosión de polvo se definen mediante el valor KSt: St1 corresponde a 0<KSt≤200 bar⋅m/s0<KSt≤200 bar⋅m/s, St2 a 200<KSt≤300 bar⋅m/s200<KSt≤300 bar⋅m/s. Un valor KSt más alto significa un desarrollo de presión más rápido y puede requerir tiempos de reacción más cortos para los sistemas de alivio, supresión y desacoplamiento. Sin embargo, no proporciona una información completa sobre la pmax, la resistencia necesaria del recipiente ni la idoneidad de una medida de protección.
Los valores bibliográficos o de bases de datos solo son adecuados para una planificación preliminar. Para un diseño relevante para la seguridad deben emplearse valores de ensayo del producto concreto o de un grupo de productos demostrablemente representativo. Los cambios de receta, una humedad modificada, tamaños de grano más finos, componentes secundarios orgánicos o la adición de líquido pueden modificar el comportamiento frente a la explosión.
Además deben tenerse en cuenta la presión de operación, la temperatura, el grado de llenado, la atmósfera del proceso, los elementos internos, la velocidad de giro, las posibles acumulaciones de polvo, la carga, la descarga y el estado de las tuberías conectadas. Son especialmente relevantes los aumentos de presión, las temperaturas altas, los elementos internos generadores de turbulencia, las tuberías de conexión largas y las posibles acumulaciones de presión. Estos factores pueden modificar considerablemente la violencia de la explosión y la evolución de la presión.
Elegir correctamente el tipo constructivo
En una construcción resistente a la presión de explosión, el mezclador se diseña de modo que soporte la carga de explosión interna establecida como base sin un fallo peligroso. Si se admiten deformaciones permanentes debe definirse expresamente en el concepto de diseño elegido. Un diseño para la presión máxima de explosión pmax es especialmente relevante cuando no es posible un alivio de presión o una supresión eficaces, cuando el mezclador está integrado de forma muy compacta, cuando no se permite la liberación de producto, o cuando la protección debe basarse en la resistencia pasiva del recipiente.
Una construcción resistente al choque de presión de explosión puede admitir deformaciones permanentes, pero no debe reventar ni presentar fugas peligrosas. Puede diseñarse para la presión máxima de explosión o para una presión de explosión reducida. Por ello, la afirmación «resistente al choque de presión siempre significa diseño para Pred» es demasiado imprecisa. La presión de diseño necesaria debe indicarse claramente en el concepto de seguridad y justificarse mediante cálculo.
Un diseño para la presión de explosión reducida pred es posible cuando se prevé un alivio de presión o una supresión de explosiones eficaces. El mezclador, sus bridas, tapas, mirillas, tomas de medición, sellados de eje, órganos de descarga y conexiones deben entonces estar diseñados para la presión de explosión reducida máxima realmente esperada. No deben centrarse únicamente en el cuerpo del recipiente.
La norma EN 14491 trata la selección y el diseño de sistemas de alivio de presión para explosiones de polvo. Tiene en cuenta, entre otros factores, el volumen del recipiente, los datos del polvo, la presión de apertura, la superficie de alivio, los conductos de alivio, las fuerzas de retroceso y los efectos fuera del recipiente. Los conductos de alivio largos, las turbulencias, la acumulación de presión y los chorros de llama pueden aumentar la presión de explosión reducida. La norma señala además que, en la mayoría de los casos, son necesarias medidas de desacoplamiento en las tuberías de conexión.
Procedimiento práctico
En primer lugar se recopilan los datos de sustancias actuales y todos los estados de operación. A continuación se determina si la atmósfera puede evitarse de forma fiable mediante inertización. Si es así, el suministro de gas inerte, la medición de oxígeno, los enclavamientos, las fugas y los escenarios de fallo deben diseñarse de modo que el valor de oxígeno admisible se mantenga de forma segura. La inertización puede influir en la resistencia a la presión necesaria, pero no sustituye automáticamente un concepto de nivel de respaldo para fallos, arranque, apertura, limpieza o pérdida del suministro de gas inerte.
Después se decide si el mezclador se diseña para pmax, se protege mediante alivio de presión hasta pred, o se limita mediante un sistema de supresión a una presión demostrada. En instalaciones interiores debe comprobarse especialmente si es posible un alivio de presión hacia el exterior. Si no lo es, el alivio sin llama, la supresión o una construcción resistente a explosión pueden ser más adecuados. La decisión también depende de si, en caso de incidente, se permite la liberación de producto, llamas o sustancias tóxicas.
La selección debe tener en cuenta todo el conjunto de la instalación. Las tuberías de conexión a filtros, silos, transportadores, sistemas de vacío e instalaciones de envasado pueden transmitir una explosión o provocar una acumulación de presión. Por ello, con frecuencia es necesario un desacoplamiento técnico contra explosiones, por ejemplo con válvulas antirretorno adecuadas, compuertas de cierre rápido, barreras de agente extintor o válvulas rotativas celulares cualificadas.
Los márgenes de seguridad no deben fijarse de forma general en un 10 o un 20 por ciento. Se derivan de la norma elegida, los métodos de cálculo, las incertidumbres de los datos de sustancias, las reglas de construcción, las variaciones de presión, los valores característicos del material y el organismo de comprobación competente en cada caso. Tampoco un rango de diseño típico de 0,2 a 2 bar para pred es una indicación general; tales valores solo son admisibles dentro de los ámbitos de validez del procedimiento empleado en cada caso.
Particularidades en St2
Los polvos St2 presentan una velocidad de aumento de presión mayor que los polvos St1. Con ello se reduce la ventana de tiempo disponible para sistemas activos como la supresión o las compuertas de cierre rápido. El alivio de presión y el desacoplamiento también deben diseñarse con especial cuidado. Pueden ser necesarias superficies de alivio mayores, pero no son automáticamente suficientes: deben evaluarse además la geometría del recipiente, los elementos internos, las tuberías, las fuerzas de retroceso y la posible propagación de llamas.
Una temperatura de operación elevada o una presión inicial elevada pueden modificar los parámetros de la explosión. Las mezclas híbridas de polvo combustible y vapor también pueden dar lugar a presiones de explosión más altas o a sensibilidades de ignición modificadas. Por ello, para los productos St2 es especialmente importante no partir de valores estándar aparentemente conservadores, sino diseñar las condiciones reales junto con especialistas en protección constructiva contra explosiones.
Documentación y comprobación
El diseño de presión, los datos de sustancias empleados, el concepto de protección, los cálculos, el desacoplamiento y los requisitos para los componentes anexos deben quedar registrados de forma comprensible en el documento de protección contra explosiones y en la documentación técnica. Los cambios en la receta, el tamaño de grano, la humedad, la presión de operación, la temperatura, el caudal, la red de tuberías, los dispositivos de alivio o los aparatos conectados pueden requerir una nueva evaluación.
La comprobación previa a la primera puesta en marcha debe confirmar que el mezclador, los sistemas de protección y las instalaciones conectadas se han construido conforme al concepto de protección contra explosiones y funcionan de forma eficaz. Esto se aplica igualmente después de modificaciones sujetas a verificación.
Así apoya amixon® el diseño para polvos St1 y St2
Base: datos de sustancias y concepto de protección
El grado de resistencia a la presión de explosión necesario para un mezclador no se deriva únicamente de la clasificación del polvo en St1 o St2. La clase de polvo describe el valor KSt y, con ello, la velocidad máxima de aumento de presión, pero no automáticamente la resistencia a la presión necesaria del mezclador. St1 abarca valores KSt de más de 0 hasta 200 bar⋅m/s; St2, valores de más de 200 hasta 300 bar⋅m/s. Para el diseño del aparato son además especialmente relevantes la pmax, la energía mínima de ignición, las temperaturas mínimas de ignición, la humedad, el tamaño de grano, la presión de operación, la temperatura de operación y las posibles mezclas híbridas de vapor y polvo.
amixon® puede ejecutar mezcladores, granuladores, secadores-mezcladores de vacío y reactores mezcladores para aplicaciones con un espacio de producto clasificado como zona 20. Sin embargo, la clasificación exacta de zonas y todo el concepto de protección contra explosiones los determina el titular sobre la base de la evaluación de riesgos. Estos abarcan, además del mezclador, la dosificación, los filtros, los silos, los tramos de transporte, la descarga, el envasado y todas las tuberías de conexión.
La Directiva de producto ATEX 2014/34/UE regula la conformidad de los equipos y sistemas de protección para atmósferas potencialmente explosivas. La Directiva de operación ATEX 1999/92/CE obliga al titular a la evaluación de riesgos, la clasificación de zonas y el documento de protección contra explosiones. Para el interior del mezclador en zona 20 se requiere, en principio, un nivel de protección muy alto, que suele corresponder a la categoría 1D. Sin embargo, la categoría 1D no define la resistencia a la presión de un recipiente. La resistencia a la presión y la protección constructiva contra explosiones deben determinarse además, de forma expresa y específica para el proyecto.
Elección del diseño de presión
Un diseño resistente a la presión de explosión o al choque de presión de explosión debe basarse en la presión de explosión relevante para el aparato y la estrategia de protección. El mezclador puede diseñarse para la presión máxima de explosión pmax o —siempre que se prevea un alivio de presión o una supresión de explosiones eficaces— para la presión de explosión reducida pred, limitada de forma demostrable.
En un diseño para pmax, el recipiente debe soportar una explosión interna sin un fallo peligroso. Esta solución puede ser adecuada cuando no es posible un alivio de presión seguro, cuando el aparato está instalado dentro de un edificio, cuando no se permite la salida de producto o llamas, o cuando la estrategia de seguridad se basa en una ejecución robusta del recipiente. En una ejecución resistente al choque de presión de explosión pueden admitirse deformaciones permanentes; sin embargo, el recipiente no debe reventar ni presentar fugas peligrosas. Qué deformaciones son admisibles y si el recipiente puede seguir utilizándose tras un suceso debe quedar claramente regulado en la especificación y en el concepto de seguridad.
En un diseño para pred, el alivio de presión o la supresión de explosiones deben ser eficaces de forma demostrable como parte del sistema global. No solo el recipiente del mezclador, sino también la tapa, las bridas, los sellados de eje, las mirillas, las tomas de medición, las entradas y salidas, las conexiones de filtro y las tuberías de conexión deben diseñarse para la solicitación de presión definida. La norma EN 14491 describe la selección y el diseño de sistemas de alivio de presión para explosiones de polvo.
amixon® puede ejecutar en particular las series VMT y AMT estancas al gas, al vacío y a la presión. Estas propiedades permiten la conducción del proceso bajo vacío, sobrepresión y, en su caso, gas inerte. Sin embargo, no equivalen automáticamente a un diseño resistente a la presión de explosión o al choque de presión de explosión. Si se requiere un diseño de este tipo, la presión de explosión admisible debe definirse claramente en la especificación de requisitos de usuario y calcularse sobre la base de los datos de sustancias y del concepto de protección elegido.
Fuentes de ignición, estanqueidad e inertización
Los mezcladores verticales amixon® pueden operarse con velocidades periféricas bajas. Para VM y HM, amixon® indica un rango ajustable de aproximadamente 0,8 a 3,5 m/s. Las velocidades bajas de la herramienta pueden limitar la energía de fricción, impacto y abrasión. Sin embargo, no constituyen una prueba general de ausencia de fuentes de ignición. Los cojinetes, las juntas, los ejes, los posibles contactos entre herramienta y pared, los cuerpos extraños, los bloqueos, las temperaturas superficiales, la carga electrostática y los componentes eléctricos deben tenerse en cuenta en el marco de la evaluación del peligro de ignición.
Las zonas de producto con pocas juntas y superficies rectificadas, así como las juntas adecuadas, pueden limitar las salidas de polvo. Según indica amixon®, las puertas de inspección Clever-Cut® con junta OmgaSeal® están diseñadas para un sellado del espacio de producto con pocos espacios muertos. Sin embargo, la estanqueidad alcanzable también depende de la diferencia de presión, el material de la junta, el desgaste, el montaje y el mantenimiento. La estanqueidad al polvo por sí sola no sustituye ni la aspiración y la limpieza ni un concepto contra explosiones secundarias.
En aparatos estancos al gas y al vacío puede preverse la inertización como medida preventiva de protección. El espacio del proceso se evacúa, por ejemplo, y se inunda con un gas inerte adecuado. Los cambios repetidos de vacío y presión pueden reducir aún más el contenido de oxígeno. Una inertización segura requiere una instalación estanca, el suministro de gas inerte, la medición de oxígeno, valores de alarma y desconexión, así como enclavamientos de seguridad. El valor de oxígeno admisible debe situarse, con margen de seguridad, por debajo de la concentración límite de oxígeno determinada para el sistema concreto de polvo y gas inerte.
La inertización puede reducir considerablemente la probabilidad de una explosión, pero no sustituye automáticamente el diseño para todos los estados de operación. En particular, para el arranque, la parada, la apertura, la limpieza, los fallos o la pérdida del suministro de gas inerte debe existir una estrategia de protección evaluada. Además, la inertización no protege necesariamente frente a la autoignición, la descomposición o las reacciones exotérmicas.
St1 y St2 en el conjunto de la instalación
En los polvos St2, la velocidad de aumento de presión es mayor que en los polvos St1. Con ello puede reducirse la ventana de tiempo disponible para los sistemas de supresión y desacoplamiento. Por ello, el alivio de presión, la supresión y el desacoplamiento deben adaptarse con especial cuidado al volumen del recipiente, la geometría, los elementos internos, las tuberías de conexión y los datos del polvo. Un valor KSt más alto no significa necesariamente que un mezclador St2 deba diseñarse siempre para una presión de recipiente más alta; sin embargo, influye de manera decisiva en los requisitos del sistema de protección elegido.
El desacoplamiento técnico contra explosiones es necesario cuando la presión, las llamas o las partículas en combustión pudieran propagarse, a través de tuberías, a filtros, silos, transportadores u otros aparatos conectados. Pueden ser adecuadas las válvulas antirretorno verificadas, las compuertas de cierre rápido, las barreras de agente extintor, las válvulas de protección contra explosiones o las válvulas rotativas celulares cualificadas. Qué tecnología es adecuada depende de todo el tren de proceso, la geometría de la tubería, el caudal, el sentido de flujo y los datos de sustancias.
Ensayos y documentación
amixon® ofrece ensayos con producto original en su centro de ensayos. Estos pueden estudiar el comportamiento de mezclado, el calentamiento del producto, la abrasión, las adherencias, el vaciado, las secuencias de vacío e inertización, así como la idoneidad de la conducción del proceso. Sin embargo, no sustituyen un ensayo de seguridad de los polvos ni el cálculo o la comprobación de un sistema constructivo de protección contra explosiones.
El diseño de presión, los datos de sustancias empleados, la resistencia de todos los componentes solicitados por presión, los sistemas de protección, el desacoplamiento y los límites de operación deben documentarse de forma comprensible en el documento de protección contra explosiones y en la documentación técnica. Los cambios en la receta, la humedad, el tamaño de grano, la temperatura, la presión, el caudal o la red de tuberías pueden requerir una nueva evaluación.