Válvulas de alivio de explosión de polvo: guía de dimensionamiento paso a paso
Método para estimar el tamaño requerido de las válvulas de explosión, paneles de explosión/desbordamiento, utilizados para mitigar explosiones de polvo
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| Resumen de la sección |
|---|
| 1. Introducción |
| 2. Requisitos previos para el dimensionamiento de válvulas de explosión de polvo |
| 3. Limitaciones del método |
| 4. Procedimiento de cálculo paso a paso |
| 5. Conductos de válvulas de alivio de explosión de polvo |
| 6. Otros métodos de cálculo |
Las válvulas de alivio de explosión de polvo son un equipo crucial para garantizar la seguridad de un proceso que maneja polvo combustible. Esta página explica paso a paso cómo estimar el tamaño de una válvula de alivio de explosión de polvo.
1. Introducción
Es obligatorio que el operador de una fábrica realice una evaluación de riesgos de explosión de polvo y ponga en práctica todas las medidas necesarias para prevenir explosiones. Sin embargo, a veces el riesgo residual es demasiado alto y medidas de mitigación de explosiones deben implementarse, como paneles de explosión en lechos, silos, filtros en algunos transportadores. Esta página explica cómo se construyen los paneles de explosión y propone métodos aproximados para dimensionarlos.
Los métodos presentados aquí no son precisos, se utilizan solo como ilustración de los conceptos que guían el diseño y como una primera aproximación para presupuestar, por ejemplo, pero NO DEBEN UTILIZARSE PARA EL DISEÑO DETALLADO. PARA UNA IMPLEMENTACIÓN REAL, SIEMPRE CONTRATE A UNA EMPRESA CON REPUTACIÓN PARA DIMENSIONAR E INSTALAR EL PANEL.
2. Requisitos previos para el dimensionamiento de válvulas de explosión de polvo
Conocimiento de las propiedades de explosión de polvo
Para poder dimensionar un panel de explosión que permita aliviar la presión de una explosión de polvo, es necesario conocer "cómo" explotará el polvo, es decir, es necesario medir las propiedades de explosión de polvo de un material. En particular, se debe conocer lo siguiente:
Conocimiento de las características del recipiente a proteger
El dimensionamiento del panel de explosión cambiará según el volumen, la forma y la presión de diseño del recipiente a proteger. Por lo tanto, se requiere recopilar lo siguiente:
- Presión máxima permitida de trabajo
- Volumen del recipiente
- Relación longitud (altura) sobre diámetro: L/D
3. Limitaciones del método
El método presentado es válido solo con las siguientes suposiciones:
- Volumen entre 0,1 y 10000 m3
- Presión de activación estática de la válvula entre 0,1 y 1 bar g
- Presión de explosión reducida entre 0,1 y 2 bar g, y debe ser al menos igual a la presión de activación estática 2 veces la tolerancia de presión de rotura de la válvula
- Pmax entre 5 y 10 bar si Kst está entre 10 y 300 bar.m.s-1
- Relación longitud/diámetro L/D entre 1 y 20; con lechos cilíndricos verticales (si la forma es horizontal, este método no se aplicará)
- Presión en la ignición <110 kPa y concentración de oxígeno <21%
4. Procedimiento de cálculo paso a paso
4.1 PASO 1: recopilar datos de características de explosión de polvo y datos de construcción del recipiente
Como se explicó anteriormente
4.2 PASO 2: definir la relación L/D según la posición de la válvula
Considerando un lecho cilíndrico vertical, la relación altura sobre diámetro L/D dependerá de la posición de la válvula, que típicamente puede estar instalada en la parte superior o en el lateral. La "longitud" es entonces la longitud máxima que la llama, Leff, tendrá que recorrer para salir del recipiente a través de la válvula de alivio de explosión.
En caso de que haya un cono, la contribución del cono a la longitud efectiva de la llama se considera como 1/3 de la altura del cono [SHAPA 1].
El "diámetro" también es un diámetro efectivo que debe calcularse gracias al cálculo del volumen efectivo.
Nota que en algunos casos, la trayectoria de la llama más larga puede ser desde la parte superior del lecho hasta la parte inferior del panel de explosión. Puede ser el caso de algunos filtros.
4.3 PASO 3: calcular el área de ventilación requerida del panel de explosión
A = B*[1+C*log10(L/D)]
B = [3.264*10-5*Pmax*Kst*Pred-0.569+0.27*(Pstat-0.1)*Pred-0.5]*V0.753
C = [-4.305*log10(Pred)+0.758]
Con:
A = área de ventilación requerida en m2
V = volumen real del recipiente en m3
Kst = tasa de aumento de presión de explosión en bar.m/s
Pmax = presión máxima de explosión en bar
Pred = presión reducida de explosión en bar (es la presión máxima objetivo en el recipiente alcanzada después de que la válvula de explosión se haya abierto)
Pstat = presión de apertura estática de la válvula de explosión en bar (es la presión estática de diseño a la que la válvula de explosión se abrirá)
L/D = L/Deff = relación de forma del recipiente protegido por la válvula de explosión
[SHAPA 2] menciona que se debe tener en cuenta una eficiencia para corregir el área de ventilación calculada. Por lo tanto, es fundamental diseñar la válvula con el fabricante, que podrá determinar la eficiencia de la válvula de explosión. Este diseño no debe ser realizado únicamente por los operadores de la fábrica.
Si la eficiencia es, por ejemplo, del 90%, entonces el área real requerida será A/0.9
4.4 Ejemplo de cálculo del tamaño de una válvula de explosión para polvo
El tolva a proteger se encuentra al final de una línea de transporte neumático. Es una tolva cónica equipada con un filtro para la cual la fábrica ha determinado mediante su análisis de riesgo de explosión de polvo que deberá instalarse con un panel de explosión lateral. La fábrica desea comprobar el tamaño del panel requerido, para asegurarse de que puede instalarlo, y luego obtener una idea del costo. Este trabajo se realiza durante el diseño básico y luego la empresa planea contratar a una empresa especializada para confirmar durante el diseño detallado.
La tolva tiene las siguientes dimensiones:
- D = 2 m de diámetro
- Altura cilíndrica Hcarcasa = 3 m
- La posición de la válvula debe estar por encima del nivel del producto, a 1 m desde la parte superior de la tolva, Hvent = 2 m
- Altura del cono hcono = 2,5 m
- Diámetro de salida del cono do = 0,25 m
PASO 1: recopilar las características de la explosión de polvo
El producto almacenado tiene las siguientes características:
- Kst = 150 bar.m/s
- Pmax = 8,5 bar
Teniendo en cuenta la resistencia mecánica de la tolva, la fábrica desea que la válvula se abra a 0,2 bar g y que la presión residual Pred no supere los 0,5 bar g.
PASO 2: definir la relación L/D
- Longitud efectiva de la llama Leff = 2,5/3+2 = 2,8 m (ver caso 2 del párrafo 4.2)
- El volumen efectivo Veff = π.D2/4*Hvent +(2*π/3*(D2/4+(D/2*do/2)+do2/4)/3 = 7,08 m3
- El diámetro efectivo es entonces Deff = 2*(Veff/Leff/π)0.5 = 1,78 m
- La relación L/Deff = 2,8/1,78 = 1,58
El tamaño de la válvula requerida se puede calcular:
- V = 12,4 m3 (la tapa superior se considera plana aquí para simplificar los cálculos)
- B =0,66
- C =2,05
- A = 0,94 m2
Es necesario instalar una válvula con un tamaño >0,94 m2 para proteger la tolva.
ADVERTENCIA: el cálculo anterior es sólo para ilustrar en este sitio web, no se puede utilizar para el diseño detallado, cualquier otro uso es bajo el propio riesgo del usuario. El diseño detallado debe ser realizado por una empresa especializada.
5. Ductos de válvula de explosión de polvo
A veces es necesario dirigir la llama y la onda de presión de la explosión lejos del equipo, fuera de un edificio, por ejemplo. Esto se logra mediante la implementación de un ducto en la salida de la válvula de explosión. La presencia del ducto es un parámetro de diseño importante, ya que influirá en la presión de explosión reducida alcanzada en el recipiente protegido. Después de calcular el área de ventilación requerida a través del método explicado anteriormente, es por lo tanto necesario corregir la presión de explosión reducida debido a la presencia de una válvula. Si la presión de explosión reducida es demasiado alta, entonces el diseño de la válvula debe ajustarse.
En cualquier caso, el diámetro del ducto debe ser al menos igual al diámetro de la válvula. [SHAPA 2] menciona que el ducto debe ser recto.
La presión reducida en presencia de un ducto se puede calcular, para recipientes de un tamaño máximo de 100 m3 mediante la siguiente fórmula [Laurent]:
P'red/Pred = 1+17.3*(A/V0.753)1.6(L/D)
Con:
P'red = presión reducida con un ducto (bar g)
Pred = presión reducida sin ducto (bar g)
L = longitud del ducto (m)
D = diámetro del ducto
Un punto importante a considerar es para ventilación sin llama (arrestadores de llama) : un estudio [Gregoire] mostró que la fórmula anterior no es directamente aplicable para este tipo de ventilaciones, ya que la dinámica de fluidos es totalmente diferente debido a la presencia de un filtro. Estos sistemas presentan muchas ventajas, pero su dimensionado debe ser definitivamente realizado por sus únicos fabricantes, las únicas entidades con suficientes datos para dimensionar adecuadamente estas ventilaciones.
6. Otros métodos de cálculo
El método presentado anteriormente se deriva de un método anterior llamado "método nomográfico". Es un método gráfico que se propuso como norma alemana VDI en 1979 y se revisó varias veces después. Este método se utilizó como base de otras normas en EE. UU., Francia, etc.
[Laurent] informa de que las ecuaciones anteriores pueden modificarse ligeramente para tener en cuenta la turbulencia en el recipiente en el momento de la explosión, que es un parámetro muy importante que influye en ella.
Se introduce un coeficiente de turbulencia τ, con τ que debe estar entre 0 y 3,5:
La NFPA recomienda la siguiente fórmula [Agarwal]:
Av = a.(V2/3).(Kst)b.(Pred)c
a = 5,71*10-4*exp(2*Pstat)
b = 0,978*exp(-0,105*Pstat)
c = -0,687*exp(0,0226*Pstat)
Con
Av = área de ventilación requerida en m2
V = volumen del recipiente vacío en m3
Kst = valor característico de la explosión de polvo en bar.m/s
Pred = presión reducida en barg (máxima presión alcanzada en el recipiente durante una explosión ventilada), no debe exceder los 2/3 de la presión de rotura del recipiente.
Pstat = presión a la que se abre la ventilación en barg, debe ser >0,1 bar g (la ecuación anterior no se verifica para presiones inferiores) mientras que una buena práctica es establecerla 0,5 psi por encima de la presión de funcionamiento del tolva.
Las medidas adoptadas para evitar fuentes de ignición y el tipo de mitigación de explosiones elegido, deben describirse en el análisis de riesgos de explosión de polvo (Análisis de Peligros por Polvo) y las medidas a adoptar deben explicarse. Las conclusiones del análisis de riesgos deben ser implementadas por la fábrica.
Fuente
[SHAPA 1] Dimensionado de ventilaciones de alivio de explosión, SHAPA Technical Bulletin 10
[Agarwal] Explosiones de polvo: prevención y protección, Chemical Engineering Magazine