Elegir las llamas en línea adecuadas para una aplicación específica requiere comprender y considerar varios factores. Comprender los diversos comportamientos de las llamas de gas en las tuberías explicados anteriormente es la base para considerar estos factores.
Cuando una mezcla combustible fluye por una tubería, una condición particularmente importante es la velocidad del gas de retroceso; es decir, la velocidad del gas que estabiliza la llama cuando la llama se propaga en contracorriente en condiciones de deflagración a baja presión; esto se refiere a la velocidad promedio "aparente" del gas de todo el gasoducto: la relación entre el caudal volumétrico y el área de la sección transversal del flujo. Si el caudal de gas es más lento que el caudal de gas de retroceso, la llama puede propagarse en contracorriente. La velocidad del gas antiignición depende del tipo de gas y de su relación de mezcla aire-gas, así como de la temperatura y la presión. En una mezcla estequiométrica y en condiciones interiores estándar, el propano tiene una velocidad de combustión de aproximadamente 32 m/s y el hidrógeno de aproximadamente 20 m/s.
Si la velocidad del gas entregado a la antorcha o al quemador de escape es menor que la velocidad de retrocombustión de la boquilla de antorcha o del incinerador, entonces la llama se moverá en la dirección opuesta, hacia la fuente del proceso. Si la velocidad del gas es sólo ligeramente inferior a la velocidad de combustión, la llama se moverá lentamente en contracorriente. Sin embargo, en una tubería larga, si la velocidad del gas es cero, la llama se acelerará y producirá un efecto contraproducente a alta velocidad. El flujo cero puede hacer que la propagación de las llamas sea extremadamente violenta. Todos los productos de parallama deben ser probados por el fabricante en condiciones de flujo estático (cero) para garantizar que los parallamas puedan funcionar en las condiciones de propagación de llama más difíciles (flashback).
Presión de funcionamiento inicial
La presión de operación inicial (PIO) se refiere a la presión de la mezcla de gas combustible cuando la velocidad de la mezcla de gas combustible cae por debajo de la velocidad de retroceso en un sistema de tuberías específico.
Presión absoluta. La PIO es generalmente más baja que la presión operativa normal del sistema; por ejemplo, cuando un sistema de control de vapor está funcionando normalmente y la velocidad de la corriente que fluye debe ser mayor que la velocidad de retrocombustión del gas de proceso, la presión del sistema debe estar dentro del rango de presión de operación normal por encima de la presión atmosférica. Sin embargo, si en condiciones normales o de emergencia, el sistema se apaga, el flujo del proceso se ralentiza y se reduce la presión. El retroceso también puede ocurrir en algún momento antes de que la velocidad llegue a cero. En el caso de un apagado del sistema o de un flujo estático, la presión del sistema es la presión IOP del sistema.
Recuerde, la presión afecta a la llama: cuanto mayor es la presión, más energía libera la llama por unidad de volumen. Esto equivale a que cuanto mayor es la intensidad de la llama, mayor es el intercambio de energía por unidad de volumen y más rápido se acelera la llama. La presión de explosión de un determinado gas es aproximadamente proporcional a la presión absoluta inicial. Por ejemplo, duplicar la presión absoluta equivale a duplicar la presión de explosión. Por tanto, IOP determina dos cuestiones relacionadas con la selección de productos de parallamas en un sistema particular. La primera es la velocidad y presión de la llama en relación con la distancia que recorre la llama en la tubería. Por ejemplo, la llama de una determinada mezcla estequiométrica de propano y aire se ha propagado 10 metros bajo presión atmosférica (presión absoluta 101,3 KPa), la velocidad de la llama es de aproximadamente 200 m/s y la presión es de aproximadamente 800 KPa (presión absoluta). Si la PIO se aumenta a 150,0 KPa, la velocidad y presión de la llama a 10 metros serán 300 m/s y 1200 KPa respectivamente. En este ejemplo, un aumento del 50 % en la presión estática da como resultado un aumento del 50 % tanto en la velocidad como en la presión del cabezal de llama. Este factor puede afectar la distancia entre la fuente de ignición y las parallamas, lo que significa que las parallamas deben colocarse más cerca de la fuente de ignición. También es posible solicitar el uso de las instalaciones de parallama en lugar de otras.
El segundo factor afectado por la PIO es la energía, que es la cantidad de energía por unidad de volumen de gas que una parallamas debe absorber para extinguir la llama. A medida que aumenta la presión en un sistema de proceso, también aumenta la energía liberada por la llama por unidad de volumen. Entonces, significa que las parallamas deben absorber más calor para reducir completamente la temperatura de la llama. Sin embargo, dado que la capacidad de transferencia de calor del parallama es cierta, es difícil que el parallama complete esta tarea. Si la PIO en algún lugar es más alta que la presión de diseño o de prueba de las parallamas, entonces las parallamas no podrán extinguir la llama. Por lo tanto, para garantizar que las parallamas se seleccionen correctamente y cumplan con los requisitos de diseño del sistema, los fabricantes deben indicar la presión operativa inicial (IOP) máxima para las diversas mezclas de gases inflamables que sus parallamas pueden manejar. Cada producto de parallamas se probará a varias presiones crecientes para determinar sus límites de rendimiento de IOP para mezclas de gases comunes. Por ejemplo, para parallamas de deflagración de baja presión estándar, la PIO máxima permitida suele ser superior al 5% de la presión atmosférica, o 106,0 KPa (15,4 psig); mientras que para parallamas a prueba de explosiones es de 160KPa (23psig).
presión de impulso instantáneo
La tubería es capaz de soportar pulsaciones de presión generadas por una llama que se propaga, que puede ser miles de veces la presión máxima establecida de la tubería. Esta presión generada por la propagación de la llama no es presión estática, la onda de choque se mueve muy rápido y la fuerza que ejerce sobre la pared de la tubería dura sólo una fracción de segundo. La presión de la llama, por otro lado, es una presión de impacto dinámica conocida como presión de impulso transitorio o TMP. El movimiento instantáneo hacia adelante del gas es muy rápido a medida que pasa la onda de choque, llevando una enorme cantidad de impulso (masa por velocidad) y energía cinética (la mitad de la masa por velocidad al cuadrado). Cualquier cosa que cambie la dirección del impulso, como un codo de tubería, una válvula de cierre, una carcasa de soplador o un cortafuegos, transfiere energía a través del impulso. Esta energía de impulso puede tener efectos catastróficos en los equipos.
Las parallamas estándar solo están diseñadas para presiones de momento transitorio (TMP) bajas. Si encuentran altas presiones de impulso transitorio (TMP), provocarán fallas mecánicas de las parallamas. Las parallamas a prueba de explosiones de BasCo pueden soportar presiones de impulso transitorias (TMP) de cualquier magnitud.
llama estable
Hay dos tipos de estabilización de llama: descubierta y confinada. Cuando una determinada mezcla combustible se descarga desde un espacio sellado a cierta velocidad, la llama descubierta generada por el gas es estacionaria, que es una llama estable descubierta. Por ejemplo, la llama estacionaria en la parte superior de la llama cuando la llama está ardiendo es la estabilidad de la llama descubierta. Si por alguna razón la velocidad de la corriente del proceso es menor que la velocidad de quemado del gas, la llama comienza a moverse hacia la chimenea y luego puede estabilizarse en las instalaciones de parallamas o en algún lugar de la tubería, una situación conocida como estabilización de llama localizada (ver Figura 18). Si la velocidad de la corriente del proceso es cero, la llama no se moverá hacia el soplete, sino que acelerará el efecto contraproducente y posiblemente detonará. Durante el retroceso, es poco probable que aparezca una llama estable en el sistema, pero a veces aparece.
Figura 18 Principio de llamas estables en parallamas, fluyendo de derecha a izquierda
Cuando se trata de estabilidad de la llama, cada tipo de parallama tiene un uso diferente debido al tipo y calidad del material utilizado en los elementos del parallama. Los usuarios deben comunicarse con el fabricante de parallamas para conocer cómo responde su producto a la estabilidad de la llama. Dado que la llama es estable, una buena manera de lidiar con el retroceso es instalar un dispositivo sensor de temperatura en el lado expuesto de las parallamas. Estabiliza el calor de la llama, activa controles automáticos y apaga la llama.
relación de mezcla de aire y combustible
La proporción de mezcla de gas combustible y aire, como se mencionó anteriormente, tiene una gran influencia en cómo arde la llama, afectando no solo la velocidad de la llama, sino también la intensidad térmica, la energía de ignición, la temperatura de autoignición, la acumulación de presión, etc.
agrupación de gases
Cientos de gases inflamables diferentes se producen como productos o subproductos de procesos industriales. Gas cuyas propiedades relacionadas con la propagación de la llama difieren significativamente de las de otros gases. Para facilitar el diseño de equipos de seguridad, instrumentación, etc., es necesario disponer de un método para describir las características de estos gases. Muchas agencias de pruebas y agencias reguladoras, incluidas NEC, IEC, NFPA y NTIS, clasifican los gases inflamables según los siguientes elementos:
·MESG (brecha máxima de seguridad de prueba)
·Temperatura de la llama
·Velocidad de la llama
·Temperatura natural
·El rango desde el límite inferior de explosión hasta el límite superior de explosión
Cada agencia de pruebas o agencia de gestión tiene su propio sistema para clasificar varios gases según grupos de peligro de combustión. La clasificación se basa en la gravedad de la explosión, representada por una temperatura de autoignición baja (AIT), un rango desde el límite de explosión inferior hasta el límite de explosión superior, una temperatura de llama más alta, una velocidad de llama más rápida o una combinación de estas características. La mayoría de ellos están directamente relacionados con la brecha máxima de seguridad de prueba (MESG) de gases combustibles (ver Tabla 1)
Brecha máxima de seguridad de prueba (MESG)
La brecha de seguridad experimental máxima (MESG) es una medida estándar que se refiere a la brecha más pequeña entre los metales absorbentes de calor a través de la cual puede pasar una llama de gas. MESG se utiliza para clasificar los gases utilizados en instrumentos eléctricos, cuadros eléctricos e instalaciones de parallama según su diseño y selección. Su instrumento de medición consiste en una pequeña bola metálica hueca dividida en dos mitades y que tiene un diámetro determinado. La medición se realiza en un instrumento estándar. Cada hemisferio tiene un reborde metálico de cierta anchura en su borde circular. En el instrumento, los dos hemisferios se unen por el paralelismo de las pestañas, pero dejando un estrecho espacio.
En condiciones interiores estándar, el instrumento se sumerge en una mezcla estequiométrica de gas de prueba y aire, y luego se utiliza una chispa eléctrica para encender la mezcla en la esfera. Aumente gradualmente el espacio entre las dos bridas y repita la prueba hasta que se encienda el gas mezclado fuera de la esfera. La distancia máxima de seguridad experimental (MESG) es la distancia máxima sobre la cual una llama no puede pasar a través de la brida. Cuanto mayor sea el peligro del gas, menor será la brecha máxima de seguridad de la prueba. Las parallamas deberán diseñarse según los valores MESG de los gases industriales.
Varias mezclas de gases
Algunos sistemas de recolección de vapor manejan solo un gas combustible más puro, como metano o acetileno, una mezcla con aire. Sin embargo, la mayoría de los procesos que requieren parallamas implican una mezcla de múltiples gases inflamables, cada uno con sus propias características peligrosas. Ciertos gases en una mezcla consumen aire de manera más eficiente que otros, lo que hace que la mezcla actúe más como un gas de un solo componente. Un componente del gas que actúa como catalizador de otro gas, lo que hace que la mezcla sea más peligrosa que cualquiera de los dos gases por separado. No hay muchos datos de pruebas sobre las propiedades peligrosas de las mezclas de gases inflamables.
A menudo, no conocemos la brecha máxima de seguridad experimental (MESG) para una mezcla de gases. Para obtener el valor de distancia máxima de seguridad de prueba (MESG) para todos los gases
Experimentar con mezclas de gases no es práctico. Los parallamas, un estándar de la industria, se han diseñado basándose en los componentes de gas del peor de los casos en la mezcla. Este enfoque es para el peor de los casos y es demasiado conservador. NFPA497 proporciona un nuevo método de clasificación de categorías. Con base en conocer la brecha de seguridad de prueba máxima (MESG) de cada componente de gas inflamable, la relación de Lechatelier se utiliza para calcular la brecha de seguridad de prueba máxima efectiva (MESG). Si puede proporcionarnos la composición de su mezcla de gases, BasCo puede ayudarle con los cálculos.
Temperatura de autoignición (AIT)
La temperatura de autoignición es la temperatura a la que se enciende una mezcla ideal de un determinado gas inflamable bajo una presión atmosférica estándar. La temperatura de autoignición del propano es de 493° C y la del hidrógeno es de
560° C, el etileno es 425° C. La función de las parallamas es enfriar el gas por debajo de su temperatura de autoignición. Por lo tanto, si la temperatura de operación del proceso es cercana a la temperatura de autoignición del gas, el calor inicial puede afectar el desempeño de las parallamas. A la hora de elegir parallamas, es importante informar al fabricante de la temperatura de funcionamiento.
Relación de aspecto (L/D)
A continuación se explican los diversos procesos de propagación de la llama. Cada proceso ocurre dentro de una cierta distancia de la fuente de ignición. Estas distancias están especificadas y especificadas en una tubería de 12 pulgadas de diámetro. Esto muestra que la distancia es proporcional al diámetro; la clave no es la distancia real desde la fuente de ignición, sino la longitud de la distancia relativa al diámetro dividida por el diámetro. Esta distancia relativa se llama relación de aspecto o relación L/D. Por ejemplo, para una mezcla estequiométrica de aire y propano en condiciones interiores, la detonación a baja presión se producirá con relaciones L/D inferiores a 10, mientras que la detonación estable se produce con relaciones L/D superiores a 60. Todas las parallamas, excepto el tipo de detonación estable, tienen limitaciones de rendimiento L/D.
Estructura del tubo y limitaciones
La forma en que la llama arde y se propaga no solo se ve afectada por la longitud de la tubería, sino también por los codos, la instrumentación (conductos de caudalímetro, placas de orificio restrictivas, termopozos, etc.), la contracción y expansión de la tubería y las válvulas. Cualquier cosa que promueva la turbulencia del gas proporciona una mezcla de aire y gas más uniforme a la llama, lo que promueve la combustión. Además, como se mencionó anteriormente, el impulso instantáneo puede influir debido a irregularidades en las tuberías. La expansión de los gases debida a la combustión puede actuar como fuerza motriz cuando se les proporciona una superficie sobre la cual se puede ejercer la fuerza de expansión. La llama no puede ejercer empuje sobre una tubería recta y lisa, pero al pasar a través de un codo o dispositivo de restricción de flujo, puede ejercer fuerza sobre la superficie del codo o dispositivo de restricción de flujo, dándole velocidad y presión de avance.
Cada parallama está diseñada para ser probada y certificada, pero las pruebas pueden incluir o no codos y limitadores de flujo. Consulte siempre con el fabricante antes de instalar parallamas en sistemas con codos o restrictores.
Fuentes de ignición y energía de ignición
La ignición involuntaria del gas puede ser causada por una serie de condiciones: el impulsor del soplador golpea la carcasa del soplador, electricidad estática o chispas de los instrumentos, llama piloto de un soplete o quemador, llama principal en la punta del soplete o en la cámara del quemador, trabajo caliente dentro de la unidad, incendios externos y muchas otras fuentes. Estas fuentes de ignición pueden iniciar llamas dentro o fuera del sistema de proceso.
La energía de ignición se refiere a la energía necesaria para encender una determinada mezcla de gases combustibles. La cantidad de energía depende del tipo de gas y de la relación de la mezcla aire-gas. Cuanto más cercana sea la relación aire-gas a la estequiometría, menor será la energía de ignición. Como se muestra en la Figura 19. En la figura podemos observar que la energía necesaria para encender el metano estequiométrico es de 0,2 julios.
Figura 19 Rango de ignición y energía de ignición
Diferentes gases requieren diferentes cantidades de energía para encenderse. Algunos requieren menos energía, mientras que otros son casi imposibles de encender. Cuanto menor es la energía de ignición, más peligroso es el gas para el sistema y su entorno.
La fuente de ignición, la variable más importante en la selección de parallamas, es el punto de partida para medir la distancia desde la parallama. Por lo tanto, los usuarios deben conocer la ubicación de todas las posibles fuentes de ignición asociadas con las parallamas.
fuente de ignición de alta energía
Las fuentes de ignición típicas generalmente tienen un nivel de energía bajo, suficiente sólo para encender una mezcla de gas combustible. Las fuentes de ignición de alta energía pueden hacer que las llamas se propaguen más violentamente en una longitud o relación de aspecto determinada que las fuentes de baja energía. La llama puede incluso saltar más allá de los estados de deflagración de baja, media y alta presión, llegando directamente a la detonación. Este comportamiento es una excepción a la teoría tradicional de propagación de llamas descrita anteriormente; sin embargo, no existen criterios establecidos que la distingan de la energía de ignición normal y la ignición de alta energía. Sin embargo, los rayos, las explosiones de contenedores y las explosiones de cámaras de combustión se consideran igniciones de alta energía.
Debido a que la ignición de alta energía cambia la forma en que se propagan las llamas, las reglas para seleccionar productos de parallamas también cambian. Por ejemplo: Una parallama de deflagración tipo estándar, adecuada para chimeneas de 20 pies de altura y gases del Grupo "D", con las parallamas instaladas cerca de la base de la antorcha. Si la velocidad de la corriente del proceso es menor que la velocidad resistente a la quema del gas de la punta de la antorcha, puede ocurrir un retorno de llama. Sin embargo, la longitud del tubo desde el cabezal del soplete (fuente de ignición) hasta la parallama es corta y la potencia de la llama no será más fuerte que la de la deflagración a presión media, por lo que la deflagración de la parallama puede extinguir la llama. Sin embargo, si el caudal de la corriente del proceso es inferior a la velocidad de antiignición y el soplete es alcanzado por un rayo (ignición de alta energía), cuando la llama llegue a las parallamas, la llama será muy violenta, lo que puede ser una deflagración a alta presión o una detonación excesiva; en este caso las parallamas pueden no funcionar porque no están diseñadas para deflagración o detonación a alta presión y no son adecuadas para ello. Si existe la posibilidad de una ignición de alta energía, se deben utilizar parallamas de detonación inestables en lugar de parallamas de deflagración estándar.
gas rico en oxígeno
En la mayoría de los sistemas de control de vapor, la fuente de oxígeno en la mezcla combustible es el aire ambiente. Sin embargo, algunos procesos tienen un mayor contenido de oxígeno que en una mezcla estándar de aire y gas.
Polvo y gas
Cuando los sólidos inflamables se queman, se convierten en polvo suspendido en el aire o se esparcen por las tuberías, provocando una explosión, muy parecida a la del gas inflamable.
