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Que son los Arrestadores de Flama, Como Funcionan, Historia

La Tecnologia del Arrestador de Flama
El arrestador de flama es un dispositivo que permite el paso de gas a través de el, pero impidiendo el paso de una llama con el fin de evitar un incendio mayor o explosión. actualmente existe una gran cantidad de situaciones en la que los arrestadores de flama son aplicados. el personal involucrado en la selección dearrestadores de llama debe tener un claro conocimiento acerca de las condiciones de operacion y sus limitaciones de rendimiento. para ese propósito, este documento ofrece una introducción a la tecnología y la terminología de arrestadores de flama y los tipos de presentaciones disponibles. Arrestadores de flama

Fig 1. Lámparas Davy de seguridad para los mineros de carbón.

Bloqueo de flama mediante pasajes capilares
En 1815 Sir Humphry Davy, un famoso químico y profesor en el Instituto Real de Inglaterra descubrio el principio de funcionamiento de los arrestadores de llama.Un comité de seguridad de la industria minera de carbón Inglés se había acercado a Davy para asistencia técnica. Se necesitaba una manera de evitar que los mineros con sus lámparas de aceite provocaran explosiones a causa del gas inflamable llamado grisú, que se filtra en los pozos de las minas. Sir Humphry estudió el gas, que consistía principalmente de metano. la investigación se centró en cómo el metano se quema en virtud de diversas condiciones y con diversas proporciones de aire. Davy propuso la solución de encerrar la llama de la lámpara de forma segura con un cilindro de malla de alambre llamado gasa metálica. Se muestra en la Figura 1. Tres de las lámparas de seguridad creadas por Davy.La luz de la lámpara pasa a través de la gasa metálica, el aire que consume la llama de aceite alrededor de la mecha de la lámpara entra a través de la parte inferior, el gas caliente escapa a través de la parte superior. Cuando el metano se mezcla con el aire, una llama produce quemaduras contra el interior de la pantalla. Sin embargo, ni la llama de metano ni la llama de la lámpara pasa a través de las estrechas aberturas del tubo.El alambre de metal absorbe el calor de la llama y luego se irradia a una menor temperatura. Arrestadores de flama
Arrestadores de Flama Actuales
Desde la época de Sir Humphry, los arrestadores de flama en sus diferentes variedades se han aplicado en muchos ramos industriales. Todos operar bajo el mismo principio: la eliminación de calor de la flama en su intento de viajar a través de conductos estrechos con paredes de metal u otro material conductor del calor. Por ejemplo, los arrestadores de flama fabricados por Franco Instrumentacion emplean laminas de metal corrugado como se muestra en la Figura 2

Elemento Arrestador

Fig 2. Concepto de elemento arrestador utilizado en los productos Franko

Los arrestadores de flama son utilizados en aproximadamente 22 industrias, incluyendo refinación, farmacéutica, química, petroquímica, pulpa y papel, aceites, de exploración y producción, aguas residuales, tratamiento, rellenos sanitarios, minería, generación de energía, etc. En algunos casos, las llamas implican una reacción exotérmica (que produce calor) otras reacciones de oxidación. Los procesos que generan el combustible o reactivan mezcla de gases se encuentran, en respuesta, la separación, mezcla, perforación, y la digestión. Estos procesos implican numerosas configuraciones de equipos y mezclas de gases.

Fin de Linea y Venteo Libre
Las aplicaciones para los arrestadores de flama se dividen en dos categorías principales en base a los diseños. Un grupo consta de arrestadores de fin de línea, y otro grupo, conocido como el tipo de venteo libre (Figura 3)

Fig 3. Arrestador de flama Fin de Linea

La aplicación mas notable es en la prevención de incendios. Alrededor de 1920, los arrestadores de flama comenzaron a ser instalados en los respiraderos de tanques de almacenamiento de campos petroleros. de esta manera se mantienen los tanques seguros de una explosión cuando el gas que fluye a traves de las rejillas de ventilación es alcanzado por un rayo (Figura 4)

Aplicaciones

Figura 4. Arrestadores de flama industriales en campos petroleros

Los arrestadores de flama al final de su línea evitan la ignición de atmósferas explosivas dentro de un tanque, tal y como sucede en una refinería. Por ejemplo, los arrestadores de flama puede ser instalados en entradas de aire en un horno y tubos de escape.

En-Linea, Deflagración o Detonación
Otra categoria importante consiste en los arrestadores de flama en linea tambien conocidos como arrestadores para detonacion o para deflagracion.
En terminos simples, deglagracion significa quemado rapido y detonacion significa explosion. Estas unidades se instalan en lineas de tuberia para evitar el paso de la flama. como se muestra en la figura 5.

Figura 5. Arreglo Tipico de un Arrestador de Flama en linea

Muchas de las aplicaciones en línea se encuentran los sistemas que recolectan los gases emitidos por líquidos y sólidos. Estos sistemas, de uso común en muchas industrias, son llamados sistemas de control de vapores. Los gases que son ventilados a la atmósfera a través de vapor o controlados vía sistemas de control son típicamente inflamables. Si las condiciones necesarias se prestan para producir una ignición, una llama interior o externa del sistema podría provocar daños catastróficos.
Para evitar estos riesgos Existen sistemas que recolectan gas emitidos por liquidos y solidos, estos son conocidos en el medio como sistemas de control de vapores. Algunos elementos de estos sistemas incluyen quemadores de gas, sistemas de incineración, hervidores de gas y desechos, etc

Figura 6.

Figura 6. Una línea de fuego en un sistema supresor de incendios.

Otro tipo de sistema de control de vapores utilizados en línea con arrestadores de flama son los sistemas de recuperación de vapores. Aquí se incluyen los de equilibrio de vapor, refrigeración, adsorción, absorción y sistemas de compresión.
Sin embargo, los arrestadores de flama en linea tambien se utilizan en aplicaciones de fin de línea. Por ejemplo, una unidad en línea puede montarse junto con una válvula de alivio de presion en un tanque de almacenamiento para líquidos (Figura 7). La válvula reduce las emisiones y las pérdidas de producto, mientras que el banco arrestador protege el depósito de las llamas en la atmósfera durante la ventilación de gases inflamables.
Debido a que la tecnología en todo el mundo se ha vuelto más compleja, los equipos de seguridad también han evolucionado para satisfacer las nuevos requisitos. En particular, los arrestadores han cambiado enormemente durante la última década del siglo XX. Como se explicará más adelante, las flamas en las tuberías puede llegar a velocidades y presiones más altas que en la atmósfera abierta.Por lo tanto los Arrestadores de flama ahora se subdividen en tres categorías base. Además, se realizan disposiciones especiales para cada uno de los tres grupos principales de gases según el grado de peligro de flama (también explicado más tarde) — NEC grupos B, C y D. Así, existen ahora doce diferentes tipos de Arrestadores de flama como se muestra a continuacion:

  1. Fin-de-línea de línea de grupo B
  2. Fin-de-línea grupo C
  3. Fin-de-línea grupo D
  4. En-línea, presión baja / media. Deflagración grupo B
  5. En-línea, presión baja / media. Deflagración grupo C
  6. En-línea, presión baja / media. Deflagración grupo D
  7. En-línea, alta presión. Deflagración grupo B
  8. En-línea, alta presión. Deflagración grupo C
  9. En-línea, alta presión. Deflagración grupo D
  10. En-línea, Detonación grupo B
  11. En-línea, Detonación grupo C
  12. En-línea, Detonación grupo D

Al utilizar los arrestadores de flama, se debe recordad que estos dispositivos de seguridad son de uso pasivo, y a menudo se utilizan junto con dispositivos de seguridad activa. Los dispositivos de seguridad activos utilizados pueden ser hidráulicos (líquido), válvulas de aislamiento, sellos liquidos, valvulas y sistemas de tank blanketing, analizadores de gas y analizadores de oxígeno. A diferencia de los dispositivos activos, los dispositivos pasivos tales como el arrestador de flama no dependen de una fuente de alimentación, no tienen partes móviles, y no requieren de supervisión humana, salvo para ser limpiados periódicamente.

Fig 7. Arrestador de Flama con Valvula de alvio de presion

Por ejemplo, los dispositivos primarios de seguridad en un sistema de control de vapores son generalmente activos, tales como sellos líquidos y analizadores de oxígeno como se muestra en la Figura 6. Sin embargo, los dispositivos activos pueden ser inefectivos por pérdida de energía, fallas en los componentes mecánicos, falta de comunicación electrónica, o un error humano. los arrestadores ,a su vez, son el sistema secundario a prueba de fallos. En otras palabras, si los dispositivos primarios activos fallan, el método secundario pasivo, será la última defensa contra una explosión.
Es por ello que es indispensable (y en algunos paises obligatorio) contar por lo menos con sistemas pasivos. Los sistemas activos en ocasiones suelen ser muy costosos ya que estan compuestos por varios dispositivos y forman un sistema. Uno de los mas efectivos mencionados anteriormente, son los sistemas de tank blanketing o sistemas de inhertizacion. (encontramos en esta liga: Tank Blanketing / Sistema de inertizacion uno de los pocos fabricantes de habla hispana en ofrecerlos)

Propagacion de Flama
Las diferencias entre los diversos tipos de arrestadores de flama se basan principalmente en la naturaleza de la llama(especialmente la rapidez con que se mueve) y sobre la intensidad del pulso de presión creado por la llama. Una llama es un volumen de gas en el que una autosostenible reacción química exotérmica (que produce calor) está ocurriendo. La reacción es también conocida como combustión.
Para tener una llama, tres cosas deben estar presentes; oxígeno (suministrado por el aire), una temperatura muy alta (inicialmente suministrada por una fuente de ignición) y un gas inflamable mezclado con el aire en proporciones adecuadas llamado mezcla combustible. Siempre y cuando estos requisitos estén disponibles, una flama puede arder indefinidamente. Los arrestadores de flama operan mediante la eliminación de uno de estos requisitos: La temperatura alta.
En una mezcla inflamable estacionaria, una llama parece moverse hacia el gas sin quemar, ese aparente movimiento se llama propagación de flama. La llama existe sólo dentro de un volumen relativamente estrecho en el límite entre el gas sin quemar y el producto combustible.
La velocidad a la que se propaga la llama se mide en el borde delantero de la flama. Esta velocidad depende de varias variables, incluyendo la velocidad de la reacción química, la proporción de la mezcla de aire con gas, y si la llama está confinada o no.
Cinética de la Reacción Química
La velocidad de una reacción química, tal como la producida entre el gas combustible y oxígeno, se conoce como cinética. Esto es determinado principalmente por la cantidad de energía liberada por cada molécula de gas inflamable cuando se combina con el oxígeno. Por ejemplo, el hidrógeno se quema mucho más rápido que el propano. Así, dadas la mezclas de aire ideal en condiciones ideales, una llama de hidrógeno abierta o no confinada se propaga a 3 metros por segundo, en comparación a sólo 0.4 metros por segundo en el caso del gas propano. Sin embargo, la velocidad de la reacción también depende fuertemente de la temperatura y de la presión: entre mayor sea la temperatura de la flama y mayor sea la presión, más rápida será la reacción que lo sustenta.
Proporción de mezcla aire-Gas
Otro determinante de la generación de presión y de velocidad de la propagación de la llama, es la proporción de mezcla aire-gas. Un determinado gas inflamable sostendrá una llama únicamente dentro de un cierto rango de mezcla a una determinada presión y temperatura.
Si hay muy poco gas para una llama duradera en esa condición, la mezcla se dice que es demasiado “pobre” para arder. En ese caso, la concentración (porcentaje volumétrico) de gas en el aire está por debajo del límite inferior de explosión (LEL, lower Explosion Limit) de ese gas en particular. Esta es la concentración más baja en al que una llama no durará a esa presión y temperatura. Por ejemplo, el LEL en condiciones ideales es 2,1% para propano y 4.0% de hidrógeno.
Por el contrario, si hay demasiado poco de aire, la mezcla es demasiado “Rica” para arder. El límite superior de explosión (UEL, Upper Explosion Limit) para un gas en particular es la concentración de gas anterior que morirá una llama a una determinada presión y temperatura. En condiciones ideales, el UEL del propano es de 9,5%, y el del hidrógeno es 75,0%. El rango inflamable de un gas es la diferencia entre sus límites de explosión superior e inferior. El hidrógeno posee un rango inflamable mucho más amplio que el propano.
Una mezcla con la cantidad exacta y adecuada de oxígeno para la combustión completa — no más, ni menos, produciendo la energía máxima por volumen de gas — se llama estequiométrica. Las proporciones de aire y gas en o cerca de las estequiométricas proporcionan velocidades de propagación de llamas mayores y, por tanto, las ondas de impulso de presión son más intensas. Sin embargo, siempre y cuando la mezcla esté dentro del rango inflamable, la velocidad de llama ordinariamente no varía mucho.
Propagacion de una Flama no Confinada
Las llamas se propagan generalmente mucho más rápido en las tuberías que en la atmósfera abierta. Las llamas que no están restringidas por barreras físicas como tuberías se denominan como “no confinadas”. Una llama no confinada se expande ampliamente quemando el gas no consumido. Esta expansión proporciona disipación rápida del calor y energía de presión generada por la llama.
El ejemplo más común de propagación no confinada se produce cuando el venteo de un tanque O de un sistema de proceso de tanques de almacenamiento tiene contacto con una fuente de ignición (Figura 8). de ese modo, la llama se propaga desde el exterior y hacia el gas sin quemar hasta que llega a la fuente del gas.

Fig 8. Concepto de una progacion de flama no confinada

Cuando la llama no confinada comienza a consumir primero el gas no quemado, el frente de llama se desplaza por debajo de la velocidad del sonido (la velocidad del sonido en la atmósfera). Si la velocidad sigue siendo subsónica, al evento se le conoce como deflagración, lo que significa que arde rápidamente.
Por el contrario, la propagación de la llama en o por encima de la velocidad del sonido se llama detonación, que es una explosión lo suficientemente fuerte como para causar ondas de choque en el gas. Algunos gases pueden detonar, sin ser confinados, pero esto no es un hecho común.
Como la llama subsónica se mueve en la dirección del gas sin quemar, produce calor. El calor, a su vez, expande el gas sin quemar en una capa delante de la llama, llamada la capa límite. La rápida expansión de la capa límite junto con el movimiento rápido de la llama comúnmente se conoce como una explosión atmosférica y onda de percusión. El movimiento de presión y temperatura elevada rápidamente se extiende y se disipa en la atmósfera de una manera relativamente sencilla.

Propagación de una flama confinada
El ejemplo más común de una llama confinada es la que se propaga en el interior de un tubo o una explosión dentro de un recipiente o tanque de almacenamiento. La llama es generalmente un retroceso o flashback, lo que significa que se propaga en contra del flujo del gas y hacia su fuente. El calor y la energía de presión de una llama confinada no se libera tan fácilmente como la de una llama no confinada. Esta restricción de la disipación de energía hace una diferencia enorme en la forma en que la llama se propaga y por lo tanto, qué tipo de arrestador de flama se requiere para detenerla.
En una mezcla de combustibles, la velocidad de una llama no confinada depende principalmente de la cinética de la reacción de la combustión. La mayor parte del calor de combustión y la presión resultante se disipa en los alrededores de la atmósfera, sin influir en la velocidad de propagación. La propagación de las llamas confinadas también se basa en la cinética de la combustión. Sin embargo, puesto que la llama se limita y la energía de calor y presión permanecen concentradas, causan un mayor efecto sobre la cinética del quemado y por lo tanto la velocidad de la propagación de la llama.
Supongamos que tenemos un tubo largo recto con 6″ de diámetro, cerrado por un tapón en un extremo y lleno con la mezcla de combustible a presión y temperatura ambiente. Supongamos que el gas se enciende mediante una bujía en el extremo cerrado como se sugiere en la Figura 9. La llama se propaga hacia el gas no quemado lo largo de la tubería. Como se ha descrito anteriormente, para una llama no confinada, el calor de la llama se expande hacia adelante en capas de gas, causando un movimiento de presión. Sin embargo en este caso, la llama no se puede disipar en la atmosfera, en este caso la flama mientras va avanzando se va encontrando con gas de mayor temperatura y presión, lo cual acelera la reacción de combustión. Se puede decir que este proceso se alimenta de sí mismo, produciendo velocidades de flama, temperaturas y presiones mucho más altas que las no confinadas.

Fig 9. Elementos de la propagacion de la llama confinada en una tuberia de longitud indefinida

Para ser más precisos, supongamos que un medidor de presión se coloca a 10 metros del extremo encendido. A medida que la llama avanza hacia el medidor, aumenta la de esta lectura. Cuando la llama llegue al medidor, se produce un aumento de presión tan alta como 100 psig (7 bares) o más. Al expandirse por un tubo, la llama no sólo funciona como una reacción química, sino también como una reacción mecánica similar a un pistón en un cilindro de compresión. Si el tubo es suficientemente largo, en algunos casos la llama puede llegar a velocidades hiper sónicas (más veloz que el sonido) velocidades de 6.500 kilómetros por hora (2.900 metros por segundo). La presión puede aproximarse a 4.900 libras por pulgada cuadrada (34,000 kPa).

Etapas de desarrollo de una llama confinada
La selección de un arrestador de la llama adecuado depende de la intensidad de de la flama en términos de velocidad y presión. Los estudios de propagación de la llama en tuberías revelan siete etapas o fases que puede alcanzar si el tubo es suficientemente largo y la combustión es lo suficientemente rápida y si cuenta con la energía suficiente.
Estas etapas se ilustran en la Figura 10 por gráficas imaginarias de velocidad y presión de una llama en cada punto a medida que viaja a lo largo de un tubo de longitud indefinida. La llama llega a las etapas marcadas de la A a la F, una a una, a distancias crecientes desde el punto de ignición

Fig. 11

Concepto deflagración confinada de baja presión que muestra la distancia típica desde el punto de ignición

Referencias
Para Mayor informacion vea las siguientes paginas:
Informacion de arrestadores de flama
Arrestadores de flama de detonacion o detonadores en linea
Arrestadores de flama Cubicos

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