De qué se trata

Los polvos, cuando se ponen en suspensión (nube), pueden presentar un riesgo de explosión. Por eso, los polvos están cubiertos por la directiva ATEX y los riesgos se analizan de manera similar a los vapores explosivos.

Las explosiones de polvo pueden ser muy destructivas. Se han registrado muchos ejemplos en las industrias de procesos. Las explosiones de silos de harina, por ejemplo, pueden ser particularmente poderosas. Básicamente, cualquier polvo que pueda oxidarse (=quemarse) puede presentar un riesgo ATEX bajo ciertas condiciones. Debido a su frecuencia, al daño que pueden causar y a la falta de concienciación en la industria, la Unión Europea ha establecido la directiva ATEX, que obliga a las industrias a definir las zonas donde puede estar presente una atmósfera explosiva de polvo y poner en marcha las medidas necesarias para prevenir o mitigar el riesgo.

Esta página se basa principalmente en el reglamento ATEX europeo, pero la mayoría de los principios explicados se pueden utilizar para un Análisis de Peligros de Polvo (DHA).

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1. Condiciones de explosividad

Triángulo de explosividad

Las condiciones que pueden llevar a una explosión a menudo se representan en forma de triángulo. Cada esquina representa una de las condiciones. Para que se produzca una explosión, es necesario tener un combustible (el polvo), oxígeno y una fuente de ignición.

Figura 1 : Triángulo de explosión

Pentágono de explosión de polvo

En el caso de la explosión de polvos, es necesario cumplir dos condiciones más: la dispersión (para tener una nube de polvo) y el confinamiento. Por esta razón, las condiciones de explosión ATEX a veces se representan en forma de pentágono.

Figura 2 : Pentágono de explosión de polvo

Si estas representaciones gráficas ayudan a entender cómo se puede crear una explosión, también proporcionan las claves para evitar accidentes: si una de las condiciones anteriores no está presente, la explosión no puede ocurrir. Todo el propósito del análisis ATEX será determinar si estas cinco condiciones pueden cumplirse al mismo tiempo y, en caso afirmativo, encontrar soluciones para eliminar una de ellas (prevención). En algunos casos, esto no será posible, entonces la explosión, si ocurre, tendrá que ser gestionada (mitigación) y la forma de hacerlo tendrá que detallarse en el análisis ATEX.

Fuentes de nubes de polvo

Las nubes de polvo pueden tener diferentes orígenes. Pueden deberse al proceso (recepción de un transporte neumático) en el equipo. Pueden deberse a fugas fuera del equipo. O pueden deberse a depósitos de polvo mal mantenidos que se ponen en suspensión.

Dado que las fuentes son variadas pero a menudo están relacionadas con el mantenimiento de la instalación, se tendrán que implementar procedimientos estrictos para controlar el riesgo ATEX.

2. Propiedades de la explosión de polvo

Propiedades físicas utilizadas para describir explosiones en polvo

Las fuentes de ignición pueden ser de múltiples naturalezas. Lo importante es la energía que se libera. Si esta energía es suficiente y ocurre en presencia de una nube de polvo, puede producirse una explosión. La energía mínima que debe aplicarse a una nube de polvo se llama Energía Mínima de Ignición (EMI) y se expresa en mJ. Es importante tener en cuenta que la EMI variará de un polvo a otro.

Este parámetro, al igual que otros, suele determinarse en institutos especializados que llevarán a cabo explosiones controladas y medirán el umbral de energía a partir del cual el polvo se enciende y explota.

Entre los parámetros determinados se encuentran el Kst y el Pmax de las explosiones, también dependientes del polvo. Pmax será la presión máxima que se puede esperar de la explosión y Kst representará su velocidad

La distribución del tamaño de las partículas del polvo también es un factor importante que hay que conocer, especialmente para explosiones en silos

A continuación se resume las propiedades del polvo que hay que conocer para un estudio ATEX

Tabla 1 : Propiedades ATEX del polvo

Propiedad	Unidad	Método de determinación	Uso en el estudio ATEX
Pmax - Presión máxima de explosión	bar	Pruebas de explosión en celdas de explosión instrumentadas	Permitirá calcular las consecuencias de una explosión
dP/dt max - Tasa máxima de aumento de presión	bar/s	Pruebas de explosión en celdas de explosión instrumentadas	Permitirá calcular las consecuencias de una explosión
Kst - Constante de explosión	bar.m/s	(dP/dt)max.V0.33=Kst El valor dP/dt depende del volumen de la explosión, sin embargo, se ha encontrado que Kst es independiente del volumen y es solo una función del polvo utilizado. Por lo tanto, es habitual utilizar Kst en lugar de dP/dt para expresar las propiedades de explosión de los polvos.	Kst se utiliza para calcular la ventilación de seguridad, por ejemplo, paneles de explosión, para mitigar una explosión.

Propiedades físicas del polvo vinculadas a su sensibilidad a la explosión en polvo.

Para llevar a cabo un análisis ATEX adecuado, y especialmente para poder evaluar adecuadamente los riesgos de una explosión, es necesario determinar algunas propiedades físicas del polvo. Estas propiedades se describen en la siguiente tabla.

Tabla 2: Propiedades del polvo que influyen en los riesgos de explosión.

Propiedad	Unidad	Método de determinación	Uso en el estudio ATEX
MIT (Temperatura mínima de ignición)	grados c	Horno Godbert-Greenwald	Se determinan dos temperaturas de ignición: en nube de polvo y en capa de 5 mm. La MIT en nube de polvo se relacionará con la explosión del polvo, mientras que la capa se relacionará con el riesgo de incendio. Básicamente, indica cuál es la temperatura máxima que se puede autorizar en el área donde está presente el polvo, por ejemplo, ayuda a determinar la clase de temperatura de los motores eléctricos.
MIE (Energía mínima de ignición)	mJ	Pruebas de ignición de nube de polvo a diferentes energías	Permite identificar el peligro real de las fuentes de ignición. Mostrará la sensibilidad del polvo a una fuente puntual de energía, como una chispa de origen eléctrico o mecánico. La MIE suele considerarse que representa bien la sensibilidad del polvo al riesgo de explosión. Los polvos con una MIE inferior a 3 mJ se consideran muy peligrosos.
PSD (Distribución de tamaño de partículas)	Micrones	Difractómetros	Permite identificar los riesgos en el almacenamiento en silos (diámetro máximo permitido).
Concentración máxima de oxígeno permisible	Porcentaje	Tubo vertical o esfera de 20 l	Esta información es especialmente interesante para diseñar un proceso que evite los riesgos de explosión mediante la inyección de inerte. Por ejemplo, se puede introducir nitrógeno en el sistema para reemplazar el aire. Para polvos orgánicos, el límite suele ser de alrededor del 11% de oxígeno restante. Para polvos metálicos, el límite es mucho menor. Deben realizarse pruebas específicas para determinar el valor y debe considerarse un margen de seguridad de al menos un 2%.

Además de estos parámetros clave que se utilizan directamente en el análisis ATEX, el ingeniero también debe tener en cuenta la influencia de las siguientes propiedades en la probabilidad de explosión.

Tabla 3: Otras propiedades del polvo de interés en los estudios ATEX.

Propiedad	Influencia en la explosión
Granulometría	En general, la explosividad de una nube de polvo aumentará si las partículas son más pequeñas. De hecho, la superficie disponible para la combustión aumentará si el sólido está más dividido. Por el contrario, a partir de 200-500 micrones, la explosión ya no será posible. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que este límite no suele utilizarse en los estudios ATEX, ya que las partículas finas presentes en un producto con una PSD de alrededor de 500 micrones pueden ser suficientes para desencadenar una explosión en algunos casos.
Concentración de explosión	Hay un límite de concentración por debajo del cual la explosión no ocurrirá. Según la literatura, este valor varía de 0,010 a 0,100 kg/m3. Depende en gran medida del producto. Por otro lado, hay un límite máximo de concentración por encima del cual la explosión tampoco puede ocurrir. Este límite oscila entre 1 y 10 kg/m3.
Humedad	La humedad del polvo suele ser buena para reducir el riesgo de explosión. Cuanto más húmedo esté, menos probable será la explosión. Durante el análisis ATEX, puede ser interesante conocer el nivel de humedad del polvo que se está procesando. En la literatura, se puede encontrar un límite del 30% como el límite a partir del cual la explosión no es probable.

3. Prevención y protección contra la explosión de polvo

La prevención de la explosión consistirá en EVITAR la explosión tomando algunas medidas para actuar sobre algunos de los parámetros que permiten una explosión, ver el pentágono de la explosión.

Tabla 4: Prevención de la explosión.

Medida	Acción
Mantenimiento	Es la medida más básica, pero también muy eficiente: el polvo no debe acumularse donde no se supone que esté. El polvo en el entorno de trabajo puede ponerse en suspensión y desencadenar una explosión, por ejemplo. Muy a menudo, la primera explosión no es responsable de los mayores daños, sino que es la explosión secundaria causada por el polvo que estaba en el edificio, que se puso en suspensión y posteriormente explotó a una escala mucho mayor [PBE]. Todas las fugas de polvo deben limpiarse y debe identificarse y corregirse la causa raíz.
Inertización	El uso de nitrógeno o dióxido de carbono en el proceso permite reducir la concentración máxima de oxígeno permisible para desencadenar una explosión. Para ello, el gas inerte debe estar disponible, el proceso debe estar diseñado para controlar la concentración de oxígeno y regular la inyección de inerte en consecuencia, para mantenerse siempre en la zona segura. El operador de la planta también tendrá que evaluar los riesgos inducidos por la propia inyección de inerte.
Eliminación de fuentes de inflamación	El proceso y su operación deben estar diseñados para eliminar las fuentes de inflamación: Térmica: la medición MIT debe utilizarse para diseñar el proceso de modo que las fuentes de calor estén siempre por debajo de este valor. La operación de la planta no debe autorizar ninguna intervención en el proceso si el proceso no se ha limpiado y liberado correctamente mediante un procedimiento de permiso de trabajo. Mecánica: las chispas pueden crearse por impacto mecánico, la sensibilidad del polvo está directamente relacionada con su MIE. Para prevenir estas chispas, debe establecerse un plan de control y mantenimiento riguroso para cada equipo rotativo susceptible de crear chispas. El proceso debe estar diseñado de modo que, si es posible, la velocidad de la punta de la parte rotativa sea inferior a 1 m/s, un límite generalmente admitido para el acero inoxidable como el umbral por debajo del cual ya no se crean chispas. Para equipos que giran más rápido, deben ponerse en marcha medios de detección de que las piezas se tocan entre sí, por ejemplo, vibración. Por último, deben evitarse los cuerpos extraños mediante un cribado adecuado y un control metálico de cada material que entra en el proceso. Eléctrica: también relacionada con la MIE del polvo, incluso las pequeñas chispas de electricidad estática que se descargan repentinamente pueden ser peligrosas. Como regla general, el proceso debe estar a tierra, deben evitarse las partes aisladas que puedan acumular electricidad estática, las personas deben llevar equipos de protección antistáticos, los silos deben estar diseñados de modo que su diámetro sea lo suficientemente pequeño como para evitar el riesgo de descarga cónica. Todo el equipo eléctrico también debe estar certificado ATEX.

La protección contra la explosión consistirá en GESTIONAR las CONSECUENCIAS de una explosión.

Tabla 5: Mitigación de la explosión.

Medida	Acción
Resistencia a la explosión	Si se considera que, a pesar de las medidas de prevención, el riesgo de explosión sigue siendo demasiado alto, entonces la instalación puede hacerse resistente a la explosión, 10 bar g es un valor habitual para la mayoría de los polvos. El equipo debe estar certificado.
Ventilación de explosión	Se puede utilizar la rotura de discos o paneles de explosión para liberar la presión de la explosión. Su diseño es muy importante y debe dejarse a una empresa profesional, aunque existen algunos métodos abreviados. El punto de ventilación también debe estudiarse cuidadosamente para evitar cualquier riesgo debido a la explosión o a las llamas. En el mercado existen algunos arrestadores de llamas si la liberación debe hacerse en un edificio.
Supresión de la explosión	Es posible detectar el aumento repentino de presión característico de una explosión y activar la inyección de un extintor. Este sistema, aunque eficiente, presenta las desventajas de requerir un cuidado particular del sistema de supresión para asegurarse de que funcione cuando sea necesario, también inyectará algún producto en el proceso, que deberá limpiarse a fondo después. También debe instalarse por una empresa especializada.
Aislamiento del proceso	Estas medidas deben combinarse con los elementos anteriores. Algunos equipos pueden aislar básicamente la parte del proceso sometida a una explosión. Los equipos típicos son los siguientes: Válvula de acción rápida: a menudo se combina con un sistema de supresión. Es una válvula activa que se activa por el PLC de seguridad cuando se detecta un aumento de presión. Válvula Ventex: es una válvula pasiva que se cierra básicamente si aumenta la presión. Válvula estrella: válvula estrella con un mínimo de 8 alveolos.

4. Zonas ATEX

Uno de los resultados de un estudio ATEX es definir la zonificación de la instalación.La zonificación ayudará a identificar qué áreas de la instalación están sometidas a un riesgo ATEX y a citar el nivel de este riesgo. Las diferentes zonas de riesgo ATEX se definen a continuación.

Tabla 6: Definición de la zonificación ATEX.

Zona ATEX	Definición
Zona 20	Ubicación donde una atmósfera explosiva está presente de forma permanente o durante largos períodos o con frecuencia. El polvo en concentración explosiva está presente 1000 h o más / y (= condiciones normales del proceso).
Zona 21	Ubicación donde es probable que esté presente una atmósfera explosiva ocasionalmente en condiciones de trabajo normales. El polvo en concentración explosiva está presente de 10 h a 1000 h / y (= en determinadas condiciones del proceso).
Zona 22	Ubicación donde no es probable que esté presente una atmósfera explosiva en condiciones de trabajo normales o, si está presente, solo durante un corto período. El polvo en concentración explosiva está presente de 1 h a 10 h / y (= condiciones de proceso muy raras o anormales, fugas).

La posibilidad de tener un entorno ATEX debe analizarse caso por caso, a lo largo de todo el proceso. La experiencia del personal que realiza el estudio ATEX es clave para determinar cuándo puede ocurrir una atmósfera explosiva y con qué frecuencia. El conocimiento del proceso es clave para poder identificar dónde se procesan los polvos, cuál es su naturaleza, etc. Por este motivo, el estudio ATEX debe realizarse por un equipo multidisciplinar que normalmente incluya ingenieros de procesos, técnicos de producción y gerentes, un oficial de seguridad, así como un moderador que ayude a realizar el estudio de manera estructurada y en el tiempo.

El proceso debe estudiarse teniendo en cuenta dos tipos de eventos: el polvo se procesa dentro de los equipos, como debería ser, o se produce una pérdida de contención. Cuando el polvo está dentro del proceso, el perímetro de la zona ATEX suele estar bien definido, sin embargo, puede ser difícil determinar con qué frecuencia ocurre la zona ATEX. Es más difícil evaluar dónde, fuera del equipo, puede ocurrir una zona ATEX y con qué frecuencia. Entonces, el proceso debe estudiarse en detalle, seleccionando los lugares donde podrían ocurrir fugas. A continuación, debe evaluarse la extensión de la nube de polvo formada.

¿Cuáles son las consecuencias de la zonificación en el proceso?

Una vez realizado el estudio ATEX, la fábrica debe asegurarse de que todos los equipos que pueden estar en la zona ATEX sean compatibles con la calificación definida. Esto concierne al equipo del proceso en contacto con el producto en condiciones normales de funcionamiento (mezcladores, etc.), pero también a todo el equipo fuera que pueda estar en una zona ATEX (motores, interruptores eléctricos, etc.).

Si algunos equipos no son compatibles, entonces deben establecerse procedimientos específicos y/o actualizarse el equipo. Si el riesgo es alto, puede llevar a la puesta en marcha de medidas de mitigación (discos de explosión, sistemas de supresión de explosión, etc.).

5. Estudio ATEX: Elementos clave para una evaluación de riesgos ATEX

PASO 1 - Recopilar datos físicos sobre los polvos procesados

Para llevar a cabo un buen análisis ATEX, es necesario conocer los siguientes parámetros:
- MIE
- PSD (d50 o d90)
- Características de explosión (Kst y Pmax)

PASO 2 - Definir la zonificación del área de producción

Según la frecuencia con la que se puede formar una nube de polvo, definir la clasificación del área. Para las áreas fuera del proceso, definir qué tamaño considerar.

PASO 3 - Evaluar el riesgo de tener una fuente de ignición

Tener una zona 20, por ejemplo, no significa necesariamente que el riesgo sea alto. Para determinar si existe un alto riesgo de tener una fuente de ignición, pueden ser necesarios cálculos adicionales. Algunos de los riesgos típicos de ignición y los cálculos asociados se presentan en la caja de herramientas a continuación.

HERRAMIENTAS

Riesgo de chispas mecánicas

Se admite generalmente que la energía disipada por un contacto metal/metal a una velocidad inferior a 1 m/s no es suficiente para generar una chispa capaz de provocar una explosión. Es importante señalar que esta afirmación puede revisarse si los metales en contacto no son materiales comunes como Acero al Carbono o Acero Inoxidable. Para verificar si un material rotativo presenta riesgo, es necesario calcular la velocidad periférica (o *tip speed*) de la pieza en movimiento. Dicha velocidad periférica puede calcularse de la siguiente manera:

Ecuación 1: velocidad periférica (*tip speed*)

Donde *D* es el diámetro del equipo rotativo en m
*n* es la velocidad de rotación en rpm

Riesgo de descarga en cono (*cone discharge*)

La descarga en cono puede ocurrir en recipientes que contienen polvos, especialmente en silos. Es una descarga entre un montón cargado de polvo no conductor y la pared de un contenedor. Una situación peligrosa puede ocurrir si:

La resistividad del polvo (a granel) es > 10¹⁰ Ω·m

*d* > 0.612 *MIE^0.297*M^-0.435
Donde *d* = diámetro del contenedor en m
*MIE*: Energía Mínima de Ignición en mJ
*M*: valor medio de la granulometría del sólido en mm

Riesgo de descarga en cepillo (*brush discharge*)

Ocurre que, durante el proceso, un material no conductor se somete a una acción susceptible de generar cargas eléctricas (por ejemplo, el flujo de partículas en un transporte neumático). Si este elemento está suficientemente cargado, puede desencadenarse una descarga eléctrica.

Es necesario verificar las dimensiones de dichos elementos y asegurarse de que no superen los 500 cm². Sin embargo, el riesgo persiste para polvos muy sensibles con una *MIE* muy baja (< 1 mJ).

PASO 4 - Evaluar el riesgo y definir medidas

El último paso consiste en evaluar el riesgo, definido como la combinación de la presencia de una nube de polvo (= zonificación) y una fuente de ignición.

Si el riesgo es alto (por ejemplo, una zona 20 donde un equipo gira a alta velocidad con riesgo de contacto metal/metal), se deberán adoptar medidas para reducir la frecuencia de aparición de la fuente de ignición (o de la nube de polvo), o para mitigar las consecuencias de una explosión (discos de ruptura, sistemas de supresión, etc.).

Para facilitar el análisis y la clasificación del riesgo, los escenarios suelen presentarse en una tabla que muestra la zona y la probabilidad de ignición. Dicha probabilidad depende de la normativa y/o de la empresa, y generalmente se expresa como la probabilidad de que ocurra el evento en 1 año, 2 años, 10 años, etc. Luego, se crea una matriz, y los escenarios en las zonas "naranja" y "roja" requieren atención inmediata y acciones para reducir el riesgo.

Figura 2: ejemplo de matriz de evaluación de riesgo ATEX

PASO 5 - Informe

Todas las conclusiones deben documentarse e implementarse por parte de producción (reemplazo de equipos, instalación de medidas de mitigación, procedimientos específicos para operadores, etc.).

Fuentes

Principios de Tecnología de Polvos (*Powder Technology*), Martin Rhodes et al., John Wiley and Sons, 1990
Seguridad de los Procesos Químicos (*Securité des Procédés Chimiques*), André Laurent, Lavoisier Tec et Doc, 2003
[PBE] Riesgos de explosión y protección en sistemas de recolección de polvo (*Dust Collection system explosion hazards and protection*), Brian Matthews, PBE, octubre 2017