BOLETÍN TÉCNICO 

GING‐BT‐004‐11 

NATURALEZA Y PROPIEDADES DE LÍQUIDOS Y GASES COMBUSTIBLES

Para desarrollar una adecuada estrategia para la aplicación de un sistema de detección de gas combustible es necesaria la comprensión básica de las propiedades de los materiales combustibles. A continuación se identifican las propiedades básicas necesarias para la determinar el potencial peligroso de un material.

Flash point (Punto de inflamación), es la menor temperatura a la cual un líquido emite suficiente vapor en su superficie para formar una mezcla inflamable o explosiva.

Temperatura de auto-ignición, se refiere a la temperatura de ignición espontánea, esta es la temperatura mínima para la combustión auto sostenida de una sustancia, independientemente de la calefacción o el elemento calefactor. Esta temperatura está generalmente muy por encima del punto de inflamación.

Límite inferior de explosividad (LEL) o límite inferior de inflamabilidad (LFL), es la concentración mínima de un gas o vapor inflamable que mezclado con aire a temperatura y presión normales forman una mezcla inflamable, una mezcla por debajo de este nivel de concentración está considerada demasiado "pobre" para arder.

Rango de explosividad. Esto incluye todas las concentraciones (medido como porcentaje del volumen en el aire) de un gas inflamable o vapor que arde cuando se expone a una fuente de ignición.

Límite explosivo superior (UEL) o límite superior de inflamabilidad (UFL), es la máxima concentración de gas en el aire que pude provocar una combustión. Cualquier porcentaje más alto de gas combustible o menor cantidad de oxígeno en la mezcla de los dos, será demasiado "rica" para producir una combustión.

Densidad de vapor. Es la densidad relativa del vapor en comparación con el aire.

GASES INFLAMABLES INDUSTRIALES COMUNES

Amoníaco. Se utiliza en una variedad de aplicaciones comerciales, el amoniaco es incoloro, alcalino, tóxico y más ligero que el aire. Tiene un alto LFL y un reducido rango de explosividad

Hidrógeno. El hidrógeno es altamente inflamable, es un gas extremadamente ligero con gran inflamabilidad y rango explosivo, tiene una temperatura de ignición baja y baja energía mínima de ignición.

Gas Licuado de Petróleo (GLP). Este es el nombre genérico de una serie de gases licuados de hidrocarburos a baja presión. Los más comunes son el butano y el propano. se utilizan en la fase de vapor como combustible con el aire o el oxígeno.

LÍQUIDOS INFLAMABLES Y COMBUSTIBLES

Un líquido inflamable tiene un punto de inflamación por debajo de 100 °F (37,8 °C) con una presión de vapor que no exceda 40 psi (276 kPa). Son volátiles por naturaleza, constantemente emitiendo vapores más pesados que el aire.

Los combustibles líquidos tienen un punto de inflamación igual o por encima de 100 °F (37,8 °C). Cuando se calientan por encima de su punto de inflamación, estos líquidos asumen muchas de las características de los líquidos inflamables.

El punto de inflamación es generalmente el criterio más importante a considerar. Sin embargo otros factores como la temperatura de ignición, el rango explosivo, la densidad de vapor y la tasa de evaporación, marcan el rumbo sobre el potencial peligroso del líquido.

LISTA DE PROPIEDADES FISICO-QUÍMICAS

La siguiente tabla identifica las propiedades primarias necesarias para la determinación del potencial de peligrosidad de diversos líquidos inflamables y combustibles.

FUNDAMENTOS DE DETECCIÓN DE GAS COMBUSTIBLE

GERENCIA DE INGENIERÍA Y PROYECTOS 

15 DE MAYO DE 2011

Ignition Specific Vapor

Closed cup Open Cup LEL % UEL % Temp. °F Grav ity Density 1,3- Butadiene CH2=CHCH=CH2 1 ppm Gas Gas 2.0 12.0 788 —- 1.90

Acetaldehyde CH3CHO 200 ppm -38 ........ 4.0 60.0 347 0.78 1.52

Acetic Acid (glacial) CH3COOH 10 ppm 103 110 4.0 19.9 867 1.05 2.07

Acetone CH3COCH3 1000 ppm -4 15 2.5 13.0 869 0.79 2.00

Acetonitrile CH3CN 40 ppm ........ 42 3.0 16.0 975 0.78 1.42

Acrylonitrile CH2=CHCN 2 ppm 30 32 3.0 17.0 898 0.80 1.83

Ammonia (anhydrous) NH3 50 ppm Gas Gas 15.0 28.0 1204 —— 0.60

Amyl acetate-n CH3COO[CH2]4CH3 100 ppm 77 ........ 1.1 7.5 714 0.88 4.49

Amylamine (mono) C5H11NH2 30 45 2.2 22.0 ........ 0.75 3.01

Benzene C6H6 1 ppm 12 ........ 1.2 7.8 928 0.88 2.77

Butane-n CH3CH2CH2CH3 —— -76 Gas 1.9 8.5 550 0.60 2.06

Butene-1 CH3CH2CH:CH2 —— Gas Gas 1.6 10.0 725 —— 1.94

Butyl acetate-n CH3COO[CH2]3CH3 150 ppm 72 98 1.7 7.6 797 0.88 4.00

Butyl alcohol-n CH3CH2CH2CH2OH 100 ppm 98 110 1.4 11.2 650 0.81 2.55

Butyl alcohol-sec CH3CH(OH)CH2CH3 150 ppm 75 85 1.7 @ 212°F 9.8 @ 212°F 761 0.81 2.55

Butyl alcohol-tert (CH3)3COH 100 ppm 52 60 2.4 8.0 892 0.79 2.55

Cyclohexane C6H12 300 ppm -4 ........ 1.3 8.0 473 0.80 2.90

Decane-n CH3(CH2)8CH3 —— 115 ........ 0.8 5.4 410 0.70 4.90

Diethyl ether C2H5OC2H5 400 ppm -49 ........ 1.9 36.0 356 0.72 2.55

Dimethylformamide HCON(CH3)2 10 ppm 136 155 2.2 @ 212° F 15.2 833 0.90 2.52

Dimethylamine, anhydrous (CH3)2NH 10 ppm Gas Gas 2.8 14.4 752 —— 1.60

Dioxane-p C4H8O2 100 ppm 54 65 2.0 22.0 356 1.0+ 3.00

Dodecane-n CH3(CH2)10CH3 —— 165 ........ 0.6 ........ 397 0.75 5.86

Ethane CH3CH3 —— Gas Gas 3.0 12.5 882 ........ 1.04

Ethyl alcohol CH3CH2OH 1000 ppm 55 71 3.3 19.0 685 0.79 1.59

Ethyl benzene CH3CH2C6H5 100 ppm 70 75 0.8 6.7 810 0.87 3.66

Ethyl ether C2H5OC2H5 400 ppm -49 ........ 1.9 36.0 356 0.72 2.55

Ethylamine CH3CH2NH2 10 ppm 1 ........ 3.5 14.0 725 0.80 1.60

Ethylene H2C:CH2 —— Gas Gas 2.7 36.0 842 0.98

Ethylene oxide C2H4O 1 ppm -20 -4 3.0 100.0 1058 0.89 1.52

Formaldehyde gas HCHO .75 ppm Gas Gas 7.0 73.0 795 ........ 1.00

Gasoline, aviation-commercial —— ........ -50 ........ 1.3 7.1 824 ........ ........

Gasoline, aviation-military —— ........ -50 ........ 1.2 7.1 880 ........ ........

Heptane-n CH3[CH2]5CH3 500 ppm 25 30 1.1 6.7 399 0.70 3.50

Hexane-n CH3[CH2]4CH3 500 ppm -7 -14 1.1 7.5 437 0.70 3.00

Hydrogen H2 —— Gas Gas 4.0 75.0 932 ........ 0.10

Isoprene CH2:C[CH3]CH:CH2 —— -65 ........ 1.5 8.9 743 0.70 2.40

Isopropyl alcohol [CH3]2CHOH 400 ppm 53 60 2.0 12.7 @ 200°F 750 0.79 2.07

Isopropyl ether [CH3]2CHOCH[CH3]2 500 ppm -18 -15 1.4 7.9 830 0.73 3.52

Isopropylamine [CH3]2CHNH2 5 ppm —— -35 —— —— 756 0.69 2.00

“Jet fuel, JP-4” -10 to +30 ........ 1.3 8.0 464 —— ——

Methane CH4 Gas Gas 5.0 15.0 999 ........ 0.55

Methyl alcohol CH3OH 200 ppm 52 54 6.0 36.0 867 0.79 1.11

Methyl ethyl ketone CH3COCH2CH3 200 ppm 16 24 1.4 @ 200°F 11.4 @ 200°F 759 0.81 2.48

Methyl methacrylate CH2=C(CH3)COOCH3 100 ppm 50 50 1.7 8.2 ........ 0.94 3.60

Naphtha 100 ppm -57 ........ 1.1 5.9 550 0.60 2.5

Octane-n CH3(CH2)6CH3 500 ppm 56 ........ 1.0 6.5 403 0.70 3.86

Pentane-n CH3(CH2)3CH3 1000 ppm -57 ........ 1.5 7.8 500 0.63 2.48

Propane CH3CH2CH3 1000 ppm Gas Gas 2.1 9.5 842 —- 1.56

Propyl acetate-n CH3COOCH2CH2CH3 200 ppm 55 70 1.7 @ 100°F 8.0 842 0.89 3.52

Propyl alcohol-iso [CH3]2CHOH 400 ppm 53 60 2.0 12.7 @ 200°F 750 0.79 2.07

Propyl alcohol-n CH3CH2CH2OH 200 ppm 74 77 2.2 13.7 775 0.80 2.07

Propylamine-n CH3(CH2)2NH2 —- -35 ........ 2.0 10.4 604 0.72 2.03

Propylbenzene-n C3H7C6H5 —- 86 ........ 0.8 6 842 0.90 4.14

Propylene CH2:CHCH3 —- Gas Gas 2.0 11.1 851 —- 1.49

Propylene oxide C3H6O 100 ppm -35 ........ 2.3 36.0 840 0.83 2.00

Styrene C6H5CH=CH2 100 ppm 88 100 0.9 6.8 914 0.91 3.60

Tetradecane-n CH3(CH2)12CH3 —- 212 ........ 0.5 ........ 392 0.77 6.83

Tetrahydrofuran C4H8O 200 ppm 6 ........ 2.0 11.8 610 0.89 2.50

FLASH POINT °F Explosive L imitsNAME FORMULA TWA(OSHA PEL)

TECNOLOGÍAS DE DETECCIÓN

Los detectores de gas combustible se pueden dividir en dos categorías generales. La primera incluye una variedad de tecnologías "pasivas" de las que la electrocatalítica es el tipo más común. La segunda categoría se basa en la tecnología que utiliza la absorción de infrarrojos como técnica de detección. Esta tecnología es considerada "activa", ya que una fuente del IR emite una señal muchas veces por segundo, y la cantidad de energía que cae en el detector sirve como una medida activa de la concentración de gas en ese momento. Cualquier fallo de la fuente o el detector, o bloqueo de la señal por la suciedad, es detectada inmediatamente como un fallo de funcionamiento. Por esta razón, los detectores de infrarrojos también se consideran a prueba de fallos, fail-to-safe. Los detectores infrarrojos de gas pueden ser utilizados de forma puntual o de forma de ruta abierta.

DETECTORES ELECTROCATALÍTICOS

Los detectores electrocatalíticos o de catalizador tienen una antigüedad de más o menos 30 años y son ampliamente utilizados en una variedad de industrias como detectores de gases combustibles de un solo punto. Funcionan con el principio relativamente simple y confiable que un gas combustible al ser oxidado produce calor. El cambio de temperatura resultante se convierte, a través de un puente de Wheatstone estándar, a una señal eléctrica. Esa señal puede ser utilizada para activar las alarmas y poner en marcha medidas de prevención de incendios.

Principios de funcionamiento

El corazón de este sistema es un elemento catalítico heterogéneo que está presente en la oxidación. En general, estos elementos constan de una bobina de platino incrustado en un catalizador. Dado que los reactivos son gaseosos, la reacción tiene lugar en la superficie de este elemento con los gases combustibles reaccionando de forma exotérmica con el oxígeno del aire para calentar el elemento catalizador. Esto provoca un cambio de la resistencia eléctrica dentro de la bobina incrustada que es medida y monitoreada.

Un sensor utiliza dos partes idénticas, una activa, que se oxida con cualquier gas combustible presente, y una recubierta de vidrio, que se utiliza como referencia. La parte recubierta de vidrio le permite responder a los cambios de temperatura, humedad y

presión, sin responder a los gases combustibles, que no puede penetrar en el revestimiento de vidrio. La parte de referencia sirve como base de la señal, que puede ser comparada a la resistencia de la parte activa para determinar la concentración de gas presente. Como el gas se oxida en la parte activa, la temperatura de esta aumenta en proporción directa a la concentración del gas en la atmósfera. Este aumento de temperatura aumenta la resistencia de la parte activa, y cuando se compara con la resistencia de la parte de referencia, resulta una diferencia de voltaje medible la que es utilizada por el instrumento.

El catalizador empleado en estos sensores es fundamental para la precisión y la vida del mismo, y determina la gama de gases combustibles que el sensor puede detectar. Como regla general, toda la superficie de un grano no puede ser catalíticamente activo, y por lo tanto, la reacción de oxidación puede ocurrir sólo en ciertos puntos. En la fabricación de los sensores, el material catalítico debe ser elegido y formado de tal manera de maximizar el número de estos sitios activos.

Contaminación o envenenamiento

La sensibilidad de un detector catalítico puede ser afectada típicamente por dos causas, la contaminación o el envenenamiento de la parte activa o la obstrucción del arresta llamas por donde el gas debe pasar para llegar al catalizador. En algunos casos, el sensor puede perder la respuesta debido al envejecimiento.

La contaminación del sensor puede ser causada por una variedad de factores, en función principalmente al entorno en el que el sensor se utiliza. Si el sensor está expuesto a polvo u otros materiales en forma de partículas, estas pueden quedar atrapadas en la cubierta del arresta llamas o depositados en los catalizadores. Si el sensor está expuesto a aceite

pesado o grasa, la carcasa puede cubrirse resultando en la pérdida de sensibilidad. La exposición a vapores de pintura, laca o barniz pueden también cubrir el sensor.

El envenenamiento del elemento catalizador es el resultado de una fuerte absorción de veneno en los sitios activos del sensor. Dado que los sitios activos en algunos dispositivos constituyen una pequeña parte del total de la superficie, una cantidad relativamente pequeña de veneno puede tener un efecto considerable en la respuesta del sensor.

Varias sustancias pueden actuar como venenos del catalizador. Estos incluyen siliconas y compuestos de silicio incluidos los silanos, halógenos, hidrocarburos halogenados, compuestos de azufre, ácidos fuertes, bases y metales pesados. Estas sustancias contaminan el sensor de diferentes maneras.

En algunos casos, el envenenamiento del sensor es temporal. En el caso de los gases de los extintores de incendios, por ejemplo, la sensibilidad completa puede ser recuperada en un par de horas si el agente extintor es eliminado. El único medio de identificación de la pérdida de la sensibilidad del detector debido a venenos catalíticos es por el uso de gas de comprobación y calibración. Cuando un sensor está situado en una zona conocida por contener venenos potenciales, debe ser controlado en intervalos regulares y calibrado si es necesario. El intervalo de calibración recomendado debe ser proporcionado por el fabricante, y seguido en el campo.

Los daños mecánicos

Los sensores pueden ser dañados por golpes o vibraciones que causan que el alambre fino de platino se quiebre.

Mientras que otros métodos de detección de gases combustibles están disponibles, Los sensores electrocatalíticos ofrecen simplicidad, precisión y costo unitario relativamente bajo en detección en un solo punto.

DETECTORES INFRARROJOS

Los dispositivos que utilizan esta tecnología tienen una fuente de luz y un detector de luz, miden la intensidad de la luz en dos longitudes de onda específica, una en un medio de absorción (activo) y otro fuera del medio de absorción (de referencia). Si un volumen de gas pasa entre la fuente y el detector,

la cantidad de luz en la longitud de onda activa del detector se reduce, mientras que la cantidad de luz en la longitud de onda de referencia se mantiene sin cambios. Al igual que los detectores catalíticos, la concentración del gas se determina a partir de la diferencia relativa entre las dos señales.

Hay varias ventajas de utilizar detectores basados en IR:

• Son inmunes a todos los venenos químicos.

• No necesita oxígeno o aire para detectar el gas.

• Puede trabajar en entornos con continua exposición al gas.

• La tecnología es a prueba de fallos fail-to-safe.

Los detectores de IR pueden ser puntuales o dispositivos que barran todo un trayecto. El mantenimiento de los detectores de infrarrojos es típicamente limitado a la limpieza periódica de parte la óptica del equipo, es decir ventanas y reflectores, para garantizar un rendimiento fiable. La disponibilidad actual de la electrónica, su bajo costo y la existencia de detectores IR de estado sólido han reducido los costos y lograron que esta tecnología sea viable para muchas aplicaciones comerciales. Sin embargo, los detectores IR no se pueden utilizar para la detección de hidrógeno y algunos otros gases para los que el método catalítico es el adecuado.

Teoría de Operación

La detección de gas por infrarrojos se basa en la capacidad que tienen algunos gases de absorber la radiación IR. Es bien sabido que casi todos los hidrocarburos (HC) absorben IR en aproximadamente 3,4 micras y en esta región el H2O y CO2 no son absorbidos, lo que hace al sistema inmune a la humedad y a los cambios atmosféricos.

Detectores de haz abierto

Las fugas de gas pueden formar una nube relativamente inmóvil o se disipan rápidamente en función de factores tales como la eólica, la tasa de pérdida, de densidad del gas que fuga y la estructura del medio ambiente alrededor de la fuga. Si una fuga de gas crea una nube, por lo general, tendrá las siguientes características:

• La concentración más alta de una nube de gas está en el origen y la concentración disminuye hacia los bordes.

• La forma de la nube de gas se alarga o tiene un patrón irregular, dependiendo de las corrientes de aire.

• En ambientes al aire libre de nubes de gas se disipan más rápido y pueden tener muy bajas concentraciones de gas.

Un detector de infrarrojos de haz abierto ofrece inmunidad a los venenos, alta sensibilidad a detección de fugas de gas, detección de niveles peligrosos de gases, bajo mantenimiento, fácil instalación y operación a prueba de fallos. Sin embargo, no abarca toda respuesta de detección a gas combustible. Ofrece una alternativa de solución a los problemas de detección de gas y debe ser utilizada en combinación con la detección puntual de gas debido a sus limitaciones en la selección de la ubicación específica de fugas de gas.

Detectores puntuales infrarrojos

En el caso de detectores puntuales infrarrojos, hay una longitud de trayectoria fija entre el IR fuente y el IR detector. Normalmente, la longitud es de unos pocos centímetros y se supone que la concentración del gas es uniforme a través de esta longitud. Con la longitud del camino que se fija, el detector puntual IR de gas es capaz de dar una medida directa de la concentración de gas en porcentaje del límite inferior de explosividad (%LEL).

APLICACIÓN

Evaluación de Riesgos

Una minuciosa evaluación de los riesgos se debe realizar antes de la selección, compra e instalación de un sistema de detección de gases peligrosos. El objetivo de esta evaluación es reducir al mínimo los riesgos para la vida y los bienes a través de:

• Selección de los equipos de detección de gases más adecuados.

• Ubicación de los sensores en las fuentes con mayor probabilidad de fugas de gas.

La evaluación debe incluir tanto los patrones de aire natural y ventilación forzada dentro de la Planta. Es crítico entender cómo los gases se pueden ser transportados a lo largo de las corrientes naturales de aire, así como a través del sistema de ventilación de la planta, hacia varios áreas de la instalación.

Se debe prestar especial atención a lugares tales como fosas, nichos y los picos del techo, que son con frecuencia mal ventilados, y donde el gas se puede acumular. Como los requerimientos de ventilación y la infraestructura difieren de una estación a otra.

Es probable que una combinación de detección puntual y la detección de haz abierto sea lo adecuado para su caso, por lo que es una buena idea discutir la selección con el fabricante elegido.

En resumen, un análisis del riesgo y el proceso de selección del equipo es probable que incluyan:

• Las fuentes potenciales de fugas.

• Factores que influyen en la velocidad y la dirección de difusión de gas cuando ocurre una fuga.

• La densidad y otras propiedades físicas del gas.

• Medio ambiente, por ejemplo, temperatura, vibración, limpieza, ventilación, etc.

Ubicación del sensor

La colocación de sensores de detección de gases combustibles depende de muchos factores, y solo serán tratados aquí de forma breve.

Al evaluar una próxima situación potencial de riesgo por combustibles, básicamente existen dos formas de determinar la ubicación de los sensores. Una forma es colocar los sensores próximos al lugar donde una fuga es más probable que ocurra. Esto utiliza la detección de gas como una función de mantenimiento. La segunda forma consiste en colocar los sensores cerca de las áreas donde una concentración de gases peligrosos pueden acumularse como resultado de la difusión de una fuga de gas o vapor. La densidad del gas o vapor determina si tiende a aumentar o disminuir, y es un factor principal para determinar el número y la ubicación de los sensores.

El cableado de los sensores dispuestos en serie es a menudo considerado a propósito para la reducción de costos, sin embargo, este enfoque dará lugar a

señales acumuladas, dificultad en la calibración de los sensores y una reducción en el grado de seguridad que los sensores pueden proporcionar. Por otra parte, un circuito abierto en un sensor tendrá como resultado la pérdida de la señal del resto de los sensores de la serie. Un enfoque preferible es tener los sensores con cableado de control y alimentación independiente. La señal de salida designada podrá entonces ser utilizada de forma fiable para advertir de la presencia de gas y para determinar su ubicación.

Las ubicaciones de los sensores deben tener el debido análisis de límites de temperatura indicados por el fabricante, vibración a las que el sensor puede estar expuesto.

Al instalar un sensor, deben observarse prácticas adecuadas de cableado de instrumentos. Es una buena práctica utilizar siempre cables apantallados.

Cada posición de los sensores debe ser revisada y calibrada de forma periódica, con un gas de calibración de concentración conocida. Normalmente esto debería ser una mezcla al 50% LEL de gas o vapor.

Los sensores deben estar ubicados en lugares donde no estén expuestos a la posibilidad de inmersión en agua. Cubiertas contra polvo pueden ser necesarios para los sensores que se encuentran en ambientes muy sucios y guardabarros en las zonas donde las fuertes lluvias son probables o donde se realiza limpieza con fluidos a alta presión. Los sensores catalíticos deben ser montados con el sensor apuntando hacia abajo mientras que los sensores de infrarrojos deben ser montados horizontalmente.

LUIS ALBERTO BEDREGAL M.

Bibliografía: GENERAL MONITORS, A Guide to the Characteristics of Combustible Gases and Applicable Detection Technologies MSA Gas detection, Compressor Station. MSA Ultima X Gas Monitors. CROWCON Gasmaster, panel de control para la detección de gases. CROWCON IREX Pellistor Replacement IR Gas Detector. OLDHAM Series 20 Detectors-Transmitters for Flammable, Toxic Gases and Oxygen. OLDHAM, Toxic or Combustible Hazards, Measurement and alarm unit MX42A.

SENSOR ELECTROCATALÍTICO SENSOR INFRARROJO

 N° NOMBRE FECHA  FIRMA OBSERVACIONES

REGISTRO DE LECTURA Y COMPRENSIÓN