Arresto di fiamma

Un arrestatore di fiamma, scritto anche arrestatore, è un dispositivo che permette il passaggio del gas ma ferma una fiamma per prevenire un incendio o un’esplosione più grande. C’è un’enorme varietà di situazioni in cui gli arrestatori di fiamma sono applicati. Chiunque sia coinvolto nella selezione degli arrestatori di fiamma deve capire come funzionano questi prodotti e i loro limiti di prestazione. A tal fine, questo articolo fornisce un’introduzione alla tecnologia e alla terminologia degli arrestatori di fiamma e ai tipi di prodotti disponibili.

Storia degli arrestatori di fiamma

Il principio di funzionamento degli arrestatori di fiamma fu scoperto nel 1815 da Sir Humphry Davy, un famoso chimico e professore alla Royal Institution in Inghilterra. Un comitato di sicurezza dell’industria mineraria inglese si era rivolto a Davy per assistenza tecnica. Avevano bisogno di un modo per evitare che le lampade a olio dei minatori causassero esplosioni quando il gas infiammabile chiamato grisou si infiltrava nei pozzi della miniera. Sir Humphry studiò il gas, che consisteva principalmente di metano. L’indagine era incentrata su come il metano brucia in varie condizioni e con varie proporzioni di aria. La soluzione di Davy fu di racchiudere la fiamma della lampada in modo sicuro con un alto cilindro di rete metallica finemente intrecciata, chiamata garza metallica. Due delle prime lampade di sicurezza di Davy sono mostrate sulla destra.

Passa abbastanza luce attraverso lo schermo per essere utile. L’aria per la fiamma dell’olio intorno allo stoppino della lampada entra attraverso la parte inferiore dello schermo. Il gas di scarico caldo esce attraverso la parte superiore. Quando una miscela combustibile di metano entra con l’aria, una fiamma di metano brucia contro l’interno dello schermo. Tuttavia, né la fiamma del metano né quella della lampada passano attraverso le strette aperture dello schermo. Il filo metallico assorbe il calore della fiamma e poi lo irradia via ad una temperatura molto più bassa.

Parametri moderni

Dai tempi di Sir Humphry, parafiamme di numerose varietà sono state applicate in molte industrie. Tutti funzionano sullo stesso principio: rimuovere il calore dalla fiamma mentre tenta di attraversare stretti passaggi con pareti di metallo o altro materiale conduttore di calore. Per esempio, gli arrestatori di fiamma realizzati dalla maggior parte dei produttori impiegano strati di nastri metallici con ondulazioni aggraffate.

Gli arrestatori di fiamma sono utilizzati in molte industrie, tra cui raffinazione, farmaceutica, chimica, petrolchimica, cellulosa e carta, esplorazione e produzione di petrolio, trattamento delle acque reflue, discariche, miniere, produzione di energia e trasporto di liquidi sfusi. In alcuni casi, le fiamme coinvolgono reazioni esotermiche (che producono calore) diverse dall’ossidazione. I processi che generano i gas combustibili o reattivi includono la miscelazione, la reazione, la separazione, la miscelazione, la perforazione e la digestione. Questi processi coinvolgono numerose configurazioni di attrezzature e miscele di gas.

Come funzionano i moderni arrestatori di fiamma

Gli arrestatori di fiamma sono dispositivi passivi senza parti mobili. Impediscono la propagazione della fiamma dal lato esposto dell’unità al lato protetto mediante l’uso di un elemento a cella di fiamma del tipo a nastro metallico avvolto e crimpato.
Questa costruzione produce una matrice di aperture uniformi che sono accuratamente costruite per spegnere la fiamma assorbendone il calore. Questo fornisce una barriera estinguente alla miscela di vapore accesa.

Canale a cella di fiamma

In condizioni operative normali il dispositivo di arresto della fiamma permette un flusso relativamente libero di gas o vapore attraverso il sistema di tubazioni. Se la miscela si accende e la fiamma comincia a viaggiare indietro attraverso le tubazioni, il dispositivo di arresto impedirà alla fiamma di tornare alla fonte del gas.

Arresto di fiamma a deflagrazione o detonazione in linea

L’altra grande categoria consiste di arrestatori di fiamma in linea, conosciuti anche come arrestatori di fiamma a deflagrazione e detonazione. (Parlando in modo non tecnico, deflagrazione significa combustione rapida, e detonazione significa esplosione). Queste unità sono installate nei tubi per impedire il passaggio delle fiamme.

La maggior parte delle applicazioni degli arrestatori di fiamma in linea sono in sistemi che raccolgono i gas emessi da liquidi e solidi. Questi sistemi, comunemente usati in molte industrie, possono essere chiamati sistemi di controllo del vapore. I gas che vengono scaricati nell’atmosfera o controllati tramite i sistemi di controllo del vapore sono tipicamente infiammabili. Se le condizioni sono tali che si verifica l’accensione, potrebbe verificarsi una fiamma all’interno o all’esterno del sistema, con il potenziale di fare danni catastrofici.

1. Lato esposto 2. Lato protetto 3. Fiamma stabilizzata sull’elemento di arresto
4. L’elemento di arresto della fiamma assorbe e spegne il fronte della fiamma 5. Piping

Una varietà di sistemi di controllo del vapore è chiamata sistema di distruzione del vapore. Sono inclusi i sistemi di torcia sopraelevati, i sistemi di torcia chiusi, i sistemi di incenerimento con bruciatore e catalitici e le caldaie per gas di scarico.

Un altro tipo di sistema di controllo del vapore che utilizza arrestatori di fiamma in linea è il sistema di recupero del vapore. Sono inclusi i sistemi di bilanciamento del vapore, refrigerazione, adsorbimento, assorbimento e compressione.

Tuttavia, gli arrestatori di fiamma in linea sono talvolta utilizzati in applicazioni di fine linea. Per esempio, un’unità in linea può essere montata sotto una valvola di sfiato su un serbatoio di stoccaggio di liquidi. La valvola riduce le emissioni e la perdita di prodotto, mentre il dispositivo di arresto della fiamma protegge il serbatoio dalle fiamme nell’atmosfera durante lo scarico dei gas infiammabili.

Selezione dei dispositivi di arresto della fiamma in linea
I vari stati dinamici spiegati prima per le fiamme confinate possono essere molto pericolosi per un sistema di processo a causa delle enormi energie associate alla pressione di detonazione e alla velocità della fiamma. Le cose accadono velocemente e possono diventare catastrofiche. Questi stati dinamici multipli aumentano la sfida di fornire un prodotto o prodotti di arresto della fiamma che fermino la fiamma e resistano alle enormi pressioni causate dalle esplosioni all’interno delle tubazioni confinate.

La gamma molto ampia di comportamenti possibili per una fiamma confinata causa due problemi particolari per i prodotti di arresto della fiamma. In primo luogo, gli stati di deflagrazione ad alta pressione e di detonazione stabile hanno una cinetica di combustione molto stabile, e la fiamma si muove molto velocemente. Di conseguenza, il dispositivo di arresto deve essere in grado di assorbire il calore della fiamma molto più velocemente di quanto richiesto dalle condizioni standard di deflagrazione a bassa-media pressione. In secondo luogo, le pressioni istantanee d’impulso causate dalle onde d’urto della detonazione sovralimentata sottopongono lo scaricatore a forze fino a 20995 kPa(g) (3000 psig). Quindi, lo scaricatore deve essere strutturalmente superiore agli scaricatori di deflagrazione a bassa pressione standard.

Scaricatore di fiamma di fine linea o da sfiato ad atmosfera

Scaricatori di fiamma di fine linea o da sfiato ad atmosfera permettono lo sfiato libero in combinazione con la protezione della fiamma per applicazioni di sfiato verticale. Impediscono la propagazione della fiamma assorbendo e dissipando il calore utilizzando celle di fiamma in acciaio inossidabile a nastro avvolto a spirale.
Gli arrestatori di fiamma di fine linea sono usati in applicazioni come gli sfiati dei serbatoi di stoccaggio del petrolio.

L’applicazione classica è nell’impedire al fuoco nell’atmosfera di entrare in un recinto. Intorno al 1920, per esempio, gli arrestatori di fiamma hanno cominciato ad essere installati sugli sfiati dei serbatoi di stoccaggio del petrolio. Essi impediscono ai serbatoi di esplodere quando il gas che scorre dagli sfiati viene colpito da un fulmine.

Inversamente, alcuni arrestatori di fiamma di fine linea impediscono al fuoco in un recinto di accendere un’atmosfera esplosiva, come in una raffineria. Per esempio, gli arrestatori di fiamma possono essere installati nelle prese d’aria dei forni e nei camini di scarico.

Immagine da Enardo

Selezione degli arrestatori di fiamma di fine linea
Gli arrestatori di fiamma di deflagrazione di fine linea sono progettati per la propagazione della fiamma non confinata, anche detta esplosione atmosferica o deflagrazione non confinata. Si fissano semplicemente con un bullone o una vite al processo o alla connessione del serbatoio. Questi design incorporano una tecnologia consolidata ma semplice. La maggior parte utilizza un singolo elemento di nastro metallico avvolto e crimpato che fornisce il trasferimento di calore necessario per spegnere la fiamma prima che attraversi l’elemento di arresto.

I punti principali di preoccupazione quando si seleziona uno scaricatore per applicazioni di fine linea sono i seguenti:

• Designazione del gruppo pericoloso o valore MESG del gas
• Caratteristiche di prestazione della stabilizzazione della fiamma dello scaricatore rispetto al potenziale del sistema per la stabilizzazione della fiamma per periodi di tempo prolungati
• Temperatura del gas di processo
• Caduta di pressione attraverso lo scaricatore in condizioni di flusso di sfiato, rispetto alla pressione e al vuoto massimi ammissibili del sistema
• Materiali di costruzione che soddisfano le condizioni ambientali e di processo – per esempio, clima estremamente freddo, nebbia salina, gas chimicamente aggressivi, ecc.
• Tipo di connessione e dimensioni
• Requisiti di strumentazione

API 2000 4.5.2 Opzioni di progettazione per la prevenzione delle esplosioni dice: