Explosiones Físicas y Químicas

Artículo extraído de la Revista Expresión Forense N° 14, por Universidad Nacional de San Luis.


Una explosión es una liberación súbita de gas a alta presión en el ambiente. Súbita porque la liberación debe ser lo suficientemente rápida de forma que la energía contenida en el gas se disipe mediante una onda de choque. A alta presión porque significa que en el instante de la liberación de la presión del gas es superior a la de la atmósfera circundante. Una explosión puede resultar de una sobre presión de un contenedor o estructura por medios físicos (rotura de un globo), medios fisicoquímicos (explosión de una caldera) o una reacción química (combustión de una mezcla de gas).




Clasificación de las explosiones por su origen


La diferencia fundamental entre las explosiones causadas por un gas a alta presión se debe al origen de estas. A continuación, mostramos un cuadro con la clasificación:


EXPLOSIONES FÍSICAS


En determinados casos el gas alta presión se genera por medios mecánicos o por fenómenos sin presencia de un cambio fundamental en la sustancia química. Es decir, alcanza presión mecánicamente, por aporte de calor a gases, líquidos o sólidos o bien el sobrecalentamiento de un líquido puede originar una explosión por medios mecánicos debido a la evaporación repentina del mismo. Ninguno de estos fenómenos significa cambio en la sustancia química de las sustancias involucradas. Todo el proceso de generación de alta presión descarga y efectos de la explosión puede entenderse de acuerdo a las leyes fundamentales de la física.


La mayor parte de las explosiones físicas involucran a un contenedor tal como calderas, cilindros de gas, compresores, etc. En el contenedor se genera alta presión por compresión mecánica de gas, calentamiento del contenido o introducción de otro gas a elevada presión desde otro contenedor. Cuando la presión alcanza el límite de resistencia de la parte más débil del contenedor se produce el fallo. Los daños generados dependen básicamente del modo de fallo. Si fallan pequeños elementos, pero el contenedor permanece prácticamente intacto, la metralla proyectada resulta peligrosa como balas, pero la descarga de gas es direccional y controlada.


En estas condiciones los daños causados se limitan a penetración de metrallas, quemaduras y otros efectos dañinos por gases calientes. Cuando el fallo ocurre en las paredes del contenedor se producen proyecciones de metrallas de mayor tamaño provocando un violento empuje de la estructura del contenedor en la dirección opuesta a la descarga del gas.


En este caso la liberación del gas es extremadamente rápida y genera una violenta onda de choque. En el caso de que el contendor almacene un líquido sobrecalentado (líquido a temperatura superior a su punto de ebullición o un gas licuado como amoníaco o dióxido de carbono) cuando el contenedor se rompa se producirá súbita evaporación del líquido. El volumen evaporado es suficiente como para enfriar el producto liberado hasta su punto de ebullición y aumentar los efectos de la presión. Este fenómeno se conoce como BLEVE (explosión de vapor en expansión de un líquido en ebullición). Otro fenómeno es la evaporación de un líquido puesto en contacto con otra sustancia a una temperatura muy por encima del punto de ebullición del líquido. Este es el caso de la introducción de agua de tubos de calderas, cómo intercambiadores de calor o tanques de fluidos de transferencia de calor, a alta temperatura pueden provocar violentas explosiones.


EXPLOSIONES QUÍMICAS


En otros casos la generación del gas a alta presión resulta de la reacción química de un producto donde la naturaleza del mismo difiere de la inicial (reactivo), La reacción química más común presente en las explosiones es la combustión, dónde un combustible (por ejemplo, metano) se mezcla con el aire, se inflama y arde generando dióxido de carbono, vapor de agua y otros subproductos. Hay otras reacciones químicas que generan gases a alta presión. Las explosiones resultan de la descomposición de sustancias puras. Cualquier reacción química puede provocar una explosión si se emiten productos gaseosos, si se evaporizan sustancias ajenas por el calor liberado en la reacción o si se eleva la temperatura de gases presentes, por la energía liberada. La reacción química más conocida que produce gases a alta presión por medio de otros gases o vapores, en la combustión de gases en el aire. Sin embargo, otros gases oxidantes cómo el oxígeno, cloro, fluor, etc., pueden ser sustituidos por algo, produciendo con frecuencia procesos de combustión muchos más intensos.


Los polvos y nebulizadores (líquidos en estado pulverizado) pueden generar, al quemarse en el aire o en otro medio gaseoso reactivo, gases a elevada presión. La combustión puede producirse con cualquier partícula, pero en la práctica de mayores riesgos se encuentran en las de 840 micras o menos. A medida que disminuye el tamaño más fácil se produce la dispersión y más estable y duradera resulta. Las partículas más finamente definidas implican mayor riesgo al facilitar la formación de dispersiones, mantenerlas durante más tiempo y quemarse más rápidamente las partículas de mayor tamaño.


Las reacciones químicas pueden clasificarse en uniformes que son transformaciones químicas que involucran toda la masa reactiva y reacciones de propagación, en la que existe un frente de reacción, claramente definido que separa el material sin reacción de los productos de la reacción, avanzando a través de toda la masa reactiva.


REACCIONES UNIFORMES: En este tipo de reacciones la velocidad sólo depende de la temperatura y la concentración de los agentes de la reacción manteniéndose constante en toda la masa reactiva. A medida que aumenta la temperatura de la masa, la reacción se acelera alcanzando el punto de calentamiento en el que el calor generado supera al disipado por al ambiente. Puesto que se genera calor en toda la masa reactiva, pero disipa más lentamente desde el centro que desde la superficie exterior, el centro se calienta más y aumenta su velocidad de reacción.


REACCIONES DE PROPAGACIONES: Una mezcla de hidrógeno y oxígeno se puede almacenar a temperatura ambiente durante extensos períodos de tiempo sin indicios de reacciones químicas. No obstante, la mayoría de estas mezclas reaccionan violentamente si se aplica una fuente de ignición. La reacción comienza en dicha fuente y se propaga por la mezcla. Pueden diferenciarse tres zonas distintas:


- La zona de reacción;

- La zona de producto (detrás de la llama); y,

- La zona sin reacción (frente a la llama).


Una reacción de propagación siempre es exotérmica. La reacción se inicia con una zona relativamente pequeña de alta temperatura, generada por un encendedor externo o por acumulación de calor en el núcleo de un sistema de reacción uniforme. Para que la reacción se propague, el núcleo, activado por el inflamador, debe elevar suficientemente la temperatura del material circundante de forma que entre en reacción. Cuanto más elevada sea la temperatura inicial del sistema, más fácilmente se inflama y más probable resulta la reacción de propagación, puesto que se requiere menos transmisión de energía para que entre en reacción el material circundante. Puesto que una reacción de propagación se inicia en un punto específico y se propaga a través de la masa reactiva, la velocidad de disipación depende de la propagación del frente de reacción. Las velocidades de propagación varían desde cero a varias veces la velocidad del sonido, dependiendo de la composición, temperatura, presión, grado de confinamiento y otros factores.


DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL EXPLOSIVO


Para determinar el potencial explosivo se requiere conocer la naturaleza fundamental de las sustancias procesadas, manipuladas, utilizadas o transportadas, así como las características de la instalación específica en la que las sustancias se encuentran. También debe considerarse el medio ambiente circundante. Por lo anteriormente expuesto se deben considerar las propiedades de los materiales, del sistema y del medio ambiente:


Propiedades de los materiales


Se deben tener cuenta dos conceptos fundamentales: la severidad, es decir el tipo y potencia de la reacción; en otras palabras ¿qué daños puede causarse?, y la sensibilidad, el modo de iniciación es decir ¿qué puede provocarla?


SEVERIDAD: Es muy importante determinar las presiones y temperaturas máximas, velocidades de aumento de presión y temperaturas, calor de reacción y las condiciones en las que dichas reacciones pueden producirse. Es recomendable conocer las propiedades del material en condiciones extremas. La severidad resulta ser difícil de determinar.


SENSIBILIDAD: Los mecanismos de iniciación de una explosión suponen una absorción de energía por los materiales. Si se elige una forma específica de energía de activación, puede determinarse la mínima cantidad necesaria para producir una reacción. Sin embargo, dicha cantidad varía ampliamente según el tipo elegido. Las relaciones entre los diferentes tipos de energía absorbida son complicadas, ya que cualquier fuente aporta energía en formas muy variadas, y sólo aquellas que puedan ser absorbidas por enlaces moleculares resultan eficaces para iniciar reacciones químicas. En la práctica aquellas aportaciones de energía que generan elevadas temperaturas localizadas, son las más propicias para iniciar una reacción química. Las más comunes son las llamas, descargas eléctricas, superficies calientes, compresión mecánica y compresión por onda de choque.


Propiedades del sistema


El sistema es el equipo operativo en el que se encuentran los materiales. Todo sistema tiene elementos activos u operativos y elementos pasivos o inoperativos.

Elementos activos: Son los que contienen partes móviles como bombas, sopladores, trituradores, válvulas, agitadores, etc. Constituyen los medios a través de los cuales la energía externa se transmite a los materiales en condiciones normales de funcionamiento. Por ejemplo un soplador o ventilador normalmente suministra energía para mover una gas; esta energía se suministra de forma regular y discreta mediante el giro de paletas. Si una paleta se deforma, la energía se concentra en forma de partículas fundidas de la propia pala o la… Lee el artículo completo en la Revista Expresión Forense N° 14 en formato digital

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