Engenharia de Segurança do Trabalho. (Dust Explosions) Explosões de Pós. Luís C. OLIVEIRA LOPES. 25 de abril de 2003

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1 Explosões de Pós (Dust Explosions) 25 de abril de 2003 Luís C. OLIVEIRA LOPES Engenharia de Segurança do Trabalho

2 Conteúdo Introdução: Explosão Classificações e Tipos A explosão de nuvem de pós Condições e locais de risco Fatores Influência de Fatores Granulometria Concentração Experimentação Prevenção Minimização de Estragos Conclusão Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide2

3 Introdução Definição de Explosão Definição Enfoque no ruído Enfoque no desprendimento de energia química Definição com enfoque no ruído Deflagração acompanhada de grande ruído devido `a onda de pressão. origem da onda de pressão é de importância secundária (desprendimento de energia resultante de fenômeno físico ou mecânico). Definição com enfoque na energia química Processo químico exotérmico que, quando ocorrendo a volume constante, resulta numa elevação rápida e significativa da pressão. Ênfase na própria liberação da energia química. Neste curso a definição de explosão abordará as duas alternativas, focalizando algumas vezes na causa outras no efeito, a depender do contexto! Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide3

4 Explosões: classificações Classificações: Detonação Deflagração Detonação velocidade da interface de combustão (fronteira da chama) é maior que a velocidade do som. Deflagração velocidade da interface de combustão é menor que a velocidade do som. Detonações são mais destrutivas! Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide4

5 Tipos: Explosões: tipos Tipo de explosão Si Ge Ie Fraca <0,2 <0,5 <0,1 Moderada 0,2-1,0 0,5-1,0 0,1-1,0 Forte 1,0-5,0 1,0-2,0 1,0-10 Muito forte >5,0 >2,0 >10 Fonte: Fire Protection Handbook Si: Sensibilidade de Ignição Ge: Gravidade de explosão Ie: Índice de explosividade Vide tabela em anexo no material entregue Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide5

6 A Explosão de Pós (Dust Explosion) Características: É fato que: Qualquer material sólido que pode queimar no ar o fará com a violência e velocidade que aumenta com o aumento do grau de subdivisão do material. Ilustração: Incêndio pode gerar explosão: desde que poeiras depositadas nas cercanias do fogo sejam agitadas, entrem em suspensão, ganhem concentração mínima, e desencadeie explosões. Explosão pode gerar incêndio: as partículas de poeira que estão queimando saem da suspensão e espalham o fogo. Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide6

7 Onde está o perigo? Atividades reconhecidamente com potencial de risco: Indústrias de beneficiamento de produtos agrícolas; Indústrias fabricantes de rações animais; Indústrias alimentícias; Indústrias metalúrgicas; Indústrias farmacêuticas; Indústrias plásticas; Indústrias de beneficiamento de madeira; Indústrias do carvão; Outras... Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide7

8 Poeira x Pó: Convenção Convenção: O termo poeira ou pó neste curso, refere-se a partículas de material combustível capazes de serem transportadas por via aérea (suspensão) com um tamanho de partícula inferior a 500µm. O sistema de teste britânico padrão define como pó a qualquer partícula de matéria que pode passar através de um teste de peneira de 75µm. FATO: tem-se observado que pós (qualquer partícula com diâmetro médio inferior a 1000µm) e grãos (partícula duras como diâmetro médio superior a 75µm) e de tamanhos maiores (até 500µm) podem estar envolvidas em explosões de pós. Poeiras são fisicamente o mesmo que pó, mas em geral refere-se a pó aquelas que possuem valor econômico. Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide8

9 Ilustração para Ano 99 (USA) Empresa Local Data Prejuízo Butterball Turkey Sherwin, KS 2/99 $50-$500 Farmers Coop Co. Craig, IA 4/99 $50-$500K, 1 ferido Amick Farms Monetta, SC 8/99 $50-$500K, 10 feridos Reedsville Coop Reedsville, WI 10/99 $500K+ 7 feridos Variadas proporções Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide9

10 Explosão de nuvens de pós: Fatores Como uma explosão acontece: 1) Pó deve ser combustível 2) Partículas forma uma nuvem excedendo determinada concentração 3) Pó encontra-se confinado 4) Fonte de Ignição presente Combustível (pó) Espaço Confinado (equipmentos, prédios) Oxigênio Fonte de Ignição Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide10

11 Fontes de Ignição: Exemplos Faísca de Fricção 2.8% Soldagem 17.2% Falhas Elétricas 4% Calor Contato 2.8% Moinho Trabalho com Metais 4% Frição por Choque 3.2% Outros 3.6% Fogo além de Soldagem 4% Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide11

12 Explosões de nuvens de pós Detonação pouco provável: Processo de combustão da maioria das partículas sólidas industriais relativamente lento, ou seja ocorre em geral deflagração (deflagração em cadeia pode originar detonação). Condições para explosão de nuvens de pós: O pó deve ser combustível. O pó deve ser capaz de tornar-se transportado por via aérea. O pó deve ter uma distribuição de tamanhos capaz da propagação da chama. A concentração do pó deve estar dentro da faixa de explosividade. Uma fonte de ignição deve estar presente. A atmosfera deve conter oxigênio suficiente para suportar e sustentar a combustão. Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide12

13 A área superficial de partículas Subdivisão -> Aumenta área superficial: O grau de subdivisão de um sólido dita a probabilidade de explosão, pode-se medir isso através da área superficial específica. Essencialmente, quanto maior a área superficial específica maior perigo se tem de um pó estar envolvido numa explosão, embora partículas muito pequenas podem se aglomerar e assim reduzindo a possibilidade de explosão do pó. Parâmetro de estimativa da possibilidade de explosão: (tamanho da partícula)/ (área superficial específica) Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide13

14 Sensibilidade de Ignição e Violência de Explosão Fatores que influenciam: Composição química do pó (e seu conteúdo de umidade) Composição química, pressão e temperatura do gás Forma da partícula e distribuição de tamanhos Grau de dispersão da nuvem de pó Distribuição de concentração na nuvem de pó Turbulência na nuvem de pó Quantidade de turbulência causada pela explosão em partes não queimadas da nuvem Distorção da fronteira da chama por outros mecanismos além da turbulência Transferência radiativa de calor da chama (dependente da temperatura de chama que por sua vez depende de aspectos químicos da partícula) Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide14

15 Explosão de pós - Materiais Combustível + Oxigênio Óxidos + Calor Características: Pós de materiais metálicos podem também reagir exotermicamente com N2 ou CO2 (casos especiais). Isto significa que somente materiais que não são óxidos estáveis podem ocasionar explosão de pós. Materiais que não são capazes de gerar explosão de pós: Silicatos, Sulfatos, Nitratos, Carbonatos, Fosfatos... Não existem riscos de explosões em indústrias como: produtoras de cimento, escavação de pedra calcárea etc. Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide15

16 Explosão de pós Materiais (Cont.) Combustível + Oxigênio Óxidos + Calor Materiais que podem causar explosões de pós: Materiais orgânicos naturais (grãos, linho, açúcar, etc) Materiais orgânicos sintéticos (plásticos, pigmentos orgânicos, pesticidas, etc) Carvão e turfa Metais (alumínio, zinco, ferro, etc) A severidade das explosões resultantes está relacionada ao calor liberado na combustão desses materiais A melhor forma de se avaliar isso é através da observação a quantidade de calor liberado por mol de oxigênio. Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide16

17 Calor de Combustão Substância Produto da Oxidação KJ/mole O2 Ca CaO 1270 Mg MgO 1240 Al Al2O Si SiO2 830 Cr Cr2O3 750 Zn ZnO 700 Fe Fe2O3 530 Cu CuO 300 Sucrose CO2 e H2O 470 Amido CO2 e H2O 470 Polietileno CO2 e H2O 390 Carbono CO2 400 Carvão CO2 e H2O 400 Enxofre SO2 300 Quanto maior o calor de combustão, mais provável que ele seja capaz de sustentar uma explosão de pós. Da tabela: metais são os pós mais perigosos de um ponto de vista energético. Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide17

18 Faixa de Concentração para Explosão A explosão de nuvens de pós pode ocorrer somente se a concentração de pós encontra-se dentro de certos limites (análogo ao conceito de limites de flamabilidade superior e inferior para misturas de gases e ar). Em geral, a menor concentração de pó que pode originar uma explosão de pó é em torno de g/m3 e a máxima é de 2-3kg/m3. Limites dependem da substância e tamanho das partículas Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide18

19 Explosões Primárias e Secundárias As concentrações necessárias para a explosão de pós são raramente vistas fora de vasos de processos, assim a maioria das explosões severas de pós se iniciam dentro de equipamentos. Ex. moinhos, misturadores, telas, secadores, ciclones, funis, filtros, elevadores, silos, dutos de aspiração, e sistemas de transporte pneumático) Esses eventos são conhecidos como Explosões Primárias As explosões secundárias: pós depositados são perturbados pela explosão primária e forma uma segunda nuvem de pós que então entra em ignição pelo calor liberado pela explosão primária. O problema: pequenas quantidades de pó depositado ocupam um espaço pequeno, mas quando perturbados formam nuvens perigosas. Uma camada de 1mm de pó de 500kg/m3 pode formar a nuvem de 5m de profundidade com 100g/m3. Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide19

20 Ilustração: Explosão primária e Secundária Atenção à eliminação completa das poeiras dos edifícios que compõem a planta industrial Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide20

21 Fontes de Ignição Uma nuvem de pó, dentro do seu limite de explosividade, não queimará a menos que energia suficiente seja fornecida para a sua ignição. As fontes possíveis de ignição incluem: Chamas abertas (soldagem, corte, fósforos, etc) Superfícies quentes (secadores, aquecedores, rolamentos, etc) Calor de impacto mecânico Descarga Elétrica Descarga Eletrostática Poeiras queimando ou ardendo sem chamas Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide21

22 Descargas Eletrostáticas Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide22

23 Prevenção de Explosões de Pós Prevenção: Prevenindo fontes de Ignição. Combustão sem chamas. Outras chamas abertas Superfícies quentes Faíscas Calor oriundo de impacto mecânico Prevenindo nuvens de pós explosivos. Adição de Inertes N2, CO2 e gases raros. Tornando inerte intrinsecamente. Adição de pó inerte. Concentração de pó fora de região de explosividade. Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide23

24 Minimização de Estragos Adição de gases inertes como efeito parcial Isolamento de explosões Passiva: ativada pela própria explosão Ativa: requerendo ativação através de sensor. Sistemas passivos são preferidos pois eles são mais simples e mais confiáveis se funcionam como projetados Ventilação Construção resistente à pressão A pressão de explosões de pó usualmente situa-se na faixa de 5-12bar(g). Explosão de Alívio Higiene Industrial Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide24

25 Isolamento de Explosões -I Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide25

26 Isolamento de Explosões -II Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide26

27 Isolamento de Explosões -III Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide27

28 Equipamentos resistentes a pressão Explosão de alívio Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide28

29 Dimensionamento de venting O dimensionamento de vent depende de: Volume do sistema Resistência das paredes do sistema Resistência da cobertura do vent Taxa de queima de nuvens de pó Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide29

30 Dimensionamento de vent (Prática) Max taxa of elevação de Pressão (bar/s) Razão de Vent (m -1 ) < / / 4.6 > / 3.1 A razão do vent é a razão entre área do vent e volume do vaso Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide30

31 Dimensionamento de aprox. venting Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide31

32 Perigos do venting O Ejeção de chamas pelas aberturas do venting Emissão de ondas de explosão através da abertura do vent Forças de reação sobre o equipamento, induzido pelo processo de venting Emissão de objetos sólidos (partes do vaso, tampas de vent, etc) O processo de venting em ambientes fechados pode ocasionar explosões secundárias Bolas de fogo podem ser ejetadas. O uso de dutos para vent (dutos de mesma área do vent) pode minimizar alguns dos problemas por fazer com que a explosão ocorra em lugar fechado, mas isso ocupa um grande lugar no espaço e ainda requer que a pressão seja aliviada em algum outro lugar. Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide32

33 Supressão Automática de Explosão Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide33

34 Escolha de uma solução segura O partes fundamentais: A efetividade do sistema de proteção Viabilidade técnica Aceitabilidade ambiental Aceitabilidade econômica A efetividade de um sistema sempre será função do grau de entendimento sobre o processo e a qualidade do projeto do sistema de segurança. Considerações ambientais devem também está na mente do projetista a todo o momento pois não é razoável arriscar um desastre ambiental para economizar algumas centenas de quilo de pó do processo. Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide34

35 Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide35

36 Conclusões Discussão.. Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide36