Fogo e explosões. EBI Cristina Fernandes, Combustível. Fogo. Energia de Activação. Oxigénio. 4º vértice: reacção em cadeia

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1 Fogo e explosões Combustível Fogo Combustão hidrocarbonetos Energia de Activação Oxigénio 4º vértice: reacção em cadeia Combustão sem chama (aterro) Combustão poeiras 1

2 Combustível plásticos; aparas de madeira; gasolina; acetona; éter; pentano acetileno; propano; monóxido de carbono; hidrogénio Comburente peróxidos metálicos; nitrato de amónio peróxido de oxigénio; acido nítrico; oxigénio; cloro Fonte de ignição Chamas; calor directo; Electricidade estática (%Hr<60%, países secos); Faíscas (origem mecânica/veículos) Operações de manutenção (soldadura/corte) Equipamento eléctrico 2

3 Definições Temperatura de Inflamação (flash point): Temperatura para a qual a tensão de vapor do líquido se torna suficientemente elevada de modo a que os vapores emitidos formem com o ar uma mistura inflamável, mas insuficiente para que a combustão prossiga sem fonte de ignição. Vaso aberto: Acetato de butilo (32 ºC;); n-propanol (29 ºC); Tolueno (7ºC) A adição de substâncias voláteis tem um efeito significativo: Etileno glicol (111 ºC) Etileno glicol + 2% acetaldeído (29 ºC) Sprays podem ser inflamáveis bastante abaixo da T inflamação Temperatura de combustão (fire point): Temperatura para a qual a mistura de ar com os vapores emitidos pelo líquido após a inflamação mantem a combustão. 3

4 Definições Temperatura de auto-inflamação (auto-ignition): Temperatura mínima a que um material (sólido, líquido ou gasoso) se autoinflama, (sofre inflamação espontânea), sem fonte de ignição exterior. Depende da concentração, tamanho do recipiente Dietil éter (82 ºC); CH 4 (537 ºC) Pentano em ar CS 2 Composto C / V 1.50% 3.75% 7.65% 200 ml 1000 ml ml AIT 548 ºC 502 C 476 C 120 C 110 C 96 C [1] 4

5 Combustível Gasolina Gasóleo Álcool Butano Benzeno Éter Temperatura de Inflamação - 40 º C 90 ºC 13 ºC - 60 ºC - 12 ºC - 45 ºC Temperatura de Ignição 277 º C 330 º C 370 º C 430 º C 538 º C 170 º C 5

6 Definições Limite inferior/superior de inflamabilidade LII e LSI (LFL/UFL) Limite de explosividade (LEL e UEL) Concentração mínima/máxima no ar abaixo/acima da qual a propagação da chama resultante do contacto com a fonte de ignição não acontece. Vapores e gases: % volumétricas Poeiras: % mássicas 6

7 Limites de inflamabilidade Combustível Limite inferior Limite superior % % Hidrogénio Metano Etano Propano Alcanos Butano LFL = 0,55 Cst Etileno CO Gasolina Limites à Patm e numa mistura com ar Metano c/ O 2 (5.1% 61%) 7

8 Estimativa de LII e LSI de HC (alcanos): LII = 0,55. Cst LSI = 3,50. Cst Cst - % volumétrica do combustível na mistura total (quantidade estequimétrica) MOC / LOC (%vol de O 2 ) Minimum / Limiting oxigen concentration (1) Fuel + (z) O 2 Produtos 8

9 Limites de inflamabilidade Dependência de LII e LSI com a temperatura: LII T = LII 25. [1-0,75. (T-25) / Hc] LSI T = LSI 25. [1 + 0,75. (T-25) / Hc] Hc calor de combustão, kcal/mol; T temperatura, ºC L E L, % 9

10 Limites de inflamabilidade Dependência de LII e LSI com a pressão: LII - A pressão tem um efeito reduzido no LII, excepto a pressões muito baixas (< 50 mmhg, onde as chamas não se propagam) LSI P = LSI 1 atm + 20,6 x (log P (MPa) + 1) Limites para misturas de vapores: LII mis = 1/[Σ (y i /(LII) i ] LSI mis = 1/[Σ (y i /(LSI) i ] Σ de 1 a n (n - número de componentes combustíveis); yi fracção molar do combustível i na mistura combustível! 10

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12 Energia mínima de ignição (MIE) MIE (qt. Mínima à Cst) depende da mistura, da concentração, da pressão e da temperatura MIE qd. P e T MIE poeiras é da mesma ordem de grandeza MIE gases combustíveis C N2 MIE Muitos hidrocarbonetos têm MIE de cerca de 0,25 mj Metano: 0,29 mj; Propano: 0,26 mj; Limalha de ferro: 0,12 mj; pó de farinha: 0,30 mj Descarga de electricidade estática 22mJ, faíscas 25 mj 12

13 Danos humanos Os fumos e gases tóxicos são a principal causa de danos humanos. Os principais gases libertados durante uma combustão são: CO (mais leve que o ar, tóxico e combustível); CO 2 (mais pesado que o ar, asfixiante); H 2 S (afecta o sistema nervoso, provocando tonturas e dores no aparelho respiratório); NO 2 (muito tóxico, provoca paralisação da garganta). Efeitos fisiológicos de gases tóxicos em ppm Gás Perigoso dentro Mortal Imediatamente de meia a uma hora em meia hora mortal Ácido Cianidríco -HCN /270 Ácido Cloridíco -HCl 1000/ /2000 Ácido Fluoridríco -HF 50/ Ácido Sulfidríco -H2S Ácido Sulfuroso -SO /600 Amoniaco - NH /500 Cloro - Cl2 40/ Dioxido de Carbono - CO2 (a) 3500/ /7000 Fosgénio - COCl Monóxido de Carbono - CO 1500/ Vapores nitrosos - NO/NO2 100/ / a)gás asfixiante

14 Classes de Fogos Classe A - combustão de materiais sólidos (Madeira, tecidos, borracha). Classe B - combustão de materiais líquidos (Gasolina, álcool, óleo). Classe C - combustão de gases (Butano, propano, acetileno). Classe D - combustão de metais (Na, K, Mg) Classes de Materiais M0 - Materiais não combustíveis (pedra, cimento, cerâmica) M1 - Materiais não inflamáveis (tinta) M2 - Materiais dificilmente inflamáveis (materiais ignifugos) M3 - Materiais moderadamente inflamáveis (tacos de madeira) M4 - Materiais facilmente inflamáveis ( 14

15 Métodos de extinção Supressão do combustível - retirando a matéria combustível; Abafamento - impedindo o contacto do oxigénio com o combustível; Arrefecimento - fazendo baixar a temperatura do combustível; Inibição - intervir na Reacção em Cadeia (pós químicos). 15

16 SEGURANÇA PASSIVA Soluções intrínsecas de modo a assegurar uma melhor segurança contra o risco de incêndio ( compartimentação, a localização das vias de evacuação, equipamentos, escolha de operações unitárias). SEGURANÇA ACTIVA Equipamentos, automáticos ou não, para proteger e limitar um possível incêndio. Extintores portáteis Bocas de incêndio (instaladas no exterior dos edifícios que servem exclusivamente para o abastecimento das viaturas de bombeiros; instaladas no interior dos edifícios a serem usadas preferencialmente pelos funcionários (1º intervenção) e as que são instaladas nas colunas secas, para facilitar a intervenção dos bombeiros). Sistema automático de detecção de incêndio (SADI), o incêndio, é automaticamente detectado, através de fumos, chama ou calor e faz disparar um alarme. Muitas das vezes estes sistemas estão ligados directamente ao corpo de bombeiros local, sem ser necessária a presença humana. Sistemas automáticos de extinção de incêndio, sendo os mais comum através de água, conhecidos por sistemas Sprinklers. Estes sistemas podem ser também de pó ou de dióxido de carbono. 16

17 2) Explosão A explosão resulta da libertação rápida e não controlável de uma dada quantidade de energia. Química - devido a uma reacção química exotérmica Mecânica - aumento de pressão, energia térmica, tensão em metais, energia eléctrica. A violência da explosão depende da velocidade com que a energia é libertada (pneu rebentado ou esvaziado lentamente) 17

18 Explosões mecânicas / química Explosões mecânicas Ruptura de um contentor contendo um gás inerte a alta pressão Expansão isentrópica W e - energia da explosão P pressão absoluta do gás γ cp/cv W e V 1 volume do contentor 2 1 PV γ 1 P = = Pdv P 2 1 γ 1 γ A energia explosiva de 1m 3 de ar (γ = 1,4) a 100 bar é equivalente a 3,9 kg de TNT testes de pressão com líquidos, tem menor energia!!! Explosões químicas A variação da energia livre de Helmholtz ou por aproximação o H o R 18

19 Gases reagidos Direcção da propagação Gases não reagidos Zona da reacção Libertação de energia Variação do nº de moles Onda de pressão Gases comprimidos e aquecidos A frente da reacção move-se a v < vsom A onda de pressão move-se à frente a v = vsom A frente da reacção move-se a v > vsom A onda de pressão move-se muito ligeiramente à frente a v > vsom 19

20 Deflagração Velocidade (H 2 : ~3ms -1 ; Propano: ~0.5ms -1 ; pico de pressão ~8 atm) Detonação Velocidade (H 2 : ~1900ms -1 (18.2% - 59%) c/ ar, 2840ms -1 c/ O 2 (15% - 90%); pico de pressão ~20 atm) Maiores energias de ignição (~9x deflagrações) 20

21 Explosão de gases/vapores e poeiras dp dt Gases e Vapores Pressão máxima de explosão (pmax ) Velocidade máxima de aumento de pressão (dp/dt)max max 3 V = K G ( 1 bar m s ) K G índice de deflagração para gases Valores médios de K G Metano: 55 bar m /s; Hidrogénio: 550 bar m/s dp dt Poeiras max 3 V = K St ( 1 bar m s ) [1] K St índice de deflagração para poeiras 21

22 Tipos de Explosão: As explosões podem ocorrer em situações diferentes: Explosões confinadas - tanques, edifícios, condutas (deflagração ou detonação). Explosões não confinadas - ocorrem em espaço aberto. VCE (vapour cloud explosion) - inflamáveis. origem em fugas de líquidos BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion) libertação de uma elevada quantidade de líquido sobreaquecido depois da ruptura do contentor 22

23 VCE, Vapor Cloud Explosions Libertação rápida de grandes quantidades de vapor. Dispersão da nuvem e mistura com o ar. Ignição da nuvem pode dar-se a alguma distância da fonte. Pouco provável para quantidades de vapor < 5 ton Desastre de Flixborough, UK, 1974 Cerca de 10 a 20 ton de ciclohexano formaram uma nuvem de vapor contendo gotas de líquido que foi inflamada por uma fonte desconhecida 45 s depois. 28 mortes + 36 feridos; 10 dias para extinguir o incêndio. (Evitar gases liquefeitos; líquidos sobreaquecidos; minimizar o inventário; detectores e válvulas de isolamento.) 23

24 BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion) Fenómeno físico resultante da ruptura súbita de um tanque e consequente libertação de um líquido com uma temperatura superior à sua temperatura de ebulição à pressão atmosférica. A queda brusca de pressão dá origem à súbita vaporização da fracção líquida. Efeitos: onda de pressão bola de fogo (diâmetro; radiação; duração); explosão de nuvem de vapor mísseis (fragmentos). Desastre de Feyzin, França, 1966 Tanque de GPL (11 bar à Tambiente) Operador tenta drenar a água na base do tanque; válvula bloqueia com cristais. Libertação de propano, flash do líquido. Forma-se uma piscina à roda do tanque. A nuvem chega às estradas, ignição e retorno à piscina Bombeiros concentram-se em arrefecer outros tanques 1,5 horas depois: BLEVE 18 mortes (bombeiros). 24

25 Modelo simples TNT Onda de pressão produz maiores danos devido ao impacto na estrutura O dano é também função da velocidade de aumento de pressão e da duração. Ensaios experimentais demonstraram que a sobrepressão pode ser estimada usando uma massa equivalente de TNT, m TNT e usando uma distância r como a distância ao ponto da explosão. Ze = r / (m TNT ) 1/3 gráfico Ze (parâmetro) sobrepressão Válida para explosões tipo TNT! 25

26 Cálculo m TNT m TNT = η me E TNT c m TNT : massa equivalente de TNT η: eficiência da explosão η 1 explosões confinadas; η 0,02 e 0,1 para não confinadas m: massa de combustível E c : entalpia de combustão E TNT : calor de combustão do TNT (1120 cal/g) 26

27 1) Com m TNT e r Ze Ze = r / (m TNT ) 1/3 2) Com Ze DP (através do gráfico) 3) Com DP estima-se o dano (tabelas ou equações probit) O que favorece o aumento P: Confinamento (evita o escape, aumenta a turbulência) Composição da nuvem de vapor (moléculas insaturadas etileno baixa energia de ignição e elevadas velocidades da frente de chama) Condições atmosféricas (estáveis, V vento pequenas) 27

28 Danos devidos à sobrepressão, [2] 28

29 A aplicação deste modelo não é correcta porque: A curva de sobrepressão foi desenvolvida para a detonação do TNT, e os vapores inflamáveis explodem como uma deflagração. Este método aplicado a explosões de vapor, prevê P menores a largas distâncias e maiores junto da origem da explosão. detonação deflagração 29

30 Desenvolvimento de E estática Líquidos com baixa condutividade 10-9 a 10-6 amps Efeitos importantes: Bombagem de líquidos de baixa condutividade (Gasolina, nafta, benzeno,..) através de condutas, filtros, etc; Enchimento dos tanques Mistura e decantação de líquidos Limpezas com vapor húmido; Corpo humano 30

31 Controle da E estática Reduzir caudais Aumentar a frequência de relaxação Aumentar a secção das tubagens, antes dos tanques (reduzir a velocidade) Evitar splash Aditivos anti estáticos (aumentar a condutividade do líquido) Minimizar a quantidade de gotas e água (aumenta 50x a carga estática óleo com água) Ligação metálica entre equipamentos Usar ligação à terra Inertização 31