Atmosferas Explosivas

Objetivo Abordar os aspectos e técnicas associados às instalações em atmosferas potencialmente explosivas.

Instrumentação Industrial Marcação de equipamento para atmosfera potencialmente explosiva

Definições Atmosfera explosiva: área onde existe a possibilidade de explosão devido à mistura de gases, vapores ou ar em determinada quantidade. Área classificada: local aberto ou fechado, onde existe a possibilidade de formação de uma atmosfera explosiva, podendo ser dividida em zonas de diferentes riscos, sem que haja barreira física.

Definições Explosão: Do ponto de vista da química, a oxidação, a combustão e a explosão são reações exotérmicas (Kurski, Bhopal, Guadalajara, Porto Rico) de diferentes velocidades de reação, sendo iniciadas por uma detonação ou ignição. Ignição: é a chama ocasionada por uma onda de choque, que tem sua origem térmica ou elétrica.

Definições Temperatura de auto-ignição: Uma temperatura fixa acima da qual uma mistura inflamável é capaz de extrair energia suficiente do ambiente para entrar em combustão espontaneamente. Ponto de Fulgor: O ponto de fulgor de um líquido é a mínima temperatura em que o líquido se evapora, para formar uma mistura com ar em concentração suficiente para provocar uma ignição, próxima da superfície do líquido. Em inglês, ponto de fulgor é flash point.

Principais pontos de fulgor e temperaturas de ignição de alguns combustíveis ou inflamáveis Combustíveis Inflamáveis Ponto de Fulgor Temperatura de Ignição Álcool etílico Gasolina Querosene Parafina 12,6 C -42,0 C 38,0 C a 73,5 C 199,0 C 371,0 C 257,0 C 254,0 C 245,0 C

Classificação de Áreas Visa agrupar diversas áreas com riscos semelhantes, tornando possível o projeto de equipamentos específicos. Baseia-se no grau de periculosidade da substância combustível e na frequência de formação da atmosfera explosiva. No Brasil, tais normas são padronizadas pela ABNT e internacionalmente pela IEC.

Classificação de Áreas Classe: A classe da área se relaciona com o estado físico da substância inflamável. A classe denota a natureza genérica do material perigoso e está relacionada com a apresentação física do material. São aceitas e definidas três classes distintas: Classe I - locais onde há gases ou vapores na presença com o ar em quantidades suficientes para produzir misturas explosivas e inflamáveis. Refinarias de petróleo, plantas petroquímicas.

Classificação de Áreas Classe II - locais onde o perigo é devido à presença de pó combustível. Siderúrgicas, mineração de carvão e indústrias de artefatos de pneu e nos ensacamentos de pós petroquímicos. Classe III - locais onde estão presentes fibras e partículas sólidas como algodão, rayon, sisal, juta, fibra de côco, serragem de madeira. Indústrias de madeira, barracão de escola de samba.

Classificação de Áreas Grupo: A designação do grupo é mais específica e constitui uma subdivisão da classe. O grupo, associado à classe, é uma especificação de natureza química. O agrupamento dos materiais é usualmente especificado em normas e códigos. As normas americanas diferem levemente das européias.

Classificação de Áreas O NEC (National Electrical Code - EUA) estabelece o seguinte: Classe I : possui os Grupos A, B, C e D. Classe II : possui os Grupos E, F e G. Classe III : não possui grupo associado.

Classificação de Áreas No sistema europeu os grupos são diferentes: Grupo I: minas subterrâneas, onde pode haver gases. Assume-se, na prática que o perigo é causado pelo gás metano. Grupo II: locais de superfície, onde os materiais são indicados pelos sufixos A, B e C. Subdivisões do Grupo II: IIC similar ao NEC Grupo A e B IIB similar ao NEC Grupo C. IIA similar ao NEC Grupo D.

Classificação de Áreas Comparação dos Grupos de Gases Europa (IEC) e EUA (NEC) Gás Típico Grupo (EUA) Grupo (Europa) Metano D I Propano D IIA Etileno C IIB Hidrogênio B IIC Acetileno A IIC

Classificação de Áreas Grupo A ou Grupo IIC (1 gás) Acetileno Grupo B ou Grupo IIC (6 gases) 1. Acrolein (inibido) 2. Butadieno 3. Hidrogênio 4. Gases com >30% de H2 (por volume) 5. Óxido de propileno 6. Óxido de etileno

Classificação de Áreas Grupo C ou Grupo IIB (16 gases) 1. acetaldeido 9. éter dietil 2. álcool alquil 10. etilenimina 3. n-butil-aldeildo 11. etileno 4. ciclopropano 12. monóxido de carbono 5. croto-aldeido 13. morfoline 6. di-etil-amina 14. 2-nitropropano 7. dimetil hidrazine assimétrico 15. sulfeto de hidrogênio 8. epiclorohidrin 16. tetrahidrofuran

Classificação de Áreas Grupo D ou Grupo IIA (44 gases) acido acético (glacial) acetona amônia benzeno butano etano etanol (álcool etílico) éter isopropílico gasolina heptano hexano metano metanol nafta de petróleo propano tolueno

Grupos da Classe II (Pó) Classificação de Áreas Grupo E: Pós metálicos: alumínio, magnésio, titânio e suas ligas metálicas. Grupo F: Pós carbonáceos: carbono coloidal, carvão, negro de fumo, coque. Grupo G: Pós agrícolas: polvilho, fécula, pó de grãos, pós químicos e plásticos.

Classificação de Áreas Na prática, foi estabelecido dividir as áreas perigosas em zonas. Zonas com perigo de explosão são classificadas dependendo da frequência e duração da atmosfera potencialmente explosiva. A zona de uma área expressa a probabilidade relativa do material perigoso estar presente no ar ambiente, formando uma mistura em concentração perigosa e provável de provocar uma explosão ou incêndio.

Classificação de Áreas Gases, vapores e névoas flamáveis Zona 0: Um local em que uma atmosfera explosiva consistindo de uma mistura com ar de substâncias flamáveis na forma de gás, vapor ou névoa está presente continuamente ou por longos períodos ou freqüentemente. ExemplosdeZona0são: 1.interiordeumtanquecheiodegás 2. espaço cheio de vapor dentro de um tanque com líquido volátil.

Classificação de Áreas Gases, vapores e névoas flamáveis Zona 1: Um local em que uma atmosfera explosiva consistindo de uma mistura com ar de substâncias flamáveis na forma de gás, vapor ou névoa é provável de ocorrer em operação normal ocasionalmente. A probabilidade da presença de uma atmosfera perigosa na Zona 1 é relativamente elevada. Exemplos típicos de Zona 1: as áreas de ensacamento e esvaziamento e equipamento de manipulação de pós, dos quais pode ocorrer liberação de produtos em condição normal em quantidade suficiente para produzir uma nuvem de pó inflamável.

Classificação de Áreas Gases, vapores e névoas flamáveis Zona 2: Um local em que uma atmosfera explosiva consistindo de uma mistura com ar de substâncias flamáveis na forma de gás, vapor ou névoa não é provável de ocorrer em operação normal, mas se ocorrer, irá persistir somente por um curto período de tempo. A zona 2 pode ser a área que separa a zona 1 de áreas seguras. A zona 2 é uma área mais segura que a zona 1, porém, é ainda um local perigoso, classificado. A probabilidade de ocorrer condições de perigo é pequena, quando comparada a probabilidade da zona 1, porém não é zero.

Classificação de Áreas

Classificação de Áreas Classificação de área para um tanque de armazenamento de líquido inflamável com ponto de fulgor menor que 32 o C e com teto fixo (Imperial Chemical Industries Ltd, ICI/RoSPA 1972 IS/91).

Pós combustíveis Classificação de Áreas Zona 20: Um local em que uma atmosfera explosiva na forma de uma nuvem de pó combustível no ar está presente continuamente ou por longos períodos ou frequentemente. Zona 21: Um local em que uma atmosfera explosiva na forma de uma nuvem de pó combustível no ar é provável de ocorrer em operação normal ocasionalmente.

Pós combustíveis Classificação de Áreas Zona 22: Um local em que uma atmosfera explosiva na forma de uma nuvem de pó combustível no ar não é provável de ocorrer em operação normal, mas se ocorrer, irá persistir somente por um curto período de tempo.

Classes de Temperatura Classificação de Áreas Há seis classes de temperatura, de T1 a T6. A classe de temperatura T1 tem a temperatura de superfície permissível mais alta e a classe de temperatura T6, a mais baixa. Uma superfície aquecida aumenta o conteúdo da energia de uma mistura potencialmente explosiva em contato com ela. Se a temperatura da superfície é muito alta, este alto conteúdo de energia pode iniciar uma reação explosiva.

Classes de Temperatura Classificação de Áreas Classe de Temperatura T1: Misturas com uma temperatura de ignição de t > 450 o C e uma temperatura de superfície máxima de 450 o C. T1 inclui as substâncias: propano, monóxido de carbono, amônia, acetona, estireno, acido acético, benzeno, metano, tolueno, hidrogênio e gás natural. T1 se relaciona principalmente a trabalhos de gás e a indústria de mina.

Classes de Temperatura Classificação de Áreas Classe de Temperatura T2: Misturas com uma temperatura de ignição de t > 300 o C e uma temperatura de superfície máxima de 300 o C. As principais substâncias cobertas por T2 são: isopentano, acetato de butil, álcool etílico e acetileno, que são usados industrialmente na química de acetileno.

Classes de Temperatura Classificação de Áreas Classe de Temperatura T3: Misturas com uma temperatura de ignição de t > 200 o C e uma temperatura de superfície máxima de 200 o C. T3 cobre benzeno e os derivados correspondentes, que são encontrados principalmente na indústria petroquímica.

Classes de Temperatura Classificação de Áreas Classe de Temperatura T4: Misturas com uma temperatura de ignição de t > 135 o C e uma temperatura de superfície máxima de 135 o C. T4 inclui principalmente éter etílico e acetaldeído, que são usados em fabricação de plásticos e solventes.

Classes de Temperatura Classificação de Áreas Classe de Temperatura T5: Misturas com uma temperatura de ignição de t > 100 o C e uma temperatura de superfície máxima de 100 o C. A importância prática de T5 é principalmente na fabricação de fibras têxteis.

Classes de Temperatura Classificação de Áreas Classe de Temperatura T6: Misturas com uma temperatura de ignição de t > 85 o C e uma temperatura de superfície máxima de 85 o C. Esta classe de temperatura é de importância prática principalmente nas envolvendo o uso de bissulfeto de carbono e etil nitrito.

Classificação de Áreas Classificação de Máxima Temperatura de Superfície de Equipamento Grupo II Classe de Temperatura Máxima temperatura admissível da superfície dos equipamentos, o C Temperatura de ignição de substâncias inflamáveis, o C T1 450 >450 T2 300 300 a 450 T3 200 200 a 300 T4 135 135 a 200 T5 100 100 a 135 T6 85 85 a 100

Gás GRUPO C. TEMP. T. IGNIÇÃO (ºC) Amônia IIA T1 630 Anilina IIA T1 617 Butanol IIA T2 340 Nafta IIA T3 290 CO IIB T1 605 Benzeno IIA T1 560 Hidrogênio IIC T1 560 Eteno IIB T2 425 Propano IIA T1 470 Metano I T1 595

Grupos Energia para a ignição (IEC 79-3) I 500 µj IIA 240 µj IIB 110 µj IIC 40 µj

Produto Energia (mj) Acetileno 0,017 Etileno 0,08 Hidrogênio 0,017 Metano 0,30 Propano 0,25

Categorias dos Equipamentos Categoria 1 A categoria 1 compreende o equipamento que é permitido ser usado em Zonas 0 ou 20 (e é também utilizado em Zonas 1, 2 ou 21 e 22). Equipamento Categoria 1 usualmente tem dois tipos de proteção e permanece seguro mesmo se duas falhas independentes entre si ocorrerem.

Categorias dos Equipamentos Categoria 2 A categoria 2 compreende o equipamento que é permitido ser usado em Zonas 1 ou 21 (e é também utilizado em Zonas 2 ou 22). Equipamento Categoria 2 permanece seguro mesmo se ocorrerem distúrbios ou falhas no equipamento.

Categorias dos Equipamentos Categoria 3 Categoria 3 compreende o equipamento que é permitido ser usado em Zonas 2 ou 22 apenas. Equipamento Categoria 3 fornece o nível de requisito de segurança durante a operação normal. Distúrbios e falhas de equipamento não são considerados na categoria 3.

Métodos de Proteção Triângulo do Fogo

Métodos de Proteção Existem vários métodos de proteção que são baseados em um desses princípios: Confinamento: evita a detonação da atmosfera, confinando a explosão em um compartimento capaz de resistir a pressão envolvida no processo, não permitindo a propagação para superfícies vizinhas (ex: equipamentos à prova de explosão). Segregação: é a técnica que visa separar fisicamente a atmosfera potencialmente explosiva da fonte de ignição (ex: equipamentos pressurizados, imersos e encapsulados). Prevenção: Controla-se a fonte de ignição de forma a não possuir energia elétrica e térmica suficiente para detonar a atmosfera explosiva.

À Prova de Explosão (Ex d) Baseado totalmente no conceito de confinamento. Deve possuir um invólucro resistente, normalmente alumínio ou ferro fundido. Dever possuir também um interstício estreito e longo para que os gases quentes desenvolvidos durante um possível explosão possam ser resfriados. Caso haja a necessidade de haver cabos elétricos, esses devem ser envoltos por eletrodutos metálicos, e devem haver unidades seladoras para evitar propagação de chamas

À Prova de Explosão (Ex d)

Pressurizado (Ex p) Baseado no princípio da segregação. A atmosfera explosiva é impedida de entrar no invólucro devido à presença de um gás de proteção (ar ou inerte) que é mantido numa pressão levemente maior que a da atmosfera externa. É recomendado o uso de dispositivos auxiliares de detecção de nível de pressão interno para não afetar o funcionamento do equipamento.

Pressurizado (Ex p) Pode ser aplicado para painéis elétricos em geral, principalmente quando as salas de controle ficam próximas à atmosferas explosivas. Desta forma o gás inerte deve ser mantido em quantidade tal que a concentração da mistura nunca alcance 25 % do limite inferior da explosividade do gás gerado.

Pressurizado (Ex p)

Gás Inerte: Um gás inerte é qualquer um dos gases que não é reativo em circunstâncias normais. É um gás que não participa da reação como, por exemplo, os gases nobres.

Gás Inerte O nitrogênio (N2) é um gás inerte que existe em maior quantidade na atmosfera 78% no ar ambiente. Ser inerte significa que ele não participa nas reações de obtenção de energia (papel do oxigênio). Os gases inertes são aplicados às bebidas de uma forma geral, seja como ingrediente de sua formulação, como é o caso do gás carbônico (CO 2 ) utilizado na carbonatação de bebidas ou como uma atmosfera protetora nas diversas etapas do processamento.

Gás Inerte Lago Nyos, o lago mais mortal do mundo, calcula-se em 90 milhões de toneladas a quantidade média de CO 2. Tubos para exaustão do gás.

Encapsulado (Ex m) Baseado no princípio de segração. Envolve os componentes elétricos com uma resina de forma que a atmosfera explosiva externa não seja inflamada. Não permite manutenção corretiva dos componentes. Aplicação em: reed relé, botoeiras, sensores de proximidade e obrigatoriamente nas barreiras zener.

Encapsulado (Ex m)

Imersão em Óleo (Ex o) Baseado no princípio da segregação. Envolve as partes vivas do circuito em um invólucro com óleo. Normalmente utilizado em grandes transformadores e disjuntores.

Enchimento de Areia (Ex q) Baseado no princípio da segregação, onde ocorre um preenchimento de um invólucro com pó de quartz ou areia evitando o inflamar da chama, normalmente utilizada em proteção de cabos que passam atráves de pisos.

Enchimento de Areia (Ex q)

Segurança Aumentada (Ex e) Este método de proteção baseia-se nos conceitos de supressão da fonte de ignição, aplicável que em condições normais de operação, não produza arcos, faíscas ou superfícies quentes que podem causar a ignição da atmosfera explosiva para a qual ele foi projetado. Esta técnica pode ser aplicada a motores de indução, luminárias, solenóides, botões de comando, terminais e blocos de conexão e principalmente em conjunto com outros tipos de proteção. A normas técnicas prevêem grande flexibilidade para os equipamentos de Segurança Aumentada, pois permitem sua instalação em Zonas 1 e 2, onde todos os cabos podem ser conectados aos equipamentos através de prensa-cabos, não necessitando mais dos eletrodutos metálicos e suas unidades seladoras.

Segurança Aumentada (Ex e)

Não Ascendível (Ex n) Este método de proteção, de origem alemã, não está coberto por nenhuma norma técnica e foi desenvolvido para permitir a certificação de equipamentos que não sigam nenhum método de proteção, e possam ser considerados seguros para a instalação em áreas classificadas, por meios de testes e análises do projeto, visando não limitar a inventividade humana.

Não Ascendível (Ex n) Também baseado nos conceitos de supressão da fonte de ignição, os equipamentos não ascendíveis são similares aos de Segurança Aumentada. Este método os equipamentos não possui energia suficiente para provocar a detonação da atmosfera explosiva, como os de Segurança Intrínseca, mas não prevêem nenhuma condição de falha ou defeito. Sua utilização será restrita à Zona 2, onde existe pouca probabilidade de formação da atmosfera potencialmente explosiva, o que pode parecer um fator limitante, mas se observar que a maior parte dos equipamentos elétricos estão localizados nesta zona, pode-se tornar muito interessante. Um exemplo importante dos equipamentos não ascendíveis são os multiplex, instalados na Zona 2, que manipulam sinais das Zonas 1 e os transmite para a sala de controle, com uma combinação perfeita para a Segurança Intrínseca, tornando a solução mais simples e econômica.

Não Ascendível (Ex n)

Aplicação dos Métodos de Proteção

Segurança Intrínseca (Ex i) A Segurança Intrínseca é o método representativo do conceito de prevenção da ignição, através da limitação da energia elétrica. O princípio de funcionamento baseia-se em manipular e estocar baixa energia elétrica, que deve ser incapaz de provocar a detonação da atmosfera explosiva, quer por efeito térmico ou por faíscas elétricas. Em geral pode ser aplicado a vários equipamentos e sistemas de instrumentação, pois a energia elétrica só pode ser controlada a baixos níveis em instrumentos, tais como: transmissores eletrônicos de corrente, conversores eletropneumáticos, chaves-fim-de-curso, sinaleiros luminosos, etc.

A Técnica da Segurança Intrínseca Energia de ignição: Toda a mistura possui uma energia mínima de ignição, sendo que abaixo deste valor tornase impossível a detonação, isto em função da quantidade de combustível em relação a quantidade de ar. Os circuitos de segurança intrínseca sempre manipulam e armazenam energia abaixo deste limite.

A Técnica da Segurança Intrínseca O ponto que requer menor energia para provocar a detonação é chamado de MIE (Minimum Ignition Energie), sendo também o ponto onde a explosão desenvolve maior pressão, ou seja a explosão é maior. Fora do ponto de menor energia MIE, a mistura necessita de maiores quantidades de energia para provocar a ignição, ou seja: a energia de ignição é função da concentração da mistura. As concentrações abaixo do limite mínimo de explosividade LEL (Lower Explosive Limit) não ocorre mais a explosão pois a mistura está muito pobre ou seja muito oxigênio para pouco combustível. Analogamente quando a concentração aumenta muito, acima do limite máximo de explosividade UEL (Upper Explosive Limit), também não ocorre mais a explosão devido ao excesso de combustível, mistura muito rico.

A Técnica da Segurança Intrínseca

Limites de Inflamabilidade dos Gases Gás Limite Inferior Limite Superior Hidrogênio 4% 75,6% Monóxido de Carbono 12,5% 74% Metano 5% 15% Propano 2,1% 9,5% Butano 1,5% 8,5% Acetileno 2,4% 83%

Limitadores de Energia Para uma instalação ser executada com proteção intrínseca, temos que interfacear o elemento de campo com o instrumento de controle, através de um limitador de energia.

Limitadores de Energia São empregadas alguma técnicas para limitar os efeitos da energia elétrica atuante no circuito em questão. Limitador de Corrente

Limitador de Tensão Limitadores de Energia

Limitadores de Energia Cálculo da potência: considerando as tensões com que se quer trabalhar, dimensiona-se uma potência que evita a detonação controlando a energia manipulada. Armazenamento de energia: dependendo do sinal e do circuito utilizados e também do comprimento de cabos, podem surgir efeitos de armazenamento de energia (capacitivo/indutivo). O dimensionamento do limitador deve levar em conta isso.

Limitadores de Energia

Categorias de Proteção: Os equipamentos intrinsecamente seguros são classificados em duas categorias: Categoria ia Esta categoria é mais rigorosa e prevê que o equipamento possa sofrer até dois defeitos consecutivos e simultâneos, visando a incapacidade de provocar a ignição. Motivo pelo qual se assegura a utilização desses equipamentos até nas zonas de risco prolongados (Zona 0). Categoria ib A categoria é menos rigorosa, possibilitando a instalação dos equipamentos apenas nas Zonas 1 e 2 devendo assim assegurar a incapacidade de provocar a detonação da atmosfera quando houver um defeito no circuito.

Aterramento: Visando ainda eliminar a possibilidade de ignição, o circuito deve estar apto a desviar as sobretensões perigosas capazes de provocar uma centelha elétrica na área classificada.

Aterramento: Um sistema de aterramento com alta integridade deve ser utilizado para conexão do circuito limitador de energia, como único circuito capaz de desviar a corrente gerada por uma sobretensão em relação ao potencial da terra. As normas técnicas recomendam que o sistema de aterramento íntegro deve possuir impedância menor que 1Ω, para garantir a eficácia do circuito.

Isolação Galvânica: Técnica que dispensa a conexão do limitador de energia ao sistema de aterramento, através da inclusão de proteções contra falhas.

Análise das Marcações

IP (X) (Y) Nível de Proteção contra poeira 0: não protegido 1: proteção contra partículas de Ø >= 50mm 2: proteção contra partículas de Ø >= 12.5mm 3 : proteção contra partículas de Ø >= 2.5mm Proteção contra água 0: não protegido 1: proteção contra gotas d água 2: proteção contra pingos d água à 15 3: proteção contra sprays de água 4: proteção contra esguicho d água 4: proteção contra partículas de Ø >= 1mm 5: proteção contra jatos d água 5: proteção contra poeira 6: proteção contra fortes jatos d água 6: selado contra poeira 7: proteção contra submersão temporária 8: proteção contra submersão contínua