EXPLOSÕES
Eng. Mecânica Rosiane Albuquerque
Laboratório de Segurança ao Fogo /explosão do IPT (2010 - atual);
Nestlé – Brasil - Auditoria Refrigeração de Amônia (2006 – 2008)
• Introdução: Explosão
Conteúdo
 Classificações e Tipos
• A explosão de nuvem de pós
 Condições e locais de risco
 Fatores
• Influência de Fatores
 Granulometria
 Concentração
 Experimentação
• Prevenção
• Proteção
• Estudo de caso
2
FOGO - Definição
• FOGO é um processo químico de transformação.
Podemos também defini-lo como o resultado de
uma reação química que desprende luz e calor
devido à combustão de materiais diversos.
"O Incêndio Começa Onde A Prevenção Falha"
INCÊNDIO é toda e qualquer destruição
ocasionada pelo fogo, que se processar fora do
desejo e controle humano, com prejuízos
consideráveis e não previstos.
3
TRIÂNGULO DO FOGO
• COMBUSTIVEIS:
– LÍQUIDOS
• OXIDANTES:
– LÍQUIDOS
– GASES
• Gasolina
• Oxigênio, Flúor
• Peróxido de
hidrogenio
– SÓLIDOS
• Plásticos, pó de
madeira
– SÓLIDOS
– Gases
• Peróxidos
metalicos
• Acetileno, Propano
•
IGNIÇÃO
•
Faíscas, chamas,
eletricidade estática
4
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!
5
Classificação - Explosões
EXPLOSÃO =
A EXPLOSÃO é um evento onde ocorre uma
violenta liberação de energia associada a uma
expansão muito rápida de gás.
EXPLOSÃO FÍSICA
EXPLOSÃO QUÍMICA
HOMOGÊNEO
Explosão
Térmica
HETEROGÊNIO
Detonação
(Onda de
choque)
Deflagração
6
Classificação - Explosões
EXPLOSÃO ELÉTRICA É decorrente da explosão de um
arco entre dois pontos ou da
volatização brusca de um fio
atravessado por uma corrente
elétrica.
É decorrente de processos de
EXPLOSÃO NUCLEAR fissão e de fusão nucleares.
Ex. Artefatos nucleares e
reatores nucleares.
7
Classificação - Explosões
• 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!
8
Diferença entre
Detonação e Deflagração
Nota: u = velocidade relativa do gás à onda estacionária, c = velocidade do som, p =
pressão do gás, T = temperatura do gás, ρ= massa específica do gás.
Índice 1 denota gás não queimado e 2 denota gás queimado.
9
EXPLOSÃO DE PÓ
(DUST EXPLOSION)
10
Esses materiais são explosivos???
11
EXPLOSÕES DE PÓ
IMPORTANTE CONCEITO
• Pós = Partículas sólidas
passiveis de ficar em
suspensão no ar
(NFPA: Pó D < 420µ)
• Poeiras inflamáveis = Sólido
combustível finamente
dividido
D < 100µ
1 . Orgânicas
2 . Metais
12
Tamanho de partículas
Materiais Comuns
Sal
Acúcar branco
granulado
Areia
Talco, Pó (baby)
Esporos de mofo
Cabelo humano
Fluor
Tamanho (microns)
100
450 - 600
50+
10
10 – 30
40 - 300
1 - 100
Source: OSHA y Filtercorp International Ltd.
13
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 420µm.
 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.
14
Condições: A Explosão de Pós
•
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.
15
Locais de Risco: A Explosão de Pós
 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...
Figura : Acúmulo de pó em motor elétrico
16
Imperial Sugar Company
February 7, 2008
•Port Wentworth, Georgia
•14 deaths and numerous
injured persons
•A spark started the fire
and explosion of the sugar
cloud
VÍDEO:
17
Fatores: Explosão de nuvens de pós:
ESPAÇO CONFINADO
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
5) Oxigênio
(equipmentos, prédios)
IGNIÇÃO
DISPERSÃO
OXIGÊNIO
Combustivel
(pó)
18
DISPERSÃO
É o efeito de mover a nuvem
de pó a partir de um lugar
para outro, mesmo que seja
por processos mecânicos
(transporte, a ventilação, a
vibração, limpeza imprópria)
ou como o resultado de uma
explosão primária
19
CONFINAMENTO
Evento quando o fogo ocorre
em um espaço confinado,
onde a rápida mudança na
temperatura provoca uma
rápida variação de pressão.
Esta mudança na pressão, ou
onda de choque pode ser
mais ou menos destrutiva,
dependendo da magnitude da
explosão e como a estrutura é
fechada
20
DEFLAGRAÇÃO
Na deflagração os avanços de
chama como o material é consumido
a criação de uma frente de fogo, com
as mudanças de pressão
DETONAÇÃO
• Os avanços de
combustão de
velocidade mais rápida
do que a velocidade do
som gera um
acontecimento sonoro.
Dificulde para
controlar uma vez que
tenha começado
MINIMA CONCENTRAÇÃO-EXPLOSAO
O montante mínimo de poeira suspensa no ar que
irá apoiar deflagração.
25 watts
2 METROS
A concentração de poeira
combustível em suspensão no ar>
MEC
Source: Course 7120 OSHA Training Center
23
Explosão 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.
24
Explosão de nuvens de pós:
Resultado da combinação desses fatores:
- Fogo
- Dispersão de material particulado sólido
- Num espaço mais ou menos fechado
EXPLOSÃO
Fogo
+
Dispersão
+
confinamento
=
Influência dos Fatores : Explosão de Pó
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Volume
Geometria do Vaso
Ponto de ignição
Tipos de Ignição
Concentração
Turbulência
Velocidade de queda da partícula
Granulometria
Temperatura
Pressão
26
GRANULOMETRIA: Explosão de Pó
27
28
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)
29
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
30
Descargas Eletrostáticas
31
Influência dos Fatores : Explosão de Pó
Fontes de Ignição: Exemplos
Faísca de Fricção 2.8%
Calor por
Contato 2.8%
Frição por
Choque 3.2%
Soldagem 17.2%
MOINHO
Outros 3.6%
Falhas
Elétricas
4%
Trabalho
com
Metais 4%
Fogo além de
Soldagem 4%
32
Tipos : Explosões - RISCOS
Tipo de explosão
SI
GE
IE
<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
>5,0
>2,0
>10
Fraca
Muito forte
SI: Sensibilidade de Ignição
GE: Gravidade de explosão
IE: Índice de explosividade
Fonte: Fire Protection Handbook
33
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)
34
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.
35
Explosão de pós – Materiais
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.
36
Calor de Combustão
Substância
Produto da Oxidação KJ/mole O2
Ca
CaO
1270
Mg
MgO
1240
Al
Al2O3
1100
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.
37
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 50-100g/m3 e a máxima é de 2-3kg/m3.
Limites
dependem
da substância
e tamanho
das partículas
38
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.
39
Ilustração: Explosão primária e Secundária
U. S. Department of Labor
Occupational Safety and Health Administration
Directorate of Standards and Guidance
Office of Safety Systems
Atenção à eliminação completa das poeiras dos edifícios
que compõem a planta industrial
40
EXPLOSÃO PRIMÁRIA
Coletor de pó
41
Fuente: Curso 7120 OSHA Training Center
EXPLOSÃO SECUNDÁRIA
1. O pó acumulado na superfície
2. O Evento de poeira disrpersa cria uma nuvem
3. A nuvem inflama e explode
Coletor de pó
Expansao
da onda
EXPLOSÃO SECUNDÁRIA
Fuente: Curso 7120 OSHA Training Center
Pó acumulado
43
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.
44
Separador Magnético
Saltador
Posição de operação
magnetica
Fuente: Curso 7120 OSHA Training Center
45
Proteção – Explosão de Pó
 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
46
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.
47
TESTE EM ESFERA DE 20L
INDICE DE EXPLOSÃO: Pmax,Kst
LIMITE DE EXPLOSIVIDADE
CONCENTRAÇÃO DE OXIGENIO
EXPLOSIVIDADE
48
Índice Kst - Explosões de Pós
O teste em esfera foi concebido para
medir a força da explosão através
do parâmetro Kst, que é uma taxa
normalizada do aumento da pressão
ou característica específica do
produto. Este parâmetro é
correlacionado com (dP/dt)max através
do que conhecemos por Lei cúbica:
(dP/dt)max . V¹/³=Kst
Onde V é o volume do vaso.
Kst é um índice usado para
classificar a explosão gravidade de
um pó combustível.
49
POEIRAS INFLAMÁVEIS
CLASSIFICAÇÃO:
CLASSIFICAÇÃO – EXPLOSAO DE PÓ
Kmax [m.bar/s]
St 1
> 0 - 200
St 2
201 - 300
St 3
> 300
ST0
Não explosivas
ST1 K ST less than 200 ST1 K ST inferior a 200
Explosão lento, mas estes ainda podem ser
muito destrutivos - 80% das poeiras
inflamáveis ​cair neste grupo
ST2 200<K ST =<300 ST2 200 <K = ST <300
Explosão velocidade média
ST3 K ST >300 ST3 K ST> 300
Explosão velocidade muito alta, este grupo
inclui principalmente poeiras de metal
50
Pmax- Explosões de Pós
A explosão de teste índices segue BS EN 14034-1:2004 (determinação do
Pmax máxima de explosão pressão de nuvens de poeira) e BS EN 140342:2006 (determinação da taxa máxima de aumento da pressão de explosão
Kst nuvens de poeira).
51
RESULTADOS DE TESTES: Pmax , Kmax
Teste de explosão para Kst valor
e Pmax é essencial para validar
projeto de proteção (explosão
de ventilação, supressão de
explosão e contenção de
explosão).
52
LIMITES DE EXPLOSIVIDADE
O Limite Inferior
de Explosividade (LIE)
0
O Limite Superior
de Explosividade (LSE).
100
% DE GÁS DE VAPOR NA
MISTURA COM O AR
Notas do inglês:
L.E.L = Lower Explosion Limit
U.E.L. = Upper Explosion Limit
53
LIMITES DE EXPLOSIVIDADE
As partículas de pó, em
contato com fontes de
ignição, podem
apresentar condições
tanto
para iniciar incêndios
(quando acumuladas em
camadas)
quanto
para iniciar explosões
54
LIMITES DE EXPLOSIVIDADE
INFLUÊNCIAS:
• PORCENTAGEM DE OXIGÊNIO
• ENERGIA DE IGNIÇÃO
• PRESSÃO
O LIE INDEPENDE DESTE
VALOR, PORÉM O LSE É
MUITO DEPENDENTE
DELE.
SÃO VALORES EXPERIMENTAIS.
AUMENTA O LSE
NÃO ALTERA O LIE MAS, TEM
GRANDE INTERFERÊNCIA NO LSE.
• TEMPERATURA
• UMIDADE RELATIVA
FAVORECE A REAÇÃO DE
COMBUSTÃO. A TEMPERATURA É
LINEAR EM RELAÇÃO A T INICIAL
MISTURAS SECAS A FAIXA AUMENTA
55
LIMITES DE EXPLOSIVIDADE
56
LIMITES DE EXPLOSIVIDADE
PRODUTO
LIE (% VOL)
LSE (%VOL)
ETILENO
2,7
34
METANO
4,6
14,2
CO
12,5
74
METANOL
6,4
37
PROPANO
2,4
8,5
HIDROGÊNIO
4,0
76
Nota: Para a maioria dos pós industriais o LIE esta entre 20 e 60
g/m³ e o LSE esta entre 2 e 6 Kg/m³. Para operações industriais
com pós o LIE é o mais importante.
57
58
MINIMIZAR RISCO EXPLOSAO
• PROTEÇÃO:
• Limitar danos
59
ESTUDO DE CASO
pó de magnésio é preenchido por
1
4
2
gravidade a partir de um recipiente (1) por
meio de uma calha de carga (2)
para o misturador (3). Curso do incidente
No decurso da produção verificou-se que,
contrariamente à experiência normal, o pó de
magnésio tinha parado de fluir para o
misturador (3). Enquanto o operador tentou
limpar a calha de carga bloqueado
através de uma escotilha de inspecção (4)
com uma haste de metal, uma explosão
ocorreu na calha de carga (2) para o
misturador (3).
O operador sofreu queimaduras graves das
chamas que foram queimadas para fora da
escotilha de inspecção (4).
3
60
LEGISLAÇÃO EM VIGOR NO BRASIL
NORMA REGULAMENTADORA Nº 10 - SEGURANÇA EM INSTALAÇÕES E
SERVIÇOS EM ELETRICIDADE – ITEM 10.9 - PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIO
E EXPLOSÃO
NORMA REGULAMENTADORA Nº 13 - CALDEIRAS E VASOS DE PRESSÃO
NORMA REGULAMENTADORA Nº 14 - FORNOS
NORMA REGULAMENTADORA Nº 19 – EXPLOSIVOS ITEM 4.8
SEGURANÇA E SAÚDE NA INDÚSTRIA E COMÉRCIO DE FOGOS DE
ARTIFÍCIO E OUTROS ARTEFATOS PIROTÉCNICOS
NORMA REGULAMENTADORA Nº 20 - LÍQUIDOS COMBUSTÍVEIS E
INFLAMÁVEIS
61
NORMAS EM VIGOR NO BRASIL
Código
NBR ISO 6184-1
NBR ISO 6184-2
NBR ISO 6184-3
NBR ISO 6184-4
Título
Sistemas de proteção contra explosão
Parte 1: Determinação dos índices de explosão
dos pós combustíveis no ar
Sistemas de proteção contra explosão
Parte 2: Determinação de índices de explosão
de gases combustíveis no ar
Sistemas de proteção contra explosão
Parte 3: Determinação dos índices de explosão
de misturas ar/combustível exceto as misturas
pó/ar e gás/ar
Sistema de proteção contra explosões
Parte 4: Determinação de eficácia dos sistemas
de supressão de explosões
62
LEITURA RECOMENDADA
63
64