Aula 07 - Atmosferas_Explosivas

Campus CuritibaInstrumentação Industrial

Atmosferas Explosivas

Objetivo

• Abordar os aspectos e técnicas associados àsinstalações em atmosferas potencialmenteexplosivas.



Campus Curitiba

Instrumentação Industrial


Marcação de equipamento para atmosfera potencialmente explosiva



Definições

• Atmosfera explosiva: área onde existe a possibilidadede explosão devido à mistura de gases, vapores ou arem determinada quantidade.

• Área classificada: local aberto ou fechado, onde existea possibilidade de formação de uma atmosferaexplosiva, podendo ser dividida em zonas de diferentesriscos, sem que haja barreira física.



• Explosão: Do ponto de vista da química, a oxidação, acombustão e a explosão são reações exotérmicas(Kurski, Bhopal, Guadalajara, Porto Rico) de diferentesvelocidades de reação, sendo iniciadas por umadetonação ou ignição.

• Ignição: é a chama ocasionada por uma onda dechoque, que tem sua origem térmica ou elétrica.

Definições



Temperatura de auto-ignição: Uma temperatura fixaacima da qual uma mistura inflamável é capaz de extrairenergia suficiente do ambiente para entrar em combustãoespontaneamente.

Ponto de Fulgor: O ponto de fulgor de um líquido é amínima temperatura em que o líquido se evapora, paraformar uma mistura com ar em concentração suficientepara provocar uma ignição, próxima da superfície dolíquido. Em inglês, ponto de fulgor é flash point.

Definições



Principais pontos de fulgor e temperaturas de ignição de alguns combustíveis ou inflamáveis

Combustíveis Inflamáveis

Ponto de FulgorTemperatura de

Ignição

Álcool etílicoGasolina

QueroseneParafina

12,6°C-42,0°C

38,0°C a 73,5°C199,0°C

371,0°C257,0°C254,0°C245,0°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 substânciacombustível e na frequência de formação da atmosferaexplosiva.

• No Brasil, tais normas são padronizadas pela ABNT einternacionalmente pela IEC.



Classificação de Áreas Classe: A classe da área se relaciona com o estado físico dasubstância inflamável. A classe denota a natureza genéricado material perigoso e está relacionada com a apresentaçãofísica do material.

São aceitas e definidas três classes distintas:

Classe I - locais onde há gases ou vapores na presença como ar em quantidades suficientes para produzir misturasexplosivas e inflamáveis. Refinarias de petróleo, plantaspetroquímicas.




Classe II - locais onde o perigo é devido à presença de pócombustível. Siderúrgicas, mineração de carvão eindústrias de artefatos de pneu e nos ensacamentos depós petroquímicos.

Classe III - locais onde estão presentes fibras e partículassólidas como algodão, rayon, sisal, juta, fibra de côco,serragem de madeira. Indústrias de madeira, barracão deescola de samba.




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 emnormas e códigos. As normas americanas diferem levementedas européias.




O NEC (National Electrical Code - EUA) estabelece oseguinte:

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.




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 gásmetano.Grupo II: locais de superfície, onde os materiais são indicadospelos sufixos A, B e C.Subdivisões do Grupo II:IIC similar ao NEC Grupo A e BIIB similar ao NEC Grupo C.IIA similar ao NEC Grupo D.




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




Grupo A ou Grupo IIC (1 gás)Acetileno

Grupo B ou Grupo IIC (6 gases)1. Acrolein (inibido)2. Butadieno3. Hidrogênio4. Gases com >30% de H2 (por volume)5. Óxido de propileno6. Óxido de etileno




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




Grupo D ou Grupo IIA (44 gases)

acido acético (glacial) gasolina

acetona heptano

amônia hexano

benzeno metano

butano metanol

etano nafta de petróleo

etanol (álcool etílico) propano

éter isopropílico tolueno




Grupos da Classe II (Pó)

Grupo E: Pós metálicos: alumínio, magnésio, titânio e suasligas metálicas.

Grupo F: Pós carbonáceos: carbono coloidal, carvão, negrode fumo, coque.

Grupo G: Pós agrícolas: polvilho, fécula, pó de grãos, pósquímicos e plásticos.



• Na prática, foi estabelecido dividir as áreas perigosasem zonas. Zonas com perigo de explosão sãoclassificadas dependendo da frequência e duração daatmosfera potencialmente explosiva.

• A zona de uma área expressa a probabilidade relativa domaterial perigoso estar presente no ar ambiente, formandouma mistura em concentração perigosa e provável deprovocar uma explosão ou incêndio.




Zona 0: Um local em que uma atmosfera explosiva consistindode uma mistura com ar de substâncias flamáveis na forma degás, vapor ou névoa está presente continuamente ou porlongos períodos ou freqüentemente.

Exemplos de Zona 0 são:1. interior de um tanque cheio de gás2. espaço cheio de vapor dentro de um tanque com líquidovolátil.

Gases, vapores e névoas flamáveis




Zona 1: Um local em que uma atmosfera explosiva consistindo deuma mistura com ar de substâncias flamáveis na forma de gás,vapor ou névoa é provável de ocorrer em operação normalocasionalmente. A probabilidade da presença de uma atmosferaperigosa na Zona 1 é relativamente elevada.Exemplos típicos de Zona 1: as áreas de ensacamento e

esvaziamento e equipamento de manipulação de pós, dos quaispode ocorrer liberação de produtos em condição normal emquantidade suficiente para produzir uma nuvem de pó inflamável.





Zona 2: Um local em que uma atmosfera explosiva consistindo deuma 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 detempo. A zona 2 pode ser a área que separa a zona 1 de áreasseguras. A zona 2 é uma área mais segura que a zona 1, porém, éainda um local perigoso, classificado. A probabilidade de ocorrercondições de perigo é pequena, quando comparada aprobabilidade da zona 1, porém não é zero.









Classificação de área para um tanque de armazenamento de líquido inflamávelcom ponto de fulgor menor que 32 oC e com teto fixo (Imperial ChemicalIndustries Ltd, ICI/RoSPA 1972 IS/91).



Zona 20: Um local em que uma atmosfera explosiva naforma de uma nuvem de pó combustível no ar está presentecontinuamente ou por longos períodos ou frequentemente.

Zona 21: Um local em que uma atmosfera explosiva naforma de uma nuvem de pó combustível no ar é provável deocorrer em operação normal ocasionalmente.

Classificação de Áreas Pós combustíveis



Zona 22: Um local em que uma atmosfera explosiva naforma de uma nuvem de pó combustível no ar não é provávelde ocorrer em operação normal, mas se ocorrer, irá persistirsomente por um curto período de tempo.

Classificação de Áreas Pós combustíveis



Há seis classes de temperatura, de T1 a T6. A classe detemperatura T1 tem a temperatura de superfície permissívelmais alta e a classe de temperatura T6, a mais baixa. Umasuperfície aquecida aumenta o conteúdo da energia de umamistura potencialmente explosiva em contato com ela. Se atemperatura da superfície é muito alta, este alto conteúdo deenergia pode iniciar uma reação explosiva.

Classes de Temperatura




Classe de Temperatura T1: Misturas com umatemperatura de ignição de t > 450 oC e uma temperatura desuperfície máxima de 450 oC. T1 inclui as substâncias:propano, monóxido de carbono, amônia, acetona, estireno,acido acético, benzeno, metano, tolueno, hidrogênio e gásnatural. T1 se relaciona principalmente a trabalhos de gás e aindústria de mina.





Classe de Temperatura T2: Misturas com uma temperaturade ignição de t > 300 oC e uma temperatura de superfíciemáxima de 300 oC. As principais substâncias cobertas por T2são: isopentano, acetato de butil, álcool etílico e acetileno,que são usados industrialmente na química de acetileno.





Classe de Temperatura T3: Misturas com uma temperaturade ignição de t > 200 oC e uma temperatura de superfíciemáxima de 200 oC. T3 cobre benzeno e os derivadoscorrespondentes, que são encontrados principalmente naindústria petroquímica.





Classe de Temperatura T4: Misturas com uma temperaturade ignição de t > 135 oC e uma temperatura de superfíciemáxima de 135 oC. T4 inclui principalmente éter etílico eacetaldeído, que são usados em fabricação de plásticos esolventes.





Classe de Temperatura T5: Misturas com uma temperaturade ignição de t > 100 oC e uma temperatura de superfíciemáxima de 100 oC. A importância prática de T5 éprincipalmente na fabricação de fibras têxteis.





Classe de Temperatura T6: Misturas com uma temperaturade ignição de t > 85 oC e uma temperatura de superfíciemáxima de 85 oC. Esta classe de temperatura é deimportância prática principalmente nas envolvendo o uso debissulfeto de carbono e etil nitrito.





Classificação de Áreas Classificação de Máxima Temperatura de Superfície de Equipamento Grupo

II

Classe deTemperatura

Máxima temperatura admissível dasuperfície dos equipamentos, oC

Temperatura de ignição de substâncias inflamáveis,oC

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)

AmôniaAnilinaButanolNafta“CO”

BenzenoHidrogênio

EtenoPropanoMetano

IIAIIAIIAIIAIIBIIAIICIIBIIAI

T1T1T2T3T1T1T1T2T1T1

630617340290605560560425470595



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 épermitido ser usado em Zonas 0 ou 20 (e é tambémutilizado em Zonas 1, 2 ou 21 e 22). EquipamentoCategoria 1 usualmente tem dois tipos de proteção epermanece seguro mesmo se duas falhasindependentes entre si ocorrerem.




Categoria 2

A categoria 2 compreende o equipamento que épermitido ser usado em Zonas 1 ou 21 (e é tambémutilizado em Zonas 2 ou 22). Equipamento Categoria 2permanece seguro mesmo se ocorrerem distúrbios oufalhas no equipamento.




Categoria 3

Categoria 3 compreende o equipamento que épermitido ser usado em Zonas 2 ou 22 apenas.Equipamento Categoria 3 fornece o nível de requisitode segurança durante a operação normal. Distúrbios efalhas de equipamento não são considerados nacategoria 3.



Métodos de ProteçãoTriângulo do Fogo



Métodos de ProteçãoExistem vários métodos de proteção que são baseados em umdesses princípios:

• Confinamento: evita a detonação da atmosfera, confinando aexplosão em um compartimento capaz de resistir a pressãoenvolvida no processo, não permitindo a propagação parasuperfícies vizinhas (ex: equipamentos à prova de explosão).

• Segregação: é a técnica que visa separar fisicamente a atmosferapotencialmente explosiva da fonte de ignição (ex: equipamentospressurizados, imersos e encapsulados).

• Prevenção: Controla-se a fonte de ignição de forma a não possuirenergia elétrica e térmica suficiente para detonar a atmosferaexplosiva.



À Prova de Explosão (Ex d)

• Baseado totalmente no conceito de confinamento.

• Deve possuir um invólucro resistente, normalmente alumínio ouferro fundido. Dever possuir também um interstício estreito e longopara que os gases quentes desenvolvidos durante um possívelexplosão possam ser resfriados.

• Caso haja a necessidade de haver cabos elétricos, esses devemser envoltos por eletrodutos metálicos, e devem haver unidadesseladoras para evitar propagação de chamas
























Pressurizado (Ex p)

• Baseado no princípio da segregação.

• A atmosfera explosiva é impedida de entrar no invólucrodevido à presença de um gás de proteção (ar ou inerte)que é mantido numa pressão levemente maior que a daatmosfera externa.

• É recomendado o uso de dispositivos auxiliares dedetecção de nível de pressão interno para não afetar ofuncionamento do equipamento.



Pressurizado (Ex p)• Pode ser aplicado para painéis elétricos em geral,

principalmente quando as salas de controle ficampróximas à atmosferas explosivas.

• Desta forma o gás inerte deve ser mantido emquantidade tal que a concentração da mistura nuncaalcance 25 % do limite inferior da explosividade do gásgerado.



Pressurizado (Ex p)



Pressurizado (Ex p)



Pressurizado (Ex p)



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


Atmosferas ExplosivasGás 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 (CO2) utilizado na carbonatação de bebidas ou como uma atmosfera protetora nas diversas etapas do processamento.



Gás Inerte

Lago Nyos, o lagomais mortal do mundo,calcula-se em 90milhões de toneladasa quantidade médiade CO2 . Tubos paraexaustão do gás.



Encapsulado (Ex m)

• Baseado no princípio de segração.

• Envolve os componentes elétricos com uma resina deforma que a atmosfera explosiva externa não sejainflamada.

• Não permite manutenção corretiva dos componentes.

• Aplicação em: reed relé, botoeiras, sensores deproximidade e obrigatoriamente nas barreiras zener.



Encapsulado (Ex m)



Imersão em Óleo (Ex o)

• Baseado no princípio dasegregação.

• Envolve as partes vivas docircuito em um invólucrocom óleo.

• Normalmente utilizado emgrandes transformadores edisjuntores.



Enchimento de Areia (Ex q)

• Baseado no princípio dasegregação, onde ocorreum preenchimento deum invólucro com pó dequartz ou areia evitandoo inflamar da chama,normalmente utilizadaem proteção de cabosque passam atráves depisos.



Enchimento de Areia (Ex q)



Segurança Aumentada (Ex e)

• Este método de proteção baseia-se nos conceitos de supressão da fontede ignição, aplicável que em condições normais de operação, nãoproduza arcos, faíscas ou superfícies quentes que podem causar aignição da atmosfera explosiva para a qual ele foi projetado. Estatécnica pode ser aplicada a motores de indução, luminárias, solenóides,botões de comando, terminais e blocos de conexão e principalmente emconjunto com outros tipos de proteção. A normas técnicas prevêemgrande flexibilidade para os equipamentos de Segurança Aumentada,pois permitem sua instalação em Zonas 1 e 2, onde todos os cabospodem ser conectados aos equipamentos através de prensa-cabos, nãonecessitando mais dos eletrodutos metálicos e suas unidades seladoras.

Campus CuritibaSegurança Aumentada (Ex e)



Não Ascendível (Ex n)

Este método de proteção, de origem alemã, nãoestá coberto por nenhuma norma técnica e foidesenvolvido para permitir a certificação de equipamentosque não sigam nenhum método de proteção, e possam serconsiderados seguros para a instalação em áreasclassificadas, por meios de testes e análises do projeto,visando não limitar a inventividade humana.




• Também baseado nos conceitos de supressão da fonte de ignição, osequipamentos não ascendíveis são similares aos de Segurança Aumentada.Este método os equipamentos não possui energia suficiente para provocar adetonação da atmosfera explosiva, como os de Segurança Intrínseca, mas nãoprevêem nenhuma condição de falha ou defeito. Sua utilização será restritaà Zona 2, onde existe pouca probabilidade de formação da atmosferapotencialmente explosiva, o que pode parecer um fator limitante, mas seobservar que a maior parte dos equipamentos elétricos estão localizados nestazona, pode-se tornar muito interessante. Um exemplo importante dosequipamentos não ascendíveis são os multiplex, instalados na Zona 2, quemanipulam sinais das Zonas 1 e os transmite para a sala de controle, com umacombinação perfeita para a Segurança Intrínseca, tornando a solução maissimples e econômica.





Atmosferas ExplosivasAplicação dos Métodos de Proteção



Segurança Intrínseca (Ex i)

• A Segurança Intrínseca é o método representativo do conceito deprevenção da ignição, através da limitação da energia elétrica.

O princípio de funcionamento baseia-se em manipular eestocar baixa energia elétrica, que deve ser incapaz de provocara detonação da atmosfera explosiva, quer por efeito térmico oupor faíscas elétricas. Em geral pode ser aplicado a váriosequipamentos e sistemas de instrumentação, pois a energiaelétrica só pode ser controlada a baixos níveis em instrumentos,tais como: transmissores eletrônicos de corrente, conversoreseletropneumáticos, chaves-fim-de-curso, sinaleiros luminosos,etc.



A Técnica da Segurança Intrínseca

Energia de ignição: Toda a mistura possui uma energiamínima de ignição, sendo que abaixo deste valor torna-se impossível a detonação, isto em função daquantidade de combustível em relação a quantidade dear.

Os circuitos de segurança intrínseca sempre manipulame armazenam energia abaixo deste limite.




O ponto que requer menor energia para provocar a detonação é chamadode MIE (Minimum Ignition Energie), sendo também o ponto onde aexplosão desenvolve maior pressão, ou seja a explosão é maior. Fora doponto de menor energia MIE, a mistura necessita de maiores quantidadesde energia para provocar a ignição, ou seja: a energia de ignição é funçãoda concentração da mistura.

As concentrações abaixo do limite mínimo de explosividade LEL (LowerExplosive Limit) não ocorre mais a explosão pois a mistura está muitopobre ou seja muito oxigênio para pouco combustível.

Analogamente quando a concentração aumenta muito, acima do limitemáximo de explosividade UEL (Upper Explosive Limit), também nãoocorre mais a explosão devido ao excesso de combustível, mistura muitorico.






Limites de Inflamabilidade dos Gases

Gás Limite Inferior Limite SuperiorHidrogênio 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 proteçãointrínseca, temos que interfacear o elemento de campocom o instrumento de controle, através de um limitadorde energia.




São empregadas alguma técnicas para limitar os efeitosda energia elétrica atuante no circuito em questão.

Limitador de Corrente




Limitador de Tensão




• Cálculo da potência: considerando as tensões comque se quer trabalhar, dimensiona-se uma potência queevita a detonação controlando a energia manipulada.

• Armazenamento de energia: dependendo do sinal e docircuito utilizados e também do comprimento de cabos,podem surgir efeitos de armazenamento de energia(capacitivo/indutivo). O dimensionamento do limitadordeve levar em conta isso.






Categorias de Proteção: Os equipamentos intrinsecamente seguros sãoclassificados 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 aignição. Motivo pelo qual se assegura a utilização desses equipamentos até naszonas 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 aincapacidade de provocar a detonação da atmosfera quando houver um defeitono circuito.



Aterramento: Visando ainda eliminar a possibilidade deignição, o circuito deve estar apto a desviar as sobretensõesperigosas capazes de provocar uma centelha elétrica naárea classificada.



Aterramento: Um sistema de aterramento com alta integridade deve serutilizado para conexão do circuito limitador de energia, como únicocircuito capaz de desviar a corrente gerada por uma sobretensão emrelação ao potencial da terra. As normas técnicas recomendam que osistema 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 energiaao sistema de aterramento, através da inclusão de proteções contra falhas.





Análise das Marcações



IP (X) (Y)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

5: proteção contra jatos d’água

6: proteção contra fortes jatos d’água

7: proteção contra submersão temporária

8: proteção contra submersão contínua

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

4: proteção contra partículas de Ø >= 1mm

5: proteção contra poeira

6: selado contra poeira

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