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Explosões de Pós(Dust Explosions)

Luís C. OLIVEIRA LOPES

25 de abril de 2003

Engenharia de Segurança do Trabalho

Explosão de Pós ( Dust Explosions) Slide 2

Conteúdo• Introdução: Explosão

Classificações e Tipos• A explosão de nuvem de pós

Condições e locais de riscoFatores

• Influência de FatoresGranulometriaConcentração Experimentação

• Prevenção• Minimização de Estragos• Conclusão


Introdução – Definição de Explosão

• DefiniçãoEnfoque no ruído Enfoque no desprendimento de energia química

Definição com enfoque no ruídoDeflagração 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 químicaProcesso 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!


Explosões: classificações

• Classificações:Detonação Deflagração

Detonaçãovelocidade da interface de combustão (fronteira da chama) é maior que a velocidade do som.

Deflagraçãovelocidade da interface de combustão é menor que a velocidade do som.

Detonações são mais destrutivas!


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

• Tipos:

Si: Sensibilidade de IgniçãoGe: Gravidade de explosãoIe: Índice de explosividade

Vide tabela em anexo no material entregue


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.


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...


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.


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 nuvens de pós: Fatores

Combustível (pó)

Oxigênio Fonte de Ignição

Espaço Confinado(equipmentos, prédios)

Como uma explosão acontece:

1) Pó deve ser combustível2) Partículas forma uma nuvem

excedendo determinadaconcentração

3) Pó encontra-se confinado4) Fonte de Ignição presente


Fontes de Ignição: Exemplos

Moinho

Faísca de Fricção 2.8%Soldagem 17.2%

Falhas Elétricas4%

Trabalho comMetais 4%

Fogo além de Soldagem 4%

Outros 3.6%

Frição por Choque 3.2%

Calor Contato 2.8%


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.


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.

(tamanho da partícula)/ (área superficial específica)

Parâmetro de estimativa da possibilidade de explosão:


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 - Materiais

• 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.

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 materiaisA melhor forma de se avaliar isso é através da observação a quantidade de calor liberado por mol de oxigênio.

Combustível + Oxigênio Óxidos + Calor

Explosão de pós – Materiais (Cont.)


Calor de Combustão

Substância Produto da Oxidação KJ/mole O2Ca CaO 1270Mg MgO 1240Al Al2O3 1100Si SiO2 830Cr Cr2O3 750Zn ZnO 700Fe Fe2O3 530Cu CuO 300Sucrose CO2 e H2O 470Amido CO2 e H2O 470Polietileno CO2 e H2O 390Carbono CO2 400Carvão CO2 e H2O 400Enxofre 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.


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


Explosões Primárias e Secundárias

As concentrações necessárias para a explosão de pós são raramente vistas fora de vasos de processos, assim a maioria dasexplosões 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 PrimáriasAs 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.


Ilustração: Explosão primária e Secundária

Atenção à eliminação completa das poeiras dos edifícios que compõem a planta industrial


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 EletrostáticaPoeiras queimando ou ardendo sem chamas


Descargas Eletrostáticas


Prevenção de Explosões de Pós

• Prevenção:Prevenindo fontes de Ignição.

Combustão sem chamas.Outras chamas abertasSuperfícies quentesFaíscasCalor 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.


Minimização de Estragos

Adição de gases inertes como efeito parcialIsolamento de explosões

Passiva: ativada pela própria explosãoAtiva: requerendo ativação através de sensor.Sistemas passivos são preferidos pois eles são mais simples e mais confiáveis se funcionam como projetados

VentilaçãoConstrução resistente à pressão

A pressão de explosões de pó usualmente situa-se na faixa de 5-12bar(g).

Explosão de AlívioHigiene Industrial


Isolamento de Explosões -I


Isolamento de Explosões -II


Isolamento de Explosões -III


Equipamentos resistentes a pressão

• Explosão de alívio


Dimensionamento de venting• O dimensionamento de vent

depende de:Volume do sistemaResistência das paredes do sistema Resistência da cobertura do ventTaxa de queima de nuvens de pó


Dimensionamento de vent (Prática)

Max taxa of elevação de Pressão (bar/s) Razão de Vent (m-1)

< 345 1 / 6.1

345 - 690 1 / 4.6

> 690 1 / 3.1

A razão do vent é a razão entre área do vent e volume do vaso


Dimensionamento de aprox. venting


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.


Supressão Automática de Explosão


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.



Conclusões

• Discussão …..

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