Os ensaios de gases e vapores em atmosferas explosivas

Uma explosão é qualquer onda de combustão não controlada. Para criar uma explosão, ele deve ser combustível como por exemplo um gás explosivo como o hidrogênio e oxidante como o oxigênio do ar e uma fonte de energia de ignição como, por exemplo, uma superfície quente ou uma faísca elétrica. Esses três itens são comumente referidos como o triângulo do fogo. Além disso, são necessárias duas facetas adicionais como algo para misturar o combustível e o oxidante, como a turbulência criada em um vazamento de gás sob pressão e a contenção.

No entanto, é prática industrial comum usar o termo ''explosão'' para combustão confinada e não confinada. Para qualquer mistura de gás combustível ou vapor com um oxidante, há uma energia de ignição crítica. Se alguém liberar menos do que essa quantidade crítica de energia na mistura, não haverá uma explosão de autopropagação. Alguma combustão pode ocorrer de forma transitória, mas a onda de combustão não cresce e se autopropaga. Se alguém liberar pelo menos a quantidade crítica de energia, a onda de combustão passará pelos estágios incipientes do crescimento e se autopropagará como uma onda plana, resultando em uma explosão.

Dessa forma, em uma concentração crítica chamada concentração mais facilmente inflamada, a quantidade de energia necessária para causar a ignição é mínima. Se o experimento de ignição for conduzido sob condições que permitam assumir que toda a energia injetada na nuvem de gás/vapor é utilizada no processo de combustão, a energia crítica é chamada de energia mínima de ignição.

Como a concentração varia da concentração mais facilmente inflamada, a quantidade de energia necessária para causar a ignição aumenta, aproximando-se assintoticamente em menor concentração, no limite explosivo mais baixo, geralmente chamado limite inferior de inflamabilidade e, em maior concentração, no limite explosivo superior, geralmente chamado de limite superior de inflamação. Todos esses processos não são propriedades inerentes a atmosferas explosivas, pois seus valores dependem da natureza do experimento pelo qual são determinados, especialmente o tamanho do vaso e a energia disponível na fonte de ignição. Nenhuma pessoa prudente que controle a concentração para reduzir o risco de uma explosão operaria muito acima de 50% do limite de explosão, exceto sob condições cuidadosamente controladas. Na maioria das situações, o limite é definido em 25% ou menos.

O método de ensaio para o interstício máximo experimental seguro (MESG) envolve as câmaras interna e externa do equipamento de ensaio são preenchidas com uma mistura conhecida do gás ou vapor com ar, sob condições normais de temperatura e pressão (20 °C, 101,3 kPa) e com um interstício circunferencial entre as duas câmaras ajustado precisamente para o valor desejado. A mistura interna é submetida a uma ignição e a propagação da chama, caso ocorra, é observada pelas janelas da câmara externa. O MESG para o gás ou vapor é determinado pelo ajuste do interstício em pequenas variações, de forma a determinar o valor máximo do interstício que evita a ignição da mistura externa, para qualquer concentração do gás ou vapor no ar.

Uma exceção é feita para substâncias com pressões de vapor que são muito baixas para permitir que as misturas das concentrações requeridas sejam preparadas em temperaturas ambientes normais. Para estas substâncias, é utilizada uma temperatura 5 K acima daquela necessária para fornecer a pressão de vapor requerida ou 50 K acima do ponto de fulgor. O equipamento de ensaio é descrito nas subseções seguintes e é mostrado esquematicamente na figura abaixo. A utilização de um equipamento automatizado também é possível, quando for comprovado que os mesmos resultados são obtidos como os de um equipamento com operação manual.

O equipamento completo é construído para suportar uma pressão máxima de 1 500 kPa sem uma expansão significativa do interstício, de forma que nenhuma expansão do interstício ocorra durante a explosão. As partes principais do equipamento de ensaio, em especial as paredes, os flanges da câmara interna e os eletrodos de centelhamento são normalmente fabricados em aço inoxidável. Entretanto, pode ser necessário utilizar, com alguns tipos de gases ou vapores, outros materiais para evitar a ocorrência de corrosão ou de outros efeitos químicos.

Não convém que ligas de materiais leves sejam utilizadas para os eletrodos de centelhamento. O invólucro cilíndrico externo “b” possui diâmetro de 200 mm e altura de 75 mm. A câmara interna “a” é uma esfera com um volume de 20 cm³. Esta câmara é posicionada no centro da câmara externa. As duas partes “i” e “h” da câmara interna são montadas de forma que um interstício de 25 mm possa ser ajustado entre as faces planas paralelas das bordas opostas.

A distância exata do interstício pode ser ajustada por meio de um micrômetro (parte “c”). A câmara interna é preenchida com a mistura gás-ar ou vapor-ar pela entrada (“e”). A câmara externa é preenchida com a mistura pelo interstício. É recomendado que a entrada e a saída da mistura sejam protegidas por meio de dispositivos corta-chama. O eletrodo “g” deve ser montado de forma que a centelha ocorra no centro da câmara interna.

Como a consistência da concentração da mistura possui um efeito importante sobre a dispersão dos resultados, esta concentração tem que ser cuidadosamente controlada. Por esta razão a vazão da mistura pela câmara deve ser mantida até que as concentrações de entrada e de saída sejam as mesmas, ou um método de confiabilidade equivalente deve ser utilizado. É recomendado que o teor de umidade do ar utilizado para a preparação da mistura não exceda 10% de umidade relativa para a finalidade da classificação. Para algumas substâncias, valores maiores da umidade podem resultar em valores mais baixos do MESG.

Os ensaios são realizados a uma temperatura ambiente de (20 ± 5) °C, exceto quando permitido de outra forma. A pressão no interior do equipamento de ensaio é ajustada para (101,3 ± 1) kPa. Uma exceção é feita para substâncias com pressões de vapor que são muito baixas para permitir que as misturas das concentrações requeridas sejam preparadas em temperaturas ambientes normais. Para estas substâncias, é utilizada uma temperatura 5 K acima daquela necessária para fornecer a pressão de vapor requerida ou 50 K acima do ponto de fulgor.

O interstício é primeiramente reduzido a um valor bem pequeno e examinado para assegurar que os flanges estejam paralelos. O ajuste de zero do interstício é verificado, porém com valor baixo do torque aplicado (por exemplo, uma força de cerca de 10 –2 N aplicada na circunferência da cabeça do micrômetro). A ignição da mistura interna é realizada por uma centelha elétrica gerada por um transformador de alta- tensão com valor eficaz de aproximadamente 15 kV e corrente de curto-circuito de 30 mA.

O tempo de descarga da centelha deve ser ajustado para 0,2 s. A ocorrência da ignição da mistura interna é confirmada pela observação pelo interstício quando o ensaio é realizado. Se não ocorrer ignição interna, o ensaio não é válido. É considerado que uma ignição da mistura na câmara externa ocorreu quando o volume total da câmara é visto como sendo preenchido pela chama da explosão.

A NBR ISO/IEC 80079-20-1 de 07/2020 - Atmosferas explosivas - Parte 20-1: Características de substâncias para classificação de gases e vapores — Métodos de ensaios e dados apresenta orientações sobre a classificação de gases e vapores. Descreve um método de ensaio destinado à medição do interstício máximo experimental seguro (Maximum Experimental Safe Gap – MESG) para misturas de gases ou vapores com o ar sob condições normais de temperatura e pressão (20 °C, 101,3 kPa), de forma a permitir a seleção de um grupo de equipamento apropriado. Esta norma descreve também um método de ensaio para a determinação da temperatura de autoignição (Auto-Ignition Temperature – AIT) de misturas vapor-ar ou misturas gás-ar, à pressão atmosférica, de forma a permitir a seleção de uma classe de temperatura de equipamentos apropriada.

Os valores das propriedades químicas dos materiais são apresentados para auxiliar na seleção dos equipamentos a serem utilizados em atmosferas explosivas. Dados adicionais podem ser incluídos à medida que resultados de ensaios validados se tornarem disponíveis. Os materiais e as características indicadas na Tabela B.1, disponível na norma (ver Anexo B), foram selecionados com particular referência à utilização de equipamentos em atmosferas explosivas. Os dados indicados nesta norma foram coletados a partir de diversas referências, as quais são indicadas na Bibliografia. Estes métodos para a determinação do MESG e da AIT podem também ser utilizados para misturas gás-ar inerte ou vapor ar inerte. No entanto, os dados de misturas inertes não são indicados na tabela.

Os equipamentos de Grupo I são para utilização em minas suscetíveis de ocorrência de grisu. Grisu consiste principalmente em metano de mineração, mas sempre contém pequenas quantidades de outros gases, como nitrogênio, dióxido de carbono e hidrogênio, e algumas vezes etano e monóxido de carbono. Os termos grisu e metano são frequentemente utilizados como sinônimos na indústria de mineração.

Os equipamentos de Grupo II são para utilização em gases e vapores inflamáveis, excluindo as minas suscetíveis de ocorrência de grisu. Os equipamentos de Grupo II para gases e vapores são definidos em subgrupos de acordo com o seus MESG ou MIC, em equipamentos dos subgrupos IIA, IIB e IIC. Todos os materiais inflamáveis são definidos em classes de temperatura de acordo com as suas temperaturas de autoignição.

Os gases e os vapores podem ser definidos de acordo com os seus MESG em subgrupos IIA, IIB e IIC, com base no método de determinação descrito nesta norma. De modo a assegurar resultados padronizados, o equipamento do MESG é dimensionado para evitar possíveis efeitos externos por obstrução aos interstícios seguros. O método padronizado para a determinação do MESG é o descrito em 6.2, porém, quando as determinações tiverem sido realizadas somente em um vaso esférico de 8 L, com ignição próxima do interstício do flange, estas determinações podem ser inicialmente aceitas.

O projeto de um equipamento de ensaio para a determinação do interstício seguro, que não utilize a caixa de ensaio padrão para a determinação do subgrupo de um gás específico, pode necessitar ser diferente daquele descrito nesta norma. Por exemplo, o volume da caixa de ensaio, dimensões dos discos, concentração do gás, e pode ser necessário que a distância entre os discos e qualquer parede externa ou barreiras sólidas seja ajustável. Como o projeto depende da pesquisa a ser desenvolvida, é impraticável recomendar requisitos específicos de projeto, mas para as principais aplicações ainda são válidos os princípios gerais e precauções indicados nesta norma.

São indicadas na NBR IEC 60079-14 as distâncias mínimas entre uma junta flangeada à prova de explosão e barreiras sólidas, de acordo com o grupo de equipamento a ser aplicado em uma área classificada. Para definição dos subgrupos, os limites do MESG são: Grupo do equipamento IIA: MESG = 0,90 mm; Grupo do equipamento IIB: 0,50 < MESG < 0,90 mm; Grupo do equipamento IIC: MESG = 0,50 mm. A determinação de ambos os parâmetros, MESG e relação MIC, é necessária quando 0,50 < MESG < 0,55. Então o grupo do equipamento é determinado pela relação MIC.

Para gases e líquidos altamente voláteis, o MESG é determinado a 20°C. Se for necessário realizar a determinação do MESG a temperaturas mais elevadas do que a temperatura ambiente, é utilizada uma temperatura 5 K acima da necessária para fornecer a pressão de vapor ou 50 K acima do ponto de fulgor; este valor do MESG é indicado na tabela e a definição do grupo de equipamento é com base neste resultado. Subgrupos dos gases e vapores IIA, IIB e IIC podem ser definidos de acordo com a relação entre a corrente mínima de ignição (MIC) e a corrente de ignição do metano de laboratório.

A pureza do metano de laboratório não pode ser menor do que 99,9% por volume. O método normalizado para a determinação da relação entre MIC é com base no equipamento de ensaio descrito na NBR IEC 60079-11, porém, quando as determinações tiverem sido obtidas em outros equipamentos de ensaio, os resultados podem ser inicialmente aceitos. Para definição dos subgrupos, as relações entre MIC são: Grupo do equipamento IIA: MIC > 0,80; Grupo do equipamento IIB: 0,45 = MIC = 0,80; Grupo do equipamento IIC: MIC < 0,45.

A determinação de ambos os parâmetros, MESG e relação MIC, é necessária quando 0,70 < MIC < 0,90 ou 0,40 < MIC < 0,50. Então o grupo do equipamento é determinado pelo MESG. Quando um gás ou vapor é um membro de uma série de componentes equivalentes, a determinação do subgrupo do gás ou vapor pode ser inicialmente inferida a partir dos dados de outros membros vizinhos da série.

A definição do subgrupo de acordo com a similaridade de sua estrutura química não é permitida, se a definição de subgrupo do membro vizinho for com base no MESG e a outra com base na relação MIC. O gás de coqueria é uma mistura de hidrogênio, monóxido de carbono e metano. Se a soma das concentrações (em % volume) de hidrogênio e monóxido de carbono for menor que 75 % do volume total, é recomendada a utilização de equipamentos com o tipo de proteção “Ex” adequado para o Grupo IIB. Caso contrário, é recomendada a utilização de equipamentos “Ex” do Grupo de equipamentos IIC.

A temperatura de autoignição do nitrito de etila é 95 °C, acima da qual o gás sofre uma decomposição explosiva. Não confundir nitrito de etila com o seu isômero, o nitroetano. O MESG do monóxido de carbono está relacionado a uma mistura de ar saturado com umidade na temperatura ambiente normal. Esta determinação indica a utilização de equipamento “Ex” do Grupo de equipamento IIB na presença de monóxido de carbono. Um MESG maior pode ser observado com níveis de umidade mais baixos.

O MESG mais baixo (0,65 mm) é observado para uma mistura de CO/H2O próxima de 7:1 (razão molar). Pequenas quantidades de hidrocarboneto na mistura monóxido de carbono/ar têm um efeito similar na redução do MESG, de forma a serem requeridos equipamentos “Ex” do Grupo de equipamento IIB. O metano industrial, como o gás natural, é classificado como Grupo de equipamento IIA, desde que este não contenha mais que 25 % de volume de hidrogênio. Uma mistura de metano com outras substâncias do Grupo de equipamento IIA, em qualquer proporção, é classificada como Grupo de equipamento IIA.

Hayrton Rodrigues do Prado Filho

hayrton@hayrtonprado.jor.br