combustÍveis e combustÃo · mistura, temos, utilizando dados da tabela 2.1:-2013 x 1 4,76x 1 li...
TRANSCRIPT
DEFINIÇÃO
O significado de limite de inflamabilidade é o
seguinte:
se um dado conjunto de condições permite a
propagação de uma chama estável e se as condições
são progressivamente mudadas até um estado em que
uma chama estável não se propaga mais, este estado
então é um limite de estabilidade.
Se a chama simplesmente não se propaga, este limite
é chamado limite de inflamabilidade.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
DEFINIÇÃO
A relação entre o combustível e o oxidante em
uma mistura determina se a mesma é ou não
inflamável.
O interesse industrial no assunto ocorre tanto no
aspecto de operação como no de segurança.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
DEFINIÇÃO
A relação entre o combustível e o oxidante em
uma mistura determina se a mesma é ou não
inflamável.
O interesse industrial no assunto ocorre tanto no
aspecto de operação como no de segurança.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
LIMITES DE INFLAMABILIDADE
Uma mistura somente queimará se a
concentração do combustível estiver entre os
limites inferior e superior de inflamabilidade, que
chamaremos LI e LS, respectivamente.
A medição dos limites de inflamabilidade envolve
experimentos repetidos com diferentes valores de
variáveis como razão combustível/oxidante,
porcentagem de diluentes, temperatura inicial e
pressão inicial.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
LIMITES DE INFLAMABILIDADE
Uma vez que a inflamabilidade tende a ser
fortemente afetada pelas condições do
experimento, deve-se cuidar para que tais
condições não interfiram nos resultados. Existem
testes padrão, para os quais a temperatura e
pressão iniciais são 25°C e 1 atm.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
LIMITES DE INFLAMABILIDADE
Limites de inflamabilidade de alguns combustíveis em ar
(Glassman, 1996).
Porcentagem estequiométrica do combustível na mistura,
calculada considerando o ar como sendo 21 % O2 e 79 % N2.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
Combustível Fórmula LI (%) LS (%) PE (%)*
Hidrogênio H2 4 74,2 29,6
Monóxido de carbono CO 12,5 74,2 29,6
Metano CH4 5 15 9,5
Etano C2H6 3 12,4 5,7
Etileno C2H4 3,1 32 6,5
Acetileno C2H2 2,5 80 7,8
Propano C3H8 2,1 9,5 4,0
Propileno C3H6 2,4 11 4,5
n-Butano C4H10 1,6 8,4 3,1
Isobutano C4H10 1,6 8,4 3,1
Isopentano C5H12 1,4 8,3 5,0
Éter dimetílico CH3-O-CH3 3,4 27 6,5
LIMITES DE INFLAMABILIDADE
Consideremos uma mistura metano/ar definida
como 1 CH4 + x(1 O2 + 3,76 N2). Para esta
mistura, temos, utilizando dados da Tabela 2.1:
Ram
ón
Silv
a -
20
13
xx76,41
105,0LI ar/4CH
xx76,41
115,0LS ar/4CH
3,99
1,99
LIMITES DE INFLAMABILIDADE
O amplo intervalo de inflamabilidade do
hidrogênio nos diz que é fácil obter uma mistura
inflamável do gás em ar.
Para metano e propano o intervalo de
inflamabilidade é estreito e pode decorrer um
longo período de tempo até que uma fonte de
ignição consiga ignitar e explodir a mistura.
É boa prática operar seguramente abaixo do
limite inferior de inflamabilidade.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
LIMITES DE INFLAMABILIDADE
Conforme mostrado na Figura 2.1, o intervalo de
inflamabilidade alarga-se quando a temperatura
inicial da mistura aumenta.
Mudanças na pressão inicial da mistura não
alteram o LI para hidrocarbonetos em ar, mas o
LS aumenta com a pressão
Ram
ón
Silv
a -
20
13
LIMITES DE INFLAMABILIDADE
O limite inferior é o mesmo em oxigênio e em ar.
Por outro lado, o limite superior é muito maior
em oxigênio que em ar.
Isto ocorre porque o limite inferior está na região
de excesso de oxidante e a troca de nitrogênio por
oxigênio não afeta parâmetros importantes, como
temperatura de chama, por exemplo.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
LIMITES DE INFLAMABILIDADE
Combustível LI (%) LS (%)
Ar O2 Ar O2
Hidrogênio 4 4 74 94
Monóxido de carbono 12 16 74 94
Amônia 15 15 28 79
Metano 5 5 15 61
Propano 2 2 10 55
Ram
ón
Silv
a -
20
13
LIMITES DE INFLAMABILIDADE
Lei de Le Chatelier
Os limites inferior e superior de inflamabilidade para
misturas de combustíveis podem ser calculados pela
lei de Le Chatelier:
onde C1, C2, ... Ci (%, base volumétrica) são as
proporções de cada gás na mistura gasosa sem ar
Ram
ón
Silv
a -
20
13
i
i
2
2
1
1mistura
LI
C...
LI
C
LI
C
100LI
i
i
2
2
1
1mistura
LS
C...
LS
C
LS
C
100LS
15
LIMITES DE INFLAMABILIDADE
Calcularemos a seguir as massas mínima e
máxima de gás liquefeito de petróleo (GLP) que
formam uma mistura inflamável homogênea em
1 m3 de mistura com ar, a 1 atm e 25 oC.
Consideraremos o GLP como uma mistura de 50
% propano e 50 % butano, em base volumétrica.
Para outros combustíveis o procedimento será
análogo.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
TEMPERATURA DE IGNIÇÃO
A temperatura de ignição é aquela à qual uma
pequena porção da mistura, a uma determinada
temperatura e pressão, tem que ser submetida
para a combustão se propagar na própria
mistura.
A temperatura de ignição é mínima para a
mistura estequiométrica.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
TEMPERATURA DE IGNIÇÃO
Uma baixa temperatura de ignição significa que
a mistura é potencialmente perigosa.
Quanto maior a energia de ativação da reação
maior será a temperatura de ignição.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
TEMPERATURA DE IGNIÇÃO
A cabeça de um palito de fósforo contém uma
mistura com baixa energia de ativação, de tal
maneira que a fricção produz calor suficiente
para elevar a temperatura a um patamar para a
ignição ocorrer.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
TEMPERATURA DE IGNIÇÃO
Para misturas possuindo uma alta energia de
ativação, uma faísca é necessária para iniciar a
combustão. Após a ignição pela faísca o calor
gerado em geral é suficiente para que a reação
seja auto sustentável.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
TEMPERATURA DE IGNIÇÃO
Combustível Ti (oC) Combustível Ti (oC)
Hidrogênio 400 Isopentano 420
Monóxido de carbono 609 Amônia 651
Metano 540 Etanol 365
Etano 472 Gasolina 440
Etileno 490 Querosene 210
Acetileno 305 Metanol 385
Propano 450 Óleo diesel 225
Propileno 458 Hidrazina 270
n-Butano 405 Óleo de soja 445
Isobutano 462 Glicerina 370
Ram
ón
Silv
a -
20
13
EXPLOSÃO
Definimos uma explosão de gás como um processo
no qual a combustão de uma nuvem pré
misturada, ou seja, de uma mistura gasosa
combustível-ar ou combustível-oxidante, que
causa um incremento rápido de pressão.
Essas explosões podem ocorrer tanto em áreas
confinadas como em áreas abertas.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
EXPLOSÃO
Consideremos o caso de um vazamento acidental
de um gás ou líquido volátil, ambos combustíveis,
para a atmosfera.
Se a nuvem formada pelo vazamento não estiver
dentro dos limites de inflamabilidade ou se não
houver uma fonte de ignição, a nuvem gasosa
pode se diluir e desaparecer sem causar dano.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
EXPLOSÃO
A ignição pode ocorrer imediatamente após o
vazamento ou pode demorar, tudo dependendo
das circunstâncias.
No caso de ignição imediata antes de haver
mistura entre o combustível e o ar, um incêndio
ocorrerá através de uma chama de difusão.
Chamas de difusão são aquelas em que o
combustível e o oxidante não estão inicialmente
misturados.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
EXPLOSÃO
A situação mais perigosa acontecerá se uma
nuvem de grandes proporções entre o combustível
e o ar estiver dentro dos limites de
inflamabilidade e a ignição ocorrer.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
EXPLOSÃO
A magnitude da pressão gerada pela onda de
combustão dependerá de quão rápido a chama se
propaga e como a pressão pode se expandir para
longe da nuvem, o que depende do confinamento
da mistura.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
EXPLOSÃO
As consequências de uma explosão de gás variam
entre pouco ou nenhum dano até a destruição
total. Incêndios são eventos comuns após uma
explosão de uma nuvem de gás.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
EXPLOSÃO
Quando uma nuvem inflamável é ignitada, a
chama pode se propagar de dois modos
diferentes: deflagração e detonação (Glassman,
1996; Bjerketvedt et al., 1992).
Ram
ón
Silv
a -
20
13
DEFLAGLAÇÃO
A deflagração é o modo mais comum de
propagação de uma chama em explosões
acidentais.
É definida como uma explosão onde a onda de
combustão se propaga em velocidades subsônicas
em relação ao gás não queimado imediatamente à
frente da chama, o qual estará em movimento por
ação dos produtos de combustão em expansão.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
DEFLAGRAÇÃO
Em deflagração, a velocidade de chama varia de
alguns metros por segundo até 500 a 1000 m/s em
relação a um observador parado. A pressão de
explosão varia de alguns mbar até diversos bar.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
DEFLAGRAÇÃO
A velocidade de chama e a pressão de explosão
dependem fortemente das características da
nuvem inflamável e das condições geométricas do
local que podem conferir à nuvem um grau de
confinamento.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
DEFLAGRAÇÃO
Quando a nuvem é ignitada por uma fonte de
ignição fraca (uma faísca ou uma superfície
quente, por exemplo), a chama inicia-se como
uma chama laminar para a qual o mecanismo
básico de propagação é difusão molecular de calor
e massa.
Este processo de difusão de calor e massa para a
mistura não queimada é relativamente lento e a
chama laminar propagar-se-á com uma
velocidade da ordem de 3 a 4 m/s.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
DEFLAGRAÇÃO
Na maior parte das explosões acidentais, a
chama laminar é acelerada para uma deflagração
turbulenta.
A turbulência é causada pela interação entre o
campo de escoamento com estruturas confinadas
tais como equipamentos e paredes internas.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
DETONAÇÃO
A detonação é a forma mais devastadora de
explosão de gás.
Diferente da deflagração, a detonação não requer
confinamento para se propagar em alta
velocidade.
Particularmente em uma situação não confinada,
o comportamento de uma detonação é bastante
diferente de uma deflagração.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
DETONAÇÃO
A detonação é definida como uma onda de
combustão supersônica.
Assim, a detonação se propaga na mistura
inflamável em uma velocidade superior à do som
em relação à própria mistura, que não é
perturbada pela onda.
Ram
ón
Silv
a -
20
13
DETONAÇÃO
Em misturas combustível-ar na pressão
atmosférica, as velocidades de detonação variam
tipicamente entre 1500 e 2000 m/s e os picos de
pressão atingem de 15 a 20 bar.
A transição para a detonação e a propagação de
ondas de detonação dependem fortemente da
reatividade da nuvem inflamável.
Ram
ón
Silv
a -
20
13