janeiro 29 2014 1Comentário
solventes antiestáticos

Solventes – Antiestáticos evitam acidentes

As indústrias de tintas devem estar alertas para o risco de acidentes representado pela eletricidade estática em suas instalações e para as formas de reduzi-lo ao mínimo. Uma dessas formas consiste na adição de aditivos antiestáticos em solventes para aumentar a sua condutividade e, consequentemente, reduzir a probabili­dade de formação de descargas elétricas (faíscas), o que, por sua vez, diminui o risco de incêndio e/ou explosões.

A geração de eletricidade estática é um fenômeno de superfície associa­do ao contato e à separação de duas superfícies heterogêneas, resultante da transferência de elétrons ou íons de uma superfície para outra. A diferença de potencial entre duas superfícies de contato é pequena, cerca de 1 volt, mas, após a separação, o potencial dos ma­teriais aumenta rapidamente na medida em que a distância entre as superfícies carregadas aumenta e se realiza trabalho contrário ao campo elétrico. A relação entre carga eletrostática e diferença de potencial é dada por:

 

Q = V. C , sendo que :
Q = carga eletrostática no objeto, em coulombs
V = diferença de potencial no sistema, em volts
C = capacitância do sistema, em farads

 

Os problemas de segurança asso­ciados a materiais eletrostaticamente carregados se devem principalmente aos perigos de fogo e explosão que podem ocorrer se a carga acumulada for suficiente para causar uma descarga na presença de gases ou vapores inflamáveis. A eletrici­dade estática ocorre tanto com materiais eletricamente condutores quanto com os não condutores, mas o acúmulo de níveis perigosos de carga requer que pelo menos um elemento seja não condutor.

Química e Derivados, Geração de eletricidade estática durante o carregamento, Solventes

Figura 1 – Geração de eletricidade estática durante o carregamento. Clique para ampliar.

A Petrobras Distribuidora S/A esta­beleceu procedimentos que eliminam riscos de eletricidade estática nas ope­rações de movimentação e transferência de produtos combustíveis.

Classificação de líquidos – A con­dutividade de líquidos inflamáveis e combustíveis varia de cerca de 10-4 pS/m até 1010 pS/m, o que significa 14 ordens de grandeza. Dado que o com­portamento de relaxamento é fornecido principalmente pela condutividade, esta propriedade pode ser utilizada para classificar o produto em três grupos: condutivo, semicondutivo e não condutivo. Uma vez que a con­dutividade é muito sensível à pureza da amostra e à tempera­tura, a classificação em grupos deve considerar apenas a ordem de grandeza da medição.

Estes grupos são úteis para classi­ficar as características de dissipação estática de líquidos para diferentes situações de carregamento.

Líquidos condutivos – São considerados condutivos os líquidos com condutivi­dade superior a 104 pS/m. Seus tempos de relaxamento são normalmente meno­res que 1 ms e, por isso, tendem a não acumular carga. Tais líquidos são mais propensos à carga induzida por recipientes plásticos e se caracterizam por perder grande parte da carga porventura induzida.

Líquidos semicondutivos – São consi­derados semicondutivos os líquidos com condutividade entre 50 pS/m e 104 pS/m. Seus tempos de relaxamento usualmente estão na faixa de2 a500 ms e, por isso, ten­dem a não acumular cargas, exceto onde as taxas de carregamento sejam elevadas e/ou o aterramento é inexistente, ou eles sejam efetiva ou parcialmente isolados da terra. Sob determinadas condições, descargas eletrostáticas podem ocorrer nos mais condutivos desses líquidos.

Líquidos não condutivos – São con­siderados não condutivos os líquidos com condutividade inferior a 50 pS/m. Seus tempos de relaxamento geralmente estão acima de 180 ms, sendo, por vezes, maiores que 1s. Tais líquidos são altamente suscetíveis à variação de con­dutividade por causa dos contaminantes e tendem a acumular cargas, gerando, em alguns casos, potenciais perigosos em contêineres metálicos aterrados.

Geração de cargas – Conforme men­cionado, a geração de carga eletrostática é um fenômeno de superfície e qualquer fator que contribua para aumentar a área de contato, como a turbulência de líquidos, aumentará a taxa de car­regamento eletrostático. Sempre que um líquido escoa em uma tubulação, haverá uma separação de carga na interface líquido-sólido.

A geração de cargas eletrostáticas nos solventes ocorre com o movimento durante a operação, a exemplo de sol­ventes que fluem através de tubulações, mistura de solventes, bombeio, filtra­gem e agitação.

A taxa de carregamento eletrostático de um solvente hidrocarbônico é propor­cional ao quadrado da velocidade linear do líquido. Enquanto existir a possi­bilidade de uma centelha em qualquer bolsão de uma linha, o perigo principal associado com a carga gerada em um escoamento líquido em uma tubulação é o consequente acúmulo no tanque de estocagem ou vaso de processo ao final da linha, onde existir uma interface líquido-vapor, a menos que essa carga seja dissipada.

Figura 1 mostra o processo de geração de cargas estáticas no carrega­mento de um tambor isolado da terra. estática durante o carregamento

Figura 2 ilustra o carregamen­to eletrostático em processos com líquidos condutivos, provendo-se o aterramento do tanque.

Figura 3 mostra o carregamento eletrostático em processos com líquidos não-condutivos, provendo-se o aterra­mento do tanque.

Química e Derivados, Geração de eletricidade estática em líquidos condutivos / Geração de eletricidade estática em líquidos não condutivos, Solventes

Figura 2 – Geração de eletricidade estática em líquidos condutivos / Figura 3 – Geração de eletricidade estática em líquidos não condutivos. Clique para ampliar.

Para controlar o acúmulo de ele­tricidade estática gerada em solventes inflamáveis, os seguintes procedimentos são recomendados:

Assegurar que a tubulação e os equipamentos metálicos estejam corre­tamente aterrados e projetados para o serviço com materiais inflamáveis;

Prolongar as tubulações de entrada até quase o fundo do tanque, no caso de carregamento de caminhões por cima, ou promover o carregamento por baixo, com o objetivo de minimizar a formação de névoas carregadas eletros­taticamente;

Minimizar a queda livre de material durante o enchimento de contêineres com líquidos inflamáveis;

Realizar a agitação em baixa velo­cidade quando houver mistura de dois solventes. A velocidade dos líquidos nas tubulações deve ser limitada a 1 m/s;

Adicionar agentes antiestáticos para auxiliar a dissipação de cargas eletrostáticas.

Quando um solvente de alta resistivi­dade está sendo bombeado e um aditivo antiestático não puder ser incorporado, então maiores diâmetros de tubulação devem ser utilizados para manter uma velocidade de fluxo menor que 1 m/s para reduzir a geração de carga a níveis aceitáveis. Deve-se também reduzir o número de acessórios de tubulação. O efeito negativo de restrições que não podem ser evitadas pode ser minimizado com o uso de placas metálicas aterradas na tubulação, com comprimentos de0,3 a0,6 mapós a restrição. As placas metálicas, que podem ser chicanas cilíndricas concêntricas com o tubo, reduzem a turbulência, mantêm um gradiente de velocidade baixo entre as diferentes camadas de solvente e dissipam a carga no líquido através da superfície aterrada.

Acidentes com solventes – A Barton Solvents é uma distribuidora de pro­dutos químicos, tais como solventes, tíneres, óleos para sistemas hidráulicos, óleos minerais alimentícios, agentes plastificantes e agentes surfactantes. A sede da empresa fica em Iowa, nos Estados Unidos, possuindo também instalações adicionais em Kansas e em Wisconsin.

Em julho de 2007, ocorreu uma explosão e um incêndio na instalação da empresaem Valley Center, Kansas, que exigiu a retirada de quase seis mil habitantes da região, além da destruição de tanques da unidade e uma queda significativa nos negócios da Barton.

O U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board (CSB), entidade que investigou o acidente, concluiu que a explosão inicial ocorreu dentro de um tanque de armazenagem vertical que continha nafta VMP, similar, no Brasil, ao solvente para borracha (SPB) e ao diluente de tintas. Trata-se de um líquido inflamável hidrocarbônico da classe IB da National Fire Protection Association (NFPA), que pode produzir misturas de vapor e ar inflamáveis dentro de tanques e, devido à sua baixa condutividade, acumular níveis perigosos de eletrici­dade estática.

A explosão inicial ocorreu após o supervisor de tancagem iniciar a trans­ferência do compartimento final de um caminhão-tanque contendo nafta VMP para um tanque de armazenagem com 57 mil litros, como ilustra a Figura 4.

Química e Derivados, Tanque de nafta VMP da Barton Solvents, Solventes

Figura 4 – Tanque de nafta VMP da Barton Solvents. Clique para ampliar.

Os efeitos da explosão foram desas­trosos, causando incêndios em vários tanques próximos dele, além de pedaços de tanques, de válvulas e de tubulações terem sido arremessados contra a co­munidade local. O topo de um tanque colidiu com um trailer localizado a cerca de90 metrosde distância da planta industrial, e uma válvula de pressão a vá­cuo atingiu uma loja a aproximadamente120 mde distância, como ilustram as Figuras 5 e 6.

Química e Derivados, Projétil do topo de um tanque, Solventes

Figura 5 – Projétil do topo de um tanque que atingiu um trailer

Química e Derivados, Projétil de uma válvula de pressão a vácuo, Solventes

Figura 6 – Projétil de uma válvula de pressão a vácuo que atingiu uma loja

O CSB atribuiu a uma conjunção de vários fatores a causa da explosão inicial:

O topo do tanque continha uma mistura vapor-ar inflamável;

Enchimento intermitente, ar na tubulação de transferência, sedimen­tos e água presentes dentro do tanque causaram um acúmulo de eletricidade estática no tanque de nafta VMP;

O tanque possuía um sistema de medição do nível de líquido por meio de boia flutuante, que provavelmente criava uma centelha durante o enchimento;

A Ficha de Informação de Segurança de Produtos Químicos para a nafta VMP envolvida no acidente não comunicou adequadamente o risco de explosão.

Preocupados com as consequências das graves explosões ocorridas em suas plantas industriais nas décadas de 80 e 90, os países pertencentes à União Europeia editaram a Diretiva 1999/92, também conhecida como Atex 137, que estabeleceu desde 1° de julho de 2003 os requisitos mínimos para a segurança e saúde dos trabalhadores expostos a ris­cos derivados de atmosferas explosivas, determinando a obrigatoriedade de os riscos de explosão estarem devidamen­te documentados pelos empregadores, bem como as medidas de controle adotadas nas unidades industriais. Neste contexto, a avaliação do risco de descar­gas eletrostáticas está contemplada em seu artigo 4.

Aditivos antiestáticos – Os aditivos antiestáticos, quando adicionados aos solventes originais, aumentam a sua condutividade e, consequentemente, diminuem a possibilidade de descargas por faíscas, reduzindo o risco de incên­dios e/ou explosões.

Esses aditivos são desenvolvidos à base de polímeros com proprieda­des intrinsecamente condutoras, que promovem facilmente a transferência iônica da carga elétrica ao longo de sua cadeia molecular. São empregados em diversos processos industriais, por exemplo, na fabricação de plásticos especiais, nos quais podemos citar os compostos glicerinados e os à base de amônio quaternário, que devem ser do­sados com cuidado para não prejudicar o desempenho do material aditivado.

Com o propósito de minimizar os ris­cos de acidentes com a geração de cargas eletrostáticas em indústrias de tintas, a Petrobras Distribuidora S/A desenvol­veu sua linha de produtos “BR AE”, de solventes aditivados com antiestáticos: Aguarrás BR AE, Solbrax ECO 145/210 BR, AB-9 BR AE, SPB BR AE, Tolueno BR AE e Xileno BR AE.

O Querosene de Aviação (QAV), comercializado pela Petrobras Distribuidora S/A, possui aditivo dissi­pador de cargas estáticas. Um procedi­mento interno estabelece os requisitos aplicáveis ao QAV-1.

As propriedades físico-químicas dos produtos “BR AE” estão mostradas na Tabela 1.

 

Química e Derivados, Propriedades físico-químicas dos produtos "BR AE", Solventes

Tabela 1: Propriedades físico-químicas dos produtos “BR AE”. Clique para ampliar.

Química e Derivados, Condutivímetro Wayne Kerr, Solventes

Figura 7: Condutivimetro Wayne Kerr, modelo Precision Inductance Analyzer 3245

Dados experimentais – A fim de com­parar a condutividade dos solventes com e sem aditivo antiestático, foram realizados testes experimentais em três solventes comercializados pela Petrobras Distribuidora S/A: tolueno, xileno e acetato de etila. O Centro de Pesquisas e Desenvolvimento Leopoldo Américo Miguez de Mello (Cenpes) promoveu diferentes diluições para cada um dos solventes mencionados. Todas as soluções foram identificadas e acondicionadas em frascos âmbar com batoque, previamente lavados e secos, para evitar interferências nas análises de condutividade.

As medições de condutividade, a 23±2°C, seguiram a norma ASTM D150A, e foram efetuadas pelo Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (Eletrobras CEPEL), usando o conduti­vímetro Wayne Kerr, modelo Precision Inductance Analyzer 3245, apresentado naFigura 7.

 

As Figuras 89 e 10 apresentam os valores de condutividade dos solventes em diferentes concentrações do aditivo antiestático, na frequência de 1.000 Hz. As concentrações são crescentes, conforme mostrado nos gráficos.

Química e Derivados, Xileno - condutividade x concentração / Tolueno - condutividade x concentração, Solventes

Figura 8: Xileno – condutividade x concentração / Figura 9: Tolueno – condutividade x concentração. Clique para ampliar.

 

Química e Derivados, Acetato de etila - condutividade x concentração, Solventes

Figura 10: Acetato de etila – condutividade x concentração. Clique para ampliar.

Conclusões – As conclusões obtidas neste trabalho foram as seguintes:

A aplicação do aditivo antiestático no tolueno e no xileno aumentou consi­deravelmente a condutividade elétrica em relação aos não aditivados, sendo eficaz em seu objetivo de melhorar a segurança dos processos, por serem nor­malmente considerados não condutivos ou semicondutivos;

O aumento da concentração do adi­tivo antiestático nos solventes testados ocasionou um aumento da condutivi­dade elétrica, tendendo a aditivação ótima estar em torno de três vezes a concentração inicial de referência. No caso do xileno, a adição do antiestático aumentou a condutividade do produto em 43 vezes em relação à condutividade do solvente sem aditivo. No tolueno, a adição do antiestático aumentou a con­dutividade do produto em 20 vezes em relação à condutividade do solvente sem antiestático;

Visto ser o acetato de etila classi­ficado como um líquido condutivo, a aditivação não alterou significativamente a condutividade elétrica do produto;

O conhecimento das características físico-químicas dos produtos é impor­tante para prevenir explosões, em es­pecial em operações de carregamento. Exemplificando, um caminhão que ante­riormente contivera um produto de alta pressão de vapor, tal como um solvente, se recebesse um novo carregamento, agora de um produto de baixa condu­tividade e baixa pressão de vapor, sem ter passado por uma adequada operação de limpeza, poderia produzir uma “ines­perada” atmosfera inflamável em seu interior durante o novo carregamento. Desta forma, procedimentos de seguran­ça devem estar implantados e devem ser do conhecimento de todos os operadores;

Até o momento não se tem conheci­mento de que o produto adicionado aos solventes interfira nas características das tintas produzidas, fato explicado pelas baixas quantidades adicionadas do aditi­vo antiestático e da sua compatibilidade química, sendo recomendado que testes de formulação sejam feitos pelas indús­trias para que sejam verificadas eventuais interferências;

A redução do risco de incêndios/explosões pelo processo de aditivação antiestática se mostra efetiva e de sim­ples operacionalização, constituindo um método complementar para prevenção de acidentes em indústrias de tintas;

A redução dos riscos inerentes à indústria de tintas pelo equacionamento do problema de eletricidade estática pode repercutir de forma positiva na diminuição dos custos de contratação/renovação de seguros de plantas novas ou já existentes.

Referências bibliográficas

Normas técnicas:

API 2003 – Protection Against Ignitions Arising Out of Static, Lightning, and Stray Currents, 2003

ASTM D56 – Standard Test Method for Flash Point by Tag Closed Cup Tester

ASTM D86 – Standard Test Method for Distillation of Petroleum Products at Atmospheric Pressure

ASTM D150 – Standard Test Methods for AC Loss Characteristics and Permittivity (Dielectric Constant) of Solid Electrical Insulation

ASTM D850 – Standard Test Method for Distillation of Industrial Aromatic Hydrocarbons and Related Materials

ASTM D891 – 09 – Standard Test Methods for Specific Gravity, Apparent, of Liquid Industrial Chemicals

ASTM D1078 – Standard Test Method forDistillationRangeof Volatile Organic Liquids

ASTM D3114 – Method of Test for D-C Electrical Conductivity of Hydrocarbon Fuels, 1982

ASTM D4052 – 09 – Standard Test Method for Density, Relative Density, and API Gravity of Liquids by Digital Density Meter

ASTM D4308 – Standard Test Method for Electrical Conductivity of Liquid Hydrocarbons by Precision Meter, 2010

ASTM D4367 – 02(2007) – Standard Test Method for Benzene in Hydrocarbon Solvents by Gas Chromatography

ASTM D5134 – 98(2008)e1 – Standard Test Method for Detailed Analysis of Petroleum Naphthas through n-Nonane by Capillary Gas Chromatography

ASTM D6563 – 11a – Standard Test Method for Benzene, Toluene, Xylene (BTX) Concentrates Analysis by Gas Chromatography

ASTM D7148 – 07(2011) – Standard Test Method for Determining the Ionic Resistivity (ER) of Alkaline Battery Separator Using a Carbon Electrode in an ElectrolyteBathMeasuring System

NFPA 30 – Flammable and Combustible Liquids Code, 2008

NFPA 77 – Recommended Practice on Static Electricity, 2007

Diretrizes legais:

ATEX 137 – Diretiva 1999/92/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, de 16 de dezembro de 1999. Disponível em: <http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2000:023:0057:0064:EN:PDF>. Acesso em: 12 set. 2011.

Procedimentos de empresas:

Instrução de Trabalho Corporativa “Eletricidade Estática”, ITC – GESMS – 057-005, rev 03/01/2011, BR Distribuidora

Procedimento “Aditivação de QAV-1 com Dissipador de Cargas Estáticas”, rev 01/07/2010, BR Distribuidora

Artigos técnicos:

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RANGEL Jr., Estellito; da SILVA, Márcio V. O perigo invisível na indústria do petróleo: a eletricidade estática. In: 8º Encontro de Engenharia Elétrica, 2005, Rio de Janeiro. Anais: Universidade Petrobras, 2005.

Incêndio durante enchimento de contêiner! Safety and Chemical Engineering Education, jan. 2009. Disponível em: <http://www.sache.org/beacon/files/2009/01/pt/read/2009-01-Beacon-Portu­guese-s.pdf>. Acesso em: 9 set. 2011.

Mais lições sobre incêndios durante enchimento de contêineres. Safety and Chemical Engineering Education, fev. 2009. Disponível em: <http://sache.org/beacon/files/2009/02/pt/read/2009-02-Beacon-Portuguese-s.pdf>. Acesso em: 9 set. 2011.

PASCON, P.E. Controle da eletricidade estática em plantas químicas. Processos – Soluções de Engenharia. Disponível em: <http://www.pro­cessos.eng.br/Portugues/PDFs/controle_da_eletricidade_estatica_em_plantas_quimicas.pdf>. Acesso em: 9 set. 2011.

RANGEL Jr., Estellito; da SILVA, Márcio V. Riscos devido à eletricidade estática em ter­minais de carregamento de combustíveis. In: I PETROLEUM AND CHEMICAL INDUSTRY CONFERENCE BRASIL, 2006, Rio de Janeiro. Anais: IEEE, 2006.

U.S.CHEMICAL SAFETY AND HAZARD INVESTIGATION BOARD. Washington, DC. Análise de explosão na Barton Solvents. Disponível em: http://www.csb.gov/assets/document/Barton_Case_Study_-_9_18_2008.pdf. Acesso em: 9 set. 2011.

1 comentário

  1. Parabens a ESD pela iniciativa de publicar este belo trabalho apresentado no XII CONGRESSO INTERNACIONAL ABRAFATI e publicado na Revista Química e Derivados 524.
    Dentre os autores estah o professor Estellito Junior, um dos especialistas do pais nos assuntos de prevençao de explosoes e classificaçao de áreas quanto ao risco de atmosferas explosivas.

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