Ventilação em Instalações de Hidrogênio: Por que é um Fator Crítico de Segurança

Ao projetar uma instalação de hidrogênio, a ventilação adequada é um dos aspectos mais críticos. Diferentemente do propano, que se acumula ao nível do solo, o hidrogênio sobe e se concentra próximo a tetos, coberturas e marquises. Quando isso não é levado em conta no projeto, vazamentos podem criar condições perigosas de forma silenciosa e rápida.

Propriedades do hidrogênio que impactam o projeto de ventilação

Ao projetar um sistema de ventilação para instalações de hidrogênio, diversas propriedades do gás precisam ser consideradas em função do seu impacto nos riscos de incêndio e explosão:

• Baixa densidade energética por volume: o hidrogênio exige pressurização significativa em várias aplicações, como postos de abastecimento. As pressões operacionais podem atingir 700 bar, de modo que mesmo pequenos vazamentos criam nuvens inflamáveis expressivas.
• Ampla faixa de inflamabilidade: a faixa de 4 a 75% torna a formação de uma atmosfera inflamável muito mais provável do que com combustíveis hidrocarbonetos convencionais.
• Flutuabilidade: o hidrogênio tende a subir e se acumular em pontos elevados quando há confinamento vertical, como tetos, cúpulas e marquises.
• Alta difusividade: dispersa-se rapidamente por causa do baixo peso molecular, o que pode ser uma vantagem em ambientes bem ventilados ou um risco em espaços confinados.
• Baixa energia mínima de ignição: sem ventilação adequada, o hidrogênio pode se dispersar em direção a fontes de ignição que, com combustíveis convencionais, nem precisariam ser consideradas.
• Alta velocidade de chama laminar: entre 25 e 50% de concentração, a velocidade de chama laminar, e consequentemente as sobrepressões de explosão, é máxima.
• Propensão à detonação: o hidrogênio é suscetível à detonação na presença de obstrução ou confinamento, levando a sobrepressões mais elevadas e consequências mais graves do que uma deflagração convencional.

Riscos do hidrogênio em espaços fechados

Em instalações de produção de hidrogênio, equipamentos como compressores operam sob pressões muito elevadas. Selos e flanges são considerados prováveis fontes de vazamento. Se um vazamento ocorrer em um espaço fechado com ventilação deficiente, uma explosão violenta pode ocorrer com a ignição, especialmente se a concentração atingir entre 25 e 50%, onde a velocidade de chama laminar é mais alta.

Quando combinado com certo grau de confinamento e congestionamento, como racks de tubulação ou outros equipamentos próximos, há uma probabilidade significativa de ocorrer uma transição de deflagração para detonação (DDT). Por causa da alta velocidade de chama laminar, da energia de combustão e da propensão à detonação, as sobrepressões resultantes podem causar perda de vidas e danos severos à instalação.

Por isso, um sistema de ventilação eficaz não é um acessório: é um elemento central da estratégia de mitigação de riscos.

Um caso real: quando a ventilação inadequada tem consequências graves

As consequências de sistemas de ventilação inadequados em instalações de hidrogênio não são apenas teóricas. Um exemplo notável é o incidente de 1977 na Usina Nuclear de Millstone, nos Estados Unidos, onde duas explosões de hidrogênio ocorreram após um vazamento no sistema de off-gas do reator de água em ebulição.

O gás hidrogênio escapou por um selo no sistema de off-gas e se acumulou em um espaço confinado. Uma faísca de um interruptor de nível foi considerada a fonte de ignição mais provável. Como resultado das explosões, duas pessoas ficaram feridas e ocorreu uma pequena liberação de radiação.

A causa primária foi o selo impróprio no sistema. Porém, a ausência de ventilação adequada e de um sistema de detecção de gases no local onde o gás se acumulou foram fatores determinantes para a gravidade do evento. Com ventilação e detecção eficazes instaladas, a explosão poderia ter sido evitada, ou teria resultado em consequências muito menos graves.

Princípios de uma ventilação eficaz em instalações de hidrogênio

Um sistema de ventilação eficaz dilui rapidamente um vazamento de hidrogênio abaixo do LII, limita o tamanho e a reatividade da nuvem inflamável e impede que o gás alcance fontes de ignição. O gás extraído deve ser direcionado para um local seguro. O projeto pode variar consideravelmente conforme a aplicação, e os principais fatores a considerar incluem:

• Tipo de ventilação: natural ou forçada, dependendo da disponibilidade, confiabilidade, eficácia e custo exigidos.
• Posição e dimensionamento das aberturas: considerando a flutuabilidade do H₂, as entradas de ventilação natural devem ficar próximas ao nível do solo e as saídas em pontos elevados, projetadas para evitar curto-circuito e promover fluxo cruzado sobre os pontos de vazamento potencial.
• Taxa de ventilação mecânica: deve ser suficiente para diluir um vazamento, reduzir a reatividade e o tamanho da nuvem e evitar acúmulo.
• Extração local (LEV): os pontos de extração devem ser posicionados próximos aos pontos de possível vazamento, como compressores, selos e flanges.
• Ventilação de fundo ou extração de emergência: deve-se avaliar se os sistemas operam continuamente ou se a detecção automática integrada responde com rapidez suficiente. No segundo caso, a localização dos detectores e os pontos de ajuste precisam ser bem definidos.
• Intertravamento com equipamentos: equipamentos que possam atuar como fontes de ignição devem ser intertravados para desligamento caso o sistema de ventilação ou extração falhe.
• Redução de congestionamento e confinamento: o nível de congestionamento e confinamento deve ser reduzido ao máximo para promover o fluxo de ar e mitigar o acúmulo de gás.

Vale destacar que, devido às altas pressões utilizadas em aplicações de hidrogênio gasoso, a ventilação isolada pode não ser suficiente para evitar a formação de atmosfera inflamável. Localização de fontes de ignição, detecção e isolamento automáticos e alívio de explosão também devem ser considerados na fase de projeto.

Projetando sistemas de ventilação otimizados com modelagem CFD

Projetar sistemas de ventilação adequados exige um equilíbrio cuidadoso entre segurança e investimento. É importante evitar tanto o superdimensionamento, que gera custos desnecessários, quanto o subdimensionamento, que compromete a segurança e pode resultar em modificações custosas ou acidentes futuros.

Esse equilíbrio é possível com ferramentas avançadas de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD), como o software FLACS da Gexcon, utilizado pela PSM Expert em estudos de segurança de processo. Essas ferramentas simulam com precisão o comportamento de vazamentos de hidrogênio, considerando as complexidades da geometria e as condições atmosféricas. Veja em detalhe a nossa análise CFD de dispersão e explosão.

O que os estudos de dispersão no FLACS permitem avaliar

• Determinar o tamanho e a reatividade de uma nuvem inflamável sob diversas configurações: arranjos de ventilação, locais de vazamento, tamanhos de orifício, taxas e durações.
• Identificar áreas de acúmulo de gás (os "pontos mortos") para aprimorar os arranjos de ventilação.
• Avaliar diferentes condições climáticas, níveis de congestionamento e confinamento em áreas com ventilação natural.
• Avaliar diferentes taxas de extração mecânica, posições e dimensionamentos de extração local (LEV).
• Determinar concentrações de gás em áreas críticas, incluindo regiões próximas a possíveis fontes de ignição.

A modelagem de explosão pode ser baseada na nuvem inflamável identificada nos cenários de dispersão, permitindo avaliar se as consequências de um vazamento com ignição são toleráveis ou se medidas adicionais são necessárias para reduzir a nuvem.

Os limites da ventilação em aplicações de alta pressão

Em um cenário ideal, um sistema de ventilação seria projetado para diluir um vazamento de forma tão eficaz que uma atmosfera inflamável jamais se formaria. No entanto, uma avaliação da Gexcon (Hazards 32, 2022) demonstrou que, para aplicações de hidrogênio de alta pressão (em torno de 500 bar) em ambientes fechados, é improvável que a ventilação isolada seja suficiente para evitar que um vazamento entre na faixa inflamável. Isso decorre da ampla faixa de inflamabilidade e das altas pressões operacionais exigidas em aplicações como postos de abastecimento de hidrogênio.

Conclusão

O hidrogênio possui propriedades únicas que exigem atenção especial aos arranjos de ventilação nas instalações que o manuseiam. Os sistemas devem ser projetados para reduzir o tamanho e a reatividade da nuvem de gás em caso de vazamento, diminuindo assim as consequências de uma explosão.

O projeto dos sistemas de ventilação é altamente dependente da instalação em questão e deve levar em conta as propriedades do hidrogênio. A orientação especializada aliada à modelagem CFD garante que o sistema seja ao mesmo tempo otimizado e economicamente eficiente.

Embora a ventilação desempenhe papel fundamental na redução de riscos, outras medidas de mitigação também devem ser consideradas, especialmente em sistemas de alta pressão, onde a ventilação isolada pode não ser suficiente para evitar a formação de uma atmosfera inflamável.

Fonte: baseado na publicação Gexcon, Ventilation for hydrogen facilities. A PSM Expert utiliza os softwares FLACS, EFFECTS e RISKCURVES da Gexcon em estudos de segurança de processo. Referências: HIAD 2.1 (Hydrogen Incident Database); Almeida Leñero et al., "Is ventilation your trustworthy old friend when it comes to hydrogen?", Hazards 32, 2022.