Le direttive ATEX: stato di applicazione. I controlli sugli impianti elettrici

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1 ISO 9001 : 2000 Certificato n Settore Territorio Area Ambiente Energia e Sicurezza Le direttive ATEX: stato di applicazione. I controlli sugli impianti elettrici I pericoli di esplosione entro contenitori segregati o segregabili: l ATEX II e le disposizioni tecniche vigenti Relazione: Ing. G. Mulé Milano, 3 febbraio 2005

2 Impostazione dell intervento ATEX : Direttiva Sociale che impone l Analisi e la valutazione dei Rischi al Datore di lavoro Lo studio del pericolo e l individuazione dei parametri significativi Scelta dei provvedimenti adeguati di PREVENZIONE - MONITORAGGIO PROTEZIONE e/o MITIGAZIONE- EMERGENZA Accenni a case Histories e Novità rispetto alla normazione pre-vigente Ing.Giuseppe Mulè 2

3 Per Fronteggiare i pericoli di esplosione si adottano provvedimenti di : Prevenzione Protezione Mitigazione Informazione Gestione 3

4 PREMESSA IL PROCESSO DI COMBUSTIONE La combustione, o incendio, è un processo chimico esotermico di ossidazione rapida che può essere descritto mediante reazioni chimiche convenzionali. Il processo di combustione del metano con ossigeno si rappresenta ad esempio con la reazione: 1.1 CH O 2 = CO H 2 O La combustione è, in concreto, una reazione chimica nella quale una sostanza, indicata come combustibile, si combina con l'ossigeno fornendo calore. Le condizioni necessarie perché si realizzi il processo chimico di combustione sono : 1) la presenza di combustibile in quantità appropriate; 2) la presenza di ossigeno in quantità appropriate; 3) l'innesco o altra sorgente di attivazione. Queste tre condizioni, necessarie e sufficienti, sono generalmente visualizzate con un triangolo detto triangolo del fuoco illustrato in fig.1.1. Esso serve a evidenziare che non si può avere combustione: a) se il combustibile manca o non è in quantità adeguata; b) se l'ossidante non è presente o è presente in quantità non adeguata; c) se manca la fonte d'innesco o essa non è in grado di fornire l'energia sufficiente a dare inizio alla reazione. Se manca una delle tre condizioni prima citate la combustione non si realizza così come, se durante il processo di combustione viene rimossa una delle condizioni il processo stesso si estingue. 4

5 Fig.1.1 ARIA (OSSIGENO) COMBUSTIBILE INNESCO Si ha incendio se : Non si ha incendio se: Tutti gli elementi sono presenti in misura appropriata Manca un elemento Uno o più elementi non sono presenti in misura sufficiente L equazione 1.1 però non dà indicazioni sul processo di reazione effettivo tra metano e ossigeno; non specifica né qualitativamente né quantitativamente la composizione dei prodotti intermedi; non indica in quale senso procederà la reazione né con quale velocità. L'equazione 1.1 prima riportata dà una indicazione globale della trasformazione chimica specificatamente indicata come combustione. Essa indica che, globalmente, una Kmol di metano reagisce con due Kmol di ossigeno per formare una Kmol di anidride carbonica e due Kmol di acqua; oppure che 16 kg (12+4) kg di metano più 64 (2x32) kg di ossigeno molecolare formano 44 (12+32) kg di anidride carbonica più 36 (2x18) kg di acqua. 5

6 1)Interventi di Prevenzione PARAMETRI E CARATTERISTICHE SIGNIFICATIVE DEL PROCESSO DI COMBUSTIONE PER GLI INTERVENTIDI PREVENZIONE Flash Point Punto di infiammabilità. E la minima temperatura alla quale il liquido infiammabile sviluppa la quantità di vapore sufficiente a formare con aria una miscela infiammabile. A questa temperatura il vapore brucia, ma per tempi breve e non esiste vapore suficiente a mantenere il processo di combustione una volta attivato. Fire Point Punto di incendio, è la minima temperatura alla quale il liquido infiammabile contenuto in un serbatoio aperto non solo sviluppa la quantità di vapore sufficiente a formare con aria una miscela infiammabile ma mantiene il processo di combustione una volta attivato. La temperatura di fire point è superiore a quella del punto di infiammabilità. Nel seguito il flash point ed il fire point verranno descritti più approfonditamente Infiammabilità ed Esplodibilità In termini scientifici i due termini sono equivalenti; indicano l'esistenza delle condizioni necessarie perché la miscela combustibile comburente possa dar luogo alla reazione di combustione. Combustione Insieme dei processi chimici e fisici che avvengono quando un materiale brucia: pirolisi, sviluppo di sostanze volatili, loro ossidazione (per i combustibili solidi: sviluppo di gas alla temperatura di incandescenza ed ossidazione). 6

7 1)Interventi di Prevenzione PARAMETRI E CARATTERISTICHE SIGNIFICATIVE DEL PROCESSO DI COMBUSTIONE PER GLI INTERVENTIDI PREVENZIONE Intervallo di infiammabilità : limite inferiore (LEL) e limite superiore (UEL) La miscela di vapore combustibile e aria potrà essere ignita e bruciare entro un determinato intervallo di rapporti. La miscela non è in grado di bruciare se il contenuto di combustibile nella miscela è inferiore a un determinato valore definito limite inferiore di infiammabilità, LEL,(Low Explosion Limit) e in questo caso che la miscela è troppo povera. Parimenti la miscela non è più in condizione di bruciare quando il contenuto di combustibile è superiore ad un determinato valore definito limite di infiammabilità superiore, UEL (Upper Explosion Limit) e la miscela è detta troppo ricca. Si definiscono : Limite di infiammabilità inferiore Il limite inferiore di infiammabilità indica il valore più basso della concentrazione di vapore o di gas in aria o in ossigeno al di sotto della quale non si riesce a determinare il processo di combustione con qualunque tipo di innesco. 7

8 Limite di infiammabilità superiore Indica la concentrazione di vapori o gas combustibili in aria sopra la quale la fiamma non si propaga più dall'innesco alla miscela. Per diverse sostanze il limite superiore è pari a circa 3,5 volte la concentrazione stechiometrica. Esplosione (da combustione) L'esplosione dovuta ad una combustione è determinata dalla espansione rapida di gas o vapori dovuta all'aumento di temperatura al passaggio di stato, alla variazione del numero di moli che si verifica con grande rapidità e determina un incremento veloce della pressione che, per riequilibrarsi, genera un'onda di propagazione. Altre esplosioni possono avere origine fisica o chimica ed essere causate dalla improvvisa rottura di un contenitore a pressione oppure da una reazione chimica violenta. Di questi tipi di esplosione ci occuperemo nei capitoli seguenti. Esplosione confinata E' l'esplosione che si verifica entro volumi definiti: un vessel, un immobile. Gli effetti di una esplosione confinata possono essere devastanti. Esplosione non confinata E' l'esplosione che si verifica all'aperto. Si realizza, normalmente, a seguito di una perdita di materiale infiammabile se questo, miscelandosi con l'aria, raggiunge i valori compresi entro i limiti di infiammabilità e, successivamente, trova una fonte di innesco. Le esplosioni non confinate sono più rare delle esplosioni confinate poiché le perdite di materiale combustibile frequentemente si diluiscono fino a raggiungere valori inferiori al limite di infiammabilità, specie se la zona è ventilata. Queste esplosioni sono però catastrofiche perché quando accadono, coinvolgono grandi quantità di gas combustibile e zone estese di territorio. 8

9 Deflagrazione E' una esplosione che dà origine a un'onda di pressione che si muove nel mezzo non in reazione con una velocità inferiore alla velocità del suono. La deflagrazione è condizionata dai processi di trasporto di massa e calore. Detonazione E' un'esplosione che dà origine ad un'onda di pressione che si muove nel mezzo non in reazione con velocità superiore alla velocità del suono. 9

10 1.1 a Caratteristiche di infiammabilità dei solventi più comuni SOLVENTE Punto infiammabilità Temperatura di C autoaccensione C Acetato di metile Acetil acetone Acetone Acetonitrile Alcol etilico Alcol isobutilico Alcol isopropilico Alcol metilico Benzene Cicloesano Cicloesanone Cicloesene Clorobenzene Cloruro di metilene Dicloroetano Dimetilacetammide Dimetilformammide Dimetilsolfossido Diossano Eptano Esano Etere etilico Etere di petrolio Etere isopropilico Glicol dietilenico Metil cellosolve Metil etil chetone Piridina Solfuro di carbonio Tetracloruro di carbonio - - Tetraidrofurano Triclorometano - - Toluene

11 Punto di infiammabilità (Flash Point:Fl.P) di alcune sostanze SOSTANZA Tem.eb.( C) Flash Point ( C) Metanolo 65,0 10 Acetaldeide 20,8-38 Etanolo 78,5 12 Ossido di etilene Acrilonitrile 77,5-1 Ossido di propilene 34,3-37 Dietiletere 34,5-45 Metacrilato di metile Pentene 30,0-18 Pentano 36,1-19 Benzene 80,1-11 Esano 69,0-23 Toluene 110,6 4 Eptano 98,4-4 o-xilene 144,4 17 p-xilene 138,3 25 Punti di infiammabilità di miscele acetone e metil etil chetone (MEK)/idrocarburi clorurati. %Vol CH x CH 2 Cl 2 CHCl 3 CCl 4 Cl y 0 Acetone C -19,5 MEK C -7,5 Acetone C -19,5 MEK C -7,5 Acetone C -19,5 MEK C -7,5 5-18,5-6,0-18,0-6,0-19,0-5, ,0-5,0-16,5-4,5-17,5-4, ,0-2,5-15,0-2,0-15,5-1, , , ,5 40-9,5 +3,0-8,5 +6,5-12,5 +5,9 50-6,0-3,0 +13,0-10,0 +9,5 60-2,5 +5,0-6,5 +13,5 70-3, ,5 11

12 Se la temperatura di un liquido è sotto il suo flash point non esiste una concentrazione infiammabile di vapori in aria. Tuttavia se si è in presenza di nebbie o schiume le condizioni di infiammabilità possono sussistere anche al di sotto della temperatura di infiammabilità. Un valore indicativo di concentrazione infiammabile nel caso di nebbie e vapori in aria è di circa 48 mg per litro di aria a 0 C e 101,325 kpa. 12

13 Tab. 1.3 Limiti di infiammabilità determinati a pressione atmosferica e a temperatura ambiente (a) per propagazione verso l'alto in tubo o bombola dal diametro di 50 mm o superiore. I valori riportati sono percentuali in volume. Idrocarburi Sostanza LEL UEL Metano 5,00 15,00 Etano 3,00 12,50 Propano 2,12 9,35 n-butano 1,86 8,41 n-pentano 1,40 7,80 n-esano 1,18 7,40 n-eptano 1,10 6,70 n-decano 0,77 5,35 Etilene 2,75 28,60 propilene 2,00 11,10 1-Butene 1,65 9,95 Acetilene 2,50 80,00 Benzene 1,40 7,10 Toluene 1,27 6,75 o-xilene 1,00 6,00 Cicloesano 1,26 7,75 13

14 Altri composti organici Sostanza LEL UEL Alcool metilico 6,72 36,50 Alcool etilico 3,28 18,95 Alcool n-propilico 2,15 13,50 Alcool n-butilico 1,45 11,25 Acetaldeide 3,97 57,00 Etere dietilico 1,85 36,50 Acetone 2,55 12,80 Metiteilchetone 1,81 9,50 Acido acetico 5,40 - Ossido dietilene 3,00 80,00 Ossido di propilene 2,00 22,00 Formiato di metile 5,05 22,70 Formiato dietile 2,75 16,40 Acetato di metile 3,15 16,50 Acetato di etile 2,18 11,40 Acetato di butile 1,39 7,55 Cloruro di metile 8?25 18,70 Cloruro di etile 4,00 14,80 Clorurodi vinile 4,00 21,70 Dicloroetano 6,20 15,90 Bromuro di metile 13,50 14,50 Metilammina 4,95 20,75 Etilammina 3,55 13,95 14

15 Fig. 1.9 a Fig. 1.9 b Pressione atm abs 0,5 Concentrazione di gas naturale (%vol) Concentrazione del metano (%vol) verso propagazione della fiamma, 20 C Effetto della pressione sui limiti di infiammabilità in aria (Coward and Jones, BM 1952 Bull 503- Gentile concessione del Bureau of Mines) Pressione iniziale (atm) Effetto della pressione sui limiti di infiammabilità del gas naturale in aria Gentile concessione del Bureau of Mines Per gli idrocarburi in particolare, l'aumento di pressione determina un aumento del limite superiore abnorme con la determinazione di una zona indicata con fiamme fredde. E' il fenomeno che si verifica a temperature di molto inferiori a quelle di autocombustione alle quali può aversi una lenta ossidazione che può manifestarsi con una pallida luminescenza bluastra (fiamme fredde) visibile soltanto al buio completo. Alcuni incidenti avvenuti a temperatura ben al di sotto di quella di autocombustione che non avevano trovato giustificazione plausibile sono stati attribuiti ad una transizione dallo stato di combustione a fiamma fredda allo stato di autocombustione, transizione provocata da un brusco aumento di pressione. Come è possibile osservare nel diagramma di Fig infatti un aumento di pressione a temperatura costante può spostare un sistema dalla regione delle fiamme fredde a quella dell'autocombustione. 15

16 Effetti della presenza di gas inerti sui limiti di infiammabilità I limiti di infiammabilità sono condizionati dalla presenza di gas inerte come l'azoto, il biossido di carbonio, o il vapore d'acqua. Per il metano questo condizionamento è mostrato nella fig Il contenuto minimo di gas che impedisce alla miscela di bruciare è riportato, per alcune sostanze, nella tabella 1.5. Tab. 1.5 Contenuto minimo di gas inerte per reprimere l infiammabilità di alcune sostanze in aria Quantità richiesta gs inerte in aria Azoto (%v/v) CO 2 (%v/v) Metano Etano Propano n-butano n-pentano n-esano Etilene Propilene Benzene

17 16 %aria=100 - (%metano+%inerti) 14 Concentrazione del metano in aria (% v/v) CO 2 C st N Gas inerte addizionato (% v/v) Effetto dei gas inerti sui limiti di infiammabilità del metano in aria (Zabekatis, BM 1965 Bull.627) Per gentile concessione del Bureau of Mines In generale il biossido di carbonio determina una riduzione dell'intervallo di infiammabilità superiore all'azoto. Per gran parte dei sistemi gas-aria le miscele sono rese non infiammabili con un'aggiunta del 30% di biossido di carbonio a fronte del 40% di azoto. I dati relativi ai limiti di infiammabilità ottenute in determinate condizioni di temperatura e pressione, con un particolare sistema combustibile - ossidante - inerte, possono essere rappresentati per mezzo di un diagramma triangolare (fig a e 1.14 b). 17

18 %B (100% ) B %C (100% ) A %A (100% ) C %C %B %A Ogni punto del diagramma è rappresentativo di una miscela. Il contenuto percentuale di ogni componente è letto in corrispondenza della intersezione della retta parallela al lato del triangolo opposto al vertice rappresentativo del composto con il 100% di quel componente, con il lato sul quale è riportato il contenuto del componente dallo 0% al 100%. 18

19 Velocità di bruciamento (cm/sec) 100 vol % combustibile Miscela di O 2 e combustibile Troppo ricca per bruciare Campo di infiammabilità Miscela di combustibile e N 2 Limite di O 2 Limite superiore in aria Concentrazione stechiometrica in aria 100 vol % O2 100 vol % N 2 Troppo povera per bruciare Miscela di O 2 e N 2 Linea dell aria Limite inferiore in aria In fig sono riportati infine i rapporti tra la tensione di vapore, i limiti di infiammabilità, il flash point e la temperatura di autoignizione. Fig.1.18 Fig CH 4 in ossigeno CH 4 in aria Concentrazione di vapori infiammabili Miscela vapore saturo/aria Limite superiore di infiammabilità Miscela infiammabile Autoignizione Limite inferiore di infiammabilità 0 1,0 2,0 Concentrazione di gas infiammabile (frazione stechiometrica) Pressione atmosferica e temperatura ambiente Flash point Temperatura Temperatura di autoignizione 19

20 1.2 Energia e fonti d innesco Energia d innesco La quantità minima di energia di innesco (MIE-Minimun Ignition Energy) è la quantità di energia che bisogna fornire al sistema per attivare la reazione. Tutti i combustibili, comprese le polveri, hanno una propria energia di attivazione che varia in funzione della specifica sostanza chimica, della miscela, della concentrazione, della pressione e della temperatura. Le energie minime di innesco per alcune sostanze sono riportate in tabella 1.6 e 1.7. Tab. 1.6 Energia minima di innesco (in mj) in aria, a pressione atmosferica ed a temperatura ambiente, per alcune sostanze (a) Gruppo I - Sostanze con energia minima < 0,25 mj Acetilene 0,02 Etilene 0,096 Acroleina 0,137 Furano 0,225 Benzene 0,22 Idrogeno 0,018 Butadiene 0,175 Idrogeno solforato 0,068 n-butano 0,25 Metanolo 0,215 Cicloesano 0,14 Metilacetilene 0,152 Ciclopropano 0,24 Ossidodi carbonio 0,1 Cloruro di etile - Ossido di etilene 0,087 Cloruro di vinile - Ossido di propilene 0,019 Dimetilammina - n-pentano 0,25 Diossano - Propano 0,25 n-eptano 0,25 Solfuro di carbonio 0,015 n-esano 0,25 Vinilacetilene 0,082 Etano 0,24 20

21 Gruppo II - Sostanze con energia minima fra 0,25 e 0,6 mj Acetaldeide 0,376 Metano 0,28 Alcool isopropilico 0,65 Metinetilchetone 0,28 n-butene 0,28 2-Pentene 0,40 Di-Butilperossido 0,40 Propilene 0,28 Dimetilsolfuro 0,48 Proprionaldeide 0,32 Etere dietilico 0,49 Tetraidrofurano 0,54 Etere dimetilico 0,29 Tiofene 0,39 Formiato di metile 0,40 Gruppo III - Sostanze con energia minima > 0,6 mj Acetato di etile 1,42 Etere di isopropilico 1,14 Acetato di vinile 0,70 Isottano 1,35 Acetone 1,15 Trietilammina 0,75 Ammoniaca >100 (a) Sono indicati i valori minimi tra quelli riportati in letteratura. 21

22 Combustibile Pressione (atm) Energia minima (mj) Metano 1 0,29 Propano 1 0,26 Eptano 1 0,25 Idrogeno 1 0,03 Propano (mole%) [O 2 /(O 2 +N 2 ][100] ,004 0,5 1 0,012 0,21 1 0,15 1 0,5 0,01 Constarch dust 0, 3 Iron dust 0,12 22

23 Innesco per compressione adiabatica Altro fenomeno che può determinare l'innesco di una miscela è la sua compressione adiabatica. E' quello che succede ad esempio nel cilindro di un'automobile nel quale la miscela combustibile aria può essere innescata se il vapore è compresso adiabaticamente fino a raggiungere la temperatura di autoaccensione. Proprio questo fenomeno è quello che determina la precombustione e il conseguente "battere in testa" nei motori troppo caldi e, a volte, il fatto che motori surriscaldati continuano a girare dopo lo spegnimento. Diversi grossi incidenti sono stati originati da vapori di sostanze infiammabili aspirati entro compressori di aria e riscaldati, per compressione, fino alla temperatura di autoaccensione. Questo fenomeno può verificarsi in un compressore specie se l'eventuale refrigerante posto a valle di esso dovesse risultare incrostato, otturato o intercettato. La temperatura che si può raggiungere può essere calcolata ipotizzando un comportamento assimilabile a quello dei gas ideali in una compressione adiabatica. 1) Calcoliamo la temperatura finale ottenuta comprimendo da 1 a 36 atm. assoluta l'aria in un serbatoio contenente esano liquido. Partendo da una temperatura iniziale di 38 C e sapendo che la temperatura di autoignizione è di 533 K e che il dell'aria è di 1,4 si ha 0,4 1,4 36 T f = 311 = 851,78 K > 533 K 1 Temperatura superiore alla temperatura di accensione dell'esano in aria che determinerebbe l'esplosione della miscela di vapori di esano e aria formatasi entro il compressore. 23

24 2) Altro esempio interessante può essere quello di considerare cosa può accadere al lubrificante dei pistoni nei compressori di aria. Un olio lubrificante normale può avere una temperatura di autoaccensione di 400 C. Vediamo quale può essere la pressione di compressione dell'aria che può far raggiungere una temperatura dell'aria pericolosa. Applicando l'equazione prima scritta P f P i = Tf Ti γ ( γ 1) = 1,4 0, = 17,3 Quindi comprimendo adiabaticamente l'aria da 1 ata a 17,3 ata possiamo determinare una temperatura pericolosa per l'olio lubrificante. 24

25 INTERVENTI DI PROTEZIONE Per studiare i pericoli di una combustione con riferimento ai provvedimenti di protezione bisogna considerare: -Stechiometria e bilanci -Termochimica :(Effetti termici della reazione) -Termodinamica: (Equilibri chimici) -Cinetica: (Velocità di trasformazione) - Fenomeni di trasporto: (Limitazione alla velocità di trasformazione) 25

26 Reazione chimica di combustione Bilancio stechiometrico di una reazione generica In una generica reazione : αa+ βb = ρr+ σs Poiché una mole (=grammo molecola) di un gas ideale occupa in condizioni normali (0 C, pressione atmosferica) 22,414 litri (volume molare standard), una reazione che avviene con aumento (o diminuzione) del numero di moli, avviene anche con aumento (o diminuzione) di volume. In generale : -Se ρ + σ > α+ β la reazione determina aumento di volume (cioè del numero di moli) : Esempio : CH 4 + H 2 O = CO + 3 H 2 -Se ρ + σ = α+ β la reazione non determina variazione di volume : Esempio : CO + H 2 O = CO 2 + H 2 -Se ρ + σ < α+β la reazione determina diminuzione di volume : Esempio : CO + 2 H 2 O = CH 3 OH 26

27 Termodinamica delle reazioni di combustione Bilancio energetico Quando in un sistema ha luogo una reazione chimica il bilancio termico richiede di prendere in considerazione le entalpie standard dei componenti, poiché cambia la loro natura. Le entalpie standard di formazione vengono desunte da tabelle; per convenzione sono riferite a 25 C ed a pressione P=1 atm=0,102 Mpa. Sempre per convenzione sono nulle le entalpie standard degli elementi. Supponiamo per semplicità una reazione che avvenga a temperatura costante. Poniamo : H A, H B, H R, H S, entalpie dei componenti alla temperatura T H A = H 0 A + T T 0 c pa dt Entalpia iniziale Entalpia finale (alla conversione x) H 1 = a 0 H A + b 0 H B + r 0 H R + s 0 H S H 2 = a 0 (1-αx)H A + (b 0 - βa 0 x) H B + (r 0 + ρa 0 x) H R + (s 0 + σa 0 x) H S Il calore svolto o assorbito dalla reazione è : Q = H 2 H 1 H reazione è il calore in gioco quando 1 mole di A (reagente limitante) si combina con β moli di B per dare ρ moli di R e σ moli di S. Se H reazione < 0 è Q <0 : il sistema perde energia (e la cede all ambiente) reazione esotermica. Se H reazione > 0 è Q >0 : il sistema riceve energia (dall ambiente) reazione endotermica. 27

28 Consideriamo il calore di combustione del metano. La reazione, già vista è : CH O 2 = CO H 2 O Reazione a 25 C (i prodotti di reazione vengono raffreddati a 25 C) H CH4 = -74,89 kj/mole H 02 = 0 kj/mole (elemento) H CO2 = -393,69 kj/mole H H2O = -241,95 kj/mole (stato gassoso) H reazione = -393,69 2 (241,95) ,89 = - 802,7 kj/mole Una mole occupa 22,414 litri in condizioni normali (0 C; 0,102Mpa) e a 25 C : (22,414)(298/273)=24,466 litri. Per 1 m 3 (= 1000 litri), poichè a T=costante è Q = H reazione : Q = -802,7 (1000/24,466) = kj/m 3 Si definisce Potere Calorifico Inferiore il calore che si sviluppa nella combustione di 1m 3 di sostanza, per il metano quindi : Potere Calorifico Inferiore kj/m 3 = 7838 Kcal/m 3 : 28

29 Consideriamo il caso limite : combustione adiabatica, Q (scambiato) = 0. Deve essere H 1 =H 2. Se è nota la temperatura iniziale, l unica incognita in questa equazione è la temperatura finale (temperatura adiabatica di combustione). In questo caso la temperatura finale è tanto maggiore quanto minore è la massa gassosa che viene riscaldata dal calore di reazione : quindi quanto minore è l eccesso di reagenti e la presenza di inerti. CH 4 + 2,4 O 2 + 9,02 N 2 = CO H 2 O + 0,4 O 2 + 9,02 N 2 (rapporto azoto/ossigeno nell aria = 3,76) 29

30 Temperatura adiabatica di combustione Consideriamo l esempio del metano bruciato con il 20% di aria in eccesso visto precedentemente: CH 4 + 2,4 O 2 + 9,02 N 2 = CO H 2 O + 0,4 O 2 + 9,02 N 2 Consideriamo le condizioni : pressione atmosferica ; temperatura aria e metano (reagenti) 25 C. Dati chimico-fisici : CH 4 H 0 = J/mole O 2 H 0 = 0 J/mole c p = 34, ,00108 T N 2 H 0 = 0 J/mole c p = 27, ,00419 T CO 2 H 0 = J/mole c p = 43, ,01147 T H 2 O H 0 = J/mole c p = 34, ,00063 T Entalpia del metano e aria a 25 C : H 1 = 1(-74890) + 2,4 (0) + (9,02)(0)= J/mole Entalpia dei prodotti di combustione : 30

31 CO 2 H CO2 = H 0 CO2 + T T c p dt H CO2 = (43,283)(T-298) +0,00573(T ) = ,283 T+ 0,00573 T 2 T H 2 O H H 2O = H 0 H 2O + c p dt T H H2O = (34,408)(T-298) +0,000315(T ) = ,408 T+ 0, T T O 2 H O2 = H 0 O2 + c p dt T H O2 = (34,618)(T-298) +0,00054(T ) = ,618 T+ 0,0054 T 2 N 2 H N 2 = H 0 N 2 + T T c p dt H N2 = (27,209)(T-298) +0,0021(T ) = ,209 T+ 0,0021 T 2 H 2 = (1)( ,283 T+ 0,00573 T 2 ) + + (2)( ,408 T+ 0, T (0,4)( ,618 T+ 0,0054 T 2 ) + + (9,02)( ,209 T+ 0,0021 T 2 ) = = ,371 T + 0,02552 T 2 Per Q = 0 è H 2 = H ,371 T + 0,02552 T 2 = 0 T = -371,371 + [(371,371) 2 +4(0,02552)(915616)] 0,5 / [(2)(0,02552)] T = 2148 K = 1875 C 31

32 L aumento di pressione (considerando valida la legge dei gas perfetti) risulta : P 2 /P 1 = (n 2 T 2 )/(n 1 T 1 ) = 1875/298 = 6,29 Consideriamo adesso la combustione, sempre per il metano, senza eccesso d aria: CH O 2 + 2*2,376 N 2 = CO H 2 O + 7,52 N 2 T = -316,71 + [(316,71) 2 +4(0,02552)(899047)] 0,5 / [(2)(0,0222)] T = 2426 K = 2153 C L aumento di pressione (considerando valida la legge dei gas perfetti) risulta : P 2 /P 1 = (n 2 T 2 )/(n 1 T 1 ) = 2426/298= 8,14 Consideriamo infine la combustione per il metano, con solo ossigeno: CH O 2 = CO H 2 O T = 6053 K = 5780 C L aumento di pressione(considerando valida la legge dei gas perfetti) risulta : P 2 /P 1 = (n 2 T 2 )/(n 1 T 1 ) = 5780/298= 19,4 Riepilogando i risultati ottenuti : Combustione con 20% ecc. di aria :T adiabatica = 1875 C P 2 /P 1 = 6,29 Combustione senza eccesso di aria :T adiabatica = 2153 C P 2 /P 1 = 8,14 Combustione con solo ossigeno : T adiabatica = 5780 C P 2 /P 1 = 19,4 32

33 Fig Pressione di esplosione (bar-gauge) LEL UEL Concentrazione di gas infiammabili (vol %) Limiti di infiammabilità per un vapore tipico 33

34 1.2 CINETICA DELLA COMBUSTIONE I processi di combustione hanno queste caratteristiche: 1) si verificano ad alte temperature; 2) si svolgono in tempi brevi, date le elevate velocità con cui avvengono, proprio a causa delle alte temperature; 3) danno luogo ad elevati gradienti di temperatura e di concentrazione. a) Velocità di incremento della pressione Altro parametro importante per considerazioni di ordine progettuale connessi alla prevenzione è il gradiente di pressione nel tempo 2.19 In fig. 2.4 è mostrato l'andamento della pressione in funzione del tempo per una miscela al 9,4% V/V di metano in aria.[3] 34

35 Pressione in una esplosione, kpa a Tempo(sec) Fig. 2.4 Andamento della pressione in funzione del tempo per una miscela al 9,4% V/V di metano in aria L'andamento è di tipo esponenziale con un tratto di andamento pronunciatamente rettilineo che consente, ove occorra, di considerare in alcuni tratti il valore di. dp P = dt t Si vede altresì che nei primi 70 ms si ha un aumento di solo 101 KPa mentre nei successivi 70 millisecondi si ha un incremento di 517 KPa. Si osserva sperimentalmente che il dp/dt massimo si raggiunge verso la fine della esplosione e cioè quando la fiamma ha raggiunto la parete del vessel. 35

36 I recipienti sottoposti all AZIONE di gas o di vapori o degli uni e degli altri insieme, sviluppantisi nell interno di essi per l azione del calore e per effetto di azioni chimiche semprechè nella camera di elaborazione o sulle pareti che la circondano si eserciti una pressione superiore all atmosfera. 36

37 ISO 9001 : 2000 Certificato n Settore Territorio Area Ambiente Energia e Sicurezza Le direttive ATEX: stato di applicazione I controlli sugli impianti elettrici Documento di valutazione dei rischi in ambienti con pericolo di esplosione Milano, 3 febbraio 2005

38 PREMESSA Il Documento sulla protezione contro le esplosioni : è redatto ai sensi dell art. 88-novies, titolo VIII-bis del D.Lgs. 12 giugno 2003, n. 233 "Attuazione della direttiva 1999/92/CE relativa alle prescrizioni minime per il miglioramento della tutela della sicurezza e della salute dei lavoratori esposti al rischio di atmosfere esplosive"; costituisce parte integrante del documento di valutazione dei rischi redatto ai sensi del D.Lgs. 626/94 art. 4; è soggetto a revisione ogni qual volta i luoghi di lavoro, le attrezzature o l organizzazione abbiano subito modifiche, ampliamenti o trasformazioni rilevanti.

39 PREMESSA ed inoltre precisa: che sono stati individuati e valutati i rischi di esplosione; che saranno adottati adeguati provvedimenti per realizzare gli obiettivi prefissati dal Decreto; quali sono i settori ripartiti e classificati in zone; quali sono i luoghi a cui si applicano le prescrizioni minime di cui all Allegato XV-ter del decreto; che i luoghi e le attrezzature di lavoro, ivi compresi i dispositivi di allarme, sono concepiti, impiegati e mantenuti in efficienza, tenendo nel debito conto la sicurezza; che, a norma del D.Lgs. 626/94, sono stati adottati gli accorgimenti del caso per il corretto e sicuro utilizzo delle attrezzature di lavoro.

40 NORMATIVA Il D.Lgs. 233/2003 si applica alle attività industriali in cui siano presenti sostanze in grado di formare un atmosfera esplosiva e prescrive al Datore di Lavoro: di effettuare la valutazione dei rischi preliminarmente; di riesaminare le misure tecniche e organizzative di prevenzione e della protezione contro le esplosioni periodicamente e, in ogni caso, ogniqualvolta si verifichino cambiamenti rilevanti; di prendere in base alle risultanze, tutte le misure di prevenzione e protezione, collettiva ed individuale, necessarie a ridurre al minimo il rischio.

41 Classificazione aree Perdita strutturale / anomala Ventilazione AND Presenza atmosfera esplosiva Fallimento / Assenza sistemi di blocco perdita AND Esplosione Efficacia dell'innesco AND Innesco Presenza di lavoratori AND Rischio di danno per i lavoratori Presenza di fonte di innesco Fallimento / Assenza dispositivi di mitigazione Conformità degli apparecchi Organizzazione del lavoro / Prevenzione / Protezione

42 D ati su lle zo n e: Probabilità della presenza di atm osfere esplosive D urata della presenza di atm osfere esplosive Inform azioni sulle fonti di accensione D ati attività: M odalità di lavorazione Tipo di im pianti S o stan ze u tilizzate L ivello d i in fo rm azio n e e fo rm azio n e E n tità d eg li effetti prevedibili Valutazione prelim inare del rischio com plessivo m ediante algoritm i Basso Livello di rischio N on basso Esito valutazione Caso dubbio No Sì V alu tazio n e d ettag liata del rischio con program m i di calcolo sp ecifici e/ o m isu razio n i Predisposizione del D ocum ento sulla protezione contro le esplosioni Elim inazione o riduzione del rischio m ediante m isure specifiche di prevenzione e protezione Inform azione e form azione per gli operatori Verifica del m antenim ento delle condizioni necessarie a garantire la protezione contro le esplosioni Valutazione periodica del rischio Istruzioni operative scritte e autorizzazioni al lavoro V erifica dei sistem i di evacuazione e aggiornam ento Piano di Em ergenza M isure per il controllo di fughe o em issioni M onitoraggio dell atm osfera dell am biente di lavoro M isure per il controllo delle fonti di innesco Verifica dell adeguatezza degli im pianti e delle apparecchiature

43 RACCOLTA INFORMAZIONI Classificazione in Zone (da UNI EN / UNI EN ) Zona 0. Zona 1. Zona 2. Zona 20. Zona 21. Zona 22. Area in cui è presente IN PERMANENZA o per LUNGHI PERIODI o FREQUENTEMENTE un'atmosfera esplosiva consistente in una miscela di aria e di sostanze infiammabili sotto forma di gas, vapore o nebbia. Area in cui la formazione di un'atmosfera esplosiva, consistente in una miscela di aria e di sostanze infiammabili sotto forma di gas, vapori o nebbia, è probabile che avvenga OCCASIONALMENTE durante le normali attività. Area in cui durante le normali attività NON E PROBABILE la formazione di un'atmosfera esplosiva consistente in una miscela di aria e di sostanze infiammabili sotto forma di gas, vapore o nebbia o, qualora si verifichi, sia unicamente di breve durata. Area in cui è presente IN PERMANENZA o per LUNGHI PERIODI o FREQUENTEMENTE un'atmosfera esplosiva sotto forma di nube di polvere combustibile nell'aria. Area in cui la formazione di un'atmosfera esplosiva sotto forma di nube di polvere combustibile nell'aria, è probabile che avvenga OCCASIONALMENTE durante le normali attività. Area in cui durante le normali attività NON E PROBABILE la formazione di un'atmosfera esplosiva sotto forma di nube di polvere combustibile o, qualora si verifichi, sia unicamente di breve durata.

44 CLASSIFICAZIONE DEI LUOGHI IN ZONE PERICOLOSE PER POSSIBILE FORMAZIONE AtEx Zona Probabilità di atmosfera esplosiva in 1 anno Durata complessiva di atmosfera esplosiva in 1 anno ona 0 P > 10-1 Oltre h (1) ona > P > h fino a h (2) ona > P > ,1 h fino a 10 h (3) 1) ) ) FREQUENTE / CONTINUA OCCASIONALE IMPROBABILE

45 RACCOLTA INFORMAZIONI Descrizione delle attività Elenco di tutti gli agenti infiammabili pericolosi da considerare, in quanto rilasciati dalle sorgenti di emissione: materie prime, intermedi, prodotti finiti, rifiuti. Definizione dei quantitativi di agenti chimici utilizzati, prodotti o stoccati in azienda. Per ciascun agente chimico, proprietà chimico fisiche: stato fisico, volatilità di solidi e liquidi, granulometria dei solidi, facilità di ignizione, intervalli di concentrazione esplosiva, caratteristiche di esplosività. Le modalità di lavorazione. Le caratteristiche degli impianti, comprese le misure di prevenzione e protezione adottate per il controllo del rischio da atmosfere esplosive. Il livello di formazione e informazione dei lavoratori, l esistenza di procedure, istruzioni di lavoro e permessi di lavoro speciale.

46 RACCOLTA INFORMAZIONI Sostanze impiegate nome e numero CAS; data dell ultimo aggiornamento delle scheda di sicurezza; indici di pericolosità calcolati (per effetti diretti dell esplosione e, se pertinente, per effetti tossici da inalazione a seguito di esplosione); caratteristiche di esplosività dell agente, qualora disponibili: minima energia di innesco, concentrazione di infiammabilità del combustibile e caratteristiche dell esplosione; frasi di rischio R ; simboli di pericolo ed etichettatura.

47 RACCOLTA INFORMAZIONI Fonti di accensione (da UNI EN ) 1. Superfici calde 2. Fiamme e gas caldi (incluse le particelle calde) 3. Scintille di origine meccanica 4. Materiale elettrico 5. Correnti elettriche vaganti, protezione contro la corrosione catodica 6. Elettricità statica 7. Fulmini 8. Onde elettromagnetiche a radiofrequenza (RF) da 10 4 Hz a 3*10 12 Hz 9. Onde elettromagnetiche da 3*10 11 Hz a 3*10 15 Hz 10. Radiazioni ionizzanti 11. Ultrasuoni 12. Compressione adiabatiche e onde d'urto 13. Reazioni esotermiche, inclusa l autoaccensione delle polveri 14. Combustione di uno strato di polveri o di altro materiale combustibile

48 RACCOLTA INFORMAZIONI Entità degli effetti prevedibili le caratteristiche della sostanza che esplode (in particolare la pressione massima di esplosione); il volume di miscela combustibile/aria in condizioni di esplosività, così come individuabile in base alla informazioni riportate nel documento di classificazione in Zone a rischio di esplosione; il livello di ostruzione /confinamento della nube, codificato in: - nube completamente confinata: nube in apparecchiatura o ambiente chiuso oppure presenza nella nube di ostacoli ravvicinati, ossia con una frazione di ingombro (intesa come rapporto tra il volume occupato dagli ostacoli e il volume totale dell'area in condizioni di esplosività) superiore al 30% e una distanza tra gli ostacoli inferiore ai 3 m; - nube parzialmente confinata: nube a contatto con 2 o più pareti/barriere oppure presenza di ostacoli all'interno della nube, ma con una frazione di ingombro inferiore al 30% e/o una distanza tra gli ostacoli superiore ai 3 m; - nube non confinata: assenza di pareti (tranne il terreno) e di ostacoli.

49 Categorie apparecchi / Fonti innesco / Condizioni operative / Zone Relazione tra categorie di apparecchi, frequenza di occorrenza per presenza fonti di innesco, condizioni operative e presenza di atmosfera esplosiva Cat. apparecchio Frequenza fonte innesco Condizione operativa 1 Molto raro Raro malfunzionamento 2 Raro Possibile malfunzionamento 3 Non credibile in normale funzionamento Normale funzionamento COMPATIBILITÀ Zona (MINIMA) Atmosfera esplosiva 0/20 continua 1/21 occasionale 2/22 improbabile