PREVENZIONE DI INFORTUNI SUL LAVORO DA ATMOSFERE ESPLOSIVE. Il rischio da atmosfere esplosive e sua valutazione. Luca Marmo

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1 PREVENZIONE DI INFORTUNI SUL LAVORO DA ATMOSFERE ESPLOSIVE Il rischio da atmosfere esplosive e sua valutazione l Luca Marmo Direttore del laboratorio Esplosività Polveri, Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia Luca.marmo@polito.it

2 Cosa è una esplosione? Metodo #2 #1 Acqua Caffè Aprite il gas Attendete Accendeteil ilcaffè bruciatore Accendere Attendete ilcaffè bruciatore CH 4 +2O 2 (+2*3,76N 2 ) CO 2 +2H 2 O(+2*3,76N 2 ) 890 KJ/mol 2

3 Cosa è una esplosione? Reazione (combustione) molto rapida Libera una grande quantità di energia Energia Calore Espansione L di t t d i PV = nrt Legge di stato dei gas P V = i i P V = f n f i n RT f i RT f V costante P f = P i n f n i RT RT i f P costante V f = V i n f n i RT RT 3 i f

4 Cosa è una esplosione? Pressione aumenta per l espansione dei gas, max incremento circa 8-12X Apparecchiature speciali Apparecchiature Strutture civili 4

5 Interfaccia: Scambio di materia Scambio di calore Combustione di un solido V = πd 6 3 D A 6 a = V 6 = D D 2 A = πd D H A 1 2 πd2 H 2 a = = 4 + V = A = 2 π D + π DH V D H 4 5

6 Chi è colpito Abbasi, T. Abbasi S.A., Dust explosions Cases, causes, consequences, and Luca control, Marmo - Journal of Hazardous Materials 140 (2007)

7 Chi è colpito 7

8 Pentagono dell esplosione Una esplosione avviene quando ho la concomitanza di questi fattori (si dice ) Confinamento Innesco efficace Dispersione Comburente Combustibile 8

9 Confinamento #1? Polverino di legno. MIE =660 mj AITC=460 C Pmax 7,6 bar St1 99,3%>250 mm, 36,4>500mm Scarico di un silo Pregresso incendio covante 9

10 Confinamento #1? 10

23 Dispersione Si deve formare una nube. La concentrazione deve essere compresa entro i limiti d infiammabilità: Limite Inferiore d Infiammabilità, LEL Limite superiore d infiammabilità UEL Il secondo esiste solo concettualmente, ma non è misurabile, e comunque le polveri sedimentano, quindi è come se non esistesse. Trasporto, ventilazione, vibrazioni, pulizia inadeguata o esplosione primaria. 23

24 Dispersione 25 W 2 meteri Nube a concentrazione > LEL Ordini di grandezza: da alcune decine a alcune centinaia Luca dimarmo g/m 3-24

25 Dispersione 25

26 Comburente L Ossigeno dell aria è ubiquitario. Propagazione di fiamma fino a 12% (polveri metalliche 5%) Significativo effetto della granulometria) Altri ossidanti: perossidi, Fluoro, Cloro, Nitrato di Ammonio 26

27 Innesco efficace Veicoli Apparecchi di processo Impianti elettrici Superfici calde Housekeeping Elettrostatica 27

28 Innesco efficace 28

29 Innesco efficace-elettrostaticaelettrostatica 29

30 Esplosioni primarie e secondarie 30

35 Esplosioni primarie e secondarie Finitura superficiale mediante nastro abrasivo Aspirazione della polvere e mediante serie di collettori abbattimento a a secco 35

37 Domanda 1: è una polvere pericolosa? NFPA 68. Dust: finely divided solid, 420 μm or less in diameter NFPA 68. Combustible dust: a combustible particulate solid that presents a fire or deflagration hazard when suspended in air or some other oxidizing medium over a range of concentration, regardless of particle size or shape. EN1127. For mists and dusts a degree of dispersion sufficient to produce an explosive atmosphere can be reached if the droplet or particle size falls below 1 mm. 37

38 Risposta: Forse si se Carbone Zucchero Metalli Plastica Legno Farmaci 38

39 Domanda 1: è una polvere pericolosa? 1. È combustibile 2. È disperdibile 3. È sufficientemente reattiva. Dimensione è un fattore determinante. Dimensionei Disperdibilità Reattività ità 39

40 Domanda 1: è una polvere pericolosa? 2D D Diametro =2D Diametro = D 40

41 Domanda 1: è una polvere pericolosa? 2D 3 3 ( 15 ( 2D) + 15D ) = 1, 651 D 3 nidi i d = 3 = 3 n i i d D n d ( 15 2D + 15D) i i i a = = 1, 5 ni 30 i = 41 D

42 Domanda 1: è una polvere pericolosa? 2D d = 3 3 ( 15 ( 2D) + 15D ) ( 2 D ) + 15 D 3 nidi = 2 ni di 15 ( ) i s = 1, 8 i D D 42

43 Domanda 2: dimensione??? 43

44 Domanda 2: dimensione??? 44

45 Domanda 3: dove acquisire le caratteristiche della polvere? Database GESTIS-DUST-EX, gestito da Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) STAUB-EX/index-2.jsp Ad oggi contiene dati relativi a 4605 campioni 45

46 46

47 Tutto semplice, ma. 47

48 Tutto semplice, ma. Limits of applicability There are limits of applicability of the combustion and explosion characteristics specified in these tables. They are based on the wide variation possibilities in the nature of the dusts (e.g. composition, particle size distribution, surface structure, moisture content), on the one hand, and on the dependence d of the numerical value of the characteristics ti on the test t methods, on the other. Hence, the user must always be aware that the tabulated values can only serve as a guideline for the design of preventive and protective measures. Above all, the data should indicate which substances have already been tested, whether the substances are dust-explosible and on what scale the most important data can be expected. They frequently illustrate the problem involved with combustible dusts, i.e. that t very different values can occur for what appear to be the same dusts. This highlights the need to test the dust to be handled whenever it is unclear if certain important influencing factors, such as composition, fineness and moisture content, coincide completely with the existing conditions in the case to be assessed.. 48

49 Ad esempio, l Alluminio Alluminio. 49

50 Le variabili caratterizzanti Natura chimica Dimensione (distribuzione granulometrica) Morfologia (sfere, dischi, fibre, flakes,ecc.) Umidità Stato superficiale 50

51 Le variabili caratterizzanti Abbasi, T., Abbasi, S.A., Dust explosions Cases, causes, consequences, and control, Journal of Hazardous Materials 140 (2007) 7 44 Reattività Aumenta con... Diminuisce con abbassamento della concentrazione minima di esplosività 2. abbassamento dell energia energia minima di 1. presenza di gruppi chimici quali Cr, Br, F 2. presenza di materiali inerti innesco 3. velocità di combustione in concentrazione del 10/20% 3. umidità >30% 4. velocità massima di incremento di pressione 5. presenza di gruppi reattivi (COOH, OH, NH 2, C N, C=N, N=N) 6. presenza di una porzione di particelle fini anche modesta 7. aumento della concentrazione di ossigeno 51

52 Le variabili caratterizzanti Abbasi, T., Abbasi, S.A., Dust explosions Cases, causes, consequences, and control, Journal of Hazardous Materials 140 (2007) 7 44 Reattività Aumenta con... Diminuisce con... Concentrazione minima di esplosione 1. aumento del contenuto di umidità 2. aumento della concentrazione di polvere inerte in miscela 1. diminuzione della dimensione delle particelle 2. aumento di materiale volatile 3. aumento della concentrazione di ossigeno Temperatura minima di innesco 1. aumento del contenuto di umidità 2. aumento della concentrazione di polvere inerte in miscela 1. diminuzione della dimensione delle particelle 2. aumento della concentrazione di ossigeno 3. aumento della concentrazione di ossigeno 4. aumento dello spessore dello strato di polvere 52

53 Le variabili caratterizzanti Abbasi, T., Abbasi, S.A., Dust explosions Cases, causes, consequences, and control, Journal of Hazardous Materials 140 (2007) 7 44 Reattività Aumenta con... Diminuisce con... Concentrazione limite massima di diminuzione della temperatura della polvere aumento della temperatura della polvere ossigeno Pressione massima diminuzione della dimensione delle di esplosione particelle (influenza ridotta) Massima velocità 1. diminuzione della dimensione delle 1. aumento del contenuto di di aumento di pressione particelle 2. aumento del materiale volatile presente umidità della polvere 2. aumento della concentrazione di polvere inerte in miscela Energia minima d innesco 1. Diminuzione della dimensione 2. Presenza di una anche modesta 1 aumento dell umidità Aumento delle dimensioni frazione di fini 3. Presenza di un combustiile gassoso Aumento della turbolenza 53

54 I parametri caratterizzanti Parametri per la classificazione di esplosività : la Temperatura Minima di Innesco di polvere in strato (MIT) la temperatura minima di innesco di polvere in nube l Energia Minima i di Innesco (MIE) Limite Inferiore di Esplosività (LEL) la massima pressione di esplosione (p max ) il massimo incremento della pressione (dp/dt) max la costante di esplodibilità (K St ) la Concentrazione Limite di Ossigeno (LOC) Altri Infiammabilità, Sensitività da impatto Auto ignizione, i i Decomposizione, i 54

55 Caratterizzazione di un campione Quale che sia il parametro misurato, una caratterizzazione i dovrebbe comprendere almeno: 1. La distribuzione granulometrica, o almeno il decimo, cinquantesimo e novantesimo percentile (d 10, d 50 e d 90 ) 2. Il contenuto di umidità 55

56 TEMPERATURA DI AUTOACCENSIONE IN NUBE Determinazione della temperatura t minima i diinnesco in nube secondo CEI EN Forno Godbert-GreenwaldGreenwald 56

57 TEMPERATURA DI AUTOACCENSIONE IN NUBE, SIGNIFICATO Valutazione della sensibilità all innesco termico di una polvere aerodispersa Sensibilità alla presenza di ambienti surriscaldati (attriti meccanici, apparecchiature elettriche) Definizione di temperature limite di sicurezza per macchinari 57

58 TEMPERATURA DI AUTOACCENSIONE IN STRATO Determinazione della temperatura di innesco di uno strato di polvere secondo EN

59 TEMPERATURA DI AUTOACCENSIONE IN STRATO, SIGNIFICATO Valutazione della sensibilità all innesco di polveri disposte in strato di 5 mm (limite definito per industrie con un buon standard di pulizia) Valutazione di possibilità di innesco con combustione a brace Definizione di T superficiale limite per apparecchiature e grado di manutenzione e pulizia 59

60 ENERGIA MINIMA D INNESCO Energia minima di innesco secondo UNI EN 13821: 2004 Scarica capacita o capacitivo/induttiva Valutare la suscettibilità all innesco elettrico o elettrostatico 60

61 INDICE DI ESPLOSIVITÀ KST, UNI EN : 2006 UNI EN : 2006 DP/DT DT, P MAX 61

62 INDICE DI ESPLOSIVITÀ K ST DP/DT DT, P MAX, LOC Si definiscono: ST, P max massima pressione di esplosione [barg] dp/dt Velocità massima di aumento di pressione [bar/s] K st Indice di esplosività del materiale 62

63 INDICE DI ESPLOSIVITÀ, SIGNIFICATO Classificazione St, ai fini del dimensionamento i dei sistemi di protezione Ma.. 63

64 CONGESTIONE 64

65 CONGESTIONE 65

66 CONGESTIONE 66

67 CONGESTIONE 67

68 CONGESTIONE 68

69 CONGESTIONE 69

70 CONGESTIONE 70

71 CONGESTIONE 71

72 CONGESTIONE 72

73 CONGESTIONE 73

74 CONGESTIONE 74

75 CONGESTIONE 75

76 CONGESTIONE 76

77 CONGESTIONE 77

78 CONGESTIONE 78

79 CONGESTIONE 79

80 LIMITE INFERIORE DI ESPLOSIVITÀ Limite inferiore di esplosione secondo UNI EN :2006 Significato: Classificazione Dimensionamento (es captazione) 80

81 CLASSE DI COMBUSTIONE BZ Secondo VDI 2236: 2008 Si classifica la polvere in base alla presenza o assenza di fiamma, propagazione della fiamma o rapida estinzione dalla classe 1 (mancata diffusione fiamma) a 6 (rapida combustione con propagazione di fiamma) 81

82 CLASSE DI COMBUSTIONE BZ Risultato del test Classe CL/P Prodotti di riferimento (20 C) C/BZ Nessuna accensione 1 Sale da cucina Breve combustione, rapido spegnimento Assenza di 2 Aid Acido Tartarico, grani idi malto Combustione localizzata o propagazione bagliore praticamente senza 3 Lattosio D+, Mais propagazione Combustione a brace o lenta decomposizione senza fiamma 4 Acido 1-Amino-8-naftol-3,6- disolfonico, Tabacco, cacao Propagazione veloce con fiamme Propagazione 5 Zolfo Combustione molto rapida con fiamma o rapida 6 Polvere da sparo decomposizione senza fiamma 82

83 CLASSE DI COMBUSTIONE SIGNIFICATO Possibilità di inneschi conseguenza di combustione a brace 83

84 AUTOACCENSIONE AIT = f(v)! 84

85 SENSIBILITÀ ALL IMPATTO 85

86 SENSIBILITÀ ALL IMPATTO grave di 5 10 kg campione di polvere di circa 40 mm 3 o 100 mg Test di combustione o decomposizione Effetti: detonazione, fumo, fiamme o scintille Pericolo ad es. per operazioni come la macinazione.

87 L UTILITÀ DELLE MISURE Limite inferiore di esplosività Temperatura minima di accensione di depositi idi polvere di polvere aerodispersa Massima concentrazione di ossigeno Minima concentrazione di inerte Pressione massima di esplosione Costante di esplosione KSt Dimensionare il sistema di captazione Classificare l impianto in zone Individuare le fonti di innesco da superfici calde Programmare P la manutenzione Predisporre i modi e l accuratezza della pulizia Dimensionare l inertizzazione: Gas inerte a circuito chiuso/aperto Sistemi di soppressione parziale/totale Dimensionare i sistemi di protezione 87

88 POLVERI NON CONVENZIONALI Fibre Nanoparticelle

89 POLVERI NON CONVENZIONALI Ivan Iarossi, Paul R. Amyotte, Faisal I. Khan, Luca Marmo, Ashok G. Dastidar, Rolf K. Eckhoff, Explosibility of polyamide and polyester fibers, Journal of Loss Prevention in the Process Industries 26 (2013) 1627e

90 Grazie per l attenzione 90