Flamma fumo est proxima. Paolo Cardillo. Dove c è fumo c è fiamma

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1 Flamma fumo est proxima Dove c è fumo c è fiamma Paolo Cardillo pcardillo@alice.it

2 Incendio? Un incendio è una reazione chimica che coinvolge la rapida ossidazione, cioè la combustione, di un combustibile con un comburente e conseguente generazione di calore e di una fiamma visibile. combustibile + ossidante prodotti di combustione + energia (calore)

3 Triangolo del fuoco

4 Stechiometria Consideriamo le reazioni di combustione completa del metano in ossigeno (1) e in aria (2): CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O (1) CH 4 + 2O 2 + 2(3,76)N 2 CO 2 + 2H 2 O + 2(3,76)N 2 (2) L aria è costituita dal 21% di ossigeno e dal 79% di azoto, quindi per ogni mole di ossigeno presente nella reazione avremo 3,76 moli di azoto (79/21 = 3,76)

5 Concentrazione stechiometrica CH 4 + 2O 2 + 7,52N 2 CO 2 + 2H 2 O + 7,52N 2 Una reazione, così come scritta sopra, é stechiometricamente bilanciata: il combustibile e il comburente sono presenti in un rapporto tale per cui tutto il carbonio è ossidato a CO 2 e tutto l idrogeno a H 2 O. E molto facile calcolare la conc. stechiometrica del metano (% in vol.) e dell aria (detta anche aria teorica). Le moli totali dei reagenti sono: 1CH 4 + 2O 2 + 7,52N 2 = 10,52 per cui la C st del CH 4 sarà 1/10,52 x 100 = 9,5% e quella dell aria sarà 9,52/10,52 x 100 = 90,5%.

6 Calore di combustione C + O 2 CO 2 ΔH = -393,50 kj/mol H 2 + 1/2O 2 H 2 O ΔH = -240,96 CO + 1/2O 2 CO 2 ΔH = -283,00 CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O ΔH = -802, 3 CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O ΔH = -890,3 Tutte le reazioni di combustione sono chiaramente esotermiche e quindi avvengono con rilascio di energia (calore). E possibile ricavare per calcolo, nei casi semplici, o sperimentalmente questa quantità di calore (calore di combustione, ΔH c ).

7 Legge di Hess Il ΔH c può essere facilmente calcolato conoscendo i calori di formazione dei reagenti e dei prodotti (ΔH f ) e applicando la legge di Hess: ΔH c = Σ ΔH f prodotti - ΣΔH f reagenti

8 Applicazione della legge di Hess alla combustione del metano CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O(l) C, O 2, H 2 (i ΔH f degli elementi, per convenzione sono uguali a 0) CO 2 = -393,5 kj/mol H 2 O g = -241,8 H 2 O l = -285,8 CH 4 = -74,8 per la legge di Hess avremo: ΔH c = [(-393,5) + (-285,8 x2)] - [(-74,8) + (0)] = -965,1 + 74,8 = -890,3 kj/mol

9 Come si è visto nel caso del metano (ma questo vale per tutti i combustibili che contengono idrogeno) si ottengono due valori del ΔH c secondo lo stato fisico dell acqua che si forma tra i prodotti di combustione: liquida o allo stato di vapore (gas). La differenza è fornita dal calore di evaporazione dell acqua (44 kj/mol a 25 C). Nelle fiamme, negli incendi, nella maggior parte delle combustioni industriali, l acqua rimane come vapore e, di conseguenza, è più appropriato utilizzare il dato con l acqua come vapore.

10 Potere calorifico Si definisce potere calorifico di un combustibile la quantità di calore generata nella combustione totale dall unità di peso (kg per i solidi e i liquidi) o di volume m 3 (per i gas). Per i combustibili che contengono idrogeno o umidità, si distinguono due poteri calorifici: Potere calorifico superiore, quando l acqua è considerata allo stato liquido; Potere calorifico inferiore, quando l acqua è considerata allo stato di vapore.

11 Potere calorifico La relazione tra i due poteri calorifici è data da: PCI = PCS x (U + 9H) 100 U = % in peso di acqua (umidità) contenuta nel combustibile H = % in peso di idrogeno contenuto nel combustibile 600 = kcal necessarie all evaporazione di 1 kg di acqua.

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13 Limiti di infiammabilità di alcuni gas e vapori a T e P ambiente e con aria come comburente Li, % vol Ls, % vol Li, % vol Ls, % vol Idrocarburi Idrocarburi Metano 5 15 Etilene 2,7 37 Etano 3 12,4 Propilene 2,4 11 Propano 2,1 9,5 Butilene 2,0 9,6 Butano 1,8 8,4 Butadiene 2,0 9,6 Pentano 1,4 7,8 Acetilene 2,5 100 Esano 1,2 7,4 Benzene 1,3 7,9 Eptano 1,0 6,7 Toluene 1,2 7,1 Ottano 0,9 6,0 Xilene 1,1 6,4 Nonano 0,8 5,8 Etilbenzene1,0 6,7 Decano 0,7 5,6 Stirene 1,1 6,1

14 Limiti di infiammabilità - segue Alcoli Eteri A. metilico 6,7 36 E. metilico 3,4 18 A. etilico 3,3 19 E. etilico 1,9 48 A. propilico 2,2 14 E. isopropilico 1,4 21 A. butilico 1,7 12 E. vinilico 1,7 27 Ossido etilene 3,0 100 Ossido propilene 2,8 37

15 Temperatura adiabatica della fiamma CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O CH 4 + 2O 2 + 7,52N 2 CO 2 + 2H 2 O + 7,52N 2 In entrambe le reazioni una mole di metano reagisce con due moli di ossigeno; poiché è presente, in entrambi i casi, la stessa quantità di combustibile la quantità di calore rilasciata sarà la stessa per le due reazioni. Diversa è invece la temperatura finale raggiunta dai gas di combustione: nel caso dell aria, l azoto che non partecipa alla reazione di combustione, assorbirà una parte del calore generato agendo come diluente termico, per cui la temperatura finale raggiungibile sarà minore rispetto alla combustione con il solo ossigeno.

16 Temperatura adiabatica di fiamma di una miscela stechiometrica a 25 C C 3 H 8 + 5O ,8N 2 3CO 2 + 4H 2 O + 18,8N 2 ΔH = kj/mol Questa quantità di calore riscalderà i prodotti di combustione ad una certa temperatura. moli J/mol C J/ C CO ,3 162,9 H 2 O 4 41,2 164,8 N 2 18,8 32,7 614,9 Totale 942,5 ΔT = /942,5 = 2169 C Tfin = E IN OSSIGENO??????

17 Temperatura adiabatica di fiamma di una miscela al limite inferiore a 25 C Il limite inferiore del propano è 2,2 % vol. 0,022C 3 H 8 + 0,978 (0,21O 2 + 0,79N 2 ) prodotti C 3 H 8 + 9,34O ,12N 2 3CO 2 + 4H 2 O + 4,34O ,12N 2 Con lo stesso tipo di calcolo visto in precedenza (dovremo però tenere conto del c p dell ossigeno in eccesso): ΔT = /1595 = 1281 C

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19 Fattori che influenzano i limiti di infiammabilità Direzione propagazione della fiamma Dimensioni del reattore (volume, diametro) Temperatura e Pressione Natura del comburente Presenza di gas inerti Presenza di altri gas infiammabili Criterio utilizzato per definire l infiammabilità della miscela

20 Limiti di infiammabilità dell idrogeno in funzione della direzione di propagazione della fiamma e delle dimensioni del reattore Propagazione della fiamma verso l alto Diametro Lunghezza Li Ls % vol. 7,5 cm 150 cm 4, , ,0 72 Propagazione della fiamma verso il basso Diametro Lunghezza Li Ls % vol. 7,5 cm 150 cm 8,8 74,5 5, ,0 74

21 Variazione dei limiti dell etilene con la temperatura T, C Li, % Ls, % 25 2, , ,2 58

22 Variazione dei limiti dell etilene con la pressione P, bar Li, % Ls, % 5 2, , , ,3 69

23 Limiti di infiammabilità di alcuni combustibili in miscela con diversi ossidanti a 25 C e P atm. Aria O2 Cl2 N2O NO2 Li Ls Li Ls Li Ls Li Ls Li Ls Metano ,1 61 5,6 70 4,3 23 8,6 22 Etano 3 12, , Etilene 2,7 36 2, , Idrogeno ,6 66

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25 Diagrammi di infiammabilità del metano con diversi diluenti Inerte, % in vol. Cp, cal/mol C argo 51 5 elio 39 5 azoto 37 7 H 2 Ov 29 8,1 CO ,9 CCl

26 Ossigeno minimo di sicurezza di alcuni combustibili N 2 CO 2 N 2 CO 2 Acetato di metile 11 13,5 Acetone 11,5 14 Acido solfidrico 7,5 11,5 Alcol etilico 10,5 13 Alcol metilico Benzene 11,4 14 1,3-Butadiene 10,5 13 n-butano 12 14,5 1-Butene 11,5 14 Ciclopropano 11,5 14 n-eptano 11,5 14,5 n-esano 12 14,5 Etano 11 13,5 Etere etilico 10,5 13 Etere metilico 10,5 13 Etilene 10 11,5 Formiato di 10 13,5 Idrogeno 5 5,2 metile Isobutano Isobutilene Isopentano 12 14,5 Metano 12 14,5

27 Punto di infiammabilità (Flash Point) La temperatura più bassa alla quale il vapore sviluppato dal liquido forma con l aria una miscela che si infiamma sotto l azione di una sorgente di accensione.

28 Solvente Li, % vol FP, C acetato di etile 2,2-4 acetone 2,6-19 alcol metilico 6,0-16 alcol etilico benzene 1,4-11 dimetil solfossido 2,6 95 eptano 1,0-4 esano 1,2-22 etere etilico 1,7-45 glicol etilenico 3, solfuro di carbonio 1,0-30 piridina 1,8 +20

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30 Principali sorgenti di innesco FIAMME MATERIALI INCANDESCENTI SUPERFICI CALDE SALDATURA E TAGLIO FRIZIONE E IMPATTO SCINTILLE ELETTRICHE COMPRESSIONE ADIABATICA AUTOACCENSIONE SOSTANZE PIROFORICHE ELETTRICTA STATICA

31 Energia minima di accensione, mj acetaldeide 0,4 acetone 1,15 acetilene 0,003 ammoniaca 680 acetato di etile 1,42 alcol metilico 0,21 benzene 0,55 butano 0,3 cicloesano 1,38 ciclopentano 0,54 ciclopropano 0,24 dimetilsolfuro 0,48 etere dietilico 0,49 etere dimetilico 0,29 etil ammina 2,40 furano 0,22 idrogeno 0,016 idrog. solforato 0,07 isoottano 1,35 metano 0,21 metil etil chetone 0,53 pentano 0,28 propano 0,25 solf. di carbonio 0,015 tetraidrofurano 0,54 tiofene 0,39

32 Temperatura di autoaccensione di alcuni gas e vapori, C idrogeno 580 metano 537 etano 515 prpano 493 etilene 490 propilene 455 benzene 498 toluene 482 xilene 464 stirene 490 cicloesano 246 alcol metilico 386 alcol etilico 363 acetone465 etere etilico 160 acetonitrile 524 esano 225 solf. carbonio 90

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39 Carico d incendio (Fire Load) Potenziale termico della totalità dei materiali combustibili contenuti in uno spazio, ivi compresi i rivestimenti dei muri, delle pareti provvisorie, dei pavimenti e dei soffitti. Convenzionalmente è espresso in kg di legno equivalente (potere calorifico inferiore kcal/kg). q = Σ (g i x H i )/4.400 x A dove g i = quantità in Kg del generico combustibile i H i = potere calorifico in Kcal/Kg del generico combustibile i = potere calorifico in Kcal/Kg del legno A = superficie in pianta del locale (m 2 )

40 Materiali Legno ( arredi, infissi, soffitti) Tessuti ( tendaggi ) Carta e cartone ( libri, manoscritti ) Abiti Potere calorifico ΔH = kcal/kg ΔH = kcal/kg ΔH = kcal/kg ΔH = kcal/kg

41 Trasferimento del calore In un incendio, il calore è sempre trasferito dalla massa a temperatura più alta a quella a temperatura più bassa. Il trasferimento di calore è misurato in termini di flusso di energia per unità di tempo (kilowatt). Quanto maggiore è la differenza di temperatura tra gli oggetti tanto più alta sarà la velocità di trasferimento del calore. Il trasferimento di calore avviene attraverso tre meccanismi: Conduzione Convezione Irraggiamento.

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