Pericoli legati ai gas compressi Concetti di base

Pericoli legati ai gas compressi
Concetti di base
Prof. Andrea Pochini
Utilizzo di gas compressi e liquefatti
Concetti di base per una corretta individuazione dei pericoli e valutazione dei conseguenti
rischi
Energia chimica (Gas infiammabili e comburenti)
Danni biologici (Gas tossici – Sottossigenazione)
Energia meccanica (Pressione)
Gas inerti (Azoto, anidride carbonica, argon, elio) : gas non reattivi – possono dar
luogo a fenomeni di sottossigenazione.
Gas infiammabili (Acetilene, idrogeno, metano, butano,propano): gas che bruciano
in presenza di aria o ossigeno, se miscelate in certe proporzioni, formando CO2 ed H2O
e liberando notevoli quantità di energia termica o calore.
Gas comburenti (Ossigeno, aria compressa) : sono gas che attivano la combustione
delle sostanze infiammabili e combustibili (sovraossigenazione).
Gas tossici, corrosivi (Ammoniaca, cloro)
- Gas monoatomici (Gas nobili: Elio, Argon ecc)
- Gas poliatomici (Idrogeno H2 – Ossigeno O2 – Azoto N2 – Anidride carbonica CO2 –
Metano CH4 – Propano C3H8 ecc.)
I vari Atomi sono caratterizzati da una situazione elettronica diversa
Gas nobili situazione stabile a bassa energia
Gli Atomi cercano di raggiungere una situazione elettronica a più bassa energia
condividendo gli elettroni e formando legami che portano ad una molecola ad
energia minore (maggiore stabilità)
Peso Atomico (H 1; C 12; N 14; O 16) o Molecolare riferito a 6 x 1023 atomi o molecole
(H2 PM=2 – O2 PM=32 – N2 PM=28 – CO2 PM=44 – CH4 PM=16 – Propano C3H8
PM=44) Mole = Peso in g pari al Peso Molecolare
Da un punto di vista energetico le reazioni chimiche fra le molecole sono favorevoli
quando si formano molecole con legami più stabili di quelli delle molecole di partenza
Variazione energetica favorevole in una reazione
chimica condizione necessaria ma non sufficiente
perché la reazione avvenga in modo spontaneo es.:
CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O
Reazione energeticamente possibile ma
cineticamente (velocità con cui avviene la reazione)
bloccata a temperatura ambiente
Velocità della reazione = Numero di molecole che
reagiscono per unità di tempo
- Aumento della Temperatura Aumento della
velocità di reazione
Reazione spontanea: Energia dei prodotti più bassa + Velocità della reazione accettabile
Bisogna fornire Energia iniziale (Energia attivazione) ai Combustibili per reagire con Aria
INCENDIO = Processo di combustione non controllato
Combustibile: sostanza capace di ossidarsi cedendo elettroni ad un ossidante
(comburente) in una reazione chimica. Es. H2 (Idrogeno) CH4 (metano),
Comburente: Sostanza capace di ridursi acquistando elettroni. Es.: O2 (ossigeno), Aria
(miscela ca. 20% di O2 e 80% di N2),
Combustione: Reazione fortemente esotermica (con liberazione di calore) fra il
combustibile e il comburente.
Combustione di Gas: Temperatura di Autoaccensione (Ta) (Voce 9 SDS)
Misura l’Energia di attivazione che determina la cinetica della combustione Temperatura
minima alla quale il combustibile inizia a bruciare spontaneamente in presenza di comburenti
(normalmente aria) senza necessità di un innesco come una fiamma od una scintilla.
Se non si raggiunge la Ta non avviene la reazione di combustione.
Es. H2 560°C CH 4 595°C Acetilene 305°C
- Limiti di infiammabilità (Flash point) inferiore e superiore (Voce 9 SDS)
Miscela compresa entro i valori limiti del campo di infiammabilità, se innescata, da luogo ad
una combustione con propagazione della fiamma (reaz. autosostenuta).
Quantità combustibile troppo piccola = Miscela povera
Quantità combustibile troppo elevata = Miscela troppo ricca
Acetilene 2,4 - 83
Scheda di Sicurezza (SDS)
Prodotto :
METANO
9 PROPRIETÀ FISICHE E CHIMICHE
Peso molecolare (g/mol)
16
Punto di ebollizione
- 161 °C
Punto di fusione
- 183 °C
Temperatura critica
- 83 °C
Densità relativa, gas (aria=1)
0,6
Densità relativa, liquido (acqua=1)
0,42
Tensione di vapore a 20 °C
Non applicabile
Solubilità in acqua (mg/l)
26
Aspetto Gas
Incolore
Odore
Nessuno
Temperatura di autoaccensione
595 °C
Limiti di infiammabilità (vol % in aria)
5 – 15
Temperatura di Autoaccensione e Limiti di infiammabilità – Aria come comburente
In Ossigeno puro la Ta si abbassa e si ha un più ampio campo di infiammabilità
Pericolo maggiore per Sovraossigenazione (Rilascio di ossigeno)
27 gennaio 1967 incendio su capsula Apollo con la morte di tre astronauti per O2
Confronto Combustione ed Esplosione
Combustibile
Contenuto
Rilascio di Energia
Fattori che controllano
energetico
per unità di tempo
la velocità della reazione
10
1
es Benzina
Esplosivo
es TNT
Trasferimento
di calore (T)
1
108
Onda d’urto (P)
Esplosioni: rapidi rilasci di gas ad elevata pressione e temperatura nell’ambiente con
conseguenti danni a persone e cose.
Molto più pericolosi degli incendi sono le esplosioni combustioni in cui il rilascio
energetico (energia meccanica e termica) per unità di tempo potenza = energia
rilasciata per unità di tempo) è molto più elevato con conseguenti maggiori danni a
persone e cose.
La contemporanea presenza nella fase gas del combustibile e del comburente favorisce
la combustione di tipo esplosivo
Deflagrazioni – Propagazione della fiamma con velocità minore del suono
(subsonica) Forti sovrappressioni
Detonazione – Propagazione della fiamma con velocità superiore a quella del suono
(supersonica) Fortissime sovrappressioni
GAS PERFETTI
Gas in cui le molecole non interagiscono fra di loro
P = f(n,V,T)
P x V = n x R x T (R = costante)
in cui P è il valore della pressione del gas;
V è il volume occupato dal gas;
n sono il numero di moli del gas;
R è la costante universale dei gas, il cui valore varia in funzione delle unità di misura
adottate per esprimere le altre grandezze nell'equazione;
T è la temperatura assoluta del gas, espressa in kelvin T(K) = T(°C) + 273,15
Il valore di R nel Sistema internazionale è: R = 8.3145 J/moli x °K oppure R = 0,0821 l x Atm/
moli x °K
n (numero di moli) = g/PM
1 mole = 6 x 1023 molecole
1 mole di tutti i gas perfetti ad 1 Atm e 0°C occup a 22,4 litri
Bombola di gas con stessi V, P e T contiene lo stesso N°di moli di gas
200 Atm x 40 litri = n x 0,0821 x 293°K (20°C) n= 332,57 moli
A volume ed n costanti (bombola) dipendenza lineare fra p e T
P= n x R x T (300°C) / V = 332,57x0,0821x573/40 = 391,13 Atm
Problema esposizione bombole a sorgenti di calore elevato
Densità dei gas (rispetto alla densità dell’aria) utile per:
- Conoscere la dispersione di gas infiammabili, tossici, inerti (per sotto
ossigenazione) nell’ambiente
- Collocare correttamente i rilevatori di gas ed i punti di aspirazione
d = g/V = P x PM / R x T
Con P e PM=costante (stesso gas) la densità di un gas dipende solo dalla Temperatura
e diminuisce all’aumentare di questa
- Mongolfiere ad aria calda
- Tiraggio dei camini (Trasporto calore via Convezione Scale
protette)
- Stratificazione verso il basso di vapori di Azoto liquido
Densità dei gas d = g/V = P x PM / R x T
Con P e T = costante la densità di un gas dipende solo dal PM ed aumenta con gas
diversi all’aumentare del PM
PM medio Aria (ca 80% N2 PM 28 e 20% O2 PM 32 da cui 0.80x28+0.2x32 = ca 29)
PM=2
gas molto più leggero dell’aria
H2 Idrogeno
CH4 Metano
PM=16
gas più leggero dell’aria
CO2 Anidride carbonica
PM=44
gas più pesante dell’aria
C3H8 Propano
PM=44
gas più pesante dell’aria
CO2 L’anidride carbonica è un gas asfissiante in quanto, pur non producendo effetti tossici
sull’organismo umano, si sostituisce all’ossigeno dell’aria. Quando ne determina una
diminuzione a valori inferiori al 17% in volume, produce asfissia (Sottossigenazione).
Grotta del cane (Pozzuoli) - Tini (Glucosio
Alcol Etilico+CO2) – Lago Nyos (Cameroon)
supersaturazione di CO2 1986: ca. 1700 morti.
Palloni areostatici ad Elio o Idrogeno
Aria Aria Aria Aria
Aria Aria Aria Aria
Aria Aria Aria Aria
Aria Aria Aria Aria
Aria Aria Aria Aria
CO2 CO2 CO2 CO2
CO2 CO2 CO2 CO2
CO2 CO2 CO2 CO2
CO2 CO2 CO2 CO2
Temperatura critica
Curve isoterme
T aumenta
H2
-241°C Gas compr.
N2
-147°C
CH4
-83°C
-10°C
CO2
T critica
+31°C Gas liquefatti
Propano +97°C
Gas perfetto P x V = costante a T ed n = costante (iperbole)
Gas reale (molecole interagiscono fra di loro)
Liquefazione: Temperatura Critica - per ciascun gas esiste una particolare
temperatura al di sopra della quale non è più possibile la liquefazione del gas stesso
Al di sotto della Temperatura Critica un Gas può essere liquefatto per aumento della
pressione
Aria compressa può compiere un lavoro
L= nRT ln(Pf/Pi)
dove i suffissi “i” e “f” stanno per “iniziale” e “finale.”
Utilizzata già ampiamente per muovere motori (esempio Utensili ad aria compressa),
sollevare materiale ecc
Allo studio Auto ad aria compressa (Problemi per lavoro in continuo dovuto al
raffreddamento del gas reale che si espande)
Bombola di gas compresso a 200 Atm ha un notevole
contenuto di energia
Problemi per rilasci energetici non controllati (ad esempio
rottura della valvola per caduta senza cappellotto
e trasformazione della bombola in un missile