Combustione di gas e vapori

La maggior parte dei composti chimici organici brucia. La combustione è una semplice reazione chimica in cui l'ossigeno dell'atmosfera reagisce rapidamente con una sostanza, producendo calore.

I composti organici più semplici sono quelli noti come idrocarburi e sono i principali costituenti del petrolio greggio/gas. Questi composti sono composti da carbonio e idrogeno; l'idrocarburo più semplice è il metano, ogni molecola del quale è costituita da un atomo di carbonio e quattro atomi di idrogeno. È il primo composto della famiglia nota come alcani. Le proprietà fisiche degli alcani cambiano con l'aumentare del numero di atomi di carbonio nella molecola: quelli da uno a quattro sono gas, quelli da cinque a dieci sono liquidi volatili, quelli da 11 a 18 sono oli combustibili più pesanti e quelli da 19 a 40 sono oli lubrificanti. Gli idrocarburi a catena di carbonio più lunga sono i catrami e le cere.

I primi dieci alcani sono:

_CH4 metano (gas) _C6H14 esano (liquido)
_C2H6 etano (gas) _C7H16 eptano (liquido)
_C3H8 propano (gas) _C8H18 ottano (liquido)
_C4H10 butano (gas) _C9H20 nonano (liquido)
_C5H12 pentano (liquido) _C10H22 decano (liquido)

Gli alcheni sono simili, ma la loro struttura molecolare comprende doppi legami (esempi sono l'etilene e il propilene). Hanno più energia per molecola e quindi bruciano più intensamente. Sono anche più preziosi per la produzione di altri prodotti chimici, tra cui le materie plastiche. Gli alchini contengono legami tripli (esempio: l'acetilene), utilizzati nella saldatura dei metalli. I composti di cui sopra sono tutti noti come alifatici, il che significa che gli atomi di carbonio sono tutti allungati in linea. Gli idrocarburi aromatici, come il benzene, hanno una struttura molecolare ad anello, quindi meno idrogeno per atomo di carbonio e quindi bruciano con una fiamma fumosa.

Quando gli idrocarburi bruciano, reagiscono con l'ossigeno dell'atmosfera per produrre anidride carbonica e vapore, ma se la combustione è incompleta perché l'ossigeno è insufficiente, si produce anche monossido di carbonio.

I composti organici più complessi contengono elementi come ossigeno, azoto, zolfo, cloro, bromo o fluoro e, se bruciano, i prodotti della combustione includono altri composti. Ad esempio, le sostanze contenenti zolfo, come il petrolio o il carbone, producono anidride solforosa, mentre quelle contenenti cloro, come il cloruro di metile o il cloruro di polivinile (PVC), producono cloruro di idrogeno.

Nella maggior parte degli ambienti industriali in cui esiste il rischio di esplosione o incendio a causa della presenza di gas o vapori infiammabili, è probabile che si verifichi una miscela di composti. Nell'industria petrolchimica le materie prime sono una miscela di sostanze chimiche, molte delle quali si decompongono naturalmente o possono essere alterate dalla lavorazione. Ad esempio, il petrolio greggio viene separato in molti materiali utilizzando il frazionamento (o distillazione frazionata) e il "cracking". Il frazionamento consiste nella rimozione dei gas altamente volatili a temperature che li rendono volatili da soli, poi a temperature più elevate per i composti più pesanti e infine a temperature ancora più elevate per gli idrocarburi più grandi. Il cracking è il processo in cui le grandi molecole di idrocarburi vengono spezzate dal calore e dall'azione catalitica per formare molecole di idrocarburi più piccole.

Inertizzazione

Per evitare esplosioni durante le operazioni di arresto e manutenzione, molti processi industriali utilizzano una procedura di inertizzazione. Se si riempie un contenitore di idrocarburi con aria, a un certo punto la miscela diventa esplosiva e pericolosa. Utilizzando un processo a due fasi in cui l'idrocarburo viene sostituito dall'azoto e poi l'azoto viene sostituito dall'aria, non si rischia l'esplosione in nessuna fase. Questo processo si chiama spurgo di un recipiente (ad esempio una cisterna di carburante o i serbatoi di stoccaggio di una petroliera). Lo spurgo degli idrocarburi è una pratica comune prima di effettuare lavori di manutenzione o riparazione. Prima dell'ingresso del personale, la nave deve essere spurgata con aria respirabile. Crowcon dispone di una strumentazione speciale per monitorare l'intero processo, al fine di garantire un'efficiente inertizzazione e di avvisare gli operatori della presenza di miscele potenzialmente pericolose di aria, azoto e idrocarburi durante le operazioni di manutenzione.

Norme che definiscono la concentrazione LEL

Le procedure di sicurezza si occupano generalmente di rilevare i gas infiammabili prima che raggiungano il loro limite inferiore di esplosività. Esistono due standard comunemente utilizzati che definiscono la concentrazione "LEL" per le sostanze infiammabili: ISO10156 (a cui fa riferimento anche la norma sostituita EN50054) e IEC60079-20-1:2010. La IEC (International Electrotechnical Commission) è un'organizzazione mondiale per la standardizzazione. Storicamente, i livelli di infiammabilità sono stati determinati da un unico standard: ISO10156 (Gas e miscele di gas - Determinazione del potenziale di incendio e della capacità ossidante per la selezione delle uscite delle valvole delle bombole).

Gli standard IEC e EU (europei) (IEC60079 e EN61779) definiscono le concentrazioni LEL misurate utilizzando una concentrazione di gas "agitata" (rispetto al metodo del gas "fermo" utilizzato nella ISO10156). È stato dimostrato che alcuni gas/vapori sono in grado di sostenere un fronte di fiamma a concentrazioni di combustibile inferiori quando sono agitati rispetto a quando sono fermi. Piccole differenze nei risultati del volume 100%LEL. Ciò è dovuto al fatto che la distanza media tra una molecola che brucia e una molecola incombusta è leggermente inferiore quando il gas viene agitato. I LEL risultanti variano leggermente tra i due standard per alcuni gas/vapori.

La tabella alla pagina seguente mostra alcune delle differenze notevoli nei valori LEL tra i due standard. Si può chiaramente notare che il 50% di LEL del metano nella norma EN60079 corrisponde a una concentrazione volumetrica in aria del 2,2%, contro il 2,5% volumetrico indicato nella norma ISO10156. Pertanto, se un rilevatore viene calibrato secondo la norma EN60079 utilizzando una miscela di metano al 50% LEL prodotta secondo la norma ISO 10156, si verificherebbe un errore di sensibilità del 13,6% che potrebbe invalidare la calibrazione. L'errore potrebbe anche essere maggiore per i rivelatori a infrarossi non lineari.

La direttiva europea ATEX (che riguarda la certificazione e l'uso di apparecchiature in atmosfere infiammabili) prevede che i produttori e gli utenti siano conformi allo standard EN61779. La politica di Crowcon è quella di applicare i nuovi valori di LEL in Europa e nei territori che aderiscono agli standard europei. Tuttavia, poiché il vecchio standard è ancora utilizzato negli Stati Uniti e in altri mercati, continueremo a calibrare secondo la norma ISO 10156 in questi territori. I prodotti Crowcon certificati ATEX/IECEx saranno forniti calibrati secondo gli standard IEC60079/EN61779 (ad esempio, i sensori di metano saranno calibrati in modo tale che 100% LEL = 4,4% volume). I prodotti certificati UL/CSA saranno calibrati in base allo standard ISO10156 (ovvero, i sensori di metano saranno calibrati in modo che il 100% LEL = 5% del volume), a meno che il cliente non abbia stabilito diversamente.

Livelli di allarme

I sistemi di rilevamento dei gas infiammabili sono progettati per creare allarmi prima che i gas/vapori raggiungano una concentrazione esplosiva. In genere, il primo livello di allarme è impostato al 20% LEL (anche se ci sono industrie che preferiscono il 10% LEL, in particolare le aziende del settore petrolifero e del gas). Il secondo e il terzo livello di allarme variano a seconda del tipo di industria e di applicazione, ma di solito sono impostati rispettivamente al 40% LEL e al 100% LEL.