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esplosioni di polveri organiche naturali - Unitus DSpace

1. Dove si fatto uso dell equazione della compressione adiabatica a volume costante per i gas perfetti r Cat T Pa Quindi adesso possiamo ricavare i valori di C C am turb partendo dalle caratteristiche di esplosivit delle polveri organiche naturali 142 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO ks Tipo polvere Pmax bar g Ricercatori bar m s 1 Pedersen Van Licopodio 129 6 7 Wingerden 1995 Amido di mais 0 18 158 9 7 Van der Wel 1995 15Um Proust e Veyssiere Amido di mais 75 275 0 30 max 202 215 ene 1998 01 02 03 06 07 09 Amido di mais 100 400 158 D7 Wang et al 2006 14 Um Amido di patata 1000 60 T Van der Wel 1993 26 Um on ae 515 475 1122 12 Krause et al 1996 Licopodio 450 0 30 165 7 3 Van der Wel 1993 33 Um Tabella 5 2 Prove di laboratorio sull esplosivit eseguite su polveri organiche naturali reperite nella bibliografia Tipo polvere i il i i 70 00 20 00 00 330 370 200 0 29 0 17 0 42 Ricercatori Tezok et al 1986 Gieras et al 1995 Gieras et al 1995 Gieras et al 1995 7 Tabella 5 3 Valori del coefficiente reattivita alla turbolenza che serve a legare la velocita di combustione turbolenta con il valore quadratico medio della componente turbolenta della velocita reperiti nella bibliografia Zevenbergen 200
2. uniformemente sulle pareti che delimitano il contenitore e anche sul tetto se presente Occorre attenzione a fissare la pressione ridotta p sopportabile dalle strutture portanti red MAX della costruzione e tenere presenti le guenti considerazioni il valore di p x limitato inferiormente dal pi debole elemento strutturale i solai ed i tetti non sono concepiti per resistere ad alte pressioni con direzione dal basso verso Palto ma solo per pressioni in verso opposto Il tetto pu essere sfruttato come superficie di sfogo a patto che sia previsto per questo Scopo che la neve o il ghiaccio ne impediscano il corretto funzionamento 119 Le ipotesi di validit della formula per il dimensionamento sono 1 P ped MAX S 0 1 bar 2 P red MAX p stat tO 02 bar La formula per il dimensionamento ATC A Pea Max m Dove Area di sfogo richiesta A Costante 0 lt k 100 C 0 018 bar 100 lt k 200 C 0 026 bar 200 lt k 300 C 0 030 bar EE Superficie interna del compartimento Sovrapressione esplosione massima sviluppata P red MAX gt gt x all interno del compartimento durante un esplosione Come si pu vedere la formula non contiene dei parametri che si riferiscono alla forma geometrica del volume da proteggere Tuttavia se per esigenze particolati la superficie di sfogo deve essere posizionata soltanto su una parete e il volume ha una forma allungata
3. 3 Velocit della fiamma top 4 Coefficiente caratteristico dello sfogo K vent vent 5 Pressione di attivazione del sistema di chiusura dello sfogo P ad Infatti tutti i risultati delle prove sperimentali sul venting di attrezzature allungate hanno dimostrato che la velocit del fronte di fiamma della nube di polvere e quindi la sovrapressione sviluppata dall esplosione e il fattore di geometria L D sono in reciproca dipendenza Harris 1983 I volumi da proteggere dal pericolo delle esplosioni possono essere classificati rispetto alla geometria rappresentata dal rapporto tra lunghezza e diametro equivalente Eckhoff 2003 L D lt 4 Compartimenti grandi senza attrezzature all interno Contenitori grandi snelli e allungati silos L D gt 4 Contenitori Ica tata au allungati Contenitori a 10 25 m3 Contenitori allungati condotti tubi e gallerie TT Tabella 5 4 Classificazione dei contenitori ai fini della protezione con supoerfici di sfogo z I cicloni sono grandi tubi a forma di imbuto costruiti con lamiere metalliche e collegati a condotti spesso utilizzati nelle falegnamerie nelle officine meccaniche negli impianti di produzione e negli impianti di trasformazione delle polveri Polvere e detriti sono aspirati dall alto L aria contenente le polveri soffiata fuori dall altro lato della parte superiore mentre le particelle di polvere cadono su una tramoggia in basso 147 Abbiamo consid
4. Per capire Pmportanza dell area superficiale e il suo aumento iperbolico al diminuire della dimensione delle particelle possiamo immaginare di avere un corpo solido di forma cubica di lato e di sudduvederlo in otto cubi uguali di lato x DA Figura 1 10 Esempio per mostrare aumento dell area superficiale dato dalla suddivisione di un solido In questo caso l area superficiale aumenta di un fattore 2 Gli otto cubetti suddivisi avranno un aria superficiale espressa dalla relazione Quindi l area specifica superficiale raddoppiata Un fenomeno fisico che assume importanza all aumentare dell aria superficiale specifica l incidenza delle forze interparticellari rispetto alle forze di gravit quando questo accade le particelle di una nube in aria anche in base ad altri parametri quali l umidit si presentano in mucchi ed agglomerati vedi Paragrafo 1 6 3 35 Il processo di esplosione diventa pi violento al diminuire della dimensione delle particelle e quindi al aumentare dell area specifica superficiale IF gg IN MARTRIAKN BOMB ber C i D ee _ __ I E ij uo DA fi4 SPEUFIO ENVELOPE SURFACE AMEA mq Figura 1 11 Dipendenza della violenza dll esplosione dalla composizione chimica della polvere amido e proteine e dall area specifica La prova stat eseguita nel contenitore di Hartmann da 1 2 1 Questo aumento della velocit di crescita della pressione di esplosione
5. Rini i a Propagating Brush Corona patag Vapors l ak E u Eapeosinle Discharges aumicaphere Figura 1 16 Confronto tra gli intervalli della minima energia di accensione delle polveri e quella dei gas in aria Invece sulla destra sono riportati i tipi di accensione di origine elettrica con indicati gli intervalli di energia di ciascun tipo Le parti tratteggiate indicano la variabilit del limite massimo e minimo 46 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 600 500 400 300 MIE m J 200 100 0 40 80 120 160 200 Average particle size Um Figura 1 17 Effetto del diametro medio delle particelle di polvere sulla minima energia di accensione MIE di una comune polvere di origine agricola Eckhoff 2003 47 1 7 4 MINIMA TEMPERATURA D ACCENSIONE MIT C La minima temperature di accensione di una nube polvere ed aria definita come il valore pi basso di temperatura di una superficie calda a contatto con essa capace d accenderla e di generare un fronte di fiamma che si propaga autonomamente nelle specifiche condizioni di prova Tabella 1 11 La minima temperature di accensione serve a definire l accensione di una nube di aria e polvere o di uno strato di polvere di solito dello spessore di appena 5 mm a contatto con una superficie calda In Eu
6. Sistema di Dispersione pneumatica in direzione assiale da tubazione Dispersione pneumatica in direzione assiale da dispersione dall alto del silo tubazione dall alto del silo Innesco dopo alcuni sec dalla formazione di una nube ferma 23 07 23 07 2307 dC wa 10 20 find vi 10 S Te 6 ai e i 3 8 8 8 I 3 2 482 88 88 dill Tabella 5 8 Prova su Silo 500 m3 152 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO Volume e Tipo 236 m3 silos Volume e Tipo 20 m3 silos Attrezzatura Attrezzatura Polvere Amido di mais TTT me 8 NO Velocit ipotetica u rms b Sistema di Dispersione pneumatica in direzione assiale da dispersione tubazione dall alto del silo dall alto del silo Tempo dell innesco Innesco dopo alcuni sec dalla formazione di una Innesco durante la fase di dispersione nube ferma 2 A_top m 10 67 Prensa 100 DT Tabella 5 9 Silos V 236 m3 Volume e Tipo V 0 074 m3 Camera di prova snella Scheid et al 2006 Attrezzatura RE 0 225 orl 0 225 Sistema di n 16 giranti equidistanziate su 4 file generazione Della turbolenza A_top m Pvent mbart g L D K_vent P red mbar g Tabella 5 10 Prova su Camera di prova snella V 0 074 m3 153 BIBLIOGRAFIA DI SEZIONE 1 2 10 11 Andrews G E
7. 2004 Guidelines for Safe Handling of Powders and Bulk Solids Wiley AIChE New York Lautkaski R 1997 Understanding vented gas explosions Espoo Lee et al 1987 Influence of turbulence on closed volume explosion of dust air mixtures Archivum Combustion Lees Loss Prevention in the Process_Industries Lunn G Guide to Dust Explosion Prevention and Protection 54 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA 20 Hea a N IN a ee mm NO VI La 26 27 28 PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO Nagy John Verakis Harry C Development and Control of Dust Explosions CRC Press New York U S A 1983 Nolan D 1996 Handbookf Of Fire And Explosion Protection Sapko M J Weiss E S Cashdollar K and Zlochover I A 2000 Experimental mine and laboratory dust explosion research at NIOSH Journal of Loss Prevention in the Process Industries 13 229 242 Schroll R C Industrial Fire Protection Handbook Second Ed CRC Press Silvestrini M G B 2005 Dinamica delle reazioni esplosive Silvestrini M G B 2006 Direttive ATEX Prevenzione e protezione dai rischi di esplosione delle polveri U S Chemical Safety and hazard investigation board 2006 Combustible dust hazard study Zalosh R 2000 Explosion Protection In Fire Protection Handbook S o F P Engineers ed Zalosh R 2002 Explosions In Fire
8. UNIVERSIT DEGLI STUDI DELLA TUSCIA DI VITERBO DIPARTIMENTO DI GEOLOGIA E INGEGNERIA MECCANICA NATURALISTICA E IDRAULICA PER IL TERRITORIO GEMINI DOTTORATO DI RICERCA IN MECCANICA AGRARIA XXI CICLO ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE AGR 09 Coordinatore Prof Ing Danilo Monarca Tutor Ing Giovanni Santoro Dottorando Ing Vito Tonetto RINGRAZIAMENTI Il mio ringraziamento va alla mia famiglia che mi ha sostenuto e aiutato durante il percorso del dottorato di ricerca iniziato tre anni fa Ringrazio l Ing Giovanni Santoro il Prof Danilo Monarca e il Prof Massimo Cecchini per aver supportato e agevolato i miei progetti di ricerca e le mie scelte professionali In particolare desidero ringraziare l Ing Baldassare Genova e l Ing Massimo Silvestrini del Dipartimento dei Vigili del Fuoco del Ministero dell Interno per la preziosa collaborazione e per gli esperti consigli 2009 by Ing Vito Tonetto ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO INDICE LISTA DELLE FIGURE lla 6 LISTA DELLE TABELLE iui ia 11 INTRODUZIONE nulle 13 SCOPO E STRUTTURA DELLA TESI uan 15 CAPITOLO 1 IL PERICOLO DI ESPLOSIONE DELLE POLVERI ORGANICHE NATURALI 17 1 1 GENERALIT inten 17 1
9. cio quando gli effetti dell esplosione sono massimi VO Prax Fm 1 barg ay sovrapressione d esplosione vV Al coefficinte di espansione E stato dato il valore minimo che esso assume alla fine di un espansione adiabatica gt Emin 141 Durante la combustione il coefficiente d espansione volumetrica varia a causa di due fenomeni distinti e Aumento di temperatura dovuto alla combustione che una reazione esotermica e Variazione del numero di moli tra reagenti e prodotti della reazione Infatti l aria partecipante alla combustione composta soprattutto da Azoto elemento che non partecipa alla reazione Quindi si pu ritenere che la variazione di moli tra reagenti e prodotti sia trascurabile Durante una reazione di combustione a volume costante come si pu ritenere quella nel reattore sferico di prova di 20 1 il coefficiente d espansione varia da un massimo ad un minimo e Come stato dimostrato da vari ricercatori Bjerktvedt Van Wingerden 1997 il valore minimo del coefficiente di espansione ottenuto all inizio della reazione condotta a pressione costante atmosferica ed approssimato da 0 Pmax tn Po Po E e Invece alla fine della combustione isocora ed adiabatica per la conservazione della massa si pu ritenere che la densit dei prodotti della combustione sia uguale a quella della miscela all inizio della combustione quindi oh p p dl al a i P P Po b f 0
10. di p_red misurato nella prova sono maggiori di quelle che invece sono necessarie in pratica per quel valore di P a Perci concludiamo che i casi che necessitano maggiore cautela nell applicazione della formula sono quelli con bassi velori di p_red Questo il motivo principale per cui la NFPA 68 2007 revede unba maggiorazione con un fattore 1 7 dell area di sfogo nel caso dei compartimenti delle costrizioni in muratura o in cemento armato 125 Ave gl A exp 0 00 0 20 0 40 0 60 0 80 1 00 1 20 1 40 1 60 1 80 2 00 Pred bar g Figura 4 8 Grafico del rapporto Av68 Avexp in funzione di pred Nel grafico di Figura 4 9 in modo analogo al grafico precedente sono stati confrontati i valori delle superfici di sfogo calcolati Ag con le formule della NFPA68 2007 e i valori delle superfici di sfogo usate nelle prove sperimentali A in funzione dell indice di esplosivit amp In questo A RE caso la retta vA 1 distingue tra due zone del grafico vexp a lt 1 gt casi in cui le superfici di sfogo calcolate per il tipo di polvere con vexp indice k sono minori di quelle che invece sono necessarie in pratica per quel tipo di polvere A 6s a a v gt 1 sono i casi in cui le superfici di sfogo calcolate per ottenere il valore vexp di p_red misurato nella prova sono maggjori di quelle che invece sono necessarie in pratica per quel valore di p_red Perci dal grafico concludiamo che i casi che
11. lt p lt 800 su A 5 t Per contenitore si intende un volume che costituisce una parte ben identificabile distinta dell impianto di processo Il valore di picco della sovrapressione d esplosione generata all esterno indicato con pext 117 6 Lf lt 20 7 L area massima degli sgoghi deve essere inferiore alla sezione trasversale dell attrezzatura 8 Efficienza degli sfoghi unitaria 9 Concentrazione omogenea della polvere Le formule pet il dimensionamento sono 0 1 bar lt preamax lt 1 5 bar A B 1 108 m B 3 264 10 P max ka l Dorna 0 27 Dig 7 1 i La e m C 4 305 log p T 0 758 red MAX A Ya m Area di sfogo richiesta f A B m B 3 264 10 P max ka l Donma eni gt 0 27 SD 7 1 bone m Ya m Area di sfogo richiesta f v Si suppone che il sistema di chiusura si comporti come se fosse un diaframma di massa infinitesima quindi con inerzia nulla Se si utilizzano sistemi di chiusura con efficienza inferiore all unit l area di sfogo necessaria va maggiorata del fattore di efficienza 118 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO Dove A Area geometrica degli sfoghi m7 B Area di sfogo di base m Pressione massima di esplosione della polvere bat P max k Indice di esplosivit della polvere combustibile bar m s t Dit P
12. nominale per la NFPA 68 2007 Il 90 dei dati sperimentali inviluppato nella formula che fornisce A moltiplicando per un fattore di 1 7 Questo valore stato ottenuto considerando che k e quindi la velocit di combustione variano linearmente con la intensit di turbolenza vedi figura sotto anche la superficie di sfogo dovr variare linearmente con l intensit di turbolenza Inoltre per poter comprendere il 90 dei dati sperimentali dobbiamo utilizzare un valore di intensit di turbolenza vicino al limite superiore delle prove condotte nel reattore sferico 2 6 ms Quindi stato scelto il valore 5 6 ms 111 4 3 2 VDI 3673 2002 La norma tecnica VDI 3673 Part 1 edizione di novembre 2002 dal titolo Pressure venting of dust explosions VDI Richtlinie 3673 Druckentlastung von Staubexplosionen una nuova versione del novembre 1992 che ha sostituito l edizione del giugno 1979 Mentre prima i nomogrammi erano lo strumento di base per il dimensionamento ora lo sono diventate le equazioni In questa nuova versione sono stati ampliati alcuni intervalli di applicabilit della norma il volume del contenitore da 1 m a 0 1 m e da 1000 m a 10000 m la pressione statica di attivazione precedentemente limitata a 0 5 bar ora da 0 1 bar a 1 bar le polveri con un indice di deflagrazione pari a 800 bar m s possono essere trattate In precedenza il limite era fissato a 600 bar m s L
13. British Health and Safety Laboratory TNO danese e societ tedesca INBUREX e FLAX sviluppato dalla societ GEXCON In questa ricerca invece saranno ricavate delle formule basate su dati sperimentali che vogliono essere una vantaggiosa ed altrettanto valida alternativa ai codici di calcolo che si stanno affermando pet lo studio del pericolo delle esplosioni di polveri e in particolare per la protezione di attrezzature e costruzioni con superfici di sfogo v Le relazioni matematiche basate su dati sperimentali sono definite correlazioni Una correlazione descrive la tendenza della variazione di una variabile ad accompagnarsi con la variazione lineare di un altra variabile fonte Dizionario tecnico scientifico della lingua italiana 2007 Ed Hoepli Milano Infatti pu essere utile utilizzare i calcoli manuali in quanto i codici di calcolo hanno questi limiti 1 I codici di calcolo sono costosi 2 necessaria l esperienza e la sensibilit di calcolo degli operatori che immettono 1 dati 3 Spesso necessaria le conoscenza di linguaggi di programmazione C Al contrario 1 calcoli eseguiti a mano presentano i seguenti vantaggi 1 Rapidit per risolvere problemi anche se poi il risultato approssimato 2 Sono accessibili a tutti gli scienziati e quindi non bisogna affrontare un costo per usufruirne 3 Verifiche dell esattezza dei risultati e della mancanza di errori pi rapide 132 ESPLOSIONI DI POLVE
14. Lo scopo di questa tesi approfondire lo studio della protezione delle esplosioni di polveri per mezzo di superfici di sfogo nell industria delle polveri di origine agricola sulla base degli studi e degli sviluppi pi recenti soprattutto sul ruolo della turbolenza del flusso sulla propagazione dell esplosione Si cercher di sviluppare un metodo basato su dati sperimentali per il dimensionamento degli sfoghi di pressione La norma americana della National Fire Prevention Association NFPA 68 del 2007 presenta una soluzione per la progettazione delle superfici tenendo conto della turbolenza della nube di polvere e tale metodo sar confrontato con quello proposto in questo studio Nel primo capitolo saranno trattate le conoscenze fondamentali ed introdotti i parametri e le variabili coinvolte nel fenomeno delle esplosioni di polveri organiche naturali sar descritta la loro natura e come intervengono nello sviluppo e nella propagazione delle esplosioni Il contesto normativo inteso sia come legislazione cogente sia come legislazione volontaria sar affrontato nel secondo capitolo la direttiva sociale 99 92 CE o ATEX 137 recepita in Italia con il D Lgs 233 2003 fissa le regole da seguire per la valutazione dei rischi di esplosioni di gas e di polveri invece la direttiva di prodotto 94 9 CE o ATEX 100 recepita in Italia dal D P R 126 1998 definisce i requisiti essenziali sicurezza dei prodotti utilizzati nei luoghi in cui vi i
15. P A 2002 NFPA 69 In Standard on Explosion Prevention Systems N F P A 2006 NFPA 654 In Prevention of Fire and Dust explosions from the Manufacturing Processing and Handling of Combustible Particulate Solids N F P A 2007 NFPA 68 In Guide for Venting of Deflagration Quincy MA USA VDI Richtlinie 3673 Druckentlastung von Staubexplosionen 2002 UNI EN 14491 2006 Sistemi di protezione mediante sfogo dell esplosione di polveri Van Wingerden K C M 2001 Explosion Venting Techniques and Devices current State of the European Draft Standards Research Bergen Norway Zalosh R 2007 New dust explosion venting design requirements for turbulent operating conditions Journal of Loss Prevention in the Process Industries 20 Issues 4 6 530 535 130 CAPITOLO 5 CORRELAZIONE PER IL DIMENSIONAMENTO DELLE SUPERFICI DI SFOGO 5 1 GENERALIT I codici di calcolo che descrivono il fenomeno dell esplosione con superficie di sfogo si possono classificare 1 Modelli che risolvono il sistema di equazioni diferenziali e forniscono la pressione ridotta come funzione del tempo e EFFEX sviluppato da Proust et al Presso l organizzazione INERIS e ISOVEX sviluppato da Tamanini presso la Factory Mutual Research Corporation 2 Modelli fluidodinamici risolti con il metodo agli elementi finiti Computational fluid dynamics CFD e Dust Explosion Simulation Code DESC sviluppato da Skjold
16. PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO TAV O Figura 2 3 Schema che chiarisce la pericolosit delle aree con pericolo di esplosione Copyright MIX SRL ATEX Filters Per la determinazione del tipo di zona della sua estensione e dei suoi dati caratteristici dove sono o possono essere presenti polveri combustibili si applica la norma EN 61241 10 Tale norma sostituisce la precedente EN 50281 3 e non si applica alle aree minerarie sotterranee alle miscele ibride e alle polveri di esplosivi o sostanze piroforiche La procedura di classificazione prevede innanzitutto di identificare le caratteristiche dei materiali quali la dimensione delle particelle il contenuto di umidit la temperatura minima di accensione della nube e dello strato ecc Successivamente necessario identificare il funzionamento dell impianto processo al fine di individuare i possibili punti in tutte le condizioni prevedibili di esercizio nei quali vi siano contenimenti di polvere o sorgenti di emissione di polvere compresi gli strati Infine occorre valutare la probabilit di emissione della polvere da tali sorgenti 65 2 2 2 LA DIRETTIVA DI PRODOTTO 94 9 CE La direttiva 94 9 CE si applica a tutti i tipi di apparecchi sistemi di protezione e componenti destinati ad essere utilizzati in o in relazione a atmosfere potenzialmente esplosive La direttiva riguarda anche i dispositivi destinati a essere utilizzati fuori dall atmosfera p
17. Simbolo di attrezzatura destinata all utilizzo in luoghi con il pericolo d esplosione 66 Figura 2 5 Schema dei simboli riportati sugli apparecchi destinati ad essere utilizzati in atmosfere esplosive ie bilie 67 Figura 2 6 Esempio di marcatura di un attrezzatura secondo la marcatura IECEX sscssscssscsssccsscesscesees 71 Figura 3 1 Fiamma didiftusione laici 75 Figura 3 2 Fiamma PremiSCe lata cisvecccussccsveisvecevornvsccesineocceesesucecscsecssvanveecsbedaccsseasacesceabecaaseabacsitestorsiaeatqueacs 75 Figura 3 3 Schema su scala particellare dei fenomeni a catena coinvolti nella combustione di una particella di polvere la catena 2 3 4 5 indica la combustione omogenea polvere devolatilizzata aria l altrnativa la combustione eterogenea polvere solida aria fonte Di Benedetto A and Russo P Thermo kinetic modelling of dust explosions Journal of Loss Prevention in the Process Industries 20 4 6 303 309 200 Glillaleali aa 76 Figura 3 4 Immagine scattata con fotocamera normale durante la propagazione della fiamma tra le particelle di acido stearico sospese in aria sccsccesccnccecccsccnccscceccesccscceccesccecceccescceccescescceccescesccecceses 77 Figura 3 5 Immagine scattata con fotocamera normale La linea bianca tracciata per evidenziare il confine della zona in cui ci sono particelle di polvere in blu Quindi quella linea rappresenta il fronte di fiam
18. amp Bradley D 1972 Determination of burning velocities a critical review Combustion and Flame 18 133 153 Balal D R 1983 Flame propagation through dust clouds of carbon coal aluminium and magnesium in an environment of zero gravity Proceedings of the Royal Society of London A385 21 51 Bartknecht W 1985 Effectiveness of explosion venting as a protective measure for Silos Plant Operations Progress 4 1 Bjerktvedt D Bakke J R amp van Wingerden K 1997 Gas explosion handbook Journal of Hazardous Materials 52 1 150 Botha J P amp Spalding D B 1954 The laminar flame speed of propane air mixtures with heat extraction from the flame Proceedings of the Royal Society of London A225 71 96 Bradley D Chen Z amp Swithenbank J R 1988 Burning rates in turbulent fine dust air explosions Proceedings of the 22nd international symposium on combustion pp 1767 1775 Bradley D amp Lee J H S 1984 Proceedings of the first international colloquium on the explosibility of industrial dusts Vol 2 pp 220 223 Cassel H M 1964 Some fundamental aspects of dusts flames Report Inv 6551 US Bureau of Mines Washington Dahoe A E amp de Goey L P H 2003 On the determination of the laminar burning velocity from closed vessel gas explosions Journal of Loss Prevention in the Process Industries 16 457 478 Dahoe A E Hanyalic K amp Scarlett B 200
19. ccssccssccesccescceccceccescceccesccesccesccusccesccescceccesccesces 83 Figura 3 11 Grafico della velocit media e sovrapposto l andamento irregolare della velocit delle particelle in una corrente turbolenta fonte Pnuelli D 1997 Il Moto dei fluidi Zanichelli cccceecceeceees 86 Figura 3 12 Effetto della turbolenza sulla massima derivata della pressione in funzione della concentrazione della nube combustibile per l amido di mais con il 4 di umidit e diametro equivalente delle particelle di 74 Um 87 Figura 3 13 Effetto della turbolenza sulla pressione massima in funzione della concentrazione della nube combustibile per l amido di mais con il 4 di umidit e diametro equivalente delle particelle di 74 Uan 87 Figura 3 14 Grafico della sovrapressione durante l esplosione di una miscela di aria e metano in concentrazione stechiometrica e nel reattore sferico di 201 Come si pu osservare la pmax ed anche la derivata massima della pressione non sono funzione del tempo di ritardo dell accensione e quindi non risentono del flusso turbolento della miscela ccsccssccsscccsccssccsccnsccnsscnsccssccssccsscesccesscnsscesscescoess 88 Figura 3 15 Grafico della sovrapressione durante l esplosione di una nube di amido di mais in concentrazione di 625 gm nel reattore sferico di 201 Come si pu osservare la Pmax ed anche la derivata massima della presisone sono funzione del tempo di ritardo dell accen
20. della gravit dell esplosione la Pmax Pa agendo sul ritardo dell innesco all interno del f MAX contenitore di prova dall inizio della dispersione della polvere combustibile p p p Possiamo osservare nella Figura 3 21 che nell intervallo da 0 3 s fino a 1 s la velocit di crescita della pressione diminuisce rapidamente mentre invece la Pmax rimane sostanzialmente costante per tutte e due le polveri in prova Alluminio e Carbone Per tempi di ritardo dell innesco oltre 1 s vi anche la diminuzione di Pmax del Carbone Il tempo di ritardo di 0 6 s stabilito dallo standard ISO 6184 Part 1 non rappresenta il caso peggiore che invece si ha all istante 0 3 s Aluminum dl SS i Ua a I5 20 25 5 daloy between initrotion of dust dispersion and sation Figura 3 21 Risultati di esperimenti di combustione turbolenta di polvere di Al e polvere di carbone in un contenitore chiuso da 1 m3 Bartknecht 1971 In altre prove stata misurata l intensit della turbolenza per una nube di amido di mais ed aria I risultati hanno mostrato un importante incidenza della turbolenza sia sull andamento della dp Pmax che su pa In questo esperimento il volume della sfera di prova 0 95 m e il j MAX meccanismo di dispersione della polvere migliore di quello riportato nella Figura 3 19 perch permette di ottenere una dispersione e quindi una turbolenza pi uniforme in tutto il volume di prova Il
21. efficace quando mantiene la pressione residua al di sotto del valore che delimita superiormente la fascia verde fonte Zook Explosion Protection Vent Panels Documentation inniininn ir a a O a a 104 Figura 4 5 Tipico andamento della sovrapressione durante un esplosione senza superfici di sfogo A e di una con superficie di sfogo ma inefficace B poich il limite di resistenza del contenitore strength of vessel viene oltrpassato la curva C rappresenta la pressure time history di un venting efficace Fonte John Barton Dust explosion prevention and protection a practical guide ccccscsscceeees 106 Figura 4 7 Risultati degli esperimenti condotti in un silos di 500 m con polvere di amido di mais e polvere di grano Confronto con i risultati previsti dalle norme tecniche utilizzate per il dimensionamento delle superfici di sfogo Infattio sono graficate le curve prep Aventing Il pallino nero indicato con una freccia verso l alto turbulent jet si riferisce ad una prova che ha causato la rottura delle pareti del silos 0 6 bar g nonostante la superficie di SfOgO s ssesoessessessessesseoessesseosecsecseosecesosssessessescessecseoseoseossoessessee 123 Figura 4 8 Le due zone tratteggiate indicano l inviluppo dei risultati ottenuti negli esperimenti condotti in due silos snelli variando il punto di innesco innesco in basso valori di prep alti innesco sul cielo del silos valori bassi
22. esplosione destinati ed essere utilizzati al di fuori di atmosfere potenzialmente esplosive Marcatura CE Organismo Gas i Polveri Notificato Uso in atmosfera potenzialmente esplosiva Gruppo di Superficie Figura 2 5 Schema dei simboli riportati sugli apparecchi destinati ad essere utilizzati in atmosfere esplosive La direttiva si applica agli apparecchi sistemi di protezione componenti e dispositivi in tutte le fasi della loro utilizzazione pertanto nell ambito della valutazione del rischio le considerazioni esposte nel presente documento devono estendersi a tutte le seguenti fasi normale esercizio avviamento fermata manutenzione eventualmente altro 67 La direttiva 94 9 CE ha ampliato il campo di applicazione rispetto al quadro legislativo preesistente in quanto ha stabilito i requisiti essenziali di sicurezza relativi a e apparecchi non elettrici destinati ad essere utilizzati in atmosfera potenzialmente esplosiva e apparecchi destinati a essere utilizzati in ambienti potenzialmente esplosivi a causa dei pericoli derivanti dalla presenza di polveri e sistemi di protezione ed ai dispositivi destinati a essere utilizzati fuori dall atmosfera esplosiva utili o indispensabili per il funzionamento sicuro degli apparecchi o sistemi di protezione relativamente ai rischi di esplosione La direttiva prende in esame tutti i tipi di sorgenti di innesco quali S
23. mo PI E ere a 42 T ie SRD a 2 6 8 i 18 14 Average AMS of Inatontomesus VWedocly m s Moximum Rate of Prespure Risa Ka bor m s Figura 1 7 Dipendenza dell indice di esplosivit ky dall internsita di turbolenza u rms Tamanini 1990 30 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 1 6 PROPRIETA FISICHE E CHIMICHE DELLE POLVERI E DELLE NUBI DI POLVERE Una polvere combustibile una sostanza avente una composizione chimica in grado di reagire esotermicamente con l aria Tuttavia il pericolo di esplosione riguarda in base agli incidenti accaduti soltanto le polveri combustibili aventi un calore di combustione superiore a 4 5 M 0A Di solito le polveri con un potere di combustione fino ai 2 3 M dA non presentano pericolo d esplosione Nonostante ci il pericolo di esplosione pu in ogni caso avvenire quando c un processo produttivo che viene eseguito ad alta temperatura quando viene utilizzata una sostanza ossidante oppure vi un alta concentrazione d ossigeno fonte Nagy J and Verakis H C Development and control of dust explosions M Dekker New York NY USA United States 1983 Il calore di combustione delle polveri di cereali varia tra 12 e 20 M di Per confronto il calore di combustione di un idrocarburo paraffinico C_H propano butano n esano n eptano di circa 45
24. 2 PERICOLOSIT DI UN ESPLOSIONE DI POLVERE s ssssssssssssssssssssssssscssstsscsssesseessees 19 1 3 CONDIZIONI PER UN ESPLOSIONE DI POLVERE ssssssssssssssssssssscssssssessesseessessessses 23 1 4 PROVE DI LABORATORIO SULLE POLVERI sssssssssssssssssssssssssssscsssssscsssessesssessessanes 26 1 5 LA PEG GE CUBICA i iii ili 28 1 6 PROPRIET FISICHE E CHIMICHE DELLE POLVERI E DELLE NUBI DI POLVERE 31 1 6 1 DIMENSIONE E DISTRIBUZIONE STATISTICA DELLE PARTICELLE ceceeeeeeeeeeee enon 33 1 6 2 AREA SUPERFICIALE SPECIFICA DI ESPOSIZIONE iii 35 1 6 3 AGGLOMERAZIONE renano 37 1 6 4 DISPERSIBILIT DELLA POLVERE ieri 37 1 6 5 CONTENUTO D UMIDIT iscintie ia 38 1 6 6 SORGENTI DACEENSIONE casole aio 39 1 6 7 CONCENTRAZIONE ara a a a a a a a aTa 40 1 6 8 COIVIPOSIZIOINE CAM GA a a A Aa a 41 1 7 GRANDEZZE CARATTERISTICHE DELL ESPLOSIVITA DELLE POLVERI COMBUSTIBILI 42 1 7 1 MASSIMA SOVRAPRESSIONE DI ESPLOSIONE MEP bar g 44 1 7 2 MASSIMA VELOCIT DI CRESCITA DELLA PRESSIONE MRPR bar 57 CATE 45 1 7 3 MINIMA ENERGIA D ACCENSIONE MIE MJ ccc rire 46 1 7 4 MINIMA TEMPERATURA D ACCENSIONE MIT C eri 48 1 5 MINIMA CONCENTRAZIONE D ESPLOSIVITA MEC g m ica 52 1 7 6 INTERVALLO DIESPLOSIVIT scozia noia alata 53 BIBLIOGRAFIA GENERALE sverniciatore asian aiar 54 BIBLIOGRAFIA DI SEZIONE sia 56 CAPI
25. 5 P red MAX 3 0 1 bar lt pa lt 2 bar 4 Densit superficiale dei sistemi di chiusura lt 0 5 kg m 5 5bar S Degas lt 10bar gt w ai lt 300 dA 6 Efficienza degli sfoghi unitaria Definiamo L L L m le dimensioni caratteristiche del volume da proteggere dove L la dimensione massima della costruzione da proteggere Quindi V LL L i e De 2 im L area di sfogo del volume V sar A Au 1 Cla K P max St P red MAX Ag 3 264 10 ka i 0 27 i Pia 7 1 Pea MAX Du e C 74 305 log p T 0 758 red MAX Dove A Area totale degli sfoghi richiesta m v Ao Area di sfogo di base m P yax Pressione massima di esplosione della polvere bar k_ Indice di esplosivit della polvere combustibile bar m s t Da Pressione ridotta bat p Pressione di attivazione del sistema di chiusura dello sfogo bar V Volume da proteggere m 116 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 4 3 3 UNI EN 14491 2006 La norma tecnica EN 14491 2006 Sistemi di protezione mediante sfogo dell esplosione di polveri una norma armonizzata ispirata alla Direttiva Europea ATEX 94 9 CE Essa stata recepita in Italia nell ottobre 2006 e quindi ha status di norma italiana a tutti gli effetti e specifica i requisiti di base per la progettazione e la scelta di un sistema di protez
26. 73s Hauert et al Ugelli perforati i 1996 posi a quattro Silos 12 m e 7 70e 0 85 differenti altezze Siwek et al Misurazione n 04 Essiccatori 2004 nella parte L D lt 1 bassa dell attrezzatura Tabella 5 5 Riepilogo delle formule utili per il calcolo dell intensit i turbolenza nei contenitori e nelle attrezzature La Commissione per la protezione delle esplosioni della NFPA ha deciso di sviluppare una semplice relazione approssimata che lega l intensit di turbolenza supposta pari 20 1 ed il S flusso di aria nell attrezzatura di processo _ max v RMS axial Vion 10 Di solito l asse delle attrezzature di processo verticale Ci sono molte attrezzature che operano con valori di intensit di turbolenza inferiore a 0 2 m s questa attrezzature com stato dimostrato da misurazioni e calcoli non necessitano dell aumento dell area di sfogo secondo la norma NFPA 68 149 Per estendere la 5 18 a volumi quasi cubic CA 1 essa rimane utilizzabile se consideriamo che in un silos l accensione avvenisse al centro invece che ad un estremit la fiamma accelerebbe ma la met rispetto all innesco dal fondo Infatti i risultati di esperimenti mostrano che in questo caso a parit di altre condizioni si ottengono valori di sovrapressione d esplosione all incirca la met Quindi possiamo continuare ad utilizzare la formula suddetta nella forma L L
27. 9 e aree esterne ai contenimenti di polveri e nelle vicinanze di punti di riempimento e di svuotamento nastri trasportatori punti di campionamento stazioni di scarico autocarri punti di scarico dai nastri ecc ove non vengano prese misure per evitare la formazione di miscele esplosive di polvere aria e aree esterne ai contenimenti di polveri dove si accumulano polveri e dove a causa delle operazioni di processo lo strato di polvere pu essere disturbato e formare miscele esplosive di polvere aria 63 aree all interno di contenimenti di polveri dove possono formarsi nubi esplosive di polvere ma non in modo continuo n per lunghi periodi n frequentemente come per es sili se riempiti e o svuotati solo occasionalmente e il lato sporco di filtri in caso di lunghi intervalli di auto pulizia Zona 22 Luogo in cui improbabile che un atmosfera esplosiva sotto forma di una nube di polvere combustibile nell aria si presenti durante il normale funzionamento ma che se si presenta persiste solo per un breve periodo Questa zona pu comprendere tra gli altri luoghi in prossimit di apparecchi sistemi di protezione e componenti contenenti polveri dai quali le polveri possono fuoriuscire a causa di perdite e formare depositi di polveri per esempio sale di macinazione in cui la polvere fuoriesce dai mulini e si deposita Esempi di luoghi che possono dare origine a zone 22 scarico in
28. BZZIINOTS Ip SINSITA 100 lt k lt 200 200 lt k lt 300 Tabella 1 3 Fonte NFPA 68 2007 e Bartknecht 1981 campioni di polvere con diametro equivalente minore od uguale a 40 Um innesco scariche capacitive 10 J o filamenti incandescenti 10 kJ La validit di questa legge stata discussa R Eckhoff e A E Dahoe ed stato dimostrato che essa non pi valida quando lo spessore della fiamma diventa confrontabile con la dimensione caratteristica del recipiente dove avviene l esplosione e se la velocit di combustione 8 La legge cubica applicata in un contenitore senza superficie di sfogo h Lo spessore della fiamma di una nube i polvere ed aria in regime laminare dell ordine della frazione del mm mentre in regime turbolento di qualche mm di spessore Per maggiori approfondimenti vedere CAPITOLO 3 28 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO paragonabile Inoltre essa non tiene conto della turbolenza della nube di polvere ed aria causa 23 l ap della variazione di pyax ea dt MAX Una formula analoga valida anche per i gas ma importante osservare che poich lo spessore della fiamma della nube di polvere combustibile ed aria mediamente superiore di quello di una miscela di gas ed aria la legge cubica ha una validit pi ristretta quindi nella sua applicazione occorre maggiore
29. DI PROTEZIONE CON SUPERFICI DI SFOGO 102 4 3 NORME N F P A V D I E U N I C E N PER IL DIMENSIONAMENTO DEGLI SFOGHI 107 4 3 1 NERPA6S 200 lella 108 4 3 2 VDI3673 20023805colite ira to sl io inse sii olo el fobie isola reo reer 112 4 3 3 UNEEN T4491 2006 crfin a E E A E E 117 4 4 CONFRONTI E LIMITI DELLE NORME PER IL DIMENSIONAMENTO DELLE SUPERFICI DI ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 4 5 EFFETTO DEL INTENSIT DI TURBOLENZA SULLA PRESSIONE MASSIMA RAGGIUNTA IN UN ESPLOSIONE CON SUPERFICI DI SFOGO rreeerrrrreererrenerioresee riore necicneenenione 128 4 6 ESTENSIONE DEI RISULTATI DEGLI ESPERIMENTI cssecccscccseccsccssccssceeseesees 129 BIBLIOGRAFIA DI SEZIONE nana 130 CAPITOLO 5 CORRELAZIONE PER IL DIMENSIONAMENTO DELLE SUPERFICI DI SFOGO 131 5 1 GENERAL silla 131 5 2 LIMITI DEI METODI DI MISURA DELLE VELOCIT DI COMBUSTIONE 133 5 3 RELAZIONE FONDAMENTALE vseccsrccecese ceco cessi se cee nere nine eie nine cio nice eee eeze nio eee 135 5 4 CORRELAZIONE PER LE VELOCIT DI COMBUSTIONE sscsssssssssssssssssssssesseessnes 138 5 5 CORRELAZIONE PER LA VELOCIT DI FIAMMA csccrercserie rese eieeese cio eezenionenee 139 5 6 CORRELAZIONE PER LA SOVRAPRESSIONE DI ESPLOSIONE s ssssssssssssss
30. Figura 3 3 Heat 3 4 Dust Ci Devolatilization Gas products Explosion 1 Heat Heterogeneous 1Combustion Figura 3 3 Schema su scala particellare dei fenomeni a catena coinvolti nella combustione di una particella di polvere la catena 2 3 4 5 indica la combustione omogenea polvere devolatilizzata taria l altrnativa la combustione eterogenea polvere solidataria fonte Di Benedetto A and Russo P Thermo kinetic modelling of dust explosions Journal of Loss Prevention in the Process Industries 20 4 6 303 309 2007 76 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 3 2 MECCANISMO DELLA COMBUSTIONE E DELLA PROPAGAZIONE DELLA FIAMMA Uno dei fenomeni riguardanti le esplosioni di polveri che necessita approfondimento dei ricercatori sicuramente il meccanismo di combustione che si sviluppa nella nube di polvere ed aria Infatti la sua conoscenza importante perch la propagazione della fiamma durante l esplosione avviene attraverso la combustione della singola particella e quindi utile per prevenire e proteggere dal pericolo di esplosioni di polveri per esempio come e con quali sostanze intervenire per sopprimere la combustione Un recente studio ha riguardato la combustione di particelle di acido stearico C H O contenuto per esempio nel cacao della dimensione fino a 70 m e registrata con una videocamera
31. Protection Handbook N F P Association ed 55 BIBLIOGRAFIA DI SEZIONE 29 30 31 32 33 34 35 56 Baker C G J Ranken M D and Kill R C 1997 Food Industries Manual Springer Barbosa Canovas G Ortega Rivas E Pablo J and Yan H 2005 Food Powders Kluwer Academic Plenum Publisher New York Bradley D and Lee J H S 1988 Burning rates in turbulent fine dust air explosions First International Colloquium on the explosibility of industrial dusts 220 223 Dahoe A E a b Hanjalic K c and Scarletta B a 2002 Determination of the laminar burning velocity and the Markstein length of powder air flames Powder Technology 122 2 3 222 238 Eckhoff R K 2006 Differences and similarities of gas and dust explosions A critical evaluation of the European ATEX directives in relation to dusts Journal of Loss Prevention in the Process Industries 19 6 553 560 Kaletunc H and Breslauer K 2003 Characterization of flour and cereals Marcel Dekker New York Kent N L and Evers A D 1994 Technology of Cereals An Introduction for Students of Food Science and Agriculture Pergamon Owens W G 2001 Wheat corn and coarse grains milling In Cereal processing technology Woodhead Publishing Ltd 56 CAPITOLO 2 CONTESTO NORMATIVO EUROPEO E NAZIONALE 21 PREMESSA La prima esplosione di polvere che si ricordi nel mondo
32. a 2002 Determination of the laminar burning velocity and the Markstein length of powder air flames Powder Technology 122 2 3 222 238 Dahoe A E L P H d G 2003 On the determination of the laminar burning velocity from closed vesselnext term gas explosions Journal of Loss Prevention in the Process Industries 16 6 457 478 Dobashi R and Senda K 2006 Detailed analysis of flame propagation during dust explosions by UV band observations Journal of Loss Prevention in the Process Industries 19 149 153 Drysdale D 1999 An introduction to fire dynamics Edinburgh 95 13 14 15 16 17 18 19 22 23 24 Eckhoff R K 2003 Propagation of Flames in Dust Clouds In Dust Explosions in the Process Industries ELSEVIER ed 251 384 Jarosinski J Podfilipski J and Pu Y 2000 Visualization of Dust Explosion Under Microgravity Conditions Combustion Science and Technology 158 1 September 2000 183 194 Karlovitz B Denniston D W Wells J and Wells F E 1951 Investigation of turbulent flames Turbulent flames 19 5 Krause U and Kasch T 2000 The influence of flow and turbulence on flame propagation through dust air mixtures Journal of Loss Prevention in the Process Industries 13 3 5 291 298 Nagy J Conn J W and Verakis H C 1969 Explosion Development in a spherical vessel U S Department of Interior Bureau
33. ad alta velocit munita di filtro UV per evidenziare la zona di combustione della particella emissione chimica di OH durante la combustione Come possiamo osservare in Figura 3 4 la propagazione della fiamma in forma pressoch sferica e le zone di reazione sembrano concentrate intorno alle particelle I punti blu a temperatura inferiore alla fiamma indicano una zona di reazione intorno alle particelle che stanno vaporizzando Quindi saremmo portati a concludere che la combustione avviene in modo simile a quella di una fiamma di diffusione Blue spot flame Luminous zone Scale 10mm i Figura 3 4 Immagine scattata con fotocamera normale durante la propagazione della fiamma tra le particelle di acido stearico sospese in aria a Riprendendo invece la combustione con videocamera munita di filtro UV la zona di combustione appare continua pi simile a quella dei gas Quindi vuol dire che la combustione si propaga anche attraverso il gas liberato dalle particelle di acido stearico che hanno iniziato il processo di pirolisi prima che la fiamma le raggiunga Per questo la combustione delle particelle di polvere organica simile alla combustione di una fiamma premiscelata vedi Paragrafo seguente Region where blue spot flames exist Image of observation at UV band Image of ordinary observation system 10mm Figura 3 5 Immagine scattata con fotocamera normale La linea bianca tracciata per evidenziare il confine
34. ambiente dagli sfiati dei filtri in quanto in caso di malfunzionamento possono verificarsi emissioni di miscele di esplosive polvere aria luoghi vicini ad apparecchiature che devono essere aperte a intervalli non frequenti o apparecchiature che sulla base dell esperienza possono facilmente formare perdite con espulsione violenta delle polveri a causa di una pressione superiore a quella atmosferica apparecchiature pneumatiche collegamenti flessibili suscettibili di danneggiamento ecc magazzini di sacchi contenenti prodotti polverosi Durante la movimentazione possono verificarsi danni ai sacchi tali da causare perdite di polvere aree normalmente classificate come zone 21 possono rientrare in zona 22 quando vengono attuate misure per evitare la formazione di miscele di esplosive polvere aria Tali misure comprendono sistemi di ventilazione dell aria Le misure dovrebbero essere utilizzate nelle vicinanze dei punti di riempimento e svuotamento dei sacchi nastri trasportatori punti di campionamento stazioni di scarico camion punti di scarico nastri CCC aree nelle quali si formano strati di polveri controllabili suscettibili di diventare miscele di esplosive polvere aria L area viene designata come non pericolosa solo se lo strato viene rimosso mediante pulizia prima che possano formarsi miscele pericolose di polveri aria 64 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA
35. attenzione Inoltre durante una combustione turbolenta di una polvere combustibile dispersa in aria la dimensione della zona di reazione di un ordine di grandezza maggiore di quella dei gas premiscelati Lee 1987 In ogni caso essa valida per apparecchiature di prova con volume pari ad almeno 20 litri e per contenitori aventi un rapporto di forma CA non superiore a 5 Nonostante queste limitazioni le norme tecniche ISO EN ASTM NFPA e VDI approvano Puso e la validita della legge cubica i a Ke i af s LE y pag ilust ria APATA cube root law E dPh 1 di A ETE 3 7 nt f PRI ELI ell Figura 1 6 Legge di scala di un esplosione non si pu affermare senza riserve la trasposizione alle dimensioni delle attrezzature industriali fonte Dahoe A E Dust Explosions a Study of Flame Propagation Technische Universiteit Delft 2000 La legge anche utilizzata per calcolare Pindice di esplosivit amp delle polveri parametro che poi si utilizza anche nelle formule per il dimensionamento degli sfoghi delle pressioni durante le esplo sioni Guardando l espressione della legge cubica possiamo notare che al variare del volume del contenitore varia la variazione di pressione nell unit di tempo ma la pyax rimane la stessa Questa tesi non valida in condizioni di flusso turbolento come si pu vedere dalla Tabella 1 4 Nel reattore di prova di 1 m e nelle condizioni previst
36. avvenuta a Torino nel 1875 in un mulino di un fornaio Nonostante ci in Italia gli incidenti dovuti ad esplosioni di polveri nel settore dell industria alimentare non sono registrati da nessuna agenzia Il database dell Inail non differenzia gli incidenti mortali sul lavoro in base al tipo di sostanza coinvolta ma tiene conto della causa dell infortunio oggetto che ha colpito individuo Tuttavia da comunicazioni private con rappresentanti delle maggiori associazioni di categoria dell industria molitoria Italmopa Antim Grandimolini si evidenziato che vi sono molti incidenti che rimangono non denunciati o che riportano soltanto i media locali In Europa esiste un database denominato MARHS che raccoglie tutti gli incidenti dovuti a sostanze chimiche ritenute pericolose secondo le direttive Seveso Negli Stati Uniti dalla prima met del 900 sono stati riportati gli incidenti verificatisi nel settore dell industria estrattiva del carbone e quelli dovuti alle polveri di grano e mais cereali e frumento Sono quindi disponibili in Internet dati aggiornati annualmente sulle esplosioni o a i k avvenute a causa di polveri di origine agricola Si registra che in Europa le esplosioni di polvere combustibili che avvengono sono circa 2000 esplosioni anno Nonostante il quadro incompleto sui dati necessari ad inquadrare la gravit del k www oznet ksu edu pr_histpubs Pubs fenomeno le leggi che si esporranno di segu
37. cui schema di principio riportato nella figura seguente GHITION rs PRESSURE ie iat 1 Za SENSOR r I i F j i UST DISPERSION Vy Fy VALVE NOZZLE DUST SAMPLE ____ h P Figura 3 19 Apparato sperimentale comunemente utilizzato per gli esperimenti sulla combustione turbolenta in recipienti chiusi Il volume Vi massimo sperimentato stato 250 m3 P2 gt gt P Prima di innescare la miscela si provvede a ristabilire la pressione atmosferica perch la pressione iniziale influenza la pressione massima raggiunta e l andamento della crescita della pressione durante l esplosione La turbolenza all interno del contenitore di prova raggiunge rapidamente un massimo subito dipo l inizio della dispersione e poi inizia a decrescere e si annulla quando la dispersione completata tale andamento mostrato in figura EB EME KTENSITY JEANI Dust TLS ULEHCE oF MUST Se ase DECAY SPE AS iDN CM PLETED il FA iE Figura 3 20 Decadimento temporale della turbolanza all interno del contenitore di prova Dopo aver raggiunto il massimo poco prima della fine della dispersione dell nube nel contenitore la turbolenza diminuisce e la polvere combustibile tende a sedimentare L intensit di turbolenza rappresentata dal valore quadratico medio della velocit turbolenta 93 Dalle prove eseguite si studiata l influenza della turbolenza sui due parametri pi importanti dp
38. di predla a a 124 Figura 4 9 Grafico del rapporto Av68 Avexp in funzione di Pred cccssscccssssccccsssscccsssssccssssececsssessess 126 Figura 4 10 Grafico a punti del rapporto Ayeg Avexp in funzione dell indice di esplosivit per i dati sperimentali riportati in Tabela 44 Le aaa anali 127 Figura 4 11 Correlazione sperimentale tra prep U ams di prove di esplosioni di amido di mais in un volume di 64 mi a pianta rettangolare protetto con superfici di sfogo area 5 6 m La concentrazione della polvere di 250 gm La sorgente d accensione di tipo chimico ha energia di 5 J ed posto al centro del volume importante osservare l influenza dell intensit della turbolenza sulla pressione massima raggiunta nel contenitore s sisrz iraniani earn 128 Figura 4 12 Occorre un collegamento rappresentato da una teoria fisica tra i risultati degli esperimenti e il loro utilizzo nei SISTEM industriali 129 Figura 5 1 Struttura semplificata di una fiamma premiscelata turbolenta piana In questo caso si pu parlare di un profilo medio della fiamma nel tempo simile ai peli di un pennello che oscillano velocemente e in questo modo possiamo parlare di una velocit turbolenta di combustione e uno spessore dilamma turpbolenta Gipi ia 135 Figura 5 2 Interpolazione e confronto tra i dati sperimentali della combustione di amido di mais disperso in aria con la formula generalizzata della combustione turbolenta So
39. dust air mixtures in industrial situations In Dust explosions protecting people equipment buildings and environment pp 140 167 British Materials Handling Board 33 Pritchard D K Allsopp J A amp Eaton G T undated Gas explosion venting in elongated enclosures Paper presented at www safetynet de 34 Proust C 1993 Experimental determination of the maximum flame temperatures and of the laminar burning velocities for some combustible dust air mixtures In Proceedings of the fifth international colloquium on dust explosions Pultusk Poland pp 161 175 35 Proust C 2006 Flame propagation and combustion in some dust air mixtures Journal of Loss Prevention in the Process Industries 19 89 100 36 Proust C Roux P amp Chhuon B 2000 Pre voir les Effects des Explosions de Poussie res sur Environnement EFFEX un Outil de Simulation INERIS DRA 22751 pp 1 50 156 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 37 Proust C amp Veyssiere B 1988 Fundamental properties of flames propagating in starch dust air mixtures Combustion Science and Technology 62 149 172 38 Pu Y K Jarosinski J Johnson V G amp Kauffman C W 1990 Turbulence effects on dust explosion in the 20 1 spherical vessel In Proceedings of the 23rd international symposium on combustion pp 3
40. gt ossidi calore I materiali che hanno una composizione chimica con ossidi stabili non causano esplosioni di polvere 20 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO I materiali che possono causare esplosioni di polvere includono e materiali naturali organici sostanze alimentari legno e materiali organici sintetici polimeri resine e carbone e torba e imetalli Le tabelle seguenti forniscono una scala indicativa della pericolosit di un esplosione in base alla sovrapressione raggiunta ass Danno 0 2 6 Rottura di vetri 1 Rottura di vetri valore tipico 23 15 Danni a edifici 15 20 Distruzione di muri e mattoni strutture c a 20 30 Cedimento di serbatoi per combustibili liquidi 30 70 Distruzione totale di edifici 35 Rottura di timpani D Abbattimento di pali di legno 50 60 Rovesciamento di vagoni ferroviari carichi 70 Danni letali ai polmoni Tabella 1 1 Danni provocati dall esplosione Fonte Rischi di incidente rilevante Cap VII Stabilit Sistemi chimici Dipartimento dei Vigili del Fuoco Comando Provinciale di Bergamo Approximate blast Structural element Failure b inch Glass windows large and small Shattering usually occasional frame failure 04 1 Comugated asbestos sidme Shattering l 2 Corugated steel or aluminum panelling Connection failure followed by buckme 12 Wood siding panels sta
41. il fattore di forma A non pu essere maggiore di tre 2 Se per le strutture allungate consideriamo A m Parea trasversale in direzione perpendicolare alla lunghezza massima del volume L m ed avente perimetro L m possiamo definire un b i i A TE dimetro equivalente pari a D 4 A m Allora la restrizione per le strutture allungate P espressa da 120 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO La norma si conclude con l importante Appendice ZA contenuto in ogni norma armonizzata che chiarisce come sono stati realizzati i requisiti essenziali di sicurezza RES stabiliti nella direttiva europea 94 9 CE del tipo nuovo approccio secondo la direttiva europea prodotti da costruzione 89 196 CEE recepita in Italia con il DPR 246 93 Questa appendice importante perch la rispondenza ai RES elencati nella tavola ZA1 delle installazioni delle superfici di sfogo una presunzione di conformit ai corrispondenti RES elencati nella Direttiva ATEX 94 9 CE Questi parametri elencati entreranno nella futura marcatura CE del sistema di sfogo e quindi esso pu liberamente circolare all interno del mercato EEA European Economic Area costituito dagli stati aderenti alla Comunit Europea dalla Norvagia lo stato del Liechtenstein e l Islanda 121 4 4 CONFRONTI E LIMITI DELLE NORME PER IL DIMENSIONAM
42. intendono le macchine i materiali i dispositivi fissi o mobili gli organi di comando la strumentazione e i sistemi di rilevazione e di prevenzione che da soli o combinati sono destinati alla produzione al trasporto al deposito alla misurazione alla regolazione e alla conversione di energia ed alla trasformazione di materiale e che per via delle potenziali sorgenti di innesco che sono loro proprie rischiano di provocare un esplo sione 66 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO Sistemi di protezione art 1 paragrafo 3 b I dispositivi diversi dai componenti la cui funzione bloccare sul nascere le esplosioni e o circoscrivere la zona colpita dalle fiamme e dalla pressione derivante dall esplosione che sono immessi separatamente sul mercato come sistemi con funzioni autonome e Componenti art 1 paragrafo 3 c Parti essenziali per il funzionamento sicuro degli apparecchi e dei sistemi di protezione in caso contrario non rientrerebbero nella direttiva ma privi di funzione autonoma in caso contrario sarebbero considerati apparecchi sistemi di protezione o dispositivi ai sensi dell articolo 1 paragrafo 2 e Dispositivi di sicurezza controllo e regolazione art 1 paragrafo 2 Un qualunque dispositivo utile o necessario per il funzionamento sicuro degli apparecchi e o sistemi di protezione ai fini dell
43. la derivata massima della pressione non sono funzione del tempo di ritardo dell accensione e quindi non risentono del flusso turbolento della miscela 10 r ha AU ars 120 ma 140 ma pressure bar bal LGU ma fs a 400 DRI soi 1000 Line millisecondes Figura 3 15 Grafico della sovrapressione durante Pesplosione di una nube di amido di mais in concentrazione di 625 gm nel reattore sferico di 201 Come si pu osservare la pmax ed anche la derivata massima della presisone sono funzione del tempo di ritardo dell accensione e quindi risentono del flusso turbolento della nube 88 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO Infine pu essere utile classificare la turbolenza in base alla modalit in cui viene originata la turbolenza iniziale dovuta al moto dentro l attrezzatura industriale prima dell innesco dell esplosione e il secondo tipo indotto dall esplosione stessa e dall espansione dei gas combusti davanti al fronte di fiamma Si genera turbolenza anche quando l esplosione si propaga in presenza di ostacoli che la nube incontra Anche la fuoriuscita dei prodotti incombusti e del fronte di fiamma dalle superficie di sfogo pu provocare turbolenza dentro e fuori del volume protetto 89 3 6 INFLUENZA DELLA TURBOLENZA SULLA PROPAGAZIONE DELL ESPLOSIONE Se la nube di polvere combust
44. polveri organiche naturali di cui sono composti i prodotti agroalimentari o che vengono generate nei processi produttivi sono composte da umidit amido proteine grassi e sostanze incombustibili Gli elementi chimici sono gli stessi di tutte le sostanze organiche derivate dalle piante carbonio idrogeno azoto e ossigeno pi tracce di diversi minerali Le polveri di origine agricola sono tra il 60 e l 80 combustibili la rimanente parte umidit e sostanze incombustibili e hanno diametri medi da 17 a 120 Um Fonte Report of Committee on evaluation of industrial hazards 1982 Prevention of Grain Elevator and Mill Explosions National Academy Press Washington Possiamo classificare le polveri oggetto del nostro interesse come particelle aventi una 3 dimensione caratteristica compresa in una certo intervallo compreso tra 1 e 10 Um mentre per dimensioni superiori od inferiori le particelle sono classificate diversamente secondo lo schema sottostante Dimensioni 2 nid n tam 1073 10 1071 1 10 10 10 e true ili ani ane Samael Colloidi Argilla Limo Sabbia fine gt i Argilli 4 Sabbia fine Sabbia grossa lt e _ _ __ _ pie Aerosol lt m s ssossoococoeasooceseoscsesssss gt Pulviscolo Polvere Cui s DI gt lt Definizioni i Fumi ee 6 a paal a Grandi molecole Particelle dis
45. rapido oppure nella quale la miscela presenta una minima energia di accensione oppure produce la massima pressione di deflagrazione 45 1 7 3 MINIMA ENERGIA D ACCENSIONE MIE mJ La minima energia di accensione di una nube di polvere dispersa in aria definita come il valore pi basso d energia capace d accenderla e di generare un fronte di fiamma che si propaga autonomamente nelle specifiche condizioni di prova Tabella 1 11 La prova di laboratorio viene eseguita nel Tubo di Hartmann e viene misurata l energia elettrostatica immagazzinata nei condensatori Questo parametro rappresenta la sensibilit all accensione della nube d aria e polvere A volte la minima energia di accensione indicata come una coppia di valori il valore pi basso definisce la soglia al di sotto della quale sicuramente non avviene l accensione della polvere a qualsiasi concentrazione di polvere combustibile ed aria il valore pi alto definisce il valore con il quale avviene l accensione pet qualsiasi concentrazione Per le polveri combustibili l energia capace di accendere la maggior parte della nube di polvere dell ordine di grandezza dei mJ A parit di concentrazione del combustibile un valore maggiore di quello per i gas come si pu notare dalla figura sottostante Kinita itcendihaty riiki 1 Il I J a Energy imi e e e e e F Pi i Dischaf ge from ae ipowder heap Powders
46. turbolenza difficile da descrivere matematicamente innesca un fenomeno di combustione autoaccelerante Uno dei metodi per la protezione dalle esplosioni di polveri Putilizzo di superfici di sfogo della sovrapressione generata durante l esplosione Tuttavia le norme tecniche utilizzate per proteggersi dalle esplosioni con le superfici di sfogo forniscono scarse indicazioni dirette sull influenza del flusso turbolento sul dimensionamento di queste superfici Inoltre essi tendono a stimare in eccesso l area geometrica da destinare allo sfogo dell esplosione di polveri combustibili Questo accade perch le correlazioni utilizzate dalle norme tecniche inviluppano i casi peggiori risultati dalle prove effettuate in laboratorio e su scala reale Per superare questa limitazione delle norme N F P A e V D I sono state cercate delle correlazioni empiriche partendo dalla velocit di combustione che un parametro che descrive le condizioni della combustione la validit di questa formula stata provata attraverso il confronto con i dati sperimentali ricavati dalla letteratura scientifica sull argomento Poi abbiamo ricavato una correlazione empirica per il dimensionamento di superfici di sfogo di attrezzature industriali allungate e quasi cubiche Questa formula stata confrontata con i risultati forniti dalle norme tecniche NFPA e VDI L ulteriore lavoro consister nell indagare il flusso originato da una esplosione primaria
47. 0 m ne avr 8 file per produrre lo stesso livello di turbolenza Invece poich quest ultimo ne ha soltanto 6 file e quindi possiamo supporre che la turbolenza possa essere valutata come 2 1 6 8 1 5 m s Bartknecht 1985 152 Tabella 5 8 Prova su Silo 500 m 152 Tabella 5 9 Silos V 236 m 153 Tabella 5 10 Prova su Camera di prova snella V 0 074 m 153 12 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO INTRODUZIONE La ricerca scientifica affronta un particolare rischio per la sicurezza dei lavoratori addetti a trattare con alcune polveri di origine agricola Pesplosione In generale possiamo classificare il pericolo delle polveri in base alla gravit del danno che possono causare quando quest ultimo riguarda la salute del lavoratore parliamo di rischio microclimatico delle polveri se il danno pu provocare effetti sia sulla salute dei lavoratori che sulle strutture dell ambiente lavorativo parliamo di rischio d esplosione delle polveri Il pericolo di esplosione di polveri organiche naturali riguarda tutte le attivit che trattano processano utilizzano producono miscelano macinano caricano scaricano immagazzinano materiali organici naturali in forma sciolta o loro sottoprodotti e polveri di graniglie semi legumi farine spezie mangimi e altri prodotti simili Sono inoltre incluse tutte le attivit che si occupano d
48. 2 Determination of the laminar burning velocity and the Markstein length of powder air flames Powder Technology 122 222 238 Dahoe A E Zevenbergen J F Lemkowitz S M amp Scarlett B 1996 Dust explosions in spherical vessels The role of flame thickness in the validity of the cube root law Journal of Loss Prevention in Process Industries 9 33 44 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 12 Eckhoff R K amp Fuhre K 1984 Dust explosion experiments in a vented 500 m3 silo cell Journal of Occupational Accidents 6 229 246 13 Gieras M Glinka W Klemens R amp Wolanski P 1995 Investigation of flame structure during laminar and turbulent burning in dust air mixtures Conference on dust explosions Protecting people equipment buildings and environment pp 168 224 14 Gieras M Klemens R amp Wolanski P 1996 Evaluation of turbulent burning velocity for dust mixtures Proceedings of the seventh international colloquium on dust explosions pp 535 551 Bergen Norway 15 Glinka W Wang X Wolanski P amp Xie L 1996 Velocity and structure of laminar dust flames Proceedings of the seventh interna tional colloquium on dust explosions pp 61 68 Bergen Norway 16 Goroshin S Mamen J Lee J amp Sacksteder K 2005 Ground based and microgravity st
49. 20 Condotto 200 x 200 mm te In questo caso nei risultati della velocita di combustione laminare presente uno scarto dal E ss 3 E valore medio 0 20 ms del 35 134 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 5 3 RELAZIONE FONDAMENTALE In questo paragrafo sar ricavata una relazione matematica che lega la velocit di combustione laminare con la velocit di combustione turbolenta di una nuvola di polvere combustibile ed aria che sar utilizzata per ricavare la correlazione empirica per il calcolo delle superfici di sfogo Durante l esplosione di una nube di polvere combustibile organica naturale ed aria il fronte di fiamma pu considerarsi il regime laminare durante la stadio iniziale dopo di che il flusso assume una connotazione turbolenta e il fronte di fiamma diventa aggrinzato e la velocit di combustione aumenta La transizione tra i due regimi causata da tre tipologie di fenomeni che differiscono per l origine e che sono 1 Instabilit della fiamma 2 Turbolenza generata da ostacoli presenti 3 Turbolenza causata dalla rimozione dei sistemi di chiusura delle aperture degli sfoghi Per studiare la relazione tra la velocit di combustione laminare e turbolenta osserviamo che le fiamma turbolenta ha un area maggiore A rispetto all area proiettata in direzione perpendicolare a quella di propagazi
50. 20 USBM con ugello rebound Polvere aria Contenitori vari Pu et al 2007 3 ms Gas aria Tabella 5 1 Relazioni di proporzionalit tra la velocit di combustione turbolenta e l intensit di turbolenza valide fino al valore misurato Polvere di silicone 137 5 4 CORRELAZIONE PER LE VELOCIT DI COMBUSTIONE L effetto della temperatura e della pressione sulla velocit di combustione laminare pu essere espresso in questa forma si 5 2 Dove Temperatura e pressione della miscela incombusta SS U Esponenti trovati empiricamente funzione del rapporto di a 2 0 1 7 Eckhoff 2003 van equivalenza fonte Dahoe 2002 Wingerden 1996 B 0 5 0 36 Dahoe et al 1996 Eckhoff 2003 Considerando che la combustione avvenga a volume costante ed in modo adiabatico possiamo fare uso della legge della trasformazione adiabatica per i gas perfetti y 7 7 aS i Dove si pu porre y 1 4 gt Quindi sostituendo 5 3 in 5 2 abbiamo ae 2 5 4 5 5 x y il rapporto tra i calori specifici dei gas che si liberano prima della combustione della nube di polvere ed aria rispettivamente a pressione e a volume costanti 138 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 5 5 CORRELAZIONE PER LA VELOCIT DI FIAMMA Supponendo che lo spessore del fronte di fiamma della nube di polvere durante la combusti
51. 20 9 0 490 0 08 45 Safflower meal 580 20 460 210 0 025 55 Soy flour 540 5 5 540 190 0 10 60 Soy protein 660 65 520 260 0 05 35 Wheat untreated 710 25 500 220 0 06 65 Wheat flour 655 26 380 360 0 05 50 Wheat starch edible 690 45 420 _ 0 025 45 Wheat straw 680 41 470 220 0 050 55 SOURCE U S Bureau of Mines 1961 Tabella 1 12 Propriet sull esplosivit di comuni polveri di origine agricola Fonte Committee on evaluation of industrial hazards Prevention of Grain Elevator and Mill Explosions National Academy Press Washington 1982 50 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO Maximum rate nf Estimated burning j velocity Maximum pressure pressure rise Ss af almospherit pressure Dusi Pn arig dPfafinra bens and 300 K ma Ahala 455 ri 4 20 Aluminum atomized i O76 Aluminum flaked i 01 56 Andimory II colui acatate 0 29 e Callulosa acetate acababa D so Chomm BT wo emanen s oa Citrus pael CT eC coan mean 700 ee ose Cotten linkers LIE Gilisonite G ia JA Hamp Pura Hydroxyeihil cellulose Hydrosyprooy cellulosa Lignita echi Magnesium 0 26 O40 0 46 0 66 0 66 0 26 Sulfur 100 44 prn Ma 0 75 _ Titanium ea 90 i 1 73 Pittsburgh ocal Polpethylene Source Nagy and Verakis 1993 Tabella 1 13 Valori della massima pressione d esplos
52. 43 849 Pittsburgh The Combustion Institute 39 Pu Y K Jarosinski J Tai C S Kauffman C W amp Sichel M 1988 The investigation of the feature of dispersion induced turbulence and its effects on dust explosions in closed vessels In Proceedings of the 22nd international symposium on combustion The Combustion Institute Pittsburgh pp 1777 1787 40 Pu Y K Jia F Wang S F amp Skjold T 2007 Determination of the maximum effective burning velocity of dust air mixtures in constant volume combustion Journal of Loss Prevention in the Process Industries 20 462 469 41 Pu Y K Lee Y C Kauffman C W amp Bernal L P 1989 Determination of turbulence parameters in closed explosion vessel In 12th international colloquium on the dynamics of explosions and reactive systems Ann Arbor MI pp 107 123 42 Rasbash D J amp Rogowski Z W 1960 Relief of explosions in duct systems In Proceedings of the first symposium on chemical process hazards pp 58 65 England London Institution of Chemical Engineers 43 Rasbash D J amp Rogowski Z W 1961 Gaseous explosions in vented ducts Combustion and Flame 4 301 312 44 Rasbash D J amp Rogowski Z W 1963 Relief of explosions in propane air mixtures moving in a straight unobstructed duct In Proceedings of the second symposium on chemical process hazards with special reference to plant design Englan
53. 6 Zevenbergen 2006 Van der Wel 1993 Van der Wel 1993 I valori medi che si ottengono utilizzando 1 valori delle Tabella 5 2 e Tabella 5 3 sono 143 C 0 11 la eC turb U rms Quindi otteniamo k S 0 11 0 15 u pus Pda Ricordando le equazioni 5 9 e 5 10 alla luce d espansione 0 14 I 0 p K S al dg es Po P nar k a i k a rus E 7 turb C urbt RMS p Possiamo scrivere 0 St Sa oiee k C 0 15 u ET f P nax U kms E E quindi la 5 8 diventa o 7 a st i ho Wri Pics Puax Po ea P iia 011 su 0 150 E turb 0 15 5 12 delle considerazioni sul coefficiente 5 9 5 10 5 13 5 14 5 15 Da cui possiamo ricavare l espressione della velocit di combustione turbolenta per confronto con la 5 7 144 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO yee Jea 5 16 Nei due grafici seguenti si sono messi a confronto i valori ricavati facendo uso della formula 5 15 e 5 16 e quelli misurati in laboratorio reperiti nella bibliografia 8 S p calc m s di D Potato starch o Potato starch 2 4 6 8 S p meas m s Figura 5 5 Il grafico esprime il confronto tra la velocit di fiamma calcolata asse ascisse con la formula 5 15 e quella m
54. ENTO DELLE SUPERFICI DI SFOGO Si confrontano le norme tecniche sulla tipologia di contenitori silos tozzi con fattore di forma geometrico Ly lt 3 Poi saranno illustrate le limitaizoni nel caso di silos snelli DL 23 In fine saranno confrontati i risultati di esperimenti sulle esplosioni di polveri con superfici di sfogo con quelli della norma NFPA 68 2007 SILOS TOZZI Le norme tecniche utilizzate per il dimensionamento delle superfici di sfogo sono state messe a confronto in un apparato sperimentale di V 500 m con rapporto DA 3 edutilizzando 200 kg di polvere combustibile immessa dall alto ed innesco dal basso del silos E interessante osservare come le norme tecniche VDI e NFPA sono rappresentate da curve che sovrastano tutte le altre Questo vuol dire che le norme in questione sono le pi conservative quelle che hanno dei fattori di sicurezza molto elevati e per questo le aree calcolate con questi metodi sovrastimano l area realmente necessaria almeno 2 3 volte per amp 115 bar m s polvere di classe St 1 122 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO Figura 4 6 Risultati degli esperimenti condotti in un silos di 500 m3 con polvere di amido di mais e polvere di grano Confronto con i risultati previsti dalle norme tecniche utilizzate per il dimensionamento delle superfici di sfogo Infattio sono graficat
55. Esistono anche dei metodi sviluppati per misurare la massima concentrazione d esplosivita 2 come per esempio il Metodo di Zehr 1959 citato da Eckhoff R K in Dust explosions in the process industries 3 ed Gulf Professional Publishing New York 2003 Per le polveri di origine agricola la pressione massima generata nell esplosione e la massima velocit di crescita della pressione si verificano per concentrazioni superiori a quella stechiometrica almeno tre o quattro volte Anche se l intervallo di esplosivit stretto il comportamento della miscela esplosiva varia Forme tipiche della velocit di aumento della pressione di esplosione e dell energia minima di accensione sono riportate nelle figure sottostanti per l amido di mais con basso contenuto di umidit in aria a temperature e pressione standard la concentrazione di esplosivit minima circa 70 g m la concentrazione stechiometrica 235 g m la concentrazione del caso peggiore intorno ai 500 g m e la massima concentrazione di esplosivit nell intervallo 1500 2500 g m I valori di LEL sono di gran lunga oltre i limiti di pericolo delle polveri in termini di benessere microclimatico con una concentrazione di polvere pai a 50 g m la luce non riesce ad attraversare una distanza di 3 m 92 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 1 7 6 I
56. Generalmente piccoli valori di intensit e grandi scale di turbolenza in confronto allo spessore della fiamma producono fiamme fortemente raggrinzate Tali fiamme hanno un area maggiore rispetto alla superficie in direzione perpendicolare a quella di propagazione della fiamma Invece quando la turbolenza del flusso a monte della fiamma aumenta grandi intensit e la misura media dei vortici diventa piccola diventano elevate le variazioni nell unit di tempo dei fenomeni di scambio In generale quando parliamo di propagazione della fiamma in una nube di polvere la combustione pu avvenire in un unica fase come per i gas combustione omogenea le polveri organiche d origine agricola presentano questo tipo di combustione oppure pu coinvolgere fasi diverse combustione eterogenea le polveri di metallo presentano questo tipo di combustione Tuttavia occorre osservare che mentre le distanze tra due molecole di gas ed aria sono dell ordine molecolare in una nube di polvere d aria le distanze tra due particelle sono migliaia di volte superiori a quelle presenti nella miscela di gas ed aria Perci possiamo classificare le fiamme in cui bruciano polveri in fiamme di Nusselt combustione eterogenea per esempio combustione del carbone pi vicina alla fiamma di diffusione e fiamme volatili dove la pirolisi 75 avviene prima della combustione vera e propria e sprigiona vapori e gas Quindi pi vicina alla fiamma premiscelata
57. I POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 2 Gruppo II comprende gli apparecchi destinati a essere utilizzati in altri ambienti in cui Vi sono probabilit che si manifestino atmosfere esplosive Il gruppo II suddiviso in tre categorie a seconda del grado di protezione che il prodotto deve garantire grado molto elevato elevato o normale anche in relazione all ambiente d utilizzo Quanto maggiore la possibilit che si verifichi un atmosfera esplosiva tanto maggiore deve essere il livello delle misure di sicurezza adottate Ad esempio gli apparecchi di categoria 1 devono avere le seguenti caratteristiche devono garantire un grado di protezione molto elevato questo grado di protezione deve essere assicurato anche in caso di guasto eccezionale dell apparecchio tramite mezzi di protezione tali che in caso di guasto di uno dei mezzi di protezione almeno un secondo mezzo indipendente assicuri il livello di sicurezza richiesto oppure qualora si manifestino due guasti indipendenti uno dall altro sia garantito il livello di protezione richiesto sono destinati ad ambienti in cui si rileva sempre spesso o per lunghi periodi un atmosfera esplosiva dovuta a miscele di aria e gas vapori nebbie o miscele di aria e polveri devono soddisfare ai requisiti comuni di cui all allegato II punto 1 devono soddisfare ai requisiti supp
58. INATI CON SUPERFICI DI SFOGO 4 3 NORME TECNICHE N F P A V D I E U N I C E N PER IL DIMENSIONAMENTO DEGLI SFOGHI Adesso saranno presentate le norme tecniche sul dimensionamento degli sfoghi pi utilizzate in Europa e negli Stati Uniti gt Norma dell americana National Fire Protecion Association NFPA 68 2007 gt Norma della Verein Deutscher Ingenieure tedesca VDI 3673 2002 gt Norma del Comitato europeo di normazione recepita in Italia dall Ente italiano di normazione UNI EN 14491 2006 bene ricordare che esistono anche altre norme tecniche pet il dimensionamento degli sfoghi Tra queste si ricorda la norma della Factory Mutual Corporation multinazionale di assicurazione delle aziende contro i rischi industriali che stata studiata in modo approfondito dal ricercatore Tamanini e le norme scandinave Invece nel Regno Unito si applica la norma europea 107 4 3 1 NFPA 68 2007 Questa nuova versione intitolata Norma tecnica sulla protezione dall esplosione per mezzo di superfici di sfogo Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting sostituisce la precedente del 2002 Fino allora questa norma era stata una guideline cio una norma volontaria Invece adesso essa contiene dei requisiti obbligatori cui si fa riferimento attraverso il verbo anglosassone shall che sono richiesti nella progettazione uso e manutenzione delle attrezzature che hanno lo scopo di offri
59. M i i Substance Oxidation product s Edile Di GA Ca 1270 Mq Mig 240 7 FeO _ Cu CUG Sucrose CO and Ho Starch 2 CO and H0 Polyethylana Carbon n HU _Coal CQ and Hi Sulphur Go Tabella 1 5 Calore di combustione di varie sostanze per mole di Ossigeno consumata possiamo notare le sostanze organiche naturali saccarosio sucrose ed amido starch Le concentrazioni di polvere combustibile dispersa in aria che costituiscono pericolo di esplosione sono di gran lunga oltre il limite di tollerabilit dei lavoratori a contatto con essa ai fini della salute sul luogo di lavoro Tuttavia questi limiti sono raggiunti e superati frequentemente all interno delle attrezzature utilizzate Quindi un esplosione all interno di esse ha probabilit di avvenire e di solito gli effetti dell esplosione di questo tipo esplosione primaria 31 non causano gravi danni perch gli sfoghi di pressione delle attrezzature che cedono a pressioni basse permettono che il processo di combustione avvenga nel compartimento che contiene l attrezzatura che ha un volume molto maggiore e la pressione non cresce mai fino a raggiungere livelli pericolosi La pericolosit quindi delle esplosioni di polveri rappresentata soprattutto dalle esplosioni secondarie quando l esplosione primaria fuoriuscita dall attrezzatura attraverso sfoghi di pressione si propaga all interno del compartimento la regione di
60. NTERVALLO DI ESPLOSIVIT Una polvere sospesa in aria pu esplodere quando la concentrazione cio la massa di polvere per unit di volume cade entro determinati limiti La figura 3 3 mostra i limiti di esplosivit che ha l amido di mais in condizioni standard di temperatura e pressione i EMPLOSIALE l pang i m i DUST pri iii RIAL ie En A atel DUST HYGI Peres DOLL DEPOSIT ee ER eA persa beech arent a Ba fount sn l REI DE WIRE i Pa nugar ea ws cl mee fe fee ef fer w w i 10 07 10 1 w tg MASS OF POWDER DUST PER UMIT VOLUME g m Figura 1 20 Intervallo di esplosivita in aria a temperatura ambiente e pressione atmosferica dell amido di mais con indicazione dei limiti adottati nell igiene industriale e con la densit degli strati di polvere che si possono formare L intervallo di esplosivit abbastanza esteso estendendosi sui due ordini di grandezza e precisamente dai 50 ai 100 g m fino a 2 3 kg m La concentrazione di polvere in aria non funzione costante dello spazio con maggiori differenze spaziali rispetto al comportamento dei gas quindi il controllo dell intervallo di infiammabilit una misura di prevenzione che occorre progettare accuratamente 53 BIBLIOGRAFIA GENERALE m eq X Barton J Dust Explosion Prevention and Protection A Practical Guide Bartknecht W 1993 Explosions Course Preventio
61. O DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO La concentrazione della polvere combustibile in aria che determina questo valore massimo 5 durante la prova di esplosivit denominata concentrazione ottima che a volte notevolmente al di sopra della concentrazione stechiometrica polvere aria p bara Prax Figura 1 15 Grafico qualitativo dell andamento della pressione in funzione del tempo all interno del reattore di prova Notiamo che Pmax una sovrapressione e che la pendenza massima della curva MRPR 1 7 2 MASSIMA VELOCIT DI CRESCITA DELLA PRESSIONE MRPR bar s La massima velocit di crescita della pressione in anglosassone denominato Maximum Rate of Pressure Rise da cui l acronimo MRPR una grandezza legata alle propriet chimiche cinetiche dell esplosione cio alla velocit con cui avviene il fenomeno della combustione Per ottenere questo valore si esegue una prova di laboratorio nel reattore sferico di 20 1 o nel 3 r reattore di 1m tramite una trasformazione in condizioni adiabatiche a e a volume costante N La velocit di crescita della pressione massima misurato nella reattore di prova di 1 m numericamente identico all indice di esplosivit i Secondo la definizione riportata nella norma NFPA68 2007 Ed una concentrazione per cui si verifica la reazione di combustione nel modo pi
62. RI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 5 2 LIMITI DEI METODI DI MISURA DELLE VELOCIT DI COMBUSTIONE Come abbiamo visto nel CAPITOLO 3 le velocit di combustione laminare e turbolenta di una nuvola di polvere combustibile ed aria sono determinate con prove di laboratorio I metodi per determinare la velocit di combustione si fondano sull utilizzo di due tipi di fiamme 1 Fiamme in propagazione il metodo di misurazione in un reattore sferico chiuso permette la misurazione della velocit di combustione laminare attraverso l andamento della sovrapressione nel tempo e la variazione della velocit di fiamma durante la combustione effettuata a volume costante invece quando ci sono le fiamme che si propagano all interno di tubi cilindrici aperti come per esempio il tubo di Hartmann la misurazione della velocit di combustione condotta usando le riprese video dell esperimento e applicando la legge di conservazione della massa 2 Fiamme in condizioni stazionarie la misura effettuata utilizzando il bruciatore Bunsen si ottiene dall angolo del cono che forma la fiamma e dal flusso i prodotti della combustione Per le nubi di polvere organica naturale combustibile ed aria la velocit di combustione laminare e lo spessore della fiamma sono propriet intrinseche della nube perch la fase di combustione svolgendosi in modo omogeneo vedi Par
63. TOLO 2 CONTESTO NORMATIVO EUROPEO E NAZIONALE sve s00c00 57 2 1 PREMIESSA suna eni aan canes seaceccasseeuaacveaceeeucsansvense scence eacseacenasenas RIN SRI 57 2 2 LE DIRETTIVE EUROPEE ATEK rr 59 2 2 1 LA DIRETIVA SOCIALE 99 92 CE scnc ccpstarezcpieanatinphanptepcecnecasbeansearmsanecasbeanssanaeaascasbeaaseanesemseas 61 2 2 2 LA DIRETTIVA DLPRODOTTO 94 9 CE illecita 66 2 3 AZIENDE SOGGETTE AL CONTROLLO DEI VIGILI DEL FUOCO sssssssssssssossossssssssssose 72 BIBLIOGRAFIA DI SEZIONE alain 73 CAPITOLO 3 FENOMENI COINVOLTI NELLA COMBUSTIONE DELLA NUBE DI POLVERE COMBUSTIBILE ED ARIA cirio 74 3 1 HPIDIFIRINNE cela 74 3 2 MECCANISMO DELLA COMBUSTIONE E DELLA PROPAGAZIONE DELLA FIAMMA 77 3 3 LE VELOCIT DI COMBUSTIONE E LE VELOCIT DI FIAMMA ssccssssssssssesssesseeseeees 80 3 4 RIEPILOGO DELLE SIMILITUDINI E DIFFERENZE TRA ESPLOSIONI DI POLVERI E QUELLE DI GAS nella 84 3 5 INFLUENZA DELLA TURBOLENZA SUI PARAMETRI DELL ESPLOSIONE 86 3 6 INFLUENZA DELLA TURBOLENZA SULLA PROPAGAZIONE DELL ESPLOSIONE 90 3 7 STUDIO DELLA COMBUSTIONI TURBOLENTA DELLE POLVERI ORGANICHE NATURALI 93 BIBLIOGRAFIA DI SEZIONE irisi aaan aaa ia 95 CAPITOLO 4 PROTEZIONE DI AMBIENTI CONFINATI E CONTENITORI CON SUPERFICI DI SFOGO uaino e E EE aaa 98 4 1 PREVENZIONE E PROTEZIONE DALLE ESPLOSIONI sescccsccseccseccsccesccsecescceeee 98 4 2 GENERALIT SUI SISTEMI
64. VERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO LISTA DELLE TABELLE Tabella 1 1 Danni provocati dall esplosione Fonte Rischi di incidente rilevante Cap VII Stabilit Sistemi chimici Dipartimento dei Vigili del Fuoco Comando Provinciale di Bergamo 21 Tabella 1 2 Condizioni del cedimento di elementi strutturali 21 Tabella 1 3 Fonte NFPA 68 2007 e Bartknecht 1981 campioni di polvere con diametro equivalente minore od uguale a 40 Um innesco scariche capacitive 10 J o filamenti incandescenti 10 kJ 28 Tabella 1 4 Valori dell indice di esplosivit per la polvere di amido di mais calcolati attraverso la legge cubica da vari ricercatori in contenitori diversi e con condizioni di turbolenza diversa 30 Tabella 1 5 Calore di combustione di varie sostanze per mole di Ossigeno consumata possiamo notare le sostanze organiche naturali saccarosio ed amido 31 Tabella 1 6 Dimensioni caratteristiche di alcune polveri di cereali Kaletunc H and Breslauer K 2003 Characterization of flour and cereals Marcel Dekker New York 34 Tabella 1 7 Dimensioni caratteristiche della farina di grano per i diversi usi Kaletunc H and Breslauer K 2003 Characterization of flour and cereals Marcel Dekker New York 34 Tabella 1 8 Norma tecnica ISO che definisce gli standard di prova per la misure di esplosivit delle polveri combustibili 42 Tabella 1 9 Norma t
65. a norma ha un approccio all argomento differente dalla NFPA 68 perch separa il calcolo di dimensionamento del venting se si tratti di un attrezzatura da proteggere o di un compartimento ed inoltre distingue ogni caso in base alla distribuzione della polvere nel volume omogenea non omogenea infine distingue tra contenitori cubici Vi lt a 5 e e contenitori allungati si PL Le ipotesi di validit del metodo per il dimensionamento gli sfoghi di attrezzature sono 1 0 1 m lt V lt 10000 m 2 0 1 bar lt Paa lt 1 bar 3 0 1 bar lt pramax 2 bar dove p ramax il valore massimo della pressione ridotta rispetto al tempo durante l esplosione 4 P red MAX J P srai svars Pysy 10bart 10barm lt a lt 300 A 5 bar lt Puix 12bar gt 300 Par a lt 800 MERE 5 la ae 6 Y lt 20 dove D 2 m il diametro equivalente A sezione trasversale del e T volume da proteggere 112 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 7 L area massima degli sgoghi deve essere inferiore alla sezione trasversale dell attrezzatura 8 Efficienza degli sfoghi unitaria 9 Concentrazione omogenea della polvere Infine si suppone che il sistema di chiusura si comporti come se fosse un diaframma di massa infinitesima quindi con inerzia nulla Se si utilizzano sistemi di chiusura con efficien
66. a prova in un vasto intervallo di concentrazione ottenendo una serie di valori di pressioni massime La Pmax il maggiore di questi valori f E un contenitore sferico d acciaio il mantello controllato termicamente con un ossigeno dall acqua La polvere viene persa nella sfera attraverso un contenitore in pressione ed un uccello che pu essere ad anello o di tipo rebound Un unit di controllo chiss tanti e controlla i segnali per condurre correttamente il test Zi 1 5 LA LEGGE CUBICA La legge cubica Bartknecht 1981 una legge di scala utilizzata per convertire i valori ottenuti nella prova di laboratorio in un reattore di prova in condizioni standard sull esplosivit della polvere combustibile in un numero indipendente dal volume del contenitore di prova in cui avviene l esplosione e quindi applicabile ad un impianto industriale d l m Pa vi x bar dt MAX S Dove V Volume del recipiente di provas reattore di prova i dp Massima velocit di aumento della sovrapressione Indice o costante di esplosivit della polvere nelle particolari condizioni di prova St turbolenza iniziale st staub polvere in tedesco n base ai risultati del test ed al tipo della fonte d innesco la polvere viene classificata Inb Itati del test ed al tipo della fonte d la pol lassificat k_ barm s k bar m s ee is on Classe di esplosivit Sorgente d innesco 10 J Sorgente d innesco 10 kJ
67. agrafo 3 3 avvicina il fenomeno a quello della combustione dei gas Invece in altri casi di combustione di polveri la reazione svolgendosi in maniera eterogenea dipende dal tipo di attrezzatura utilizzata per la prova e anche dal tipo di campione di polvere combustibile Quando si utilizza un reattore sferico chiuso le polveri combustibili a differenza dei gas presentano delle velocit di sedimentazione e quindi tutti gli esperimenti sulla velocit di combustione devono essere eseguiti necessariamente con un certo grado di turbolenza Il valore di velocit di combustione laminare ottenuto estrapolando il valore a zero turbolenza dalle altre misure effettuate variando il tempo di ritardo tra la fine della dispersione e l innesco della scarica In definitiva i metodi di prova sono influenzati dai seguenti fenomeni anzitutto la turbolenza residua a valle della dispersione della polvere combustibile e quindi la concentrazione non omogenea all interno del reattore di prova la turbolenza generata durante la sedimentazione della 133 polvere la sensibilit del fronte di fiamma alla curvatura e il disturbo prodotto dai gas caldi della combustione Metodo sperimentale Sfera 20 1000 Condotto 200 x 200 mm 35 100 Come si pu notare nei risultati della velocit di combustione laminare presente uno scarto Spore di licopodio dal valore medio 0 30 ms del 43 e del 56 6 Metodo sperimentale Sfera
68. ali in silos con impianto di sollevamento ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO sion puts dust in ignited dust in grain dust cloud Spark occurs Blast wave of earlier explo Adequate grain dust to sustain rapid combus tion becomes available to ignited grain dust moves into path of ignited dust Hot surface is expossd to grain dust cloud ongoing work grain dust cloud Open flame is exposed to Dust due to dust is ignited Suspended grain Grain dust is swept up by broom Lightning flash hits grain dust exposed to grain dust cloud Smoldering material is cloud Grain dust explosion del m ps n lifted vertically il by mechanical means Collected grain Grain dust is placed into suspension in air Grain is dust is dumped onto moving grain load Belt breaks in dust laden elevator leg above the lower explosive limit Grain is moved Ship s whistle vibrates the Breeze or wind sweeps through elevator settle on eleva tor surfaces Produced dust is allowed to from place to place by falling Grain dust is generated and retained within the elevator Grain dust is Grain dust is blown down by Passing train vibrates the elevator air stream Figura 4 1 Esempio di FTA applicata a dun deposito di cereali con impia
69. ands on control Tabella 4 1 Principi del inherent safety espressi da T Kletz 1999 Nel progettare la sicurezza sul lavoro di ogni attivit antropica sappiamo che la riduzione del rischio attraverso l approccio preventivo rappresenta la sicurezza primaria di base riduzione della probabilit dell evento pericoloso e che le misure di protezione riduzione degli effetti dell esplosione rappresentano la sicurezza complementare Nella Tabella 4 2 sono riassunte le misure di sicurezza applicabili 100 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO MISURE DI PREVENZIONE DELL ESPLOSIONE MISURE DI PROTEZIONE Prevenire la formazione della Prevenire la presenza di MITIGAZIONE DELL ESPLOSIONE nube di polvere combustibile sorgenti di accensione ed aria Progettazione del processo tesa a prevenire la formazione Fenomeni di combustione i va Costruzioni esistenti alla indesiderata di nubi di polvere e covante negli strati di polvere pressione di esplosione la segregazione delle particelle incendi di nubi di polvere inherent safety Auto inertizzazione della nube di Altri tipi di fiamme per esempio polvere con il gas della Sezionamento lavori caldo combustione Inertizzazione della nube di Superfici calde riscaldate polvere con polvere inerte o elettricamente meccanicamente Superficie di sfogo umidi
70. apido aumento di temperatura il calore prodotto dalla reazione di combustione ad una velocit molto pi elevata di quella con cui viene dissipato Lee 1987 ha studiato l importanza del trasferimento di calore per conduzione convezione e irraggiamento durante un esplosione e sembra che i primi due sono i meccanismi pi incidenti nel fenomeno dell esplosione delle polveri combustibili di origine organica naturale 2 Propagazione di un onda di pressione compressione adiabatica 3 Rapida e localizzata liberazione di energia 4 Pirolisi delle particelle di polvere Quando una nube di polvere combustibile ed aria si incendia Ponda di pressione che si instaura a regime permanente pu propagarsi attraverso la nube stessa e nell ambiente circostante in due modalit diverse 1 2 Deflagrazione La fiamma si propaga ad una velocit subsonica rispetto alla nube di polvere ancora incombusta il tipo di propagazione pi comune e le velocit della fiamma rispetto ad un osservatore fisso sono dell ordine da 1 fino a 1000 m s La pressione di esplosione pu raggiungere valori da 1 a 10 bar g Detonazione un onda di detonazione si verifica quando la zona di combustione Fonda si propaga ad una velocit supersonica rispetto alla velocit del suono misurata nella nube di polvere non ancora bruciata che si trova davanti al fronte di fiamma In questo caso Ponda d urto e la zona di combustione sono accop
71. bulent burning velocity measurements for dust air mixtures in a constant volume spherical bomb Progress in Astronautics and Aeronautics 105 184 195 52 Tite J P Binding T M amp Marshall M R 1991 Explosion relief for long vessels Paper presented at the conference on fire and explosion hazards Moreton in Marsch April 53 Veynante D amp Vervisch L 2002 Turbulent combustion modelling Progress in Energy and Combustion Science 28 193 266 54 Wang S Pu Y Jia F Gutkowski A amp Jarosinski J 2006 An experimental study on flame propagation in cornstarch dust clouds Combustion Science and Technology 178 1957 1975 55 Zevenbergen J F 2004 Turbulent burning velocity measurements in 20 1 sphere DESC project The Explosion Group of Delft University of Technology 158 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO CONCLUSIONI In questa ricerca stato affrontato lo studio delle esplosioni di polveri organiche naturali Dapprima sono stati introdotti i concetti e le grandezze fondamentali per capire il fenomeno che comprende aspetti fisici e chimici In particolare stato messo in risalto il fenomeno della combustione turbolenta che ha un ruolo incisivo nell evoluzione delle esplosioni secondarie che hanno gli effetti pi gravi tra le esplosioni di polveri Questo accade perch la
72. bustibile per l amido di mais con il 4 di combustibile per amido di mais con il 4 di umidit e umidit e diametro equivalente delle particelle di 74 Um diametro equivalente delle particelle di 74 Um 57 Mentre per i gas la massima pressione ottenuta dalle prove in laboratorio pu essere applicata alla realt industriale senza correzioni legge cubica esatta poich essa indipendente dalle dimensioni della recipiente ed indipendente dalla turbolenza per le polveri non sempre cos Infatti la pressione registrata durante un esplosione aumenta all aumentare della turbolenza vedi Figura 3 15Error Reference source not found Nonostante ci si continua a seguire il comportamento dei gas rispetto alla pressione massima anche per le polveri poich i livelli di turbolenza registrati durante le prove di laboratorio sono molto maggiori di quelli esistenti nel attrezzature industriali Per questa considerazione porta in generale a stimare eccessivamente il pericolo dell esplosione Invece della turbolenza generata dall esplosione stessa la pressione massima raggiunta dall esplosione stimata in difetto dagli esperimenti di laboratorio 1 i bar Pressure 200 400 60 SPL 1000 time mallisecones Figura 3 14 Grafico della sovrapressione durante l esplosione di una miscela di aria e metano in concentrazione stechiometrica e nel reattore sferico di 201 Come si pu osservare la pmax ed anche
73. bustibili disperse in aria 43 1 7 1 MASSIMA SOVRAPRESSIONE DI ESPLOSIONE MEP bar g La massima sovrapressione di esplosione indicata con il simbolo Py y ed indicato in anglosassone con il termine Maximum Explosion Pressure MEP un parametro legato alle propriet termodinamiche della nube di polvere combustibile ed aria La sua unit di misura il ba g dove il simbolo g gauge indica che il valore della pressione relativo alla pressione dell ambiente circostante cio una sovrapressione Essa misura la massima pressione sviluppata rispetto alla pressione di riferimento vedi Figura 1 15 Dove Pmax la pressione massima registrata durante l esplosione della polvere nel reattore di prova Di solito la pressione di riferimento la pressione atmosferica Il reatttore di prova una sfera di 20 se si segue la norma ASTM E 1226 un contenitore cubico da 1 m se si segue la norma ISO 6184 Parte 1 pare PhO ei Peak Pressure ___ _ La 8 gi Dust D Injected 5 Ignition dp dt n 4 Time D Delay PRE 0 0 50 100 190 200 250 Time ms Figura 1 14 Tipico andamento della pressione durante l esplosione nelle reattore sferico riportato nell figura a fianco Un parametro importante ai fini della gravit dell esplosione il tempo di ritardo time delay tra l inizio della dispersione della plvere e il momento dell innesco 44 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPP
74. ce agli effetti lo scoppio il cedimento o la rottura di un volume chiuso o di un contenitore dovuto allo sviluppo della pressione interna proveniente da una deflagrazione La Figura 1 2a illustra come un pezzo di legno una volta acceso brucia lentamente consumando il suo calore in un lungo periodo di tempo a SLOW COMBUSTION ib FAST COMBUSTION fc EXPLOSION Figura 1 2 Illustrazione dell aumento della velocit di combustione di un pezzo di legno all aumentare del grado di suddivisione Eckhoff 2003 Quando lo tagliamo in piccoli pezzi come in figura 1 2 b la rapidit con cui brucia aumenta poich la superficie di contatto portale tra il legno e l aria aumentata Se il grado di suddivisione viene aumentato e portato fino ad ottenere particelle dell ordine di grandezza di 0 1 mm o addirittura meno 1 100 um intervallo pi comunemente incontrato per le polveri combustibili e le particelle sono sospese in un volume di aria sufficentemente ampio da dare ad ogni particella abbastanza spazio per una combustione libera la velocit di combustione molto veloce e l energia richiesta per l accensione molto piccola In generale la nube di polvere pi facile da accendere e brucia violentemente tanto pi quanto le particelle sono al di sotto di una precisa dimensione che dipende dal tipo di materiale Generalmente la reazione chimica coinvolta in una esplosione di polvere la seguente Combustibile 0
75. che fuoriesce dalla superficie di sfogo di un attrezzatura allorch il sistema di chiusura stato rimosso come accade nel fenomeno delle esplosioni secondarie la conoscenza del flusso alle spalle dell onda di pressione in moto serve a prevedere il trascinamento delle particelle di polvere contenute nel volume secondario In questo modo si potr utilizzare la formula che predice la sovrapressione dell esplosione secondaria per il dimensionamento delle superfici di sfogo del volume secondario 159 LISTA SIMBOLI E TERMINOLOGIA Massima sovrapressione d esplosione Maximum explosion pressure d p Massima Velocit di crescita della iosa bar s Maximum rate of prtessure rise ded pressione Velocit di combustione laminare Sus SuT m s V c turbolenta Velocita di fiamma SF SFmean m s V f media Fattore d espansione Crus Fattore d espansione a pressione ambiente Emin Fattore d espansione alla fine di una compressione adiabatica ar Pressione atmosferica ar Pressione d esplosione all interno di un contenitore ar g s Velocit di combustione a pressione e Velocit del fronte di fiamma media Kvent e oz Prent Zani Van Van E o ga wa So CL i i SFmean S S s i Velocit del fronte di fiamma Temperatura ambiente Temperatura dei prodotti della reazione di combustione K Temperatura dei reagen
76. chio delle atmosfere esplosive la direttiva sull argomento previsto dall art 16 c 1 della Direttiva Europea 89 391 CEE sul miglioramento sul luogo di lavoro della sicurezza dei lavoratori Essa stata recepita in Italia con il D Lgs 233 2003 Dapprima stato aggiunto come Titolo VIII Bis nel D Lgs 626 94 ora diventato il Titolo XI del D Lgs 81 2008 Si vuole osservare i limiti delle Direttive ATEX rispetto alle esplosioni di polveri perch esse sono nate soprattutto per la protezione dal pericolo di esplosioni di gas Infatti sebbene una volta che in un ambiente presente una miscela di gas infiammabile oppure una nube di polvere dispersa in aria esplosiva i due pericoli presentano le stesse caratteristiche di accensione e combustione ci sono due importanti differenze di comportamento delle polveri combustibili rispetto ai gas 1 I fenomeni di formazione mantenimento e movimento a livello microscopico delle nubi di polvere infatti le particelle di polvere hanno dimensioni molto maggiori di quelle delle molecole di aria soprattutto nell intervallo 1 100 Um e quindi il loro movimento all interno dell aria dominato dalle forze di massa inclusa la forza di gravit piuttosto che dalle forze molecolari Inoltre mentre gli urti tra due molecole di un gas sono elastici quelli tra due particelle di polvere possono portare alla formazione di agglomerati di polvere e in questo modo si favorisc
77. combustione a causa del moto dell aria e delle vibrazioni indotte da essa si trascina gli strati di polvere se il compartimento non mantenuto pulito oppure provoca la rottura di recipienti per esempio sacchi contenenti altra polvere In questo modo l intera atmosfera del compartimento diventa estremamente infiammabile e gli effetti di quest esplosione sono i pi dannosi Le esplosioni che hanno inizio all interno di un attrezzatura come un mulino un miscelatore un essicatore un filtro o un nastro trasportatore a causa di una sorgente di accensione sono chiamate esplosioni primarie Invece le esplosioni secondarie sono dovute al trascinamento di strati di polvere dall onda di esplosione dell esplosione primaria interessante notare che la densit di uno strato di polvere depositato su una superficie orizzontale circa due ordini di grandezza maggiore del limite superiore di esplosivit Ef Fad l am LAYER OF OUST me gfe UFP LA DEAS OT 1m ai REA a Pya Hi EUF ET arn a me ae E E TE 2 oh E id i 1 al ol Ic Figura 1 8 Persino uno strato di polvere dello spessore di 1 mm e densit 500 gm3 quando viene disperso in un volume di 5 m3 genera una nube con densit 100 gm il volume diventa pericoloso 32 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 1 6 1 DIMENSIONE E DISTRIBUZIONE STATISTICA DELLE PARTICELLE Le
78. combustione avviene nella regione spaziale in cui il combustibile e l aria si miscelano per esempio incendio di una pozza di liquido infiammabile o combustibile Quasi tutte le fiamme che s incontrano negli incendi sono di quest ultimo tipo molto spesso presente la turbolenza In prima approssimazione possiamo affermare che la velocit con cui avviene la diffusione dei gas reagenti controlla le dimensioni spaziali della fiamma La fiamma presenta radiazioni luminose dovute alla presenza del carbonio Una differenza fondamentale tra due tipi di fiamma che nella fiamma di diffusione la reazione chimica di combustione avviene nel rapporto stechiometrico combustibile comburente ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO Figura 3 1 Fiamma di diffusione Figura 3 2 Fiamma premiscelata importante conoscere il regime di flusso durante la combustione delle particelle di polvere laminare o turbolento perch da esso dipende la velocit della combustione e quindi anche la sovrapresisone massima raggiunta e la rapidit dell esplosione In una fiamma premiscelata la transizione da fiamma laminare a fiamma turbolenta avviene quando la regione di fluido a monte della fiamma caratterizzata dalla turbolenza ed il nuovo regime che si ottiene dipender dal tipo di flusso intensit della turbolenza e scala della turbolenza
79. come ci sono molti tipi di sorgenti di accensione di tipo elettrico arco elettrico cariche elettrostatiche si potrebbe costruire un prototipo reale con le sorgenti di accensione specifiche Ma un approccio scientifico prevede che sia costruito un apparato sperimentale A questo punto occorre una teoria che permetta di collegare le grandezze reali con quelle utilizzate negli esperimenti 129 BIBLIOGRAFIA DI SEZIONE 1 esi i Oo CO u A 10 Marcolin Esplosioni di polveri simulazione di una deflagrazione in un silo per stoccaggio di fitofarmaci Universit degli Studi di Padova Facolt di Ingegneria Tamanini F 2001 Scaling parameters for vented gas and dust explosions Journal of Loss Prevention in the Process Industries 14 6 455 461 Tamanini F 2002 Dust explosion vent sizing Current methods and future developments Journal de Physique IV 12 7 31 Ural E A 2001 A simplified development of a unified dust explosion vent sizing formula Process Safety Progress 20 2 136 144 Ural E A 2005 Dust explosion venting through ducts In AIChE loss prevention symposium AIChE ed Zalosh Robert Explosion Venting Data and Modeling Literature Review Fire Protection Research Foundation Report 2008 N F P A 1999 NFPA 61 In Standard for the Prevention of Fires and Dust Explosions in Agricultural and Food Products Facilities National Fire Protection Association Quincy MA USA N F
80. come riportate nella norma UNI EN 1127 1 Zona 20 Luogo in cui un atmosfera esplosiva sotto forma di una nube di polveri combustibili nell aria presente continuamente o per lunghi periodi o frequentemente In generale dette condizioni quando si presentano interessano l interno di serbatoi tubi e recipienti ecc Esempi di luoghi che possono dare origine a zone 20 e interno dei sistemi di contenimento di polveri e tramogge sili cicloni filtri ecc e sistemi di trasporto polveri eccetto alcune parti dei trasportatori a nastro e a catena ecc e interno di miscelatori mulini essiccatori apparecchiature per insacco ecc Zona 21 Luogo in cui probabile che un atmosfera esplosiva sotto forma di una nube di polveri combustibili nell aria si presenti occasionalmente durante il normale funzionamento Detta zona pu comprendere per esempio tra gli altri luoghi nelle immediate vicinanze di punti di caricamento e svuotamento di polveri e luoghi in cui si formano strati di polvere o che durante il normale funzionamento potrebbero produrre una concentrazione esplosiva di polveri combustibili in miscela con l aria Esempi di luoghi che possono dare origine a zone 21 e aree esterne ai contenimenti di polvere e nelle immediate vicinanze di porte di accesso soggette a rimozione o apertura frequente per scopi di funzionamento in presenza di miscele esplosive di polvere aria all interno
81. conto del contraccolpo sulla struttura reazione dinamica dovuto all azione dell esplosione q Sito internet www osha gov Recentemente stato predisposta una dichiarazione di intenti per prevenire il pericolo delle esplosioni di polvere Combustible Dust Explosion and Fire Prevention Act of 2008 t In Italia questo tipo di approccio alla progettazione della sicurezza antincendio denominato Fire safety Enginering per alcune attivit soggette al controllo dei Vigili del Fuoco ai sensi del D M I 16 02 1982 stato introdotto con il D M I 09 05 2007 108 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO I contenitori con volume piccolo e relativamente simmetrico possono essere protetti da una superficie di sfogo unica oppure con la stessa efficacia da pi superfici aventi come somma la stessa area Invece per grandi volumi occorre distribuire le superfici di sfogo nel modo pi uniforme possibile Per determinare la superficie di sfogo richiesta per i contenitori che possono essere protetti con lapertura soltanto da un estremita per esempio i silos occorre calcolare la sezione trasversale del contenitore L e D si determinano in base alla forma generale e alla posizione stabilita o obbligata per lo sfogo H la distanza massima percorribile dalla fiamma V volume effettivo del contenitore quel volume attraverso c
82. d London Institution of Chemical Engineers 45 Scheid M Geissler A amp Krause U 2006 Experiments on the influence of pre ignition turbulence on vented gas and dust explosions Journal of Loss Prevention in the Process Industries 19 194 199 46 Silvestrini M 2004 Esplosioni di Polveri nel Industria Sorgenti d Ignizione Combustione Turbolenta Tesi Scuola di Specializzazione in Sicurezza e Protezione Universita degli Studi di Roma La Sapienza Italy Rome 47 Siwek R 1988 Reliable determination of safety characteristics in the 207litre apparatus Proceedings of Conference on Flammable Dust Explosions November 2 4 St Louis Missouri 157 48 Siwek R van Wingerden K Hansen O R Sutter G Kubainsky Chr Schwartzbach Chr Giger G amp Meili R 2004 Dust explosion venting and suppression of conventional spray dryers From the final research report Explosion Protection of Conventional Spray Dryers Van Wingerden K and Siwek R Final Research Report 2004 49 Skjold T 2003 Selected aspects of turbulence and combustion in 20 1 explosion vessels Thesis Department of Physics of University of Bergen Norway 50 Tai C S Kauffman C W amp Sichel M 1988 Turbulent dust combustion in a jet stirred reactor Progress in Astronautics and Aeronautics 113 62 86 51 Tezok F IL Kauffman C W Sichel M amp Nichols J A 1986 Tur
83. della zona in cui ci sono particelle di polvere in blu Quindi quella linea rappresenta il fronte di fiamma 78 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO INITIAL LAMINAR FLAME EXPLOSION TUBE 1 tet a INITIAL KEAK COMPRESSION HAVE f FOLDED FLAME UP ri ty ee Yg TURBULENCE EDDIES 7 4 amp COMBUSTION sis ame Si HIGHLY TURBULENT FLAME COMBUSTION e RETONATION WAVE A ROTATIONAL DETONATION WAVE FRDKT COMBUSTION PRODUCTS n lt COMBUSTION PRODUCTS PIANE AT WHICH IGNITION BY SHOCK MAVES WOULD MAYE TAKIN PLACE IN THE ABSENCE OF OTHER FLAME COMPRESSION OR SHOCK MAVE SERIES OF CONSECUTIVE COMPRESSION WAVES Figura 3 6 Fenomeno della transizione dell esplosione da deflagrazione prima laminare poi turbolenta fino alla detonazione 19 3 3 LE VELOCIT DI COMBUSTIONE E LE VELOCIT DI FIAMMA La velocit di combustione una grandezza fondamentale che quantifica la forza che guida la combustione driving force essa legata alla variazione di pressione nell unit di tempo e quindi utile per prevedere la severit dell esplosione Inoltre insieme allo spessore della fiamma alle propriet della polvere dispersa in aria e alla turbolenza la velocit di combustione utilizzata per descrivere il comportamento dell esplosione modelli matematici e fluido
84. di combustione e uno spessore di fiamma turbolenta zona grigio scuro 83 3 4 RIEPILOGO DELLE SIMILITUDINI E DIFFERENZE TRA ESPLOSIONI DI POLVERI E QUELLE DI GAS Il pericolo delle esplosioni di gas stato studiato prima di quello delle esplosioni di polveri e quindi quest ultimo stato sviluppato sulla base delle conoscenze acquisite su tale fenomeno Una fondamentale differenza a livello microscopico tra una miscela di gas ed aria ed una nube di polvere combustibile ed aria la diversa disposizione spaziale delle particelle La seconda pu essere considerata come delle particelle di polvere disperse nel continuo dell aria per esempio considerando una densit della polvere di 1000 kg m una dimensione delle particelle di 15 micron e una concentrazione della miscela di 500 g m c una distanza tra due particelle di polvere pari a 150 micron Quindi la distanza interparticellare di circa 10 volte la dimensione di una particella Dahoe Hanjalic Scarlett 2002 Invece in un gas ideale per definizione il volume delle sue molecole trascurabile rispetto al volume a disposizione dei gas e le interazioni fra le sue molecole sono anch esse trascurabili ordine di grandezza Angstrom Quindi le propriet microscopiche che determinano la velocit di combustione di una nube di polvere combustibile ed aria non possono essere considerate propriet medie della nube di polvere Tuttavia stato dimostrato da Brad
85. diabatica dello stesso ordine di grandezza Ss A S A Energie di accensione minime ben definite vV Temperature minime di accensione per condizioni sperimentali date Mentre i gas tendono ad occupare tutto il volume a loro disposizione partendo dal basso se hanno una densit rispetto all aria maggiore dall alto se sono pi leggeri dell aria le polveri al contrario tendono a stratificare e a formare cumuli fattore peggiorativo per il rischio d esplosione secondaria Infatti per le polveri combustibili si pu definite una velocit di sedimentazione classificazione delle polveri in sedimentanti o depositanti a seconda del valore di tale velocit maggiore o minore di 10 m s Altra differenza riguarda sulla maggiore pericolosit delle polveri mentre le esplosioni di gas sono impossibili all interno delle attrezzature di processo poich esse contengono soltanto il combustibile senza aria comburente le esplosioni di polveri in particolare quelle dette primarie solitamente avvengono all interno delle attrezzature di processo poich vi presenza di aria e l innesco pu essere fornito anche da una scintilla Un altra differenza stata evidenziata da una prova sperimentale una polvere di amido di mais dispersa in un flusso laminare d aria mentre brucia affronta un ostacolo sfera anello disco Con l anello si sono osservati dei fenomeni che tendono a spegnere la fiamma La spie
86. diminuisca rapidamente di almeno un ordine di grandezza Questo effetto dovuto alla rapida diminuzione della turbolenza nel reattore di prova Invece la massima pressione di esplosione si conserva costante per un intervallo pi ampio sino intorno ai 200 ms perch mentre quest ultima rappresentativa maggiormente delle propriet termodinamiche della polvere combustibile la velocit di crescita della pressione in stretta relazione con gli aspetti cinetici chimici che caratterizzano la combustione Ping ibar abs dP it ben sacd Mathano 5 Figura 3 17 Effetto della turbolenza su pMAx e MRPR per una miscela di metano ed aria Fonte NFPA68 2007 Il meccanismo di propagazione del fronte di fiamma in presenza di turbolenza determinato dai vortici che si formano all interno della nube di polvere e che agiscono come sorgenti di innesco aggiuntive E chiaro che una nube con turbolenza brucia molto pi velocemente di una nube senza alcuna velocit media entro la quale il fronte di fiamma si propaga con una superficie piana L altra faccia della medaglia che l accensione di una nube turbolenta richiede una maggiore energia della stessa nube in condizioni statiche 13 Generalmente piccoli valori di intensit di turbolenza e grandi scale di turbolenza in confronto allo spessore della fiamma producono fiamme fortemente raggrinzate wrinkled flame ma i fenomeni di trasporto rimangono invariati In
87. dinamici Una fiamma caratterizzata dai suoi reagenti e dai suoi prodotti Il fronte di fiamma rappresenta la superficie ideale che separa reagenti e prodotti della combustione La velocit di combustione S definita come la velocit con cui il fronte di fiamma piano o onda di combustione piana si propaga rispetto alla miscela che non ha reagito ancora che si trova davanti in una miscela infiammabile stazionaria a riposo di estensione illimitata La velocit di combustione ha direzione perpendicolare rispetto al fronte di fiamma La velocit di fiamma 5 la velocit con cui il fronte della fiamma si muove rispetto ad un sistema di riferimento fisso Drysdale Introduction to fire dynamics NFPA 68 Per capire la differenza tra la velocita di combustione e la velocita di fiamma consideriamo la miscela infiammabile contenuta in un cilindro di lunghezza 1 con un estremita chiusa e l altra aperta Figura 3 7 Dopo l accensione all estremit chiusa la fiamma si propaga lungo il cilindro raggiungendo l estremit aperta nel tempo La velocit di fiamma media in questo caso l t Questo valore notevolmente maggiore della velocit di combustione poich la miscela infiammabile che si trova davanti al fronte di fiamma si muove a causa dell espansione dei prodotti della combustione Burnt gas A Unburnt a gas expelled Propagating Location of flame ignition source Figura 3 7 Propagazione di una
88. dovrebbero essere sottoposte a prove tali da determinare i seguenti parametri 1 La distribuzione statistica della dimensione delle particelle 2 Contenuto di umidit 3 Concentrazione minima per l accensione 4 Energia minima richiesta per l accensione 5 Incremento di pressione nell unit di tempo massimo per varie concentrazioni 6 Temperatura di accensione dello strato di polvere 7 Pressione di esplosione massima alla concentrazione ottima Altre prove possono essere eseguite per determinare 1 La temperatura di accensione della nube di polvere 2 La concentrazione massima di ossigeno ammissibile per prevenire l accensione 3 La resistivit elettrica i 3 Prova con reattore sferico 201 o con reattore cubico 1m Questa prova permette di classificare polvere in una classe di esplosivit A indice di pericolosit delle polveri Essa viene eseguita in un reattore standard recipiente chiuso con resistenza alla pressione generata al suo interno con un volume 1 m e con due inneschi di tipo chimico con l energia totale di 10 kJ oppure in una sfera di 20 1 con due inneschi di energia totale pari a 2 kJ seguendo delle procedure standard ISO 6184 1 oppure ASTM E 1226 La prova si svolge disperdendo omogeneamente il campione di polvere all interno del recipiente Trascorso un preciso intervallo di tempo viene attivato l innesco e viene registrato l andamento nel tempo della sovrapress
89. dustries 13 291 298 155 25 Krause U Kasch T amp Gebauer B 1996 Velocity and concentration effects on the laminar burning velocity of dust air mixtures Proceedings of the seventh international colloquium on dust explosions Bergen Norway pp 51 54 26 Lewis B 1954 Selected combustion problems AGARD Butterworths 27 Mazurkiewicz J amp Jarosinski J 1990 Temperature and laminar burning velocity of Cornstarh dust air flames Proceedings of the fourth international colloquium on dust explosions Poland Porabka Kozubnik 23 Mazurkiewicz J amp Jarosinski J 1991 Investigation of burning properties of cornstarch dust air flames In Grain dust explosions and control Warschau pp 63 90 29 Mazurkiewicz J amp Jarosinski J 1994 Investigation of a laminar cornstarch dust air flame front In Proceedings of the sixth interna tional colloquium on dust explosions pp 179 185 Shenyang North eastern University Press 30 Metghalchi M amp Keck J C 1982 Burning velocities of mixtures of air with methanol isooctane and indolene at high pressure and temperature Combustion and Flame 48 191 210 31 Milton B E amp Keck J C 1984 Laminar burning velocities in stoichiometric hydrogen and hydrogen hydrocarbon gas mixtures Combustion and Flame 58 13 22 32 Pedersen L S amp van Wingerden K 1995 Measurement of fundamental burning velocity of
90. e Agi S a 5 19 ex F vent Le due formule 5 18 e 5 19 non sono pi applicabili quando le geometrie diventano particolari e quando i flussi al loro interno sono complessi In questo caso vengono in soccorso i codici di calcolo 150 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 5 7 CORRELAZIONE PER IL DIMENSIONAMENTO DELLE SUPERFICI DI SFOGO La formula per il dimensionamento delle superfici di sfogo ottenuta invertendo la precedente formula 5 18 Infatti se supponiamo nota la sovrapressione d esplosione che nel dimensionamento delle superfici di sfogo non pu superare la pressione ridotta p conoscendo gli altri parametri necessari per il dimensionamento ricordando che K possiamo vent vent ricavare la superficie di sfogo Pira E Dio i mah 0 11 eae 5 20 Fo arene ews Fe We Puz Pang be J E stata eseguita una verifica della formula precedente utilizzando i dati sperimentali reperiti nella letteratura scientifica su prove eseguite principalmente in silos Infatti nelle cinque Tabelle seguenti stato riportato il valore dell area di sfogo ottenuto applicando la 5 20 il confronto con i valori misurati ha mostrato uno scarto trascurabile ai fini del dimensionamento delle superfici di sfogo Volume e Tipo Attrezzatura dita silo 12 ee mpito parzialmente oF i Vogl 1995 Hauert e
91. e dalla norma seguita il valore di numericamente uguale al valore della velocit di crescita della pressione massima misurato 29 Il valore dell indice di esplosivit diverso a seconda della turbolenza nella nube di polvere combustibile ed aria come si pu notare dalla Tabella 1 4 che riassume per una polvere molto utilizzata negli esperimenti l amido di mais i diversi valori ottenuti nel corso degli anni dai diversi ricercatori Comunque l unico valore da utilizzare nelle formule per il dimensionamento degli sfoghi quello ottenuto con la prova standard accettata dalla norma tecnica che si sta seguendo per il dimensionamento lnvestligabor Prat harks Volume of appa us im Ca bar mma i Barlknechi 1978 660 gaga 73 612 q0012 DL 220 _ a 23 Alda Lee and Lai 1983 Eckhoff et al 1387F Yi Kang Pu 1966 Yi Kang Pu 1908 Magy and Verakis 1983 Bond Knysiavius and Lee 1 Kautiman al al 14555 Ka mae ei al Toa Ma and Varakis 1983 f Nagy and Yarakis 1883 and Verakis 1989 Arithmetic menn values 17 momture in starch Source Extended ind moditied version of table from Pu 1988 Tabella 1 4 Valori dell indice di esplosivit per la polvere di amido di mais calcolati attraverso la legge cubica da vari ricercatori in contenitori diversi e con condizioni di turbolenza diversa Corrataroh aiiin LI 500 gim z Eim Ci
92. e di fiamma piano sferico o emisferico e flusso laminare e gas di combustione si trovano sempre dietro rispetto alla direzione di propagazione del fronte di fiamma y Il coefficiente d espansione esprime l incremento di volume dovuto alla combustione ed definito come il rapporto tra le densit dei prodotti gassosi della combustione e la densit dei prodotti gassosi prima della combustione 140 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO Sostituendo la 5 5 dentro la 5 7 e tenendo conto della 5 6 otteniamo pr i Sp 5Sa eda ox 5 8 Po Pia Ponendo 0 14 0 p K am a di Come 5 9 Po P ee ni k a k a rus l E 7 Ci 7 C pl RMS 5 10 max Poi 5 11 Per poter utilizzare questa formula per calcolare la velocit di fiamma e poi per calcolare la pressione sviluppata durante esplosione in funzione della turbolenza occorre conoscere i ARI A SO Tee i valori di e mre che per comodit riscriviamo in questa forma f ve 0 Pike a max Cie Dug TEO Po k o P Coun C E k o Per calcolare le costanti precedenti abbiamo utilizzato le seguenti assunzioni v questi coefficienti sono stati valutati nell istante in cui si raggiunge il massimo dell esplosione rappresentato dal punto di masimo della curva presione tempo p gt rapp p p po
93. e gradienti di pressione flusso dei fluidi e turbolenza scambi di calore per convezione irraggiamento possono causare la formazione di una nube di polvere depositata su superfici orizzontali o sospesa all interno del compartimento confinato che si trova intorno che si incendiera e dar luogo ad un altra esplosione esplosione secondaria Di solito gli effetti di un tale evento accidentale sono largamente pi dannosi di quelli di un esplosione primaria soprattutto a causa dei fenomeni di turbolenza all interno della nube d aria e polvere e indotti dall esplosione primaria Uno dei metodi pi praticati ed economici per proteggere un compattimento o una che attrezzatura dagli effetti di tali esplosioni consiste nella realizzazione di superfici di sfogo b sono progettate e dimensionate fino ad oggi tenendo conto solo in modo marginale dell effetto peggiorativo della presenza della turbolenza indotta dall esplosione primaria Questi metodi trascurando il caso peggiore possono risultare poco efficaci In questo lavoro si cercher una relazione empirica basata su dati sperimentali reperiti nella letteratura tecnica che lega la componente della velocit turbolenta di combustione ai due parametri caratteristici della violenza dell esplosione la massima sovrapressione raggiunta Pmax bar g e la massima variazione di pressione nell unit di tempo ia bar s MAX 14 SCOPO E STRUTTURA DELLA TESI
94. e la sedimentazione delle particelle Dal 30 giugno 2003 non stato pi possibile commercializzare macchine materiali dispositivi fissi o mobili organi di comando strumentazione e sistemi di rilevazione e di prevenzione destinati ad essere utilizzati in atmosfera potenzialmente esplosiva non marcati CE secondo la direttiva 94 9 CEE 59 2 L intervallo di esplosivit infatti mentre per i gas la propagazione della fiamma limitata dalla condizione che la concentrazione della miscela sia tra il limite inferiore il limite superiore di esplosivit per le polveri combustibili la formazione della nube pu essere alimentata anche da strati e depositi che possono alimentare la fiamma o dare origine al fenomeno della combustione covante a causa della aria che contenuta tra le particelle di polvere Queste differenze portano a concludere che all interno delle attrezzature industriali che trattano polveri combustibili occorre indurre il movimento della polvere per mezzo di macchine operatrici ad esempio ventilatori e che all esterno di queste attrezzature o negli ambienti di lavoro le particelle di polvere sospesa in aria hanno una una durata limitata all ordine dei secondi perch esse tendono a sedimentare non appena cessata la forza che ne ha generato la sospensione in aria Poich le particelle di polvere hanno dimensioni di diversi ordini di grandezza maggiore di quelle delle molecole di gas esse non posson
95. e le curve prep Aventing Il pallino nero indicato con una freccia verso Palto turbulent jet si riferisce ad una prova che ha causato la rottura delle pareti del silos 0 6 bar g nonostante la superficie di sfogo SILOS SNELLI Nel caso di silos con un rapporto di forma Ly gt 4 sono stati condotti esperimenti e si visto che un fattore importante ai fini della gravit dell esplosione Pmax il punto in cui avviene l accensione della nube di polvere combustibile ed aria Figura 4 7 Nei casi reali si conosce il punto di innesco che pu originare l esplosione soltanto con un grado di incertezza quindi questa variabilit un problema nel dimensionamento delle superfici di sfogo a meno che non ci si pone nelle condizioni pi sfavorevoli 123 PO mi SILO IN SWITZERLAND L D 6 25 VENT AREA 0 5 m 7 nl SLO N WORWAY L 0 60 VENT ARCA 35 n Pad par oil LOCATION OF IGMETION PONT N SRO Figura 4 7 Le due zone tratteggiate indicano l inviluppo dei risultati ottenuti negli esperimenti condotti in due silos snelli variando il punto di innesco innesco in basso gt valori di prep alti innesco sul cielo del silos gt valori bassi di prep 124 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO Se confrontiamo i risultati di prove sperimentali con corrispondenti dati calcolati utilizzando la norma NFPA68 2007 p
96. ecifica La prova stat eseguita nel contenitore di Hartmann da 1 2 l 36 Figura 1 12 Rappresentazione di una nube dispersa in modo ideale di una con agglomerazione delle particelle di polvere Gli agglomerati di polvere si comportano come una particella di dimensioni MOIO agi o g PE I A AEE E EE E E 37 Figura 1 13 In alto riportato il grafico che rappresenta la velocit di crescita della pressione che rappresenta la violenza dell esplosione di una polvere combustibile generica in funzione della ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO concentrazione con l indicazione dei limiti di esplosivit In basso invece riportato il comportamento della polvere combustibile rispetto alla minima energia di accensione rappresentata da una scintilla lettrici PR RROR A R 40 Figura 1 14 Tipico andamento della pressione durante l esplosione nelle reattore sferico riportato nell figura a fianco Un parametro importante ai fini della gravit dell esplosione il tempo di ritardo time delay tra l inizio della dispersione della plvere e il momento dell innesco essecsssecssecceees 44 Figura 1 15 Grafico qualitativo dell andamento della pressione in funzione del tempo all interno del reattore di prova Notiamo che Pmax una sovrapressione e che la pendenza massima della curva Figura 1 16 Confr
97. ecnica dell American Society for Testing of Materials che definisce gli standard di prova per la misure di esplosivit delle polveri combustibili essa fornisce un metodo eper condurre prove di laboratorio finalizzati a valutare le grandezze caratteristiche sulle propriet di esplosivit delle polveri combustibili disperse in aria 42 Tabella 1 10 Norme tecniche UNI EN che definiscono gli standard di prova per la misure di esplosivit delle polveri combustibili disperse in aria 43 Tabella 1 11 Grandezze dell esplosivita di polveri di origine agricola Emergono la pericolosit dell amido di mais e la sensibilit dell accensione dello zucchero Fonte NFPA 68 2007 49 Tabella 1 12 Propriet sull esplosivit di comuni polveri di origine agricola Fonte Committee on evaluation of industrial hazards Prevention of Grain Elevator and Mill Explosions National Academy Press Washington 1982 50 Tabella 1 13 Valori della massima pressione d esplosione della massima velocit di crescita della pressione ricavate a temperatura ambiente e pressione atmosferica nel reattore di Hartmann di 1 2 Con concentrazione 500 g m 51 Tabella 2 1 Caratteristiche degli apparecchi appartenenti al Gruppo Il 70 Tabella 2 2 Attivit soggette al rilascio del Certificato di Prevenzione Incendi 72 Tabella 2 3 Industrie alimentari soggette al rilascio del Certificato di Prevenzione Incedi 72 11 Tabella 4 1 Principi dell inherent safety espre
98. ent Panels Documentation 104 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO Nel meccanismo del venting le grandezze principali sono E la pressione che si svilupperebbe nel contenitore senza Pressione massima le superfici di sfogo durante l esplosione di una miscela di Maximum pressure polvere combustibile ed aria con concentrazione ottimale E la massima pressione raggiunta nel contenitore protetto Pression ridono con le superfici di sfogo durante l esplosione Reduced pressure un dato progettuale lt p resistenza contenitore E la pressione necessaria all attivazione delle superfici di Pressione sfogo con un incremento di pressione minore o uguale a d attivazione 0 1 bar min Tiene conto dell inerzia massa delle Static pressure superfici di sfogo Per le strutture a bassa resistenza pu essere al massimo il Resistenza meccanica l l o l valore dei 2 3 della pressione che determina il cedimento della struttura l dell elemento pi debole della struttura Enclosure Strenght per le strutture al alta resistenza il valore di prep Area specifica degli E il rapporto tra l area totale degli sfoghi m2 e il volume sfoghi del contenitore m3 Tabella 4 3 Definizioni secondo NFPA68 2007 La pressione massima che il volume da proteggere pu sopportare quella delle parti st
99. erare anche le misure di sicurezza che abbiamo visto Tra le misure di protezione le superfici di sfogo in inglese questa tecnica di protezione definita explosion venting sono il mezzo di protezione utilizzato pi comunemente perch sufficientemente sicuro ed economicamente praticabile La superficie di sfogo un apertura in un contenitore o in una struttura attraverso la quale fuoriescono durante un esplosione i prodotti della combustione il gas le particelle di polvere In genere quest apertura munita di un sistema di chiusura vincolato alla struttura circostante con scarsa O con grande resistenza meccanica Durante l esplosione questo sistemi di chiusura si rompe o si apre come una porta rimanendo vincolato o salta lontano fap Men of as te PRIA VIE PRESSURE IN VESSEL r y ft ve x Eo C gt DUST 4 gt Figura 4 2 Principio di funzionamento del venting la fuoriuscita dei gas caldi e dei prodotti della combustione e della polvere incombusta dall apertura consente di mantenere la pressione massima all interno del contenitore al di sotto del valore di progetto prep 102 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO Una superficie di sfogo consente di e Limitare la pressione interna del contenitore protetto e Far fuoriuscire la fiamma i fumi e i gas caldi all aperto e Rendere i m
100. erato il coefficiente di espansione pari al valore E E L Pax Po quindi la 5 15 diventa k o1 S di e La sovrapressione di esplosione in un silos con innesco dell esplosione dal basso pari a 10 15 nus 5 17 0 14 Pp max L P Pasar 6 Sp K yu 5 18 F vent Conoscendo i livelli della turbolenza nelle attrezzature industriali durante il normale funzionamento oppure il livello di turbolenza che si pu prevedere nel caso di propagazione di un esplosione secondaria le due formule precedenti possono essere usate per calcolare la sovrapressione d esplosione Per questo stata ricavata la seguente tabella che permette una valutazione approssimata dell intensit di turbolenza in condizioni pratiche Tipologia e Ricercatore o Volume Intensit di turbolenza impianto anno Turbolenza sull asse del silos Sistema 12 m3 di alimentazione pneumatico Hauet Vog assiale 75 mm 1995 5 Codice 12 m3 FLUENT Sistema m a UA A alimentazione Uci a Ono m coclea tangenziale s pneumatico Contenitore ani Tamanini 1 3 m3 1 286 170 34 420 48 Sferico 1998 148 di ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO Tipologia Ricercatore Volume Intensit di turbolenza impianto anno 21 87 17 30f 1 0 735 Compartimento 64 m da Cri t gt 0
101. fiamma premiscelata in un condotto in cui accensione avviene all estremit chiusa La velocit di combustione sarebbe uguale alla velocit di fiamma se i gas combusti fuoriuscissero dall estremita dove avvenuta accensione della miscela se Pestremita fosse aperta 80 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO La velocit di fiamma non pu essere messa in relazione con la velocit di combustione semplicemente tenendo conto del moto relativo della miscela ancora incombusta Infatti ci sono altri fattori che influiscono come per esempio il fronte di fiamma in un piano le perdite di calore sulle pareti del cilindro e soprattutto il gas ancora incombusto che si muove con moto turbolento Tuttavia in prima approssimazione possiamo ricavare una relazione tenendo conto dell espansione dei gas prodotti della reazione Dove S Velocit di fiamma S Velocit di combustione E Fattore di espansione volumetrica dei prodotti della combustione velocity laminar vile x pri fama v T dT fide O temperature profile reaction si 8 Zone probom AOE T T dT fda 0 Figura 3 8 Struttura semplificata di una fiamma premiscelata laminare piana La miscela incombusta si trova a sinistra fonte Dahoe A E Dust Explosions a Study of Flame Propagation Technische Universiteit Delft 2000 S velocita di fiamma Sur Vel combu
102. fluenza la sovrapressione che si sviluppa durante l esplosione Quindi anch esso un dato di cui tener conto durante il progetto degli sfoghi Attualmente si tiene conto dell intensita di turbolenza nel dimensionamento degli sfoghi indirettamente infatti le formule utilizzate nelle norme NFPA VDI ed EN per il dimensionamento degli sfoghi sono formulate e validate su esperimenti nei quali non misurata la turbolenza o stata fissata ad un valore stabilito Perci per tener conto della turbolenza presente nell ambiente da proteggere condizione peggiorativa si calcola un area aggiuntiva o un area maggiorata rispetto a quella senza turbolenza L intensit della turbolenza un fattore importante soprattutto quando si verifica un esplosione secondaria perch sia la turbolenza iniziale preesistente all innesco che quella indotta dall esplosione primaria che quella generata dagli ostacoli determinano pesantemente la gravit i dp dell esplosione pyax i di MAX Pmax PRESSURE e aa VACUUM TIME Figura 4 4 Rappresentazione schematica della protezione data dal venting con la linea tratteggiata rappresentato l andamento della pressione senza superficie di sfogo con la linea continua l andamento della pressione con protezione Lo sfogo efficace quando mantiene la pressione residua al di sotto del valore che delimita superiormente la fascia verde fonte Zook Explosion Protection V
103. gazione stata attribuita alla separazione delle particelle di polvere combustibile dall aria nei vortici turbolenti intorno al disco dovuti alla forza centrifuga Questa osservazione indica che la velocit di combustione di una nube di polvere combustibile ed aria non risponde alla turbolenza allo stesso modo in cui risponde la velocit di combustione di un gas premiscelato 12 85 3 5 INFLUENZA DELLA TURBOLENZA SUI PARAMETRI DELL ESPLOSIONE Se si vuole controllare il pericolo delle esplosioni di polveri tramite le superfici di sfogo occorre caratterizzare lo specifico processo di esplosione che dipende dall attrezzatura dalla polvere coinvolta dalla sua concentrazione dalla temperatura e dalla pressione che vi sono all interno dell impianto e soprattutto dalla turbolenza fonte Braithwaite comunicazione privata con Dott Dahoe Infatti nelle attrezzature utilizzate per il trattamento delle polveri la turbolenza presente nella nube di polvere necessariamente indotta per vincere la tendenza a sedimentare della polvere Invece nel caso delle esplosioni secondarie la turbolenza generata dalla propagazione della palla di fuoco nel volume secondario Nello studio del moto dei fluidi per turbolenza si intende un movimento relativo di due particelle qualsiasi di polvere nelle tre dimensioni spaziali x y ze variabile in termini statistici Figura 3 11 i moto non j stazionario moto staz
104. genti e prodotti della combustione Poich la reazione delle polveri combustibili organiche naturali avviene in fase gassosa possiamo utilizzare l equazione di stato dei gas perfetti che descrive la reciproca dipendenza delle variabili che influenzano la pressione di esplosione ed in particolare il numero di moli La Temperatura gioca un ruolo fondamentale nell aumento della pressione d esplosione Invece la variazione di moli influenza in modo lieve la variazione di pressione la massima riduzione possibile di moli durante la combustione avviene durante la reazione di polveri di metallo poich formano ossidi di metallo condensati invece della polvere brucia in aria e la nube a una concentrazione stechiometrica il numero di moli si riduce di circa il 20 Nel caso della combustione di polveri organiche in concentrazione stechiomettica ipotizzando che i prodotti di e della reazione siano soltanto anidride carbonica ed acqua il numero di moli aumenta infatti per ogni molecola di O consumata si formano due molecole di H O Tuttavia se la nube non ha concentrazione stechiometrica e quindi si formano CO e non tutte le particelle reagiscono queste considerazioni diventano meno valide 41 1 7 GRANDEZZE CARATTERISTICHE DELL ESPLOSIVIT DELLE POLVERI COMBUSTIBILI Quando occorre classificare la pericolosit di esplosione di una polvere combustibile e progettare le misure di prevenzione e protezione sul luogo di lavoro dove esiste
105. i polvere combustibile ed aria e di far propagare in modo autonomo una fiamma all interno della nube stessa Questa possibile e la sorgente di accensione ha un valore sufficiente a raggiungere la temperatura di autoaccensione della sostanza chimica di cui composta la polvere Negli incidenti di esplosioni che si sono verificati le sorgenti di accensione pi comuni sono v sx OS ON ON v v Fenomeno della combustione covante in uno strato di polvere o cumuli di polvere che raggiungono alte temperature e che si incendiano 9 Fiamme non controllate per esempio di lavori a caldo Punti caldi su superfici per attrito meccanico per esempio cuscinetti Calore dissipato per attrito o in urti meccanici Cariche elettrostatiche e archi elettrici generate quando una polvere viene trasportata in un condotto quando cade in un recipiente o quando scivola a contatto con una superficie Fenomeni di compressione adiabatica elevati e veloci Materiali incandescenti I parametri che caratterizzano l accensione di una polvere combustibile organica SONO 1 La minima energia di accensione MIE di una nube e di uno strato 2 La minima temperatura di accensione MIT Alcune sorgenti di accensione sono facilmente rilevabili ad es fiamme materiali incandescenti saldatura e taglio e per esse l attuazione di procedure di divieto e intervento degli operatori ne riduce il potenziale pericolo Per altre tipolog
106. i trattare e produrre amido inclusa l essiccatura il trasporto il confezionamento l immagazzinamento di amido e prodotti in polvere essiccati Esempi di industrie alimentari interessate al problema sono stabilimenti per la produzione di pane prodotti correlati e dolci sollevatori di graniglie alimentari molini per mangimi e per farine impianti per la miscelazione ed impianti per le operazioni di preparazione di semi e semi da olio trattamento dei cereali del cioccolato dello zucchero dei mangimi e alimenti per animali domestici Norma NFPA 61 2002 2 La N F P A National Fire Protection Association un organizzazione governativa americana con lo scopo di definire e aggiornare le norme tecniche per garantire la sicurezza antincendio delle attivit antropiche costruzioni attrezzature impianti dispositivi di protezione collettiva ed individuale La norma NFPA61 2002 riguarda la sicurezza antincendio e protezione dalle esplosioni delle aziende che trattano polveti di origine agricola 13 Come vedremo un esplosione di una nube di polvere combustibile organica ed aria pu avvenire soltantop se si verificano contemporaneamente cinque condizioni Statisticamente un esplosione avviene all interno di un attrezzatura dello stabilimento esplosione primaria Se l esplosione si propaga nello spazio esterno all attrezzatura i fenomeni fisici e chimici della propagazione della combustione espansione dei gas caldi onde
107. ibile ed aria sta bruciando la turbolenza provoca la miscelazione fra i prodotti caldi della combustione le particelle che stanno bruciando e le parti non combuste Quindi la nube diventa come una sovrapposizione nelle tre dimensioni di strati combusti non combusti e freddi moto laminare del fronte di fiamma gt modello 2D moto turbolento del fronte di fiamma modello 3D 13 La turbolenza provoca un aumento della superficie del fronte di fiamma che a sua volta fa crescere i meccanismi di diffusione di massa ed energia aumenta la velocit di reazione della combustione e quindi si ha un aumento a volte consistente anche di 10 volte di MRPR 20 SSL a TR B T x LO dia F t NJ da 0 20 50 100 200 500 1000 DELAY BETWEEN DUST DISPERSION AND IGNITION ms Figura 3 16 Tipico andamento delle grandezze caratteristiche della violenza dell esplosione in funzione della turbolenza La polvere licopodio con concentrazione 420 g m3 in un contenitore di prova di 1 2 1 Gli intervalli di incertezza dei valori misurati sono pari a 1 bar E una pianta perenne sempreverde a portamento strisciante La polvere di Lycopodium ricavata dalle sue spore particolarmente infiammabile 90 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO Questi grafici ci mostrano come la velocit di crescita della pressione
108. ica la norma CEI EN 61241 10 La procedura di classificazione delle aree ma in linea generale si pu ricondurre ai seguenti passi e Individuazione delle sorgenti di emissione per le polveri espressione sorgente di emissioni non applicabile perch un incidente con esplosioni di polvere pu essere iniziato da una nube di polvere ed aria o da uno strato di polvere ma non da un rilascio di polvere combustibile all esterno di un attrezzatura Per le polveri pi opportuno utilizzare il termine Area di sviluppo di una nube di polvere 6 e Assegnazione del grado di emissione alle sorgenti considerando le eventuali g g g contemporaneit di pi sorgenti e Determinazione della portata di emissione del fluido in considerazione gas vapore liquido bassobollente o altobollente e Calcolo del volume ipotetico di atmosfera potenzialmente esplosiva intorno alla SE Vz e Calcolo della concentrazione media volumica Xm 62 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO e Valutazione del tempo di permanenza e Determinazione del tipo di zona individuata e Determinazione della forma della zona pericolosa e Determinazione dell estensione della zona pericolosa considerando eventuali aperture e Inviluppo delle diverse zone pericolose individuate Si riportano di seguito le definizioni di zone cos
109. icate N Figura 2 6 Esempio di marcatura di un attrezzatura secondo la marcatura IECEx 71 2 3 AZIENDE SOGGETTE AL CONTROLLO DEI VIGILI DEL FUOCO La disciplina della prevenzione incendi uno dei compiti istituzionali del Dipartimento dei Vigili del Foco del Ministero dell Interno regolata dal D Lgs 139 2006 e dal D P R 577 1982 per quanto riguarda il regolamento per l espletamento dei servizi di prevenzione incendi Il Decreto Ministeriale che stabilisce le attivit a rischio d incendio e d esplosione e soggette al controllo dei Vigili del Fuoco attraverso il rilascio del Certificato di Prevenzione Incendi sono riportate nell Allegato A al DMI 16 02 1982 Queste 97 attivit suddivise in Attivit Grandezza controllata Attivit industriali Materiale combustibile Gas infiammabili Sostanze esplosive e radiogene 2 Centrali termiche Gruppi elettrogeni Tabella 2 2 Attivit soggette al rilascio del Certificato di Prevenzione Incendi Le industrie alimentari che possono trattare polveri organiche naturali combustibili sono le seguenti INDUSTRIA ALIMENTARE 35 Mulini per cereali ed altre macinazioni con potenzialit giornaliera superiore a 200 q li e relativi depositi 36 Impianti per l essiccazione dei cereali e di vegetali in genere con depositi di capacit superiore a 500 q li di prodotto essiccato 37 Stabilimenti ove si producono surrogati del caff 38 Zuccherifici e raffinerie de
110. ido dimais in concentrazione di 500 g m nel reattore sferico di 20 27 Figura 1 6 Legge di scala di un esplosione non si pu affermare senza riserve la trasposizione alle dimensioni delle attrezzature industriali fonte Dahoe A E Dust Explosions a Study of Flame Propagation Technische Universiteit Delft 2000 sccssccsscccsccscccsccnscccsccesccesececcceccesccsccesccessoes 29 Figura 4 6 Dipendenza dell indice di esplosivita k dall internsita di turbolenza U Riis Tamanini 1990 30 Figura 1 7 Persino uno strato di polvere dello spessore di 1 mm e densit 500 gm quando viene disperso in un volume di 5 m genera una nube con densit 100 gm il volume diventa pericoloso 32 Figura 1 8 Dimensioni caratteristiche diametri equivalenti delle polveri in confronto con quelle di altre particelle con indicazione dei metodi di misura valori limite per le polveri sono 10 10 m Fonte Dizionario d Ingegneria a cura di F Perrucca UTET 1968 cccseccssccsssccsseccsscccssccescccseccescccseccsccees 33 Figura 1 9 Esempio per mostrare l aumento dell area superficiale dato dalla suddivisione di un solido In questo caso l area superficiale aumenta di un fattore 2 vrrrrrrrrrrrereeseeneserioseenesesioseenesesiosioneoeo 35 Figura 1 10 Dipendenza della violenza dll esplosione dalla composizione chimica della polvere amido e proteine e dall area sp
111. ie invece il principio di pericolosit pu non essere percepibile ad es elettricit statica scintille dissipazione di calore per attrito e urti superfici calde 39 1 6 7 CONCENTRAZIONE Le esplosioni di polveri di origine agricola contrariamente alle esplosioni di gas hanno una risposta quasi costante in termini di pressione massima e di velocit di crescita della pressione in funzione della concentrazione ad esempio pet lamido di mais nell intervallo tra i 150 g m7 e all incirca 10 volte la composizione stechiometrica 1500 g m7 la velocit di crescita della pressione in un volume confinato approssimativamente indipendente dalla concentrazione della nube di polvere In questo caso un esplosione della nube di polvere ed aria all interno del contenitore privo di sfoghi di pressione provoca un aumento della pressione variabile tra 6 e 10 atm Allora una volta che un qualsiasi volume confinato contiene la quantit minima di polvere combustibile capace di sostenere l esplosione in quel volume vi il pericolo di esplosione la polvere in pi aumenta il pericolo soltanto di una piccola quantit ed anche una quantit molto superiore a quella minima riduce il rischio soltanto di poco La massima violenza dell esplosione si verifica per concentrazioni superioti a quella stechiomettica come rappresentato nella figura sottostante MIN IGN ENERG Figura 1 13 In alto riportato il grafico che rappresen
112. il miglioramento della tutela della sicurezza e della salute dei lavoratori esposti al rischio di atmosfere esplosive pubblicato nella Gazzetta Ufficiale n 197 del 26 agosto 2003 Eckhoff R K Differences and similarities of gas and dust explosions A critical evaluation of the European ATEX directives in relation to dusts Journal of Loss Prevention in the Process Industries 19 6 553 560 2006 NFPA499 1997 Recommendedpracticefortheclassificationofcombustibledustsandof hazardous classified locationsforelectricalinstallationsinchemicalprocessareas Publica tionNo 499fromNationalFireProtectionAssociation Quincy MA USA Ott R 2005 Dust explosion Incidents their causes effects and prevention Compendium for industrial practice I P S N 2051 ed Heidelberg UNI EN 1127 1 2001 Atmosfere esplosive Prevenzione dell esplosione e protezione contro lesplosione Concetti fondamentali e metodologia Zeeuwen P 1997 Dust explosions What is the risk What are the statistics Journal of Chilwort Technology 73 CAPITOLO 3 FENOMENI COINVOLTI NELLA COMBUSTIONE DELLA NUBE DI POLVERE COMBUSTIBILE ED ARIA 3 1 TIPI DI FIAMME In generale possiamo classificare il fenomeno della combustione dei gas rispetto alla miscelazione combustibile comburente in fiamma premiscelata in cui il combustibile gassoso unito all aria prima della fase di combustione per esempio la fiamma di una candela fiamma di diffusione in cui la
113. inimi i danni alle persone e alle attrezzature all interno del volume protetto Il progetto degli sfoghi di pressione deve considerare la forma del contenitore da proteggere la posizione delle attrezzature rispetto allo sfogo la posizione delle probabili sorgenti d accensione e la forma e dall inetzia del sistema di chiusura scelto Per esempio un volume stretto e allungato pu aver bisogno di diverse superficie di sfogo mentre in un volume sferico pu esser sufficiente un solo sfogo La posizione e l intensit della sorgente di accensione pu influenzare la velocit di crescita della pressione anche di otto volte e la pressione massima raggiunta durante un esplosione anche di quattro volte a seconda della forma e delle dimensioni del volume Un altro fattore da tenere in considerazione nel dimensionamento delle superfici di sfogo la velocit della combustione che si pu prevedere in caso di esplosione nel volume da proteggere infatti a parit di superficie di sfogo maggiore la velocit di combustione pi elevata sar la sovrapressione raggiunta all interno del contenitore Quindi maggiori velocit di combustione necessitano di maggiori superfici di sfogo PRESSURE Figura 4 3 Influenza della velocit di combustione ottenute con un diverso grado di turbolenza e con una dispersione diversa sulla crescita della pressione 103 Sappiamo che in un esplosione di polvere il livello di turbolenza in
114. ionario moto stazionario Figura 3 11 Grafico della velocit media e sovrapposto Pandamento irregolare della velocit delle particelle in una corrente turbolenta fonte Pnuelli D 1997 Il Moto dei fluidi Zanichelli Una grandezza utilizzata per quantificare intensit della turbolenza in una nube di polvere dispersa in aria di utilizzare la radice quadratica media della componente di velocit turbolenta u_ definita come l intensit delle fluttuazioni di velocit rispetto ad un valore medio del rm flusso Invece un altra grandezza che si riferisce alla geometria del flusso la scala della turbolenza che una misura media dei vortici che si formano nel flusso Di solito si soliti distinguere tre livelli di turbolenza 86 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 1 Turbolenza caratterizzata da elevata scala vortici che seguono la forma della geometria in cut il flusso immerso 2 Turbolenza caratterizzata da media scala 3 Turbolenza caratterizzata da piccola scala Un modello matematico approssimativo ed utilizzato per descrivere la turbolenza il modello K dove K energia cinetica turbolenta ed la derivata della quota di energia cinetica convertita in calore Questo modello stato utilizzato per studiare le esplosioni di polvere in condizioni di turbolenza programmando dei c
115. ione della massima velocit di crescita della pressione ricavate a temperatura ambiente e pressione atmosferica nel reattore di Hartmann di 1 2 1 Con concentrazione 500 g m gt E importante ricordare che i valori di amp tabellati dipendono dai campioni e devono essere generalizzati con attenzione 51 1 7 5 MINIMA CONCENTRAZIONE D ESPLOSIVITA MEC g m3 La minima concentrazione d esplosione in anglosassone Minimum Explosible Concentration determina la concentrazione in volume di polvere combustibile dispersa in aria che puo produrre e sostenere la combustione al di sotto di questo valore la combustione non pi possibile cio la propagazione della fiamma non avviene Questo valore a volte indicato anche come limite inferiore d esplosivit Lower explosion limit LEL pi utilizzato per le miscele di gas infiammabile ed aria Anche la prova per misurare la MEC viene eseguita nel tubo di Hartmann o con il reattore sferico di 20 litri Come per i gas esiste un limite superiore d esplosivit UEL anche le polveri presentano una concentrazione massima d esplosivit Tuttavia esso insieme alla MEC definisce un campo di esplosivit cos ampio che ha scarso significato consideralo Invece conoscere la minima concentrazione d esplosivit pu essere d interesse per prevenire l esplosione in quei luoghi a rischio in cui la concentrazione pu essere efficacemente controllata
116. ione dell esplosione Figura 1 5 Poi vengono ripetute altre prove con concentrazioni diverse fino a quando vengono ottenuti i valori massimi per la sovrapressione di esplosione pyyx bar g e per la massima variazione di pressione nell unit di dp i tempo Fal bar s ax Il tempo dell innesco triggering stabilito dal tipo di norma tecnica che si sta seguendo Per esempio nella norma tecnica ISO 6184 Part 1 prescritto un ritardo tra l innesco e l inizio della dispersione della polvere combustibile all interno del contenitore di 0 6 s vedi Paragrafo 3 6 26 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO La valutazione dell esplosivit basata sui valori di pressione misurati Se non viene rilevata una sovrapressione maggiore di 0 3 bar una polvere non considerata esplosiva al contrario viene classificata esplosiva 10 L n h Fa iF TTT 2 6 F A dt 1 an i SS e a I re r L Dl LO LGO 2001 2540 HW time milliseconds Figura 1 5 Curva dell esplosione pressure time history di una nubi di amido dimais in concentrazione di 500 g m3 nel reattore sferico di 20 1 La Pmax definita dalla differenza tra la pressione all istante dell accensione e la pressione massima raggiunta durante l esplosione Durante la prova effettuata nel reattore sferico di 20 lf o in quello di 1 mi si ripete l
117. ione mediante sfogo dell esplosione di polveri La norma fa parte di una serie che comprende il prEN 14797 Dispositivi di sfogo dell esplosione e il prEN 14460 Apparecchi resistenti all esplosione Infine l applicazione del prEN 15089 Sistemi di isolamento dell esplosione serve ad evitare il trasferimento delle esplosioni ad altre attrezzature o contenitori collegati Questa norma contiene 1 icriteri per il dimensionamento degli sforzi per proteggere un contenitore dagli effetti della sovrapressione generata da un esplosione di polvere 2 Gli effetti della propagazione della fiamma e della sovrapressione nell ambiente circostante al volume protetto 3 La stima delle reazioni dinamiche dovute all esplosione 4 L influenza dei condotti di sfogo Riguardo il dimensionamento degli sfoghi questa norma ricalca la norma tedesca VDI3673 Inoltre anche in questo caso la validit delle formule limitata a contenitori aventi un rapporto di L lt forma L 20 Formula per il dimensionamento della superficie di sfogo richiesta per un contenitore isolato Le ipotesi di validit sono 1 0 1 m lt V lt 10000 m 2 0 1 bar lt Paa lt 1 bar 3 0 1 bar lt p amax 2 bar dove p imax il valore massimo della pressione ridotta rispetto P ed MAX Pp 3 P P al tempo durante l esplosione 4 P red MAX n Pia svars Puix 10bar gt ney ee lt 300 sale A Sbar lt Pysy S12barw 300 Dar m
118. isurata in laboratorio tabella 5 2 Come si pu vedere i punti sono addensati intorno alla bisettrice che un marker dell esattezza della formula ricavata 145 Sf m s Calc m Meas U rms M S Figura 5 6 Il grafico esprime il confronto tra il valore quadratico meio della componente di velocit turbolenta misurata in laboratorio dal ricercatore Gieras et al 1996 e quella calcolata con la formula 5 15 Anche in questo caso i punti sono addensati intorno alla bisettrice fatto che un marker dell esattezza della formula ricavata a 1 AT A 300 g m meas A 700 g m meas calc 0 O 1 2 3 4 5 6 T 8 U ims m s Figura 5 7 Confronto tra i valori di velocit di combustione calcolati con la formula 5 16 e quelli della letteratura di Tezok et al 1986 sull amido di mais Anche in questo caso i punti sono addensati intorno alla bisettrice fatto che un marker dell esattezza della formula ricavata 146 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 5 6 CORRELAZIONE PER LA SOVRAPRESSIONE DI ESPLOSIONE Si tratter una correlazione empirica che serve per valutare la sovrapressione di esplosione all interno di silos e di contenitori quasi cubici in base ai parametri pi importanti caratteristici dell esplosione 1 Tipo di polvere 2 Livello di turbolenza iniziale prima dell accensione wu sai
119. ito si occupano delle esplosioni di polveri nell industria Utilizzatore Direttiva 99 92 EC Produttore Direttiva 94 9 EC Apparecchiature Categoria i Apparecchiature Categoria 2 Apparecchiature Pericolo g Zona Categoria costante 0020 Zona lo 21 Pericolo Zona atitolo minore Figura 2 1 Diagramma di confronto che evidenzia la complementariet delle due Direttive ATEX Grundfos 58 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 2 2 LE DIRETTIVE EUROPEE ATEX Le direttive ATEX dal francese Atmosph re explosible sono state emanate con lo scopo di creare prodotti adatti ad essere utilizzati in atmosfere con il pericolo di esplosione e di migliorare la sicurezza sui luoghi di lavoro dove esista tale rischio per i lavoratori La Direttiva 94 9 CE del Parlamento e della Commissione Europei del 23 marzo 1994 sul ravvicinamento degli Stati membri relative agli apparecchi e ai sistemi di protezione destinati ade essere utilizzati in atmosfere potenzialmente esplosive stata recepita in Italia con il D P R 126 1998 ed entrato in vigore soltanto nel luglio 2003 La Direttiva 99 92 CE del Parlamento e della Commissione Europei del 16 Dicembre 1999 relativa alle prescrizioni minime per il miglioramento della tutela della sicurezza e della salute dei lavoratori che possono essere esposti al ris
120. l pericolo di esplosioni di gas e di polveri Poich i processi industriali in cui si utilizzano le polveri di origine agricola possono rientrare nel campo delle attivit soggette al rilascio del Certificato di Prevenzione Incendi ai sensi del DPR 37 1998 sar presentata anche la normativa che regolamenta tale settore e che soggetta all autorit del Ministero dell Interno per mezzo del Dipartimento dei Vigili del Fuoco Il quadro normativo sar completato dalla nuova legge italiana sulla sicurezza sul lavoro e da quella sulla sicurezza degli impianti che trasportano energia di tutte le costruzioni a prescindere dalla loro destinazione d uso civile o industriale I fenomeni della turbolenza ed i suoi effetti sulla pericolosit e sulla propagazione dell esplosione saranno trattati nel terzo capitolo Le relazioni matematiche fondamentali e il modello matematico K pi utilizzato per studiare il fenomeno della combustione turbolenta saranno presentati perch verranno utilizzati nel capitolo quinto Nell ultima parte verranno descritte le principali similitudini e differenze tra le esplosioni di gas e quelle di polveri per comprendere pi in profondit il comportamento meno noto delle polveri Nel quarto capitolo si affronta il tema della protezione mitigazione delle esplosioni con superfici di sfogo alle problematiche connesse con la geometria del volume da proteggere e alla presenza di attrezzature ed impianti Saran
121. lementari di cui all allegato II punto 2 1 ovvero devono essere progettati e fabbricati in modo che le sorgenti di innesco non si attivino neanche in caso di anomalie eccezionali dell apparecchio Lo stesso dicasi per le altre categorie cos come riportato nella Tabella 2 1 riepilogativa La Commissione europea ha stabilito che la categoria dell apparecchio deve essere determinata sulla base della valutazione del pericolo di innesco in relazione all eventuale atmosfera circostante l apparecchio e la sua eventuale atmosfera di processo interna Se la valutazione del pericolo di innesco assicura che gli apparecchi non contengono sorgenti di innesco efficaci durante il normale funzionamento gli apparecchi possono essere classificati come apparecchi della categoria 3 Analogamente nel caso in cui la valutazione del pericolo di innesco assicura che gli apparecchi non contengono sorgenti di innesco efficaci durante le disfunzioni previste2 o le rare disfunzioni3 gli apparecchi possono essere classificati rispettivamente come apparecchi della categoria 201 69 DFE 126 98 Direttiva 94 9 CE Requisiti supplementari per gli apparecchi compresi i dispositivi ed i componenti ad esso asserviti Direttiva 99 92 CE Mezzi di protezione Caratteristica di protezione All I ca ciare garantto da almeno un secondo mezzo di protezione Indipendente Inoltre il livello di sicurezza e anche D livello di sicurezza ga
122. ley e Lee 1984 che una nube di polvere presenta una velocit di combustione e uno spessore del fronte di fiamma simile a quello di una miscela di gas se durante il processo di combustione e precisamente nella zona di preriscaldamento le particelle di polvere sono in grado di produrre quantit sufficiente di sostanze volatili Poich come hanno dimostrato CashDollar et al 1988 nella combustione di polveri di organiche naturali la fase di pirolisi devolatilizzazione avviene sempre prima della combustione che a sua volta avviene per lo pi nella fase gassosa omogenea fonte Di Benedetto A and Russo P Thermo kinetic modelling of dust explosions Journal of Loss Prevention in the Process Industries 20 4 6 303 309 2007 la similitudine rispettata n Una fiamma che si sta propagando presenta una zona di preriscaldamento che alimentata dalla zona di reazione della fiamma Drysdale Introduction to fire dynamics pag 89 84 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO In sintesi riguardo l accensione e la combustione delle miscele di gas e delle nubi di polvere le propriet simili sono vV Limiti di infiammabilita esplosivita Velocit di combustione laminare e distanze di quenching Risposta della velocit di combustione alla turbolenza della nube Fenomeno della detonazione Pressioni di esplosione a volume costante a
123. llo zucchero 39 Pastifici con produzione giornaliera superiore a 500 q li x 40 Riserie con potenzialit giornaliera superiore a 100 q li 41 Stabilimenti ed impianti ove si lavora e o detiene foglia di tabacco con processi di essiccazione con oltre 100 addetti e con quantitativi globali in ciclo e o in deposito superiori a 500 q li Tabella 2 3 Industrie alimentari soggette al rilascio del Certificato di Prevenzione Incedi TA ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO BIBLIOGRAFIA DI SEZIONE 1 10 Abbasi T and Abbasi S A 2006 Dust explosions Cases causes consequences and control CEI EN 61241 10 2006 Classificazione delle aree dove sono o possono essere presenti polveri combustibili CENELEC 1998b Electrical apparatus for use in the presence of combustible dust Partl 2 Selection installation andmaintenance Europeanstandard EN50281 1 2 September1998 CENELEC Central Office Brussels Decreto Del Presidente Della Repubblica 23 marzo 1998 n 126 in Gazzetta Ufficiale n 101 del 04 05 1998 Regolamento recante norme per Pattuazione della direttiva 94 9 CE in materia di apparecchi e sistemi di protezione destinati ad essere utilizzati in atmosfera potenzialmente esplosiva Decreto Legislativo 12 giugno 2003 n 233 Attuazione della direttiva 1999 92 CE relativa alle prescrizioni minime per
124. ma Figura 3 6 Fenomeno della transizione dell esplosione da deflagrazione prima laminare poi turbolenta fino alla detonazione s anin a Re aa 79 Figura 3 7 Propagazione di una fiamma premiscelata in un condotto in cui l accensione avviene all estremit chiusa La velocit di combustione sarebbe uguale alla velocit di fiamma se i gas combusti fuoriuscissero dall estremit dove avvenuta l accensione della miscela se l estremit fosse Figura 3 8 Struttura semplificata di una fiamma premiscelata laminare piana La miscela incombusta si trova a sinistra fonte Dahoe A E Dust Explosions a Study of Flame Propagation Technische Universiteit Delft 2000 S velocit di fiamma S Vel combustione laminare 6 spessore della fiamma laminare SuTc T c teMpo della reazione chimica cscccsccsccecccsccnccsccecccsccscceccesccecceccesccecceccsccsccescs 81 Figura 3 9 Esempio di valori di velocit di combustione laminare di amido di mais in funzione della concentrazione della nube ricavati da prove sperimentali di Proust e Veyssiere 1988 82 Figura 3 10 Struttura semplificata di una fiamma premiscelata turbolenta piana In questo caso si pu parlare di un profilo medio della fiamma nel tempo simile ai peli di un pennello che oscillano velocemente e in questo modo possiamo parlare di una velocit turbolenta di combustione e uno spessore di fiamma turbolenta zona grigio Scuro
125. mensioni molto maggiori 1 6 4 DISPERSIBILIT DELLA POLVERE La dispersibilit di una polvere la tendenza di uno strato di polvere a formare una nube La dispersibilita degli strati di polvere una propriet di rilievo in relazione al pericolo di esplosioni secondarie Essa viene studiata in laboratorio misurando due valori valore minimo di dispersione lift off treshold cio la velocit del flusso d aria capace di trascinare lo strato di polvere nel flusso e la velocit di sedimentazione settling velocity cio la rapidit con cui la polvere tende a formare strati su superfici orizzontali La formazione di una nube di polvere ed aria da uno deposito di polvere implica di considerare due tipologie di forze ben distinte che agiscono le forze all interno dello strato di polvere che giace sulla superficie e le forze che un eventuale flusso deve possedere per vincere queste forze e trascinare lo strato nella nube R Eckhoff ha definito la dispersibilit come l inverso della quantit minima di lavoro necessario a spezzare i legami che agiscono all interno dell unit di massa di polvere depositata kg J 37 La distribuzione delle dimensioni delle particelle dello strato di polvere hanno una grande influenza sul lavoro richiesto per vincere i legami Per esempio le polveri che consistono di piccole particelle sono comprimibili il motivo che le forze di coesione sono pi forti della forza di gravit tra le particelle e q
126. metro MIE controllo delle lavorazioni a caldo attraverso il parametro MIT Dall altra parte vengono utilizzati alcuni parametri che descrivono la gravit dell esplosione la rapidit variazione di pressione nell unit di tempo denominato MRPR e la violenza dell esplosione massima pressione raggiunta durante l esplosione velocit della fiamma In questo caso la via che porta al rischio residuo accettabile costituita dalle misure di protezione che possibile utilizzare Per affrontare il pericolo di esplosioni di polveri cerchiamo di comprendere la complessit del fenomeno considerando gli aspetti chimici termodinamica studia il calore prodotto durante la reazione di combustione la cinetica invece studia la velocit con cui esso prodotto e quelli ingegneristici coinvolti nel fenomeno in esame o nel processo industriale Figura 1 1 Il loro studio e la loro combinazione aiutano a comprendere il rischio ed il comportamento dell esplosione La lettura di questa figura parte dal centro la nube di polvere combustibile ed aria con le sue propret chimiche cinetica e termodinamica e Pattrezzatura ad esempio un silos oppure un impianto di macinazione o di essiccazione o un sistema di trasporto con le sue caratteristiche ingegneristiche sono i protagonisti del fenomeno preso in considerazione Se ci muoviamo leggendo il grafico verso l alto scopriamo le grandezze chimiche ed ingegneristiche che contribuiscono a determina
127. mpio l amido di mais bruciando libera circa 470 kJ per mole di ossigeno consumata invece il calcio libera 1270 kJ per mole di ossigeno consumata Le polveri sono classificate in classi di pericolosit in base all indice di esplosivit vedi Paragrafo 1 5 La dinamica di un esplosione ad un livello divulgativo pu essere descritta brevemente come una rapida combustione delle particelle di polvere combustibile disperse in aria in un ambiente con un certo grado di confinamento la quale genera come prodotti i gas caldi che si trovano a temperatura elevata I gas caldi vorrebbero espandersi per seguire la legge dei gas perfetti ma se vi un grado di confinamento del volume in cui avviene il fenomeno si ha un innalzamento della pressione generalmente variabile tra i 6 e i 10 bar che generalmente provoca il cedimento delle strutture circostanti e quindi lo scoppio e l esplosione c L amido un polisaccaride polimero costituito da catene di glucosio Gli amidi contenuti nei prodotti di origine agricola hanno strutture diverse ed hanno contenuti differenti dei due maggiori composti amilosio e amilopectina 19 Qundi possiamo definire l esplosione come un processo chimico esotermico che avviene in condizioni di regime transitorio e che quando avviene in un volume confinato origina un improvviso e significativo aumento di pressione 10 Nelle norme NFPA americane con il termine esplosione ci si riferis
128. n and Protection Springer Verlag Berlin Bjerketvedt D Bakke J R and Van Wingerden K C M 1996 Gas explosion Handbook Cardillo P 2002 Le esplosioni di gas vapori e polveri Cardillo P M N 1998 Le esplosioni di polveri nell industria alimentare Industria conserve 73 2 135 144 Cashdollar K 2000 Overview of dust explosibility characteristics Journal of Loss Prevention in the Process Industries 13 183 199 Cashdollar K H M 1987 Industrial Dust Explosions ASTM International Davletshina T A and Cherimisinoff N P Fire and explosion hazards handbook of industrial chemicals Westwood New Jersey USA Di Nenno P Drysdale D Beyler C Walton D Custer R Hall J and Watts J Explosions In S F P E Handbook of fire protection engineering N F P Association and S F P Engineers eds Drysdale D 1999 An introduction to fire dynamics Edinburgh Eckhoff R K 2003 Dust Explosions in the Process Industries Gulf Professional Publishing Elsevier Science Third Edition U S A Eckhoff R K 2005 Current status and expected future trends in dust explosion research Factory Mutual Research Corporation Dynamics of Dust Explosions Journal of Fire Technology Current Research Activities November 1988 Pagg 356 359 Grossel S S 1995 Fire and explosion hazard in powder handling and processing In Handbook of powder science Grossel S S and Zalosh R
129. ndard house Usually failure occurs at the mam connections 1 2 constuction allowme a whole panel to be blown m Concrete or cinder block wall panels 8 mor Shattenmeg of the wall 2 3 12 m thick not remforced Self framme steel panel building Collapse 34 Onl storage tanks Rupture 3A Loaded rail cars OChrertuming 7 Brick wall panel mech or 12 inch thick not Sheanns and flexure failures 7 8 remfereed 0 Mn1 RK1 RE ROIIIITTIIi FF Tabella 1 2 Condizioni del cedimento di elementi strutturali 21 Possiamo classificare la pericolosit delle polveri di origine agricola in base ad un indice che tiene conto della severit dell esplosione e della sensibilit all accensione Gravit dell esplosione Amido di grano Polvere mista Grave Farina di soia Grave Farina di grano Grave 22 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 1 3 CONDIZIONI PER UN ESPLOSIONE DI POLVERE Un esplosione di polvere combustibile avviene se si verificano contemporaneamente le seguenti cinque condizioni condizioni necessarie e sufficienti NFPA 61 2008 1 La polvere deve essere combustibile in pratica vuol dire che il materiale ha la capacit di bruciare in aria cio un solido capace di subire il processo d ossidazione e quindi la sua composizione chimica non presenta ossidi stabili 2 Le particelle di polvere devono essere dispe
130. ne opposta a quelli che ancora non hanno reagito L onda d urto si muove a velocit pressioni e temperature molto alte Immediatamente dietro vi una zona di reazione la pressione pu superare centinaia di migliaia di atmosfere e la temperatura i 3000 Siccome la combustione di una polvere organica naturale come si vedr pi avanti avviene in fase gassosa in prima approssimazione possiamo usare la formula dei gas perfetti per descrivere un esplosione n DV nRT RT M Dove p V T Variabili di stato pressione assoluta Volume del contenitore e Temperatura Costante universale dei gas perfetti Numero delle moli Peso molecolare del gas In prima approssimazione possiamo considerare la reazione di combustione una rapida Ze trasformazione adiabatica a volume costante senza variazione del numero di moli In queste ipotesi possiamo scrivere Dire ii Po do Dove PaT Condizioni iniziali della trasformazione adiabatica ed isocora p_ _ T Condizioni finali della trasformazione adiabatica ed isocora max b Questa formula pu servire per avere un ordine di grandezza della pressione massima raggiunta da un esplosione Questo valore sar pi esatto quanto pi la reazione rapida e quanto pi trascurabile la variazione del numero di moli durante l esplosione 25 1 4 PROVE DI LABORATORIO SULLE POLVERI Le polveri combustibili utilizzate nel processo produttivo che possono provocare un esplosione
131. necessitano maggiore cautela nell applicazione della formula sono quelli con valori di k lt 50 bar m s 126 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO O 50 100 150 200 250 300 350 kst bar m s Figura 4 9 Grafico a punti del rapporto Ay68 Avexp in funzione dell indice di esplosivit per i dati sperimentali riportati in Tabella 4 4 127 4 5 EFFETTO DEL INTENSITA DI TURBOLENZA SULLA PRESSIONE MASSIMA RAGGIUNTA IN UN ESPLOSIONE CON SUPERFICI DI SFOGO La conoscenza dell andamento della turbolenza nelle prove di laboratorio sulle esplosivit della polvere combustibile ha permesso di studiare l effetto della turbolenza su volumi in scala reale Infatti in questi esperimenti si suppone di conoscere la velocit quadratica media della velocit turbolenta dal valore del tempo di ritardo tra il momento della disperazione della polvere e l istante dell accensione Questa considerazione stata utilizzata per studiare influenza dell intensit della turbolenza sulla pressione massima generata durante l esplosione gt oO Oo N UJ x MAX PRESSURE IN VENTED EXPLOSION bar g a pr 0 2 4 6 B 10 12 14 AVERAGE RMS OF INSTANTANEOUS VELOCITY m s Figura 4 10 Correlazione sperimentale tra prep e u rms di prove di esplosioni di amido di mais in un volume di 64 m3 a pianta rettangolare protetto con superfici di sf
132. no necessarie due curve matematiche per seguire tutto l insieme dei valori SperiMentall ccssccsccseccscceccesccscceccesccsccesees 137 Figura 5 3 Grafico dell andamento della pressione in funzione del tempo all interno del reattore sferico di 24 EER RI II I SA IO 139 Figura 5 4 Propagazione dell esplosione nel reattore sferico Si vede il fronte di fiamma e la zona di COMDUSHONG rr 139 Figura 5 5 Il grafico esprime il confronto tra la velocit di fiamma calcolata asse ascisse con la formula 5 15 e quella misurata in laboratorio tabella 5 2 Come si pu vedere i punti sono addensati intorno alla bisettrice che un marker dell esattezza della formula ricavata ccsccecsccsccccscccceccscccceccecees 145 Figura 5 6 Il grafico esprime il confronto tra il valore quadratico meio della componente di velocit turbolenta misurata in laboratorio dal ricercatore Gieras et al 1996 e quella calcolata con la formula 5 15 Anche in questo caso i punti sono addensati intorno alla bisettrice fatto che un marker dell esattezza della formula ricavata 146 Figura 5 7 Confronto tra i valori di velocit di combustione calcolati con la formula 5 16 e quelli della letteratura di Tezok et al 1986 sull amido di mais Anche in questo caso i punti sono addensati intorno alla bisettrice fatto che un marker dell esattezza della formula ricavata ccccsssssssees 146 10 ESPLOSIONI DI POL
133. no poi esaminate le norme per il dimensionamento delle superfici di sfogo la NFPA 68 2007 Ed e la VDI 3673 2002 Ed L ampliamento dei risultati di prove di laboratorio ai fenomeni in scala reale costituisce grande importanza per lo scopo di questo studio Nel capitolo quinto sar ricavata la relazione empirica per il dimensionamento delle superfici di sfogo partendo dai dati riportati in letteratura tecnica I risultati ottenuti saranno poi confrontati con quelli ottenuti applicando i metodi delle norme NFPA e VDI I valori di turbolenza dei flussi presenti nelle attrezzature dei processi industriali che trattano polveri che la letteratura tecnica ha riscontrato in pratica costituiranno un riferimento per le validazione delle correlazioni empiriche trovate 16 CAPITOLO 1 IL PERICOLO DI ESPLOSIONE DELLE POLVERI ORGANICHE NATURALI 11 GENERALIT Il rischio di esplosione delle polveri di origine agricola insito nel processo lavorativo che le utilizza valutato tenendo conto di due fattori ben noti la probabilit che avvenga l esplosione e la gravit dei danni che essa potenzialmente potrebbe causare Nelle industrie in cui si utilizzano polveri combustibili la sensibilit dell esplosione una misura della probabilit con cui pu verificarsi l evento dannoso e suggerisce una via di prevenire esplosione non superando i limiti che delimitano le zone di pericolo controllo delle sorgenti d innesco attraverso il para
134. ns of limited ventilation flame 96 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA 58 39 PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO projection through an opening Combustion Explosion and Shock waves 39 1 1 10 Tamanini F 1990 Turbulence effects on dust explosion venting Journal of Loss Prevention in the Process Industries 9 1 52 60 Tamanini F 1998 The role of turbulence in dust explosions Journal of Loss Prevention in the Process Industries 11 1 1 10 Tennekes H and Lumley J L 1972 A first course in turbulence Oberlack M Khujadze G Gunther S Weller T Frewer M Peinke J and Barth S Year Progress in turbulence II iTi Conference in turbulence Springer Peters N 2000 Turbulent Combustion Pope S Turbulent flows Cambridge University Press Snegirev A Y Makhviladze G M Talalov V A and Shamshin A V 2003 Turbulent diffusion combustion under conditions of limited ventilation flame projection through an opening Combustion Explosion and Shock waves 39 1 1 10 Tamanini F 1990 Turbulence effects on dust explosion venting Journal of Loss Prevention in the Process Industries 9 1 52 60 Tamanini F 1998 The role of turbulence in dust explosions Journal of Loss Prevention in the Process Industries 11 1 1 10 Tennekes H and Lumley J L 1972 A first course in t
135. nte nello strato di polvere a Figura 1 19 Prova di laboratorio per misurare la MIT di uno strato di polvere Allorch sono noti tutti gli sopraccitati parametri possibile conoscere la severit dell esplosione di quella polvere MEC MEP MRPR Tipo polvere Note g m gt bar g bar s 1 alfalfa Erba medica 100 6 1 76 Amido di mais 40 10 0 656 30 390 Riso 50 7 3 187 50 440 Zucchero 15 7 6 345 30 330 Farina di frumento 50 7 6 256 50 380 Wheat flour Cereale 60 5 5 48 128 420 grain Tabella 1 11 Grandezze dell esplosivit di polveri di origine agricola Emergono la pericolosit dell amido di mais e la sensibilit dell accensione dello zucchero Fonte NFPA 68 2007 i E causa d innesco di un esplosione spesso trascurata o sottovalutata 49 Maximum Rate of Minimum Lower Maximum Pressure Ignition Temperature Ignition Explosive Pressure Rise Cloud Layer Energy Limit Type of Dust KPA MPa s C J 9 m3 Alfalfa meal 455 7 6 460 200 0 32 100 Cereal grass 360 3 5 550 220 0 80 200 Corn 655 4l 400 250 0 04 55 Corncob grit 760 21 450 240 0 045 45 Corn dextrin pure 725 48 400 370 0 04 40 Cornstarch commercial product 745 48 380 330 0 04 45 Cornstarch through 325 mesh 790 62 390 350 0 03 40 Flax shive 560 5 5 430 230 0 08 80 Grain dust winter wheat corn oats 790 38 430 230 0 03 55 Grass seed blue 165 1 4 490 180 0 26 290 Ri ce 640 18 440 220 0 05 50 Rice bran 4
136. nto di sollevamento I concetti ingegneristici pi avanzati sulla sicurezza sul lavoro sono 1 il Sistema continuo di miglioramento della sicurezza che ad esempio si realizza nel Sistema di gestione della sicurezza per le attivit soggette al controllo secondo Part 8 del D Lgs 334 1999 modificato dal D Lgs 238 2005 sui rischi d incidente rilevante 2 Inherent safety enunciata per la prima volta da T Kletz 1999 un approccio alla sicurezza di tipo proattivo cio consistente nel progettare un processo teso a minimizzare le fonti di pericolo Tabella 4 1 29 Principle Definition Intensification Reduction in the quantity of hazardous materials Substitution Use of safer materials Attenuation Running equipment at safer operating conditions such as room temperature and pressure and in liquid phase Limitation of effects Changing equipment design and operation for less severe effects such as unit segregation Simplification Avoidance of multi product or multi unit operations or congested pipe or unit settings Error tolerance More robust equipment processes that can bear upsets reactors able to withstand unwanted side reactions etc Avoid knock on effects Ample layout spacing fail safe shut down open construction Prevent incorrect Unique valve or piping systems to reduce human error assembly Clarrify equipment status Avoidance of complicated equipment and information overloading Ease of control Less h
137. o ad adottare provvedimenti dai punti di vista tecnico organizzativo formativo e informativo nonch sotto il profilo delle attrezzature di lavoro e dei dispositivi di protezione individuale Nell assolvere gli obblighi di prevenzione e protezione egli deve valutare i rischi specifici derivanti dalle atmosfere esplosive tenendo conto almeno di e probabilit e durata della presenza di atmosfere esplosive e probabilit della presenza dell attivazione e dell efficacia di sorgenti di innesco comprese le scariche elettrostatiche e caratteristiche dell impianto sostanze utilizzate processo e loro possibili interazioni e entit degli effetti prevedibili Ad integrazione del documento di valutazione dei rischi di cui all articolo 17 del D Lgs 9 aprile 2008 n 81 il datore di lavoro provvede a elaborare e a tenere aggiornato il documento sulla protezione contro le esplosioni che dovr precisare e che irischi di esplosione sono stati individuati e valutati e che saranno prese misure adeguate per raggiungere gli obiettivi del presente titolo e quali sono i luoghi che sono stati classificati nelle zone pericolose di cui all allegato XLIX e quali sono i luoghi in cui si applicano le prescrizioni minime di sicurezza di cui all allegato L 61 e che i luoghi e le attrezzature di lavoro compresi i dispositivi di allarme sono concepiti impiegati e mantenuti in efficienza tenendo nel debito conto la sicu
138. o propagarsi attraverso piccoli spazi fessure o fori di dimensioni dell ordine del millimetro o pi piccole Inoltre le particelle di polvere che riescono ad oltrepassare queste barriere si depositano e difficilmente possono formare una nuova nube esplosiva Anche la norma americana NFPA 499 sull installazione di attrezzature elettriche ove esiste il rischio di esplosione di polveri ribadisce il concetto che la separazione tra zone pericolose e non pericolose pu essere realizzata anche attraverso pareti divisorie leggere e porte lasciate chiuse m Il titolo Recommended Practice for the Classification of Combustible Dusts and of Hazardous Classified Locations for Electrical Installations in Chemical Process Areas 60 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 2 2 1 LA DIRETTIVA SOCIALE 99 92 CE La direttiva relativa alle prescrizioni minime per il miglioramento della tutela della sicurezza e della salute dei lavoratori che possono essere esposti al rischio di atmosfere esplosive definite come miscele con l aria a condizioni atmosferiche di sostanze infiammabili allo stato di gas vapori nebbie o polveri in cui dopo accensione la combustione si propaga all insieme della miscela incombusta Figura 2 2 Simbolo di zona in cui vi il pericolo di esplosione Il datore di lavoro obbligat
139. odici di calcolo con il computer Nel caso delle esplosioni di polveri combustibili possiamo definite un grado di turbolenza come il rapporto tra la massima velocit di crescita della pressione ottenuta in condizioni di turbolenza e il corrispondente valore ottenuto in assenza di turbolenza La turbolenza ha un effetto amplificatore dei fenomeni di trasporto di quantit di moto energia cinetica calore e di specie reattive dovuto al rimescolamento che si produce nei vortici presenti nel fronte di fiamma La velocit del trasporto diversi ordini di grandezza pi grande di quella dovuta alla diffusione molecolare fonte Tennekes H and Lumley J L A first course in turbulence 1972 T turb dii l 0 se per esempio Re 15000 Re mulecular k DE Re dove K diffisivit turbolenta LIRE ber igil i di Li i x n z F E i a er ee ot ba Fai rile 5 mrs E x i Pi n Mate ETAR FOG Tue Th ji H F ie Fi adi REL lu Fe PIE i UAE a Th um z j MAITE STARCH 6 MOISTURE Tham r IA r_r_rrrr r c5 l E x i Ta 15 inate cn hi a DUST CONCENTRATION g DUST CONCENTRATION gra Figura 3 12 Effetto della turbolenza sulla massima Figura 3 13 Effetto della turbolenza sulla pressione derivata della pressione in funzione della concentrazione massima in funzione della concentrazione della nube della nube com
140. of mines Washington Quintiere J G and Karlsson B 2000 Enclosure fire dynamics Silvestrini M Genova B Simonetti Studio degli effetti delle esplosioni di gas Ministero dell Interno Dipartimento dei Vigili del Fuoco Silvestrini M Genova B 2008 Direttive ATEX Flaccovio editore Silvestrini M Genova B 2008 Correlations for flame speed and explosion overpressure of dust clouds inside industrial enclosures Journal of Loss Prevention in the Process Industries Suna J a Dobashi R b Hirano T c a State Key Laboratory of Fire Science U o S a T o C Hefei Anhui 230026 PR China b Department of Chemical System Engineering S o E The University of Tokyo 7 3 1 Hongo Bunkyo ku Tokyo 113 8656 Japan and c Chiba Institute of Science S c C s C Japan 2006 Structure of flames propagating through aluminum particles cloud and combustion process of particles Journal of Loss Prevention in the Process Industries 19 6 769 773 Van Der Wel P G J 1993 Ignition and propagation of dust explosions Delft University of Technology Delft Van Wingerden K Pedersen G H and Wilkins B A Year Turbulent flame propagation in gas mixtures Hazard XII Institution of chemical engineers Great Britain Peters N 2000 Turbulent Combustion Snegirev A Y Makhviladze G M Talalov V A and Shamshin A V 2003 Turbulent diffusion combustion under conditio
141. ogo area 5 6 m2 La concentrazione della polvere di 250 gm3 La sorgente d accensione di tipo chimico ha energia di 5 J ed posto al centro del volume importante osservare l influenza dell intensit della turbolenza sulla pressione massima raggiunta nel contenitore L importanza di questi esperimenti risiede nella possibilit di collegare gli esperimenti sul venting in cui la turbolenza nota al rischio di esplosione della polvere contenuta nelle attrezzature industriali attraverso il livello di turbolenza misurato all interno di esse fonte Eckhoff R K Dust explosions in the process industries 3 ed Gulf Professional Publishing New York 2003 128 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 4 6 ESTENSIONE DEI RISULTATI DEGLI ESPERIMENTI I risultati degli esperimenti sull esplosivit e sul venting forniscono una quantit che relativa al problema sperimentato Prima di estendere questi risultati occorre una teoria per capire il comportamento del sistema reale ESPERIMENTO SULL ESPLOSIVIT MIE MEC MIT PMAX Figura 4 11 Occorre un collegamento rappresentato da una teoria fisica tra i risultati degli esperimenti e il loro utilizzo nei sistemi industriali Per esempio se consideriamo accensione della nube di polvere combustibile per mezzo di una scintilla di origine elettrica Sic
142. olume da proteggere Se invece le componenti di velocit dell aria tangenziale e assiale sono superiori a 20 m s Van T20 max v Uh e A E 110 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO Le superfici di sfogo delle costruzioni all interno delle quali c il pericolo di esplosione delle polveri si devono prevedere delle superfici di sfogo A NE z7 As Questo fattore nasce dalla constatazione che le formule per il dimensionamento forniscono valori che stimano in difetto le superfici di sfogo quando ci troviamo in presenza di valori di p ra amp 50 bar g fonte 6 Per questo la norma prevede un incremento del 70 dell area di sfogo La superficie A ottenuta va poi corretta tenendo conto di inerzia dei sistemi di chiusura caso in cui il volume occupato dalla polvere una frazione del volume totale del contenitore caso in cui la pressione iniziale gt 1 2 bar e infine se vi sia la presenza di condotti di sfogo Interessa sottolineare l importanza della correzione pet condizioni di alta turbolenza La formula fondamentale il dimensionamento delle superfici di sfogo stata sviluppata da sulla base dello studio di Ural 2005 partendo da dati di prove sperimentali Il valore di riferimento per l intensit di turbolenza quando utilizziamo questa formula fondamentale nell intervallo di 2 6 m s u
143. one della fiamma A come si pu vedere dalle formule seguenti vedi Figura 5 1 L A _ v Sut mur etcrcika TEEN unburnt mixture JIN XI WING SE instantaneoug cs i flame LIE TAR TER ire ee a velocity turbulent profile flame Figura 5 1 Struttura semplificata di una fiamma premiscelata turbolenta piana In questo caso si pu parlare di un 5 p p p q PROP profilo medio della fiamma nel tempo simile ai peli di un pennello che oscillano velocemente e in questo modo possiamo parlare di una velocit turbolenta di combustione e uno spessore di fiamma turbolenta 135 Applicando la legge di conservazione della massa si trova il rapporto tra la velocit di combustione in regime turbolento e velocit di combustione in regime laminare S T A Mi RA Sig RA ZE S A uL T Ipotizzando che S S u ys otteniamo Hr S Urus zje A Sur Sut E quindi Sr Sams S S ur ur Al limite quando u gt S questa uguaglianza diventa f Ae SU uT RMS E vuol dire che la velocit di combustione si svincola dai fenomeni chimici e dipende soltanto dal regime di moto del flusso ipotesi di Damkohler Questo semplice modello stato sostituito da una formula generalizzata Costante che misura la reattivit alla turbolenza della velocit di combustione turbolenta all intensit della turbolenza Esponente di curvatura della fiamma Per i gas i val
144. one massima di esplosione e della velocit massima UNI EN 13673 1 2004 di aumento della pressione di gas e vapori Parte 1 Determinazione della pressione massima di esplosione Determinazione della pressione massima di esplosione e della velocit massima UNI EN 13673 2 2006 di aumento della pressione di gas e vapori Parte 2 Determinazione della velocit massima di aumento della pressione di esplosione Atmosfere potenzialmente esplosive Prevenzione dell esplosione e protezione UNI EN 13821 2004 contro l esplosione Determinazione dell energia minima di accensione delle miscele polvere aria UNI EN 14034 1 2005 Determinazione delle caratteristiche di esplosione di nubi di polvere Parte 1 Determinazione della pressione massima di esplosione pmax di nubi di polvere Determinazione delle caratteristiche di esplosione di nubi di polvere Parte 2 UNI EN 14034 2 2006 Determinazione della velocit massima di aumento della pressione di esplosione dp dt ma di nubi di polvere UNI EN 14034 3 2006 Determinazione delle caratteristiche di esplosione di nubi di polvere Parte 3 Determinazione del limite inferiore di esplosione LEL di nubi di polvere Determinazione delle caratteristiche di esplosione di nubi di polvere Parte 4 UNI EN 14034 4 2005 Determinazione della concentrazione limite di ossigeno LOC di nubi di polvere Tabella 1 10 Norme tecniche UNI EN che definiscono gli standard di prova per la misure di esplosivit delle polveri com
145. one sia molto minore dell ordine del centimetro e trascurando il parametro turbolento della scala dei vortici perch ha importanza secondaria rispetto al parametro intensit di turbolenza u quando la nube di polvere combustibile organica naturale ed aria brucia all interno di un reattore sferico avente raggio r abbiamo visto che la sovrapressione segue un andamento indicato in figura p bara Pa bar 2 Porna l Figura 5 3 Grafico dell andamento della pressione in funzione del tempo all interno del reattore sferico di 201 Dalla fioura ricaviamo questa relazione trigonometrica dp Puax t tan t of MAX unburnt mixture prior to ignition By Tho Figura 5 4 Propagazione dell esplosione nel reattore sferico Si vede il fronte di fiamma e la zona di combustione 159 Se la fiamma parte dal centro della sfera Figura 5 4 essa raggiunger il bordo della sfera nel tempo t P max 2 dt MAX Quindi Che una relazione di proporzionalit tra la velocit di fiamma e le caratteristiche geometriche del contenitore e le caratteristiche della polvere combustibile uc 1 Poich k Ea yA gt siha dt max Gar k a S 5 6 P iak Poich la relazione tra velocit di combustione e velocit di fiamma S S E 5 7 Dove E il coefficiente di espansione dei prodotti della combustione Questa relazione si pu ritenere valida in queste ipotesi e front
146. onto tra gli intervalli della minima energia di accensione delle polveri e quella dei gas in aria Invece sulla destra sono riportati i tipi di accensione di origine elettrica con indicati gli intervalli di energia di ciascun tipo Le parti tratteggiate indicano la variabilit del limite massimo e minimo 46 Figura 1 17 Effetto del diametro medio delle particelle di polvere sulla minima energia di accensione MIE di una comune polvere di origine agricola Eckhoff 2003 ccsccssccsscccsccesccesccesccscccsccesccesccesccesscesceecs 47 Figura 1 18 Prova di laboratorio per misurare la MIT di una nube di polvere combustibile 48 Figura 1 19 Prova di laboratorio per misurare la MIT di uno strato di polvere sccscceccesccscceccesccscceees 49 Figura 1 20 Intervallo di esplosivita in aria a temperatura ambiente e pressione atmosferica dell amido di mais con indicazione dei limiti adottati nell igiene industriale e con la densit degli strati di polvere che si possono formare cicci alari ie 53 Figura 2 1 Diagramma di confronto che evidenzia la complementariet delle due Direttive ATEX Grundfost apiliilli iii 58 Figura 2 2 Simbolo di zona in cui vi il pericolo di CSPIOSIONC csccesccecccscccsccnsccnsccesccesccescceccceccesccesces 61 Figura 2 3 Schema che chiarisce la pericolosit delle aree con pericolo di esplosione Copyright MIX SRL AIDS 65 Figura 2 4
147. ori pi utilizzati di quese due costanti sono 1 C lt 4 0 5 lt n lt 1 Noi supporremo C 0 14 136 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO n fr I 7 lar Figura 5 2 Interpolazione e confronto tra i dati sperimentali della combustione di amido di mais disperso in aria con la formula generalizzata della combustione turbolenta Sono necessarie due curve matematiche per seguire tutto l insieme dei valori sperimentali Per la nostra applicazione utilizzeremo una relazione di proporzionalit lineare della velocit di combustione turbolenta 5 Nella tabella seguente sono riportati gli studi dei ricercatori che hanno studiato i limiti di validit di questa relazione lineare Valore limite di Attrezzatura di Ricercatori anno caldi prova proporzionalit di u Amido di mais Tezok et al 1986 7 ms 300 e 700 g m gt Amido di mais Contennitori di Pu Jarosinski 1989 Na volume variabile da Pu Jarosinski 1990 9 a 9501 Tipo di polvere Licopodio Sfera 20 1 con anello Van der Wel 1993 perforato di Amido di patate i dispersione Carbne attivato Licopodio Contenitore sferico Gieras et al 1996 di 1 25 m3 Polvere di grano Amido di mais Amido di niacina Contenitore 20 Skjold 2003 Valore nel punto di flesso cubico della curva pressione Licopodio tempo dell esplosione RDX Contenitore
148. ossiamo mettere risalto i punti di forza cio i casi in cui la norma rispecchia i dati misurati e i limiti A questo scopo sono stati raccolti sei gruppi di dati sperimentali riportati nella tabella sottostante Dati sper Volumi m Ow Ks bar m s Fonte 18 5 1 6 144 630 Lunn et al 1988a Vent Duct data not included in Set 1 oe 40 Lunn et al 1988b i a 4 250 1 a 25 cai 322 Formule per le correlazioni della NFPA68 2002 4 10 500 1 6 25 115 235 Zalosh 2008 20 236 236 66235 6 25 100 240 240 Zalosh 2008 li ali 2 4 60 i a i 412 Lunn 1999a Tamanini 1996 i 18 5 20 19 94 71 528 Holbrow et al 2000 Tabella 4 4 Dati sperimentali su esplosioni con superfici di sfogo per il confronto con i dati forniti dalla norma NFPA 68 Il grafico della Figura 4 8 ci mostra il confronto tra i valori delle superfici di sfogo calcolati As con le formule della NFPA68 2007 e i valori delle superfici di sfogo usate nelle prove sperimentali A ap in funzione della pressione di resistenza del contenitore P a Esso riporta i v exp dati ottenuti dai sei insiemi La retta of 1 separa due zone vexp v68 lt 1 gt sono i casi in cui le superfici di sfogo calcolate per ottenere il valore vexp di p_red misurato nella prova sono minori di quelle che invece sono necessarie in pratica per quel valore di Peq i gt 1 gt sono i casi in cui le superfici di sfogo calcolate per ottenere il valore vexp
149. otenzialmente esplosiva ma utili o indispensabili per il funzionamento sicuro degli apparecchi o sistemi di protezione relativamente ai rischi di esplosione Figura 2 4 Simbolo di attrezzatura destinata all utilizzo in luoghi con il pericolo d esplosione Un atmosfera suscettibile di trasformarsi in atmosfera esplosiva a causa delle condizioni locali e o operative viene chiamata atmosfera potenzialmente esplosiva Le condizioni atmosferiche di riferimento sono quelle per le quali la concentrazione di ossigeno nell atmosfera approssimativamente del 21 e che includono variazioni di pressione e temperatura al di sopra ed al di sotto dei livelli di riferimento di 101 3 kPa e 20 C condizioni atmosferiche normali purch tali variazioni abbiano un effetto trascurabile sulle propriet esplosive delle sostanze Le condizioni atmosferiche previste come base per le prove di conformit alle norme tecniche EN 50014 EN 13463 1 indicano una gamma di variazioni di temperatura da 20 C a 40 C ed una gamma di variazioni di pressione da 0 8 bar a 1 1 bar Dal 1 luglio 2003 tutti i prodotti immessi sul mercato o messi in servizio devono essere conformi alla direttiva 94 9 CE La direttiva 94 9 CE si applica a tutti i prodotti immessi sul mercato dell UE fabbricati sia all interno che al di fuori della Comunit Le definizioni dei prodotti compresi nella direttiva sono le seguenti e Apparecchi art 1 paragrafo 3 a Si
150. per la maggior parte delle applicazioni pratiche sufficiente porre 119 114 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO Per ricavare la pressione residua massima di progetto si fa riferimento alle caratteristiche meccaniche del metallo utilizzato per costruire l attrezzatura Per esempio le tensioni per diverse pressioni statiche applicate ad un tipico silo da prodotti fitofarmaci con spessore della parete pari a 3 mm 1 Il valore di Opay viene confrontato con il valore di 250 MPa pari allo snervamento per un acciaio austenitico maggiorato del 10 secondo la VDI 2263 Part 3 Pi basso il valore di p maggiore sar la lunghezza della fiamma che fuoriesce dal venting in caso d esplosione Quest ultima valutabile come ordine di grandezza usando un equazione empirica Lpy 8 V valida per polveri di classe St2 Le condotte di scarico per il convogliamento dei prodotti dell esplosione in un area sicura possono essere efficaci tuttavia la loro presenza influisce sul dimensionamento delle superfici di sfogo aree maggiori in quanto la lunghezza del condotto di scarico innalza la pressione ridotta all interno del recipiente 115 Le ipotesi di validit del metodo per il dimensionamento gli sfoghi di compartimenti sono 1 0 002bar p lt 0 1bar costruzione a bassa resistenza red MAX 2 P stat S 0
151. persioni Ultramicroscopio Microscopio ottico s e dee Microscopio elettronico gt Setacci if Centrifuga Elutriatore Metodi i di misura Ultracentrifuga Sedimentazione pi usati folli OI hi TAI iii Scattering della luce Visibile a occhio nudo lt ________________ poooononone gt lt susiosnenee e e ee eee e eus s Contatori di nuclei Strumenti d officin alibri i x nti d officina calibri ecc lt gt lt trotto 908 Analizzatori elettrostatici rl Precipitatore termico iit aiao fieis gt Figura 1 9 Dimensioni caratteristiche diametri equivalenti delle polveri in confronto con quelle di altre particelle con indicazione dei metodi di misura I valori limite per le polveri sono 10 6 104 m Fonte Dizionario d Ingegneria a cura di F Perrucca UTET 1968 Le norme NFPA definiscono polveri agricole tutti i materiali agricoli solidi finimenti divisi aventi un diametro di 420 micron o minore misurato con un setaccio di prova U S no 40 Infatti le polveri con dimensione superiore presentano una tendenza all esplosione molto bassa 33 Nella norma tecnica CEI EN 50281 3 utilizzata per classificare le aree con il pericolo di esplosione delle polveri in applicazione alle Direttive ATEX la definizione di polvere pi operativa le polveri sono piccole particelle solide nell atmosfera comprendente anche fibre e re
152. piati Tipiche velocit dell onda di detonazione sono 1500 2000 m s ele pressioni di picco sono di 15 20 bar Figura 1 4 La modalit con cui la fiamma si propaga inizialmente dal punto di innesco con una bassa velocit dipende anche dalla geometria del volume infatti in un volume sferico con un fattore di forma A 1 la fiamma non accelera e la pressione crescer lentamente Nei contenitori pi grandi l incremento di pressione pu avvenire anche in 10 s Wh a 1 Invece nei contenitori che hanno un elevata rapporto di forma Ly gt gt 1 come per esempio i condotti per il trasporto delle polveri si pu arrivare a velocit della zona di combustione fino a 2000 m s e la 3 i i A pressione puo ragetungere 20 atmosfere in meno di 0 1 s PK 200 Ji e Il simbolo g indica il termine anglosassone gauge e sta ad indicare che il valore della pressione relativo alla pressione dell ambiente circostante cio una sovrapressione 24 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO chemical detonation undetonated reaction zone front explosive detonation shock products zone Figura 1 4 Schema di detonazione di una miscela esplosiva in una detonazione i prodotti della combustione si muovono verso i prodotti che non hanno ancora reagito Invece una deflagrazione i prodotti della combustione si muovono in direzio
153. raggiunge poi un valore limite infatti vi una dimensione delle particelle al di sotto della quale la velocit di combustione cessa ad aumentare Per esempio per i materiali organici per 1 quali la combustione vera e propria preceduta dalla pirolisi o devolatizzazione questa dimensione critica dipende dal rapporto tra le costanti di tempo di questi tre processi a catena devolatizzazione miscelazione in fase gassosa e combustione in fase gassosa Per i composti naturali organici questa dimensione all incirca pari a 10 Um 36 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 1 6 3 AGGLOMERAZIONE Un altro fattore che condiziona Pesplosivit della nube di polvere il grado di dispersione e di agglomerazione della nube Infatti l agglomerazione interviene su un parametro che influenza la violenza dell esplosione e cio l area superficiale delle particelle di polvere esposta all ossigeno PRIMARY PARTICLE AGGLOMERATE BEHAVING di Si Fpa AS ONE SINGLE aS A Sp LARGE PARTICLE DO ry ci O PAPAL tai gt 0 6 0 O w Pa PERFECT DISPERSION POOR DISPERSION EFFECTIVE SPECIFIC EFFECTIVE SPECK SURFACE AREA LARGE SURFACE AREA SMALI Figura 1 12 Rappresentazione di una nube dispersa in modo ideale di una con agglomerazione delle particelle di polvere Gli agglomerati di polvere si comportano come una particella di di
154. rantito anche 1 im Dl livello di sicurezza garantito nel funzionamento normale Caratteristica di Devono essere progettati e fabbricati in modo che le sorgenti di mnesco neanche m caso di anomalie eccezionali dell apparecchio Devono essere progettati e fabbricati in modo da evitare le sorgenti di mmesco anche m caso di anomalie nceorenti o di difett di funzionamento degli occorre abitualmente tener conto Fresenza di atmosfera esplosiva e la successiva Tabella 2 1 Caratteristiche degli apparecchi appartenenti al Gruppo II 70 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO La Commissione Elettrotecnica Internazionale IEC ha sviluppato un schema di certificazione per le attrezzature destinate all uso in atmosfere esplosive denominato IECEx Certified Equipment Scheme Il sistema di marchiatura IECEx ha validit di marchio di conformit per le norme tecniche internazionali sulle atmosfere esplosive Name IECEx certificate N manufacturer adress Electrical parameters ECEX INE06 0333X A B S L London street BIRMINGHAM UK Type AB01 sensor U 230V ac Exd mb IIB T4 2A EX tD A21 IP65 T135 C Tamb 20 C 50 C N12481 2006 Type of equipment Gaz marking Dust marking ATEX notified body Serial N Year of production ATEX marking ATEX certif
155. re la sensibilit dell esplosione se invece ci muoviamo verso il gt La sensibilit dell esplosione indica la facilit con cui una nube di aria e polvere combustibile pu accendersi Come vedremo pi avanti essa legata a delle grandezze come la minima energia di accensione MIE e la minima temperatura di accensione MIT basso incontriamo le grandezze che determinano la violenza dell esplosione In particolare si sottolinea l importanza della componente della velocit di combustione turbolenta nel produrre gli effetti dannosi che sar approfondita nel CAPITOLO 3 i SENSIBILITA D ESPLOSIONE MIE MIT g CALORE PRODOTTO CALORE TRASMESSO NELL UNIT DI TEMPO NELL UNIT DI TEMPO l PROPRIET PORTATA CINETICHE E DIMENSIONI TERMODINAMICHE GEOMETRIA IMPIANTO ATTREZZATURA PROPRIET TERMODINAMICHE PROPRIETA CINETICHE E TERMODINAMICHE f VELOCIT DI COMBUSTIONE GRADO DI DIMENSIONI LAMINARE TURBOLENZA GEOMETRIA p VELOCIT DI COMBUSTIONE TURBOLENTA PORTATA DIMENSIONI GEOMETRIA O I lt e gt VIASANDAONI AUMENTO DI PRESSIONE PRESSIONE STATICA NELL UNITA DI TEMPO PRESSIONE DINAMICA GRAVITA DELL ESPLOSIONE Figura 1 1 La combinazione degli aspetti chimici e ingegneristici nell utilizzo indust
156. re sfogo ai gas e alla pressione generata dalla deflagrazione Il controllo del rispetto delle prescrizioni spetta al Organizzazione per la sicurezza e la salute sul lavoro del Dipartimento del Lavoro e alle autorita locali aventi giurisdizione nei singoli Stati Un altra novit di questa nuova norma tecnica l introduzione della possibilit di progettazione degli sfoghi basata su criteri ingegneristici sviluppati in base al risultato che si vuol ottenere performance based design Inoltre le correlazioni sperimentali utilizzate nella norma sono state riviste alla luce di dati sperimentali aggiuntivi E stato anche introdotto un nuovo capitolo destinato alla manutenzione dei dispositivi di sfogo L indice di esplosivit utilizzato nele formule seguenti deve essere determinato attraverso la prova condotta secondo ASTM E 1226 Standard Test Method for Pressure and Rate of Pressure Rise for Combustible Dusts oppure con la ISO 6184 1 1985 Explosion protection systems Part 1 Determination of explosion indices of combustible dusts in air La massima pressione sviluppabile all interno del contenitore protetto con le superfici di sfogo non dovr eccedere la resistenza meccanica delle strutture tenuto conto del fattore di carico dinamico DLF p S si of pe Dove DLF rapporto tra la freccia massima in condizioni dinamiche carico S periodico variabile nel tempo e la freccia statica e serve a tener
157. ressione ridotta bat p Pressione di attivazione del sistemi di chiusurao dello sfogo bar stat V Volume da proteggere m Occorre sottolineare che queste formule devono essere affiancate da altri valori numerici reperiti dalla bibliografia tecnica o ottenuti da prove sperimentali quando 1 In condizioni di livelli di turbolenza modesti e quando la concentrazione della nube di polvere combustibile e aria non omogenea o quando la concentrazione di polvere combustibile all interno del contenitore non supera mai dei limiti molto bassi l applicazione delle formule produce dei valori approssimati per eccesso Quindi l area di sfogo pu essere ridotta 2 In condizioni di livelli di turbolenza molto elevati oppure quando c il pericolo che la turbolenza possa essere indotta dagli ostacoli presenti le formule forniscono un valore approssimato per difetto In questo caso occorre aumentare l area di sfogo Protezione di compartimenti mediante superfici di sfogo L evoluzione dell esplosione all interno di un compartimento influenza da dare diversi parametri come per esempio la forma geometrica del compartimento la presenza di impianti di processo la possibilit della propagazione da un compartimento all altro e soprattutto la possibile presenza di polvere combustibile depositata su superfici piane travi o tubature presenti all interno del compartimento stesso Le aperture di sfogo devono essere distribuite
158. rezza che sono stati adottati gli accorgimenti per l impiego sicuro di attrezzature di lavoro Il datore di lavoro deve ripartire in zone le aree in cui possono formarsi atmosfere esplosive L allegato XLIX definisce sei diverse zone pericolose in funzione dello stato fisico della sostanza gas vapore nebbia o polvere della frequenza e durata della presenza di atmosfera esplosiva I fabbricanti di prodotti destinati a essere utilizzati in atmosfere esplosive devono fornire tutti i particolari relativi ai gruppi e alle categorie per decidere in quali zone potranno essere utilizzati i loro prodotti anche se non potranno prevedere quali zone esisteranno La classificazione delle aree pericolose in zone compete all utente le cui sedi ed attivit lavorative contengono o danno luogo a tali pericoli Si deve comunque tener presente che tra le informazioni per l uso che i Fabbricanti sono obbligati a fornire figura anche l indicazione laddove necessario delle aree pericolose situate in prossimit dei dispositivi di scarico della pressione RES 1 0 6 dell Allegato II Direttiva 94 9 CE In definitiva la sicurezza dal rischio di esplosione pu essere raggiunta unicamente con il contributo ed il reciproco scambio informativo sia del fabbricante che dell utilizzatore Per la determinazione del tipo di zona della sua estensione e dei suoi dati caratteristici dove sono O possono essere presenti polveri combustibili si appl
159. riale delle polveri aiuta a comprendere il rischio ed il comportamento dell esplosione Adattato da Explosion risk approach University of Technology of Delft 18 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 1 2 PERICOLOSIT DI UN ESPLOSIONE DI POLVERE Per avere ur idea della pericolosit delle esplosioni di polvere possiamo fare il confronto tra le sovrapressioni generate dalle esplosioni di gas e quelle delle polveri combustibili per esempio una miscela stechiometrica aria metano sviluppa una sovrapressione di valore prossimo agli 8 bar g mentre alcune polveri di amido di mais raggiungono perfino i 10 bar g Inoltre una parete di una costruzione di spessore 20 cm ed alta 2 m realizzata in muratura con mattoni o con blocchi in cemento armato non resiste ad una differenza di pressione tra le due facce maggiore o uguale a 0 03 bar Le grandezze utilizzate per individuare la gravit di un esplosione di polvere sono 1 Paas Massima sovrapressione di esplosione MEP bar g 1 i dp Massima velocit di crescita della pressione a MRPR 2 dt Sax 3 Calore prodotto per mole di o consumata Il calore prodotto durante la combustione di un materiale un parametro importante per capire il pericolo durante un esplosione eventuale e lo ancor pi se consideriamo la quantit di ossigeno consumata durante la reazione Per ese
160. ropa la prova di laboratorio segue la norma tecnica EN 50281 2 1 1999 La minima temperatura l accensione di una nube di polvere determinata nel forno BAM superficie calda orizzontale oppure nel forno di Godbert Greenwald superficie calda verticale In tutti e due gli apparati la polvere viene soffiata in un tubo contenente una superficie piana riscaldata La temperatura di tale piastra abbassata a salti di 10 gradi e per ogni temperatura vengono eseguite varie prove con concentrazioni diverse Questo procedimento viene ripetuto fin tanto che non avviene alcuna esplosione a qualsiasi concentrazione La minima temperatura di accensione il pi basso valore di temperatura che provoca l accensione della polvere Figura 1 18 Prova di laboratorio per misurare la MIT di una nube di polvere combustibile Per quanto riguarda la minima temperatura di accensione di uno strato di polvere si procede in modo analogo ponendo la polvere su una piastra riscaldata o nel forno Bam La temperatura determinata quando si nota la fiamma sullo strato di polvere o quando una termocoppia posta 48 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO all interno del campione di polvere misura una temperatura di solito 50 C rispetto alla termocoppia a contatto con la superficie calda In questa prova si pu anche studiare il fenomeno della combustione cova
161. rova Dopo aver raggiunto il massimo poco prima della fine della dispersione dell nube nel contenitore la turbolenza diminuisce e la polvere combustibile tende a sedimentare L intensit di turbolenza rappresentata dal valore quadratico medio della velocit turbolenta ccssccssccesccesccecccsccesccesccesccesccescceccesccesces 93 Figura 3 21 Risultati di esperimenti di combustione turbolenta di polvere di Al e polvere di carbone in un contenitore chiuso da 1 m Bartknecht 1971 sinanrlieleulla balli 94 Figura 4 1 Esempio di FTA applicata a dun deposito di cereali con impianto di sollevamento 99 Figura 4 2 Principio di funzionamento del venting la fuoriuscita dei gas caldi e dei prodotti della combustione e della polvere incombusta dall apertura consente di mantenere la pressione massima all interno del contenitore al di sotto del valore di progetto prep ssccccccsccsccecccsccsccecccscceccescessceccess 102 Figura 4 3 Influenza della velocit di combustione ottenute con un diverso grado di turbolenza e con una dispersione diversa sulla crescita della pressione cccsccssccssccsscccsccscccsccnsccesccesccecccsccsccesccesccescees 103 Figura 4 4 Rappresentazione schematica della protezione data dal venting con la linea tratteggiata rappresentato l andamento della pressione senza superficie di sfogo con la linea continua l andamento della pressione con protezione Lo sfogo
162. rse in aria devono cio formare una nube di polvere e devono avere una concentrazione pari o superiore al limite inferiore di esplosivit 3 La nube di polvere deve essere contenuta entro un volume confinato un attrezzatura p industriale o un volume confinato di un impianto industriale 4 Una sorgente di innesco efficace deve essere presente energia deve essere sufficiente d a portare le particelle di polvere alla temperatura di autoaccensione del materiale di cui esse sono composte 5 Deve essere presente un comburente solitamente ossigeno Si visto che la concentrazione minima di ossigeno che non alimenta l esplosione intorno al 7 Nella figura sottostante rappresentato il cosiddetto pentagono dell esplosione dove ogni lato rappresenta uno degli elementi suddetti Solo se tutti i lati sono presenti il pentagono si chiude ed avviene l esplosione Dispersione della polvere combustibile nuvola Grado di confinamento ESPLOSIONE DI POLVERE COMBUSTIBILE Comburente Polvere aria combustibile Innesco Figura 1 3 Pentagono dell esplosione estensione del triangolo del fuoco d Per un corpo solido la temperatura di autoaccensione definita come quella temperatura alla quale la sua superficie inizia a decomporsi pirolisi ed emette dei vapori infiammabili 2 L esplosione di una polvere combustibile organica caratterizzata da 1 R
163. rutturali in questo caso il venting utilizzato solo in piccoli volumi dato il costo economico di strutture resistenti ad elevate pressioni oppure quella di parti con bassa resistenza parti cedevoli Il deflusso dei gas caldi all esterno del involucro il fenomeno antagonista di quello dell espansione dei prodotti caldi della combustione In un venting ben dimensionato il bilancio tra questi due flussi deve essere dimensionato per non oltrepassare il livello stabilito p q Figura 4 4 105 A Unvented Strength red lt for small vent pot vessel Small ed vent for large vent Vent opening pressure Patat Pressure P Time Figura 4 5 Tipico andamento della sovrapressione durante un esplosione senza superfici di sfogo A e di una con superficie di sfogo ma inefficace B poich il limite di resistenza del contenitore strength of vessel viene oltrpassato la curva C rappresenta la pressure time history di un venting efficace Fonte John Barton Dust explosion prevention and protection a practical guide Per le attrezzature allungate tipo i silos si pu definire un coefficiente caratteristico dello sfogo dato dal rapporto tra la sezione trasversale massima dell attrezzatura e la superficie di sfogo dell attrezzatura stessa top vent vent 106 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONF
164. sidui volatili di filatura che si depositano per il loro peso ma che possono rimanere sospese per un certo periodo di tempo Le dimensioni della farina di cereali sono riportate nelle seguenti tabelle Solid density p Bulk density p Name elem elem Wheat flour 1 45 1 49 0 4 0 75 Rye flour 1 45 0 45 0 7 Corm flour 1 54 0 5 0 7 Corn starch 1 62 0 55 Polished rice 1 37 1 39 0 7 0 8 Source Modified from Ref 5 Tabella 1 6 Dimensioni caratteristiche di alcune polveri di cereali Kaletunc H and Breslauer K 2003 Characterization of flour and cereals Marcel Dekker New York Particle size range Particle size range um Use uum Use 1 150 Pan bread 0 150 Soups and gravies 1 150 Hearth bread 0 125 Crackers 1 150 Vanety bread 0 125 Cookies 1 150 Sof roll 0 125 Layer cakes 1 150 Sweet poods 20 60 Form cakes 1 150 Home baking 0 90 Biscuits Tabella 1 7 Dimensioni caratteristiche della farina di grano per i diversi usi Kaletunc H and Breslauer K 2003 Characterization of flour and cereals Marcel Dekker New York 34 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 1 6 2 AREA SUPERFICIALE SPECIFICA DI ESPOSIZIONE L area superficiale specifica un altro modo per descrivere il grado di suddivisione di un na IPA corpo solido ed espresso in area per unit di volume P oppure area per unit di peso ea m 8
165. sione e quindi risentono del flusso turbolento della nube ccccceccccccscccccccccccsccccccsccccccecsccccecsccccccsccccccsccccccscccsecs 88 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PERLA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO Figura 3 16 Tipico andamento delle grandezze caratteristiche della violenza dell esplosione in funzione della turbolenza La polvere licopodio con concentrazione 420 g m in un contenitore di prova di 1 2 I Gli intervalli di incertezza dei valori misurati sono pari a 1 bar sessssesessessscecsscecescecsececsececssceosee 90 Figura 3 17 Effetto della turbolenza su pMAx e MRPR per una miscela di metano ed aria Fonte NFPA68 Figura 3 18 Schema del fenomeno della transizione da deflagrazione a detonazione con la formazione di un accelerazione del fronte di fiamma e dell onda di pressione dovuta alla turbolenza fonte Silvestrini M and Genova B Correlations for flame speed and explosion overpressure of dust clouds inside industrial enclosures Journal of Loss Prevention in the Process Industries 2008 insirato da Biektvedtet al 1997 sa lla 92 Figura 3 19 Apparato sperimentale comunemente utilizzato per gli esperimenti sulla combustione turbolenta in recipienti chiusi Il volume V massimo sperimentato stato 250 Mm P3 gt gt Pr 93 Figura 3 20 Decadimento temporale della turbolanza all interno del contenitore di p
166. ssi da T Kletz 1999 100 Tabella 4 2 Quadro delle misure di prevenzione e di mitigazione dell esplosione ripreso ed ampliato da R Eckhoff 101 Tabella 4 3 Definizioni secondo NFPA68 2007 105 Tabella 4 4 Dati sperimentali su esplosioni con superfici di sfogo per il confronto con i dati forniti dalla norma NFPA 68 125 Tabella 5 1 Relazioni di proporzionalit tra la velocit di combustione turbolenta e l intensit di turbolenza valide fino al valore misurato 137 Tabella 5 2 Prove di laboratorio sull esplosivit eseguite su polveri organiche naturali reperite nella bibliografia 143 Tabella 5 3 Valori del coefficiente reattivit alla turbolenza che serve a legare la velocit di combustione turbolenta con il valore quadratico medio della componente turbolenta della velocit reperiti nella bibliografia 143 Tabella 5 4 Classificazione dei contenitori ai fini della protezione con supoerfici di sfogo 147 Tabella 5 5 Riepilogo delle formule utili per il calcolo dell intensit i turbolenza nei contenitori e nelle attrezzature 149 Tabella 5 6 Prova su silos V 9 4 n 151 Tabella 5 7 Prova su Silos da 20 m L intensit di turbolenza nel caso della dispersione con anello perforato stato derivato dal dato corrispondente della tabella 5 6 Infatti poich entrambi i silos hanno lo stesso diametro 1 6 m ma lunghezze differenti 5 m e 10 m rispettivamente avendo il silos di 12 m quattro file di anelli dispersori quello di 2
167. sssssessees 147 5 7 CORRELAZIONE PER IL DIMENSIONAMENTO DELLE SUPERFICI DI SFOGO 151 BIBLIOGRAFIA DISEZIONE uan cca 154 CONCLUSIONI 159 LISTA SIMBOLI E TERMINOLOGIA cu aiar 160 LISTA DELLE FIGURE Figura 1 1 La combinazione degli aspetti chimici e ingegneristici nell utilizzo industriale delle polveri aiuta a comprendere il rischio ed il comportamento dell esplosione Adattato da Explosion risk approach University of Technology of Dellt xiicn reni eni atipica 18 Figura 1 2 Illustrazione dell aumento della velocit di combustione di un pezzo di legno all aumentare del grado di suddivisione Eckhoff 2003 ssessessessesseosscoesseosecssosscessessesseosecsecseoesosssessesseseesseoseoseosesessesee 20 Figura 1 3 Pentagono dell esplosione estensione del triangolo del fuoco csscessccesccesccesccecccsccesccesces 23 Figura 1 4 Schema di detonazione di una miscela esplosiva in una detonazione i prodotti della combustione si muovono verso i prodotti che non hanno ancora reagito Invece una deflagrazione i prodotti della combustione si muovono in direzione opposta a quelli che ancora non hanno reagito L onda d urto si muove a velocit pressioni e temperature molto alte IMmediatamente dietro vi una zona di reazione la pressione pu superare centinaia di migliaia di atmosfere e la temperatura i 3000 Figura 1 5 Curva dell esplosione pressure time history di una nubi di am
168. stione laminare L spessore della fiamma laminare SurTc Tc tempo della reazione chimica SI FRONT VELOCITY m s LAMINAR FLAME N 100 200 300 400 500 DUST CONCENTRATION g m Figura 3 9 Esempio di valori di velocit di combustione laminare di amido di mais in funzione della concentrazione della nube ricavati da prove sperimentali di Proust e Veyssiere 1988 Nella Figura 3 10 abbiamo uno schema di fiamma turbolenta che si sta propagando da destra verso sinistra In questa figura la fiamma supposta ferma e c un flusso turbolento che ha un profilo di velocit caratterizzato da una velocit quadratica media v Detta A la superficie del fronte di fiamma istantaneo la portata in massa dei prodotti ancora incombusti indicati con l indice u unburnt m PAD A m SI i Indicando con m la portata superficiale definiamo la velocit di combustione T turbolenta 62 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO Are RI gi i a flame brush unburnt mixture JIM XI umg Y ae o a velocity turbulent profile flame Figura 3 10 Struttura semplificata di una fiamma premiscelata turbolenta piana In questo caso si pu parlare di un profilo medio della fiamma nel tempo simile ai peli di un pennello che oscillano velocemente e in questo modo possiamo parlare di una velocit turbolenta
169. t o termicamente Mantenere la concentrazione di Calore prodotto da urti Impianti di soppressione polvere fuori dall intervallo di meccanici scintille e hot spotsr automatica dell esplosione esplosivit Inertizzazione della nube di Scintille elettriche archi elettrici l i l Inertizzazione con gas inerte polvere per mezzo di N2 CO2 e cariche elettrostatiche Adeguata igiene industriale pulizia della polvere Protezione degli edifici distanze di sicurezza unit a rischio di esplosione nei piani alti o addirittura sul tetto Tabella 4 2 Quadro delle misure di prevenzione e di mitigazione dell esplosione ripreso ed ampliato da R Eckhoff P Letteralmente macchia calda una porzione della superficie di un corpo che si scalda in seguito ad un urto simbolo ripetuto o in conseguenza dell attrito con un altro corpo 101 4 2 GENERALIT SUI SISTEMI DI PROTEZIONE CON SUPERFICI DI SFOGO Il progetto di un attrezzatura o di una struttura in cui c probabilit che possa avvenire un esplosione di polvere deve tener conto anzitutto delle dimensioni e della resistenza del contenitore del tipo dimensione e forma delle particelle di polvere e della concentrazione del combustibile e del comburente in esso contenuti la pressione e la temperatura iniziali la turbolenza la presenza dell energia delle fonti di innesco e delle misure di sicurezza che si vuole adottare Inoltre il progetto deve consid
170. t al k O S S T T Pe bap LL LO 0 TI N a a Sistema di dispersione Anello per dispersione perforato Dispersione pneumatica in direzione assiale da tubazione dall alto del silo Tempo dell innesco VDI 3673 gt 0 85 s Innesco durante la fase di dispersione t 2 oa e P_red mbar g 1525 1550 Tabella 5 6 Prova su silos V 9 4 M i 151 Volume e Tipo Attrezzatura 20 m silo Eckhoff 1997 CI a OE s 0 U rms Polvere Amido di mais 1 5 dispersione tubazione dal alto del silo Innesco durante la fase di dispersione VDI 3673 gt 0 90 s sew C P PEPPI P i 6 25 6 25 4 1 25 600 00 2 10 6 25 4 1783 2 100 10 100 ka EL jar a LIE 2 1 3 1 15 i 2 Tabella 5 7 Prova su Silos da 20 m3 L intensit di turbolenza nel caso della dispersione con anello perforato stato derivato dal dato corrispondente della tabella 5 6 Infatti poich entrambi i silos hanno lo stesso diametro 1 6 m ma lunghezze differenti 5 m e 10 m rispettivamente avendo il silos di 12 m quattro file di anelli dispersori quello di 20 m3 ne avr 8 file per produrre lo stesso livello di turbolenza Invece poich quest ultimo ne ha soltanto 6 file e quindi possiamo supporre che la turbolenza possa essere valutata come 2 1 6 8 1 5 m s Bartknecht 1985 t 2 0 3 VI On on On Volume e Tipo 500 m silo Eckhoff 1997 Eckhoff amp Fuhre 1984 Attrezzatura eo a a i e A mm je OT
171. ta la velocit di crescita della pressione che rappresenta la violenza dell esplosione di una polvere combustibile generica in funzione della concentrazione con l indicazione dei limiti di esplosivit In basso invece riportato il comportamento della polvere combustibile rispetto alla minima energia di accensione rappresentata da una scintilla elettrica 40 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 1 6 8 COMPOSIZIONE CHIMICA La composizione chimica della polvere influenza sia la termodinamica che la cinetica chimica catalisi positiva o negativa della reazione di combustione Per esempio il Calcio produce circa 1300 kJ per mole di Ossigeno invece il Rame produce circa 300 kJ per mole di Ossigeno Questa differenza si ripercuote sulla pressione massima delle esplosioni Un altro esempio dell influenza della composizione chimica sull esplosione rappresentato dal diverso comportamento del PVC e del Polietilene il Cloro nella molecola del PVC blocca la crescita di pressione quando la dimensione media delle particelle superiore a 20 micron La catalisi negativa data da composti alogenati Cl FI Br e composti azotati Si fa ricorso ad essi quando si protegge dal pericolo delle esplosioni di polveri con i sistemi di soffocamento dell esplosione Durante la reazione chimica di combustione c la variazione di molo tra rea
172. tale pericolo il primo passo quello di conoscere i parametri caratteristici A questo scopo gli Enti normatori nazionali e internazionali hanno sviluppato delle procedure standard per eseguire le prove in modo da garantire la ripetitivit e l attendibilit del risultato Di seguito sono riportate le norme ISO e ASTM che definiscono le modalit delle due prove fondamentali che si eseguono sulle polveri combustibili per determinare la classe di pericolosit della polvere segue poi l elenco dettagliato delle norme UNI EN che definiscono le altre grandezze caratteristiche ISO 6184 1 1985 Explosion protection systems Part 1 Determination of explosion indices of combustible dusts in air Tabella 1 8 Norma tecnica ISO che definisce gli standard di prova per la misure di esplosivita delle polveri combustibili ASTM E1226 05 Standard Test Method for Pressure and Rate of Pressure Rise for Combustible Dusts Tabella 1 9 Norma tecnica dell American Society for Testing of Materials che definisce gli standard di prova per la misure di esplosivit delle polveri combustibili essa fornisce un metodo eper condurre prove di laboratorio finalizzati a valutare le grandezze caratteristiche sulle propriet di esplosivit delle polveri combustibili disperse in aria 42 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO Determinazione della pressi
173. ti della reazione di combustione Taa Tb K Temperatura adiabatica della fiamma z aa i n _ Tb k ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO m s Valore quadratico medio della cmon ren devia O O o ____V___ w_ _ Volumedelcontenitore STO Rapporto dei calori specifici a pressione e a volume costante dei reagenti 1 4 per l aria aria kg m3 Densit della nube di polvere ed aria SO prima della cazione d combustione E dopo la reazione di combustione prima di una reazione di combustione isocora dopo una reazione di combustione isocora forme NEPAGR OT et norma NFPA68 2007 i TN prove sperimentali TERMINOLOGIA TERMINI TECNICI ITALIANO INGLESE Contenitore dotato di resistenza alla pressione interna Protezione con superficie di sfogo Onda Perturbazione di pressione che si propaga in I ARE i Blast wave aria a seguito di un esplosione Onda di pressione che si propaga in aria a seguito di una P Por 8 SU Pressure wave deflagrazione Onda di pressione che si propaga in aria a seguito di una P p 8 pi Shock wave detonazione Ugello ad anello 201 Sphere 1 m Vessel Macinazione molatura di una sostanza lavorazione ae Grinding meccanica 161
174. udy of flame quenching distance in metal dust suspension In Proceedings of the 20th international colloquium on the dynamics of explosions and reactive systems McGill University Montreal Canada 17 Han O S Yashima M Matsuda T Matsui H Miyake A amp Ogawa 18 Harris R J 1983 The investigation and control of gas explosions in buildings and heating plants London New York E amp FN Spoon Ltd 19 Hauert F amp Vogl A 1995 Measurement of dust cloud characteristics in industrial plants Final technical report Protecting people equipment buildings and environment against dust explosions CREDIT Project 20 Hauert F Vogl A amp Radandt S 1996 Dust cloud characterization and its influence on the pressure time history in silos Process Safety Progress 15 178 184 21 Horton M D Goodson F P amp Smoot L D 1977 Characteristics of flat laminar coal dust flames Combustion and Flame 28 187 195 22 Kaesche Krischer B 1959 Untersuchungen an Vorgemischte Lami nairen Staub Luft Flammen Staub 19 200 203 23 Kolbe M 2001 Laminar burning velocity measurements of stabilized aluminium dust flames Thesis Department of Mechanical Engineering Concordia University Montreal Quebec Canada 24 Krause U amp Kasch T 2000 The influence of flow and turbulence on flame propagation through dust air mixtures Journal of Loss Prevention in the Process In
175. ui si pu muovere la fiama mentre percorre la distanza H i volumi occupati dal filtri sacchetti contenuti all interno devono essere trascurati o meno aseconda della disposizione di essi V eff 4 A P z Area effettiva A D ua Diametro idraulico effettivo dove p il perimetro della sezione trasversale del P contenitore Le grandezze sopra elencate servono a definire il seguente fattore geometrico del contenitore Le condizioni di applicabilit della formula generale sono le seguenti 1 Pressione iniziale all interno del volume precedente all accensione minore od uguale a 1 0 2 bar 2 5 bar lt pyax 12 bar 3 0 1 m lt V lt 10000 m 4 Poa lt 0 75 bar 5 Lf lt 6 La formula generale per il dimensionamento della superficie totale di sfogo 109 p 4 3 A 31 10 uia Ii ys Puax 1 dove P red A Area di sfogo richiesta m7 Dex Pressione di attivazione dei sistemi di chiusura di sfogo bar Dis Pressione massima di esplosione bar Pi Pressione ridotta all interno del volume bar V Volume da proteggere m k Indice di esplosivit della polvere bar m s t Se le componenti di velocit dell aria tangenziale e assiale sono inferiori a 20 m s il calcolo gt L xa dell area i sfogo se 7A gt Z red L 0 75 a za 1 0 6 2 exp 70 95 p D E ammesso l uso fino a L 8 a patto che l area calcolata non superi la sezione trasversale D del v
176. uindi si formano delle strutture di cumuli di particelle che fanno aumentare il compattamento Quindi le particelle con una dimensione molto piccola hanno una scarsa dispersibilita 1 6 5 CONTENUTO D UMIDIT L acqua contenuta nella polvere provoca due fenomeni che attenuano gli effetti dell esplosione 1 In caso di esplosione sottrae molto calore di vaporizzazione alla reazione di combustione 2 Favorisce la coesione tra le particelle di polvere e diminuisce quindi la superficie specifica m I esposta all aria diminuzione della superficie specifica e per umidit maggiore del 15 si ha una notevole diminuzione di MRPR Inoltre 1 Polveri con percentuale di umidit oltre il 15 hanno valori molto bassi della massima velocita di crescita della sovrapressione i dt MAX 2 l umidit fa aumentare la minima concentrazione di esplosivit 3 l umidit fa aumentare la minima energia e la minima temperatura d accensione 4 l umidit fa diminuire leggermente anche pyax Per i suoi effetti benefici il controllo dell umidit della polvere un parametro che pu essere utilizzato come misura di prevenzione O protezione dall esplosione 38 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 1 6 6 SORGENTI D ACCENSIONE Una sorgente di energia efficace quando in grado di accendere una nube d
177. uperfici calde Fiamme e gas caldi incluse le particelle calde Scintille di origine meccanica Materiale elettrico Correnti elettriche vaganti protezione contro la corrosione catodica Elettricit statica Fulmine Onde elettromagnetiche a radiofrequenza RF da 104 Hz a 3x1012 Hz Onde elettromagnetiche da 3x1011 Hz a 3x1015 Hz Radiazioni ionizzanti Ultrasuoni Compressione adiabatica e onde d urto Reazioni esotermiche inclusa l autoaccensione delle polveri La direttiva 94 9 CE prevede degli obblighi a carico della persona che immette i prodotti sul mercato e o li mette in servizio sia che si tratti del fabbricante del suo mandatario dell importatore o di qualsiasi altra persona responsabile La direttiva non regola l uso degli apparecchi utilizzati in atmosfera potenzialmente esplosiva Questi aspetti sono infatti regolamentati dalla direttiva 1999 92 CE relativa alle prescrizioni minime per il miglioramento della tutela della sicurezza e della salute dei lavoratori che possono essere esposti al rischio di atmosfere esplosive Nell ambito della direttiva gli apparecchi compresi i dispositivi e i componenti sono suddivisi in due gruppi 1 Gruppo I comprende gli apparecchi destinati a essere utilizzati nei lavori in sotterraneo nelle miniere e nei loro impianti di superficie esposti al rischio di sprigionamento di gris e o di polveri combustibili 68 ESPLOSIONI D
178. urbulence Van Wingerden K Pedersen G H and Wilkins B A Year Turbulent flame propagation in gas mixtures Hazard XII Institution of chemical engineers Great Britain Zalosh R 2007 New dust explosion venting design requirements for turbulent operating conditions Journal of Loss Prevention in the Process Industries 20 Issues 4 6 530 535 Zhen G and Leuckel W 1996 Determination of Dust Dispersion lnduced b Turbulence and its Influence on Dust Explosions Combustion Science and Technology 113 1 629 639 OF CAPITOLO 4 PROTEZIONE DI AMBIENTI CONFINATI E CONTENITORI CON SUPERFICI DI SFOGO 4 1 PREVENZIONE E PROTEZIONE DALLE ESPLOSIONI Un esplosione di polveri combustibili disperse in aria considerata un pericolo dannoso che vogliamo evitare causata da una catena di eventi La valutazione E la riduzione del rischio d esplosione di polveri possono essere condotte con la prospettiva di interrompere questa catena di eventi incidentali L analisi dell albero dei guasti Fult tree analysis FTA una metodologia che partendo dal top event che si vuole studiare giunge agli eventi elementari analisi up down L albero si risale verso il top event attraverso le combinazioni degli eventi elementari che devono accadere contemporaneamente porta logica AND oppure separatamente porta logica OR Nella figura sottostante rappresentato un esempio di FTA applicato ad un deposito di cere
179. valore di turbolenza stato misurato con un anemometro a filo riscaldato 94 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO BIBLIOGRAFIA DI SEZIONE 10 11 12 Amyotte P Chippett S and Pegg M 1988 Effects of turbulence on dust explosions PROGRESS IN ENERGY AND COMBUSTION SCIENCE 14 4 293 310 Bielert U S M 1999 Numerical simulation of dust explosions in pneumatic conveyors Shock waves 9 125 139 Bozier O and VeyssiA re B 2006 INFLUENCE OF SUSPENSION GENERATION ON DUST EXPLOSION PARAMETERS Combustion Science and Technology 178 10 1927 1955 Bradley D Lawes M Scott M J and Mushi E M J 1994 Afterburning in Spherical Premixed Turbulent Explosions Combustion and flames 99 581 590 Bradley D and Lee J H S Year Burning rates in turbulent fine dust air explosions First International Colloquium on the explosibility of industrial dusts 220 223 Bradshaw P 1997 Understanding and predistion of turbulent flow International Journal of heat and fluid flow 18 45 54 Cashdollar K 2000 Overview of dust explosibility characteristics Journal of Loss Prevention in the Process Industries 13 183 199 Dahoe A E 2000 Dust Explosions a Study of Flame Propagation Ph D Thesis Technische Universiteit Delft Delft Dahoe A E a b K H c a B S
180. vece quando invece la turbolenza del flusso a monte della fiamma aumenta grandi intensit di turbolenza e la misura media dei vortici diventa piccola i vortici hanno l effetto di far aumentae il fronte di fiamma e la velocit di propagazione 91 Quando in un condotto avviene una deflagrazione e se sorge della turbolenza nel fronte di fiamma pu generarsi un onda d urto che condusse ad una detonazione Deflagration to Detonation Transition DDT perch pu formarsi un meccanismo con un anello di feedback positivo The consequence is an increasing of Turbulence of Acceleration of the Expansion of flame front and unburnt mixture ja burnt gases ont combustion expansion induced i reactions Figura 3 18 Schema del fenomeno della transizione da deflagrazione a detonazione con la formazione di un accelerazione del fronte di fiamma e dell onda di pressione dovuta alla turbolenza fonte Silvestrini M and Genova B Correlations for flame speed and explosion overpressure of dust clouds inside industrial enclosures Journal of Loss Prevention in the Process Industries 2008 insirato da Bjektvedt et al 1997 92 ESPLOSIONI DI POLVERI ORGANICHE NATURALI SVILUPPO DI UNA FORMULA EMPIRICA PER LA PROTEZIONE DI VOLUMI CONFINATI CON SUPERFICI DI SFOGO 3 7 COMBUSTIONE TURBOLENTA DELLE POLVERI ORGANICHE NATURALI Lo studio della combustione turbolenta condotto utilizzando un apparato sperimentale il
181. za inferiore all unit l area di sfogo necessaria va maggiorata s Si suppone che il sistema di chiusura si comporti come se fosse un diaframma di massa infinitesima quindi con inerzia nulla Se si utilizzano sistemi di chiusura con efficienza inferiore all unit l area di sfogo necessaria va maggiorata 113 Si utilizzano le seguenti formule per il dimensionamento della superficie di sfogo richiesta A Au 1 C loa Dove Aso 3 264 10 P max Koi l P ped MAX anes 0 27 pee CA Donanma er C 4 305 1og p way 0 758 I simboli vogliono dire A Area totale degli sfoghi richiesta m A Area di sfogo di base m Pix Pressione massima di esplosione della polvere bar k Indice di esplosivit della polvere combustibile bar m s t Pocu Pressione ridotta bat P Pressione di attivazione del sistema di chiusura dello sfogo bar V Volume da proteggere m La norma fornisce anche la stima approssimativa della lunghezza della fiamma che fuoriesce dall apertura del venting ed avente direzione prevalente in quella di scarico 1 L dova Fiamma propagante in direzione verticale f 10 Fiamma propagante in direzione orizzontale Essa inoltre fornisce la pressione di esplosione indotta nell ambiente esterno al volume protetto 0 1 170 18 Pyax a 0 2 P red MAX A V bar La reazione dinamica sul volume protetto fornita da F KASAP R MAX kN red MAX dove si

esplosioni di polveri organiche naturali - Unitus DSpace

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