Forum 86558: Granulometria polveri

STUDIO DEL FENOMENO DELL'ESPLOSIONE DI POLVERI NELL'INDUSTRIA AGRO-ALIMENTARE

Premessa storica
Le esplosioni devastatrici che, di tempo in tempo, si verificano nei locali dove si trovano grandi quantità di polveri combustibili già da molto hanno attirato l'attenzione e, sia le cause sia i mezzi per evitarle, sono stati oggetto di importanti comunicazioni.
Non è un caso se, storicamente, l'industria carbonifera e quella molitoria dei cereali si trovano associate, in quanto ambedue producono rilevanti quantità di polveri combustibili.
Da più di 200 anni, si segnalano "scoppi di polveri". Un'esplosione di polveri di farina verificatasi in un deposito a Torino il 14 dic. del 1785, sarebbe il primo scoppio di polveri riconosciuto e segnalato. In questo periodo i mulini a vento utilizzati dalla metà del 14° secolo per la macinazione dei cereali furono a poco a poco sostituiti con i mulini a vapore nettamente più efficienti. Citiamo allo stesso modo le esplosioni che si produssero il 7 nov. del 1887 in Germania, nei Nuovi Mulini della Weser di Hameln, che causarono la morte di una trentina di persone e ne ferirono un gran numero.

La situazione attuale
In Francia le esplosioni di polveri industriali che causano danni estesi restano fenomeni eccezionali (Metz, marzo 1982, nei silos di stoccaggio di orzo e malto; e Boiry Ste-Rictrude nel 1982, nei silos di stoccaggio dello zucchero cristallizzato), ma esplosioni meno devastanti sono assai frequenti. Attualmente, si produrrebbe in Francia un'esplosione di polveri al giorno. La crescente industrializzazione e la meccanizzazione giocano senza dubbio un ruolo importante in questo fenomeno, ma per l'industria agro-alimentare le ragioni sono più specifiche: aumento delle capacità di stoccaggio, aumento del volume di manutenzione, estensione dell'automazione e, infine, aumento del numero di prodotti presentati sotto forma di polveri, a piccola granulometria.

Statistiche
La tabella 1 illustra, per 400 esplosioni registrate, i tipi di impianti colpiti nel settore dell'industria agro-alimentare e dei mangimi per il bestiame.

Tabella 1 - Tipi di installazioni interessate

Trasportatori (Elevatori) 26,7%
Silos 22,9%
Frantoi 18,1%
Spolveratura 9,5%
Essiccatoi 7,6%
Stacciatura 2,8%
Camera dei forni 1,9%
Altri 10,5%

Queste osservazioni sollevano due tipi di problemi:
- perché, come e con quali tipi di prodotto a base di polveri è possibile un'esplosione?
- Come qualificare i danni procurati da un prodotto?
Nell'industria agro-alimentare e dei mangimi per il bestiame, tutti i prodotti contengono carbone, idrogeno, azoto, zolfo, ossigeno, ecc. Essi sono dunque combustibili e, di conseguenza, in grado di provocare incendi ed esplosioni.

Meccanismi di esplosione delle polveri
E' stato necessario parecchio tempo per ammettere la possibilità di esplosioni di polveri in assenza di gas infiammabile. E' stato probabilmente Faraday che, per primo, nel 1845, in una comunicazione alla Royal Society, ha dimostrato che polveri di carbone possono provocare esplosioni in assenza, nel caso particolare, di grisou.
Nel caso delle polveri agro-alimentari, è stato più tardi riconosciuto che le polveri, da sole, erano capaci di provocare esplosioni. Vengono proposte tre spiegazioni:

1. Secondo alcuni le polveri di sostanze fermentabili, ad esempio la farina, producono vapori alcolici o "gas di palude" innescando così incendi improvvisi.
2. Per altri, l'esplosione sopravviene solo quando una parte delle polveri viene bruciata per produrre carbone, e quest'ultimo si combina con l'ossigeno dell'acqua sempre presente nelle polveri agro-alimentari per formare monossido di carbonio e idrogeno che può, quindi, esplodere con violenza.
3. Infine, una terza spiegazione più semplice presuppone che certi accumuli di polveri abbiano, in determinate condizioni, proprietà "detonanti".

Perché e come si determina un'esplosione
Perché sia possibile un'esplosione (trasformazione violenta di un sistema materiale con emissione di gas caldi), devono verificarsi tre condizioni:

- la presenza di un gas comburente, praticamente sempre l'ossigeno dell'aria;
- la presenza di un prodotto combustibile, a base di polveri, in condizioni sufficientemente frammentate (almeno una parte delle particelle di dimensioni inferiori a 0,3mm);
- la presenza di una fonte infiammante.

Questo famoso "triangolo di fuoco" evidenzia che l'esplosione non è che un caso particolare della combustione: è una combustione di una rapidità estrema.
Tuttavia, perché questa combustione possa essere qualificata come esplosione, sono necessarie tre condizioni complementari:

- la presenza di polveri in sospensione;
- un campo definito di concentrazione: campo di esplosività;
- un confinamento sufficiente, in caso contrario si ottiene un fenomeno di fiamma (combustione rapida con fiamma, ma senza effetto di pressione rilevante).

Per scatenare l'esplosione, la fonte d'accensione deve elevare, almeno localmente, la temperatura della nube di polvere affinché la reazione di ossidazione responsabile della combustione si produca ad una velocità sufficiente. La reazione può prodursi in fase eterogenea o omogenea.
La fonte infiammante può essere una scintilla creata per frizione, per elettricità statica o per mezzo di un materiale elettrico, una fiamma, una superficie riscaldata o particelle incandescenti, ma può anche prodursi l'autoaccensione di un deposito di polveri.
Volgendo l'interesse al meccanismo di propagazione dell'esplosione, varie osservazioni hanno mostrato che, in un dato istante, in una nube che sta infiammandosi, l'atmosfera a base di polveri è separata in due: la parte posteriore alla fiamma contiene gas e residui solidi già parzialmente bruciati, la parte anteriore, polveri incombuste. Se questo processo si verifica all'aria aperta, osserviamo semplicemente una bolla di fuoco (fiamma) con tutti i danni che ne conseguono.
Se si studia questo fenomeno in ambiente chiuso, si osserva la comparsa di una superpressione dovuta al fatto che i gas di combustione creano un spostamento d'aria che potrà sollevare le polveri presenti nel deposito. La fiamma che si estende all'indietro incendierà le polveri sollevate e questo fenomeno potrà riprodursi progressivamente fintanto che saranno presenti le polveri; le caratteristiche dell'esplosione dipendono dalla geometria del confinamento.
In un recipiente di forma poco allungata, l'espansione dei gas di combustione non può che precomprimere l'atmosfera polverosa davanti al fronte della fiamma; la velocità di fiamma è assai debole, qualche diecina di m/s al massimo, e la pressione massima raggiungerà da 7 a 10 bar.
Al contrario, in una condotta, l'espansione dei gas può portare a velocità di propagazione della fiamma molto elevate, dell'ordine di 1500 m/s, e a superpressioni di parecchie decine di bar.
La presenza di ostacoli modificherà sensibilmente la propagazione dell'esplosione.
Finora è stato affrontato solo il fenomeno dell'esplosione senza precisarne la natura. Ora un'esplosione può prodursi secondo due regimi: la deflagrazione o la detonazione. Solo misurazioni sulle caratteristiche dell'esplosione (pressione e fiamma) permettono di sapere se viene seguito l'uno o l'altro regime.
In mezzo confinato, nel regime di deflagrazione, che è il caso generale per le polveri, la fiamma si propaga ad una velocità subsonica ed è preceduta da uno spostamento d'aria dovuto all'espansione dei gas bruciati che si muovono alla velocità del suono nei gas di combustione. Tenuto conto del fatto che la fiamma si propaga in un mezzo già di per sé in movimento, la velocità apparente della fiamma (velocità di propagazione della fiamma in rapporto ad un punto di riferimento legato alle polveri + velocità di espansione dei gas bruciati) può essere compresa tra 0 e 1500 m/s.
In particolari tipi di condotte, può essere raggiunto un regime di quasi-detonazione. La velocità di fiamma è allora supersonica nel mezzo considerato. La pressione presenta una brusca variazione e si possono raggiungere in tempi brevi (ordine di grandezza = 1 ms) superpressioni di parecchie decine di bar. Quest'onda di pressione riscalda la miscela reattiva in modo sufficientemente brusco perché la reazione di combustione possa prodursi immediatamente.
Ai fini della pratica industriale, occorre tener presente che tali fenomeni di quasi -detonazione possono sopravvenire nelle condotte di diametro compreso tra 50 e 400 mm, a condizione che la lunghezza della condotta raggiunga almeno una ventina di metri. Questi fenomeni sono tanto più temibili se la condotta è collegata ad un recipiente chiuso di volume superiore a quello della condotta, e se l'esplosione si produce in questo recipiente.

Caratteristiche delle atmosfere polverose
Si è visto precedentemente che il prodotto deve essere combustibile e sufficientemente fine, ma la dispersibilità delle polveri è anch'essa un fattore da prendere in considerazione. Verrà esaminata egualmente la definizione di caratteristiche più direttamente legate al danno d'incendio o di esplosione (campo di esplosività, attitudine all'infiammazione, violenza d'esplosione, concentrazione limite in ossigeno e presenza di gas infiammabili).

Caratteristiche fisiche
Caratteristiche fisiche come il potere calorifico del prodotto, il suo tasso di umidità e di ceneri, la sua ripartizione granulometrica, giocano un ruolo importante relativamente al campo d'infiammabilità, alla tendenza all'infiammazione e alla violenza dell'esplosione. Di conseguenza è opportuno darne una definizione.

Beninteso, il campione prelevato nell'impianto deve essere rappresentativo della produzione in questione ed essere, inoltre, il più secco e il più fine che si possa trovare nell'installazione.

Dispersibilità delle polveri e stabilità della nube formatasi
La nube di polveri può scaturire dal processo stesso di trattamento del prodotto, come la frantumazione e l'essiccamento in letto fluido. Può prodursi anche tramite la manutenzione: svuotamento dei silos, trasporto pneumatico, vibrazione dei filtri, ecc.; e, infine, può formarsi con l'avvio dell'esplosione stessa.
E' difficile caratterizzare la dispersibilità delle polveri. Essa è, in linea di principio, tanto più elevata quanto più bassa è la densità della polvere. Essa dipende anche dalla sua coesione, che a sua volta dipende dall'umidità e dalla forma delle particelle.
Le polveri fini restano in sospensione più a lungo: questa è dunque una ragione supplementare per considerarle come le più pericolose.
La tabella 2 indica le velocità di sedimentazione in funzione della dimensione delle particelle.

Tabella 2 - Velocità di sedimentazione in funzione della dimensione delle particelle

(Diametro delle particelle in micron, Velocità di sedimentazione)

200 1,2 m/s
100 0,3 m/s
50 0,03 m/s
10 0,003 m/s o 11 m/ora
5 0,0007 m/s
1 0,0003 m/s o 0,1 m/ora

Campo di esplosività
Come per i gas, così per le polveri può essere definita una concentrazione minimale esplosiva al di sotto della quale l'esplosione non può propagarsi in una nube preformata. Ma, mentre questa grandezza può essere misurata con una certa precisione nel caso dei gas, è invece difficile realizzare sperimentalmente sospensioni omogenee di polveri, soprattutto se grossolane. Inoltre, i valori trovati dipendono dall'energia della fonte d'infiammazione e del volume del sito nel quale viene eseguita la misura. Occorre dunque considerare con prudenza le cifre di concentrazioni esplosive minime talvolta proposte. Si può dire che le concentrazioni esplosive minime delle polveri inferiori a 100 micron si situano correntemente nella gamma tra 20 e 100g/m3. Ciò corrisponde a nubi di polveri relativamente dense.
Per quanto concerne la concentrazione esplosiva massima delle polveri, essa è ancora più incerta, probabilmente dell'ordine di parecchi kg/m3.
Tuttavia, a causa del rischio di sollevamento di polveri tramite il soffio di un'esplosione primaria, si dovrebbe valutare, in primo luogo, l'importanza dei depositi di polveri negli impianti.

Attitudine delle nubi di polveri all'infiammabilità
L'energia della fonte di accensione deve essere sufficientemente elevata per poter scatenare l'incendio. Questa energia può scaturire dall'azione di una scintilla o dalla temperatura nell'insieme del volume interessato.
L'attitudine all'infiammabilità delle polveri dipende dalla natura di queste, dalla loro ripartizione granulometrica, dalla concentrazione e dall'omogeneità della nube di polveri.
Per qualificare l'attitudine all'infiammabilità mediante scintille, si determina il valore più basso di energia della scintilla capace di provocare l'incendio della nube di polveri. Con l'apparecchio Hartmann si ottengono normalmente misurazioni che vanno da qualche millijoule a parecchi joule. Ma, di recente, si è dimostrato sperimentalmente che possono svilupparsi incendi di nubi di polveri per valori di energia dell'ordine del millijoule, dunque assai vicini a quelli dei gas. Le caratteristiche della scintilla, tensione, intensità e soprattutto durata, hanno un'influenza considerevole sull'energia d'infiammabilità minima.

Per quanto concerne il rischio di auto-infiammabilità delle nubi di polveri, si determina la temperatura di auto-infiammabilità mediante prove normalizzate (al forno BAM o Godbert-Geenwald). I valori ottenuti da questi due metodi (Tabella 3) si allineano tra 150 e 600°C.

Tabella 3 - Temperatura di infiammabilità della nube (°C)

(Prodotto, Forno del tipo Goldbert-Greenwald, Forno del tipo BAM)

Alluminio 580 Soglia d'infiammabilità a 580 °C
Amido 400 360
Polvere di legno 440 380
Polvere epossidica 580 500
Zucchero glassato 360 340
Farina di grano 420 370

La prova al forno Godbert-Greenwald è stata proposta come prova normalizzata dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale (CEI).

Attitudine all'infiammabilità degli strati di polveri
Quando un prodotto di strato sottile (spessore inferiore al centimetro) è collocato su una superficie calda per un tempo sufficientemente lungo, si verifica talvolta un'autocombustione dello strato. I valori delle temperature di autocombustione ottenuti con un metodo normalizzato della Commissione Elettrotecnica Internazionale per uno strato di 5 mm di spessore (Tabella 4) mostrano che la combustione può prodursi a temperature tra 200 e 300°C, e sia sempre inferiore a quella dello stesso prodotto in forma di nube.

Tabella 4 - Temperature di auto-infiammazione per uno strato di 5 mm di spessore

Polvere:Granulometria (Valore medio m), Temperatura di infiammazione della nube con forno Godbert-Greenwald (°C), Temperatura di infiammabilità Deposito di polveri Strato di 5 mm (°C)

Amido (52) 350 345
Cereali (50) 520 300
Carbone (28) 600 250
Copra (510) 470 290
Polvere di legna (65) 490 340
Latte in polvere (60) 610 340
Mais (550) 780 410
Mais (28) 440 280
Farina di soia (20) 620 280
Zucchero (30) 490 480
Tabacco (65) 450 300

Fonte: Brenn und Explosion Kenngrossen von Stauben Hauptverband der gewerbichen. Berufsgenossenschaften ev (mars 1980)

Queste temperature possono essere nettamente più basse nel caso di prodotti contenenti oli o grassi non saturi (lino, oleaginose, latte in polvere...), oppure sporcati da questi oli o grassi facilmente ossidabili. Esse decrescono se lo spessore del deposito aumenta in quanto la dispersione del calore prodotta dalla reazione di ossidazione si attua in modo sempre peggiore.
Tali fenomeni di autocombustione in depositi di grandi dimensioni, inizialmente a temperatura vicina a quella ambiente, possono durare da qualche minuto a parecchi mesi provocando incendi difficili da controllare. Le condizioni di scambio termico con l'ambiente esterno e la circolazione d'aria nel deposito sono fattori di primaria importanza per i rischi d'incendio. In condizioni perfettamente controllate, ovvero a grandezza normale, sono spesso necessarie alcune prove per definire con precisione le condizioni d'infiammabilità.

Si deve sottolineare infine che tali combustioni non presentano carattere di esplosione, fino a che una nube di polveri non si trovi in prossimità immediata di polveri in combustione o che non siano emessi gas di pirolisi.

Per determinare le migliori condizioni di stoccaggio di un prodotto - dimensione dell'ammasso e durata - è necessario conoscere la sua attitudine all'autoriscaldamento. Esistono, a tale scopo, vari metodi di laboratorio: analisi termogravimetriche e termiche differenziali accoppiate, calorimetria adiabatica, temperature critiche di combustione di una serie di volumi omotetici. I risultati possono essere introdotti nei modelli matematici.

Violenza delle esplosioni in camera chiusa: sovrapressione di massima esplosione e velocità massima di aumento della pressione.

Nei recipienti di forma poco allungata (rapporto lunghezza o diametro sull'altezza inferiore a 5), la violenza dell'esplosione di una nube di polveri combustibili è caratterizzata dalla velocità massima di aumento della pressione (VMP) e dalla sovrapressione d'esplosione massima (Pmax). Questi valori, per condizioni di prova stabilite, sono misurati sulla curva pressione-tempo. Per un determinato tipo di polvere, si cercherà di determinare i valori più elevati di Pmax e soprattutto di Rm facendo variare la concentrazione della nube di polveri. Queste caratteristiche di violenza esplosiva dipendono anche dalla ripartizione granulometrica e dalla forma dei grani, dalla turbolenza iniziale della nube di polvere nell'aria, dalla rilevanza della fonte di accensione, e dalla forma del recipiente di prova.

Il valore di VMP dipende anche dal volume V dell'apparecchiatura di prova secondo una relazione detta "relazione cubica":

VMP x V1/3 = costante

U54-540 sono considerati nella norma francese metodi di misurazione normalizzati. Tenendo conto dei valori di violenza esplosiva così ottenuti è possibile definire i mezzi di protezione contro gli effetti dell'esplosione: sfiatatoi di scarico ed estintori.

Per quanto concerne la propagazione nei recipienti di forma allungata, è necessario prendere in considerazione l'insieme del fenomeno di propagazione mediante un'analisi dettagliata dei diagrammi di marcia delle onde di pressione e del fronte della fiamma tenendo conto delle possibili interazioni.

Concentrazione limite di ossigeno che permette di evitare l'esplosione

Questa concentrazione limite può essere definita come il tenore di ossigeno più elevato al di sotto del quale l'esplosione diventa impossibile. Essa è in generale dell'ordine del 10-15%, sebbene esistano prodotti capaci di provocare esplosioni a tenori di ossigeno del 7%.

Occorre anche precisare che se per questo tenore l'esplosione non è più possibile, essa non impedisce la combustione della polvere in deposito.
L'anidride carbonica e l'azoto hanno un effetto stabilizzatore, a condizione che non possano reagire con le polveri.

Effetti della presenza di gas combustibile

Si possono presentare dei casi in cui l'atmosfera contenga sia polveri che un gas o un vapore infiammabili. Essendo ciascuno dei combustibili infiammabile, non sorprende che la loro presenza simultanea aumenti l'esplosività dell'atmosfera. Ma può anche accadere che la miscela sia infiammabile anche se il tenore di ciascuno dei costituenti preso isolatamente sia inferiore al suo limite inferiore d'infiammabilità. E', senza dubbio, più grave il fatto che l'energia di infiammazione minima dei gas o dei vapori infiammabili è, in linea generale, nettamente inferiore a quella delle nubi di polveri. L'energia di combustione minima dell'atmosfera supposta omogeneamente densa di polveri potrebbe allora essere molto più bassa di quanto ci si possa attendere. Solo l'esperienza può mostrare in quale misura il campo di esplosività, l'attitudine alla combustione e la violenza dell'esplosione vengano modificati.

*Institut National de l'Environnement Industrial et des Risques (INERIS), Parc Technologique ALATA, B.P. 2, 60550 Verneuil-en-Halatte, France

Fonte: Unep Industry and Environment

Ciao
Salvatore

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