Prevenzione delle atmosfere di gas potenzialmente esplosive: i limiti LEL / UEL - Note 2023

ID 20844 | 03.12.2023 / Documento completo in allegato

Il Documenti illustra, in termini tecnico-divulgativi, i limiti di esplosività LEL / EUL e parametri correlati MIE, LOC di un gas o dei vapori di un liquido in aria con esempi grafici. Note sull'intertizzazione di tali atmosfere.

I limiti di esplosione (o limiti di esplosività) di un gas o dei vapori di un liquido sono dei limiti che definiscono l'intervallo di concentrazione entro cui, se la miscela aria-vapore o gas infiammabile è opportunamente innescata (ad esempio da una scintilla), si verifica l'accensione della miscela.

Questa combustione può essere una detonazione o solamente una "fiammata" (deflagrazione), in funzione di numerosi fattori (concentrazione di combustibile in primis, tipo di recipiente).

Il limite di esplosione viene considerato in un range che va da un minimo (L.I.E.= Limite inferiore di esplosività) ad un massimo (L.S.E.= Limite superiore di esplosività) di percentuale di combustibile in aria (o più raramente in altri comburenti); in inglese Lower Explosive Limit (L.E.L.), e Upper Explosive Limit (U.E.L.).

Caratteristiche di innesco che individuano la minima e la massima energia di innesco del gas/vapori di liquido infiammabili

Per ogni gas/vapori di liquido infiammabili è possibile tracciare una curva, come quella illustrata a seguire, che indica la caratteristica di innesco, dalla quale si determina la minima energia di innesco, chiamata M.I.E. (Minimum Ignition Energy), al di sotto della quale è impossibile l’innesco della miscela.

Figura 1 - LEL - UEL / MIE

L.E.L. (Lower Explosive Limit)
All’abbassarsi della concentrazione di combustibile nella miscela la quantità di energia richiesta per l’innesco va mano a mano aumentando, fino al punto in cui l’innesco non può avvenire per mancanza di combustibile.

U.E.L. (Upper Explosive Limit)
All’aumentare della concentrazione di combustibile l’energia richiesta per l’innesco aumenta in modo analogo a quanto avvenuto al punto precedente, fino al punto in cui l’innesco non può avvenire per mancanza di comburente.  

M.I.E. (Minimum Ignition Energy)
La più bassa energia necessaria a provocare l’accensione della miscela infiammabile è detta MIE (Minimum Ignition Energy), si verifica in corrispondenza di una specifica concentrazione della sostanza in aria e viene valutata in condizioni di prova specificate. 

Ogni gas/vapori di liquido infiammabili ha un limite di concentrazione al di sotto del quale non può essere acceso quando viene miscelato con aria, in quanto non è presente abbastanza comburente.

Gas e vapori infiammabili possono essere attivati in specifiche condizioni atmosferiche - da una fonte di innesco con energia di accensione e/o temperatura abbastanza elevata in combinazione con concentrazioni di ossigeno nell’aria altrettanto elevate.

Queste concentrazioni sono indicate, appunto come limite inferiore di esplosività (limite LEL).

In altre parole, l’accensione può avvenire solo se sono soddisfatte tre condizioni:

1. Una concentrazione di gas o vapore infiammabile al di sopra del limite LEL.
2. Una concentrazione sufficientemente elevata di ossigeno/ossigeno atmosferico.
3. Un livello di temperatura o di energia abbastanza elevato derivato da una fonte di accensione MIE.

Lo stesso vale in senso inverso: se una qualsiasi di queste tre condizioni non viene soddisfatta, non vi sarà alcun modo per cui l’accensione o l’esplosione possa verificarsi.

Misure di protezione

Le misure di protezione contro le esplosioni possono quindi essere:

1. Limitazione delle concentrazioni
2. Inertizzazione
3. Utilizzo di apparecchiature operative di protezione anti-esplosione

Il modo più sicuro per limitare le concentrazioni è naturalmente quello di evitare completamente l’uso di gas/vapori infiammabili. Tuttavia raramente questo è possibile. Di conseguenza, per limitare le concentrazioni vengono utilizzate apparecchiature per la rilevazione del gas, mentre, nei processi che si svolgono in ambienti chiusi, di fatto viene permesso alle concentrazioni di raggiungere valori ben al di sopra del limite LEL, e il livello di ossigeno viene ridotto in misura tale che nessuna miscela infiammabile si possa formare (inertizzazione).

Se tali misure fossero insufficienti, o non pienamente adeguate, in definitiva dovrebbero essere utilizzati solo tipi di apparecchiature operative protette contro l’accensione (standardizzate), per garantire che le apparecchiature non diventino una fonte di accensione in caso di perdite di gas.

Soglie di allarme

Se il limite LEL della concentrazione inizia ad aumentare, non appena raggiunge l’intervallo di allarme 1 vengono attivate delle contromisure. Se tali misure hanno successo la concentrazione diminuisce (curva blu). Tuttavia, se le misure non hanno successo, la concentrazione continua a salire (curva rossa). Una volta raggiunto il secondo intervallo di allarme 2, vengono attivate le misure di emergenza.

Gli impianti industriali correttamente progettati raggiungono l’intervallo di allarme 2 solo in casi molto rari, se non mai.

Figura 2 - Soglie intervalli di allarme

Scale LEL

Per esempio, il limite LEL dell’idrogeno è pari al 4% vol. Un gas di prova con il 2% volumetrico di idrogeno nell’aria non è infiammabile.

La limitazione delle concentrazioni e l’inertizzazione sono considerate misure primarie, perché prevengono la formazione di concentrazioni infiammabili. D’altro canto, l’uso di tipi di apparecchiature operative dotate di protezione contro le esplosioni è considerata una misura secondaria perché non impedisce la formazione di concentrazioni infiammabili, ma ne evita l’accensione.

Limitare le concentrazioni significa diluirle attivamente; una misura potrebbe essere l’immissione automatica di aria fresca nelle aree pericolose non appena le concentrazioni raggiungono un limite LEL relativamente basso, ad esempio pari al 20%. Solo quando la concentrazione della sostanza continua ad aumentare (ovvero, le contromisure adottate non sono state adeguate) si dovrebbe considerare l’attivazione di misure di emergenza. Ad esempio, se si raggiunge un limite LEL pari al 40% tutte le apparecchiature operative elettriche prive di protezione contro le esplosioni dovrebbero essere arrestate. I dispositivi per la rilevazione dei gas vengono utilizzati per rilevare tali concentrazioni.

L'inertizzazione rappresenta anch’essa una misura preventiva di protezione contro le esplosioni, la rilevazione dei valori di ossigeno è soggetta a requisiti specifici, almeno in Europa: anche i dispositivi di rilevazione di O₂ devono essere sottoposti a prove per il tipo specifico di apparecchiature destinate a uno scopo particolare (ad es. conformità alla norma EN 50104).

Figura 3 - LEL gas infiammabili

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Gas e limite LEL

In generale le sostanze al di sopra del loro punto di ebollizione sono note come gas. Pertanto, la pressione di un gas è sempre superiore alla pressione atmosferica, il che significa che, quando vengono rilasciati, i gas possono rapidamente superare il limite LEL nelle loro concentrazioni e formare miscele infiammabili di gas e aria.

Vapori dei liquidi infiammabili e punto di infiammabilità

Le sostanze al di sotto del loro punto di ebollizione non solo si trovano in forma gassosa, ma anche in un equilibrio specifico alle temperature nel loro stato liquido (o addirittura solido).

Il componente gassoso in tali casi è noto come vapore. La pressione del vapore è sempre inferiore alla pressione atmosferica e, a seconda della temperatura, si possono formare solo determinate concentrazioni massime di vapori.

In particolare, la massima pressione possibile del vapore di un liquido infiammabile può essere così bassa che il limite LEL viene raggiunto solo quando si supera una determinata temperatura, ovvero il vapore diventa infiammabile soltanto al di sopra di tale temperatura. Questa temperatura determinata empiricamente è nota come punto di infiammabilità – un valore di sicurezza estremamente importante per la valutazione del rischio rappresentato dai liquidi infiammabili.

Per esempio, il punto di infiammabilità dell’etanolo puro è pari a 12 °C.

Ciò significa che è combustibile già a temperature di soli 20 °C. In contrasto, il punto di infiammabilità dei vapori di n-butanolo è pari a 35 °C, e non è ancora in grado di accendersi a una temperatura di 20 °C.
E infatti, se la temperatura di un liquido infiammabile rimane significativamente al di sotto del punto di infiammabilità, la protezione primaria contro le esplosioni è già in atto.

Temperatura di autoaccensione (accensione) ed energia minima di accensione MIE

Temperatura di autoaccensione (AIT) è la temperatura più bassa (di una superficie) alla quale, in condizioni specificate (secondo IEC 6 0079-20-1), avviene l'accensione di un gas o vapore infiammabile in miscela con aria o aria/gas inerte. 

Tale valore è utile per determinare le massime temperature raggiungibili dalle superfici delle apparecchiature che si trovano in presenza di atmosfere potenzialmente esplosive.

Le scintille prodotte elettricamente (o meccanicamente) e le superfici calde sono le più note tra i diversi tipi di sorgenti di accensione.

Per accendere le miscele di gas e aria e di vapori e aria:

1. l’energia della scintilla deve superare il livello minimo di energia di accensione della miscela MIE.

oppure

2. la fonte di accensione (di una superficie) deve avere una temperatura T al di sopra della temperatura di autoaccensione (T_AIT)

Figura 4: Accensione di una miscela in aria: Scintilla E > MIE oppure T Superficie > T accensione (autoaccensione)

Entrambi i livelli (temperatura di accensione ed energia minima di accensione) sono specifici alle sostanze, e i valori di sicurezza pertinenti sono definiti da specifiche norme di sicurezza e hanno un ruolo determinante nello sviluppo e nella selezione delle apparecchiature per la protezione contro le esplosioni.

[...]

Diagrammi di infiammabilità

Il campo di infiammabilità di un gas sotto date condizioni di processo può essere raffigurato secondo diagrammi triangolari, come nell’esempio riportato in figura seguente (O2 / CH4 / N2):

Figura 6 - Rappresentazione campo di infiammabilità di un gas

Nella rappresentazione grafica a diagramma triangolare in qualsiasi punto dello stesso la somma delle tre componenti dei gas risultano pari al 100%. In dettaglio:

%O2 + %Gas + %N2 = 100%

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LOC Limiting Oxygen Concentration / MOC Minimum Oxygen Concentration

Il punto C, in figura 7, rappresenta il limite della concentrazione di ossigeno al di sotto del quale nessuna miscela può essere accesa (LOC) (1).

(1) LOC Limiting Oxygen Concentration / MOC Minimum Oxygen Concentration - limite concentrazione di ossigeno  in una miscela di sostanza infiammabile e aria e un gas inerte, nella quale non si verifica un'esplosione, determinata in condizioni di prova specificate.

La pressione e la temperatura hanno un effetto sul diagramma di infiammabilità come riportato in figura 7, dove un incremento della pressione si traduce in un aumento del UEL ed una corrispondente diminuzione del LOC (punti C, C’, C”).

Figura 8 - Effetto della pressione sul diagramma triangolare di infiammabilità relativo ad una generica miscela combustibile-ossigeno-azoto

Come visto, dal diagramma di infiammabilità è possibile determinare, con semplici considerazioni geometriche, la percentuale minima di ossigeno che consente ancora la propagazione della fiamma (MOC).

Altresì, nel grafico N,C (O costante) di figura 8 seguente nel campo di infiammabilità di un determinato gas è possibile determinare il MOC si considerano tutte le miscele che giacciono sulle rette parallele al lato CN del triangolo (ossidante zero) hanno un contenuto costante di ossigeno (in quanto è costante la somma inerte + combustibile).

C + %Gas + %N2 = 100%

%Gas = 100% - C - %N2

%Gas = K - %N2

y = K - x

La retta tangente al diagramma di infiammabilità è quella che dà la concentrazione minima di ossigeno (MOC).

Al di sotto del valore critico dell'ossigeno minimo, nessuna miscela combustibile-aria-diluente risulta infiammabile.

Figura 9 - Determinazione grafica dell'ossigeno minimo (MOC)

Note sui Diagrammi ternari

Una miscela a tre componenti può essere rappresentata con un diagramma ternario formato da un triangolo equilatero.

Si pone uguale a 100 il lato del triangolo e si sfruttano le sue proprietà: osservando la figura, si vede facilmente che preso un qualsiasi punto P interno al triangolo, la somma a + b + c = AB = AC = BC; infatti (lato sinistro), BA = BT + TA = (a + c) + b. Questo significa che la composizione di una qualsiasi miscela, interna al triangolo ha somma costante.

Le letture delle singole percentuali si fanno sempre intersecando in P (punto del quale si vuole conoscere la composizione) le tre parallele ai lati ed eseguendo la lettura dei segmenti a, b, c.

Figura 10 – Diagramma triangolare (ternario)

Figura 11 – Diagramma triangolare  O2 / N2 / CH4

Per il punto P e in qualsia punto del diagramma, risulta che le concentrazioni di O2 / N2 / CH4 rispettano l’equazione (T 25° / P atmosferica):

P_O2 + P_N2 + P_CH4 = 100%

Osservando il diagramma seguente Figura 10, in combinazione con la tabella 1, si può verificare la capacità di leggere correttamente un diagramma triangolare.

Tabella 1 - Tabella concentrazioni di esempio

Figura 12 - Lettura diagramma triangolare Punti P1, P2, P3, P4

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Aggiunta di inerti

L'intervallo di infiammabilità di una sostanza infiammabile con l'aria è sempre meno esteso di quello dello stesso infiammabile con il solo ossigeno, in quanto l'azoto presente nell'aria (circa il 79%) non reagisce chimicamente nella combustione ed è dunque da considerarsi un diluente che diminuisce l'infiammabilità della miscela.

La presenza di gas inerti (N2, CO2, Argon, ecc.) abbassa notevolmente il limite superiore di esplodibilità UEL del combustibile, senza far variare sensibilmente quello inferiore LEL.

Figura 13 - Riduzione UEL

In tal modo il campo di infiammabilità si restringe sempre più; continuando nell'aggiunta dell’inerte fino a che i due limiti praticamente coincidono si determina la "penisola di infiammabilità" entro la quale tutti i punti corrispondono a miscele infiammabili; al di fuori, tutti i punti corrispondono a miscele non infiammabili.
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Tabella 2 - Effetto di diversi gas inerti sull'infiammabilità del metano

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Determinazione LEL / EUL / AIT

Il riferimento normativo più conosciuto per la determinazione del LEL / EUL di un gas/vapori di liquido infiammabile è il metodo ASTM E681-94, per la temperatura di autoaccensione AIT per un liquido infiammabile è il metodo ASTM E659.

I valori di LEL / UEL, AIT, altri di un liquido/gas infiammabile sono presenti  nella SDS Sezione 9: Proprietà fisiche e chimiche. Es:

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