La maggior parte dei composti chimici organici è in grado di bruciare, rilasciando energia sotto forma di calore. Il calore sviluppato in una reazione di combustione è definito calore di combustione; queste sono reazioni chimiche che avvengono tra un combustibile e un comburente, solitamente ossigeno.
Ancora più nel dettaglio, se la quantità di sostanza che si comporta da combustibile corrisponde ad una mole, il calore di combustione è detto calore di combustione specifico.
I valori dei calori di combustione variano con la temperatura alla quale si effettua la combustione stessa; questa dipendenza è definita dalla legge di Kirchhoff. A seconda che l'acqua prodotta sia allo stato liquido o di vapore, si definisce un calore di combustione superiore o inferiore.
Conoscendo il calore di combustione di una sostanza è possibile, in genere, determinare le entalpie di formazione: consideriamo ad esempio un generico idrocarburo CnHm.
Di seguito elenchiamo i valori delle entalpie standard di combustione (ΔH°c) (a 25°C) di alcune sostanze.
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Per misurare il calore di combustione, si utilizza un calorimetro. Si tratta di un piccolo recipiente di acciaio con pareti spesse, ermeticamente chiuso, in cui è posta una piccola capsula di porcellana contenente la sostanza da esaminare; tale sostanza viene successivamente combusta mediante una resistenza elettrica "immersa" nella sostanza stessa.
Quest'ultimo, a sua volta, è immerso in un altro recipiente isolato termicamente da materiale isolante e riempito di acqua. Il calore prodotto nella combustione della sostanza in esame, viene assorbito dall'acqua che quindi si riscalda. Applicando infine la legge fondamentale della termologia è possibile risalire alla quantità di calore emessa durante la combustione.
Idrocarburi: I Composti Organici Più Semplici
I composti organici più semplici sono quelli noti come idrocarburi e sono i principali costituenti del petrolio greggio/gas. Questi composti sono composti da carbonio e idrogeno; l'idrocarburo più semplice è il metano, ogni molecola del quale è costituita da un atomo di carbonio e quattro atomi di idrogeno. È il primo composto della famiglia nota come alcani.
Le proprietà fisiche degli alcani cambiano con l'aumentare del numero di atomi di carbonio nella molecola: quelli da uno a quattro sono gas, quelli da cinque a dieci sono liquidi volatili, quelli da 11 a 18 sono oli combustibili più pesanti e quelli da 19 a 40 sono oli lubrificanti.
Gli alcheni sono simili, ma la loro struttura molecolare comprende doppi legami (esempi sono l'etilene e il propilene). Hanno più energia per molecola e quindi bruciano più intensamente. Sono anche più preziosi per la produzione di altri prodotti chimici, tra cui le materie plastiche.
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Gli alchini contengono legami tripli (esempio: l'acetilene), utilizzati nella saldatura dei metalli.
I composti di cui sopra sono tutti noti come alifatici, il che significa che gli atomi di carbonio sono tutti allungati in linea.
I composti organici più complessi contengono elementi come ossigeno, azoto, zolfo, cloro, bromo o fluoro e, se bruciano, i prodotti della combustione includono altri composti. Nella maggior parte degli ambienti industriali in cui esiste il rischio di esplosione o incendio a causa della presenza di gas o vapori infiammabili, è probabile che si verifichi una miscela di composti.
Nell'industria petrolchimica le materie prime sono una miscela di sostanze chimiche, molte delle quali si decompongono naturalmente o possono essere alterate dalla lavorazione. Ad esempio, il petrolio greggio viene separato in molti materiali utilizzando il frazionamento (o distillazione frazionata) e il "cracking".
Il frazionamento consiste nella rimozione dei gas altamente volatili a temperature che li rendono volatili da soli, poi a temperature più elevate per i composti più pesanti e infine a temperature ancora più elevate per gli idrocarburi più grandi.
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Sicurezza e Prevenzione delle Esplosioni
Per evitare esplosioni durante le operazioni di arresto e manutenzione, molti processi industriali utilizzano una procedura di inertizzazione. Se si riempie un contenitore di idrocarburi con aria, a un certo punto la miscela diventa esplosiva e pericolosa. Utilizzando un processo a due fasi in cui l'idrocarburo viene sostituito dall'azoto e poi l'azoto viene sostituito dall'aria, non si rischia l'esplosione in nessuna fase.
Questo processo si chiama spurgo di un recipiente (ad esempio una cisterna di carburante o i serbatoi di stoccaggio di una petroliera). Lo spurgo degli idrocarburi è una pratica comune prima di effettuare lavori di manutenzione o riparazione. Prima dell'ingresso del personale, la nave deve essere spurgata con aria respirabile.
Le procedure di sicurezza si occupano generalmente di rilevare i gas infiammabili prima che raggiungano il loro limite inferiore di esplosività.
Standard di Rilevamento Gas Infiammabili: ISO10156 e IEC60079-20-1:2010
Esistono due standard comunemente utilizzati che definiscono la concentrazione "LEL" per le sostanze infiammabili: ISO10156 (a cui fa riferimento anche la norma sostituita EN50054) e IEC60079-20-1:2010. La IEC (International Electrotechnical Commission) è un'organizzazione mondiale per la standardizzazione.
Gli standard IEC e EU (europei) (IEC60079 e EN61779) definiscono le concentrazioni LEL misurate utilizzando una concentrazione di gas "agitata" (rispetto al metodo del gas "fermo" utilizzato nella ISO10156). È stato dimostrato che alcuni gas/vapori sono in grado di sostenere un fronte di fiamma a concentrazioni di combustibile inferiori quando sono agitati rispetto a quando sono fermi. Piccole differenze nei risultati del volume 100%LEL. Ciò è dovuto al fatto che la distanza media tra una molecola che brucia e una molecola incombusta è leggermente inferiore quando il gas viene agitato.
La tabella seguente mostra alcune delle differenze notevoli nei valori LEL tra i due standard.
| Gas | LEL (ISO 10156) | LEL (IEC 60079) |
|---|---|---|
| Metano | 5.0% | 4.4% |
| Etano | 3.0% | 2.5% |
| Propano | 2.1% | 1.7% |
Si può chiaramente notare che il 50% di LEL del metano nella norma EN60079 corrisponde a una concentrazione volumetrica in aria del 2,2%, contro il 2,5% volumetrico indicato nella norma ISO10156. Pertanto, se un rilevatore viene calibrato secondo la norma EN60079 utilizzando una miscela di metano al 50% LEL prodotta secondo la norma ISO 10156, si verificherebbe un errore di sensibilità del 13,6% che potrebbe invalidare la calibrazione.
La direttiva europea ATEX (che riguarda la certificazione e l'uso di apparecchiature in atmosfere infiammabili) prevede che i produttori e gli utenti siano conformi allo standard EN61779.
La politica di Crowcon è quella di applicare i nuovi valori di LEL in Europa e nei territori che aderiscono agli standard europei. Tuttavia, poiché il vecchio standard è ancora utilizzato negli Stati Uniti e in altri mercati, continueremo a calibrare secondo la norma ISO 10156 in questi territori.
I prodotti Crowcon certificati ATEX/IECEx saranno forniti calibrati secondo gli standard IEC60079/EN61779 (ad esempio, i sensori di metano saranno calibrati in modo tale che 100% LEL = 4,4% volume).
Sistemi di Rilevamento Gas Infiammabili
I sistemi di rilevamento dei gas infiammabili sono progettati per creare allarmi prima che i gas/vapori raggiungano una concentrazione esplosiva. In genere, il primo livello di allarme è impostato al 20% LEL (anche se ci sono industrie che preferiscono il 10% LEL, in particolare le aziende del settore petrolifero e del gas).