Chimica e fisica dell’incendio Corso di specializzazione in prevenzione incendi Chimica e fisica dell’incendio Ing. Vincenzo CIANI Corso di specializzazione di prevenzione incendi

ARGOMENTI DELLA LEZIONE Fisica e chimica dell’incendio; Generalità sulla combustione; Solidi combustibili; Liquidi combustibili; Gas combustibili; Aria necessaria alla combustione; Classi di fuoco; Prodotti della combustione; Dinamica dell’incendio. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Chimica e fisica del fuoco Calore di combustione Potere calorifico Temperatura teorica di combustione Temperatura di combustione e incendi Temperatura di accensione Energia di accensione Modalità di propagazione della fiamma Limiti di infiammabilità Limiti di infiammabilità di miscele gassose Limiti di infiammabilità dei liquidi Temperatura (o punto) di infiammabilità Influenza della temperatura sull’infiammabilità Influenza della pressione sull’infiammabilità Descrizione del fenomeno della “pirolisi Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Corso di specializzazione di prevenzione incendi Calore di combustione Caso A) : per un elemento chimico (C,S,Na,P) o composto chimico che non contenga idrogeno si definisce come: “Quantità di calore messa in libertà nel corso della reazione di completa combustione di un grammo- atomo dell'elemento o di una grammo-molecola del composto”: C + 02 ----> C02 + 96,7 kcal/g-atomo Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Corso di specializzazione di prevenzione incendi Calore di combustione misure in condizioni controllate, precise e costanti, così da renderle perfettamente ripetibili completa ossidazione del campione in esame È necessario partire da una determinata “temperatura iniziale” (per es. reagenti a 20°C) ed arrivare, a combustione avvenuta, ad una determinata temperatura finale (per es. prodotti di reazione anch'essi a '20°C). Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Corso di specializzazione di prevenzione incendi Calore di combustione Caso B):o di una sostanza contenente atomi di idrogeno nella molecola Es. reazioni: H2 + 1,/2 02 ---> H20 CH4 + 2 02 ----> C02 + 2 H20 + Calore di combustione N.B. - la temperatura finale alla quale vengono portati i prodotti della combustione riveste un significato ancora più importante Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Corso di specializzazione di prevenzione incendi Calore di combustione Se la temperatura finale alla quale si misura il calore di combustione è superiore a 100°C, il valore ottenuto sarà minore di quello che si misurerebbe per una temperatura finale inferiore ai 100°C, perché in queste ultime condizioni il vapore acqueo formato “condensa”, mettendo in libertà il relativo CALORE LATENTE (circa 30 kcal/g-mole di acqua). Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Corso di specializzazione di prevenzione incendi Calore di combustione In questi casi quindi, possono essere definiti “due distinti” calori di combustione: quello SUPERIORE, comprendente il calore di condensazione dell'acqua, e quello INFERIORE per il quale l'acqua formatasi resta allo stato di VAPORE. Nella tabella seguente sono riportati a titolo di esempio i calori di combustione di alcuni composti chimici Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Calore di combustione di alcuni composti chimici 748,6 782,0 78 benzene, C6H6 300,1 311,2 26 acetilene, C2H2 414,3 443,1 36 etilene, C2H4 190,5 212,3 16 Metano, CH4 37,2 68,3 2 H2 67,6 28 CO 96,7 12 Carbonio Inferiore Superiore P. A. o P. M. Composto Calore di combustione (in kcal/g-atomo o g-mole) Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Corso di specializzazione di prevenzione incendi Potere calorifico Nella pratica tecnologica della combustione si preferisce fare uso di unità di misura riferite non a quantità quali il grammo-atomo o la grammo- molecola, ma al peso (kg) o al volume (Nm3 o litro). Le quantità di calore in gioco vengono quindi normalmente espresse in kcal/kg (o MJ/kg) e in kcal/litro o kcal/Nm3, che prendono il nome di potere calorifico, anzichè calore di combustione. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Potere calorifico inferiore Si definisce Potere calorifico inferiore quello che si ha quando fra i prodotti della combustione l'acqua è allo stato di vapore; esso è evidentemente legato al potere calorifico superiore dalla relazione: P.C. sup = P.C. inf. + m 560 in cui m è la quantità d'acqua (espressa in kg) prodotta nella combustione di un kg di sostanza; 560 kcal/kg è il calore latente di condensazione dell'acqua. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Poteri calorifici di alcuni combustibili gassosi. 13389 13887 Acetilene, C2 H2 14381 15377 Etilene, C2 H4 32000 34460 Butano, C4H10 8499 9465 Metano, CH4 2550 3048 H2 3017 CO Inferiore Superiore Potere calorifico(kcal,/Nm3) Combustibile Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Poteri calorifici inferiori di alcuni materiali industriali di scarto 4600 Lana 2330 Legno verde 3600 Stracci cotone 8650 Gomme auto 4020 Cuoio 9700 P.V.C. 6280 Cartone latte 3260 Scarti cellophan 2820 Riviste 6400 Gomma sintetica 4030 Carta da imballo 6670 Tessuto pneumatici 4430 Giornali Scarti di vernice 3900 Cartone ondulato 4800 Fanghi di carbone 4150 Carta parati 7500 Residui catrame 4000 Legno dolce 5200 Bitume 4400 Legno duro 9800 Olio lubrif. P. C. I. kcal/kg Materiale P.C.I. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Potere calorifico superiore Il potere calorifico superiore si può determinare direttamente mediante la bomba calorimetrica di Mahler o apparecchi simili in cui il calore prodotto dalla reazione viene assorbito da una massa di acqua o di altro liquido di cui si osserva l'aumento della temperatura. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Bomba calorimetrica (Mahler) Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Temperatura teorica di combustione Temperatura raggiunta dai prodotti della stessa combustione, cioè dai fumi, nell'ipotesi che non vi siano perdite di calore per convezione, conduzione e irraggiamento (T. di combustione adiabatica) e che la combustione sia completa ed avvenga con la quantità teorica di aria. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Temperatura teorica di combustione Nella pratica industriale i fumi non raggiungeranno mai la temperatura teorica, perché le perdite di calore sono inevitabili e perché è sempre necessario impiegare un certo eccesso di aria al fine di completare la combustione ed evitare la presenza di incombusti nei fumi. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Temperature di combustione (combustione complete) 1980 Litantrace 2040 Carbone amorfo 1800 Petrolio 2200 Benzene 2635 Acetilene 2085 Etano 1875 2050 Metano 2095 2430 Ossido di carbonio 2145 2205 Idrogeno Valori sperimentali °C (adiabatica) Valori teorici calcolati, °C Combustibili Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Temperatura di combustione e incendi Nel caso di incendi la temperatura di combustione effettiva è molto più bassa di quella teorica: eccesso di aria: si hanno perdite di calore sensibile per conduzione, alle quali si aggiungono le perdite per irraggiamento ( Q = σT 4 : legge di Stefan). difetto di aria: si verificano forti perdite per calore latente, dovute alla combustione incompleta, che ha come conseguenza la presenza di incombusti nei fumi (CO, particelle carboniose, gas prodotti dalla pirolisi,ecc.) Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Temperatura di accensione “ E’ la minima temperatura alla quale il materiale all'aria comincia a bruciare e continua a bruciare senza apporti di calore dall'esterno”. Non è direttamente legata alla costituzione chimica di una sostanza: lo è solo in modo indiretto. Ciò sta a significare che non la si può calcolare teoricamente, come si fa con quella di combustione. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Velocità di combustione Comb. lenta: il calore di combustione si libera in modo graduale nel tempo, tanto che le zone circostanti non riescono a scaldarsi fino ad arrivare anch'esse a combustione; anche se la si innesca dall'esterno, la combustione non si mantiene. Comb. veloce: il calore di combustione si sviluppa anch'esso rapidamente, in modo concentrato nel tempo e le zone circostanti si scaldano tanto da arrivare anch'esse a bruciare, così facendo scaldano le altre zone vicine con andamento che si autosostiene; Comb. molto veloce: si ha una vera reazione a catena e si può arrivare alla deflagrazione o anche all'esplosione. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Fattori che influenzano la T. di accensione: il tenore di ossigeno: un suo aumento abbassa la temperatura di accensione. la pressione: un suo incremento corrisponde quasi ad una maggior quantità di ossigeno nel senso che abbassa il valore della temperatura di accensione. L'andamento non è lineare. lo stato di suddivisione (sol. e liq.): maggiore il loro grado di dispersione o suddivisione (goccioline, polveri), più bassa a parità di altri fattori la loro temperatura di accensione. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Corso di specializzazione di prevenzione incendi Energia di accensione Per avere l'accensione di una miscela aria combustibile, al di sotto della temperatura di accensione, è necessaria la presenza di un innesco, cioè di una fonte di ignizione. Le possibili fonti di ignizione differiscono per energia fornita, durata e livello di temperatura. L'energia di accensione deve consentire che almeno una parte della miscela si porti alla temperatura di accensione (o autoaccensione). L'energia di accensione è minima alla concentrazione stechiometrica. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Es. di fonti di ignizione: - fiamme, calore diretto, superfici calde; - saldature e taglio alla fiamma; - scintille di origine meccanica; - energia chimica; - surriscaldamento; - elettricità statica; - apparecchi elettrici. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Corso di specializzazione di prevenzione incendi Energia di accensione Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Corso di specializzazione di prevenzione incendi Energia di accensione Acetilene 0.02 mJ Carbone 60 “ Idrogeno 0.02 “ Metano 0.2 “ Ossido di etilene 0.087 “ Polipropilene 30 “ Propano 0.3 “ Propilene 0.282 “ Zolfo 15 “ Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Modalità di propagazione della fiamma Il calore sviluppato dalla reazione viene ceduto allo strato di combustibile immediatamente adiacente, che si riscalda e reagisce a velocità elevata. Si forma un fronte di reazione (fronte di fiamma) che si muove dai gas combusti verso la miscela fresca. I gas combusti hanno elevata temperatura ma scarsa attività chimica, mentre la miscela combustibile, che deve ancora reagire, è a bassa temperatura. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Modalità di propagazione della fiamma La velocità di propagazione della fiamma, ossia quella a cui si muove il fronte di fiamma, è governata, in prima approssimazione, dalla velocità di conduzione del calore. Si possono avere due distinti fenomeni: la deflagrazione – si ha quando il fronte di fiamma si mantiene piano e la velocità di propagazione è di qualche m/s (inferiore a quella del suono); Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Modalità di propagazione della fiamma la detonazione – si sviluppa quando il fronte di fiamma è frastagliato e turbolento e si può avere una autoaccelerazione della fiamma che si propaga ad una velocità dell'ordine delle migliaia di m/s (superiore a quella del suono); nella detonazione si creano onde di compressione che si propagano nella miscela combustibile come un'onda d'urto che precede il fronte di reazione. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Modalità di propagazione della fiamma Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Limiti di infiammabilità Generalmente i limiti inferiori e superiori di infiammabilità sono rispettivamente pari a 0.5 e 2 volte la concentrazione stechiometrica. In alcuni casi, uno dei due limiti di infiammabilità può addirittura non esistere, come avviene per gas o vapori che subiscono una decomposizione esplosiva, come l'idrazina o l'ossido di etilene. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Limiti di infiammabilità I limiti di infiammabilità di gas e vapori sono generalmente espressi come percentuale in volume del combustibile nella miscela aria - combustibile. nel caso di polveri, i limiti di infiammabilità sono espressi come peso di polvere per unità di volume di aria (tipicamente mg/litro) ad una maggiore ampiezza del campo di infiammabilità, corrisponde una maggiore pericolosità del prodotto. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Limiti di infiammabilità 11 2.4 Propilene 9.5 2.1 Propano 100 3.0 Ossido di etilene 15 5.0 Metano 75 4.0 Idrogeno 37 2.7 Etilene 8,5 1,5 Butano 7,0 0,7 Benzina 7.9 1.3 Benzene 28 Ammoniaca 26,6 5,5 Alcool metilico 19 3.3 Alcool etilico 2.5 Acetilene Limite sup. (% vol) Limite inf. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Limiti di infiammabilità Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Limiti di infiammabilità di miscele gassose 100 L = ------------ % (Vi/Li) dove: L = limite inferiore (o superiore) di infiammabilità della miscela Li = limite inferiore (o superiore) di infiammabilità del componente i Vi = percentuale in volume del componente “i” nella miscela Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Corso di specializzazione di prevenzione incendi Esempio numerico Consideriamo un gas naturale la cui miscela ha la seguente composizione: metano 80% Li = 5.0 etano 15 % Li = 2.9 propano 4 % Li = 2.1 butano 1 % Li = 1.8 Linf = 100/(80/5 + 15/2.9 + 4/2.1 + 1/1.8) = 4.2 % Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Limiti di infiammabilità dei liquidi Nel caso di vapori sprigionati da combustibili liquidi,i limiti di infiammabilità, a parità di volume, possono essere espressi anche in termini di temperatura. Infatti la concentrazione del vapore è proporzionale alla sua pressione parziale che eguaglia la tensione di vapore del liquido alla temperatura T (dalla relazione di equilibrio pi = psi(T)). Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Corso di specializzazione di prevenzione incendi Esempio numerico L'alcool etilico ha i seguenti valori del campo di infiammabilità: Linf = 3.3 %; Lsup = 19 %. A pressione atmosferica (760 mm Hg) i corrispondenti valori di pi sono: pinf = 760x3.3/100 = 25.08 mm Hg psuP = 760x19/100 = 144.40 mm Hg Dalla figura nella diapositiva successiva, che riporta la curva di tensione di vapore di alcuni combustibili in funzione della temperatura, si ottiene: Tinf = 12.7 ° C TsuP = 43.3 ° C N.B.: Questi valori sono validi nell'ipotesi che l'aria sia satura di vapore; ciò è ragionevole in prossimità del pelo libero. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Tensione di vapore e Temperatura Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Temperatura (o Punto) di infiammabilità La T. di infiammabilità (Flash Point) è la temperatura minima (più bassa) in corrispondenza della quale il vapore sviluppato da un liquido forma con l’aria una miscela che si infiamma in presenza di innesco e mantiene la combustione La temperatura del punto di infiammabilità corrisponde circa al limite inferiore di infiammabilità. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Corso di specializzazione di prevenzione incendi Martens (vaso chiuso - per derivati del petrolio con p.to inf. > 50 °C) Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Abel – Pensky (per derivati del petrolio con p.to inf. fino a 50 °C) Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Corso di specializzazione di prevenzione incendi Cleeveland (vaso aperto - per derivati del petrolio con p.to inf. > 50 °C ) Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Influenza della temperatura sull'infiammabilità La temperatura influenza il grado di infiammabilità agendo sulla velocità di reazione, sui limiti di infiammabilità, sulla tensione di vapore, sulla velocità di propagazione della fiamma, ecc. Solitamente, aumentando la temperatura, la zona di infiammabilità si allarga, attraverso la diminuzione del limite inferiore e, soprattutto, l'aumento del limite superiore. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Influenza della temperatura sull'infiammabilità Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Influenza della pressione sull'infiammabilità Anche la pressione influenza i limiti di infiammabilità, la velocità di reazione, la velocità di propagazione della fiamma, ecc. All'aumentare della pressione la zona di infiammabilità si allarga, soprattutto per l'aumento del limite superiore, come osservato in precedenza per gli effetti della temperatura, mentre al diminuire della pressione la sua ampiezza si riduce. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Influenza della pressione sull'infiammabilità Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Temperatura (o Punto) di infiammabilità Nel caso di materiali liquidi (benzine, gasoli, olii combustibili, solventi, ecc) si ha una, maggior difficoltà nel definire in modo univoco il concetto di infiammabilità, in quanto ad ogni temperatura i liquidi sono in equilibrio con i loro vapori. La temperatura del punto di infiammabilità corrisponde circa al limite inferiore di infiammabilità. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Grado di infiammabilità Possiamo a questo punto definire il grado di infiammabilità o più in generale parlare di infiammabilità di una sostanza, come la misura della sua tendenza a dar luogo ad incendi ed esplosioni. Tale parametro dipenderà dai fattori evidenziati nella successiva tabella. Corso di specializzazione di prevenzione incendi

Grado di infiammabilità più è alta - velocità della fiamma più è bassa - energia di accensione -temperatura di accensione o autoaccensione più sono distanti tra loro - limiti di infiammabilità - temperatura di infiammabilità (per i combustibili liquidi) Il grado di infiammabilità aumenta quanto Corso di specializzazione di prevenzione incendi