Miscele ibride

Definizione

Una miscela ibrida è un’atmosfera esplosiva che contiene contemporaneamente polvere combustibile e un gas, un vapore o una nebbia combustibili. Il termine descrive quindi il caso limite tra i due ambiti classici della protezione contro le esplosioni – l’esplosione di gas e quella di polveri –, per i quali valgono rispettivamente zone, categorie di apparecchiature e parametri specifici.

Dal punto di vista della sicurezza, una miscela ibrida non è la somma dei suoi componenti, ma deve essere valutata autonomamente. È fondamentale sottolineare che una miscela ibrida può essere infiammabile, anche se né la frazione di polvere né quella di gas raggiungono, da sole, il rispettivo limite inferiore di esplosività.

Effetto sui parametri di esplosività

Già piccole percentuali di gas o vapori infiammabili modificano notevolmente il comportamento di una miscela polvere-aria:

L’energia minima di accensione (MZE) diminuisce notevolmente. Fonti di accensione che sarebbero irrilevanti per la polvere pura – come ad esempio deboli scariche elettrostatiche – possono risultare sufficienti. Questo è il cambiamento più importante dal punto di vista pratico.
La velocità di aumento della pressione aumenta. Il valore Kst della miscela è superiore a quello della polvere pura; il tempo di reazione a disposizione dei sistemi di protezione si riduce.
La sovrapressione massima di esplosione pmax aumenta. Il carico di progetto per la progettazione dei serbatoi aumenta.
I limiti di esplosione si spostano. Il limite inferiore di esplosione della miscela è inferiore ai limiti individuali della polvere e del gas.
La temperatura minima di accensione può diminuire. Di conseguenza, le temperature superficiali ammissibili e le classi di temperatura diventano più restrittive.

Questi effetti non sono lineari e non possono essere calcolati a partire dai singoli parametri caratteristici. Solo la prova della miscela effettiva in condizioni realistiche fornisce valori attendibili.

Dove si formano le miscele ibride nella tecnologia di miscelazione

Nella lavorazione delle polveri, le miscele ibride sono più frequenti di quanto sembri a prima vista. Configurazioni tipiche:

Aggiunta di liquidi alle polveri: spruzzatura o dosaggio di oli, aromi, oleoresine, alcol o soluzioni alcoliche nel processo di miscelazione in corso
Granulazione e istantizzazione: formazione di agglomerati con leganti contenenti solventi
Rivestimento e coating: applicazione di soluzioni o sospensioni sulle superfici delle particelle
Miscelazione-essiccazione sotto vuoto e sintesi: evaporazione di solventi organici in un apparato carico di polvere
Solventi residui nella materia prima: polveri provenienti da processi a monte che contengono ancora componenti volatili e li rilasciano nella camera di miscelazione
Prodotti che rilasciano gas: sostanze che, in caso di aumento della temperatura o sollecitazioni meccaniche, rilasciano prodotti di decomposizione infiammabili

Occorre prestare particolare attenzione all’ultimo caso: un processo che, in base alla progettazione, è puramente polverulento può trasformarsi involontariamente in un processo ibrido a causa di umidità residua, solventi residui o decomposizione.

Conseguenze per la suddivisione in zone e la scelta delle apparecchiature

In presenza di una miscela ibrida, la suddivisione in zone basata esclusivamente sulla polvere non è più applicabile. È necessario valutare entrambe le atmosfere:

L’area interessata deve essere classificata sia in relazione alle zone di gas 0, 1 e 2, sia in relazione alle zone di polvere 20, 21 e 22.
Le apparecchiature e i sistemi di protezione devono soddisfare il requisito più severo tra i due – sia per quanto riguarda la categoria dell’apparecchiatura e il livello di protezione, sia per quanto riguarda il tipo di protezione contro l’accensione e la classe di temperatura.
La marcatura deve attestare l’idoneità per entrambe le atmosfere, ovvero sia per il gruppo di apparecchiature G che per il gruppo D.

Anche l’efficacia delle singole misure di protezione varia: le misure progettate per la polvere – come le considerazioni sullo strato limite relative ai depositi di polvere – non sono efficaci in presenza di gas e, viceversa, i sistemi di ventilazione progettati per i gas hanno un’efficacia limitata in presenza di polvere.

Conseguenze progettuali per gli apparecchi

Struttura resistente agli urti di pressione: La pressione di progetto deve essere determinata sulla base dei valori caratteristici della miscela ibrida. Un apparecchio dimensionato per la polvere pura può risultare sottodimensionato.
Scarico della pressione: le superfici di scarico necessarie aumentano, poiché la pressione cresce più rapidamente. In presenza di vapori di solventi, lo scarico all’aperto è spesso inammissibile; in tal caso occorre valutare l’impiego di sistemi senza fiamma.
Inertizzazione: nel caso di miscele ibride, la riduzione del tenore di ossigeno rappresenta spesso la soluzione più economica e sicura, poiché copre contemporaneamente entrambe le atmosfere. Ciò richiede un’alimentazione controllata di gas e un monitoraggio dell’ossigeno.
Disaccoppiamento dalle esplosioni: a causa della maggiore velocità della fiamma, il disaccoppiamento rispetto alle parti dell’impianto a monte e a valle risulta particolarmente critico.
Prevenzione più rigorosa delle fonti di accensione: a causa della bassa energia minima di accensione, assumono ulteriore importanza la messa a terra continua, la compensazione di potenziale, la prevenzione delle scintille meccaniche e la limitazione delle temperature superficiali.
Tenuta e convogliamento del gas: l’apparecchio dovrebbe essere realizzato in modo da essere a tenuta di gas, affinché i vapori non fuoriescano nell’ambiente creando lì una zona gassosa aggiuntiva.

Direttive e norme

La valutazione delle miscele ibride avviene nell’ambito delle stesse direttive applicabili al resto della protezione contro le esplosioni, in particolare la direttiva 2014/34/UE relativa agli apparecchi e ai sistemi di protezione e la direttiva 1999/92/CE relativa agli obblighi dei gestori. I fondamenti metodologici sono forniti, tra l’altro, dalla norma EN 1127-1 per i principi e la metodologia della protezione contro le esplosioni, nonché dalla norma VDI 2263 per gli incendi da polveri e le esplosioni di polveri. Le miscele ibride devono essere espressamente indicate come tali e valutate nel documento di protezione contro le esplosioni.

Indicazioni pratiche

Acquisire il processo nella sua interezza: tutte le sostanze che vengono immesse nel miscelatore o che possono formarsi al suo interno devono essere prese in considerazione – compresi i detergenti, i solventi residui e i prodotti di decomposizione.
Determinare i parametri caratteristici della miscela: i valori riportati in letteratura per la polvere pura non sono attendibili nel caso di miscele ibride. È necessario analizzare la miscela reale in un laboratorio certificato.
Definire tempestivamente: il fatto che un processo sia ibrido determina la tipologia costruttiva, la pressione di progetto e il concetto di protezione. Una conversione a posteriori è decisamente più onerosa rispetto alla sua considerazione nella fase di progettazione.
Verificare le modifiche alla formulazione: la sostituzione di un legante o di un vettore di aromi può trasformare un processo finora puramente polveroso in un processo ibrido.