Quanto pesa un gas?
E quanto pesa un gas infiammabile?
Questa è una delle domande maggiormente dirimenti per chi si occupa di sicurezza di processo. Discuto di atmosfere esplosive ma non solo. Pensiamo solo agli scenari connessi all’inertizzazione, all’accesso a spazi confinati, alle metodologie di monitoraggio e controllo, agli aspetti di rilascio e dispersione. E a molto altro ancora.
Insomma, la comprensione di quanto “pesi” un gas appare di rilevanza capitale in ogni valutazione di rischio.
Il problema, tuttavia, non si limita ad identificare il valore assoluto del parametro di densità ma si estende alla relazione tra questo e la densità dell’aria. Cioè un banale numero adimensionale maggiore, minore o uguale all’unità dal quale dipende la sicurezza delle persone.
Precisazione: quella che di seguito andremo a discutere è la densità relativa all’aria di un gas DOPO le vicissitudini di emissione. Non necessariamente, infatti, gas leggeri, se rilasciati allo stato liquido, generano nubi “leggere”. Mentre infatti è facilmente intuibile la formazione di nubi dense e pesanti dovute a pozze liquide in ebollizione a temperatura ambiente di propano, butano, cloro lo è meno nel caso dell’LNG e dell’ammoniaca. Chiusa la precisazione.
Come stabiliamo, dunque, se a condizioni atmosferiche la densità di un gas è maggiore o minore rispetto all’aria (disidratata)? Grazie a questa formula studiata da tutti noi in prima o seconda superiore:
Poiché pa [101325 Pa], Ta [293 K] ed R [J/(kmol K)] sono uguali per tutte le valutazioni, il parametro chiave è M, la massa molare che nel caso dell’aria è pari ad M,aria = 28,94 g/mol.
Tutti i gas che possiedono un M maggiore dell’M,aria saranno più pesanti della medesima. E viceversa.
Giunti a questo punto, partiamo dalla cosa più semplice: quanti sono i gas che sono più leggeri dell’aria, ovvero che possiedono massa molare inferiore a 28,94 g/mol?
Risposta: 16, quelli di seguito elencati.
- Idrogeno [H2; 0,07]
- Elio [He; 0,14]
- Gas di cokeria [Miscela di gas; 0,39]
- Gas di città [Miscela di gas; 0,46 – 0,51]
- Gas naturale [Miscela di gas; 0,5 – 0,65]
- Metano [CH4; 0,55]
- Ammoniaca anidra [NH3; 0,59]
- Fluoruro di idrogeno [HF; 0,69]
- Neon [Ne; 0,70]
- Litiometile [LiCH3; 0,76]
- Acetilene [C2H2; 0,90]
- Cianuro di idrogeno [HCN; 0,93]
- Diborano [B2H6; 0,96]
- Monossido di carbonio [CO; 0,97]
- Azoto [N2; 0,97]
- Etilene [C2H4; 0,97]
Peraltro, se vogliamo focalizzarci sui soli gas infiammabili il numero si riduce a 12 (quelli in grasseto sono infatti inerti).
C’è da aggiungere che la categoria dei gas leggeri infiammabili propriamente detti contempla i soli gas/miscele che possiedono un rapporto di densità con l’aria inferiore a 0,8[1]. Con questa definizione riduciamo ulteriormente la coorte a soli 6 gas dei 16 di partenza (il litiometile è, infatti, chimicamente instabile e per questo non computabile in ambito ATEX).
Se vogliamo poi rapportare questo numero alla totalità dei gas infiammabili noti (facendo esplicito riferimento alle 314 tipologie riportate in CEI 31:35:2012) scopriamo che i gas leggeri sono solo l’1,9% del totale dei gas infiammabili pericolosi.
uno virgola nove percento
Come del resto si comprende chiaramente dalla figura seguente.
Quanto sopra esposto è sufficiente per affermare che i gas leggeri sono poco rappresentativi del rischio dovuto ad atmosfere esplosive?
No, certo che no.
I gas leggeri (idrogeno, gas naturale, ammoniaca e acetilene), pur essendo una frazione limitatissima dell’universo potenziale, trovano applicazioni estremamente diffuse ed estese.
Riepiloghiamo?
Utilizzando il database CEI 31-35:2012 i gas sono suddivisibili nelle seguenti classi:
I gas pesanti[2] sono molti e si ritrovano, in ambito industriale, in parecchie applicazioni differenti, specifiche e frazionate. I gas leggeri, per converso, sono molto meno numerosi ma hanno applicazioni molto più estese e trasversali.
I gas leggeri sono “orizzontali”
I gas pesanti sono “verticali”
Ed ora, giunti alla fine di questo strano post, un piccolo test: “si elenchino, per densità via via crescente, i sei gas infiammabili leggeri discussi in precedenza”.
Ci siamo riusciti?
Bene, lo scopo è stato raggiunto.
Alla prossima e… buone festività ai miei due lettori. Che saranno certamente anomale. Ma che saranno certamente festività.
Marzio
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[1] Per converso si definiscono vapori più pesanti dell’aria a partire da rapporti di densità superiori ad 1,2. Densità relative comprese tra 0,8 e 1,2 hanno comportamenti tipicamente passivi e molto influenzati dalle condizioni atmosferiche (es. inversione termica, presenza di piccole correnti ascensionali, ecc.)
[2] Attenzione a non confondere il concetto di gas pesante, applicabile in ambito ATEX, con quello di gas denso, connesso alla modellazione di dispersione ingegnerisca di tipo SLAB. Non sempre infatti i gas con massa molare più bassa dell’aria sono gas leggeri e non sempre i gas con peso molecolare superiore all’aria sono gas densi. Un parametro importante, in questo senso, è rappresentato dalla temperatura dell’emissione. Inoltre, la presenza di una emissione spray può rendere il gas denso dato che l’evaporazione delle nebbie disperse sottrae calore al gas emesso facendolo raffreddare.