Quando si tratta di gas infiammabili, si parla di gas naturalmente presenti (ad esempio il metano), sostanze pure infiammabili (ad esempio l’idrogeno) e prodotti di evaporazione da sostanze o liquidi infiammabili e volatili (ad esempio l’acetone).
Quando si lavora con gas infiammabili ed esplosivi, è di vitale importanza conoscere i limiti operativi di tali sostanze. Per questo motivo, è sempre consigliabile leggere le schede di sicurezza fornite con i prodotti con cui si lavorerà , per rimanere informati sui rischi.
In questo articolo, discutiamo delle caratteristiche dei seguenti gas infiammabili: Ammoniaca, Acetilene, Butano, Monossido di carbonio, Idrogeno, Metano, Propano, Etano, Etilene, Silano e Trifluoruro di cloro.
Definizioni di Gas e Vapori
Per definizione, secondo il Sistema Armonizzato Globalmente per la Classificazione e l’Etichettatura delle Sostanze Chimiche (GHS): Un gas infiammabile è un gas che ha un intervallo infiammabile alle condizioni standard di temperatura e pressione (STP) di 20℃ e 101,3 kPa. Queste sono considerate condizioni normali.
- “I gas” si riferiscono a materiali che sono in uno stato gassoso nelle normali condizioni atmosferiche. Esempi di ciò sarebbero l’idrogeno o il metano.
- “I vapori” si riferiscono ai gas sopra un materiale che è liquido nelle normali condizioni atmosferiche ma emette gas all’interno dell’intervallo infiammabile in tali condizioni atmosferiche.
Gas Inerti, Ossidanti e Gas Infiammabili
I gas sono tipicamente categorizzati in tre distinti gruppi:
- Ossidanti
- Gas Inerti
- Gas Infiammabili
Qualcosa che è inerte semplicemente non reagisce con altre sostanze, come i gas nobili elio, argon, cripto, neon e radon. Un altro gas inerte ben noto è l’anidride carbonica.
L’ossigeno non è infiammabile, né lo è il gas di bromo, ma entrambi sono agenti ossidanti e supportano una combustione vigorosa. Il bromo, l’unico elemento non metallico liquido, diventa gas solo a 58℃, cosa che non accade normalmente sulla superficie terrestre, dove la temperatura più alta registrata è stata di 56,7℃ nella Valle della Morte nel 1913.
Con questa comprensione degli ossidanti e dei gas inerti, concentriamoci ora sul tema principale: i gas infiammabili.
Limiti di Infiammabilità – Quando si Accende un Gas Infiammabile?
Cosa sono LEL & UEL?
Quando un gas infiammabile si mescola con l’ossigeno nelle proporzioni corrette e incontra una sorgente di accensione, può causare esplosioni o incendi.
Molti dispositivi elettronici per consumatori hanno il potenziale di generare archi elettrici, motivo per cui possono diventare fonti di accensione. Questa è la ragione per cui gli operatori in aree pericolose devono utilizzare attrezzature specializzate, come la nostra fotocamera intrinsecamente sicura.
Il Limite Inferiore di Esplosione (LEL) e il Limite Superiore di Esplosione (UEL) sono come si può immaginare: al di sotto del LEL o al di sopra dell’UEL, un gas altrimenti combustibile non forma un pericolo di esplosione. Ad esempio, il gas di idrogeno ha un intervallo molto ampio e crea un’atmosfera esplosiva quando la sua concentrazione nell’aria supera il 4%, rimanendo al di sotto del 76%.
Limiti di Infiammabilità vs Limiti di Esplosione
Il limite inferiore di infiammabilità di un gas infiammabile specifico determina la concentrazione minima del gas miscelato con l’aria necessaria per formare una miscela infiammabile. In altre parole, solo quando un gas infiammabile è mescolato con ossigeno nelle proporzioni corrette può accendersi e dar luogo a un incendio. Tuttavia, è importante notare che una miscela di gas infiammabile e aria non sempre porta necessariamente alla combustione.
Per molte sostanze, i limiti di infiammabilità e i limiti di esplosione sono identici, motivo per cui le persone spesso utilizzano questi termini in modo interscambiabile.
Con questo in mente, molte persone si chiedono come più del 60% dei passeggeri siano sopravvissuti alla caduta di 61 metri e all’incidente del dirigibile Hindenburg, riempito di idrogeno, avvenuto nel 1937. In parole semplici, il gas che fuoriusciva si è acceso mentre si alzava e si è mescolato con l’aria sopra i passeggeri, portando gran parte del calore con sé.
Sì, il materiale setoso e gommoso dell’involucro bruciò, ma il gas stesso era troppo concentrato per esplodere, bruciando piuttosto nell’interfaccia con l’aria. Se avesse invece esplodessero, anziché bruciare, non ci sarebbero stati sopravvissuti.
[Tabella] LEL e UEL per Vari Gas Combustibili
Naturalmente, le concentrazioni necessarie per raggiungere questi livelli pericolosi variano a seconda dei diversi gas coinvolti. Concentrazioni al di sotto del LEL sono troppo “povere” per esplodere; concentrazioni al di sopra dell’UEL sono troppo “ricche”. Esaminiamo alcuni dei gas più comuni:
| Gas (e vapori) | LEL % | UEL % | Commento |
|---|---|---|---|
| Acetone | 2.2 | 13 | Un comune solvente per smalto per unghie. |
| Acetilene | 2.5 | 100* | *Catalizza con alcuni metalli e può decomporsi in modo esplosivo in assenza di ossigeno a pressioni >15 psi. |
| Ammoniaca | 15 | 28 | Fortunatamente, il suo odore intrinseco impedisce che si verifichino concentrazioni significative, tossiche o pericolose. |
| Butano | 1.8 | 8.4 | Il butano è spesso utilizzato come combustibile portatile per cucinare. |
| Monossido di Carbonio | 12.5 | 74 | Sottoprodotto della combustione.. |
| Etere Dimetilico | 3.4 | 27 | Sostituzione del gasolio sintetico. |
| Etere Dietilico | 1.7 | 36 | Troppo infiammabile per l’anestesia; dopo gli anni ’60 sono stati utilizzati sostituti più sicuri. |
| Etano | 3 | 15.4 | Precursore chimico dell’etilene. |
| Etilene | 2.7 | 36 | Utilizzato per la produzione di materie plastiche. |
| Benzina | 1.2 | 7.1 | Un range esplosivo sorprendentemente ridotto! |
| Idrogeno | 4 | 75 | L’idrogeno è l’atomo più semplice. |
| Metano | 5 | 17 | Il metano è il componente principale del gas naturale. |
| Metantiolo | 3.9 | 21.8 | Se le puzzole producessero scintille, l’odore potrebbe essere il minimo dei tuoi problemi con questi potenziali lanciafiamme! |
| Propano | 2.1 | 9.5 | Carburante a bassa impronta di carbonio. |
| Silano | 1 | 100 | Il gas piroforico non ha bisogno di ossigeno. |
| Trifluoruro di cloro | N/A | N/A | Come l’ossigeno, il ClF3 non è combustibile, ma fa sì che tutto ciò con cui entra in contatto generi sottoprodotti infiammabili. |
Fatti Chiave sui Gas Infiammabili più Importanti
Ammonia (NH3)
L’ammoniaca è un gas infiammabile utilizzato principalmente per produrre fertilizzanti per i coltivi. Viene anche impiegata come refrigerante commerciale per la sua convenienza ed efficienza; è dal 3 al 20% più efficiente rispetto alle alternative, il che significa che richiede meno elettricità per produrre la stessa quantità di raffreddamento. Questo la rende ideale per grandi impianti come piste di pattinaggio su ghiaccio, preparazione e conservazione di cibo e requisiti sostanziali di condizionamento dell’aria.
Questo gas infiammabile è corrosivo e tossico per gli esseri umani se rilasciato in grandi quantità . Il suo odore distintivo e potente significa che eventuali perdite verranno individuate rapidamente con una perdita minima di refrigerante, risparmiando denaro sui costi di sostituzione.
Acetilene (C2H2)
A causa della sua elevata esplosività , l’acetilene non può essere compresso in modo sicuro oltre i 15 psi (1 atmosfera). Per questo motivo, viene conservato e trasportato in cilindri a pressioni più elevate, disciolto in acetone, che lo stabilizza.
Per evitare che l’acetilene si separi dall’acetone e formi gas concentrato, i cilindri contengono un materiale poroso. È cruciale mantenere il cilindro in posizione verticale per evitare che l’acetone entri nel regolatore, il che potrebbe causare problemi di sicurezza e qualità .
Butano (C4H10) – Combustibile per la cottura
Il butano è un gas infiammabile economico, incolore e abbondante. Le sue fiamme blu sono ideali per le esigenze di riscaldamento portatile, come la cottura. È sufficientemente sicuro per la cottura, generando calore sufficiente pur avendo un rendimento energetico relativamente basso. Il butano non si volatilizza facilmente in condizioni di freddo, rendendolo uno dei gas infiammabili più conosciuti.
L’iso-butano, d’altra parte, non viene utilizzato come combustibile per la cottura ma è principalmente impiegato come refrigerante. Tuttavia, l’iso-butano è anch’esso un gas estremamente infiammabile, simile al butano normale. Entrambi il butano e l’iso-butano hanno quattro atomi di carbonio, ma differiscono nella loro disposizione strutturale: il butano ha una struttura a catena lineare, mentre l’iso-butano ha una struttura ramificata.
Monossido di Carbonio (CO)
Un sottoprodotto tossico della combustione incompleta di idrocarburi, il CO è infiammabile e può persino essere esplosivo in concentrazioni dal 12,5 al 74% nell’aria. La tossicità del CO deriva dalla sua capacità di legarsi all’emoglobina nei globuli rossi, impedendo loro di trasportare sufficiente ossigeno al corpo e di rilasciare efficacemente il CO.
L’esposizione a livelli anche bassi, come lo 0,03% o 300 PPM, può essere fatale, il che è significativamente inferiore alla concentrazione richiesta per un’esplosione.
Hidrogeno (H2)
Le sostanze più comuni nell’Universo sono l’idrogeno (capace di alimentare reazioni nucleari) e l’elio (a meno che la Materia Oscura non si riveli reale), che costituiscono rispettivamente circa il 73% e il 25% di tutta la materia barionica (fatta di protoni e neutroni). Tutto il resto rientra in quel 2% finale, compresi tutti gli altri 116 elementi chimici nella Tavola Periodica.
Guardando dal punto di vista prospettico, è più facile da capire: le stelle sono grandi e i pianeti sono piccoli. Il Sole è principalmente composto da idrogeno ed elio ed è largo 1,4 milioni di chilometri. L’idrogeno alimenta le reazioni nucleari che permettono al sole di brillare. La Terra ha solo 12.000 km di diametro (meno dell’1% della larghezza del Sole) ed è il pianeta più denso nel nostro Sistema Solare.
La grande caratteristica dell’idrogeno è che questo gas infiammabile è facile da ottenere e brucia pulito, producendo solo acqua e calore come sottoprodotto. È uno dei pochi gas infiammabili che non ha una impronta di carbonio (a parte i costi di produzione).
Metano (CH4) – Gas Naturale
Il gas naturale contiene piccole quantità di etano, butano, pentano, propano e persino elio, ma la stragrande maggioranza è metano. Tutti gli “‑ani” sono inodori, quindi per motivi di sicurezza vengono aromatizzati con qualcosa di molto evidente come il mercaptano etilico o il mercaptano metilico in modo che eventuali perdite siano facilmente rilevabili. Questa aggiunta è ciò che conferisce al gas naturale il suo caratteristico odore di ‘uovo marcio’.
Propano (C3H8)
12.000 persone sono state sfollate per mesi e, in alcuni casi, persino anni, mentre le loro case venivano ricostruite dopo l’esplosione di un deposito di propano durante un trasferimento illegale di carburante da un camion all’altro.
La conseguente conflagrazione è stata innescata da un’esplosione di vapori in ebollizione di liquido (BLEVE) quando i collegamenti e la messa a terra hanno fallito. L’azienda è stata ritenuta colpevole di misure di sicurezza insufficienti e tutte le sue attività sono state chiuse dal governo. Incredibilmente, sono state perse solo due vite.
Il propano si presta alle esigenze di carburante portatile, da automobili e autobus a carrelli elevatori, o come fonte di energia nelle aree rurali. Questo perché è facile liquefare a pressioni e temperature normali e conserva la sua capacità di diventare un gas anche a basse temperature ambientali (a differenza del butano).
Etano (C2H6)
Questo gas infiammabile viene separato nella maggior parte dei giacimenti petroliferi dal petrolio greggio e poi trattato criogenicamente in modo che l’etano si condensi come liquido, lasciando dietro di sé il metano gassoso (e altri). Viene successivamente distillato per rimuovere il propano (e altri) finché resta solo l’etano.
I principali utilizzi dell’etano sono la produzione di etilene per l’industria plastica e la produzione di etilene attraverso il cracking a vapore. Tuttavia, esplorazioni sperimentali nella produzione di policloruro di vinile (PVC) stanno mostrando qualche promessa con significativi risparmi di costi. Inoltre, grazie alla sua abbondante disponibilità , l’acido acetico (acido acetico) può essere prodotto a basso costo in Arabia Saudita. Alcune aziende stanno ora costruendo motori in grado di passare tra diesel ordinario e carburante ad etano.
Questo gas infiammabile è anche utilizzato come refrigerante criogenico super veloce per congelare campioni al microscopio elettronico contenenti acqua. L’acqua di solito si espande quando si congela, rompendo le pareti cellulari e causando una cristallizzazione a blocchi che riflette i fasci di elettroni. L’etano lo raffredda abbastanza velocemente da superare questa sfortunata avventura termica, rendendo i campioni molto più utili.
Etilene (C2H4)
La produzione di etilene, per oltre il 50%, è utilizzata per la produzione di plastica (ad esempio polietilene). Questo gas infiammabile viene ossidato per produrre tensioattivi chimici utilizzati per consentire ai detergenti di rimuovere lo sporco e gli oli dalle superfici (mani, vestiti). È anche il componente principale utilizzato per produrre etanolo (alcol) al di fuori della produzione di birra e distillazione.
L’etilene ossidato può essere trasformato in etilenglicole per l’antigelo del motore dell’automobile attraverso l’idrolisi. La produzione tradizionale del PVC avviene attraverso l’ossiclorurazione, così come il liquido per la pulizia a secco (percloroetilene), tra molti altri.
Questo gas si sviluppa naturalmente, ma è anche un enzima vitale per la maturazione dei frutti, stimolando la crescita di rami, germogli e radici, e indicando alle foglie quando cadere. Tuttavia, può essere prodotto più facilmente che raccoglierlo dalle fonti naturali come le piante.
In una scoperta del 2021, è emerso un nuovo enzima (methylthio-alkane reductase) che rilascia etilene catturando zolfo quando è carente di ossigeno. Ciò potrebbe portare a renderlo una fonte biologica economica per l’industria della produzione di plastica, riducendo la necessità di input petroliferi e combustibili fossili.
Silano (Tetraidruro di Silicio) (SiH4)
Questo gas piroforico (e tossico) viene utilizzato per la deposizione di silicio puro nella produzione di semiconduttori elettronici, poiché si separa abbastanza facilmente dai suoi legami deboli con l’idrogeno. Tuttavia, la sua natura piroforica significa che subirà accensione spontanea quando esposto all’aria. I pericoli sono intrinseci, quindi richiede una manipolazione attenta in ogni momento.
I produttori giapponesi di celle solari hanno trovato un modo per moderarne il pericolo mescolandolo con gas idrogeno. Le loro celle solari si sono rivelate ancora più stabili di prima, un beneficio aggiuntivo grazie a una manipolazione più attenta.
Trifluoruro di Cloro (ClF3) – Il Gas Più Infiammabile?
Sebbene non sia effettivamente infiammabile di per sé, è composto da due elementi altamente reattivi, cloro e fluoro, che non sono particolarmente desiderosi di essere legati insieme. Pensatelo come un Super-Ossigeno, che supporta l’ossidazione su una scala terrificante, capace di far scoppiare in fiamme praticamente tutto ciò che tocca. Aggiungetelo all’acqua, ad esempio, e genererà gas cloro e acido fluoridrico, insieme a un calore immenso. Se entra in contatto con materiali biologici (ad esempio, la pelle), scoppierà in fiamme vigorose, ma persino sabbia o cemento normale bruceranno facilmente.
È così corrosivo che può essere conservato solo in rame, nichel o leghe di rame-nichel (“Monel”). Questi metalli sono sicuri perché reagiscono per formare uno strato di lega a base di fluoro che protegge il metallo sottostante da ulteriori interazioni. Nella sua forma gassosa, provoca irritazione del naso e delle vie respiratorie, infiammazione polmonare, edema polmonare (accumulo di liquidi nei polmoni), e l’esposizione rappresenta un grave emergenza medica.
Esempi di Atmosfere con Gas Esplosivi
Come spiegato precedentemente, sono necessari tre elementi per causare un incendio o un’esplosione: combustibile, ossigeno e una fonte di accensione. Questa fonte di accensione potrebbe essere costituita da apparecchiature elettriche che producono scintille o da una superficie calda con una temperatura elevata.
Approfondiamo scenari di vita reale per comprendere come solitamente avvengono incendi o esplosioni.
Metano – Esplosioni Domestiche
Perdite di metano sono un pericolo costante. Questo gas è più leggero dell’aria, impedendo che si accumuli a livelli più bassi. Tuttavia, il metano, essendo un sottoprodotto dell’attività batterica nei sistemi fognari, può accumularsi nel sottosuolo, rappresentando un significativo rischio di esplosione.
Impianti di Verniciatura a Spruzzo – Esplosioni industriali
Le industrie che utilizzano solventi devono applicare rigorosi protocolli di sicurezza. Ad esempio, gli impianti di verniciatura a spruzzo spesso impiegano tende d’acqua per intrappolare gli spruzzi in eccesso, convogliandoli in un’area di ri-processamento. Inoltre, in alcuni processi, le parti metalliche sono cariche negativamente, e gli spruzzatori di vernice sono carichi positivamente, migliorando l’efficienza dell’applicazione della vernice.
Altre Potenziali Fonti di Perdite:
- Durante il processo di riempimento delle botti, un punto critico per la rilevazione e la prevenzione delle perdite.
- Alle flange nei sistemi di tubazioni, dove mantenere l’integrità della guarnizione è cruciale per evitare perdite.
- Intorno ai vetri di controllo nelle attrezzature, poiché questi componenti possono essere vulnerabili alle perdite se non vengono adeguatamente mantenuti o installati.
L’industria del petrolio, che gestisce una varietà di volatili infiammabili, richiede la massima prudenza. Le loro operazioni sono in gran parte chiuse, garantendo che la maggior parte dei sottoprodotti venga catturata per ulteriore lavorazione, come cracking e distillazione, o riutilizzata per la generazione di energia o come materia prima aggiuntiva.
Gas Infiammabili e Schede di Sicurezza
È cruciale leggere attentamente le schede di sicurezza (SDS) fornite per tutti i gas infiammabili con cui si lavora al fine di prevenire incendi, esplosioni e altri pericoli. In quasi ogni situazione, la legge richiede la revisione delle SDS prima di interagire con un gas infiammabile.
Ciò è particolarmente importante per i nuovi prodotti, poiché potrebbero presentare caratteristiche significativamente diverse rispetto a prodotti con cui si è più familiarizzati. La SDS per un gas specifico può generalmente essere trovata sul sito web del produttore o del fornitore, e anche sul sito web del NIH, che fa parte del Dipartimento della Salute e dei Servizi Umani degli Stati Uniti.
In Conclusione
Comprendere i gas infiammabili è fondamentale per prevenire situazioni pericolose. Questi gas, che vanno dai comuni articoli per la casa come il solvente per unghie fino ai combustibili industriali essenziali, svolgono un ruolo significativo in varie applicazioni.
Ogni tipo di gas infiammabile, che sia ammoniaca, butano o altro, ha le sue proprietà uniche e i rischi associati. Il rigoroso rispetto delle Schede di Sicurezza è cruciale per mitigare questi rischi e evitare situazioni pericolose.
Rimanendo informati ed esercitando cautela, possiamo utilizzare in modo efficace questi gas, garantendo sicurezza e benessere sia nell’ambiente personale che professionale.
