Riassunto di Ambiente e sicurezza nei processi chimici

Ambiente e sicurezza nei processi chimici

Definizione di rischio e struttura impianti chimici

Concetti di pericolo e rischio
Il pericolo è una proprietà intrinseca di un determinato fattore avente il potenziale di causare danni. Il rischio è la probabilità di raggiungimento del livello potenziale di danno nelle condizioni di impiego o di esposizione a un determinato fattore o agente o alla loro combinazione. Per avere rischio nullo è necessario eliminare il relativo fattore di rischio.

Effetti acuti: conseguenze immediate sul soggetto; Rischio = Probabilità x Magnitudo.
Effetti cronici: conseguenze che si manifestano sul soggetto in tempi successivi all’esposizione. Rischio legato a concetti di probabilità e dose.

Classificazione dei rischi:

• Per la sicurezza
• Per la salute

Prevenzione: definizione di interventi (o misure) finalizzati alla riduzione della probabilità di accadimento (o della frequenza) di un evento. Interventi di riduzione attiva del rischio.

Protezione: definizione di interventi finalizzati alla riduzione delle conseguenze di un evento. Interventi di riduzione passiva del rischio.

Rischio chimico, tossicologia, campionamenti

Campionamenti
Esempio – produzione tessuti in poliuretano

Campionamento di sostanze pericolose entro un ambiente di lavoro. Al fine di poter individuare il luogo più adatto dove sistemare i campionatori e, successivamente, dimensionarli è necessario:

• Analizzare qualitativamente il processo: descrizione processo (cosa viene prodotto, materie prime, fasi del ciclo produttivo).
• Individuare i fattori di rischio chimici ad esso connessi ed i luoghi in cui essi possono venire a contatto con i lavoratori (Individuazione dei fattori di rischio nella linea di spalmatura in DMF, agenti fisici ed agenti chimici. Luoghi di contatto: Sezione di manipolazione della mescola e Sezione di spalmatura).
• Reperire ed analizzare le schede di sicurezza di tutte le sostanze pericolose individuate (poliuretano e DMF).
• Quantificare teoricamente le emissioni di tutte le sostanze pericolose individuate (Nel dimensionamento i dispositivi di campionamento si terrà conto solo della presenza di DMF come sostanza da campionare in quanto poliuretano non pericoloso).
• Dimensionare i dispositivi di campionamento (assorbitore per determinare la concentrazione di DMF in ambiente; un adsorbitore a carbone attivo per determinare la concentrazione di DMF nel condotto di aspirazione del forno).
• Valutare gli errori nel campionamento.

Definizione di assorbimento

È un'operazione che consiste nel trasferimento di uno o più componenti presenti in una miscela gassosa (soluto/soluti) entro una fase liquida (liquido assorbente). Per la depurazione ed il campionamento di correnti gassose (aria) vengono impiegati:

• Assorbimento fisico: il soluto è chimicamente inerte nei confronti del liquido assorbente (il processo è favorito da elevate pressioni e basse temperature).
• Assorbimento chimico: il soluto reagisce chimicamente con il liquido assorbente o un composto in esso disciolto.

Gli assorbitori sono apparecchiature che lavorano, generalmente, a temperatura e pressione costanti. In entrambe le tipologie di assorbimento la velocità di trasferimento del soluto (gas→liquido) è proporzionale a una forza motrice (gradiente di attività) che misura lo scostamento dalle condizioni di equilibrio termodinamico (cui è sempre necessario fare riferimento).

Equilibrio fisico tra le fasi in contatto

Il liquido assorbente in un processo di purificazione/campionamento di correnti gassose viene scelto considerando i seguenti parametri:

• Solubilità del gas/vapore: più elevata risulta la solubilità del gas nel liquido assorbente, minore quantità di ne dovrà essere impiegata.
• Volatilità: è necessario che il liquido assorbente abbia bassa tensione di vapore per evitarne cospicue perdite.
• Viscosità: è necessario che il liquido assorbente sia poco viscoso per diminuire le perdite di carico.
• Costo e disponibilità nel reperimento.
• Tossicità, corrosività, infiammabilità e punto di congelamento.
• Facilità di rigenerazione.

Tempo di campionamento

Dato un errore relativo di campionamento Δ sufficientemente piccolo, per tempi di campionamento molto superiori a quello corrispondente a Δ, il liquido è praticamente saturo di inquinante e non sarà più in grado di assorbirlo. Quindi se campioniamo per tempi troppo lunghi, la misura della concentrazione di inquinante in aria calcolata dalle misure di concentrazione dell’inquinante nel liquido assorbente sarà errata. Aumentare troppo il tempo di campionamento significa aumentare troppo il volume di aria campionata rispetto alla massa di inquinante che effettivamente è stata assorbita dal liquido assorbente.

Definizione di adsorbimento

Interazione chimico-fisica superficiale tra una fase fluida ed una solida, aderenza di uno o più componenti della fase fluida alla superficie del solido. Adsorbimento in fiala: l’aria contenente l’inquinante da campionare viene introdotta in fiale riempite di fase adsorbente.

L-Lb: lunghezza disponibile
tb: tempo di sfondamento (Breakthrough)

Noti: massa massima a saturazione m e la concentrazione approssimativa di inquinante presente in aria da campionare, è possibile calcolare il volume di aria da campionare (Vcamp) per arrivare a saturazione. Fissata una opportuna portata di campionamento (Qcamp) è possibile calcolare il tempo di campionamento.

Dimensionamento campionatori

Assorbitore ad acqua
Scelta della portata di aria di campionamento: la portata dell’aria di campionamento non può essere troppo elevata né troppo bassa (tempi di campionamento eccessivamente lunghi). Una scelta ragionevole della portata dell’aria di campionamento è nell’intervallo: 0.5 – 4 [l/min].

Calcolo del tempo di contatto: Il tempo impiegato dalla DMF per spostarsi dal bulk della bolla alla superficie della bolla stessa e poi migrare in fase liquida è dato dalla legge di Fick: è necessario garantire un tempo di contatto pari a 5 volte il tempo di diffusione. Introducendo un ulteriore fattore di sicurezza (f=3) è possibile calcolare un tempo di contatto bolla/acqua:
t = 3 * 5 * t_{contatto diffusione}

Conosciuto il tempo di contatto bolla/acqua e la portata di aria di campionamento, è possibile calcolare il volume di acqua entro l’assorbitore. Nel campionamento di inquinanti aerodispersi esistono concentrazioni minime e massime dell’inquinante stesso determinabili mediante assorbimento. Al fine di determinare il tempo di campionamento tale per cui non si abbia saturazione del liquido assorbente si utilizza la formula dell’errore relativo di campionamento.

Adsorbitore a carbone attivo
Scelta della portata di aria di campionamento: la portata dell’aria di campionamento non può essere troppo elevata né troppo bassa (tempi di campionamento eccessivamente lunghi). Una scelta ragionevole della portata dell’aria di campionamento è nell’intervallo: 0.1 – 2 [l/min].

Supponiamo di avere a disposizione un adsorbitore la cui massima efficienza di adsorbimento in massa di inquinante è del 30% inquinante/adsorbente. Per evitare di lavorare vicini al punto di saturazione del letto, assumiamo che la massima quantità di inquinante adsorbibile dal letto sia pari al 15% del peso del letto stesso. E’ quindi possibile calcolare:

Stimata la concentrazione di DMF nel condotto di aspirazione del forno [mg/m³], è possibile determinare il volume di aria da campionare. Nota anche la portata di campionamento, Q_camp, è possibile stimare il tempo di campionamento.

Camere di calma e cicloni

Camere di calma
Moto di una particella in un flusso di gas

Con τ = tempo caratteristico di sedimentazione

Camera di calma: modelli di sedimentazione.

Laminare
Ipotesi:

• Particelle aventi stesso diametro e densità sedimentano con la stessa velocità, V_s;
• Non esiste un meccanismo di ridistribuzione delle particelle nella camera. Concentrazione media decrescente linearmente nel tempo t (equivalente lunghezza x):

L’efficienza di abbattimento aumenta linearmente nel tempo.