IMPIANTI CRIOGENICI

 

INTRODUZIONE

Gli impianti criogenici servono per realizzare e mantenere temperature molto basse.

Produzioni e processi criogenici hanno oggi molte applicazioni, ed è perciò importante essere informati sui rischi e sulle procedure per evitarli.

Molti aspetti relativi al comportamento delle diverse sostanze a bassa temperatura sono completamente estranei alla nostra normale esperienza, e ci possono pertanto esporre a rischi cui non siamo abituati. Una appropriata conoscenza èe comunque sufficiente per evitare facilmente i rischi più comuni.

PROPRIETA` DEI FLUIDI CRIOGENICI

 He3

 He4

 H2

N2

CO

F2

 Ar

O2
Peso molec.(amu)  3.00  4.003  2.016 28.01 28.00 38.00 39.95 32
 Ebollizione (K)  3.19  4.22  20.4  77.4  81.7  85.0  87.3  90.2
Punto triplo (K)      13.96  63.1 68.1 53.5 83.8 54.4
Punto triplo (kPa)      7.2  12.5  15.4 0.25 68.9 0.15
 Temp. critica (K)  3.32  5.2  33.2  126.3 132.9 144.3 150.9 154.6
 Press. critica (bar)  1.16  2.27  13.2  34 35 52.2 49.06 50.4
 Densità liq. (kg/m3)    125  71.0  809 792 1502 1393 1141
 Densità liq/vap    7.4  53  175 181 267 241 255

FLUIDI CRIOGENICI E SICUREZZA

Densità dei gas.

Idrogeno ed elio sono molto più leggeri degli altri gas. L'idrogeno forma miscele esplosive con l'aria in un ampio intervallo di concentrazioni; nel caso di fughe di idrogeno vi è pericolo di incendi ed esplosioni nelle zone più alte delle costruzioni, al contrario di quel che avviene con gas infiammabili più pesanti dell'aria. E' essenziale maneggiare l'idrogeno in luoghi con adeguata ventilazione del soffitto.

L'argon è considerevolmente più pesante dell'aria ed è quindi necessario fare attenzione alla sua accumulazione nelle zone basse. E' preferibile rimuovere i gas pesanti dalle ampolle tramite aspirazione piuttosto che per evaporazione in aria; l'aria tende a bollire attraverso il gas denso come se fosse un liquido, senza farlo sparire completamente.

Un gas raffreddato vicino al suo punto di ebollizione è considerevolmente più denso che alla temperatura ambiente. Ad esempio, la densità dell'azoto cresce di quattro volte rispetto al suo valore a temperatura ambiente; mentre si scalda, si comporta come un gas pesante e tende ad accumularsi nei punti bassi. Questo, assieme al fatto che l'azoto è asfissiante, spiega perchè deve esserci una adeguata ventilazione quando si usa azoto liquido come refrigerante.

Punto di ebollizione

L'azoto ha un punto di ebollizione più basso dell'ossigeno. L'aria, miscela di ossigeno e azoto, condensa alla temperatura dell'azoto liquido.

La condensazione dell'aria può portare ad un liquido ad alta concentrazione di ossigeno, perchè l'ossigeno condensa più facilmente dell'azoto. Quando questo liquido è parzialmente vaporizzato, l'azoto vaporizza più facilmente causando un ulteriore arricchimento di ossigeno del liquido non vaporizzato. Al limite è possibile ottenere quasi il 100% di ossigeno in questo modo; non riconoscere questo processo ha portato ad un certo numero di incidenti seri.

Sono stati trovati molti materiali altamente infiammabili in aria arricchiti di ossigeno e bisogna fare attenzione prima di decidere di usarli per un particolare isolatore su una installazione di azoto liquido. L'equipaggiamento criogenico viene fatto con acciaio inossidabile, alluminio e bronzo. Nel caso di acciaio inossidabile, per esempio, la forza tensile è duplicata alla temperatura di azoto liquido, il che dà un margine di sicurezza superiore a quello a temperatura ambiente.

Punto di congelamento

Il fatto che il punto di congelamento dell'argon sia solo 3.5 K inferiore al punto di ebollizione ha provocato diversi fallimenti di impianti dovuto al loro bloccaggio.

Le temperature di ebollizione dell'idrogeno e dell'elio sono così basse da causare il congelamento di tutti gli altri gas. Perciò l'ultimo stadio di purificazione dell'idrogeno e dell'elio prima del raffreddamento deve essere compiuto usando gas "asciutti", dato che l'umidità o qualsiasi altro tipo di gas lasciato nel sistema condenserebbe e si solidificherebbe, provocando il bloccaggio dell'impianto. Nel caso dell'idrogeno, l'aria deve essere purificata dall'azoto prima che l'idrogeno sia introdotto, per evitare la formazione di miscele di gas esplosive. L'ossigeno lasciato nel sistema durante il raffreddamento si deposita come solido e potrebbe esplodere a contatto con l'idrogeno; quindi è importante eliminare completamente l'ossigeno da un circuito ad idrogeno. E' necessario ovunque possibile usare impianti ad idrogeno ed elio con valvole a pressione positiva ad alta tenuta in modo da prevenire infiltrazioni e solidificazioni di aria o altri gas.

Rapporto dei volumi tra gas e liquidi

Il rapporto dei volumi tra gas a temperatura ambiente e liquidi al punto di ebollizione sta tra 450 e 850 per molti fluidi criogenici, ad eccezione del neon con un valore di 1415. Questo rapporto indica la pressione in bar che verrebbe generata dalla vaporizzazione del liquido contenuto in una ampolla alla pressione di 1 bar.

I tubi di trasferimento sono talora inadeguatamente protetti contro le sovrapressioni e questo può condurre a costose perdite e ad esplosioni.

I tubi di trasferimento sono delimitati da valvole. Se, dopo un trasferimento di liquidi criogenici, entrambe le valvole vengono chiuse contemporaneamente intrappolando liquido nel tubo possono sorgere problemi di sovrappressione. Normalmente l'operatore deve chiudere una sola valvola e poi aspettare fino a quando all'interno del tubo si è formato abbastanza gas per risucchiare il liquido fuori dal tubo attraverso la valvola lrimasta aperta; dopo di che anche quest'ultima può essere chiusa. Se l'operatore chiude la seconda valvola troppo velocemente, i liquidi verranno spruzzati dal tubo causando danni all'impianto.

Speciali accorgimenti devono essere presi quando si aggiungono valvole addizionali o controllori all'equipaggiamento già esistente, per assicurare che i liquidi non possano essere intrappolati tra le valvole.

Densità dei liquidi

Le densità dell'idrogeno e dell'elio liquidi sono un ordine di grandezza più piccole delle densità dell'ossigeno e dell'azoto liquidi.

Questo significa che le ampolle costruite per l'idrogeno o l'elio possono essere soggette ad eccezionali pesi meccanici se sono riempite con ossigeno o azoto. La situazione è aggravata dal fatto che le ampolle per l'idrogeno e l'elio vengono progettate per dare la massima protezione contro l'entrata di calore e conseguentemente i loro sistemi di supporto tendono ad essere relativamente fragili.

Similmente, si deve fare attenzione a non sottoporre grandi recipienti a bassa pressione, destinati a contenere fluidi con densità minore dell'acqua, a carichi eccessivi, per esempio riempendoli di acqua per test di pressione.

RISCHI DI COMBUSTIONE

Idrogeno e idorcarburi

Fuoruscite di idrogeno e idrocarburi - Quando un gas infiammabile fuoriesce da un recipiente, l'incontro con l'ossigeno atmosferico comporta la possibilità di combustione ed esplosione. In seguito il fuoco non sarà localizzato in un punto ma si propagherà rapidamente nell'intera area di fuoriuscita del gas. E' molto importante minimizzare le sorgenti di accensione nelle aree dove c'è la possibilità di perdite di gas ed inoltre bisogna essere sempre preparati ad un incendio o ad una perdita di liquido infiammabile. L'energia necessaria per causare un'accensione è approssimativamente di 0.45 mJ per il metano alla pressione di 1 bar in aria, 0.003 mJ per il metano alla pressione di 1 bar in ossigeno e 0.045 mJ per l'idrogeno alla pressione di 1 bar in aria. Il range di infiammabilità del metano in aria a 1 bar di pressione è del 5.0-14% e dell'idrogeno sempre in aria a 1 bar di pressione è del 4.0-74%. A pressioni e temperature sopra a quella ambiente, o con gas inerti oltre all'azoto, il range dovrebbe essere allargato.

Idrogeno - L'espansione rapida dell'idrogeno criogenico quando viene rilasciato nell'ambiente può creare una situazione esplosiva. L'idrogeno brucia con una fiamma quasi invisibile, questo rende necessaria una distanza di sicurezza. Non fumare nei luoghi dove è depositato o usato l'idrogeno liquido. Una fessura in un sistema con idrogeno può provocare l'ignizione elettrostatica del gas che fuoriesce.

Pericoli dell'ossigeno

Fuoruscite di ossigeno - L'ossigeno non brucia ma aiuta la combustione. Perciò, se l'ossigeno fuoriesce in aria (priva di combustibili) non ci dovrebbe essere pericolo d'incendio. Nulla che possa causare incendi dovrebbe essere tenuto nei luoghi dove c'è ossigeno. I recipienti per ossigeno sono molto protetti da isolanti ed estremamente resistenti agli incendi. Recipienti grandi sono usualmente provvisti di una valvola interna con comando a distanza, che può essere chiusa nel caso di perdite causate dai tubi esterni. Le perdite possono essere prevenute o ridotte usando un getto d'acqua direzionato sulla perdita in modo da formare una copertura di ghiaccio. Il personale esposto a una perdita di ossigeno deve essere veloce nell'uscire da pozze di ossigeno liquido perchè esso può provocare il congelamento dei piedi (normali calzature sono comunque una protezione sufficiente). La formazione di nebbia può essere pericolosa in caso di perdita di ossigeno o di qualsiasi liquido a basse temperature e per questo è importante tenere sempre pulita l'area di lavoro.

Arricchimento di ossigeno - La concentrazione normale di ossigeno in aria è del 21%. Un aumento al 25% provoca un incremento significativo della possibilità di incendio. A concentrazioni del 30% e superiori c'è un notevole rischio di incendio per vestiti e simili; una volta incendiati, essi bruceranno con violenza e potranno essere spenti solo con una grande quantità di acqua distribuita su tutto il corpo. Anche alcuni materiali resistenti al fuoco in aria (ad es. pelle, nylon, etc.) possono bruciare in concentrazioni di ossigeno >30%. Incidenti con ossigeno arricchito tendono a succedere in luoghi insufficientemente ventilati. La soluzione più ragionevole è di avere una buona ventilazione, perchè non si può mai essere sicuri che non ci sia una perdita di ossigeno.

La bassa temperatura dei materiali criogenici può condensare l'aria. L'ossigeno, a causa del suo punto di ebollizione più elevato, condensa più rapidamente e evapora più lentamente degli altri gas dell'aria. Così, si può produrre un arricchimento di ossigeno e in presenza di idrogeno si può creare una potente miscela esplosiva.

Avviamento degli incendi

L'arricchimento di ossigeno non causa necessariamente incendi, a meno che non ci sia una causa di inizio. L'energia richiesta per incendiare vestiti ed altri materiali organici diminuisce con l'aumentare della concentrazione di ossigeno.

La maggior parte degli incendi che coinvolgono lavoratori è dovuta a

Altre cause sono:

Precauzioni contro gli incendi dovuti ad ossigeno arricchito

Compatibilità con l'ossigeno

La compatibilità con l'ossigeno descrive la proprietà di resistenza all'accensione di un dato materiale.

Alcuni materiali resistono all'ossidazione e all'accensione sotto praticamente tutte le condizioni di temperatura e pressione. Questi includono vetro, quarzo, e rifrattori di fornace i quali sono già pienamente ossidati, come alcuni metalli tipo oro, rame e nichel.

Composti organici tendono a prendere fuoco sopra un range di temperatura di 250-450 gradi Celsius.

I metalli possiedono un'alta temperatura di accensione in un range di 1000-3000 gradi Celsius.

Molti materiali i quali bruciano violentemente sotto severe condizioni, opereranno, per sicurezza a temperature e pressioni moderate. Grosse precauzioni devono essere prese nella selezione di sfregamenti naturali, sintetici e plastici perchè gli ingredienti usati nelle manifatture possono decisamente influenzare le temperature ai quali essi prendono fuoco. Benchè relativamente povero nella resistenza all'accensione, l'acciaio inossidabile ha il vantaggio di non arrugginirsi e il suo uso in quelle parti di sistemi di ossigeno dove è probabile l'accensione è molto frequente.

Vaporizzazione totale

Si pensa spesso che se un fluido criogenico come l'ossigeno liquido contiene una piccola concentrazione di impurità infiammabile in un punto particolare, nessun pericolo possa esistere. In realtà, se il fluido criogenico è vaporizzato totalmente, certe impurità finiscono col depositarsi come solidi: se la vaporizzazione continua, queste impurità possono arrivare ad avere concentrazioni elevate e pericolose.

ALTRI RISCHI

Confusione tra i prodotti

La confusione fra i prodotti può avvenire se un recipiente contiene il prodotto errato, oppure è stato consegnato nel posto sbagliato, oppure è stato indicato male il prodotto contenuto. Poichè la consegna di un prodotto sbagliato può presentare seri rischi, il ricevente dovrebbe eseguire un controllo analitico del materiale ricevuto. Il tipo di allacciatura dei tubi dovrebbe essere diversa per prodotti diversi, e l'uso di adattatori non dovrebbe mai essere permesso, ma la possibilità che essi siano stati usati non dovrebbe essere esclusa. Un'altra causa di confusione è l'uso del tipo sbagliato di connessione; particolarmente quando si usano linee di tubi molto lunghe, si possono avere allacciature errate tra diversi tubi. Per evitare questi incidenti bisognerebbe sempre verificare che quello che si immette da un capo del tubo sia la stessa cosa che esce dalla parte opposta, e controlli a metà linea non dovrebbero mai essere permessi.

Recipienti pressurizzati

Quando un recipiente pressurizzato è esposto al calore, può subire una rottura catastrofica anche a pressioni molto più basse di quelle di progetto, rendendo tutte le sicurezze inutili. Questo porta ad una espansione ed ebollizione del liquido con conseguente esplosione del vapore; il fenomeno viene chiamato BLEVE (Boiling Liquid Expanded Vapour Explosion) e può essere estremamente distruttivo. Il BLEVE può essere evitato dotando il recipiente di un sistema di spruzzaggio d'acqua, capace di mantenere tenere la superficie del recipiente fresca in caso di incendio. E' importante proteggere tutta la superficie del recipiente, perchè un'area rimasta asciutta può sviluppare un punto caldo e portare alla rottura.

Raffreddamento eccessivo

In alcune installazioni criogeniche possono nascere raffreddamenti inaspettati di parti del sistema. Per esempio l'azoto per ampolle è frequentemente generato da liquidi in vaporizzazione. Se il vaporizzatore manca o diventa pieno il liquido freddo può passare nell'ampolla, la quale, se fabbricata con acciaio morbido si può rompere causando un incidente se c'è pressione nel sistema. Ugualmente, poichè le ampolle di immagazzinamento criogeniche spesso hanno l'esterno in acciaio morbido, se gli scarichi dall'apertura di sicurezza possono urtare sull'esterno del recipiente, c'è la possibilità che esse si rompano.

Utilizzo di valvole idrauliche

In sistemi di ossigeno, o dove c'è pericolo di formazione di ossigeno dovuto alla condensazione di aria atmosferica, è generalmente preferibile l'impiego di attuazione pneumatica per le valvole. L'attuazione idraulica ha perdite di olio le quali possono causare rischi di incendio.

Migrazione fredda

Anche con una buona isolazione, il freddo può trovare la sua via dall'impianto criogenico e dalle cisterne interrate, a meno che non ci sia una barriera positiva di calore. Per questa ragione le cisterne sono usualmente collocate su fessure per assicurare un'apertura per prevenire la trasmissione di calore alla terra. L'isolazione tramite essa però non è sufficiente e si possono avere situazioni rischiose e rotture con conseguenti spese di riparazione molto elevate.

Filtri

Filtri di vario tipo sono usati per rimuovere impurità nei sistemi criogenici. La concentrazione di impurità portata da questi filtri può condurre a rischi se l'operazione delle unità non è propriamente controllata. Il filtro idrocarbonato che opera a basse temperature non potrebbe essere reintrodotto nel circuito di un impianto che è stato chiuso per un periodo abbastanza lungo incorrendo a qualche riscaldamento dell'impianto, portando ad un discarico di impurità dal filtro nell'impianto. Filtri a carbone sono talvolta usati per rimuovere l'ossigeno dall'idrogeno a dall'elio impuri.

Pericoli del fluoro

Il fluoro è un gas di colore grigio chiaro altamente pericoloso. E' un ossidante estremamente potente ed esplode con l'idrogeno, ossida l'acqua per dare HF e ossigeno, si combina con il carbonio per dare CF4, si combina con gli alogeni per dare composti ed attacca tutti i metalli. La conservazione ed il trasferimento del fluoro porta ad un graduale deterioramento dei metalli come l'acciaio inox, l'ottone ed il bronzo usando una soluzione diluita con azoto. Ciò deve essere fatto sotto stretto controllo. Certi composti del fluoro sono considerati sicuri per l'uso con l'ossigeno perchè in uno stato di ossidazione troppo elevato per poter reagire.

PERICOLI PER LA SALUTE

Asfissia

E' un pericolo insidioso, perchè veloce e spesso inaspettato.

E' ben noto che respirando un gas privo di ossigeno si giunge all'asfissia, non è però altrettanto noto quanto veloce possa essere il fenomeno.

Respirare aria viziata in un locale chiuso fa sentire a corto di fiato in tempo utile per porvi rimedio: nell'aria viziata il contenuto di biossido di carbonio aumenta e stimola la respirazione. In molte situazioni in ambito criogenico non c'`e invece presenza di biossido di carbonio. Il respiro smette totalmente in un periodo molto breve senza poter porvi rimedio.

Un eventuale salvataggio risulta impossibile senza un adeguato equipaggiamento: spesso è difficoltoso rimuovere un uomo privo di sensi da uno spazio chiuso.

Casi di asfissia sono dovuti a situazioni tipo:

Una atmosfera contenente almeno il 21% di ossigeno può essere respirata senza risultare fatale, ma in ambienti industriali non è mai consigliabile entrare in atmosfere con meno del 20% di ossigeno senza opportuni respiratori. I respiratori dovrebbero fornire ossigeno o aria pura, le maschere a gas "canister type" non devono mai essere usate in carenza di ossigeno poichè non danno alcuna protezione. Persino con il corretto equipaggiamento possono nascere incidenti per poca cura o per cadute che possono danneggiare la maschera o persino per il fatto che chi la indossa abbia la barba, poichè il gas irrespirabile può filtrare.

Punti per prevenire l'asfissia sono:

Congelamento

Maneggiare sistemi che lavorano con il freddo è particolarmente pericoloso, poichè la pelle aderisce al metallo raffreddato a temperature molto basse. Devono essere sempre usati guanti protettivi.

L'azione anestetizzante del freddo talvolta provoca congelamenti senza che ci si accorga di ciò che sta avvenendo. Guanti assorbenti bagnati nell'idrogeno liquido, ad esempio, possono provocare molto facilmente il congelamento di una mano senza accorgersi.

Gli individui non abbastanza protetti contro l'ambiente della bassa temperatura possono soffrire l'esposizione al freddo più rapidamente di quanto siano capaci di reagire. Un'esposizione prolungata si può trasformare in un congelamento. In questo caso c'è un sufficiente avvertimento dovuto al dolore locale mentre sta avvenendo il congelamento.

Bruciature

Le bruciature possono accadere quando una fuoriuscita di gas o liquido infiammabile inizia la combustione. Mentre le fiamme di gas idrocarbonico sono luminose e chiaramente visibili alla luce del giorno, le fiamme dell'idrogeno sono poco visibili. Perciò può facilmente accadere di venire a contatto con fiamme di idrogeno senza accorgersene, anche se la debolezza della radiazione, al contrario del fuoco idrocarbonico, non provoca scottature.

Bruciature fredde

Il liquido, vapore o gas a bassa temperatura può provocare effetti sulla pelle simile ad una bruciatura. Gli effetti possono variare a seconda della temperatura e del tempo di esposizione. Gli occhi possono essere danneggiati anche da una esposizione ad un gas freddo troppo breve per intaccare la pelle.

Ogni volta che si maneggiano liquidi criogenici bisogna essere sicuri di avere un tubo flessibile o un grande contenitore d'acqua vicino. Usare l'acqua per lavare ogni parte del corpo che sia stata accidentalmente spruzzata con liquidi criogenici.

Non toccare tubi o contenitori di gas liquefatti non isolati; il metallo estremamente freddo può incollarsi velocemente alla pelle e lacerarla quando si cerca di allontanarlo. Si usino pinze per maneggiare oggetti immersi nel liquido. Gli oggetti soffici e flessibili a temperatura ambiente di solito diventano molto duri e fragili a temperature criogeniche, si rompono facilmente e si possono frantumare violentemente.

Effetti fisici sui polmoni

Effetti del freddo sui polmoni. Una breve esposizione può causare sensazione di sconforto. Una prolungata inalazione di vapori di gas freddi, respirabili oppure no, possono produrre seri effetti sui polmoni.

Tossicità

La maggior parte dei gas liquefatti hanno una bassa tossicità. Ad alte concentrazioni, possono comunque causare nausea o vertigini.

Riduzione di visibilità per appannamento

Dopo il rilascio di sostanze criogeniche, la funzione di appannamento dovuto alla condensazione del vapore d'acqua dell'aria circostante può causare una sensibile riduzione della visibilità. Infatti il flusso di gas freddi può essere considerevolmente esteso nell'appannamento provocando un rischio invisibile di bruciature, esposizione agli occhi, o nel caso dell'idrogeno esplosioni e incendi.

Indumenti protettivi

TRATTAMENTO DELLE BRUCIATURE CRIOGENICHE

PROMEMORIA RIASSUNTIVO

Bibliografia