L’USO DEI GAS NEI RIVELATORI DI PARTICELLE Modulo Formativo in Materia di Sicurezza a cura della Dott.ssa Daniela Calvo (INFN-Sezione di Torino) Generalità sul Corso Che cosa si propone il corso? Fornire informazioni utili alla manipolazione dei gas e/o miscele nei rivelatori di particelle Raccogliere leggi, formule, tabelle di ordinaria utilizzazione nell’uso dei gas Argomenti che non verranno trattati: gas tossici recipienti in pressione contenitori in pressione di gas liquefatti N.B. Le informazioni trattate non sono di immediato trasferimento alle applicazioni 1 industriali SOMMARIO Generalità sui gas I gas infiammabili Differenti tipi di fughe di gas Rivelazione fughe Evacuazione dei gas utilizzati I gas inerti Generalità sui gas Che cosa è un gas ? elemento o composto in uno stato di materia caratterizzato da variazione di volume in seguito a variazioni di pressione e temperatura esso riempie qualunque volume all’interno del quale si trova 1 Le unità di misura I parametri che compaiono nelle leggi che descrivono il comportamento dei gas sono: * * * * pressione temperatura volume numero di moli e dovrebbe essere “buona” norma utilizzare per essi le unità di misura del S.I. … … ma, per ragioni storiche e/o pratiche, spesso compaiono altre unità (per es. nel caso della pressione potremo avere mmHg, torr, mbar…) …quindi ATTENZIONE nei calcoli... 1 Gas perfetto e reale Le leggi e le relazioni che si utilizzano per i gas si riferiscono ad un comportamento ideale un gas che segue perfettamente le leggi è un gas perfetto o ideale. I gas reali seguono un comportamento tanto più prossimo a quello di un gas perfetto quanto più sono lontani dalle condizioni di liquefazione, quanto cioè è più bassa la pressione è più alta la temperatura 1 Alcune leggi sui gas Equazione generale dei gas: il prodotto della pressione per il volume di una determinata massa di gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura assoluta Legge di Dalton in una miscela di gas la pressione totale è uguale alla somma delle pressioni parziali, cioè della pressione che ciascun componente eserciterebbe se occupasse da solo l’intero volume disponibile Legge di Graham: a parità di pressione e temperatura, le velocità di efflusso di due gas differenti attraverso pareti porose sono inversamente proporzionali alla radice quadrata delle rispettive masse 1 volumiche Il concetto di densità La densità o massa volumica indica il rapporto tra la massa di una certa quantità di sostanza ed il suo volume Si può utilizzare, nel caso di un gas, la relazione: 1 pM r 83.2 T con r : densità del gas [gr/cm3] M : massa molecolare [gr/mole] T : temperatura assoluta [K] p : pressione assoluta [bar] 1 Il concetto di densità per una miscela di gas In questo caso si utilizza la relazione: r mis 1 p M mis 83.2 T dove M mis (c1 M1 c2 M 2 ... cn M n ) 100 con c1…cn : % volumetrica per il gas ‘1’…’n’ M1…Mn : massa molecolare del gas ‘1’...’n’ 1 Esempio: la densità dell’aria La densità dell’aria, il più comune esempio di miscela, si calcola ricordandone la composizione: 78 % di azoto (MN2 = 28.0 gr/mole) 21 % di ossigeno (MO2=32.0 gr/mole) 1 % di argon (MAr = 39.9 gr/mole) Si calcola la dell’aria con: massa molecolare 78 28.0 21 32.0 1 39.9 M aria 100 29.0 gr/mole e, ad 1 bar e 20 °C, si ricava: raria 1.19 103 gr / cm3 1 La miscela come unico gas ... Una miscela di gas (una volta formata) è da considerare come un unico gas, con una densità pari a quella della miscela: NON VI E’ SEPARAZIONE SPONTANEA 1 ... Ne consegue: la miscela in fuga da un rivelatore, si muoverà verso l’alto o verso il basso a seconda della sua densità relativa all’aria la disposizione dei sensori di fughe è correlata al tipo di miscela da rivelare è possibile realizzare una diluizione ottenendo una miscela non infiammabile che non si separerà spontaneamente nei suoi componenti 1 La separazione di una miscela In un sistema chiuso, ad una certa T, contenente due gas, con masse molecolari M1 e M2, all’equilibrio le pressioni parziali dipendono dall’altitudine secondo la relazione: M i gh pi h p i 0 exp RT con h : altezza [m] g : accelerazione di gravità [m/sec2] R : costante gas perfetti [8320 J/Kmole K] Mi : masse molecolari [gr/mole] quindi il rapporto tra le pressioni parziali dei due gas, in funzione dell’altitudine, è: p1h p10 exp M1 M 2 gh / RT p 2 h p 2 0 e dimostra un arricchimento del gas pesante in basso rispetto il gas leggero in alto Con tipici valori di h in 1metri ed alcune decine per (M1-M2), l’effetto è trascurabile I gas infiammabili Un gas infiammabile (gas combustibile) è un qualunque gas che reagisce con l’ossigeno (puro o diluito come nell’aria), con produzione di calore e propagazione di fiamma 1 Concetti e definizioni I Temperatura di accensione: la temperatura minima alla quale si deve trovare la miscela combustibile (gas infiammabile) - comburente (aria) affinché si inneschi la combustione è una funzione di parametri quali: la natura del combustibile il tipo di comburente pressione modalità di riscaldamento 1 Concetti e definizioni II La combustione innescata in un punto si potrà propagare al resto della massa, se i rapporti volumetrici della miscela combustibile-comburente sono entro 2 limiti particolari: • Limite (LEL) • Limite di infiammabilità inferiore di infiammabilità superiore (UEL) INTERVALLO di INFIAMMABILITA’ UEL LEL 0% gas infiammabile 100 % aria 1 Concetti e definizioni III LEL (Low Explosive Limit): la minima concentrazione di gas infiammabile al di sopra della quale vi è propagazione di fiamma; al di sotto la miscela è troppo “povera” per propagare la fiamma UEL (Upper Explosive Limit) la massima concentrazione di gas infiammabile al di sotto della quale vi è propagazione di fiamma; al di sopra la miscela è troppo “ricca” per propagare la fiamma 1 Variazioni di temperatura Un innalzamento della temperatura comporta un allargamento dell’ intervallo di infiammabilità % gas inf. 100 UEL LEL T in. T Un aumento di pressione comporta, ma non sempre, un aumento del campo di infiammabilità 1 Concetti e definizioni IV detonazione esplosione, confinata in spazio ristretto, caratterizzata da: elevata pressione onde d’urto e fronte di fiamma: estremamente distruttive propagantisi a velocità supersoniche (2000-3000 m/s) deflagrazione esplosione, confinata in spazio ristretto, caratterizzata da: onde d’urto e fronte di fiamma: con velocità di propagazione 1 inferiore a quella del suono in aria (1 m/s) Regola pratica di calcolo del LEL (approssimativa, ma utile) 1 LEL cst 2 nel caso di combustione in aria con la produzione di anidride carbonica, acqua, idracidi, anidride solforosa, azoto: cst 100 5 1 4n c n H 2n O n hal n s 4 con cst : concentrazione stechiometrica nC : numero di atomi di carbonio presenti nH : numero di atomi di idrogeno presenti nO : numero di atomi di ossigeno presenti nhal: numero di atomi di alogeni presenti 1 nS : numero di atomi di zolfo presenti % Calcolo dei limiti di infiammabilità per una miscela • Legge empirica di Le Chatelier: 100 % Lm c1 c2 c3 L L ... L 3 1 2 dove c1..cn : % in volume dei gas componenti la miscela combustibile L1…Ln : limiti di infiammabilità (inferiori o superiori) Lm : limite di infiammabilità (inf. E sup.) della miscela La legge non è di applicazione generale, e risulta tanto meglio 1osservata quanto più simile è la natura chimica dei costituenti la Miscele ternarie Ad una miscela composta da gas infiammabile ed ossigeno viene aggiunto un gas inerte: l’intervallo di infiammabilità si modifica con spostamento di LEL e UEL se il gas inerte è in concentrazione sufficiente, nella miscela ternaria vi è l’eliminazione dell’intervallo di infiammabilità 1 Tabella delle proprietà dei gas non infiammabili di uso comune nei rivelatori di particelle GAS Elio (He) Peso Densità relativa Punto ebollizione molecolare all’aria [°C] 4 0.14 -268.93 Neon ( Ne) 20 0.7 Argon (Ar) 40 1.38 Krypton (Kr) Xeno (Xe) 83.8 2.91 -153.35 131.3 4.56 -108.1 Azoto (N2) 28 0.97 -195.8 Ossigeno (O2) Anidride Carbonica (CO2) Tetrafluorur o di carbonio (CF4) Esafluoruro di zolfo (SF6) R 134a (CH2F-CF3) Aria 32 1.1 -182.97 44 1.53 -78.5* 88 2.84 -127.94 146 5.11 -63.8* 102 -252.77 -26.5 1 29 1 -194.35 Tabella delle proprietà dei gas infiammabili di uso comune nei rivelatori di particelle GAS Acetilene (C2H2) Idrogeno (H2) Metano (CH4) Etano (C2H6) Propano (C3H8) n-Butano (C4H10) iso-Butano (CH3CH(CH3 )CH3) n-Pentano (C5H12) Dimetil Etere (CH3OCH3) Peso Densità molecolare relativa all’aria 26 0.91 Stato fisico Pressione in Punto in bombola bombola @ ebollizione 15°C [bar] [°C] disciolto 16-19 -84 2 16 30 44 0.695 0.55 1.05 1.56 gas gas liquido liquido 180-200 180-200 33.8 8.8 -253 -161.5 -89 -42 58 2.05 liquido 1.76 -1 58 2.05 liquido 2.56 -11.7 72 2.48 liquido 46 1.59 liquido 1 36 4.24 -25 Tabella delle proprietà dei gas infiammabili di uso comune nei rivelatori di particelle GAS LEL UEL Temperatura di autoignizione [°C] Acetilene (C2H2) 1.5 100 305 Idrogeno (H2) 560 Metano (CH4) 4.4 16.9 537 Etano (C2H6) 2.4 14.6 515 Propano (C3H8) 1.8 10.4 493 n-Butano (C4H10) 372 iso-Butano 1.55 8.4 462 (CH3CH(CH3)CH 3) n-Pentano 1.4 8.0 258 (C5H12) Dimetil Etere 3.0 27.0 350 (CH3OCH3) 1 Energia minima di ignizione [mJ] 0.02 0.019 0.29 0.24 0.25 0.25 0.25 Calore di combustione [Kcal/mol] 0.25 782.04 57.7979 191.759 341.261 488.527 635.384 635.384 359.33 Diagramma ternario Diagramma per il sistema metano-ossigenoazoto a pressione atmosferica e 26 °C 1 Diagramma Ternario Diagramma per il sistema metano-ossigenoazoto a pressione atmosferica e 26 °C 1 Fughe di gas dai rivelatori di particelle laminare diffusione del gas lungo superfici rigide mancanza di turbolenza processo lento pericolosa densità differente spostamento del gas in alto oppure in basso in relazione alla sua densità relativa all’aria spostamento prevedibile del gas in fuga getti turbolenti da un rivelatore in pressione rispetto l’atmosfera circostante può essere rapida nella diffusione 1 Concentrazione del gas in fuga (differente densità) v c 17 c0 gz 2 0 5 1 3 M T 0 a 1 M a T0 1 3 3r 2 exp z z è la distanza verticale [m] dall’orifizio di fuga, misurata lungo la direzione del “camino” di fuga (verso l’alto oppure verso il basso a seconda che il gas sia più leggero oppure più pesante dell’aria), r è la distanza radiale [m] a partire dall’asse del “camino”, c è la concentrazione volumetrica al generico punto (z, r), c0 è la concentrazione volumetrica a livello dell’orifizio di fuga, v0 è la portata volumetrica [m3/s] di fuga, a livello dell’orifizio, g è l’accelerazione di gravità, M0 è la massa molecolare del gas in fuga, T0 è la temperatura del gas [K] Ma è la massa molecolare (media) dell’aria, Ta è la temperatura dell’aria [K] •Utilizzata per velocità iniziale piccola e quando una turbolenza favorisce la diffusione del gas 1 nell’ambiente; • non è valida vicino all’orifizio di fuga Concentrazione del gas nei getti turbolenti 1 2 2r 2 c d 0 M a T0 9 exp c0 x M 0 Ta x x è la distanza verticale [m] dall’orifizio di fuga, misurata lungo la direzione del getto, d0 è il diametro [m] dell’apertura di fuga, r è la distanza radiale [m] a partire dall’asse del “camino”, c è la concentrazione volumetrica al generico punto (z,r), c0 è la concentrazione volumetrica a livello dell’orifizio di fuga, M0 è la massa molecolare del gas in fuga, T0 è la temperatura del gas [K] Ma è la massa molecolare (media) dell’aria, Ta è la temperatura dell’aria [K] • Utilizzata per valutare l’estensione della contaminazione attorno alla fuga quando la turbolenza favorisce una rapida diffusione del gas; • utilizzabile quando la pressione di fuga è dell’ordine di 0.1 bar; 1 • non è utilizzabile in prossimità dell’orifizio La rivelazione delle fughe e’ indispensabile per i rivelatori di particelle che utilizzano gas deve essere affiancata ad una buona ventilazione generale e/o estrazione locale dei gas in fuga deve essere ottimizzata creando, per esempio, raccoglitori di gas in fuga intorno ai rivelatori, ed assicurando così una maggiore probabilità di rilevazione prevede un controllo sistematico a rivelatore assemblato che non esclude controlli parziali durante l’assemblaggio (.. dimensioni e granularità del rivelatore stesso...) prevede controlli periodici di parti critiche nella fase di operatività del rivelatore è necessario un sistema automatico di 1 rilevamento fughe di gas La ricerca delle fughe I controllo sistematico di un rivelatore di particelle e del sistema adduzione/raccolta gas, mediante sezionamento, scegliendo tra differenti metodi di ricerca delle fughe: rumore in sistemi in pressione, fughe di gas di una certa entità possono essere sentite dall’orecchio dell’operatore (prima analisi) odore gas in fuga con particolari odori rilevati dall’olfatto dell’operatore (prima analisi) soluzioni saponose se possibile, si può creare una leggera pressione positiva, riferita a quella atmosferica, nel 1sistema e rilevare la presenza di bollicine La ricerca delle fughe II variazioni di pressione in un sistema che può essere pressurizzato (anche meno del centinaio di mbar) si studia il decremento della pressione in funzione del tempo rivelazione di elio si utilizza l’elio, gas estremamente facile a rilevare, all’esterno oppure all’interno del sistema da controllare ultrasuoni un gas in fuga da un piccolo foro crea un ultrasuono rilevabile conducibilità termica un elemento elettrico riscaldato si raffredda in funzione del flusso di gas e della conduttività 1termica del gas stesso La ricerca delle fughe III macroscopicamente misurare: si possono consumo all’uscita bombole del gas flusso gas all’ingresso ed all’uscita del rivelatore ( i valori numerici di queste misure devono risultare uguali entro gli errori degli strumenti) 1 Sistemi automatici di rilevamento fughe di gas I Il sistema automatico di rilevamento di fughe di gas infiammabile deve garantire le seguenti azioni: al 10 % (20 %) LEL allarme visivo nel laboratorio allarme sonoro nel laboratorio ripetizione di questi segnali alla Counting Room, se presente ed utilizzata 1 Sistemi automatici di rilevamento fughe di gas II al 20 % (40 %) LEL gli stessi del punto precedente interruzione delle alte e basse tensioni interruzione dei gas infiammabili e miscele accensione di una ventilazione veloce (dove la sua applicazione è possibile e ne è stata studiata la sua inteferenza con una situazione di pericolo) ripetizione Pompieri dell’allarme anche ai non deve essere possibile annullare le 1 azioni precedenti finche’ l’allarme non sia stato identificato e rientrato Sistemi automatici di rilevamento fughe di gas III I sensori utilizzati si basano su differenti principi chimici e fisici: combustione catalitica il calore generato dalla combustione del gas infiammabile con l’aria dell’ambiente all’interno di un elemento catalitico, che risulta essere un ramo di un ponte di Wheatstone, ne varia la resistenza elettrica con generazione di un segnale elettrico assorbimento nella dell’infrarosso dello spettro regione il confronto tra radiazione non assorbita e radiazione totale inviata attraverso il gas da analizzare fornisce la concentrazione del gas 1 infiammabile Sistemi automatici di rilevamento fughe di gas IV variazione conducibilità termica strettamente collegata alla variazione della composizione di una miscela variazione conducibilità elettrica la conducibilità elettrica sulla superficie di un semiconduttore è modificata dalla presenza di gas infiammabili (e altri) assorbimento differenziale realizzata con i gascromatografi, è una tecnica troppo costosa spettrometria di massa le molecole del gas sono ionizzate, gli ioni sono accelerati e 1separati in base al rapporto massa/carica Evacuazione gas dai rivelatori Si riferisce a: dispersione del gas proveniente da un flussaggio normale del rivelatore uscita del gas dall’apertura manuale di valvole, sfiato di valvole di sicurezza, non corretto funzionamento dell’impianto adduzione/evacuazione gas al/dal rivelatore si realizza secondo tre possibili modi: linee dedicate ventilazione naturale ventilazione forzata 1 Le linee dedicate Tubazioni che prelevano la miscela di gas direttamente alla sorgente (il rivelatore di particelle) e la trasportano all’esterno del laboratorio, disperdendola all’atmosfera aperta: indispensabili per elevate quantità di gas da evacuare da un rivelatore evitano la dispersione del gas in zone non previste devono essere previste sulle valvole di sicurezza nel caso di evacuazione di gas infiammabili, al loro interno non deve essere presente ossigeno potrebbero essere non utilizzabili nel caso di una eccessiva perdita di carico lungo la linea e per1 piccole quantità di gas La ventilazione naturale Si tratta di una convezione turbolenta dell’aria provocata dalle differenti densità dell’aria e del gas , nel punto dove vi è stata una fuga o l’evacuazione di piccole quantità di miscela dal rivelatore di particelle: valida soluzione se la zona dove viene applicata è stata realizzata ad un simile scopo affidabile, in quanto non richiede né manutenzione né alimentazione è inefficace dove si formino delle sacche di gas è inutile quando le densità dell’aria e del gas sono simili è insufficiente nel1 caso di fughe di elevate quantità di gas La ventilazione forzata I Deriva dalla creazione della convezione turbolenta nell’aria, per esempio, tramite ventilatori: particolarmente versatile ed adattabile efficace qualunque sia la densità del gas dipende da un’alimentazione esterna può diminuire la sensibilità dei sistemi di rilevamento fughe risulta rumorosa e crea correnti d’aria 1 La ventilazione forzata II deve svolgere due differenti funzioni (non tramite lo stesso sistema): diluizione della miscela aria-gas, tramite un movimento turbolento e ricircolando l’aria dello stesso ambiente (velocità dell’aria pari a 0.3-1.4 m/s) estrazione con sostituzione dell’atmosfera potenzialmente pericolosa con dell’aria esterna all’ambiente considerato la direzione principale della ventilazione deve essere uguale a quella della convezione naturale lo spostamento della miscela diluita 1 gas-aria deve essere diretto verso una zona dove non si verifichi accumulo La ventilazione forzata III • non deve essere sottodimensionata • non è adatta a fughe caratterizzate da velocità elevate e/o elevati quantità • può essere realizzata con sistemi a due differenti velocità ( la minore in regime normale e la maggiore in regime di allarme) • risulta pericolosa in caso di incendio e deve essere possibile effettuarne l’interruzione 1 Evacuazione gas dai rivelatori • i risultati migliori si ottengono combinando le tre tecniche • non esiste una soluzione esaustiva di tutti i casi possibili • ogni caso deve essere studiato a parte • si devono valutare tutte le possibili fughe dal sistema • se i rivelatori sono posizionati in spazi ristretti si deve garantire un’efficace ventilazione di queste • si deve evitare la contemporanea presenza di miscele infiammabili leggere e pesanti in1 differenti parti del rivelatore I gas inerti non sono infiammabili non sono tossici sono asfissianti in concentrazioni sufficienti quali sono? He, Ne, N2, Ar... utilizzati nelle camere a deriva, calorimetri, ecc… provenienti dall’evaporazione di liquidi criogenici 1 Il problema della diminuzione dell’ossigeno Fuga di un’elevata quantità di gas inerte -> riduzione ossigeno % vol. di ossigeno in aria 20.97 % Sintomi presenti nelle persone Respirazione normale 20.97 % -> 16 % Sovraccarico del sistema cardiocircolatorio 16 % -> 14 % Affaticamento generale, confusione 14 % -> 10 % Perdita di conoscenza <6% 1 Asfissia, arresto cardiocircolatorio Il problema dei fluidi criogenici largamente utilizzati per refrigerare magneti, o nei calorimetri… gli impianti che li utilizzano sono potenzialmente , nel caso di rotture accidentali, i maggiori emettitori di gas inerte Liquido criogenico [1 l] Volume gas [l] Azoto liquido (-195°C) 691 N2 Elio liquido (-271°C) 748 He Argon liquido (-189°C) 835 Ar 1 Precauzioni da utilizzare gli impianti che utilizzano liquidi criogenici devono essere costruiti secondo la norma di “buona” tecnica per prevenire gli incidenti che potrebbero derivare da getti di liquido criogenico prevenire l’evaporazione improvvisa di gas liquefatti in grande quantità si deve assicurare un sezionamento dell’impianto si deve ventilazione l’impianto discreto garantire una buona dell’ambiente circostante si deve tenere sotto controllo la percentuale di ossigeno nell’ambiente si deve predisporre l’abbandono dei 1 locali con rischio di asfissia, nel caso in cui il personale avverta sintomi da basso Bibliografia I Sono stati utilizzati i seguenti testi: .C. Brisi e V. Cirilli, “Chimica Generale e Inorganica”, ed. Libreria Editrice Universale Levrotto e Bella – Torino .C. Brisi, “ Chimica Applicata”, ed. Libreria Editrice Universale Levrotto e Bella – Torino .“Manuel de Securité CERN Inflammables” 1981, CERN – Gas .“Flammable Gas Safety Manual” 1996 – Annex to Safety Code G, ed. by Technical Inspection and Safety Commission (TIS), CERN .H. Schonbacher, “Safety Aspects of LHC Experiments”, Seminario presso LNF di Frascati, 1996 1 Bibliografia II “Handbook of Laboratory Safety”, Editor N.V. Steere, The Chemical Rubber CO, 1976 “The Determination and Graphic Representation of the Limits of Flammability of Complex Hydrocarbon Fuels at Low Temperatures and Pressures”, 4th Symp. on Combustion, pp. 121-126, William and Wilkins, Baltimore, Md, 1953. “Chemical Engineers Handbook”, R. H. Perry and C. H. Chilton, Mc Graw-Hill Book Company. “Gas Encyclopedia”, l’Air Liquide, Division Scientifique, ELSEVIER 1