Flamma fumo est proxima (Dove c'è fumo c'è fiamma ... - Cineas

Flamma fumo est proxima
(Dove c’è fumo c’è fiamma)
Paolo Cardillo
pcardillo@alice.it
1. Introduzione
Pur essendo qualcosa di molto familiare, un incendio è un fenomeno
sorprendentemente complesso. Tutti sappiamo che cos’è un incendio e lo
riconosciamo quando lo vediamo, tuttavia quale è una sua esatta definizione?
Un incendio è una reazione chimica che coinvolge la rapida ossidazione, cioè la
combustione, di un combustibile con un comburente e conseguente generazione
di calore e di una fiamma visibile.
Combustibile + Ossidante → Prodotti di combustione + Energia (calore)
Solitamente, un incendio si verifica quando una fonte di calore (innesco) entra in
contatto con un materiale combustibile. Infatti, come per tutte le reazioni chimiche,
per iniziare una reazione di combustione è necessario fornire una data energia di
attivazione.
Quindi per avere una combustione devono essere presenti contemporaneamente
il combustibile, l’ossigeno e l’innesco in opportune condizioni e rapporti. Questo
fatto è solitamente rappresentato dal cosiddetto triangolo del fuoco (Fig. 1).
Fig. 1 – Triangolo del fuoco

Se manca uno dei lati del triangolo, l’incendio non si verificherà; se uno dei lati è
rimosso l’incendio si estinguerà. Il triangolo del fuoco costituisce il punto di
partenza per tutti i metodi di prevenzione e di lotta antincendio.
Se il combustibile è un solido o un liquido deve essere preriscaldato per generare
una quantità di vapori sufficiente per formare una miscela infiammabile con
l’ossigeno dell’aria.
2. Stechiometria della combustione
Consideriamo le reazioni di combustione completa del metano in ossigeno (1) e in
aria (2):
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (1)
CH4 + 2O2 + 2(3,76)N2 → CO2 + 2H2O + 2(3,76)N2 (2)
Si nota che i prodotti di combustione (CO2 e H2O) sono gli stessi in entrambe le
reazioni ma, nel caso dell’aria bisogna considerare anche la presenza dell’azoto
che, essendo inerte, non partecipa alla reazione di combustione e si ritrova
inalterato anche a destra. Poiché l’aria è costituita dal 21% di ossigeno e dal 79%
di azoto è facile calcolare che per ogni mole di ossigeno presente nella reazione
avremo 3,76 moli di azoto (79/21 = 3,76).
Normalmente si dice che le reazioni, così come scritte sopra, sono
stechiometricamente bilanciate, nel senso che il combustibile e il comburente sono
presenti in un rapporto tale per cui tutto il carbonio è ossidato a CO2 e tutto
l’idrogeno a H2O. In questo caso è molto facile calcolare la concentrazione
stechiometrica del metano (% in vol.) e dell’aria (sempre % in vol., detta anche
aria teorica). Per esempio, per la reazione (2):
Le moli totali dei reagenti sono:
CH4 + 2O2 + 7,52N2 → CO2 + 2H2O + 7,52N2
1CH4 + 2O2 + 7,52N2 = 10,52 per cui la concentrazione stechiometrica del metano
sarà 1/10,52 x 100 = 9,5 % e quella dell’aria sarà 9,52/10,52 x 100 = 90,5 %.
La conoscenza delle concentrazioni stechiometriche è molto importante sia ai fini
dell’ottimizzazione della combustione che per la sicurezza.
Per esempio, se il rapporto tra combustibile e comburente non è quello
stechiometrico (eccesso o difetto di un reagente rispetto all’altro) tra i prodotti della
combustione ritroviamo il reagente in eccesso o, se l’aria è in difetto, anche
dell’ossido di carbonio CO.
Per quanto riguarda la sicurezza, la reazione stechiometrica, per tutti combustibili,
è quella più reattiva e quindi è quella che genera la pressione d’esplosione più alta
(perché è quella che genera la quantità di calore maggiore), è quella che ha
l’energia di accensione e la temperatura di autoaccensione più basse, la velocità
di propagazione della fiamma più alta, ecc.

3. Calore di combustione/Potere calorifico
Tutte le reazioni di combustione sono chiaramente esotermiche e quindi
avvengono con rilascio di calore. E’ possibile ricavare per calcolo, nei casi
semplici, o sperimentalmente questa quantità di calore (calore di combustione,
ΔHc). Consideriamo qualche caso semplice:
• C + O2 → CO2 ΔHc = -393,50 kJ/mol
• H2 + 1/2O2 → H2O ΔHc = -240,96 “
• CO + 1/2O2 → CO2 ΔHc = -283,00 “
• CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O(g) ΔHc = -802, 3 “
• CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O(l) ΔHc = -890,3 “
Il ΔHc ha sempre il segno meno. In questi casi il ΔHc può essere facilmente calcolato
conoscendo i calori di formazione dei reagenti e dei prodotti (ΔHf ) e applicando la legge
di Hess:
ΔHc = Σ ΔHf prodotti - Σ ΔHf reagenti
Molti calori di formazione si trovano in apposite compilazioni oppure sul sito
http://webbook.nist.gov/chemistry.
Per gli esempi precedenti i rispettivi calori di formazione sono:
• C, O2, H2 (i ΔHf degli elementi, per convenzione, sono uguali a 0)
• CO2 = -393,5 kJ/mol
• H2O g = -241,8 “
• H2O l = -285,8 “
• CH4 = -74,8 “
Consideriamo l’ultima reazione, la combustione del metano con l’acqua allo stato
liquido:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O(l), per la legge di Hess avremo
ΔHc = [(-393,5) + (-285,8 x2)] – [(-74,8) + (0)] = -965,1 + 74,8 = -890,3 kJ/mol
Come si vede nel caso del metano (ma questo vale per tutti i combustibili che
contengono idrogeno) si ottengono due valori del ΔHc secondo lo stato fisico
dell’acqua che si forma tra i prodotti di combustione: liquida o allo stato di vapore
(gas). La differenza è fornita dal calore di evaporazione dell’acqua (44 kJ/mol a
25°C). Nelle fiamme, negli incendi, nella maggior parte delle combustioni
industriali, l’acqua rimane come vapore e, di conseguenza, è più appropriato
utilizzare il dato con l’acqua come vapore.
Si definisce potere calorifico di un combustibile la quantità di calore generata nella
combustione totale dall’unità di peso (kg per i solidi e i liquidi) o di volume m 3 (per i
gas). Per i combustibili che contengono idrogeno o umidità, si distinguono due
poteri calorifici:
Potere calorifico superiore, quando l’acqua è considerata allo stato liquido;

Potere calorifico inferiore, quando l’acqua è considerata allo stato di vapore.
La relazione tra i due poteri calorifici è data da:
PCI = PCS - 600 x (U + 9H)
__________________
Dove U = percentuale in peso di acqua (umidità) contenuta nel combustibile
H = percentuale di idrogeno contenuto nel combustibile
600 = kcal necessarie all’evaporazione di 1 kg di acqua.
Ai fini pratici, come già detto, si utilizza maggiormente il potere calorifico inferiore
con l’acqua allo stato di vapore. Il potere calorifico di un generico combustibile può
essere determinato:
Sperimentalmente con la bomba calorimetrica, in cui una quantità nota di
combustibile è bruciata completamente (in ossigeno sotto pressione).
Assumendo le condizioni adiabatiche (cioè senza scambio di calore con
l’ambiente), la quantità di calore rilasciata è calcolata dall’aumento di
temperatura (ΔT) del calorimetro (immerso in un bagno d’acqua) e del suo
contenuto.
Mediante calcolo se si conosce la stechiometria della combustione o l’analisi
elementare.
4. Temperatura adiabatica di fiamma
Torniamo per un attimo alle due reazioni di combustione stechiometriche (1) e (2)
del metano con ossigeno e aria: in entrambe le reazioni una mole di metano
reagisce con due moli di ossigeno; poiché è presente, in entrambi i casi, la stessa
quantità di combustibile la quantità di calore rilasciata sarà la stessa per le due
reazioni. Diversa è invece la temperatura finale raggiunta dai gas di combustione:
nel caso dell’aria, l’azoto che non partecipa alla reazione di combustione,
assorbirà una parte del calore generato agendo come diluente termico, per cui la
temperatura finale raggiungibile sarà minore rispetto alla combustione con il solo
ossigeno.
La temperatura finale teorica raggiungibile da una combustione, denominata
temperatura adiabatica di fiamma, può essere calcolata manualmente per sistemi
relativamente semplici. Per applicazioni più complicate si ricorre ad appositi
software.
Consideriamo, come esempio di calcolo manuale, la combustione stechiometrica
del propano (C3H8) in aria a 25 °C.
C3H8 + 5O2 + 18,8N2 →3CO2 + 4H2O + 18,8N2
100
ΔHc = -2044 kJ/mol
Poiché ΔHc = cp x ΔT, dove cp è il calore specifico medio dei prodotti di
combustione e ΔT è l’aumento adiabatico di temperatura potremo scrivere ΔT =
ΔHc/cp.

I calori specifici dei singoli gas sono reperibili in apposite compilazioni oppure sul
sito del NIST già ricordato prima.
Nella Tabella 1 sono riportati i calori specifici medi dei prodotti della reazione
d’interesse.
Tabella 1 - Calori specifici medi di alcuni prodotti di combustione
moli J/mol °C J/°C
CO2 3 54,3 162,9
H2O 4 41,2 164,8
N2 18,8 32,7 614,8
Totale 942,5
Perciò il ΔT risulterà:
ΔT = 2044000/942,5 = 2169 °C Tfin = 2169 + 25 = 2194 °C
Molto facilmente possiamo verificare che in ossigeno, senza l’assorbimento di
calore da parte dell’azoto, il ΔT adiabatico sarà molto più alto. Togliendo dal totale
del calore specifico della tabella il contributo delle 18,8 moli di azoto, il cp della
nuova miscela sarà 327,7 J/°C per cui ΔT = 2044000/327,7 = 6238 °C Tfin =
6238 + 25 = 6263 °C.
La temperatura raggiungibile durante la combustione può essere calcolata con un
procedimento analogo anche per concentrazioni diverse da quella stechiometrica.
5. Combustibili
I combustibili (sia quelli naturali sia quelli sintetici) sono in genere di natura
organica, ossia costituiti prevalentemente da Carbonio e Idrogeno (anche se
talvolta sono presenti modeste quantità di Ossigeno, Azoto, Zolfo). Tra i
combustibili inorganici possiamo ricordare l’idrogeno, l’ammoniaca, l’ossido di
carbonio, alcuni metalli. La lista dei materiali che possono bruciare è quindi molto
lunga e non bisogna dimenticare che in questa lista devono rientrare non solo
elementi e composti ma anche loro miscele (gas naturale, benzina, legno, carta,
polimeri, ecc.).
Inizialmente, il combustibile può essere sotto forma di gas, liquido o solido a
temperatura ambiente. Come già anticipato, i combustibili liquidi e solidi devono
essere sufficientemente riscaldati per produrre vapori.
5.1.Combustibili gassosi
I combustibili gassosi (e i vapori) miscelati con l’aria sono infiammabili o esplodibili
(i due termini sono sinonimi) solo entro un ristretto intervallo di concentrazioni
definito dal limite inferiore L i e dal limite superiore L s .
Nella Tabella 2 sono riportati i limiti di infiammabilità di alcuni gas e vapori.

Tabella 2 - Limiti di infiammabilità di alcuni gas e vapori (a temperatura
e pressione ambiente e con aria come comburente)
Li, % vol Ls, % vol Li, % vol Ls, % vol
Idrocarburi Idrocarburi
Metano 5 15 Etilene 2,7 37
Etano 3 12,4 Propilene 2,4 11
Propano 2,1 9,5 Butilene 2,0 9,6
Butano 1,8 8,4 Butadiene 2,0 9,6
Pentano 1,4 7,8 Acetilene 2,5 100
Esano 1,2 7,4 Benzene 1,3 7,9
Eptano 1,0 6,7 Toluene 1,2 7,1
Ottano 0,9 Xilene 1,1 6,4
Nonano 0,8 Etilbenzene 1,0 6,7
Decano 0,7 5,6 Stirene 1,1 6,1
Alcoli Eteri
A. metilico 6,7 36 E. metilico 3,4 18
A. etilico 3,3 19 E. etilico 1,9 48
A. propilico 2,2 14 E. isopropilico 1,4 21
A. butilico 1,7 12 E. vinilico 1,7 27
Ossido etilene 3,0 100
Ossido propilene 2,8 37
Aldeidi Chetoni
Acetaldeide 4,0 60 Acetone 2,6 31
Acroleina 2,8 31 Metil etil chetone 1,9 10
Crotonaldeide 2,1 16
Acidi/Anidridi Esteri
A. acetico 5,4 Acetato metile 3,2 16
An. acetica 2,7 10 Acetato etile 2,2 11
Am. ftalica 1,2 9,2 Acetato vinile 2,6 13,4
Ammine Inorganici
Metilammina 4,2 21 Ammoniaca 15 28
Dimetilammina 2,8 14,4 Idrazina 4,7 100
Trimetilammina 2,0 12 Idrogeno 4,0 75
Etilammina 3,5 14 Ossido di carbonio 12,5 74
Dietilammina 1,6 10 Solfuro di carbonio 4,0 44
Per definizione, questi due limiti rappresentano la minima e la massima concentrazione
di combustibile (solitamente espressa come percentuale in volume nella
miscela combustibile-aria) che può sostenere la propagazione della fiamma.
Miscele in cui la concentrazione del combustibile è al di sotto del limite inferiore
non sono infiammabili. Miscele in cui la concentrazione del combustibile è al di
sopra del limite superiore non sono infiammabili. Tutte le miscele in cui la
concentrazione del combustibile è compresa tra i due limiti sono infiammabili (cioè
la fiamma si propaga attraverso l’intera miscela).
5.1.1 Parametri che influenzano le caratteristiche d’infiammabilità
Le caratteristiche d’infiammabilità dei gas e dei vapori sono influenzate da diversi
parametri. I più importanti sono:
- direzione di propagazione della fiamma (posizione della sorgente d’innesco)
- forma e dimensioni del reattore di prova
- natura del comburente

- temperatura e pressione
- presenza di gas inerti o di altri gas infiammabili.
Un importante fattore che influisce sui limiti d’infiammabilità è la posizione della
sorgente d’innesco. Da un punto di vista della sicurezza, la determinazione dei
limiti d’infiammabilità è più conservativa con propagazione verso l'alto.
Se si determina l'infiammabilità in recipienti sufficientemente grandi, l'effetto del
raffreddamento delle pareti è quasi trascurabile (per esempio in recipienti sferici).
Se le misure sono effettuate in cilindri stretti, occorre considerare che i limiti si
allargano a mano a mano che cresce il rapporto diametro/altezza del tubo. Poiché
il calore è trasferito dal fronte di fiamma alle pareti del tubo per irraggiamento,
conduzione e convezione, il diametro deve essere tale che l'effetto raffreddante
delle pareti non abbia influenza sulla propagazione della fiamma.
Molti combustibili che non sono infiammabili in aria possono invece accendersi e
bruciare in ossigeno (per esempio alcuni idrocarburi alogenati).
Per i gas e vapori il limite inferiore in ossigeno differisce di poco rispetto a quello in
aria, mentre il limite superiore è molto più elevato. Sono noti pochi dati sui limiti
d’infiammabilità con ossidanti diversi dall'aria o dall'ossigeno.
Nella Tabella 3 sono riportati i limiti d’infiammabilità di alcuni combustibili in
miscela con diversi ossidanti, a 25° C e pressione atmosferica.
Tabella 3 - Limiti d’infiammabilità di alcuni combustibili in miscela con diversi
ossidanti
Aria Ossigeno Cloro
Li Ls Li Ls Li Ls
Metano 5 15 5,1 61 5,6 70
Etano 3 12,4 3 66 6,1 58
Etilene 2,7 36 2,9 80 - -
Idrogeno 4 75 4 94 4 89
La temperatura influenza notevolmente le caratteristiche d’infiammabilità, perché
agisce sulla tensione di vapore, sulla velocità di reazione, sui limiti
d’infiammabilità, sulla velocità di propagazione della fiamma, sulla tendenza
all'autoaccensione, ecc.
Solitamente, un aumento di temperatura produce un allargamento dell'intervallo
d’infiammabilità, cioè il limite inferiore si abbassa mentre quello superiore si alza. I
limiti variano linearmente con la temperatura e l'effetto si fa sentire soprattutto sul
limite superiore. Nella Fig. 2 sono riportati, come esempio, i limiti d’infiammabilità
dell'etilene in aria, a diverse temperature e a pressione atmosferica.

Fig. 2 – Influenza della temperatura sui limiti d’infiammabilità dell’etilene
Anche la pressione influenza la velocità di reazione, la velocità di propagazione
della fiamma e i limiti d’infiammabilità. In generale pressioni più alte tendono ad
allargare l'intervallo d’infiammabilità, pressioni più basse a restringerlo. Con la
riduzione della pressione, i limiti d’infiammabilità si avvicinano tra loro: a livelli di
pressione molto bassi la propagazione della fiamma può essere talmente
ostacolata che la miscela diventa non esplosiva. Aumentando la pressione,
invece, l'intervallo d’infiammabilità si estende, soprattutto come conseguenza
dell'innalzamento del limite superiore.
Nella Fig. 3 sono riportati i limiti d’infiammabilità dell'etilene in aria, a diverse
pressioni e a temperatura ambiente.
Fig. 3 – Influenza della pressione sui limiti di infiammabilità dell’etilene
L'intervallo d’infiammabilità di un gas o di un vapore con l'aria è sempre meno
esteso di quello dello stesso combustibile con l'ossigeno; l'azoto presente nell'aria
e che non reagisce chimicamente nella combustione è, come ormai sappiamo, da
considerare un diluente che diminuisce l'infiammabilità. La presenza di gas inerti
(N2, CO2, ecc.) abbassa notevolmente il limite superiore d’infiammabilità del

combustibile, senza far variare sensibilmente quello inferiore. In tal modo il campo
d’infiammabilità si restringe sempre più; continuando nell'aggiunta dell’inerte fino a
che i due limiti praticamente coincidono si delimita il "diagramma d’infiammabilità"
entro il quale tutti i punti corrispondono a miscele la cui composizione permette la
propagazione della fiamma; al di fuori tutti i punti corrispondono a miscele non
infiammabili (Fig. 4).
Fig. 4 - Influenza dell'aggiunta di gas inerti, vapor d'acqua e inibitori sui limiti
d’infiammabilità di miscele metano-aria
Un gas inerte è tanto più efficace nel diminuire l'infiammabilità quanto più è alto il
suo calore specifico. Nella Tabella 4 sono confrontati i valori massimi di gas inerti
da aggiungere all'aria per ridurre l'infiammabilità del metano e i loro calori
specifici.
Tabella 4 - Effetto di diversi gas inerti sull'infiammabilità del metano
Gas inerte % in vol. calore specifico, cal/mol °C
Argo 51 5
elio 39 5
azoto 37 7
vapor d'acqua 29 8,1
anidride carbonica 24 8,9
tetracloruro di carbonio 13 19
Dal diagramma d’infiammabilità è possibile determinare, con semplici
considerazioni geometriche, la percentuale minima di ossigeno che consente
ancora la propagazione della fiamma. Nella Tabella 5 sono riportati, a titolo di
esempio, i valori del MOC di alcuni combustibili.
Tabella 5 - Ossigeno minimo di sicurezza di alcuni combustibili
N2 CO2 N2 CO2
Acetato di metile 11 13,5 Acetone 11,5 14
Acido solfidrico 7,5 11,5 Alcol etilico 10,5 13
Alcol metilico 10 12 Benzene 11,4 14
1,3-Butadiene 10,5 13 n-Butano 12 14,5

1-Butene 11,5 14 Ciclopropano 11,5 14
n-Eptano 11,5 14,5 n-Esano 12 14,5
Etano 11 13,5 Etere etilico 10,5 13
Etere metilico 10,5 13 Etilene 10 11,5
Formiato di metile 10 13,5 Idrogeno 5 5,2
Isobutano 12 15 Isobutilene 12 15
Isopentano 12 14,5 Metano 12 14,5
Metil etil chetone 11 13,5 Ossido di
carbonio
5,5 5,5
5.2. Combustibili liquidi
Nel caso di combustibili liquidi i limiti possono essere espressi oltre che in
percentuale in volume anche in termini di temperatura. La temperatura più bassa
alla quale il vapore, sviluppato dal liquido, forma con l'aria una miscela che si
infiamma sotto l'azione di una sorgente di accensione è definita punto di
infiammabilità (flash point). Valori sperimentali del punto d’infiammabilità di singoli
liquidi sono reperibili in letteratura. La Tabella 6 riporta il punto di infiammabilità di
alcuni solventi.
Tabella 6 - Infiammabilità di alcuni combustibili liquidi
Li,% vol. PI, °C
acetone 2,6 -18
acrilonitrile 3 0
benzene 1,4 -11
solfuro di carbonio 1,0 -30
cicloesano 1,3 -18
etere etilico 1,8 -45
acetato di etile 2,5 -4
eptano 1,05 -4
esano 1,2 -26
alcol metilico 7,3 11
toluene 1,27 4
Il punto d’infiammabilità è un’importante proprietà di un liquido infiammabile dal
punto di vista della sicurezza, perché consente di valutare il pericolo d’incendio e
di esplosione connesso con le operazioni d’immagazzinamento, maneggio e
trasporto. I liquidi con punto d’infiammabilità relativamente basso richiedono
particolari precauzioni, mentre punti d’infiammabilità superiori a 50-60 o C perdono
gradualmente il loro significato in relazione alla sicurezza.
Spesso l'interesse pratico è focalizzato sul punto d’infiammabilità di miscele
multicomponenti dei seguenti tipi: miscele in cui tutti i componenti sono
infiammabili e miscele in cui alcuni componenti non sono infiammabili.
I componenti non infiammabili solitamente hanno un effetto inibente, nel senso
che l'intervallo d’infiammabilità della miscela risulterà più ristretto o addirittura
annullato.
6. Energia di accensione
L’energia minima di accensione è definita come la quantità minima di energia
termica rilasciata in un punto di una miscela infiammabile che provoca la
propagazione della fiamma lontano dal punto d’innesco. L'energia di accensione

varia al variare della concentrazione del combustibile e tende a un minimo in
prossimità della concentrazione stechiometrica; inoltre l'energia di accensione
aumenta drasticamente in prossimità delle concentrazioni corrispondenti ai limiti
d’infiammabilità (Tabella 7).
Tabella 7 - Energia minima di accensione di alcuni vapori
combustibile Emin, mJ combustibile Emin, mJ
acetato di etile 1,4 acetone 1,1
alcol isopropilico 0,6 alcol metilico 0,2
benzene 0,5 cicloesano 1,4
cicloesene 0,5 ciclopentano 0,5
ciclopropano 0,2 dimetilsolfuro 0,5
etere dietilico 0,5 isoottano 1,3
solfuro di carbonio 0,01 tetraidrofurano 0,5
7. Autoaccensione
La temperatura di autoaccensione è la temperatura più bassa cui una miscela
combustibile-comburente deve essere portata perché si accenda
spontaneamente. Al di sotto di questa temperatura, per provocare l'accensione
della miscela, si deve usare una sorgente esterna (fiamma, scintilla, filamento
caldo, ecc.) mentre al di sopra ciò non è necessario (Tabella 8).
Tabella 8 - Temperatura di autoaccensione di alcuni solventi, °C
acetone 465 acetonitrile 524
alcol metilico 385 alcol etilico 363
cicloesano 245 dimetilacetammide 354
dimetilformammide 445 dimetilsolfossido 215
diossano 180 esano 225
etere etilico 160 etere di petrolio 287
metil cellosalve 285 piridina 482
tetraidrofurano 321 solfuro di carbonio 90
La temperatura di autoaccensione può essere definita solo tenendo conto del
sistema in cui la determinazione viene eseguita. Così, sperimentando in sistemi in
flusso, in sistemi statici, in reattori di differenti materiali ecc. si ottengono differenti
temperature di autoaccensione.
La temperatura di autoaccensione risente degli stessi fattori che influenzano la
velocità delle reazioni in fase gassosa:
volume del reattore e sua geometria (rapporto superficie /volume)
stechiometria (rapporto combustibile/ossigeno)
presenza di inerti (N2, CO2, vapor d'acqua, ecc. )
pressione
ritardo all'accensione
presenza di additivi (promotori, inibitori)
effetti superficiali (catalisi)
stato fisico del combustibile (nebbia, vapore).

8. Violenza delle esplosioni
Il termine "violenza" ha solo un significato intuitivo; gli effetti di un'esplosione
possono essere espressi con grandezze fisiche misurabili come ad esempio la
pressione massima che si origina durante l'esplosione e velocità massima di
aumento della pressione (Fig. 5).
Fig. 5 – Tipica curva dell’aumento di pressione in una prova sperimentale
Dalla conoscenza di tali parametri si ricavano orientamenti verso l'impiego di
materiali più resistenti o di spessori maggiori o di dispositivi di sicurezza.
La pressione che si genera in seguito ad una esplosione dipende dalla quantità
totale di energia svolta durante la combustione ed è funzione della concentrazione
di combustibile presente nella miscela; pertanto la pressione massima si ottiene
solitamente nei dintorni della quantità stechiometrica del combustibile.
9. Combustibili solidi
9.1. Esplodibilità di polveri
Il termine “polvere” indica lo stato di suddivisione spinta in cui si trova una
sostanza solida. Esplosioni di polveri possono avvenire in ogni attività in cui si
maneggiano materiali solidi finemente suddivisi (metalli, sostanze organiche,
polimeri, resine, carboni, legno, ecc.); la polvere può essere il prodotto finale di
una lavorazione o di un processo o un sottoprodotto indesiderato. Persino
sostanze molto comuni come la farina di grano, la polvere di cacao, lo zucchero a
velo, il tè, il caffè, quando sono trattate, sotto forma di polvere, su scala industriale
in processi di macinazione, trasporto, separazione, essiccamento, presentano un
pericolo d'esplosione, spesso mascherato dal loro aspetto familiare.
Una polvere combustibile o ossidabile può esplodere quando - dispersa in
un'atmosfera contenente sufficiente ossigeno per sostenere la combustione - è
innescata da una sorgente di accensione di appropriata energia. Pertanto, ogni
materiale solido in polvere che può bruciare in aria, può dar luogo a un'esplosione

con una violenza e con una velocità di reazione che aumentano con il grado di
suddivisione del materiale.
La reazione di ossidazione è chiaramente esotermica: normalmente, in un solido,
il calore generato è facilmente assorbito; in una polvere, invece, l'area superficiale
su cui avviene l'ossidazione è molto estesa e le dimensioni delle particelle molto
piccole perciò si verifica un aumento di temperatura con conseguente aumento
della velocità di ossidazione che genera ulteriore calore in modo esponenziale.
La Figura 6a mostra come un pezzo di legno, una volta acceso, bruci liberando il
calore in un tempo relativamente lungo. La stessa massa tagliata in pezzi più
piccoli, brucia più velocemente (Figura 6b) poiché aumenta l’area superficiale in
contatto con l’aria. Aumentando ulteriormente la suddivisione, riducendo i pezzi di
legno in piccole particelle, dell’ordine di 0,1 mm o meno, e sospendendo tali
particelle in aria sotto forma di nube la velocità della reazione di combustione
diventa molto elevata. La combustione di una tale nube di polvere è un’esplosione
(Figura 6c).
Se la nube è dispersa all'aperto, il risultato della combustione è una vampata che,
solitamente, non sviluppa pressioni pericolose. Se invece la nube è confinata (per
esempio in un'apparecchiatura, un silo, un serbatoio, ecc.) si genera un aumento
di pressione solitamente distruttivo.
Fig. 6 - Diverso comportamento alla combustione di un solido secondo il suo grado di
suddivisione
Le esplosioni di polveri presentano diverse analogie con le esplosioni gassose,
specialmente per quanto riguarda le reazioni coinvolte e quando la polvere ha una
granulometria inferiore a 5 m. Tuttavia, esistono significative differenze che
rendono lo studio delle polveri più difficile rispetto a quello dei gas e vapori.
Perché avvenga un'esplosione di polvere deve essere presente un certo grado di
turbolenza per disperdere la polvere in una sospensione (nube). Le esplosioni
gassose possono invece avvenire anche con il gas in uno stato quiescente; inoltre
le miscele gassose sono omogenee e consistono di particelle di dimensioni
molecolari. Al contrario le sospensioni di polveri in aria formano un sistema
eterogeneo; inoltre contengono particelle di dimensioni diverse, sempre però
molto più grandi e quindi più pesanti delle molecole gassose e che tendono a
depositarsi a causa della gravità. Data la differenza di densità tra i due
componenti, la miscela, la concentrazione di una sospensione è solitamente
espressa come peso di polvere per volume di aria (mg/l o g/m 3 ). In comune con i

gas infiammabili, le polveri miscelate con l'aria esibiscono un limite inferiore e un
limite superiore d’infiammabilità o di esplodibilità (i due termini sono sinonimi).
La determinazione sperimentale del limite superiore d’infiammabilità di una
polvere presenta notevoli difficoltà, perché bisogna essere certi che la nube
costituente il sistema eterogeneo polvere-aria abbia concentrazione uniforme e
che non si formino zone in cui la concentrazione della polvere sia inferiore a quella
corrispondente al limite superiore d’infiammabilità. Poiché è estremamente raro
che negli impianti e nelle attività industriali nubi di polvere possano essere
mantenute in concentrazioni sopra il limite superiore d’infiammabilità (e quindi al di
fuori dell'intervallo pericoloso), l'interesse per questo limite è piuttosto scarso: ben
pochi valori sono stati determinati sperimentalmente e le concentrazioni trovate
cadono tra 2 e 6 g/l.
Nella Tabella 9 sono confrontati gli intervalli d’infiammabilità di alcuni gas/vapori e
di alcune polveri.
Tabella 9 - Limiti d’infiammabilità di alcuni gas/vapori e di alcune polveri
Li, %
vol.
Li, mg/L Ls, % vol. Ls, mg/L
metano 5,0
Gas/Vapori
38 15 126
etilene 2,7 35 36 700
benzene 1,3 47 7,9 300
acetone 2,6 70
Polveri
13 390
acido acetilsalicilico 15 2-6 g/L
acido benzoico 11 "
resina epossidica 12 "
fenolo formaldeide 15 "
polietilene 38 "
Nella Fig. 7 sono confrontati i dati di esplodibilità del metano e della polvere di
polietilene; anche la concentrazione del metano è espressa su base massa per
unità di volume di aria (g/m 3 ). La curva del metano mostra, ben definiti, il limite
inferiore e il limite superiore; quella del polietilene mostra il limite inferiore (uguale
a quello del metano) ma non il limite superiore.
Fig. 7 - Confronto tra i limiti d’infiammabilità del metano e della polvere di
polietilene

Le reazioni esplosive polveri-aria sono influenzate da numerosi parametri, come le
miscele gas-aria: composizione chimica, natura del comburente, reattività e potere
calorifico, distribuzione granulometrica delle particelle e loro forma, grado di
dispersione o agglomerazione, concentrazione di polvere nella nube, grado di
turbolenza, condizioni ambientali (temperatura, pressione, umidità), energia
d’innesco e posizione dell’innesco, geometria del volume nel quale avviene la
combustione, ecc.
9.1.1.Dimensioni delle particelle
La reattività di un materiale in polvere differisce enormemente da quella allo stato
compatto ed è funzione del suo grado di suddivisione, ossia della sua
granulometria. Le polveri fini sono più facilmente infiammabili di quelle più
grossolane. La ragione sta nel fatto che la velocità della reazione è determinata
dalla diffusione dell'ossigeno all'interno della sostanza: quanto maggiore è il grado
di compattezza del solido, tanto più lenta risulterà la combustione. A parità di
massa, la reattività dipende dalla superficie esposta, ovvero dall'area superficiale
della particella. Man mano che le dimensioni delle particelle di una polvere
diminuiscono la superficie specifica aumenta, per cui la polvere brucia più
facilmente, è più facilmente disperdibile e rimane più a lungo in sospensione.
Anche la pressione massima d'esplosione e la velocità massima di aumento della
pressione aumentano al diminuire della granulometria mentre diminuiscono
l'energia minima di accensione e la concentrazione minima esplodibile (limite
inferiore) (Fig. 8).
È difficile indicare una granulometria massima delle particelle al di sopra della
quale non si ha più l'esplosione, poiché le diverse polveri hanno meccanismi di
combustione differenti. Dall'esperienza tuttavia si può presumere che polveri con
particelle di diametro superiore a 500 m non siano esplodibili. Questo non
significa che polveri di tali dimensioni non costituiscano un pericolo: diverse
operazioni (es. trasporto pneumatico) possono provocare lo sminuzzamento delle
particelle con formazione di frazioni più fini.
Fig. 8 - Influenza del diametro delle particelle sull'energia minima e sulla
concentrazione minima esplodibile della polvere di polietilene

9.1.2.Umidità
In generale, ma non per tutte le polveri, la presenza di umidità tende a diminuire
l'esplodibilità. Infatti, all'aumentare dell'umidità le particelle di polvere diventano più
coesive e producono agglomerati che sono più difficili da disperdere e quindi più
difficili da accendere. Inoltre, parte del calore di combustione è consumato per
vaporizzare l'umidità. Un aumento nella percentuale d'umidità provoca un
aumento della temperatura di accensione, dell'energia di accensione e della
concentrazione minima esplodibile.
10. Infiammabilità di solidi
Anche se sono spesso coinvolti gas e liquidi, la maggior parte degli incendi
riguarda sostanze combustibili solide, naturali, sintetiche o semi-sintetiche. Come
già anticipato, la combustione di solidi e liquidi richiede la loro iniziale conversione
nello stato gassoso. Per i liquidi questo avviene attraverso l’evaporazione; i solidi,
a meno che non sublimino, devono invece subire una decomposizione chimica
(pirolisi) per produrre componenti volatili a basso peso molecolare che possono
passare in fase gassosa.
Con i solidi, generalmente, si hanno due tipi di combustione: con fiamma o con
braci (smouldering, glowing). La combustione con fiamma è quella più comune,
soprattutto nei primi stadi dell’incendio, ed è dovuta alla formazione di gas di
decomposizione. Verso la fine dell’incendio prevale la combustione a brace che è
caratterizzata da temperature, sulla superficie del materiale, relativamente alte.
La combustione a brace può essere alimentata anche in un’atmosfera sotto
ossigenata (16 % di ossigeno). In questi casi, se si soffia dell’aria su una brace, la
debole fiamma bluastra che si origina è comunemente attribuibile alla
combustione dell’ossido di carbonio ad anidride carbonica.
10.1. Carico di incendio (Fire Load)
Il carico d’incendio è definito come il potenziale termico della totalità dei materiali
combustibili contenuti in uno spazio, ivi compresi i rivestimenti dei muri, delle
pareti provvisorie, dei pavimenti e dei soffitti. Convenzionalmente è espresso in kg
di legno equivalente (potere calorifico inferiore 4.400 kcal/kg).
L’equazione è la seguente:
dove gi
q = Σ (gi x Hi)/4.400 x A
= quantità in Kg del generico combustibile i
Hi = potere calorifico in Kcal/Kg del generico combustibile i
4.400 = potere calorifico in Kcal/Kg del legno
A = superficie in pianta del locale (m 2 )
Serve soprattutto ai progettisti per verificare se le strutture degli edifici civili sono in
grado di sopportare l’incendio generato dai prodotti e dalle sostanze combustibili
presenti nell’ambiente (Tabella 10).

Tabella 10 – Potere calorifico di alcuni materiali
10.2. Trasferimento del calore
Il trasferimento di calore è il fattore predominante negli incendi, perché influenza
l’accensione, la propagazione della fiamma e la sua estinzione. Inoltre, il
trasferimento di calore è responsabile delle varie evidenze fisiche e chimiche che
restano sul luogo dell’incendio e che vanno interpretate per stabilirne sia l’origine
sia le cause.
Il trasferimento di calore è misurato in termini di flusso di energia per unità di
tempo (kilowatt). Quanto maggiore è la differenza di temperatura tra gli oggetti
tanto più alta sarà la velocità di trasferimento del calore.
Il trasferimento di calore avviene attraverso tre meccanismi: conduzione,
convezione e irraggiamento.
10.2.1.Conduzione
La conduzione è la forma di trasferimento del calore entro i solidi quando una
porzione della massa è riscaldata. L’energia (il calore) è trasferita dalla zona
riscaldata a quella non riscaldata con una velocità che dipende dalla differenza di
temperatura tra le due aree e dalle proprietà fisiche del materiale (conducibilità
termica, densità e calore specifico). La conducibilità termica di alcuni combustibili
molto comuni come la carta e il legno è estremamente bassa, mentre quella dei
metalli è molto alta. Il rame, per esempio, ha una conducibilità 2000 volte più alta
del legno.
Questo spiega perché, in un corto circuito, si può verificare la fusione dell’isolante
anche a notevole distanza dal punto d’inizio, data l’elevata conducibilità termica
dei fili di rame. Questo spiega anche perché la superficie di una trave può essere
severamente bruciata da una parte (quella esposta alla fiamma) e risultare
inalterata dalla parte opposta.
10.2.2.Convezione
Materiali Potere calorifico
Legno( arredi, infissi, soffitti) ΔH = 4.400 kcal/kg
Tessuti( tendaggi ) ΔH = 8.000 kcal/kg
Carta e cartone ( libri, manoscritti ) ΔH = 4.050 kcal/kg
Abiti ΔH = 4.600 kcal/kg
La convezione è il trasferimento di energia provocato dal movimento di liquidi o
gas caldi dall’innesco a una parte più fredda dell’ambiente circostante. Il calore è
trasferito per convenzione a un solido quando i gas caldi passano sulle superfici
più fredde. La velocità di trasferimento di calore dipende dalla differenza di
temperatura, dall’area superficiale esposta ai gas caldi e dalla loro velocità. Nei
primi stadi di un incendio, la convezione gioca il ruolo più importante nel muovere i
gas caldi dell’incendio verso l’alto.

10.2.3.Irraggiamento
L’irraggiamento è il trasferimento di energia da una superficie calda a una più
fredda attraverso onde elettromagnetiche (nell’infrarosso, come accade
nell’irraggiamento della terra da parte del sole). Quando si sviluppa un incendio in
una struttura, tutte le superfici saranno riscaldate dall’irraggiamento termico e
quando la temperatura raggiunge quella di accensione questi materiali
contribuiranno all’incendio. In incendi di notevoli dimensioni non è raro vedere
coinvolte costruzioni vicine, serbatoi, ecc.
11. Sequenza di un incendio confinato
Un incendio in uno spazio definito (es. in una stanza) progredisce in diversi stadi
di sviluppo, spesso distinguibili (Figg.9 a-d).
Il primo stadio è quello di sviluppo che inizia al momento dell’innesco con la
fiamma che è localizzata e l’incendio è regolato dal combustibile. In altre parole, la
propagazione della fiamma è regolata non dalla disponibilità di ossigeno (che è
quello normale presente nell’ambiente) ma dalla configurazione, massa e
geometria del materiale combustibile. Una colonna di fumi caldi inizia a salire
verso l’alto a causa di moti convettivi accumulandosi sotto il soffitto.
L’innalzamento del fumo richiamerà ulteriore ossigeno al di sotto della fiamma
(Fig. 9 a). Se ci sono materiali solidi combustibili al di sopra della fiamma sia la
convezione sia il contatto diretto della fiamma provocano la propagazione
dell’incendio verso l’alto e verso il basso producendo la tipica impronta a V (Fig.
10).
Fig. 10 – Si nota sulla parete la tipica impronta a V

Nel secondo stadio, quello dello sviluppo, viene consumato ulteriore combustibile
con intensificazione dell’incendio, con le fiamme che si espandono in tutte le
direzioni. Sotto il soffitto si raccoglie uno strato caldo e denso di fumo e di gas di
combustione che irraggia il calore all’intorno. Questo strato non contiene solo
nerofumo ma anche prodotti tossici (ossido di carbonio, acido cianidrico, acido
cloridrico, acroleina, ecc.). A meno che l’ambiente in cui si è originato l’incendio
non sia ermeticamente sigillato, il fumo e i gas di combustione si propagheranno in
altri ambienti. La temperatura del soffitto comincia ad aumentare rapidamente
mentre il pavimento è ancora relativamente freddo. E’ ancora possibile
sopravvivere nella stanza a livello del pavimento (Fig. 9 b).
L’incendio continua ad aumentare d’intensità e lo strato di fumo e gas di
combustione comincia ad abbassarsi sempre più (aumenta di spessore) e può
accadere che qualche gas incombusto raggiunga la sua temperatura di
accensione. Quando l’accensione dello strato superiore risulta in un incendio che
si estende dal soffitto attraverso la stanza, si ha il fenomeno definito Rollover.
Questo fenomeno provoca un ulteriore rapido aumento della temperatura del
soffitto ed anche un aumento del calore irraggiato verso il basso nella stanza. In
questo modo possono innescarsi incendi secondari. In questo stadio l’incendio è
ancora regolato dal combustibile.
Quando lo strato superiore raggiunge una temperatura di circa 600 °C, si è
generato sufficiente calore da provocare l’accensione simultanea di tutto il
materiale combustibile della stanza. Questo è il Flashover (Fig. 9 c). Una volta
che si è verificato il flashover è impossibile sopravvivere. La temperatura a livello
del soffitto supera 1100 °C e a livello del pavimento supera 600 °C. Nel momento

del flashover l’incendio è ancora regolato dal combustibile; tuttavia, se l’incendio
resta confinato nell’ambiente originale diventa presto regolato dall’ossigeno. Il
rapido aumento di temperatura associato al flashover generalmente provoca la
rottura delle finestre, con conseguente fornitura di un’illimitata quantità di
ossigeno, con l’incendio che torna a essere regolato dal combustibile.
Il tempo necessario perché un incendio, dal suo stadio iniziale, arrivi al flashovere
dipende dalla quantità e qualità di combustibile presente, dalla geometria
dell’ambiente, dalla ventilazione.
Alla fine, il combustibile viene consumato, nell’ambiente l’ossigeno scende al di
sotto del 15-16 %, le fiamme vive si estinguono e resta una combustione covante.
Questo stadio è noto come smoldering stage (decadimento). Ci sono ancora
un’alta temperatura e un accumulo di fumi e gas di combustione: a questo punto
l’incendio è regolato dall’ossigeno (Fig. 9 d).
La temperatura può essere superiore quella di accensione dei gas accumulati,
pertanto se nuovo ossigeno entra nell’ambiente il fumo e i gas incombusti che si
sono formati possono dar luogo a una esplosione. Questo tipo di esplosione è
nota come Backdraft, che è il fenomeno più temuto dai vigili del fuoco.
12. Determinazione del punto di origine
Ogni incendio è diverso dagli altri dato che sono differenti le strutture coinvolte, il
carico d’incendio, i tipi d’innesco, il flusso d’aria, la ventilazione e molte altre
variabili. In generale, un incendio brucia più a lungo in prossimità del punto di
origine, con i danni che saranno maggiori. La posizione del punto di origine
influenza la velocità di crescita della fiamma come pure il tempo necessario per
raggiungere il flashover. Ovviamente, più è alto il soffitto e più è estesa l’area in
cui si verifica l’incendio più lenta sarà la propagazione della fiamma e maggiore
sarà il tempo per il flashover.
Quando l’incendio si genera lontano dalle pareti o da altri ostacoli verticali, l’aria
fredda può fluire liberamente nella colonna da tutte le direzioni miscelandosi con i
gas di combustione, raffreddando la parte superiore del pennacchio e diminuendo
la velocità di riscaldamento e allungando il tempo per il flashover. Se invece la
colonna calda è contro una parte piatta, la capacità dell’aria di miscelarsi con i gas
caldi è ridotta di circa la metà rispetto al caso precedente per cui la fiamma sarà
più alta e la velocità di aumento della temperatura dei gas sotto il soffitto sarà

massima. Una situazione ancora più drastica si avrà quando la fiamma si propaga
da un angolo della stanza.
I danni creati dalla fiamma, dall’irraggiamento, dai gas caldi e dal fumo lasciano
tracce che vengono utilizzate soprattutto per identificare il punto di origine. Queste
tracce comprendono effetti termici sui materiali, tipo carbonizzazione (charring),
ossidazione, consumo di combustibile, depositi di nerofumo, distorsioni, fusioni,
variazione dei colori, collassi strutturali, ecc. Anche il colore del fumo e della
fiamma possono indicare, anche se non in modo certo, il tipo di materiale
combustibile che sta bruciando.
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