COSA E’
Il gas inerte è una miscela di gas
contenente una piccola percentuale di ossigeno. Il suo nome deriva dalla
proprietà di non consentire le reazioni di combustione(1). In
pratica si tratta dei fumi prodotti dalla combustione controllata di gasolio o
altro combustibile.
A
COSA SERVE
Nelle navi petroliere e chimichiere, nei
depositi di combustibile serve per impedire(2) che si sviluppino gas e vapori(3)
capaci di produrre combustioni o esplosioni(4) in quanto non
contiene sufficiente ossigeno per sostenere la reazione.
COME
SI PRODUCE
Si produce in appositi impianti bruciando
in modo opportuno il gasolio o altro combustibile simile. La combustione deve
esaurire l’ossigeno dell’aria(5) rendendo inerti i gas combusti.
L’AZOTO
Il gas inerte naturale per eccellenza è
l’azoto N2, il quale a temperature non troppo alte si comporta come
un gas nobile(6), cioè non reagisce chimicamente con nessun
elemento. Di conseguenza in un ambiente saturo di azoto (e quindi povero di
ossigeno) non possono svilupparsi combustioni. L’azoto si produce per
distillazione frazionata dell’aria liquida(7) ad una temperatura di
circa –200 °C. Ciò lo rende particolarmente costoso per le applicazioni
sulle navi e nei depositi di combustibile perché il gas si perde ad ogni carica
e discarica delle cisterne.
COMPOSIZIONE
Il gas inerte è composto essenzialmente
di anidride carbonica CO2 e azoto N2, che sono i residui
della combustione completa dei prodotti petroliferi liquidi. Se la combustione
non è completa si trova anche monossido di carbonio CO(8) e
fuliggine(9). Se l’aria è in eccesso nei prodotti di combustione,
fumi in generale, si trova anche ossigeno. Fanno parte in diversa misura di tali
prodotti anche gli ossidi di azoto NOx e gli ossidi di zolfo SOx(10).
I primi derivano dal fatto che la combustione avviene ad alta temperatura
(maggiore di 800 °C), i secondi dal fatto che i petroli contengono sempre
piccole percentuali di zolfo(11). Componente normale dei fumi è
anche il vapore d’acqua(12) poiché il petrolio è un composto di
carbonio e idrogeno (CxHy).
SCHEMA
D’IMPIANTO
Nella figura è rappresentato lo schema a
blocchi di un impianto per la produzione di gas inerte a bordo di una
petroliera.
COMPONENTI
1. Nella caldaia si brucia il gasolio con un piccolo eccesso di aria per non correre il rischio di ottenere CO.
2. Il lavaggio consiste nel far passare il gas inerte attraverso una torre nella quale esso gorgoglia all’interno di una vasca piena di acqua di mare.
3. Il gas passa in un compressore che fornisce una pressione superiore a quella atmosferica del 10 – 15 %.
4. Il gas giunge alle cisterne dove esplica la sua funzione di anti-combustione.
5. Nella fase iniziale i fumi vengono espulsi attraverso il camino perché la combustione non è completa.
6. Le pompe prelevano l’acqua dal mare e alimentano la torre di lavaggio dove i fumi perdono la fuliggine, alcuni ossidi, il vapore d’acqua e si raffreddano.
7. L’acqua in eccesso, dopo la depurazione, viene restituita al mare.
8. I fumi non completamente trattati ritornano nella torre di lavaggio per essere di nuovo ripuliti e raffreddati attraverso una valvola di by-pass.
9. prima di arrivare alle cisterne il gas passa attraverso una serie di valvole unidirezionali che impediscono il passaggio a gas e vapori verso la caldaia.
10.
I gas e i vapori di petrolio, l’aria contenuta nelle cisterne, il gas
inerte in eccesso durante il riempimento della nave vengono espulsi attraverso
le valvole di sfiato.
LE
CISTERNE
Le cisterne nelle navi petroliere o chimichiere o i serbatoi di combustibile a terra o sulle navi passeggeri o da carico possono essere piene o vuote in varia misura. Tutti i prodotti petroliferi sviluppano gas e vapori a seconda della loro composizione o della temperatura. Tali gas e vapori si accumulano nella parte superiore dei recipienti e possono produrre, in presenza di concentrazioni di ossigeno e di inneschi, combustioni ed esplosioni. Da ciò seguono opportuni sistemi di sicurezza di tre tipi:
1. impedire la formazione di gas e vapori: questi si formano alla pressione atmosferica, quindi se nel recipiente c’è una pressione gassosa superiore essi non possono svilupparsi. Per questa ragione il gas inerte viene immesso ad una pressione del 10 – 15 % superiore a quella atmosferica.
2. impedire la formazione di miscele ossigeno – combustibile in grado di produrre combustione ed esplosione: per questo motivo il gas inerte è costituito da miscele di CO2 e N2 naturalmente non combustibili con percentuali di ossigeno non superiori al 2,5 %. Ciò impedisce ai gas di petrolio di bruciare anche in presenza di un innesco.
3. impedire il passaggio di gas e vapori verso la zona motori: ciò si ottiene separando fisicamente per mezzo di paratie il locale macchine da quello delle cisterne e dei serbatoi e soprattutto per mezzo di valvole di sicurezza a senso unico.
Le
navi petroliere e chimichiere hanno a bordo un impianto autonomo per la
produzione e l’utilizzazione del gas inerte. Le altre navi e le cisterne a
terra hanno dei serbatoi appositi per conservare il gas inerte prodotto in
appositi impianti terrestri.
ACCESSORI
Gli accessori sono essenzialmente di tre tipi:
· Strumenti di misura: termometri; manometri; misuratori di portata sia sulla linea del gas che dell’acqua e del combustibile; misuratori della percentuale di ossigeno e di idrocarburi.
· Strumenti di controllo: grado di apertura delle valvole e delle saracinesche.
·
Strumenti di comando: valvole automatiche, telecomandate, manuali.
LE
VALVOLE
Le numerose valvole sono di tre tipi:
1. valvole automatiche: sono quelle che si aprono o si chiudono automaticamente all’avvio o all’arresto dell’impianto oppure quando gli strumenti di misura indicano che non sono rispettati i parametri di sicurezza.
2. valvole telecomandate: sono quelle che vengono aperte o chiuse dalla sala di comando per regolare il flusso del gas inerte o dell’aria e del gasolio in caldaia o dell’acqua nella torre di lavaggio e del depuratore, ecc.
3.
valvole manuali: sono quelle più importanti in quanto prevedono il
controllo diretto di un operatore. In generale se una di tali valvole non è
nella posizione corretta l’impianto non si mette in funzione. La più
importante è la valvola idraulica di “non ritorno” che separa la zona
caldaia dalla zona cisterne.
LA
VALVOLA IDRAULICA DI “NON RITORNO”
Ha il compito specifico di non far passare verso la caldaia i vapori e i gas che si sviluppano nelle cisterne per effetto della evaporazione oppure perché normalmente contenuti nella massa di liquido. Consiste essenzialmente in una camera ermeticamente chiusa contenente una vasca d’acqua, dentro la quale arriva il tubo che trasporta il gas inerte, il quale è costretto quindi a gorgogliare nel liquido, e un tubo di prelievo del gas posto nella parte più alta della camera.
Il gas di petrolio proveniente dalle cisterne per andare verso la caldaia dovrebbe superare la barriera di acqua nella vasca ed imboccare il tubo di arrivo del gas inerte e ciò è tecnicamente impossibile.
Questa valvola è preceduta, dalle cisterne verso la caldaia, da una valvola automatica e da una valvola manuale, le quali dovrebbero escludere il ritorno del gas di petrolio. Se queste valvole non funzionano o sono deteriorate, ecco che la valvola idraulica costituisce l’ultimo ostacolo.
Da ciò segue che questa valvola è la più importante per la sicurezza dell’impianto e quindi è dotata di sistemi automatici di riempimento e di mantenimento del livello di liquido.
In pratica l’acqua nella vasca arriva
non appena si avviano le pompe della torre di lavaggio oppure dal sistema di
acqua di servizio (acqua sanitaria); inoltre per evitare che l’acqua congeli
quando la nave giunge a latitudini alte, nella vasca è presente un sistema di
riscaldamento a vapore o elettrico che garantisca il non congelamento del
liquido. Infine c’è un sistema di sicurezza automatico per cui, se la vasca
è vuota, l’impianto non si può avviare perché la pompa del gasolio
combustibile non si mette in funzione.
I
SOFFIATORI DI FULIGGINE
Nelle fasi di avvio e di arresto il combustibile non brucia bene per cui si formano nuvole di fuliggine (carbonio in polvere) che poi ricoprono tutte le superfici delle caldaie. In fase di avvio quindi entrano in funzione dei ventilatori che soffiano via la fuliggine. In questa fase le valvole di prelievo del gas inerte sono chiuse per cui le polveri possono muoversi solo verso il camino attraverso una serie di serrande. Quando le superfici del locale caldaie sono ripulite dalla fuliggine, i soffiatori vengono spenti e si può procedere all’avvio della combustione.
Da 15 a 20 minuti dopo l’accensione del
combustibile le serrande possono essere chiuse per aprire le valvole di prelievo
del gas inerte da avviare alla torre di lavaggio.
LA
TORRE DI LAVAGGIO
Nella torre di lavaggio il gas inerte subisce:
· depurazione dai corpi solidi: la corrente dei fumi può trascinare fuliggine e ceneri. Gorgogliando nella vasca di acqua marina continuamente rinnovata i solidi si separano e vengono trascinati nello scarico a mare (la fuliggine si riduce del 97%).
· depurazione dal vapore d’acqua: bruciando prodotti petroliferi, di composizione generica Cx Hy, si produce necessariamente H2O sotto forma di vapore, il quale, per effetto della bassa temperatura dell’acqua marina, condensa rimanendo nella torre per essere espulsa dallo scarico a mare. La completa essiccazione (eliminazione dell’umidità, cioè del vapore d’acqua) si può ottenere facendo passare il gas inerte attraverso filtri a maglia stretta di filo polipropilenico idrorepellente o letti di allumina attivata (l’allumina è un composto di alluminio e silicio che può legare ad ogni sua molecola 4 molecole di H2O, cioè è igroscopica come il cloruro di calcio CaCl2 o il cloruro di magnesio MgCl2). Naturalmente i filtri devono essere doppi: uno in attività, l’altro in rigenerazione.
· depurazione da alcuni ossidi: nella combustione si formano ossidi di azoto e di zolfo che reagiscono con il vapore e con l’acqua, fermandosi nella torre anziché andare a corrodere i tubi dell’impianto.
· raffreddamento: i fumi hanno temperature superiori agli 800 °C e potrebbero rovinare i tubi e incendiare i gas e i vapori delle cisterne. Gorgogliando nella vasca ed espandendosi sotto l’azione delle docce dall’alto e dalle pareti della torre il gas inerte si raffredda sino alla temperatura dell’acqua, diventando non più pericolosa.
L’IMPIANTO
DI POMPAGGIO
L’impianto di pompaggio, sempre doppio per ragioni di sicurezza, viene messo in funzione non appena si avvia la caldaia, verificando che nella torre di lavaggio la vasca di gorgoglio sia piena, le docce siano in funzione e lo scarico a mare sia aperto. L’impianto è dotato di tutti i normali sistemi di controllo: filtro, valvola di non ritorno e saracinesca in aspirazione, saracinesca e valvola di non ritorno in mandata, nonché i manometri in aspirazione e in mandata per verificare il corretto funzionamento delle pompe.
In generale saranno pompe rotative con
motore elettrico, di grande potenza perché devono funzionare con continuità
per molte ore di seguito.
LO
SCARICO A MARE
Le pompe riforniscono con continuità di
acqua la torre di lavaggio e quindi con la stessa continuità deve essere
scaricata in mare. Prima dello scarico tuttavia l’acqua viene automaticamente
analizzata e depurata dagli acidi (in particolare acido solforico H2SO4
e acido nitrico H2NO3) che si sono formati durante il
lavaggio. L’acidità raggiunge valori di pH = 2 – 4 per cui l’acqua non può
essere scaricata in mare, specialmente vicino alle coste. L’acidità viene
neutralizzata aggiungendo soda caustica NaOH che è fortemente basica (in
soluzione produce gli ioni OH-, che rappresentano appunto la basicità,
cioè l’opposto dell’acidità, rappresentata dallo ione H+).
IL
BY – PASS
All’uscita dalla torre di lavaggio il
gas inerte deve soddisfare alcune caratteristiche fisiche e di composizione
chimica. In particolare la temperatura deve essere quella dell’acqua di mare,
non deve contenere ossigeno in percentuale superiore al 2,5 %, non deve
contenere fuliggine o acidi. Se tali parametri non sono rispettati esso viene
rimandato nella torre di lavaggio attraverso una valvola di by - pass che
impedisce il passaggio ai compressori.
LA
VALVOLA DI COMPENSAZIONE
Durante la navigazione la temperatura può
variare di molti gradi, sia per il passaggio notte – giorno, sia per effetto
della latitudine raggiunta (da nord a sud e viceversa). Di conseguenza varia il
volume e quindi la pressione nelle cisterne. Durante tali variazioni di
pressione interviene una valvola idraulica di compensazione che funziona facendo
variare il livello dell’acqua in un cilindro piuttosto alto.
Poiché le differenze di pressione non
sono molto grandi, bastano relativamente piccole variazioni di livello
dell’acqua nel cilindro. Naturalmente all’inizio questa valvola sarà vuota
per non ostacolare il passaggio del gas inerte verso le cisterne.
Successivamente, finite le operazioni di stivaggio del gas, attraverso le
saracinesche sarà immessa l’acqua sino ad un livello prefissato. In pratica
se il gas deve avere una pressione di 1,15 atmosfere, basterà che sulla bocca
di ingresso del gas nel cilindro ci sia un metro e mezzo di acqua.
NOTE
1. reazioni di combustione. La combustione è una reazione chimica con l’ossigeno dell’aria (ossidazione) esotermica, cioè con produzione di calore in quantità sensibile e ad alta temperatura. In realtà tutte le ossidazioni sono esotermiche, ma in moltissimi casi il calore sviluppato è relativamente poco e così diluito nel tempo che esso è tecnicamente non utilizzabile per le macchine. La ruggine sul ferro, la decomposizione dei vegetali, la putrefazione, ecc. sono reazioni di combustione ma non utili per produrre lavoro nelle macchine termiche.
2. impedire. Il petrolio contiene disciolta una certa quantità di gas che si sviluppa durante il viaggio per effetto della agitazione della massa dovuta al moto ondoso. Inoltre un'altra parte di gas si sviluppa naturalmente per effetto di eventuali innalzamenti di temperatura. Questi effetti sono ridotti se la pressione agente sul liquido è maggiore di quella atmosferica. Il gas inerte ha quindi due effetti concomitanti: riduce lo sviluppo dei gas combustibili e annulla la possibilità della combustione o esplosione del gas sviluppato.
3. gas e vapori. La distinzione fra gas e vapore è la seguente: il vapore è un aeriforme che si trova a temperatura inferiore a quella critica, il gas è lo stesso aeriforme a temperatura superiore. Per l’H2O tale temperatura è 374 °C, per cui se l’aeriforme si trova a temperatura inferiore lo chiameremo vapore d’acqua, altrimenti sarà gas d’acqua.
4. esplosioni. L’esplosione è una combustione velocissima, almeno 1.000 volte più rapida. Gli esplosivi sono una categoria speciale di combustibili, in quanto contengono sia il combustibile vero e proprio, sia il comburente, tanto che essi agiscono fuori del contatto con l’aria.
5.
La combustione deve esaurire l’ossigeno dell’aria. Nelle
applicazioni tecniche si ammette che l’aria abbia la seguente composizione:
ossigeno O2 21%, azoto N2 78%. Durante la combustione di
combustibili liquidi, di formula generica Cx Hy, può
risultare difficile che accanto ad ogni molecola di carbonio e idrogeno si trovi
una sufficiente quantità di ossigeno in modo da ottenere solo CO2 e
H2O. Spesso l’ossigeno sarà in difetto per cui si otterrà CO, che
è a sua volta combustibile e quindi nocivo nel gas inerte. Per avere certamente
CO2 e non CO la combustione deve avvenire in eccesso di aria, cioè
con una quantità di ossigeno maggiore di quella che le reazioni chimiche
richiederebbero (ossigeno o aria stechiometrica): la conseguenza di questa
tecnica è però che alla fine nei fumi ci sarà dell’ossigeno libero (quello
introdotto in più nella caldaia). Nel diagramma è riportato in forma
approssimata il rapporto fra CO e O2; da esso si ricava che con
percentuali di ossigeno in eccesso del 5% in pratica non si forma più CO, però
nei fumi sarà presente il 5% di ossigeno libero.
Esistono però bruciatori speciali che riducono a zero l’ossido di azoto, la fuliggine e il vapore d’acqua con bassi valori di eccesso d’aria. Ciò si ottiene aumentando la polverizzazione del combustibile liquido e la sua turbolenza, in modo da favorire al massimo la probabilità che accanto ad ogni molecola di combustibile ci sia sufficiente ossigeno. In pratica combustibile e aria calda vengono mescolati già all’interno dell’ugello che “spara” la miscela ad alta pressione e velocità (vedi il capitolo sui generatori di vapore).
6.
gas nobile. Sono
gas nobili l’elio, il neo, il cripto, lo xeno, l’argo, il rado. La loro
molecola è monoatomica e non si combinano con nessun elemento, per cui non ci
sono loro composti di nessun tipo. L’elio (dal greco elios che è il nome del
sole) è l’elemento più leggero e più diffuso nell’universo, dopo
l’idrogeno, e rappresenta il punto di arrivo della fusione nucleare che tiene
accese le stelle. Sulla Terra è relativamente raro in quanto si forma per
reazione nucleare nel centro e quando esce nell’atmosfera dai vulcani si
disperde facilmente nello spazio extraterrestre. Il rado è naturalmente
radioattivo.
E' possibile ottenere azoto quasi puro per l'inertizzazione eliminando il C O2, quando l'anidride carbonica non è gradita. Ciò si ottiene: a) mediante soluzioni adsorbenti che funzionano come setacci molecolari; b) lavando il gas con soluzioni alcaline, per esempio il carbonato di sodio:
Riscaldando il bicarbonato di sodio così ottenuto si libera il C O2 e si rigenera il carbonato di
sodio che si rimette in circolo.
7. distillazione frazionata dell’aria liquida. In pratica l’azoto è un sottoprodotto della produzione dell’ossigeno che ha numerose applicazioni sia in campo medico che ingegneristico che chimico. In ingegneria si usa come combustibile per i razzi. Con l’azoto si producono gli esplosivi e i concimi chimici.
8.
monossido di carbonio CO. Il monossido di carbonio è la fase intermedia
della combustione del carbonio, cioè in modo semplificato si ha:
a)
2C + O2 = 2 CO + calore
b)
2CO + O2 = 2 CO2 + calore
se non c’è abbastanza ossigeno per far avvenire la reazione b) alla fine nei fumi si trova anche (o solo) CO, il quale, potendo ancora reagire con l’ossigeno producendo calore, è combustibile.
9. fuliggine. La fuliggine è costituita da particelle di combustibile (il carbonio) che non ha bruciato bene, sia per mancanza di ossigeno, sia perché non lo “ha trovato” in quanto non nebulizzato a sufficienza nei bruciatori. La fuliggine si attacca alle pareti dei focolari dove la temperatura non è sufficiente ad incendiarla (come nelle canne fumarie dei camini domestici), oppure viene trascinata nella corrente dei fumi, in atmosfera o nei tubi. In situazioni non prevedibili la fuliggine può incendiarsi producendo locali fortissimi aumenti di temperatura che possono danneggiare seriamente le strutture sulle quali si è depositata.
10. gli ossidi di azoto NOx e gli ossidi di zolfo SOx. L’azoto e lo zolfo formano numerosi ossidi per cui la composizione è con quantità variabili di ossigeno. Per evitare di scriverli tutti si adopera la x, che rappresenta appunto il rapporto variabile di O rispetto a N e a S. In modo analogo si scrive CxHy per rappresentare i prodotti petroliferi che sono composti di C e H con quantità variabili dell’uno e dell’altro. Con l’azoto si formano gli ossidi: NO, N2O, N2O3, NO2, N2O5. Identici sono gli ossidi di zolfo. In presenza di vapore d’acqua a temperatura relativamente alta da questi ossidi si formano acidi, come quello solforico e quello nitrico, altamente corrosivi e quindi da evitare sia nell’atmosfera che nei tubi.
11. i petroli contengono sempre piccole percentuali di zolfo. Il petrolio grezzo, non raffinato, come esce dai pozzi (detto comunemente greggio) porta con sé tracce dei minerali che compongono il terreno nel quale si trova il deposito: ferro, cromo, piombo, zinco, eccetera e sempre percentuali più o meno grandi di zolfo. Durante la raffinazione la maggior parte di tali minerali non vaporizzano e quindi restano confinati nei residui (catrami e bitumi). Lo zolfo invece almeno in parte vaporizza e lo si trova nei prodotti in vendita (gasolio, cherosene, eccetera).
12. vapore d’acqua. Il gas inerte è saturo di vapore d’acqua: 1) perché lo trascina come prodotto della combustione; 2) perché se ne produce a contatto con l’acqua di mare usata per il lavaggio del gas inerte.
La quantità di vapore che l’aria (o un qualunque altro gas) può contenere diminuisce facendo crescere la pressione (nei compressori si produce H2O liquida partendo dal vapore atmosferico) oppure facendo diminuire la temperatura. Il seguente diagramma mostra come varia il contenuto di H2O nell’aria alla pressione atmosferica al variare della temperatura.
In pratica si vede che alla temperatura di +80 °C 1 m3 di aria contiene 300 grammi di H2O vapore, mentre alla temperatura di –80 °C ne contiene quasi zero. E’ questo il motivo per cui in montagna d’inverno l’aria è più secca che in pianura.
Altri modi per eliminare l’acqua, oltre a quelli già nominati, sono: 1) la centrifugazione; 2) i filtri assorbenti e adsorbenti oltre quelli igroscopici. La centrifugazione (come nelle lavatrici domestiche) consiste nel far passare il gas dentro un recipiente rotante ad alta velocità, munito di fori nella periferia: le particelle più pesanti (gocce d’acqua) vengono spinte verso l’esterno mentre al centro resta solo gas secco. Sono filtri assorbenti quelli che accumulano il liquido nei vuoti tra le cellule (pori): perdono il liquido per azione meccanica, cioè basta strizzarli. I filtri adsorbenti accumulano il liquido tra le cellule e possono perderlo soltanto con il calore, per esempio al sole. Quelli igroscopici accumulano il liquido all’interno delle cellule, o meglio dentro le molecole. Esistono infine i materiali, come le ceramiche, che sono semipermeabili, cioè fanno passare solo molecole al disotto di una certa dimensione e fermano quelle più grandi.