ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
11-dic-2024
2024/2025
Questa ricerca presenta un'indagine dettagliata sui limiti di infiammabilità del metano
e dei gas di sfiato delle batterie in varie condizioni, con applicazioni nell'ingegneria
della sicurezza antincendio in settori quali petrolio, gas e petrolchimico. Con
l'aumento dell'uso delle batterie agli ioni di litio (LIB), i rischi associati ai gas di sfiato
rilasciati durante gli eventi di thermal runaway sono diventati più critici. Questo studio
affronta una lacuna significativa nella comprensione delle caratteristiche di
infiammabilità di questi gas di sfiato e delle miscele di metano, soprattutto nelle
condizioni che si verificano in ambito industriale.
Utilizzando un modello teorico rigorosamente verificato all'interno del framework
OpenSMOKE++, questo lavoro calcola i limiti inferiori e superiori di infiammabilità
(LFL e UFL) delle miscele di gas di sfiato metano-aria e batteria, con e senza diluizione
di azoto. La verifica del modello, ottenuta attraverso il confronto con i dati
sperimentali sulle velocità di fiamma laminare, conferma l'affidabilità del modello a
varie pressioni, temperature e composizioni di combustibile. I risultati principali
rivelano che la diluizione dell'azoto restringe efficacemente l'intervallo di
infiammabilità del metano, riducendo il rischio di accensione: un risultato che trova
applicazioni dirette nel miglioramento della sicurezza negli ambienti di stoccaggio e
di processo.
Lo studio esplora inoltre l'impatto della temperatura e della pressione
sull'infiammabilità dell'aria e del metano, dimostrando che l'aumento della
temperatura e della pressione amplia l'intervallo di infiammabilità, in particolare
l'UFL. Questa conoscenza è fondamentale per la gestione dei rischi negli ambienti ad
alta temperatura e ad alta pressione in cui si lavora il metano. Inoltre, sono stati studiati
gli effetti di ossidanti alternativi, come il protossido di azoto (N₂O) e l'ossido di azoto (NO), mostrando un ampliamento dell'intervallo di infiammabilità dovuto
all'aumento del contenuto di ossigeno e sottolineando l'importanza di un'attenta
selezione degli ossidanti nella gestione della combustione. L'analisi di sensibilità
identifica le reazioni che influenzano maggiormente i limiti di infiammabilità,
fornendo una base per i futuri perfezionamenti del modello.
Sebbene il modello preveda accuratamente gli intervalli di infiammabilità in molte
condizioni, si osservano limitazioni ad alte pressioni e con la diluizione di CO₂ o H₂O
a causa degli effetti di riassorbimento delle radiazioni. Il lavoro futuro potrebbe
concentrarsi sul miglioramento della capacità del modello di gestire questi effetti,
ampliando così la sua applicabilità. Le intuizioni generate da questo studio hanno
implicazioni significative per la manipolazione, lo stoccaggio e la gestione sicura del
metano e dei gas di sfiato delle batterie, contribuendo a fornire dati preziosi per il
progresso dell'ingegneria della sicurezza antincendio nelle applicazioni industriali ad
alto rischio.
This research presents a detailed investigation into the flammability limits of
methane and battery vent gases under varied conditions, with applications in fire
safety engineering across industries such as oil, gas, and petrochemicals. With the
increased use of lithium-ion batteries (LIBs), the risks associated with vent gases
released during thermal runaway events have become more critical. This study
addresses a significant gap in understanding the flammability characteristics of these
vent gases and methane mixtures, especially under conditions encountered in
industrial settings.
Utilizing a rigorously verified theoretical model within the OpenSMOKE++
framework, this work calculates the lower and upper flammability limits (LFL and
UFL) of methane-air and battery vent gas mixtures, with and without nitrogen
dilution. Model verification, achieved through comparison with experimental data on
laminar flame speeds, confirms the reliability of the model across various pressures,
temperatures, and fuel compositions. Key findings reveal that nitrogen dilution
effectively narrows the flammability range of methane, reducing ignition risk—a
result with direct applications in enhancing safety in storage and process
environments.
The study further explores the impact of temperature and pressure on methane
air flammability, demonstrating that both increased temperature and pressure expand
the flammable range, particularly the UFL. This insight is crucial for managing risks
in high-temperature, high-pressure environments where methane is processed.
Additionally, the effects of alternative oxidizers, such as nitrous oxide (N₂O) and nitric
oxide (NO), are investigated, showing a broadened flammability range due to increased oxygen content and emphasizing the importance of careful oxidizer
selection in combustion management. Sensitivity analysis identifies the reactions most
influencing flammability limits, providing a foundation for future model refinements.
While the model accurately predicts flammability ranges under many conditions,
limitations are observed at high pressures and with CO₂ or H₂O dilution due to
radiation reabsorption effects. Future work could focus on enhancing the model’s
ability to handle these effects, thus expanding its applicability. The insights generated
by this study have significant implications for the safe handling, storage, and
management of methane and battery vent gases, contributing valuable data for
advancing fire safety engineering in high-risk industrial applications.