Theoretical estimation of the deflagration index for organic combustible dusts

It is becoming clear that safety and prevention in the workplace are increasing important issues, especially as regards risks with serious consequences for health and infrastructures. One of them is the organic dusts explosion hazard which caused several industrial accidents during the last centuries. It is against this background that the deflagration index KSt occupies a fundamental role because it is used to design the deflagration vents aimed to protect industrial devices and silos by internal dust explosions. Nowadays the computation of the KSt is carried out with experimental testing, for example using a standard 20 L sphere test, its determination is quite expensive and time consuming. This problem is even more severe when a target dust is processed into a plant, giving rise to different average diameters; in this case, an experimental investigation of all the different particle sizes would be advisable but very expensive. In this context, the aim of this thesis is to develop a new mathematical model for the evaluation of the KSt for an organic dust, starting from the explosion mode of the dust in the 20 L sphere using only experimental data from thermogravimetric analysis. In particular, all phenomena contributing to the explosion have been studied and analyzed such as kinetic, pyrolysis and devolatilization, considering primarily the contribution of the ignitors. To validate the model, the required data for eight different organic dusts (Aspirin, Cork, Cornstarch, Niacin, Polyethylene, Polystyrene, Sugar, Wheat flour) have been sought in literature and, where necessary, reasonably hypothesized. This first version of the model provides successful results because values of KSt very close to the experimental ones were obtained. These results can be further improved by performing more refined studies on the kinetics of the phenomenon to both ensure much more accurate model predictions and make the risk evaluation process quicker, cheaper and widely used.

La sicurezza e la prevenzione nei luoghi di lavoro sono delle tematiche di grande rilevanza, soprattutto riguardo rischi le cui conseguenze possono essere molto gravi per la salute e le infrastrutture. Fra questi, il rischio di esplosione di polveri organiche è causa di molti incidenti industriali avvenuti negli ultimi secoli. In questo contesto, l’indice di deflagrazione KSt ha un ruolo fondamentale, infatti è utilizzato per la progettazione dei dispositivi di sfogo dalle sovrappressioni (deflagration vents) che hanno lo scopo di proteggere silos e impianti industriali dalle esplosioni di polveri che possono avvenire al loro interno. La valutazione del KSt avviene tramite test sperimentali svolti in laboratorio, tra cui quello nella sfera standard da 20 L, che possono essere onerosi sia in termini di denaro che di tempo. Tale problema è da considerare quando le polveri trasformate in un impianto vanno a creare differenti granulometrie, in questo caso una sperimentazione per ogni diametro delle particelle è raccomandata ma molto costosa. Lo scopo dell’elaborato è quello di sviluppare un nuovo modello matematico in grado di prevedere il KSt delle polveri organiche a partire dalla loro modalità di esplosione nella sfera da 20 L utilizzando solo test termogravimetrici (molto rapidi e meno costosi del test standard in sfera). In particolare, sono stati analizzati e studiati i fenomeni concorrenti all’esplosione come cinetica, pirolisi e devolatilizzazione, considerando in primo luogo il contributo dato dagli ignitori. Per convalidare il modello, sono stati ricercati in letteratura e, se necessario ragionevolmente ipotizzati, i dati utili per otto diverse polveri organiche (aspirina, sughero, amido di mais, niacina, polietilene, polistirene, zucchero e farina). Nella prima stesura il modello fornisce buoni risultati, infatti sono stati ricavati valori di KSt molto vicini a quelli sperimentali e lo si potrà migliorare ulteriormente facendo studi più approfonditi sulla cinetica del fenomeno e sui parametri critici per renderlo sempre più accurato e con un campo di utilizzo più ampio, in modo da rendere i calcoli di esplosività più rapidi, economici e di largo impiego.