Modelli predittivi per la stima della minima energia di innesco di polveri organiche polidisperse

The process industry is a sector characterized by the sale of 50% of its products in the form of powder and in which 80% of the goods generated are made through a production system that involves the use of a powder (“MIE - Minimum Ignition Energy of dust - PowderProcess.net,” 2020). This sector massively employs solid materials and, through the use of operations such as material transport, crushing, screening, sanding, trimming, feeding tanks and bins, storage of granular materials and many other activities, is very often characterized by the collateral emission of dust. A similar scenario, combined with the fact that 70% of the dust processed today by the industry are combustible (Vijayaraghavan, 2011), makes the risk of a dust explosion one of the major concerns of the process industry. In this context, to ensure the safety of people and infrastructure, it is crucial to obtain the parameters that characterize the explosiveness of the dust. To date, however, these parameters are all determined experimentally, involving large economic costs, technical difficulties, and long lead times. This research focuses on one of these parameters, the Minimum Ignition Energy (MIE), considered to be one of the most important and able to provide the basis for a future study of the others. In this thesis, therefore, taking a cue from the experimental test with the 1.2L Hartmann tube, two new versions of a mathematical model are proposed, able to determine the MIE of an organic powder. The models characterize the powder analyzed through its particle size distribution, and few chemical-physical characteristics obtained from a single thermogravimetric analysis TGA as an experimental test. Six organic powders were selected to validate the model (Aspirin, Cork, Corn starch, Sugar (d50=135µm), Sugar(d50=34µm) and Wheat flour), with the intention of comparing the theoretical data obtained with the experimental ones. Due to the COVID-19 emergency, in which this research was written, it was not possible to derive the data from experimental tests in the laboratory, so it was necessary to use only the data available in the literature and, where necessary, were reasonably hypothesized. The results obtained are encouraging, mainly within the range of acceptability and are reasonably in line with the experimental results.

L’industria di processo è un settore caratterizzato dalla vendita del 50% dei suoi prodotti sotto forma di polvere e in cui l’80% dei beni generati sono realizzati con un sistema produttivo che comporta l’utilizzo di una polvere (“MIE - Minimum Ignition Energy of dust - PowderProcess.net,” 2020). Il settore impiega massicciamente materiali solidi e, attraverso l’impiego di operazioni come trasporto di materiale, frantumazione, vagliatura, carteggiatura, rifilatura, alimentazione di serbatoi e bidoni, immagazzinamento di materiali granulari e molte altre attività, è molto spesso contraddistinto dall’emissione collaterale di polveri. Un simile scenario, unito al fatto che il 70% delle polveri processate oggi dall’industria sia combustibile (Vijayaraghavan, 2011), rende il rischio di un esplosione da polvere una delle maggiori preoccupazioni dell’industria di processo. Per garantire la sicurezza di persone e infrastrutture in questo ambito, è cruciale ricavare i parametri che caratterizzano l’esplosività della polvere. Ad oggi, tuttavia, questi parametri sono tutti determinati sperimentalmente comportando grandi costi economici, difficoltà tecniche e lunghe tempistiche. Questo elaborato si focalizza su uno di questi parametri, la minima energia di ignizione (MIE), reputato uno dei più importanti e in grado di fornire le basi per un futuro studio dei restanti. In questa tesi, pertanto, prendendo spunto dalla prova sperimentale con il tubo di Hartmann da 1.2L, vengono proposte due nuove versioni di un modello matematico, in grado di determinare il MIE di una polvere organica. I due modelli caratterizzano la polvere analizzata attraverso la sua distribuzione granulometrica, e poche sue caratteristiche chimico-fisiche ricavate da un’unica analisi termogravimetrica TGA come test sperimentale. Per convalidare i modelli sono state selezionate sei polveri organiche (Amido di mais, Aspirina, Farina di frumento, Sughero, Zucchero(d50=135µm) e Zucchero(d50=34µm), con l’intenzione di confrontare i dati teorici ottenuti con quelli sperimentali. A causa dell’emergenza COVID-19, in cui questo elaborato è stato scritto, non è stato possibile ricavare i dati da test sperimentali in laboratorio, pertanto ci si è dovuto avvalere dei soli dati disponibili in letteratura e, dove necessario, sono stati ragionevolmente ipotizzati. I risultati ottenuti risultano incoraggianti e prevalentemente interni all’intervallo di accettabilità prefissatosi, mostrandosi ragionevolmente in linea con i risultati sperimentali.