Modellazione delle conseguenze di esplosioni da polveri con conversione in esplosioni di gas in ambienti aperti e spazi confinati

This thesis addresses the risk of combustible dust explosions in workplaces, both confined and unconfined environments, with particular attention to the need for rapid tools to provide an initial quantification of consequences during HAZOP studies. In the early stages of process risk analysis, the assessment is often predominantly qualita tive and does not allow for an immediate estimation of the extent of the expected effects in terms of overpressure. For this purpose, a calculation model was developed using Excel, based on a simplified Ba ker–Strehlow–Tang (BST) approach, taking as reference an updated flame speed derived from an experimental study conducted on real explosion tests. The severity of the event is characterized through parameterized curves as a function of the flame Mach number (Mf), by selecting parameters related to congestion, reactivity, and confinement. These parameters are determined from the analysis of the chemical and energetic characteristics of the dust, including quantities such as Kst and the total energy released, as well as from the specific explosion scenario. The adopted approach makes it possible to avoid the use of CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations, providing rapid responses and enabling quantitative comparison already in the preliminary phase of risk analysis. The model estimates the damage radii associated with different overpressure thresholds, with reference to the values tabulated in the Italian Ministerial Decree of 15 May 1996. The proposed tool therefore serves as operational support for preliminary assessment and technical discussion with the company, providing an immediate quantitative output. Although the thesis focuses on combustible dust, the adopted methodological framework (based on overpressure curves and on severity parameterization in terms of distance) can also be applied to gas or vapor explosion scenarios, provided that appropriate input data are available and are not exclusively related to dust (for example, the released energy).

Questa tesi affronta il rischio di esplosione di polveri combustibili negli ambienti di lavoro, sia confinati che non confinati, con particolare attenzione alla necessità di disporre di strumenti rapidi per una prima quantificazione delle conseguenze in sede di HAZOP. Nelle fasi iniziali dell’analisi del rischio di processo, la valutazione è spesso prevalentemente qualitativa e non consente di stimare in modo immediato l’estensione degli effetti attesi in termini di sovrapressione. A questo scopo è stato sviluppato un modello di calcolo utilizzando Excel basato su un approccio semplificato di tipo Baker–Strehlow–Tang (BST), assumendo come riferimento un aggiornamento delle velocità di fiamma derivato da uno studio sperimentale condotto su prove di esplosione reali. La severità dell’evento viene caratterizzata mediante curve parametrizzate in funzione del numero di Mach di fiamma (Mf), selezionando i para metri di congestione, reattività e confinamento. Tali parametri vengono determinati a partire dall’analisi delle caratteristiche chimiche ed energetiche delle polveri, includendo grandezze come il Kst e l’energia totale rilasciata, nonché in funzione dello scenario in cui avviene l’esplosione. L’approccio adottato consente di evitare il ricorso a simulazioni CFD (Computational Fluid Dynamics), fornendo risposte rapide e un confronto quanti tativo già nella fase preliminare dell’analisi del rischio. Il modello stima i raggi di danno associati a differenti soglie di sovrapressione, con riferimento ai valori tabulati nel Decreto Ministeriale 15 maggio 1996. Lo strumento proposto si configura, quindi, come supporto operativo alla valutazio ne preliminare e al confronto tecnico con l’azienda, fornendo un output quantitativo immediato. Sebbene la tesi abbia come soggetto la polvere combustibile, l’impostazione metodologi ca adottata (basata su curve di sovrapressione e su una parametrizzazione della severità in termini di distanza) risulta applicabile anche a scenari di esplosione di gas o vapori, avendo dati di input non appartenenti esclusivamente alla polvere (ad esempio, l’energia di rilascio)