Utilizzo di rilevatori di gas infiammabili PPM per aumentare la sicurezza

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Figura 1: Risposta selettiva in ppm di H2 in presenza di gas interferenti.

Una delle tecnologie di rilevamento dei gas infiammabili più utilizzate è il sensore LEL.

LEL, abbreviazione di "Limite esplosivo inferiore", è definito come la concentrazione più bassa (in percentuale) di un gas o vapore nell'aria che può propagare un'esplosione. Ad esempio, il metano (CH4) e l’idrogeno (H2), due dei gas industriali infiammabili più comuni, presentano valori LEL rispettivamente del 5% e del 4% in volume nell’aria. L'attenzione ai rilevatori LEL come tecnologia di riferimento per i materiali infiammabili è naturale a causa del chiaro pericolo di esplosioni, della storia mineraria e delle leggi sull'accesso agli spazi confinati che richiedono specificamente il rilevamento LEL.

I rilevatori di gas infiammabili LEL rappresentano chiaramente una parte importante di un programma di rilevamento gas, ma grazie alla tecnologia di base sono più efficaci per misurare concentrazioni di gas infiammabili relativamente elevate. Le concentrazioni del 100% LEL (la concentrazione minima di un gas infiammabile presente per supportare la combustione) menzionate sopra per CH4 e H2 corrispondono rispettivamente a 50.000 ppm e 40.000 ppm. Le normative antincendio tipiche richiedono allarmi gas al 10% LEL e al 20% LEL. La tecnologia usuale in questi sensori LEL al 100% è un circuito a ponte di Wheatstone con un pellistore attivo (con catalizzatore) e un pellistore passivo (senza catalizzatore) che interagiscono con il gas infiammabile da misurare. In pratica, questa tecnologia spesso non è molto affidabile al 5% LEL e al di sotto, nonostante sia spesso utilizzata come unica tecnologia di rilevamento per le misurazioni di sostanze infiammabili. Sebbene i rilevatori di gas infiammabili LEL siano spesso utilizzati nell'industria, non sono molto efficaci per misurare H2 al di sotto di 2.000 ppm e CH4 al di sotto di 2.500 ppm.

Figura 2: Tipica cabina per gas per contenere le bombole e controllare la consegna del gas ai processi.

Sebbene utilizzati meno frequentemente, sono stati sviluppati e sono disponibili sul mercato sensori di gas infiammabili di alta qualità ottimizzati per l'intervallo di concentrazione ppm. Tali sensori sono ideali per scenari di rilevamento di gas in cui le concentrazioni da misurare sono significativamente inferiori al normale intervallo LEL di un tipico rilevatore di gas infiammabili. Alcuni sensori di qualità superiore di questo tipo utilizzano la cosiddetta tecnologia dei semiconduttori "a filo caldo" in combinazione con la tecnologia dei setacci molecolari e devono anche essere in grado di misurare specificamente il gas infiammabile di interesse. Vedere di seguito il grafico della curva di risposta (Figura 1) utilizzando un sensore ppm di H2 specifico per l'idrogeno. Il sensore non solo risponde a una concentrazione di gas infiammabile inferiore alle capacità di un normale sensore LEL, una miscela di H2 ed etanolo (Et-OH) e alcol isopropilico (IPA) reagisce quasi esclusivamente con l'H2 e non con le altre sostanze.

Per illustrare l'efficacia pratica di questa tecnologia, riportiamo un esempio specifico di cabine a gas in cui i sensori di gas infiammabili ppm sono particolarmente efficaci. Una situazione comune negli impianti di semiconduttori e gas, tra gli altri ambienti industriali, è l'uso di bombole di gas droganti con una piccola quantità di una sostanza in un'alta concentrazione di gas infiammabile; tipicamente, oltre il 90% di gas infiammabile. L'H2 viene comunemente utilizzato in questo modo con una quantità minore di una sostanza drogante come la fosfina (PH3). Tieni presente che il PH3 è molto tossico e ha un TLV di 50 ppb. Queste bombole di gas vengono spesso utilizzate in una cabina del gas (vedere Figura 2).

Nella Tabella 1 di seguito elenchiamo varie ipotetiche concentrazioni che potresti vedere in una bottiglia di gas drogante.

Tabella 1: Scenario modello per il drogante fosfina PH3 in un bilancio di idrogeno H2.

Anche con una concentrazione di gas PH3 (drogante) del 10%, la bottiglia contiene il 90% di idrogeno. Questo valore è ben al di sopra del 100% LEL per l'idrogeno (quattro% in volume). Se si verificasse un guasto catastrofico del sistema e il gas scorresse liberamente nelle aree ambientali o nello scarico, si potrebbero formare miscele esplosive che un normale sensore LEL ad alta concentrazione rileverebbe. Tuttavia, i rilasci di gas nelle cabine del gas o in altri sistemi di distribuzione del gas sono raramente catastrofici. Solitamente si tratta di perdite molto piccole che si sviluppano nel tempo. Nel nostro esempio, nella Tabella I, abbiamo immaginato una piccola perdita realistica che fornisce solo 250 ppm di H2 ai rilevatori e abbiamo calcolato varie concentrazioni ambientali del gas PH3 (drogante) che ne deriva. È importante sottolineare che un tipico sensore LEL standard al 100% non rileverà affatto questo piccolo evento di perdita. Inoltre, alle concentrazioni di droganti PH3 molto spesso utilizzate, anche questo scenario di perdite di basso livello produce livelli > LDL di PH3 nell'ambiente. È anche vero che le grandi fughe di notizie iniziano quasi sempre come piccole fughe di notizie. Dal punto di vista dell’aumento del fattore di sicurezza per tali sistemi e, si spera, della prevenzione di una perdita catastrofica, ci sono chiaramente alcuni vantaggi. Inoltre, in questo scenario è possibile avvisare gli utenti dei rischi tossici impostando gli intervalli di rilevamento dei gas infiammabili attorno ai valori TLV del gas drogante.