Όριο έκρηξης εύφλεκτων αερίων

Σε τυποποιημένες συνθήκες δοκιμής, το όριο συγκέντρωσης στο οποίο ένα καύσιμο αέριο ή ατμός αναμεμειγμένος με ένα οξειδωτικό αέριο οδηγεί σε έκρηξη ονομάζεται όριο έκρηξης. Συνήθως, ο όρος "όριο έκρηξης" αναφέρεται στα όρια συγκέντρωσης των εύφλεκτων αερίων ή ατμών στον αέρα. Η χαμηλότερη συγκέντρωση ενός καύσιμου αερίου που μπορεί να προκαλέσει έκρηξη είναι γνωστή ως κατώτερο όριο έκρηξης (LEL) και η υψηλότερη συγκέντρωση ως ανώτερο όριο έκρηξης (UEL).

Όταν τα εύφλεκτα αέρια ή οι υγροί ατμοί βρίσκονται εντός των ορίων έκρηξης και συναντούν μια πηγή θερμότητας (όπως μια ανοιχτή φλόγα ή υψηλή θερμοκρασία), η φλόγα εξαπλώνεται γρήγορα στο χώρο των αερίων ή της σκόνης. Αυτή η γρήγορη χημική αντίδραση απελευθερώνει σημαντική ποσότητα θερμότητας, δημιουργώντας αέρια που διαστέλλονται λόγω της θερμότητας, δημιουργώντας υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις με τεράστιο καταστροφικό δυναμικό.

Τα όρια έκρηξης αποτελούν βασικές παραμέτρους για την περιγραφή των κινδύνων από τα εύφλεκτα αέρια, τους ατμούς και την εύφλεκτη σκόνη. Συνήθως, τα όρια έκρηξης των εύφλεκτων αερίων και ατμών εκφράζονται ως ποσοστό του αερίου ή του ατμού στο μείγμα.

Για παράδειγμα, στους 20°C, ο τύπος μετατροπής για το ογκομετρικό κλάσμα και τη συγκέντρωση μάζας ενός εύφλεκτου αερίου είναι:

Y = (L/100) × (1000M/22,4) × (273/(273+20)) = L × (M/2,4)

Σε αυτόν τον τύπο, L είναι το ογκομετρικό κλάσμα (%), Y είναι η συγκέντρωση μάζας (g/m³), M είναι η σχετική μοριακή μάζα του καύσιμου αερίου ή ατμού και 22,4 είναι ο όγκος (λίτρα) που καταλαμβάνει 1 mol μιας ουσίας σε αέρια κατάσταση υπό κανονικές συνθήκες (0°C, 1 atm).

Για παράδειγμα, αν η συγκέντρωση του αερίου μεθανίου στην ατμόσφαιρα είναι 10%, μετατρέπεται σε:

Y = L × (M/2,4) = 10 × (16/2,4) = 66,67g/m³

Η έννοια των ορίων έκρηξης για τα εύφλεκτα αέρια, τους ατμούς και τη σκόνη μπορεί να εξηγηθεί από τη θεωρία της θερμικής έκρηξης. Εάν η συγκέντρωση ενός εύφλεκτου αερίου, ατμού ή σκόνης είναι κάτω από το όριο LEL, λόγω της περίσσειας αέρα, της ψυκτικής επίδρασης του αέρα και της ανεπαρκούς συγκέντρωσης του καύσιμου, το σύστημα χάνει περισσότερη θερμότητα από όση κερδίζει και η αντίδραση δεν προχωρά. Παρομοίως, εάν η συγκέντρωση είναι πάνω από το UEL, η παραγόμενη θερμότητα είναι μικρότερη από τη θερμότητα που χάνεται, εμποδίζοντας την αντίδραση. Επιπλέον, η υπερβολική ποσότητα καύσιμου αερίου ή σκόνης όχι μόνο αποτυγχάνει να αντιδράσει και να παράγει θερμότητα λόγω έλλειψης οξυγόνου, αλλά και ψύχει το μείγμα, εμποδίζοντας την εξάπλωση της φλόγας. Επιπλέον, για ορισμένες ουσίες όπως το οξείδιο του αιθυλενίου, η νιτρογλυκερίνη και η εύφλεκτη σκόνη όπως η πυρίτιδα, η UEL μπορεί να φτάσει το 100%. Αυτά τα υλικά παρέχουν το οξυγόνο τους κατά τη διάρκεια της αποσύνθεσης, επιτρέποντας τη συνέχιση της αντίδρασης. Η αυξημένη πίεση και θερμοκρασία διευκολύνουν περαιτέρω την αποσύνθεση και έκρηξή τους.