Palavien kaasujen räjähdysraja

Räjähdysrajaksi kutsutaan tavanomaisissa testausolosuhteissa pitoisuusrajaa, jossa palava kaasu tai höyry sekoittuneena hapettavan kaasun kanssa johtaa räjähdykseen. Yleisesti termi "räjähdysraja" viittaa palavien kaasujen tai höyryjen pitoisuusrajoihin ilmassa. Pienintä palavan kaasun pitoisuutta, joka voi aiheuttaa räjähdyksen, kutsutaan alemmaksi räjähdysrajaksi (LEL) ja suurinta pitoisuutta ylemmäksi räjähdysrajaksi (UEL).

Kun palavat kaasut tai nestehöyryt ovat räjähdysrajojen sisällä ja kohtaavat lämmönlähteen (kuten avoliekin tai korkean lämpötilan), liekki leviää nopeasti kaasu- tai pölytilassa. Tämä nopea kemiallinen reaktio vapauttaa huomattavan määrän lämpöä ja synnyttää kaasuja, jotka laajenevat lämmön vaikutuksesta, jolloin syntyy korkeita lämpötiloja ja paineita, joilla on valtava tuhopotentiaali.

Räjähdysrajat ovat keskeisiä muuttujia syttyvien kaasujen, höyryjen ja palavan pölyn aiheuttamien vaarojen kuvaamisessa. Yleensä palavien kaasujen ja höyryjen räjähdysrajat ilmaistaan prosentteina kaasun tai höyryn pitoisuudesta seoksessa.

Esimerkiksi 20 °C:n lämpötilassa syttyvän kaasun tilavuusosuuden ja massapitoisuuden muuntokaava on:

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

Tässä kaavassa L on tilavuusosuus (%), Y on massakonsentraatio (g/m³), M on palavan kaasun tai höyryn suhteellinen molekyylimassa ja 22,4 on tilavuus (litroina), jonka 1 mol kaasumaisessa tilassa olevaa ainetta vie vakio-olosuhteissa (0 °C, 1 atm).

Jos esimerkiksi metaanikaasun pitoisuus ilmakehässä on 10%, se muuntuu seuraavasti:

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

Palavien kaasujen, höyryjen ja pölyn räjähdysrajat voidaan selittää lämpöräjähdysteorian avulla. Jos palavan kaasun, höyryn tai pölyn pitoisuus on alle LEL-arvon, ylimääräisen ilman, ilman jäähdyttävän vaikutuksen ja palavan aineen riittämättömän pitoisuuden vuoksi järjestelmä menettää enemmän lämpöä kuin se saa, eikä reaktio etene. Vastaavasti, jos pitoisuus on yli UEL-arvon, tuotettu lämpö on pienempi kuin menetetty lämpö, jolloin reaktio estyy. Lisäksi liiallinen määrä palavaa kaasua tai pölyä ei ainoastaan reagoi ja tuota lämpöä hapen puutteen vuoksi, vaan myös jäähdyttää seosta, mikä estää liekin leviämisen. Lisäksi tiettyjen aineiden, kuten etyleenioksidin, nitroglyseriinin ja palavan pölyn, kuten ruuti, UEL-arvo voi olla jopa 100%. Nämä aineet tuottavat happea hajoamisen aikana, jolloin reaktio voi jatkua. Paineen ja lämpötilan nousu helpottaa niiden hajoamista ja räjähdystä entisestään.