Shenhai a prova di esplosione
In condizioni di prova standard, il limite di concentrazione al quale un gas o un vapore combustibile mescolato con un gas ossidante provoca un'esplosione è definito limite di esplosione. Comunemente, il termine "limite di esplosione" si riferisce ai limiti di concentrazione di gas o vapori combustibili nell'aria. La concentrazione più bassa di un gas combustibile che può causare un'esplosione è nota come limite inferiore di esplosione (LEL) e la concentrazione più alta come limite superiore di esplosione (UEL).
Quando i gas o i vapori liquidi combustibili si trovano entro i limiti di esplosione e incontrano una fonte di calore (come una fiamma libera o un'alta temperatura), la fiamma si diffonde rapidamente attraverso lo spazio del gas o della polvere. Questa rapida reazione chimica rilascia una quantità significativa di calore, generando gas che si espandono a causa del calore, creando temperature e pressioni elevate con un immenso potenziale distruttivo.
I limiti di esplosione sono parametri fondamentali per descrivere i rischi di gas, vapori e polveri infiammabili. In genere, i limiti di esplosione di gas e vapori infiammabili sono espressi come percentuale del gas o del vapore nella miscela.
Ad esempio, a 20°C, la formula di conversione per la frazione volumetrica e la concentrazione di massa di un gas infiammabile è la seguente:
Y = (L/100) × (1000M/22,4) × (273/(273+20)) = L × (M/2,4)
In questa formula, L è la frazione volumetrica (%), Y è la concentrazione di massa (g/m³), M è la massa molecolare relativa del gas o del vapore combustibile e 22,4 è il volume (litri) occupato da 1 mole di una sostanza allo stato gassoso in condizioni standard (0°C, 1 atm).
Ad esempio, se la concentrazione di gas metano nell'atmosfera è di 10%, si converte in:
Y = L × (M/2,4) = 10 × (16/2,4) = 66,67g/m³
Il concetto di limiti di esplosione per gas, vapori e polveri infiammabili può essere spiegato dalla teoria dell'esplosione termica. Se la concentrazione di un gas, di un vapore o di una polvere infiammabili è inferiore al LEL, a causa dell'eccesso di aria, dell'effetto di raffreddamento dell'aria e della concentrazione insufficiente del combustibile, il sistema perde più calore di quanto ne guadagna e la reazione non procede. Analogamente, se la concentrazione è superiore all'UEL, il calore generato è inferiore a quello perso, impedendo la reazione. Inoltre, un eccesso di gas o polvere combustibile non solo non reagisce e non genera calore a causa della mancanza di ossigeno, ma raffredda anche la miscela, impedendo la propagazione della fiamma. Inoltre, per alcune sostanze come l'ossido di etilene, la nitroglicerina e le polveri combustibili come la polvere da sparo, l'UEL può raggiungere i 100%. Questi materiali forniscono il loro ossigeno durante la decomposizione, permettendo alla reazione di continuare. L'aumento della pressione e della temperatura facilita ulteriormente la decomposizione e l'esplosione.