可燃性ガス爆発限界

標準的な試験条件において、可燃性ガスまたは蒸気が酸化性ガスと混合して爆発に至る濃度限界を爆発限界と呼ぶ。一般的に「爆発限界」という用語は、空気中の可燃性ガスまたは蒸気の濃度限界を指す。爆発を引き起こす可燃性ガスの最低濃度は爆発下限界（LEL）、最高濃度は爆発上限（UEL）として知られている。

可燃性ガスや液体蒸気が爆発限界内にあり、熱源（直火や高温など）に遭遇すると、炎がガスや粉塵の空間中に急速に広がります。この迅速な化学反応によって大量の熱が放出され、熱によって膨張するガスが発生し、莫大な破壊力を持つ高温・高圧が発生します。

爆発限界は、可燃性ガス、蒸気、可燃性粉塵の危険性を説明する上で重要なパラメータである。通常、可燃性ガスや蒸気の爆発限界は、混合物中のガスや蒸気のパーセンテージで表される。

例えば、20℃の場合、可燃性ガスの体積分率と質量濃度の換算式は次のようになる：

y = (l/100) × (1000m/22.4) × (273/(273+20)) = l × (m/2.4)

この式において、Lは体積分率（%）、Yは質量濃度（g/m³）、Mは可燃性ガスまたは蒸気の相対分子質量、22.4は標準条件下（0℃、1気圧）で気体状態の物質1molが占める体積（リットル）である。

例えば、大気中のメタンガス濃度が10%の場合、次のように換算される：

Y = L × (M/2.4 = 10 × (16/2.4 = 66.67g/m³)

可燃性ガス、蒸気、粉塵の爆発限界の概念は、熱爆発の理論で説明できる。可燃性ガス、蒸気、粉塵の濃度がLELを下回る場合、過剰な空気、空気の冷却効果、可燃物の濃度不足により、システムは得る熱よりも失う熱の方が多くなり、反応は進行しない。同様に、濃度がUELを超えると、発生する熱量が失う熱量より少なくなり、反応が起こらなくなる。さらに、過剰な可燃性ガスや粉塵は、酸素不足のために反応や発熱に失敗するだけでなく、混合物を冷却して火炎の拡散を防ぐ。さらに、酸化エチレン、ニトログリセリン、火薬のような可燃性粉塵のような特定の物質では、UELが100%に達することもある。これらの物質は分解中に酸素を供給し、反応を継続させる。圧力と温度の上昇は、分解と爆発をさらに促進する。