Granica wybuchowości gazów palnych

W standardowych warunkach testowych granica stężenia, przy której palny gaz lub opary zmieszane z gazem utleniającym prowadzą do wybuchu, jest określana jako granica wybuchowości. Powszechnie termin "granica wybuchowości" odnosi się do granicznych stężeń palnych gazów lub oparów w powietrzu. Najniższe stężenie gazu palnego, które może spowodować wybuch, jest znane jako dolna granica wybuchowości (LEL), a najwyższe stężenie jako górna granica wybuchowości (UEL).

Gdy palne gazy lub opary cieczy znajdują się w granicach wybuchowości i napotkają źródło ciepła (takie jak otwarty płomień lub wysoka temperatura), płomień szybko rozprzestrzenia się w przestrzeni gazowej lub pyłowej. Ta szybka reakcja chemiczna uwalnia znaczną ilość ciepła, generując gazy, które rozszerzają się pod wpływem ciepła, tworząc wysokie temperatury i ciśnienia o ogromnym potencjale niszczącym.

Granice wybuchowości są kluczowymi parametrami w opisie zagrożeń stwarzanych przez łatwopalne gazy, opary i palne pyły. Zazwyczaj granice wybuchowości łatwopalnych gazów i oparów są wyrażane jako procent gazu lub oparów w mieszaninie.

Na przykład, w temperaturze 20°C, wzór przeliczeniowy dla ułamka objętościowego i stężenia masowego gazu palnego jest następujący:

Y = (L/100) × (1000M/22.4) × (273/(273+20)) = L × (M/2.4)

We wzorze tym L to ułamek objętościowy (%), Y to stężenie masowe (g/m³), M to względna masa cząsteczkowa palnego gazu lub pary, a 22,4 to objętość (w litrach) zajmowana przez 1 mol substancji w stanie gazowym w standardowych warunkach (0°C, 1 atm).

Na przykład, jeśli stężenie metanu w atmosferze wynosi 10%, przelicza się to na:

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

Koncepcję granic wybuchowości dla łatwopalnych gazów, oparów i pyłów można wyjaśnić za pomocą teorii wybuchu termicznego. Jeśli stężenie łatwopalnego gazu, oparów lub pyłu jest niższe niż wartość LEL, ze względu na nadmiar powietrza, efekt chłodzenia powietrza i niewystarczające stężenie materiału palnego, system traci więcej ciepła niż zyskuje, a reakcja nie zachodzi. Podobnie, jeśli stężenie jest powyżej UEL, wytworzone ciepło jest mniejsze niż ciepło utracone, co uniemożliwia reakcję. Dodatkowo, nadmiar palnego gazu lub pyłu nie tylko nie reaguje i nie generuje ciepła z powodu braku tlenu, ale także chłodzi mieszaninę, zapobiegając rozprzestrzenianiu się płomienia. Co więcej, w przypadku niektórych substancji, takich jak tlenek etylenu, nitrogliceryna i palny pył, taki jak proch strzelniczy, UEL może osiągnąć 100%. Materiały te dostarczają tlen podczas rozkładu, umożliwiając kontynuowanie reakcji. Zwiększone ciśnienie i temperatura dodatkowo ułatwiają ich rozkład i eksplozję.