Hranica výbušnosti horľavých plynov

V štandardných skúšobných podmienkach sa hranica koncentrácie, pri ktorej horľavý plyn alebo para zmiešaná s oxidačným plynom vedie k výbuchu, označuje ako hranica výbušnosti. Bežne sa termín "medza výbušnosti" vzťahuje na medzné koncentrácie horľavých plynov alebo pár vo vzduchu. Najnižšia koncentrácia horľavého plynu, ktorá môže spôsobiť výbuch, sa označuje ako dolná medza výbušnosti (LEL) a najvyššia koncentrácia ako horná medza výbušnosti (UEL).

Keď sa horľavé plyny alebo kvapalné pary nachádzajú v medziach výbušnosti a narazia na zdroj tepla (napríklad otvorený plameň alebo vysokú teplotu), plameň sa rýchlo rozšíri v priestore plynu alebo prachu. Pri tejto rýchlej chemickej reakcii sa uvoľňuje značné množstvo tepla, pričom vznikajú plyny, ktoré sa vplyvom tepla rozpínajú a vytvárajú vysoké teploty a tlaky s obrovským ničivým potenciálom.

Limity výbušnosti sú kľúčovými parametrami pri opise nebezpečenstva horľavých plynov, pár a horľavého prachu. Zvyčajne sa medze výbušnosti horľavých plynov a pár vyjadrujú ako percento plynu alebo pary v zmesi.

Napríklad pri 20 °C je prevodný vzorec pre objemový zlomok a hmotnostnú koncentráciu horľavého plynu:

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

V tomto vzorci je L objemový zlomok (%), Y je hmotnostná koncentrácia (g/m³), M je relatívna molekulová hmotnosť horľavého plynu alebo pary a 22,4 je objem (v litroch), ktorý zaberá 1 mol látky v plynnom stave za štandardných podmienok (0 °C, 1 atm).

Ak je napríklad koncentrácia metánu v atmosfére 10%, prepočíta sa na:

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

Koncepciu medzí výbušnosti horľavých plynov, pár a prachu možno vysvetliť teóriou tepelného výbuchu. Ak je koncentrácia horľavého plynu, pary alebo prachu nižšia ako LEL, v dôsledku prebytku vzduchu, chladiaceho účinku vzduchu a nedostatočnej koncentrácie horľavej látky systém stráca viac tepla, ako získava, a reakcia neprebieha. Podobne, ak je koncentrácia vyššia ako UEL, vzniknuté teplo je menšie ako stratené teplo, čo zabraňuje reakcii. Okrem toho, nadmerné množstvo horľavého plynu alebo prachu nielenže nereaguje a nevytvára teplo v dôsledku nedostatku kyslíka, ale zmes sa aj ochladzuje, čo zabraňuje šíreniu plameňa. Okrem toho v prípade niektorých látok, ako je etylénoxid, nitroglycerín a horľavý prach, napríklad pušný prach, môže UEL dosiahnuť 100%. Tieto materiály poskytujú počas rozkladu svoj kyslík, čo umožňuje pokračovanie reakcie. Zvýšený tlak a teplota ďalej uľahčujú ich rozklad a výbuch.