Shenhai eksplozijsko varen
V standardnih preskusnih pogojih se mejna koncentracija, pri kateri gorljiv plin ali para, pomešana z oksidativnim plinom, povzroči eksplozijo, imenuje eksplozijska meja. Običajno se izraz "eksplozijska meja" nanaša na mejne koncentracije gorljivih plinov ali hlapov v zraku. Najnižja koncentracija gorljivega plina, ki lahko povzroči eksplozijo, je znana kot spodnja eksplozijska meja (LEL), najvišja koncentracija pa kot zgornja eksplozijska meja (UEL).
Kadar so gorljivi plini ali tekoči hlapi znotraj eksplozijske meje in naletijo na vir toplote (kot je odprt plamen ali visoka temperatura), se plamen hitro razširi po prostoru za plin ali prah. Pri tej hitri kemični reakciji se sprosti precejšnja količina toplote, pri čemer nastanejo plini, ki se zaradi toplote razširijo ter ustvarijo visoke temperature in tlake z ogromnim uničevalnim potencialom.
Mejne vrednosti eksplozije so ključni parametri pri opisovanju nevarnosti vnetljivih plinov, hlapov in gorljivega prahu. Običajno so meje eksplozivnosti vnetljivih plinov in hlapov izražene kot odstotek plina ali hlapa v zmesi.
Enačba za pretvorbo volumskega deleža in masne koncentracije vnetljivega plina pri 20 °C je na primer:
Y = (L/100) × (1000M/22,4) × (273/(273+20)) = L × (M/2,4)
V tej formuli je L volumski delež (%), Y je masna koncentracija (g/m³), M je relativna molekulska masa gorljivega plina ali pare, 22,4 pa je prostornina (v litrih), ki jo zavzema 1 mol snovi v plinastem stanju pod standardnimi pogoji (0 °C, 1 atm).
Če je na primer koncentracija metana v ozračju 10%, se pretvori v:
Y = L × (M/2,4) = 10 × (16/2,4) = 66,67 g/m³
Koncept mejnih vrednosti eksplozije za vnetljive pline, hlape in prah je mogoče razložiti s teorijo toplotne eksplozije. Če je koncentracija vnetljivega plina, hlapov ali prahu pod vrednostjo LEL, sistem zaradi presežka zraka, hladilnega učinka zraka in nezadostne koncentracije gorljive snovi izgubi več toplote, kot je pridobi, in reakcija se ne nadaljuje. Podobno, če je koncentracija nad UEL, je pridobljena toplota manjša od izgubljene toplote, kar prepreči reakcijo. Poleg tega prevelika količina gorljivega plina ali prahu ne le, da zaradi pomanjkanja kisika ne reagira in ne ustvarja toplote, temveč zmes tudi ohlaja, kar preprečuje širjenje plamena. Poleg tega lahko za nekatere snovi, kot so etilen oksid, nitroglicerin in gorljivi prah, na primer strelni prah, UEL doseže 100%. Ti materiali med razpadom zagotavljajo kisik, kar omogoča nadaljevanje reakcije. Povečan tlak in temperatura še olajšata njihovo razgradnjo in eksplozijo.