Смеси диспергированных горючих материалов (таких как газообразные или испаряющиеся топлива и некоторые виды пыли) и кислорода в воздухе будут гореть только в том случае, если концентрация топлива находится в пределах четко определенных нижних и верхних границ, определенных экспериментально, называемых пределами воспламеняемости или пределами взрываемости . Горение может варьироваться по интенсивности от дефлаграции до детонации .
Пределы меняются в зависимости от температуры и давления, но обычно выражаются в процентах объема при 25 °C и атмосферном давлении. Эти пределы важны как для создания и оптимизации взрыва или сгорания, как в двигателе, так и для их предотвращения, как в случае неконтролируемых взрывов скоплений горючего газа или пыли. Достижение наилучшей горючей или взрывчатой смеси топлива и воздуха ( стехиометрическая пропорция) важно для двигателей внутреннего сгорания, таких как бензиновые или дизельные двигатели .
Стандартной справочной работой по-прежнему является работа, разработанная Майклом Джорджем Забетакисом , специалистом по пожарной безопасности , с использованием аппарата, разработанного Горным бюро США .
Горение может различаться по степени интенсивности. Дефлаграция — это распространение зоны горения со скоростью, меньшей скорости звука в непрореагировавшей среде. Детонация — это распространение зоны горения со скоростью, большей скорости звука в непрореагировавшей среде. Взрыв — это разрыв или разрушение оболочки или контейнера из-за развития внутреннего давления от дефлаграции или детонации, как определено в NFPA 69.
Нижний предел воспламеняемости (НПВ): самая низкая концентрация (процент) газа или пара в воздухе, способная вызвать вспышку огня при наличии источника возгорания (дуга, пламя, тепло). Многие специалисты по безопасности считают этот термин тем же самым, что и нижний уровень взрывоопасности (НПВ). При концентрации в воздухе ниже НПВ газовые смеси «слишком бедны», чтобы гореть. НПВ метана составляет 4,4%. [1] Если в атмосфере содержится менее 4,4% метана, взрыв не может произойти даже при наличии источника возгорания. С точки зрения охраны труда и техники безопасности концентрация НПВ считается непосредственно опасной для жизни или здоровья (НПВ) , при этом для горючего газа не существует более строгого предела воздействия. [2]
Процентное показание на мониторах горючего воздуха не следует путать с концентрацией LFL. Экспозиметры , разработанные и откалиброванные для определенного газа, могут показывать относительную концентрацию атмосферы по отношению к LFL — LFL составляет 100%. Например, показание LFL в 5% для метана будет эквивалентно 5%, умноженным на 4,4%, или приблизительно 0,22% метана по объему при 20 градусах Цельсия. Контроль опасности взрыва обычно достигается за счет достаточной естественной или механической вентиляции, чтобы ограничить концентрацию горючих газов или паров до максимального уровня в 25% от их нижнего предела взрываемости или воспламеняемости .
Верхний предел воспламеняемости (ВПВ): наивысшая концентрация (процент) газа или пара в воздухе, способная вызвать вспышку огня при наличии источника возгорания (дуга, пламя, тепло). Концентрации выше ВПВ или ВПВ «слишком богаты», чтобы гореть. Эксплуатация выше ВПВ обычно избегается в целях безопасности, поскольку утечка воздуха может привести смесь в диапазон возгораемости.
Пределы воспламеняемости смесей нескольких горючих газов можно рассчитать, используя правило смешения Ле Шателье для объемных долей горючих газов :
и аналогично для UFL.
Температура , давление и концентрация окислителя также влияют на пределы воспламеняемости. Более высокая температура или давление, а также более высокая концентрация окислителя (в первую очередь кислорода в воздухе) приводят к более низкому LFL и более высокому UFL, следовательно, газовая смесь будет легче взорваться.
Обычно кислород для горения поставляет атмосферный воздух, а пределы предполагают нормальную концентрацию кислорода в воздухе. Обогащенные кислородом атмосферы усиливают горение, снижая LFL и увеличивая UFL, и наоборот; атмосфера, лишенная окислителя, не является ни огнеопасной, ни взрывоопасной для любой концентрации топлива (за исключением газов, которые могут энергично разлагаться даже в отсутствие окислителя, таких как ацетилен ). Значительное увеличение доли инертных газов в воздушной смеси за счет кислорода увеличивает LFL и уменьшает UFL.
Контроль концентрации газа и пара за пределами пределов воспламеняемости является важным фактором в охране труда и технике безопасности . Методы, используемые для контроля концентрации потенциально взрывоопасного газа или пара, включают использование продувочного газа, нереакционноспособного газа, такого как азот или аргон, для разбавления взрывоопасного газа перед контактом с воздухом. Также распространено использование скрубберов или адсорбционных смол для удаления взрывоопасных газов перед выбросом. Газы также можно безопасно поддерживать при концентрациях выше UEL, хотя нарушение в контейнере для хранения может привести к взрывоопасным условиям или сильным пожарам .
Пыль также имеет верхний и нижний пределы взрываемости, хотя верхние пределы трудно измерить и они не имеют большого практического значения. Нижние пределы воспламеняемости для многих органических материалов находятся в диапазоне 10–50 г/м 3 , что намного выше пределов, установленных по соображениям охраны здоровья, как в случае с LEL многих газов и паров. Облака пыли такой концентрации трудно увидеть насквозь более чем на коротком расстоянии, и обычно существуют только внутри технологического оборудования.
Пределы воспламеняемости также зависят от размера частиц пыли и не являются внутренними свойствами материала. Кроме того, концентрация выше LEL может быть создана внезапно из-за осевших скоплений пыли, поэтому управление с помощью обычного мониторинга, как это делается с газами и парами, не имеет значения. Предпочтительным методом управления горючей пылью является предотвращение скоплений осевшей пыли с помощью технологического ограждения, вентиляции и очистки поверхности. Однако более низкие пределы воспламеняемости могут иметь отношение к проектированию завода.
Ситуации, вызванные испарением горючих жидкостей в заполненный воздухом пустотный объем контейнера, могут быть ограничены гибким объемом контейнера или использованием несмешивающейся жидкости для заполнения пустотного объема. Гидравлические танкеры используют вытеснение воды при заполнении резервуара нефтью. [3]
Ниже приведены пределы воспламеняемости/взрывоопасности некоторых газов и паров. Концентрации указаны в процентах по объему воздуха.
В США наиболее распространенным методом измерения LFL и UFL является ASTM E681. [26] Этот стандартный тест требуется для газов HAZMAT Class 2 и для определения классификации воспламеняемости хладагентов . Этот стандарт использует визуальные наблюдения распространения пламени в 5-литровых или 12-литровых сферических стеклянных сосудах для измерения пределов воспламеняемости. Воспламеняющиеся условия определяются как те, при которых пламя распространяется за пределами угла конуса 90°.
