Смеси диспергированных горючих материалов (таких как газообразное или испаренное топливо 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 от горения до детонации .
Пределы варьируются в зависимости от температуры и давления, но обычно выражаются в объемных процентах при 25 °C и атмосферном давлении. Эти ограничения важны как для создания и оптимизации взрыва или сгорания, как в двигателе, так и для его предотвращения, как при неконтролируемых взрывах скоплений горючего газа или пыли. Получение наилучшей горючей или взрывоопасной смеси топлива и воздуха ( стехиометрическая пропорция) важно в двигателях внутреннего сгорания, таких как бензиновые или дизельные двигатели .
Стандартным справочным изданием 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 — распространение зоны горения со скоростью, меньшей скорости звука в непрореагировавшей среде . Детонация – это распространение зоны горения со скоростью, превышающей скорость звука в непрореагировавшей среде . Взрыв — это взрыв или разрыв корпуса или контейнера из-за развития внутреннего давления в результате горения или детонации, как это определено в NFPA 69 .
Нижний предел воспламеняемости (НПВ): Наименьшая концентрация (процент) газа или пара в воздухе, способная вызвать вспышку огня при наличии источника воспламенения (дуга, пламя, тепло). Многие специалисты по безопасности считают, что этот термин аналогичен нижнему уровню взрывоопасности (НПВ). При концентрации в воздухе ниже НПВ газовые смеси «слишком бедны» для горения. Газ метан имеет LFL 4,4%. [1] Если в атмосфере содержится менее 4,4% метана, взрыв не может произойти даже при наличии источника возгорания. С точки зрения здоровья и безопасности концентрация LEL считается немедленно опасной для жизни и здоровья (IDLH) , при этом более строгий предел воздействия для горючего газа не существует. [2]
Процентные показания датчиков горючего воздуха не следует путать с концентрациями LFL. Эксплозиметры , спроектированные и откалиброванные по конкретному газу, могут показывать относительную концентрацию атмосферы к НПВ, при этом НПВ составляет 100%. Например, отображаемое значение LFL для метана, равное 5 %, будет эквивалентно 5 %, умноженному на 4,4 %, или примерно 0,22 % метана по объему при 20 градусах C. Контроль опасности взрыва обычно достигается за счет достаточной естественной или механической вентиляции. ограничить концентрацию легковоспламеняющихся газов или паров до максимального уровня 25% от их нижнего предела взрывоопасности или воспламеняемости .
Верхний предел воспламеняемости (ВПЛ): Наивысшая концентрация (процент) газа или пара в воздухе, способная вызвать вспышку огня при наличии источника воспламенения (дуга, пламя, тепло). Концентрации выше, чем UFL или UEL, «слишком богаты», чтобы их можно было сжечь. Эксплуатацию выше UFL обычно избегают из соображений безопасности, поскольку утечка воздуха может привести к тому, что смесь окажется в диапазоне воспламенения.
Пределы воспламеняемости смесей нескольких горючих газов можно рассчитать, используя правило смешивания 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, газовую смесь будет легче взорвать.
Обычно атмосферный воздух поставляет кислород для горения, а пределы предполагают нормальную концентрацию кислорода в воздухе. Атмосфера, обогащенная кислородом, усиливает горение, снижая LFL и увеличивая UFL, и наоборот; атмосфера, лишенная окислителя, не является ни горючей, ни взрывоопасной при любой концентрации топлива (за исключением газов, способных энергетически разлагаться даже в отсутствие окислителя, например ацетилена ). Значительное увеличение доли инертных газов в воздушной смеси за счет кислорода увеличивает НПС и снижает УФЛ.
Контроль концентрации газа и паров, выходящей за пределы воспламеняемости, является важным фактором безопасности и гигиены труда . Методы, используемые для контроля концентрации потенциально взрывоопасного газа или пара, включают использование продувочного газа, инертного газа, такого как азот или аргон, для разбавления взрывоопасного газа перед его контактом с воздухом. Также широко распространено использование скрубберов или адсорбционных смол для удаления взрывоопасных газов перед выбросом. Газы также можно безопасно хранить в концентрациях выше предельно допустимого уровня, хотя нарушение контейнера для хранения может привести к взрывоопасным ситуациям или сильным пожарам .
У пыли также есть 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/м³, что значительно превышает пределы, установленные по соображениям здоровья, как и в случае с НПВ многих газов и паров. Пылевые облака такой концентрации трудно увидеть на расстоянии более короткого расстояния, и обычно они существуют только внутри технологического оборудования.
Пределы воспламеняемости также зависят от размера частиц пыли и не являются внутренними свойствами материала. Кроме того, концентрация выше НПВ может внезапно возникнуть из-за осевших скоплений пыли, поэтому управление путем регулярного мониторинга, как это делается с газами и парами, не имеет смысла. Предпочтительным методом борьбы с горючей пылью является предотвращение скопления осевшей пыли посредством технологического помещения, вентиляции и очистки поверхностей. Однако более низкие пределы воспламеняемости могут иметь значение при проектировании предприятия.
Ситуации, вызванные испарением легковоспламеняющихся жидкостей в заполненный воздухом пустой объем контейнера, могут быть ограничены за счет гибкого объема контейнера или использования несмешивающейся жидкости для заполнения пустот. Гидравлические цистерны 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] Это стандартное испытание требуется для газов класса HAZMAT 2 и для определения классов воспламеняемости хладагентов . В этом стандарте используются визуальные наблюдения за распространением пламени в сферических стеклянных сосудах емкостью 5 или 12 л для измерения пределов воспламеняемости. Условия воспламенения определяются как условия, при которых пламя распространяется за пределы угла конуса 90°.
