Giới hạn nổ khí dễ cháy

Trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn, giới hạn nồng độ tại đó khí hoặc hơi dễ cháy trộn với khí oxy hóa dẫn đến nổ được gọi là giới hạn nổ. Thông thường, thuật ngữ ‘giới hạn nổ’ đề cập đến giới hạn nồng độ của khí hoặc hơi dễ cháy trong không khí. Nồng độ thấp nhất của khí cháy có thể gây nổ được gọi là giới hạn nổ dưới (LEL), và nồng độ cao nhất là giới hạn nổ trên (UEL).

Khi khí dễ cháy hoặc hơi lỏng nằm trong giới hạn nổ và gặp nguồn nhiệt (chẳng hạn như ngọn lửa trần hoặc nhiệt độ cao nhiệt độ), ngọn lửa nhanh chóng lan truyền qua không gian khí hoặc bụi. Phản ứng hóa học nhanh chóng này giải phóng một lượng nhiệt đáng kể, tạo ra khí nở ra do nhiệt, tạo ra nhiệt độ và áp suất cao với khả năng hủy diệt to lớn.

Giới hạn nổ là thông số chính trong việc mô tả mức độ nguy hiểm của dễ cháy chất khí, hơi nước, và bụi dễ cháy. Tiêu biểu, giới hạn nổ của khí và hơi dễ cháy được biểu thị bằng phần trăm của khí hoặc hơi trong hỗn hợp.

Ví dụ, ở 20°C, công thức chuyển đổi phần thể tích và nồng độ khối lượng của khí dễ cháy là:

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

Trong công thức này, L là phần thể tích (%), Y là nồng độ khối lượng (g/m³), M là khối lượng phân tử tương đối của khí dễ cháy hoặc hơi nước, Và 22.4 là khối lượng (lít) bị chiếm đóng bởi 1 mol của một chất ở thể khí ở điều kiện tiêu chuẩn (0°C, 1 ATM).

Ví dụ, nếu nồng độ khí metan trong khí quyển là 10%, nó chuyển đổi thành:

Y = L × (M/2.4) = 10 × (16/2.4) = 66,67g/m³

Khái niệm giới hạn cháy nổ đối với khí dễ cháy, hơi nước, và bụi có thể được giải thích bằng lý thuyết nổ nhiệt. Nếu nồng độ của khí dễ cháy, hơi nước, hoặc bụi ở dưới mức LEL, do không khí dư thừa, tác dụng làm mát của không khí, và nồng độ không đủ của chất dễ cháy, hệ thống mất nhiều nhiệt hơn mức tăng, và phản ứng không tiếp tục. Tương tự, nếu nồng độ cao hơn UEL, nhiệt lượng tỏa ra nhỏ hơn nhiệt lượng mất đi, ngăn cản phản ứng. Ngoài ra, khí hoặc bụi dễ cháy quá mức không những không phản ứng và sinh nhiệt do thiếu ôxy mà còn làm nguội hỗn hợp, ngăn chặn sự lây lan của ngọn lửa. Hơn thế nữa, đối với một số chất như etylen oxit, nitroglycerin, và bụi dễ cháy như thuốc súng, UEL có thể đạt được 100%. Những vật liệu này cung cấp oxy trong quá trình phân hủy, cho phép phản ứng tiếp tục. Áp suất và nhiệt độ tăng lên tạo điều kiện thuận lợi cho sự phân hủy và bùng nổ của chúng.