Mixtures of dispersed combustible materials (such as gaseous or vaporised fuels, and some dusts) and oxygen in the air will burn only if the fuel concentration lies within well-defined lower and upper bounds determined experimentally, referred to as flammability limits or explosive limits. Combustion can range in violence from deflagration through detonation.
Limits vary with temperature and pressure, but are normally expressed in terms of volume percentage at 25 °C and atmospheric pressure. These limits are relevant both in producing and optimising explosion or combustion, as in an engine, or to preventing it, as in uncontrolled explosions of build-ups of combustible gas or dust. Attaining the best combustible or explosive mixture of a fuel and air (the stoichiometric proportion) is important in internal combustion engines such as gasoline or diesel engines.
The standard reference work is still that elaborated by Michael George Zabetakis, a fire safety engineering specialist, using an apparatus developed by the United States Bureau of Mines.
Combustion can vary in degree of violence. A deflagration is a propagation of a combustion zone at a velocity less than the speed of sound in the unreacted medium. A detonation is a propagation of a combustion zone at a velocity greater than the speed of sound in the unreacted medium. An explosion is the bursting or rupture of an enclosure or container due to the development of internal pressure from a deflagration or detonation as defined in NFPA 69.
Lower flammability limit (LFL): The lowest concentration (percentage) of a gas or a vapor in air capable of producing a flash of fire in the presence of an ignition source (arc, flame, heat). The term is considered by many safety professionals to be the same as the lower explosive level (LEL). At a concentration in air lower than the LFL, gas mixtures are "too lean" to burn. Methane gas has an LFL of 4.4%.[1] If the atmosphere has less than 4.4% methane, an explosion cannot occur even if a source of ignition is present. From the health and safety perspective, the LEL concentration is considered to be Immediately Dangerous to Life or Health (IDLH), where a more stringent exposure limit does not exist for the flammable gas.[2]
La lectura porcentual en los monitores de aire combustible no debe confundirse con las concentraciones de LFL. Los explosímetros diseñados y calibrados para un gas específico pueden mostrar la concentración relativa de la atmósfera con respecto al LFL (el LFL es del 100%). Una lectura LFL del 5% para metano, por ejemplo, sería equivalente a 5% multiplicado por 4,4%, o aproximadamente 0,22% de metano por volumen a 20 grados C. El control del riesgo de explosión generalmente se logra mediante suficiente ventilación natural o mecánica. limitar la concentración de gases o vapores inflamables a un nivel máximo del 25% de su límite inferior de explosividad o inflamabilidad .
Límite superior de inflamabilidad (UFL): concentración más alta (porcentaje) de un gas o vapor en el aire capaz de producir una llamarada de fuego en presencia de una fuente de ignición (arco, llama, calor). Las concentraciones superiores a UFL o UEL son "demasiado ricas" para quemarlas. Por seguridad, generalmente se evita operar por encima del UFL porque la fuga de aire puede llevar la mezcla al rango de combustibilidad.
Los límites de inflamabilidad de mezclas de varios gases combustibles se pueden calcular utilizando la regla de mezcla de Le Chatelier para fracciones de volumen de combustible :
y similares para la UFL.
La temperatura , la presión y la concentración del oxidante también influyen en los límites de inflamabilidad. Una temperatura o presión más alta, así como una mayor concentración del oxidante (principalmente oxígeno en el aire), dan como resultado un LFL más bajo y un UFL más alto, por lo que la mezcla de gases será más fácil de explotar.
Normalmente el aire atmosférico suministra oxígeno para la combustión y los límites suponen la concentración normal de oxígeno en el aire. Las atmósferas enriquecidas con oxígeno mejoran la combustión, disminuyendo el LFL y aumentando el UFL, y viceversa; una atmósfera desprovista de un oxidante no es ni inflamable ni explosiva para cualquier concentración de combustible (excepto los gases que pueden descomponerse energéticamente incluso en ausencia de un oxidante, como el acetileno ). Un aumento significativo de la fracción de gases inertes en una mezcla de aire, a expensas del oxígeno, aumenta el LFL y disminuye el UFL.
Controlar las concentraciones de gas y vapor fuera de los límites de inflamabilidad es una consideración importante en la seguridad y salud ocupacional . Los métodos utilizados para controlar la concentración de un gas o vapor potencialmente explosivo incluyen el uso de gas de barrido, un gas no reactivo como nitrógeno o argón para diluir el gas explosivo antes de entrar en contacto con el aire. También es común el uso de depuradores o resinas de adsorción para eliminar gases explosivos antes de su liberación. Los gases también se pueden mantener de forma segura en concentraciones superiores al UEL, aunque una brecha en el contenedor de almacenamiento puede provocar condiciones explosivas o incendios intensos .
Los polvos también tienen límites de explosión superiores e inferiores, aunque los límites superiores son difíciles de medir y tienen poca importancia práctica. Los límites de inflamabilidad más bajos para muchos materiales orgánicos se encuentran en el rango de 10 a 50 g/m³, lo que es mucho más alto que los límites establecidos por razones de salud, como es el caso del LIE de muchos gases y vapores. Las nubes de polvo de esta concentración son difíciles de ver a más de una corta distancia y normalmente sólo existen dentro de los equipos de proceso.
Los límites de inflamabilidad también dependen del tamaño de las partículas del polvo involucrado y no son propiedades intrínsecas del material. Además, se puede crear repentinamente una concentración superior al LIE a partir de acumulaciones de polvo sedimentado, por lo que la gestión mediante monitorización rutinaria, como se hace con los gases y vapores, no tiene ningún valor. El método preferido para gestionar el polvo combustible es prevenir las acumulaciones de polvo sedimentado mediante el cerramiento del proceso, la ventilación y la limpieza de superficies. Sin embargo, los límites de inflamabilidad más bajos pueden ser relevantes para el diseño de la planta.
Las situaciones causadas por la evaporación de líquidos inflamables en el volumen vacío lleno de aire de un contenedor pueden estar limitadas por el volumen del contenedor flexible o mediante el uso de un fluido inmiscible para llenar el volumen vacío. Los camiones cisterna hidráulicos utilizan el desplazamiento de agua al llenar un tanque con petróleo. [3]
Los límites de inflamabilidad/explosión de algunos gases y vapores se detallan a continuación. Las concentraciones se dan en porcentaje del volumen de aire.
En los EE. UU., el método más común para medir LFL y UFL es ASTM E681. [26] Esta prueba estándar es necesaria para gases HAZMAT Clase 2 y para determinar las clasificaciones de inflamabilidad de los refrigerantes . Esta norma utiliza observaciones visuales de la propagación de la llama en recipientes de vidrio esféricos de 5 o 12 L para medir los límites de inflamabilidad. Las condiciones inflamables se definen como aquellas en las que una llama se propaga fuera de un ángulo cónico de 90°.
