Las mezclas de materiales combustibles dispersos (como combustibles gaseosos o vaporizados y algunos polvos) y oxígeno en el aire arderán únicamente si la concentración de combustible se encuentra dentro de límites inferiores y superiores bien definidos determinados experimentalmente, denominados límites de inflamabilidad o límites explosivos . La combustión puede variar en violencia desde la deflagración hasta la detonación .
Los límites varían con la temperatura y la presión, pero normalmente se expresan en términos de porcentaje de volumen a 25 °C y presión atmosférica. Estos límites son relevantes tanto para producir y optimizar la explosión o combustión, como en un motor, como para prevenirla, como en las explosiones incontroladas de acumulaciones de gas o polvo combustible. Lograr la mejor mezcla combustible o explosiva de un combustible y aire (la proporción estequiométrica ) es importante en los motores de combustión interna, como los motores de gasolina o diésel .
La obra de referencia estándar sigue siendo la elaborada por Michael George Zabetakis , especialista en ingeniería de seguridad contra incendios , utilizando un aparato desarrollado por la Oficina de Minas de los Estados Unidos .
La combustión puede variar en grado de violencia. Una deflagración es la propagación de una zona de combustión a una velocidad menor que la velocidad del sonido en el medio que no ha reaccionado. Una detonación es la propagación de una zona de combustión a una velocidad mayor que la velocidad del sonido en el medio que no ha reaccionado. Una explosión es el estallido o ruptura de un recinto o contenedor debido al desarrollo de presión interna a partir de una deflagración o detonación, según se define en la norma NFPA 69.
Límite inferior de inflamabilidad (LFL): La concentración más baja (porcentaje) de un gas o vapor en el aire capaz de producir un destello de fuego en presencia de una fuente de ignición (arco, llama, calor). Muchos profesionales de la seguridad consideran que el término es el mismo que el nivel explosivo inferior (LEL). En una concentración en el aire inferior al LFL, las mezclas de gases son "demasiado pobres" para arder. El gas metano tiene un LFL del 4,4 %. [1] Si la atmósfera tiene menos del 4,4 % de metano, no puede ocurrir una explosión incluso si hay una fuente de ignición. Desde la perspectiva de la salud y la seguridad, la concentración LEL se considera inmediatamente peligrosa para la vida o la salud (IDLH) , donde no existe un límite de exposición más estricto para el gas inflamable. [2]
La lectura porcentual de 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, siendo el LFL el 100 %. Una lectura de LFL del 5 % mostrada para metano, por ejemplo, sería equivalente al 5 % multiplicado por el 4,4 %, o aproximadamente el 0,22 % de metano por volumen a 20 grados C. El control del riesgo de explosión generalmente se logra mediante una ventilación natural o mecánica suficiente, para 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 un destello de fuego en presencia de una fuente de ignición (arco, llama, calor). Las concentraciones superiores al UFL o UEL son "demasiado ricas" para quemar. Por lo general, se evita operar por encima del UFL por razones de seguridad, ya que la fuga de aire puede hacer que la mezcla alcance el 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 combustibles :
y similar para UFL.
La temperatura , la presión y la concentración del oxidante también influyen en los límites de inflamabilidad. Una temperatura o presión más elevadas, así como una concentración más alta 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.
Por lo general, el aire atmosférico proporciona el oxígeno para la combustión y los límites suponen la concentración normal de oxígeno en el aire. Las atmósferas enriquecidas con oxígeno mejoran la combustión, reduciendo el LFL y aumentando el UFL, y viceversa; una atmósfera desprovista de un oxidante no es inflamable ni explosiva para ninguna concentración de combustible (excepto para los gases que pueden descomponerse enérgicamente incluso en ausencia de un oxidante, como el acetileno ). Aumentar significativamente la fracción de gases inertes en una mezcla de aire, a expensas del oxígeno, aumenta el LFL y disminuye el UFL.
El control de las concentraciones de gas y vapor fuera de los límites de inflamabilidad es una consideración importante en materia de 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 el nitrógeno o el argón para diluir el gas explosivo antes de que entre en contacto con el aire. El uso de depuradores o resinas de adsorción para eliminar los gases explosivos antes de su liberación también es común. 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 inferiores de inflamabilidad para muchos materiales orgánicos están en el rango de 10 a 50 g/m 3 , que es mucho más alto que los límites establecidos por razones de salud, como es el caso del LEL de muchos gases y vapores. Las nubes de polvo de esta concentración son difíciles de ver a través de más de una corta distancia y normalmente solo existen dentro de los equipos de proceso.
Los límites de inflamabilidad también dependen del tamaño de las partículas de polvo involucradas y no son propiedades intrínsecas del material. Además, se puede crear repentinamente una concentración superior al LEL a partir de acumulaciones de polvo sedimentado, por lo que la gestión mediante monitoreo de rutina, como se hace con gases y vapores, no tiene valor. El método preferido para gestionar el polvo combustible es evitar las acumulaciones de polvo sedimentado mediante el encierro del proceso, la ventilación y la limpieza de superficies. Sin embargo, límites de inflamabilidad más bajos pueden ser relevantes para el diseño de la planta.
Las situaciones provocadas por la evaporación de líquidos inflamables en el volumen vacío lleno de aire de un contenedor pueden limitarse mediante un volumen de contenedor flexible o utilizando un fluido inmiscible para llenar el volumen vacío. Los camiones cisterna hidráulicos utilizan el desplazamiento de agua al llenar un tanque con petróleo. [3]
A continuación se indican los límites de inflamabilidad y explosión de algunos gases y vapores. Las concentraciones se expresan en porcentajes por volumen de aire.
En los EE. UU., el método más común para medir los LFL y los UFL es la norma ASTM E681. [26] Esta prueba estándar es obligatoria para los gases HAZMAT de 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 esféricos de vidrio 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 de cono de 90°.
