Las mezclas de materiales combustibles dispersos (como combustibles gaseosos o vaporizados y algunos polvos) y oxígeno en el aire arderán sólo si la concentración del combustible se encuentra dentro de límites inferiores y superiores bien definidos y determinados experimentalmente, denominados límites de inflamabilidad o límites de explosividad . 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 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 de gasolina o diésel .
El trabajo de referencia estándar sigue siendo el elaborado por Michael George Zabetakis , un 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 una propagación de una zona de combustión a una velocidad menor que la velocidad del sonido en el medio sin reaccionar. Una detonación es una propagación de una zona de combustión a una velocidad mayor que la velocidad del sonido en el medio sin reaccionar. Una explosión es el estallido o ruptura de un recinto o contenedor debido al desarrollo de presión interna debido a una deflagración o detonación como se define en NFPA 69.
Límite inferior de inflamabilidad (LFL): La concentración más baja (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). Muchos profesionales de la seguridad consideran que el término es el mismo que el nivel explosivo inferior (LEL). A una concentración en el aire inferior al LFL, las mezclas de gases son "demasiado pobres" para quemarse. 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 presente. 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 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°.
