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空気中に分散した可燃性物質（ガス状または気化した燃料、および一部の粉塵など）と酸素の混合物は、燃料濃度が実験的に決定された明確に定義された下限と上限の範囲内にある場合にのみ燃焼します。この下限と上限は可燃限界または爆発限界と呼ばれます。燃焼の激しさは、爆燃から爆発までさまざまです。
限界は温度と圧力によって異なりますが、通常は 25 °C および大気圧での体積パーセントで表されます。これらの限界は、エンジンなどで爆発や燃焼を発生させて最適化する場合や、可燃性ガスや粉塵の蓄積による制御不能な爆発を防ぐ場合に関係します。ガソリン エンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関では、燃料と空気の最適な可燃性または爆発性の混合物 (化学量論比) を得ることが重要です。
標準的な参考文献は、米国鉱山局が開発した装置を使用して、火災安全工学の専門家であるマイケル・ジョージ・ザベタキスが作成したものである。
燃焼の激しさ
燃焼の激しさはさまざまです。爆燃とは、未反応の媒体内で音速より遅い速度で燃焼帯が広がることです。爆発とは、未反応の媒体内で音速より速い速度で燃焼帯が広がることです。爆発とは、 NFPA 69 で定義されているように、爆燃または爆発による内部圧力の発生により、囲いまたは容器が破裂または破裂することです。
制限
可燃下限値
可燃性下限値(LFL): 点火源 (アーク、炎、熱) がある場合に火花を散らすことができる空気中のガスまたは蒸気の最低濃度 (パーセンテージ)。この用語は、多くの安全専門家によって、爆発下限値 (LEL) と同じであると考えられています。空気中の濃度が LFL より低い場合、ガス混合物は「希薄」すぎて燃えません。メタンガスの LFL は 4.4% です。 [1]大気中のメタンが 4.4% 未満の場合、点火源が存在しても爆発は発生しません。健康と安全の観点から、LEL 濃度は、より厳格な暴露限界が存在しない可燃性ガスの場合、生命または健康に直ちに危険 (IDLH)であると見なされます。 [2]
可燃性空気モニターのパーセンテージ表示を LFL 濃度と混同しないでください。特定のガスに合わせて設計および較正された爆発計は、LFL に対する大気の相対濃度 (LFL を 100%) を表示します。たとえば、メタンの LFL 表示値が 5% の場合、5% に 4.4% を乗じたもの、つまり 20 ℃ で体積比で約 0.22% のメタンに相当します。爆発の危険を制御するには、通常、十分な自然換気または機械換気を行い、可燃性ガスまたは蒸気の濃度を爆発下限界または燃焼下限界の 25% の最大レベルに制限します。
燃焼上限
可燃性上限(UFL): 点火源 (アーク、炎、熱) がある場合に火花を散らすことができる空気中のガスまたは蒸気の最高濃度 (パーセンテージ)。UFL または UEL より高い濃度は、燃焼するには「濃度が高すぎる」状態です。空気が漏れると混合物が可燃性範囲に入る可能性があるため、UFL を超える操作は通常、安全のために避けられます。
温度、圧力、組成の影響
いくつかの可燃性ガスの混合物の可燃限界は、可燃体積分率に関するルシャトリエの混合則を使用して計算できます。
UFL についても同様です。
温度、圧力、酸化剤の濃度も可燃限界に影響します。温度や圧力が高くなると、また酸化剤 (主に空気中の酸素) の濃度が高くなると、LFL は低くなり、UFL は高くなるため、ガス混合物は爆発しやすくなります。
通常、大気は燃焼のための酸素を供給し、限界は空気中の酸素の通常の濃度を前提としています。酸素が豊富な大気は燃焼を促進し、LFL を下げて UFL を上げます。逆もまた同様です。酸化剤のない大気は、いかなる燃料濃度でも可燃性でも爆発性でもありません (アセチレンなど、酸化剤がなくてもエネルギー的に分解できるガスを除く)。酸素を犠牲にして空気混合物中の不活性ガスの割合を大幅に増やすと、LFL が上がり、UFL が下がります。
爆発性雰囲気の制御
ガスと蒸気
ガスや蒸気の濃度を可燃限界外に制御することは、労働安全衛生において重要な考慮事項です。潜在的に爆発性のガスや蒸気の濃度を制御するために使用される方法には、スウィープガス、つまり窒素やアルゴンなどの非反応性ガスを使用して、爆発性ガスが空気と接触する前に希釈することが含まれます。放出前にスクラバーや吸着樹脂を使用して爆発性ガスを除去することも一般的です。ガスは UEL を超える濃度でも安全に維持できますが、貯蔵容器に破損があると爆発状態や激しい火災につながる可能性があります。
ほこり
粉塵にも爆発の上限と下限がありますが、上限は測定が難しく、実用上あまり重要ではありません。多くの有機物質の可燃性下限は 10～50 g/m 3の範囲で、多くのガスや蒸気の LEL の場合と同様に、健康上の理由から設定された上限よりもはるかに高くなっています。この濃度の粉塵雲は、短距離以外では見通すことが難しく、通常はプロセス装置内にのみ存在します。
可燃性限界は、含まれる粉塵の粒子サイズにも依存し、物質固有の特性ではありません。さらに、LEL を超える濃度は、沈降した粉塵の蓄積によって突然発生する可能性があるため、ガスや蒸気の場合のように日常的な監視による管理は意味がありません。可燃性粉塵を管理する好ましい方法は、プロセスの囲い、換気、および表面洗浄によって沈降した粉塵の蓄積を防ぐことです。ただし、より低い可燃性限界は、プラントの設計に関係する場合があります。
揮発性液体
可燃性液体が容器内の空気で満たされた空間に蒸発することによって生じる状況は、フレキシブルコンテナの容積によって、または非混和性流体を使用して空間を埋めることによって制限される可能性がある。油圧タンカーは、タンクに石油を充填する際に水の置換を利用する。[3]
例
いくつかのガスおよび蒸気の可燃性/爆発性限界を以下に示します。濃度は空気の体積に対するパーセントで示されます。
- 引火点が73°F（23°C）未満、沸点が100°F（38°C）未満のクラスIA液体は、NFPA 704の可燃性等級が4です。
- 引火点が73°F（23°C）未満で沸点が100°F（38°C）以上のクラスIB液体、および引火点が73°F（23°C）以上100°F（38°C）未満のクラスIC液体は、NFPA 704の可燃性評価が3です。
- 引火点が100°F（38°C）以上140°F（60°C）未満のクラスII液体、および引火点が140°F（60°C）以上200°F（93°C）未満のクラスIIIA液体は、NFPA 704の可燃性等級が2です。
- 引火点が200°F（93°C）以上のクラスIIIB液体は、NFPA 704の可燃性等級が1である。
- ^ 多くの化学物質の場合、LEL と UEL の中間で点火エネルギーが最小になることに注意してください。
ASTM E681
米国では、LFLとUFLを測定する最も一般的な方法はASTM E681です。[26]この標準試験は、HAZMATクラス2ガスと冷媒の可燃性分類を決定するために必要です。この規格では、5または12Lの球形ガラス容器内の炎の伝播を視覚的に観察して、可燃性限界を測定します。可燃性条件は、炎が90°の円錐角の外側に伝播する条件として定義されます。
参照
参考文献
- ^ 「ガス - 爆発および可燃性濃度限界」。
- ^ 「Current Intelligence Bulletin #66: 生命または健康に直ちに危険となる値 (IDLH) の導出」(PDF)。国立労働安全衛生研究所 (NIOSH)。2013 年 11 月。2018 年2 月 11 日に閲覧。
- ^ モレル、ロバート W. (1931)。『石油タンカー』（第 2 版）。ニューヨーク: シモンズ ボードマン出版。pp. 305&306。
- ^ Britton, L. G「静的ハザード評価における材料データの使用」 NFPA 77 - 2007 付録 Bに掲載
- ^ abcdefghij 現代の炭化水素および酸素化溶剤の取り扱い：可燃性ガイド 2009年6月1日アーカイブ、Wayback Machine アメリカ化学協会溶剤産業グループ、7ページ、2008年1月
- ^ マセソンガス製品。マセソンガスデータブック(PDF) 。p. 443。 2019年9月30日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2013年10月30日閲覧。
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- ^ 「2-ヘキサノン ICSC:0489」。oit.org 。 2018年3月18日閲覧。
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- ^ 「ICSC 0425 - シクロヘキサノン」www.inchem.org . 2018年3月18日閲覧。
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- ^ Walsh (1989) 化学物質安全データシート、Roy. Soc. Chem.、ケンブリッジ。
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- ^ abc Kim, Dennis K.; Klieger, Alexandra E.; Lomax, Peter Q.; Mccoy, Conor G.; Reymann, Jonathan Y.; Sunderland, Peter B. (2018年9月14日). 「12 L容器内の冷媒可燃性限界の改良試験方法」.建築環境のための科学技術. 24 (8): 861–866. Bibcode :2018STBE...24..861K. doi :10.1080/23744731.2018.1434381. ISSN 2374-4731. S2CID 139489210.
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- ^ 「Combustibles」（PDF） . afcintl.com . 2016年3月3日時点のオリジナル（PDF）よりアーカイブ。 2018年3月18日閲覧。