Análisis 131: Límites de inflamabilidad. Método del balance térmico

Estado inflamable con múltiples diluyentes: Una mezcla de gases está compuesta (en volumen) por metano 15.2 %, nitrógeno 79.8 %, dióxido de carbono 5.0 %. Encuentre los límites de inflamabilidad para tal mezcla combustible/diluyente.

El rasgo característico de una prueba de la inflamabilidad es la distancia de propagación de la llama, que debe ser la mitad del espacio inflamable. Si la composición del combustible permite que la llama se extienda por todo el espacio, se denomina explosividad. Si la llama acaba de encenderse, pero no puede propagarse lejos de la fuente de ignición, se llama ignitabilidad. Estos son tres conceptos paralelos sobre la seguridad de las mezclas, sin embargo, solo la inflamabilidad es conocida de forma popular, mientras que los otros dos no pueden probarse ni justificarse teóricamente, por lo que están mal definidos.

Aquí, la ignitabilidad se define como la concentración crítica de combustible que no admite el inicio de la ignición. La ignitabilidad no tiene ninguna dependencia del oxígeno ni de factores ambientales, por lo que es fundamental para ese combustible. Sin embargo, a diferencia de un frente de llama visible que se mueve en las pruebas de inflamabilidad, los criterios de ignición en las pruebas de ignición son difíciles de establecer. Este es un caso límite, físicamente significativo, pero difícil de probar u observar.

La explosividad se define como la capacidad de una llama crítica para propagarse por todo el volumen de la mezcla y desarrollar una presión considerable, mientras que la inflamabilidad se usa para describir aquellas mezclas limites dentro de las cuales la llama se propagará a través de la mezcla indefinidamente, independientemente de si no se desarrolla presión. Generalmente, la explosividad requiere una fuerte fuente de ignición y un criterio de mayor presión. Dado que el oxígeno en el aire de fondo favorece la propagación de la llama, la explosividad es una propiedad del aire de fondo, o específicamente del oxígeno. Dado que el estado completo de la reacción es difícil de cuantificar y validar, se propone un criterio de presión para probar la explosividad. Sin embargo, para hacer coincidir los datos de inflamabilidad, se adoptan diferentes criterios de presión (2, 3 y 7 %) en diferentes pruebas experimentales.

El parámetro más importante que afecta los límites de inflamabilidad es la temperatura, ya que un aumento en la temperatura inicial conduce a una ampliación del rango inflamable.

Para la inflamabilidad de una mezcla de combustible inflamable, los límites de inflamabilidad de una mezcla pueden ser estimados mediante la regla de Le Chatelier. Sin embargo, la regla de Le Chatelier solo funciona con especies de combustible puro. Con diluyentes involucrados en una mezcla, la combinación de combustible y diluyente generará un pseudocombustible, con nuevos límites legibles en el diagrama de inflamabilidad diluida.

El método de balance térmico posee la ventaja de que la contribución de un diluyente se presenta en una forma similar al combustible y comburente. Podemos ver que este método es equivalente a la Regla de Le Chatelier. Sin embargo, el método de Le Chatelier se basa únicamente en los límites de inflamabilidad de los combustibles, por lo que será difícil incorporar la contribución de un diluyente. Este método amplía el rango de aplicación de la ley de Le Chatelier.

Otro método comparable informado en la literatura es el método de balance de energía de Beyler, que es similar al método de balance térmico, pero en este caso se realiza un balance de energía a la temperatura crítica de la llama adiabática.

Empíricamente, se supone que la dependencia de la temperatura es lineal y se expresa como el porcentaje de caída por cada 100 ºC de caída de temperatura. Zabetakis et al. han descubierto que los límites inferiores de los hidrocarburos disminuyen linealmente en aproximadamente un 8 % para un aumento de temperatura de 100 °C. Esto es consistente con la disminución del aumento de entalpía neta del aire de fondo.