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Les limites d'inflammabilité

Les concentrations limites d'un gaz ou d'une vapeur combustible dans l'air ou dans tout autre comburant en aval et en amont desquelles la propagation de la flamme n'est pas possible sont appelées limites d'inflammabilité.

Si le mélange est trop pauvre en combustible, l'inflammation ne se produit pas. Le pourcentage de combustible est au-dessous de la Limite inférieure d'inflammabilité (LII). Au-dessus de ce seuil, le mélange combustible-comburant pourra brûler tant que l'on n'aura pas dépassé un taux maximum de combustible au-delà duquel le mélange serait trop pauvre en comburant ; ce deuxième seuil est la Limite supérieure d'inflammabilité (LSI). Ces valeurs (LII et LSI) sont généralement exprimées en pourcentage du volume de gaz inflammable dans le volume du mélange total.

Cet intervalle, entre la limite inférieure et la limite supérieure d'inflammabilité, appelé domaine d'inflammabilité, varie énormément selon les différents gaz ou vapeurs combustibles. En outre, l'amplitude de ce domaine d'inflammabilité peut varier en fonction de la température, du taux d'oxygène et de la pression.

La règle suivante, de Le Chatelier et Boudouard, permet d'estimer la limite inférieure d'inflammabilité d'un produit, connaissant celle d'un produit homologue voisin :

Li : Limite inférieure d'inflammabilité (%) d'un produit homologue voisin

Qf : Pouvoir calorifique supérieur du même produit homologue voisin (en kJ/mole)

Qp : Pouvoir calorifique supérieur du produit concerné (en kJ/mole).

Cette formule est fondée sur le principe suivant lequel, pour des produits semblables, l'énergie minimale qui doit être libérée par la combustion d'un volume donné est la même. C'est l'énergie minimale emportée par les gaz de combustion, donc leur température minimale.

Dans le cas d'un mélange de différents gaz combustibles, la limite inférieure ou supérieure du mélange sera telle qu'elle réponde à la relation (formule de Le Chatelier) :

L1, L2, L3... étant les limites inférieures (ou supérieures) de chacun des gaz ;

C1, C2, C3... étant la concentration de chacun des gaz.

La zone de meilleure combustion se situe environ au milieu du domaine d'inflammabilité, lorsque les proportions du mélange correspondent exactement à la réaction chimique, sans excès de combustible ni d'oxygène. C'est la concentration stœchiométrique, qui assure, en théorie, la combustion complète, en flamme neutre, et donne la température la plus élevée.

En dehors des limites d'inflammabilité, si l'inflammation ne peut se propager à l'ensemble de la masse gazeuse, un mélange gaz-air reste toutefois combustible et réagit au contact d'une flamme ou d'un filament métallique porté à température suffisante. Cette propriété est mise à profit dans certains explosimètres capables de mesurer des teneurs en gaz combustibles très au-dessous de la limite inférieure d'inflammabilité. Naturellement, la combustion de tels mélanges trop pauvres en combustible, cesse immédiatement si on supprime la source d'énergie.

 

Quelques limites d'inflammabilité

 

LII

LSI

Hydrogène

4 %

75 %

Oxyde de carbone

15 %

74 %

Méthane

5 %

14 %

Propane

3 %

10 %

Butane

2 %

9 %
La température d'auto-inflammation

En l'absence de source d'allumage, un mélange gazeux, compris dans les limites d'inflammabilité, peut s'enflammer spontanément s'il est porté à une certaine température. C'est la température d'auto inflammation (appelée aussi température d'auto-ignition ou d'auto-combustion). Il n'est pas nécessaire d'activer la totalité d'un mélange inflammable pour le faire brûler. L'inflammation d'un mélange élémentaire libère une énergie suffisante pour activer les molécules voisines. Ainsi s'amorce une réaction en chaîne qui, de proche en proche, gagnera tout ce mélange (c'est l'explosion au sens strict du terme).

La température d'auto-inflammation dépend de la nature et de la composition du mélange inflammable. Elle est également, pour un mélange inflammable déterminé, une fonction caractéristique de la pression. D'une manière générale, la température d'auto-inflammation est d'autant plus élevée que la pression est plus faible.

Si l'on prend l'exemple d'une concentration stœchiométrique d'hydrogène et d'oxygène et que l'on élève la température du mélange, il arrive un moment où des réactions d'oxydation lente démarrent. En continuant progressivement cet apport, on atteint une température où la réaction d'oxydation s'emballe (rupture des molécules en radicaux libres) et se transforme en combustion vive. C'est la température minimale à laquelle l'auto-inflammation se produit.

La température d'auto-inflammation peut être également influencée (pour un mélange donné porté à une pression déterminée) par la nature des parois ou la présence de substances pouvant avoir une action catalytique ou inhibitrice.

En théorie, l'indication d'une température d'auto-inflammation ne peut avoir de signification que si elle est assortie de l'indication de la composition du mélange (pourcentage air ou oxygène) et de la pression. En pratique, on donne les températures les plus basses relevées à la pression atmosphérique normale.

En résumé, la combustion des gaz inflammables nécessite la concomitance des conditions suivantes :

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