<가연성가스와 액체의 폭발 현상 및 위험성 예측>!!

소개글

<가연성가스와 액체의 폭발 현상 및 위험성 예측>!!에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 서 론
현대 산업사회가 급속도로 발전해 나감에 따라 에너지의 비중도 급속히 커지고 있다. 에너지에 대한 관심은 처음으로 18C 영국의 증기기관 발명에서 비롯되어 석탄에서 시작하여 석유, 가스, 핵, 태양열 등으로 에너지 영역이 무한히 확대되고 있다. 그러나 에너지 사용의 전반에 관하여 또 다른 문제가 부각되기 시작하였는데, 이는 취급하는 물질의 환경 문제 및 화재, 폭발에 대한 안전성 문제이다.

가연성가스나 액체는 화학공업의 원료, 중간제품 그리고 완제품으로 화학공정의 광범위한 분야에서 사용되고 있을 뿐만 아니라, 가정에서도 널리 사용되고 있다. 이들 물질의 취급함에 있어 밸브의 조작실수, 배관접합부파손, 저장 및 수송의 부주의로 인해 주위에 공기와 혼합되면 화재 및 폭발이 발생할 수도 있고 유해물질이 유출되는 경우도 있다.

산업현장에서 화재 및 폭발위험을 최소화하기 위해서는 공정의 안전과 최적화 조작이 이루워 져야 하는데, 우선 작업 조건하에서 취급물질의 연소특성치 파악이 필요하다.

안전설계를 위한 방화 및 방폭에 관련되는 특성치로는 폭발(연소)한계(Explosive Limit 혹은 Flammability Limit), 인화점(Flash Point), 최소발화온도(AIT; Auto-ignition Temperature), 최소발화에너지(Minimum Ignition Energy), 연소열(Heat of Combustion) 등이 있다. 이들 가운데 폭발한계는 화재, 폭발을 예방을 위해 반드시 알아야 할 가장 중요한 자료인데도 불구하고 실험자료의 부족과 부정확성 때문에 그다지 연구가 되지 않고 있는 실정이다. 그러나 가연성물질의 안전한 취급을 위해서는 위험 특성 자료인 폭발한계에 대한 정확한 지식을 필요로 한다.

먼저 폭발한계의 특성을 알기 전에 폭발의 정확한 의미 파악이 필요하다. 일반적으로 『폭발』이라고 불리는 현상은 다음과 같은 것이 있다.

(1) 고속의 화학반응으로 상변화 등에 의해 순간적인 온도 상승 및 가스(증기)화가 발생하여, 기체가 고속으로 팽창한다.

(2) 용기내의 압력이 어떠한 원인으로 상승하여, 용기의 파손이 발생하기도 하고, 용기가 크게 파손되어서 고압의 내용물이 고속으로 팽창한다.

(3) 밀폐 용기 내에서 고속의 화학반응이 생성되어 용기내의 압력이 급상승한다.

폭발현상에 관련된 화학반응에는 연소반응, 분해반응, 중합반응, 반응폭주 등이 있다. 또한 반응의 크기에 따라 폭연(Detonation)과 폭굉(Deflagnation)으로 구분한다. 다른 분류로서는 반응물의 상태에 의한 폭발현상 및 폭발재해 방지 대책이 다르기 때문에 폭발을 다음과 같이 분류하는 경우가 있다.

기체나 액체의 팽창, 상변화 등의 물리현상이 압력 발생의 원인이 되는 물리적폭발과, 물질의 분해, 연소, 축중합 등 화학반응으로 압력이 상승하는 화학적폭발로 분류한다. 일반적으로 압력용기의 파열, 보일러 파열 등은 물리적폭발이고, 프로판, LNG 등의 가스폭발, 가연성(인화성)액체 등의 증기폭발, 화약류 등의 고체폭발, 석탄이나, 알루미늄 분진(Dust) 등이 공기 중에 부유된 상태에서 일어나는 분진폭발 등은 화학적폭발의 예이다. 본 논단에서는 가스폭발을 중심으로 폭발현상의 이론 및 위험성 예측 방법을 소개한다.

폭발위험성은 온도, 압력, 농도, 불활성가스 그리고 점화원 등 여러 인자(Factor)에 의해 영향을 받기 때문에, 위험성을 예측하기 위해서는 변수의 영향에 대해 경험적(Empirical) 또는 이론적으로 알고 있어야만 한다. 폭발위험성이 경험적으로 어느 정도 일정한 규칙성을 가지고 있는 것으로 알려진 경우, 이는 이론적으로 설명이 가능한 함수 관계가 존재하는 것이 보통이기 때문에 예측은 이론과 밀접한 관계를 갖고 있다.

그렇지만 폭발 현상은 예측하기 어려운 다양한 면을 가지고 있으며, 또한 여러 가지 변수로부터 영향을 받기 때문에 완전한 이론이란 있을 수 없다. 따라서 실제로는 이론을 근거로 실험 자료를 이용하여 경험적 변수를 보강한 후 어느 정도 예측이 가능하도록 하였다.

안전확보의 중요성을 인식하면, 완전하지 않은 경험식(예측식)을 사용하여서는 만족할 수 없으므로 예측하기 전에 실험에 의해 확인하는 것이 바람직하다. 그러나 부득이 하게 실험하기 어려운 가연성물질인 경우 예측식을 사용하여 안전을 확보할 수 밖에 없다. 그러므로 이론에 의한 위험성 예측은 타당성이 적다고 말할 수는 없다. 실험값과 가까운 경험식을 사용하는 것은 산업 현장에서 취급하는 가연성물질의 폭발위험성을 확인하기 위해서 행하는 실험에 따른 시간, 노력 및 비용을 줄이고, 또한 무엇보다 중요한 것은 한번
혹은 두번의 제한된 실험에 의해 얻어진 측정 결과의 유효성을 뒷받침하여 주는 것이다.

본 논단에서는 산업현장에서의 안전성 확보를 위해서 취급하는 가연성물질의 폭발 현상을 살펴보고, 폭발위험성 예측방법을 소개하고자 한다. 또한 폭발 위험성이 주위의 인자인 온도나 압력과 같은 조건에서 어떻게 변화하는가에 대해 서술하고자 한다.

본문내용

UFL(p1) = UFL(p0) [1+0.0466 (p1/p0-1)-0.000269(p1/p0-1)2] (41)
여기서 p0는 기준 상태의 압력(1기압)이고, p1은 알고자하는 폭발한계의 주위의 압력이다.
2-6. 최소발화에너지
화재, 폭발에서 발화원의 관리는 무엇 보다 중요하며 발화원의 형식으로는 크게 기계적, 화학적, 전기적, 열적 등으로 나눌 수 있다. 이 발화원들의 가장 기본이 되는 개념이 최소발화에너지(MIE; Minimum Ignition Energy)인데, 이 에너지는 가연성가스와 공기의 혼합물에 착화원으로 점화시 발화하기 위하여 착화원이 갖는 최소에너지를 말한다.
최소발화에너지에 영향을 주는 인자로는 분자의 구조, 당량비, 온도, 압력, 조성 및 전극의 형태 등을 들 수 있으며 이들의 조건을 고정시키면 결정되는 물리적 특성치로서 일반적으로 온도 및 압력이 높은 조건에서 낮은 최소발화에너지값을 갖고, 또한 연소속도가 큰 혼합기체일수록, 열전도율이 작을 수록 역시 작은 에너지 값을 갖는다. 또한 이 최소발화에너지에 영향을 주는 요소로는 최기 온도, 압력, 혼합물의 조성, 활성화에너지, 인덕턴스(Inductance), 전극의 전압, 간격 등을 들 수 있다.
여기서는 최소발화에너지가 온도 및 압력의 함수가 됨을 열량의 개념과 수학적인 방법에 의해 이론적으로 고찰하고자 한다.
불꽃(Spark)에 의해 공급된 최소발화에너지는 초기상태에서 화염온도까지 혼합가스 부피에 요구된 에너지의 열과 같다는 가정 하에서 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Eig=mcpΔT (42)
이를 다시 정리하면
Eig=ρVcpΔT
=(Aδ)ρ 〔cp(T∞-T0 )〕 (43)
여기서 A는 slab의 단면적, δ는 단열 상태에서 층류 화염의 두께, V는 부피이고, ρ는 혼합물의 초기 밀도,cp는 일정 압력하에서 평균 비열이며, T∞는 단열 화염온도, T0는 미연소가스의 초기 온도이다.
층류 화염 두께 δ을 계산하기 위해 열해석을 이용하면 다음과 같다.
δ=λ/cp ρ0 v0 (44)
여기서 lambda 는 기체의 평균 열전도도이다.
식 (44)를 식 (43)에 대입하면 다음과 같다.
Eig/A=(λ/cp ρo v0 )ρ0 〔cp(T∞-T0 )〕
=λ(T∞-T0 )/v0 (45)
Slab 단면적 (A)는 소염거리(Quenching Distance)에 대한 동일 길이 제곱의 면적 보다 크다(A≥d2) 따라서 최소발화에너지는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Eig=d2 λ(T∞-T0 )/v0 (46)
여기서 d 다음과 같이 나나타낼 수 있다.
d=aδ (47)
식 (44)을 식 (47)에 대입하면
d=aλ/cp ρ0 v0 (48)
식 (48)의 d를 식 (46)에 대입하면 다음과 같고,
Eig=a2λ3(T∞-T0)/cp2 ρ02 v03 (49)
식 (49)의 λ에 δcp ρ0 v0를 대입하면 다음과 같이 되고,
Eig=a2δλ2(T∞-T0)/cp ρ02 v03 (50)
이를 다시 정리하면 식 (50)은 다음과 같다.
Eig=a2δ3cp ρ0 (T∞-T0 ) (51)
이상과 같은 증명으로 식 (51)에 나타내듯이 최소발화에너지(MIE, Eig)는 온도의 함수를 알 수 있다.
또한 최소발화에너지가 온도의 함수 뿐만 아니라 압력의 함수로 나타내기 위해 식 (50)에서 우측항의 밀도(ρ)가 압력(P)의 함수로 표현될 수 있어야 하는데, ρ와 P의 관계로 표현하기 위해 이상기체법칙을 도입하였다. 이상기체법칙에 의해 ρ와 P의 관계를 살펴보면 다음과 같다.
PV=nRT (52)
PM=ρRT (53)
ρ= PM/RT (54)
식 (54)을 식 (50)에 대입하면
Eig = [α2 λ3 (T∞ - T0 ) R2 T02) / (CP2 v03 M2 P2) (55)
이를 최소발화에너지와 압력의 관계로 간략히 표현하면 다음과 같다.
Eig ? P-2 (56)
이 관계식에 의해서 최소발화에너지를 압력의 함수로 표현할 수 있다.
이와 같은 방법으로 최소발화에너지와 압력의 관계를 나타낼 수 도 있고, 한편 다른 방법에 의해 최소발화에너지와 압력의 관계를 표현할 수 있다. 여기서는 이상기체 법칙과 화학반응의 법칙을 이용하였는데, 연소속도는 다음과 같다.
v0∝P(n/2)-1e-E/2RT0 (57)
식 (57)의 v0를 식 (44)에 대입하면 다음과 같고,δ∝P-n/2 (58)
식 (58)의 δ를 식 (51)에 대입하면
Eig∝P-(3n/2)+1 (59)
만일 n=2(2차 반응)이라고 하면, 최소발화에너지는 다음과 같은 관계식이 된다.
Eig∝P-2 (60)
따라서 최소발화에너지는 온도뿐만 아니라 압력에 크게 의존한다. 반응차수 n=2일 경우 압력의 제곱에 반비례되어 압력과 동시에 발화위험성은 현저히 증가하게 된다. 이황화탄소, 수소, 아세틸레, 에틸렌 등 폭발위험성이 큰 가스는 아주 작은 최소발화에너지 값을 갖고 있다. <표 2>에서는 공기중에서 몇가지 가연성물질의 최소점화에너지 값을 나타내었다.
3. 결론
본 논단에서 가스폭발의 현상과 폭발위험성 예측 방법을 몇 가지 소개하였다. 이 분야는 재해 예방을 위한 기초적인 연구로서, 최근에 선진 외국에서는 재해의 예방을 목적으로 연구들이 활발히 진행 중이나, 우리 나라는 아직 선진국의 연구 수준에 못 미치고 있는 실정이다. 이 분야 연구에서 우리 보다 앞선 외국의 연구들을 살펴보면, 이론적 연구도 충분하지 못하고, 실험 자료 역시 충분하지 못한 경향을 보이고 있다.
화재 및 폭발 위험의 정량적 평가를 위해서는 이론만으로 완전한 예측을 세우는 것이 불가능하므로, 실험과 병행해야 지만 보다 정량적 예측이 가능하다. 그러나 현장에서 취급하는 가연성물질의 위험성평가를 위해서는 실험을 해야 하나, 실험이 불가능할 경우 이론에 의해서도 가능하다. 최근 여러 문헌들을 종합해 보면 실험의 여러 가지 어려움(시간, 경비, 유해성, 환경문제 등)으로 이론적 연구에 많은 비중을 두고 있는 것을 볼 수 있다. 따라서 안전에 관한 연구는 기존의 이론 이해 및 새로운 이론 연구에 더욱 발전시켜
나가야 할 것으로 생각한다.

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<가연성가스와 액체의 폭발 현상 및 위험성 예측>,   <가연성가스와 액체의 폭발 현상 및 위험성 예측>