연구보고서인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 이주엽 한우섭 한인수 최이락
요약문 i 요약문 1. 연구제목 : 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 2. 연구필요성및목적최근들어인화성액체의증기에기인한크고작은화재 폭발사고가자주발생되어사회적관심을증대되고있다. 예로서 2014년 11월 22일 ( 토 ) 오후대전광역시소재 ( 주 )OOOO는반도체코팅액제조공정에서 1차반응물여과를마친필터를수세척하는과정중필터에부착된슬러지에포함된인화성액체 ( 펜탄, 디이소프로필아민등 ) 의증기로인하여화재 폭발이발생되면서세척실전체로급격히확산되어근로자 8명이사상 ( 사망 1명, 부상 7명 ) 을당하는중대산업사고가발생되었다. 위와같은사고들의원인을살펴보면공통적으로작업장내에인화성액체의증기축적으로인하여폭발성가스분위기 (Explosive gas atmosphere) 가형성된후스파크, 정전기등의점화원에의하여화재 폭발이발생된사고로서, 인화성액체의증기압, 폭발한계값등의물리화학적물성값을반영하고환기등급및환기유효성을고려하여정확한폭발위험장소를설정한후, 폭발위험장소의범위, 폭발위험농도지속시간등의추정을통해폭발분위기가발생되지않도록관리하는것이필요하다는것을알수있다. 본연구에서는인화성액체의누출과증발로인한폭발위험장소구분에필요한증기압등의물리화학적물성값을실험및추정식을통하여구한후, 인화성액체누출량과풀 (Pool) 을형성하였을경우의증발량등을계산하고, 환기등급과환기유효성을고려하여폭발위험장소를구분하였다. 이와함께폭발위험장소의범위와폭발위험농도지속시간을추정하였다. 이를기초로인화성액체를제조 취급또는
ii 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 저장하는사업장에폭발위험장소의구분과범위설정등에대한정보를제공하여화재 폭발또는누출로인한화학사고예방에기여하고자한다. 3. 연구내용및방법본연구는사업장에서인화성액체의제조 취급또는저장중에인화성액체에기인한화재 폭발의위험성을예방하기위해폭발위험장소의구분과범위산정에필요한절차와방법을제공하기위한것으로서연구범위와내용을요약하면다음과같다. (1) 국내외관련문헌및자료수집 폭발위험장소구분관련문헌검색 인화성액체의누출및증발에관련된폭발위험장소구분관계식고찰 (2) 폭발위험장소구분대상물질선정및실태조사 폭발성가스분위기형성으로인한사고사례검토 선정화학물질에대한증기압등의물리화학적물성값실험 인화성액체누출및증발에따른폭발위험장소구분실태조사 (3) 폭발위험장소구분과범위산정 액체의증발량, 인화점, 증기압및폭발한계관련모델식중폭발위험장소구분에적합한각각의물성값모델식의비교및검토 선정된물성값모델식과환기등급및환기유효성을적용한폭발위험장소구분실시 온도, 바람등외부환경조건과누출공크기의변화에따른폭발위험장소의범위, 폭발위험농도지속시간등의변동고찰
요약문 iii 4. 연구결과본연구에서는사업장에서인화성액체의제조 취급또는저장시에폭발위험장소의구분과범위산정에필요한절차와방법을제시하였다. 그리고잉크제조공정을중심으로작업장의온도, 풍속등의외부조건을변화시키면서해당인화성액체의변화된물성값을적용하여폭발위험장소를구분한결과다음과같은결론을얻었다. 1) 개방된혼합용기에저장된인화성액체의증발량을구하는 V. J. Clancey에수정된 Sutton-Pasquill 등 5 가지모델식중에서는보수적관점에서풍속, 증기압및액체층의표면적등이반영되어폭발위험장소의범위가가장크게계산되는미국 EPA의 RMP 관련증발모델식을사용하는것이적정함을알수있었다. 2) 폭발위험장소구분시에사용되는물성값추정방법중인화점의경우에는단일물질은 L. Catoire의식 (3-2), 혼합물질은식 (4-1) 이, 증기압의경우에는단일물질은변형된 Antoine 식 (3-3), 혼합물질은 UNIFAC모델을적용한식 (4-2) 가, 폭발하한농도의경우에는화학양론또는연소열을이용하는식 (3-8), 식 (3-10) 을활용할수있으며실험값과유사한물성값을나타내었다. 3) 회분식공정에서누출공의크기결정시반응기, 저장탱크및관련설비의플랜지, 밸브에서의누출이 2차누출인경우일반적인조건에서는 0.25mm2 ( 지름 :0.56mm) 2.5mm2( 지름 :1.78mm) 의누출공면적을사용하여폭발위험장소의구분과범위를산정하는것이적정함을알수있었다. 4) 가상체적 (Vz) 의결정하는주요인자인품질계수 (f) 의경우옥내의경우에는 12 ACH 미만은 f=3 5, 12 ACH 이상 20 ACH 미만은 f=2, 20 ACH 이상은 f=1로적용할수있으나, 반드시환기조건을고려하여환기가불량인경우신선한공기의시간당치환횟수가많더라도 f=4 5가적용되어야함을알수있었다.
iv 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 5) 작업장내의온도가 10 부터 50 까지변화함에따라, 아세톤과같이휘발성이큰용제일수록증기압의상승폭이크게증가되어폭발위험장소의등급이강화되고범위도증기압에비례하여확대되었고, 또한풍속이 0.1 m/s에서 1.0 m/s까지증가됨에따라, 증발된아세톤증기는혼합과확산이활발히진행되어폭발위험농도지속시간이급격하게감소되고폭발위험장소의범위도축소되는것을알수있었다. 6) 폭발위험장소를구분하기에앞서우선적으로작업장안에충분한환기와기류가형성될수있도록급기 배기시설을보완후, 스모그테스터, 열선풍속계등을사용한확인을통하여작업장내부에인화성액체의증기가체류하지않도록하는것이필요하다는것을알수있었다. 5. 활용및기대효과 사업장의폭발위험장소의구분과범위설정에대한기초적인정보제공 안전관련학회 ( 화학공학회, 안전학회, 가스학회등 ) 에연구결과의발표와논문게재로관련분야전문가의기술및연구자료로활용 화재 폭발사고발생시화학물질의물성값등관련자료를제시하여사고원인추정및폭발위험장소의구분과범위설정에활용 6. 중심어 폭발위험장소, 가상체적, 폭발위험장소의범위, 증발량, 증기압, 인화점
요약문 v 7. 참고문헌가. 참고문헌 KS C IEC 60079-10-1, Explosive Atmospheres - Part 10-1 Classification : of Areas-Explosive Gas Atmospheres, 2012. IEC 60079-10-1, Explosive atmospheres - Part 10-1 : Classification of Areas-Explosive Gas Atmospheres, 2008. API PR 505, Recommended Practice for Classification of Locations for Electrical Installations at Petroleum Facilities Classified as Class I, Zone 0, Zone 1, and Zone 2, 1997. NFPA 497A, Recommended Practice for Classification of Class I Hazardoud(Classified) Locations for Electrical Installation in Chemical Process Areas, 2012 IP 15, Area Classification Code for Installations Handling Flammable Fluids, 3rd edition, 2005. 정재희, 박달재, 하현철등, 폭발위험장소설정을위한도시가스사용시설의안전성평가, 산업안전보건연구원, 2013. Carl L Yaws, Chemical Properties Handbook, 1999. Crowl, D. A. and Louvar, J. F., 화학공정안전, 동화기술, 2004. US EPA, Risk Management Program Guidance for Offsite Consequence Analysis, appendix D, 1999. 나. 연락처 연구책임자 : 산업안전보건연구원화학물질센터이주엽연구위원연락처 :T)042-869-0323, F)042-863-9002, E) leejuyup@kosha.or.kr
차례 vii 차례 Ⅰ. 서론 1 1. 연구필요성및목적 1 2. 연구기간 2 3. 연구범위및내용 3 Ⅱ. 이론적고찰 5 1. 개론 5 2. 인화성액체의누출량및증발량모델식 13 3. 폭발위험장소의결정절차 18 Ⅲ. 폭발위험장소구분대상공정및실험 35 1. 대상공정 35 2. 인화점 36 3. 증기압 40 4. 폭발한계 45 Ⅳ. 실험결과및고찰 51 1. 혼합용제의물리적위험성분석결과 51 2. 외부환경에따른폭발위험장소구분 55 3. 사례연구 64 Ⅴ. 결론 71 참고문헌 73 Abstract 75
viii 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 표차례 < 표 2-1> 폭발위험장소관련산업안전보건법조항 7 < 표 2-2> 규격별폭발위험장소구분비교 9 < 표 2-3> 폭발위험장소의등급에따른그룹별가스 9 < 표 2-4> Division과 Zone의비교 9 < 표 2-5> 가스폭발분위기의생성빈도와지속시간에따른폭발위험장소구분 10 < 표 2-6> 방폭구조전기기계 기구선정기준 11 < 표 2-7> 전기기계 기구의방폭구조표시방법 12 < 표 2-8> 방폭기계 기구의온도등급비교 12 < 표 2-9> 폭발등급및발화도구분 13 < 표 2-10> 대기안정도에따른상수값 17 < 표 2-11> 폭발위험장소구분의하한값 20 < 표 2-12> 장치별누출위치선정방법 21 < 표 2-13> 누출공선정방법 21 < 표 2-14> 위험기반검사분석에서사용되는누출공 22 < 표 2-15> 국내 외누출공크기적용사례 23 < 표 2-16> 폭발위험장소종류에따른독립적인환기의영향 32 < 표 2-17> KS C IEC 60079-10-1에의한폭발위험장소구분절차 33 < 표 3-1> 폭발위험장소구분대상시료의구성비율 36 < 표 3-2> 인화점시험방법의종류 37 < 표 3-3> MSDS DB별용제의인화점 [ ] 데이터비교 37 < 표 3-4> 끓는점데이터를이용한인화점추정 38 < 표 3-5> 화학물질의증기압측정법의종류및측정범위 41 < 표 3-6> MSDS DB별용제의증기압 [kpa] 데이터비교 42
차례 ix < 표 3-7> 변형된 Antoine식의상수및증기압추정결과 (@25 ) 42 < 표 3-8> 온도증가에따른용제의증기압추정및측정 (kpa) 43 < 표 3-9> 증기압측정을위한작동단계및순서 44 < 표 3-10> MSDS DB별용제의폭발한계 [%] 데이터비교 47 < 표 3-11> 폭발하한계 [%] 추정결과비교 48 < 표 4-1> 혼합용제의인화점추정및측정결과 52 < 표 4-2> 증기압추정및측정결과 53 < 표 4-3> 온도변화에따른증기압측정결과 53 < 표 4-4> 혼합용제의폭발한계추정결과 54 < 표 4-5> 증발량모델식선정을위한 Case별조건 56 < 표 4-6> CASE별증발량과폭발위험장소의범위 56 < 표 4-7> 누출공크기에따른누출량등의변화고찰을위한선정조건 60 < 표 4-8> 누출공에따른누출량과폭발위험장소의범위 60 < 표 4-9> 온도증가에따른폭발위험장소의등급및범위고찰을위한설정조건 61 < 표 4-10> 온도증가에따른폭발위험장소의등급및범위 62 < 표 4-11> 풍속증가에따른가상체적및폭발위험장소의범위 63 < 표 4-12> A공장작업장의평가조건 65 < 표 4-13> A공장작업장의온도변화에따른폭발위험장소의등급및범위 65 < 표 4-14> B공장작업장의평가조건 66 < 표 4-15> B공장작업장의온도변화에따른폭발위험장소의등급및범위 67 < 표 4-16> C공장작업장의평가조건 (Ⅰ) 68 < 표 4-17> C공장작업장의평가조건 (Ⅱ) 69 < 표 4-18> C공장작업장의온도증가에따른폭발위험장소등급및범위 (Ⅰ) 69 < 표 4-19> C공장작업장의온도증가에따른폭발위험장소등급및범위 (Ⅱ) 70
x 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 그림차례 [ 그림 2-1] IP 15 Annex C-part 2 Table C6 24 [ 그림 2-2] IEC 60079-10-1/Ed2/CD Annex B Table B.1 25 [ 그림 2-3] 환기종류별안전계수 29 [ 그림 3-1] 잉크제조공정순서도 35 [ 그림 3-2] 태그밀폐식인화점시험장치 39 [ 그림 3-3] 증기압측정장치및작동원리 44 [ 그림 3-4] 온도와가연성물질의연소특성간의관계 46 [ 그림 4-1] 혼합용기의폭발위험장소구분도 ( 입면도및평면도 ) 57 [ 그림 4-2] 액체풀에기인한위험반경 (IP 15) 58 [ 그림 4-3] 옥내고정설치된혼합조 (KS C IEC 60079-10-1) 59 [ 그림 4-4] 온도증가에따른위험반경의변화 62 [ 그림 4-5] 풍속증가에따른위험반경과폭발위험농도지속시간 63 [ 그림 4-6] A공장작업장의폭발위험장소구분도 66 [ 그림 4-7] B공장작업장의폭발위험장소구분도 67 [ 그림 4-8] C공장작업장의폭발위험장소구분도 70
Ⅰ. 서론 1 Ⅰ. 서론 1. 연구필요성및목적 최근들어인화성액체의증기에기인한크고작은화재 폭발사고가자주발생되어사회적관심을증대되고있다. 예로서 2012년 8월 23일 ( 목 ) 오전 OOOO( 주 ) 청주공장의 OLED(Organic Light Emitting Diode) 재료생산팀에서반제품인 P2 Crude(OLED 재료용 ) 재결정작업중용매로사용한 1,4-Dioxane을 200l 드럼으로회수하는과정에서폭발이일어나근로자 11명이사상 ( 사망 8명, 부상 3) 을당한재해가발생하였고, 2014년 9월 23일 ( 화 ) 오전경북소재 OOO의제조동에서톨루엔서비스배관내이물질을제거하기위해배관등을세정하고, 이물질이혼입된서비스탱크 (0.4m3) 내톨루엔을탱크하부의드럼 (200L) 으로드레인하던중드럼측에서폭발이발생하여근로자 6명이부상 ( 화상 2명, 경상4명 ) 을입은사고가일어났다. 또한 2014년 11월 22일 ( 토 ) 오후대전광역시소재 ( 주 )OOOO는반도체코팅액제조공정에서 1차반응물여과를마친필터를수세척하는과정중필터에부착된슬러지에포함된인화성액체 ( 펜탄, 디이소프로필아민등 ) 의증기로인하여화재 폭발이발생되면서세척실전체로급격히확산되어근로자 8명이사상 ( 사망 1명, 부상 7명 ) 을당하는중대산업사고등이발생되었다. 위와같은사고들의원인을살펴보면공통적으로작업장내에인화성액체의증기축적으로폭발성가스분위기 (Explosive gas atmosphere) 가형성된후스파크, 정전기등의점화원에의하여화재 폭발이발생된사고로서, 인화성액체의증기압, 폭발한계값등의물리화학적물성값을반영하고환기등급및환기유효성을고려하여정확한폭발위험장소를구분한후, 폭발위험장소의범위, 폭발위험농도지속시간등의추정을통해폭발분위기가생성되지않도록관리하는것이필요하다는것을알수있다.
2 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 산업현장에서는인화성액체의증기나인화성가스등을제조 취급또는저장하는장소를폭발위험장소로구분시에산업안전보건기준에관한규칙과 KS C IEC 60079-10-1에따라진행하고있으나, 관련인화성물질의공정조건에따른물성값과사례부족등으로인하여많은어려움을느끼고있으며올바른폭발위험장소구분이이루어지지않고있다. 폭발위험장소구분에대한연구는국내에서는정재희, 박달재 (2013년) 등이도시가스사용시설의안전성평가에서도시가스사용시설에대한폭발위험장소설정연구를하였고, 임지표, 정창복 (2014년) 은공기보다가벼운가스사용시설의폭발위험장소설정방안에대한연구를하였다. 국외에서는영국 Health and Safety Laboratory(2005 년 ) 에서저압에서누출공크기에따른도시가스의거동현상을 CFD 모델링을이용하여연구하였고, Riccardo Tommasini(2014년 ) 등이유럽과북미의폭발위험장소분류에관한비교와이에따른사례연구를진행하였다. 그러나인화성액체의누출에따른폭발위험장소설정에대한구체적인선행연구는미흡한실정이다. 본연구에서는인화성액체의누출과증발로인한폭발위험장소구분에필요한증기압등의물리화학적물성값을실험과추정식을통하여구한후, 인화성액체의누출량과풀 (Pool) 을형성하였을경우의증발량등을계산하고, 환기등급과환기유효성을고려하여폭발위험장소구분을실시하였다. 이와함께위험폭발위험장소의범위와폭발위험농도지속시간도추정하였다. 이를기초로인화성액체를제조 취급또는저장하는사업장에폭발위험장소의구분과범위설정에대한정보를제공하여화재 폭발또는누출로인한화학사고예방에기여하고자한다. 2. 연구기간 2015 년 1 월 1 일 ~ 2015 년 11 월 30 일
Ⅰ. 서론 3 3. 연구범위및내용 본연구는사업장에서인화성액체의제조 취급또는저장중에누출및증발등으로인하여발생될수있는화재 폭발사고위험성에대비한폭발위험장소의구분과범위설정에필요한기초자료를제공하기위한것으로서연구범위와내용을요약하면다음과같다. (1) 국내외관련문헌및자료수집 폭발위험장소구분관련문헌검색 인화성액체누출및증발따른폭발위험장소구분관계식고찰 (2) 폭발위험장소구분대상물질선정및실태조사 폭발성가스분위기형성으로인한사고사례검토 선정화학물질에대한증기압등의물리화학적물성값측정 인화성액체누출및증발에따른폭발위험장소구분실태조사 (3) 폭발위험장소구분 물리화학적물성값및환기등급과환기유효성을적용한폭발위험장소구분실시 온도, 바람등외부환경조건과누출공크기의변화에따른폭발위험장소의범위, 폭발위험농도지속시간등의변동고찰
Ⅱ. 이론적고찰 5 Ⅱ. 이론적고찰 1. 개론 인화성가스또는증기, 인화성액체, 가연성분진, 섬유, 비산물주위또는근처에서전기기계 기구를사용하는경우화재나폭발이발생할가능성또는위험성이있으며, 이와같이폭발성가스분위기하에서화재나폭발의가능성또는위험성이발생할수있는장소를폭발위험장소 (Hazardous area) 라고한다. 폭발위험장소의개념은 1923년미국의전기규정 (NEC, National Electrical Code) 에서처음도입하였고, 1935년에는가스그룹에관한개념이추가되고, 1947년에는장소구분을위한 Division 개념이추가되었다. 유럽에서는 1960년대부터 Zone 개념을사용하여 3개부분으로세분화하여표기하고있다. 즉, 폭발위험장소는 Class/Division System과 Zone System의두개의시스템에의해분류되고있으며 Class/Division System은미국과캐나다에서주로사용되고, Zone System은유럽연합 (EU, European Union) 등전세계적으로통용되고있다. 예로국제전기기술위원회 (IEC, International Electrotechnical Commission) 의 IEC 60079-10-1에서는폭발위험장소 (Hazardous area) 를전기기계 기구를제작, 설치, 사용함에있어특별한주의를요구하는폭발성가스분위기 (Explosive gas atmosphere : 점화후연소가계속될수있는가스, 증기형태의가연성물질이대기상태에서공기와혼합되어있는상태 ) 가조성되거나조성될우려가있는장소로정의하고, Zone 0, Zone 1, Zone 2로구분하고있다. 폭발위험장소구분에관련된국제표준으로는 IEC 60079-10-1(Explosive atmospheres-part 10-1 : Classification of areas-explosive gas atmospheres) 이있고, 국가또는단체표준으로는미국에는 NEC 500, NEC
6 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 505, NFPA 497(Recommended practice for the classification of flammable liquids, gases, or vapors and of hazardous locations for electrical installations in chemical process areas), API RP 505(Recommended practice for classification of locations for electrical installations at petroleum facilities classified as class I, zone 0, zone1, zone2) 가있고, 캐나다에는 CEC(Canadian Electrical Code) Section 18 이있다. 그리고유럽에는유럽기준 EN 60079-10-1, IP 15(EI part 15, Area Classification code for installations handling flammable fluids) 등이있는데, 전자는 IEC 60079-10-1과동일하고후자는 IEC 60079-10-1의상세규정으로볼수있다. 또한일본에는노동안전위생종합연구소가발간한사용자를위한공장방폭전기설비가이드 (User guidelines for installations for explosive atmospheres in general industry, 2012) 가있다. 우리나라의경우에는한국산업표준 (KS, Korean Industrial Standards) 에서방폭기준의국제화를위하여유럽규정을기초로한 IEC 규격을채택하고있으며, 폭발위험장소에관련하여산업안전보건법산업안전보건기준에관한규칙제230조 ( 폭발위험이있는장소의설정및관리 ), 제231조 ( 인화성액체등을수시로취급하는장소 ), 제232조 ( 폭발또는화재등의예방 ), 제225조 ( 위험물질등의제조등작업시의조치 ), 제311조 ( 폭발위험장소에서사용하는전기기계 기구의선정등 ), 및제312조 ( 변전실등의위치 ) 에설정및관리, 폭발또는화재예방, 방폭형전기기계 기구선정등을 < 표 2-1> 과같이언급하고있다. 그리고 IEC 규격을채택하지않고있는미국등다른국가들과폭발위험장소구분에있어 < 표 2-2>, < 표 2-3>, < 표 2-4> 와같은차이가있다.
Ⅱ. 이론적고찰 7 < 표 2-1> 폭발위험장소관련산업안전보건법조항 조항 제 230 조 ( 폭발위험이있는장소의설정및관리 ) 제 231 조 ( 인화성액체등을수시로취급하는장소 ) 내용 1 사업주는다음각호의장소에대하여폭발위험장소의구분도 ( 區分圖 ) 를작성하는경우에는 산업표준화법 에따른한국산업표준으로정하는기준에따라가스폭발위험장소또는분진폭발위험장소로설정하여관리하여야한다. 1. 인화성액체의증기나인화성가스등을제조 취급또는사용하는장소 2. 인화성고체를제조 사용하는장소 2 사업주는제 1 항에따른폭발위험장소의구분도를작성 관리하여야한다. 1 사업주는인화성액체, 인화성가스등을수시로취급하는장소에서는환기가충분하지않은상태에서전기기계 기구를작동시켜서는아니된다. 2 사업주는수시로밀폐된공간에서스프레이건을사용하여인화성액체로세척 도장등의작업을하는경우에는다음각호의조치를하고전기기계 기구를작동시켜야한다. 1. 인화성액체, 인화성가스등으로폭발위험분위기가조성되지않도록해당물질의공기중농도가인화하한계값의 25 퍼센트를넘지않도록충분히환기를유지할것 2. 조명등은고무, 실리콘등의패킹이나실링재료를사용하여완전히밀봉할것 3. 가열성전기기계 기구를사용하는경우에는세척또는도장용스프레이건과동시에작동되지않도록연동장치등의조치를할것 4. 방폭구조외의스위치와콘센트등의전기기기는밀폐공간외부에설치되어있을것 3 사업주는제 1 항과제 2 항에도불구하고방폭성능을갖는전기기계 기구에대해서는제 1 항의상태및제 2 항각호의조치를하지아니한상태에서도작동시킬수있다. 제 232 조 ( 폭발또는화재등의예방 ) 1 사업주는인화성액체의증기, 인화성가스또는인화성고체가존재하여폭발이나화재가발생할우려가있는장소에서해당증기 가스또는분진에의한폭발또는화재를예방하기위하여통풍 환기및분진제거등의조치를하여야한다. 2 사업주는제 1 항에따른증기나가스에의한폭발이나화재를미리감지하기위하여가스검지및경보성능을갖춘가스검지및경보장치를설치하여야한다. 다만, 산업표준화법 의한국산업표준에따른 0 종또는 1 종폭발위험장소에해당하는경우로서제 311 조에따라방폭구조전기기계 기구를설치한경우에는그러하지아니하다.
8 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 조항 제 225 조 ( 위험물질등의제조등작업시의조치 ) 내용 사업주는별표 1 의위험물질 ( 이하 " 위험물 " 이라한다 ) 을제조하거나취급하는경우에폭발 화재및누출을방지하기위한적절한방호조치를하지아니하고다음각호의행위를해서는아니된다. 1. 폭발성물질, 유기과산화물을화기나그밖에점화원이될우려가있는것에접근시키거나가열하거나마찰시키거나충격을가하는행위 2. 물반응성물질, 인화성고체를각각그특성에따라화기나그밖에점화원이될우려가있는것에접근시키거나발화를촉진하는물질또는물에접촉시키거나가열하거나마찰시키거나충격을가하는행위 3. 산화성액체 산화성고체를분해가촉진될우려가있는물질에접촉시키거나가열하거나마찰시키거나충격을가하는행위 4. 인화성액체를화기나그밖에점화원이될우려가있는것에접근시키거나주입또는가열하거나증발시키는행위 5. 인화성가스를화기나그밖에점화원이될우려가있는것에접근시키거나압축 가열또는주입하는행위 6. 부식성물질또는급성독성물질을누출시키는등으로인체에접촉시키는행위 7. 위험물을제조하거나취급하는설비가있는장소에인화성가스또는산화성액체및산화성고체를방치하는행위 제 311 조 ( 폭발위험장소에서사용하는전기기계 기구의선정등 ) 1 사업주는제 230 조제 1 항에따른가스폭발위험장소또는분진폭발위험장소에서전기기계 기구를사용하는경우에는 산업표준화법 에따른한국산업표준에서정하는기준으로그증기, 가스또는분진에대하여적합한방폭성능을가진방폭구조전기기계 기구를선정하여사용하여야한다. 2 사업주는제 1 항의방폭구조전기기계 기구에대하여그성능이항상정상적으로작동될수있는상태로유지 관리되도록하여야한다. 제 312 조 ( 변전실등의위치 ) 사업주는제 230 조제 1 항에따른가스폭발위험장소또는분진폭발위험장소에는변전실, 배전반실, 제어실, 그밖에이와유사한시설 ( 이하이조에서 " 변전실등 " 이라한다 ) 을설치해서는아니된다. 다만, 변전실등의실내기압이항상양압 (25 파스칼이상의압력을말한다. 이하같다 ) 을유지하도록하고다음각호의조치를하거나, 가스폭발위험장소또는분진폭발위험장소에적합한방폭성능을갖는전기기계 기구를변전실등에설치 사용한경우에는그러하지아니하다. 1. 양압을유지하기위한환기설비의고장등으로양압이유지되지아니한경우경보를할수있는조치 2. 환기설비가정지된후재가동하는경우변전실등에가스등이있는지를확인할수있는가스검지기등장비의비치 3. 환기설비에의하여변전실등에공급되는공기는제 230 조제 1 항에따른가스폭발위험장소또는분진폭발위험장소가아닌곳으로부터공급되도록하는조치
Ⅱ. 이론적고찰 9 < 표 2-2> 규격별폭발위험장소구분비교 Hazardous Material IEC/KS NEC 500 Gas or Vapor Dust Fiber Zone 0 (0종장소 ) Zone 1 (1종장소 ) Class Ⅰ Division 1 Zone 2 (2종장소 ) Division 2 Zone 20 (20종장소 ) Zone 21 (21종장소 ) Class Ⅱ Division 1 Zone 22 (22종장소 ) Division 2 Zone 0 (0종장소 ) Zone 1 (1종장소 ) Class Ⅲ Division 1 Zone 2 (2종장소 ) Division 2 < 표 2-3> 폭발위험장소의등급에따른그룹별가스 Class Ⅰ Class Ⅱ 구분 Group A Group B Group C Group D Group E Group F Group G 기준 Acetylene Hydrogen, butadiene, ethylene oxide, propylene oxide Ethyl Ether, Ethylene, Acetaldehyde, Allyl Alcohol Acetic acid, Acetone, Acrylonitrite, Ammonia, Propane Metal dust Coal dust Grain and non-metallic dust < 표 2-4> Division 과 Zone 의비교 US CA Flammable Material Present Continuously Flammable Material Present Intermittently Flammable Material Present Abnormally IEC/EU Zone 0 Zone 1 Zone 2 NEC 505 Zone 0 Zone 1 Zone 2 NEC 500 Division 1 Division 2 CEC Section 18 CEC Annex J Zone 0 Zone 1 Zone 2 Division 1 Division 2
10 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 Zone은가스폭발분위기생성빈도와지속시간에따라 < 표 2-5> 과같이분류할수있다. 0종장소 (Zone 0) 는가스, 증기또는미스트의인화성물질의공기혼합물로구성되는폭발분위기가장기간또는빈번하게생성되는장소이고, 1종장소 (Zone 1) 는가스, 증기또는미스트의인화성물질의공기혼합물로구성되는폭발분위기가정상작동중에생성될수있는장소이다. 그리고 2종장소 (Zone 2) 라함은가스, 증기또는미스트의인화성물질의공기혼합물로구성되는폭발분위기가정상작동중에는생성될가능성이없으나, 만약위험분위기가생성될경우에는그빈도가극히희박하고아주짧은시간지속되는장소를말한다. < 표 2-5> 가스폭발분위기의생성빈도와지속시간에따른폭발위험장소구분 구분 시간 확률 Zone 0 연 1,000시간이상 10% 이상 Zone 1 연 10시간 연 1,000시간이내 0.1% 10% 이내 Zone 2 연 1시간 연 10시간이내 0.01% 0.1% 이내 폭발위험장소의구분시에는주로도표접근, 점누출원접근및위험기반접근의등의방법을활용한다. 도표접근 (DEA, Direct example approach) 은인화성물질취급설비의위험장소를직접구분하는전형적인방법으로, 설비배치도및크기 취급물질의종류 환기등을고려한경험적방법이다. 점누출원접근 (PSA, Point source approach) 은모든상황에적용가능한방법으로설비의운전온도, 압력 환기의정도및유형등의변화가커서도표이용방법이곤란한경우에적용하는것으로누출원의누출확률을알아야한다. 위험기반접근 (RBA, Riskbased approach) 은누출확률을모르거나자주변화되는시스템에서 2차누출의크기를결정할때사용하는방법으로, 주로기존설비에유용하고, 점누출원접근에의하여결정된 2차누출등급에의한폭발위험장소의범위를줄이고자사용되는선택적방법이다.
Ⅱ. 이론적고찰 11 폭발분위기생성장소에서전기기계 기구로인해화재 폭발의발생을방지하기위해서는폭발분위기와전기기계 기구점화원이공존하여야하며, 이조건이성립되지않도록하는것이전기기계 기구방폭의기본이다. 따라서전기기계 기구로인한화재 폭발을방지하기위해서는폭발분위기의생성확률과전기기계 기구의점화원확률과의곱이가능한 0에가까운작은값이되도록해야한다. 이를위해서는폭발분위기가생성되지않도록하는것이우선이고, 그다음으로전기기계 기구를방폭화하여야한다. 방폭구조전기기계 기구의선정기준, 각규격별방폭구조표시방법, 온도등급, 폭발등급및발화도는 < 표 2-6>, < 표 2-7>, < 표 2-8>, < 표 2-9> 과같다. < 표 2-6> 방폭구조전기기계 기구선정기준 분류 0 종장소 1 종장소 방폭구조전기기계 기구의선정기준 본질안전방폭구조 (ia) 그밖에관련공인인증기간이 0 종장소에서사용이가능한방폭구조로인증한방폭구조 내압방폭구조 (d) 압력방폭구조 (p) 충전방폭구조 (q) 유입방폭구조 (o) 안전증방폭구조 (e) 본질안전방폭구조 (ia, ib) 몰드방폭구조 (m) 그밖에관련공인인증기관이 1 종장소에서사용이가능한방폭구조로인증한방폭구조 2 종장소 0 종장소및 1 종장소에서사용가능한방폭구조비점화방폭구조 (n) 그밖에 2 종장소에서사용하도록특별히고안된비방폭형구조
12 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 < 표 2-7> 전기기계 기구의방폭구조표시방법 구분 IEC/KS NEC 500 JIS - Ex e Ⅱ T3 - Ex d ⅡB T4 - Ex d ⅡB+H2 T4 - Ex td A21 T120 - Ex td B20 T120 표시방법 - Class Ⅰ, Division 1, Group A B C D - Class Ⅰ, Division 2, Group B C D - Class Ⅱ, Division 1, Group E F G - Class Ⅱ, Division 2, Group E F G - e G3 - d2 G4 - DP Ⅱ 11 - SDP Ⅱ 12 < 표 2-8> 방폭기계 기구의온도등급비교 IEC/KS NEC 500 JIS 등급 범위 ( ) 등급 범위 ( ) 등급 범위 ( ) T1 450 이하 T1 450 이하 G1 320 이하 T2 300 이하 T2A 280 이하 T2 300 이하 T2B 260 이하 G2 200 이하 T2C 230 이하 T2D 215 이하 T3 200 이하 T3 200 이하 T3A 180 이하 T3B 165 이하 G3 120 이하 T3C 215 이하 T4 135 이하 T4 135 이하 T4A 120이하 G4 70 이하 T5 100 이하 T5 100 이하 G5 40 이하 T6 85 이하 T6 85 이하 G6 30 이하
Ⅱ. 이론적고찰 13 < 표 2-9> 폭발등급및발화도구분 구분 T1 T2 T3 T4 T5 T6 IIA 아세톤암모니아일산화탄소에탄초산초산에틸톨루엔프로판벤젠메탄올메탄 에탄올초산인페닐 1- 부탄올무수초산부탄클로로벤젠에틸렌초산비닐프로필렌 가솔린헥산 2- 부탄올이소프렌헵탄염화부틸이소프렌 아세트알데이드디에틸에테르옥탄 아질산메틸 IIB IIC 석탄가스부타디엔 수성가스수소 에틸렌옥시드 황화수소 아세틸렌이황화탄소질산에틸 2. 인화성액체의누출량및증발량모델식 누출모델은물질이방출할때물리화학적공정을나타내는이론식또는실험식으로부터유도되고, 아주복잡한공장에서는많은누출모델들이누출특성을설명하기위해필요하다. 만일공정및물질의물리적특성이불확실하다면매개변수는누출속도및누출량을최대라고가정하여선택하여야한다. 그렇게할때설계의안전성이입증될수있다. 누출메커니즘은넓은틈누출 (Wide aperture release) 과제한된틈누출 (Limited aperture release) 로구분된다. 전자는공정장치에서큰파열이나구멍이발생하여짧은시간동안상당한양의물질이누출됨을의미하며, 저장탱크의폭발현상이좋은예이다. 후자는물질이탱크나배관내구멍이나틈, 플랜지, 밸브및펌프에서 Leak, 배관의파열로부터분출되어발생된다.
14 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 액체가담겨진탱크내에서유체의액위보다 h 만큼의아래에서구멍이발생했다고하면, 이누출공을통한액체의흐름은식 (2-1) 과나타낼수있다. 식 (2-1) = 액체의누출량 ( kg /s) = 누출계수 ( 무차원 ) = 액체의밀도 ( kg / m3 ) = 액체가누출되는개구부의면적 ( m2 ) = 중력상수 (9.8 kg m/ kg f sec 2 ) = 사용압력 ( kg f/ m2 ) = 대기압력 ( kg f/ m2 ) = 중력가속도 (9.8 m/sec 2 ) = 탱크의최대액위 (m) 액체가누출되어풀 (Pool) 을형성하였을경우포화증기압, 바람의세기, 표면의재질등여러매개변수에의해증발량이결정되므로매개변수에따라증발량을결정하는많이식들이있다. 미국환경청 (EPA) 의 Risk Management Program Guidance for Offsite Consequence Aalysis Appendix D Technical background에증발량을산정하기위한식이식 (2-2) 와같이표현되어있다. 식 (2-2) = 증발량 (Ib/min) = 풍속 (m/s)
Ⅱ. 이론적고찰 15 = 분자량 = 액체층의표면적 (ft 2 ) = 증기압 (mmhg) = 누출된액체의절대온도 (K) V. J. Clancey에의해수정된 Sutton-Pasquill model식에서는직사각형풀인경우식 (2-3), 원형풀인경우식 (2-4) 와같이나타내고있다. 식 (2-3) = 증발량 (g/s) = 분자량 = 증기압 (dyn/ cm2 ) = 풍속 ( cm /s) = 풀에고인액체의절대온도 (K) = 바람과수평방향풀의길이 ( cm ) = 바람과수직방향풀이길이 ( cm ) 식 (2-4) = 증발량 (g/s) = 분자량 = 증기압 (dyn/ cm2 ) = 풍속 ( cm /s) = 액체의절대온도 (K) = 풀의반경 ( cm ) 또한, Cremer 와 Warne(1982) 에의해수정된 Sutton-Pasquill model 식에서
16 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 는직사각형풀인경우에는식 (2-5), 원형풀인경우에는식 (2-6) 와같이나타내고있으며대기안정도에따른상수값은 < 표 2-10> 과같다. 이모델은대기는난류이고, 물질전달속도는낮고, 액체온도는증발공정동안에는대기온도와같고일정하고, 사용된증기확산계수는평균값인 7.95 10-6으로서대부분의탄화수소이고, 액체는단일물질이고, 고인액체는퍼지지않는다 ( 고인액체의면적은일정 ) 는가정과제한사항있다. 식 (2-5) = 증발량 ( kg /s) = 차원상수 = 액체표면에서의증기압 (N/ m2 ) = 분자량 = 기체상수, 8314(J/ kgmole K) = 주위 ( 대기 ) 온도 (ambient temperature)(k) = 풍속 (m/s) = Sutton 대기안정도상수 (-) = 바람과수평방향풀의길이 (m) = 바람과수직방향풀이길이 (m) 식 (2-6) = 증발량 ( kg /s) = 차원상수 = 액체표면에서의증기압 (N/ m2 ) = 분자량
Ⅱ. 이론적고찰 17 = 기체상수, 8314(J/ kgmole K) = 주위 ( 대기 ) 온도 (ambient Temperature)(K) = 풍속 (m/s) = Sutton 대기안정도상수 (-) = 풀의반경 (m) 안정도 n (-) < 표 2-10> 대기안정도에따른상수값 K/k 0 ( 차원상수 ) K'/k 0 ( 차원상수 ) 불안정 0.2 1.2781 10-3 3.846 10-3 중간 0.25 1.579 10-3 4.685 10-3 안정 0.3 1.786 10-3 5.285 10-3 Guida CEI 31-35 에서는액체풀에서의증발량을사용하지않고증기압, 폭발하한농도및액체풀면적등을이용하여식 (2-7) 과같이폭발위험장소의범위를구한다. 식 (2-7) = 폭발위험장소의반경 (m) = 액체의온도에서의증기압 (Pa) = 분자량 = LELv로표시되는안전계수 = 폭발하한농도 (%) = 풀의면적 ( m2 ) = 풍속 (m/s) 증기압 (Pa) 풍속 (m/s) a b c d Pv 2,000 0.26-0.20-0.25 0.67 0.5 Pv 2,000 0.10-0.10-0.26 0.70
18 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 3. 폭발위험장소의결정절차 폭발위험장소구분은폭발성가스분위기가생성될우려가있는장소에서전기설비를안전하게사용할수있도록기기의적절한선정과설치를용이하게하기위하여환경을분석하고구분하는절차이다. 또한점화에너지및발화온도와같은가스또는증기의점화특성을고려한다. 인화성물질을사용하는대부분의실제상황에서폭발성가스분위기가절대로생성되지않도록하는것은어렵다. 더불어전기설비가점화원이되지않도록하는것도역시어렵다. 따라서폭발성가스분위기가생성될우려가높은지역에서는생성이우려되는경우에는다음의단계적인조치를취하여야한다. 1 점화원주위에서일어날수있는위험분위기생성확률감소 2 점화원의제거 3 위의 1 및 2의조치가불가능할경우에는위험분위기의조성과점화원이동시에발생할확률을아주낮게하기위한적절한보호장치 공정설비 계통의선정을위한절차를수립해야한다. 인화성가스 증기를제조 취급또는저장하는곳의설비는정상작동여부에관계없이항상인화성가스 증기의누출빈도, 시간및양등에의하여정해지는폭발위험장소의범위가최소화되도록설계하고운전및보수를하여야한다. 그리고정상작동이아닌보수작업등의경우에는위험장소가일시적으로확대될수있으며, 이러한사항은 " 안전작업허가지침 " 에명시하여야한다. 또한비상사태하에서는필요에따라해당폭발위험장소에적합하지않은전기설비의격리, 공정작동의정지, 용기의격리, 유출물질의저장및비상배출설비의구비등의보완조치를추가적으로적용할수있어야한다. 폭발위험장소구분은최초 P&ID 및배치도가입수가능한시점에수행하고, 플랜트가동전에확인한다. 재검토는플랜트가동중에실시하는것이좋다. 그러나설계도면의간단한검토만으로위험장소를구분하는것은아주위험하므로, 도면검토이외에누출원이될수있는인화성가스, 증기등을취급하는각공정설비의목록
Ⅱ. 이론적고찰 19 을자세히검토하고, 위험장소의종별및범위에영향을미치는누출빈도와기간 ( 누출등급 ) 누출속도 농도 환기등주변장소의위험분위기의현존가능성을정하기위한기본요소를파악하는등위험분위기의생성가능성에대한자세한분석이이루어져야한다. 최적설계또는적절한운전절차에의해가급적 0종또는 1종장소를최소화시킴으로써공장과설비는주로 2종장소나비위험장소로할수있도록한다. 일단플랜트내폭발위험장소가구분되고필요한문서가모두기록되면, 폭발위험장소구분책임자와사전협의없이설비나운전절차의어떠한변경도이루어져서는안된다. 승인없이임의로장소를변경할경우, 장소구분을부적절하게만들고, 유지보수에들어간폭발위험장소구분에영향을주는모든설비는정비후에도원래설계의도가유지되도록, 유지보수동안및재조립후주의깊게점검하여야한다. 폭발위험장소구분절차는다음과같다. 1) 유해 위험물질제조 취급또는저장설비에인화점이 40 이하인액체가사용되거나, 인화점이 40 가초과되는액체가인화점이상으로사용되고있는가를확인한다. 물질안전보건자료 (MSDS) 의 9. 물리화학적특성, 추정식및실험을통해인화점확인 2) 위험분위기생성할수있는충분한양인가를검토후누출원이있는지를확인한다. (1) 위험분위기생성량소량의인화성액체를취급하는장소, 소량의석유액체샘플을시험하는실험실등의경우에는비위험장소로구분한다. 그러나이것은상황에따라판단해야할상황이지사전에확정구분할수있는것은아니다. 경우에따라인화성가스 / 증기의
20 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 공기혼합물점화가아주작은양이라도사람에게위험을줄수있으므로밀폐된공간에서신속한대피가곤란한경우에는소량의액체라도위험장소로설정하는것이적정하다. 일반적으로 < 표 2-11> 의양이하로누출되는경우폭발위험장소로설정하지않을수있다. < 표 2-11> 폭발위험장소구분의하한값 구분 기체 (1기압환산 ) 액화가스 인화점이상의인화성액체 옥내 50 리터 5 리터 25 리터 옥외 1,000 리터 100 리터 200 리터 (2) 누출원화학설비에서누출이많이발생되는위치는인입 토출배관연결지점, 펌프씰 (Seal) 지점, 용기의부식 ( 혹은외부충격 ) 발생지점등이있으며, 공정의종류에따른장치별누출위치는 < 표 2-12> 와같이선정한다. (3) 누출공누출공의결정시에누출속도는누출단면적에비례하므로누출공은사고의규모를좌우하는매우중요한변수가되고, 사고발생시누출공을추산하는것은쉽지않아경험을바탕으로판단하며, 일반적으로공정의압력이클수록공정의온도가높을수록사고초기의누출직경은커진다. 화학공장의피해최소화대책수립에관한기술지침에서의장치별누출지점선정에따른누출공의선정방법은 < 표 2-13> 와같다.
Ⅱ. 이론적고찰 21 < 표 2-12> 장치별누출위치선정방법 연속공정 회분식공정 용기의입 출입노즐에서의누출 용기의입 출입노즐에서의누출 가 형 - 펌프가있을경우, 씰파손에의한영향도추가하여평가, 블로우다운배관에연결된밀폐계시스템은평가제외 - 안전밸브에의한영향평가는대기방출에대해서만평가 반응기, 증발기등과같이상변환혹은물질변환이발생하는장치 용기 안전장치 배관누출, 핀홀 (Pin hole) 안전밸브, 파열판등에서의누출 나 형 - 펌프가있을경우, 씰파손에의한영향도추가하여평가, 블로우다운배관에연결된밀폐계시스템은평가제외 - 안전밸브에의한영향평가는대기방출에대해서만평가 저장탱크, 중간탱크등 다 형공정지역외의이송배관 < 표 2-13> 누출공선정방법 핀홀배관누출안전밸브 A 형 10 mm 1/5 내경트림내경 B 형 5 mm 1/10 내경 1/2 트림내경 C 형 1 mm 1/25 내경 A 형 : 공정압력이진공, 50 kg / cm2이상혹은공정온도 150 이상 ( 펌프의경우압력비가 2 이상혹은압력차가 50 kg / cm2이상 ) B 형 : 공정압력혹은공정온도가 A 형이하이면서 C 형의조건에서벗어날때 C 형 : 공정압력과공정온도가대기압의 200% 범위 미국석유화학협회의위험기반검사기준 (API 581) 에서는누출공을소형, 중형, 대형, 그리고파열형으로분류하며, 일반적으로각각의설비별로 < 표 2-14> 과같이 4가지누출공을이용한다.
22 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 < 표 2-14> 위험기반검사분석에서사용되는누출공 누출공 범위 대표치 소형 0-1/4 인치 1/4 인치 중형 1/4-2 인치 1 인치 대형 2-6 인치 4 인치 파열형 > 6 인치 설비의전체직경 ( 최대 16 인치 ) 그리고, 설비의특정부분별로적합한누출공을선택하는방법은다음과같다. 배관의누출공선택에있어서는 4가지표준누출공이이용되며, 누출구멍의직경이배관자체의직경보다작거나같다면, 1/4 인치, 1 인치, 4 인치그리고파열형이이용된다. 예를들어, 1 인치의배관은최대가능한선택이 1 인치누출공과동일하므로단지두가지누출공즉 1/4 인치와파열크기를가질수있고 4 인치배관은같은이유로인해 1/4 인치, 1 인치그리고파열의 3가지누출공을가질수있고, 펌프의누출공선택에있어서는 3가지누출공을가질수있다. 즉, 1/4 인치, 1 인치및 4 인치이다. 인입라인이 4 인치미만일경우, 최종적으로가능한누출공은인입라인직경이다. 상압저장탱크의누출공선택에있어서는다음의누출공과위치가가정된다. 1 탱크지상부위에서 1/4 인치, 1 인치및 4 인치누출 2 벽또는바닥으로부터의탱크파열 3 탱크의바닥에서 1/4 인치와 1 인치의누출 이상의내용을포함하여국내 외누출공크기적용사례를정리하면 < 표 2-15> 과같다.
Ⅱ. 이론적고찰 23 < 표 2-15> 국내 외누출공크기적용사례 기관산정방법특징 KOSHA ( 누출원모델링 ) 배관의경우 - 50 mm이하, 50 mm 100 mm, 100 mm이상 CCPS 참고하여정의 KOSHA ( 피해최소화대책 ) 설비의운전조건을 A, B, C 로구분하여각조건에따라누출크기결정 API 581 참조하여정의 ( 화학공장에특화하여지정 ) API 581 ( 미국석유화학협회 ) 모든설비를 4 가지누출공으로구분 - 1/4 inch, 1 inch, 4 inch, 설비의최대직경 (16 inch) 석유화학플랜트를대상으로함 독일 표준누출율 490 mm2 (DN 25) 최소누출율 80 mm2 (DN 10) CCPS 1.5 inch(38 mm ) 이하 : 지름 5 mm나관경 2 6 inch(50 150 mm ) : 지름 5 mm, 25 mm나관경 8 12 inch(200 300 mm ) : 지름 5 mm, 25 mm, 100 mm나관경 일반적인화학공정에대한 CCPS 의경험치를기반으로한가이드라인 World Bank 설비에연결된배관기준으로누출공산정 - Rupture 를고려하여배관직경의 100% 산정 - 일반누출의경우배관직경의 20% 산정 장외영향평가서작성자교육과정교재 (2015, 화학물질안전원 ) 폭발위험장소구분시 2차누출등급누출원의누출공에대해 IP 15 Annex C-Part 2 C2.5 Table C6 에서는 [ 그림2-1] 과같이누출확률에따라플랜지와밸브에서의누출공크기를약 0.1mm 6.0mm로산정하고있고, IEC 60079-10 -1/Ed2/CD Annex B에서 Table B.1 에서는 [ 그림2-2] 와같이저장탱크등과같은고정장치 (Fixed parts) 또는펌프등과같은구동장치 (Moving parts) 에서밀봉요소 (Sealing elements) 의 Leak 조건을고려하여심각한조건을제외하고누출공단면적을약 0.025mm2 5mm2로산정하고있다.
24 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 [ 그림 2-1] IP 15 Annex C-part 2 Table C6
[ 그림 2-2] IEC 60079-10-1/Ed2/CD Annex B Table B.1 Ⅱ. 이론적고찰 25
26 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 3) 누출원을제거할수없을경우누출형태에따라연속누출, 1차누출, 2차누출로구분한다. (1) 연속누출등급의누출원 1 대기중으로연속누출시키는고정지붕식저장탱크 (Fixed roof tank) 내부의인화성액체표면 2 연속또는장기간대기중에개방되어있는인화성액체의표면 ( 예 : 유수분리기 ) (2) 1차누출등급의누출원 1 정상작동중인화성물질이누출될수있는압축기 밸브 펌프등의기밀부 (Seal) 2 정상작동중의배수시인화성물질이누출될수있는인화성액체를저장하고있는용기의배출구 3 정상작동중대기중으로인화성물질의누출이예상되는시료채취 4 정상작동중대기중으로인화성물질의누출이예상되는안전밸브, 통기구 (Vent), 기타개구부 (3) 2차누출등급의누출원 1 정상작동중에는인화성물질의누출이예상되지않는압축기, 밸브, 펌프등의기밀부 2 정상작동중에는인화성물질의누출이예상되지않는플랜지, 연결부위, 배관피팅류 (Fitting) 3 정상작동중에는인화성물질의누출이예상되지않는시료채취 4 정상작동중에는대기중으로인화성물질의누출이예상되지않는안전밸브, 통기구및기타개구부
Ⅱ. 이론적고찰 27 4) 환기의등급을가상체적 ( ) 를이용하여강환기, 중환기, 약환기로분류한다. (1) 가상체적 ( ) 1 가상체적 ( ) 는가연성가스또는증기의평균농도가안전율 값에따라폭발하한의 0.25 또는 0.5배가되는체적을나타낸다. 즉가상체적의경계부에서의가스또는증기의농도가폭발하한보다훨씬낮다는것을의미한다. 다시말하면농도가폭발하한이상이되는체적이 보다작게된다. 의계산은환기등급을평가하는데사용하기위한것이며, 누출원에서부터연소가가능한곳까지의경계에대한기준을제공한다. 그러나형상이정해져있지않으며, 바람이흐르는쪽으로편향되어위치하게되고, 환기방향이변할가능성및가스또는증기의부력 ( 또는상대밀도 ) 을고려해야하므로경계면이폭발위험장소의크기와일반적으로일치하지않고주어진누출원에서부터폭발위험장소의크기는가상체적 보다일반적으로수배심지어그이상으로커진다. 2 가상체적을구하기위해서는먼저주어진인화성물질이누출되는경우, LEL 이하의필요농도로희석시키기위하여, 식 (2-8) 의신선한공기의최소환기량과식 (2-9) 의단위시간당신선한공기의환기회수 (S-1) 가필요하다. max 식 (2-8) min = 신선한공기의최소유량 ( m3 /s) min max = 누출원의최대누출량 (kg/s) = 폭발하한 (kg/m 3 ) = 로표시되는안전계수 ( 지속및 1 차누출등급 : 0.25, 2 차누출등급 : 0.5) = 주위온도 ( 켈빈, )
28 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 주 ) (vol.%) 를 LELm((kg/ m3 ) 로변환하고자하는경우에는다음식을이용, : 분자량 (kg/kmol) 식 (2-9) = 고려하는체적을통한신선한공기의총환기량 = 고려하는누출원주위에서실제로환기되는총체적 ( 실내환경에서, 누출원에전용 배기또는국소배기가없는경우 V0 은일반적으로대상방또는건물의체적 ) 3 가상체적 ( ) 는식 (2-10) 과같이나타낼수있다. min 식 (2-10) = 폭발성가스의희석효과를나타내는환기의유효성 ( 품질계수 ), 일반적으로 는 ( 이상적인조건 ) 에서 ( 공기흐름장애 ) 의범위가된다. 4 의경우 KS C IEC 60079-10-1:2012에서는부속서 B, B.8 예시에서옥외인경우에는 =1, 옥내에서 12 ACH 미만인경우에는 =5, 12 ACH는 =2, 12 ACH 초과인경우에는 =1로계산하고있고, API RP 505에서는옥내의적절한환기 (Adequate Ventilation) 를최소한 12 ACH로규정하고있다. 그리고 IP 15의 Fig. 6.1 Procedure for assessing type and degree of ventilation에서는옥내의적절한환기를 12 ACH 초과로규정하고있으며, NFPA 820 Table 9.1.1.4 Minimum Ventillation Rates에서는최소 12 ACH 초과를비폭발위험장소로구분하고있다. 또한소방기술기준에관
Ⅱ. 이론적고찰 29 한규칙제153조 ( 위험물제조소의배출시설 ) 에서는국소배기장치또는전체환기방식으로시간당배출장소용적의 20배이상을옥외안전한곳으로급배기하도록규정하고있다. 따라서, 옥외, 옥내로구분하여옥외인경우에는구조물, 차단벽등으로옥외환기가원활하지않은경우를제외하고 =1이적정하며, 옥내의경우에는 12 ACH 미만은 =3 5, 12 ACH 이상 20 ACH 미만은 =2, 20 ACH 이상은 =1로하는것이적정하다. 다만, 환기율, 상시환기, 환기설비의신뢰성및구조물구조등과 [ 그림 2-3] 의단일성분의유기화합물이발생되는작업장에대한전체환기량산정시의안전계수 등을고려하여환기가불량인경우신선한공기의시간당치환횟수가많더라도 =4 5가적용되어야한다. [ 그림 2-3] 환기종류별안전계수
30 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 5 개방된장소 ( 옥외 ) 에서는현장배치및특성을바탕으로한평가를수행하고, 개방된장소안에한변의길이가 15 m인가상의정육면체를가정하면, 0.5 m/s의풍속일경우체적 3400 m3 ( ) 에대해약 100/h (0.03/s) 이상의환기회수가계산된다. (2) 강환기 (VH, High ventilation) 1 일반적으로 가 0.1 m3보다작을경우또는 의 1 % 보다작을경우에서그중작은값을적용하며, 이러한상황에서위험장소의체적은 와같은것으로간주한다. 2 누출원에서의농도를순간적으로감소시킬수있는환기로, 결국가스농도를폭발하한값이하로낮추어위험장소의범위를무시할정도로작게하는것을말한다. 그러나, 환기의유효성이미흡한경우에는무시할정도의위험장소주위는다른종별의위험장소가될수있다. 3 실제적으로밀폐된작은장소나아주적은누출량에서누출원주위의국소배기설비에서만적용할수있다. (3) 중환기 (VM, Medium ventilation) 1 가 와작거나같다. 중환기는인화성액체의증기또는가스누출의희석을제어할수있다. 이는 1차또는 2차누출등급에관련되는누출이중단된후에위험분위기의희석에소요되는시간에따라 1종또는 2종장소조건이된다. 수용할수있는희석시간은예측되는각누출의빈도와지속시간에관련된다. 2 누출이진행되는동안에는위험장소내의농도를안정된상태로제어할수있고, 누출이중단된후에는더이상의위험분위기가지속되지않도록하는환기를말한다. 3체적 가아주작거나공기흐름이현저히제한되는경우이외의옥외장소는중환기로간주한다.
Ⅱ. 이론적고찰 31 (4) 약환기 (VL, Low ventilation) 1 가 를초과한다면환기는낮은것으로볼수있다. 저환기는일반적으로피트 (pit) 내에서와같이공기흐름은제한하는곳이외의개방장소에서는일어나지않는다. 2 누출이진행되는동안에는누출농도를제어할수없고, 누출이중단된이후에도위험분위기의지속을억제할수없는정도의환기를말한다. 5) 환기의유효성에따라우수 (Good), 양호 (Fare), 미흡 (Poor) 으로 3가지등급으로평가한다. (1) 우수 (Good) 환기가연속적으로이루어지는상태로산업환기설비 1) 의고장감지센서를이중으로설치하고환기의유효성및신뢰성을확보한다. (2) 양호 (Fare) 정상작동상태에서이루어지는환기상태로간혹짧은시간동안환기가불연속될수있다. 산업환기설비의고장감지센서를 1개설치하고환기의유효성및신뢰성을확보한다 (3) 미흡 (Poor) 환기에의한공기의흐름이우수또는양호에미치지못하는상태로불연속이장시간지속되는것은이에해당되지않고, 환기가미흡이상을충족시키지못하면그지역에서환기가이루어진다고할수없다. 1) 산업환기설비 라함은유해물질을건강상유해하지않는농도로유지하고유해물질에의한화재 폭발을방지하거나열또는수증기를제거하기위하여설치하는전체환기장치와국소배기장치등일체의환기설비를말한다.
32 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 6) 환기의영향 ( 환기등급, 환기유효성 ) 과누출등급을조합하여 < 표 2-16> 과같이폭발위험장소의등급을결정한다. 7) 적합한계산방법을이용하여폭발위험장소의범위를결정한다. Vz를구형으로가정하여아래와같이폭발위험장소의범위 ( 위험반경 (r), m) 를계산한다. 식 (2-11) 위의절차들을요약하면 < 표 2-17> 와같이나타낼수있다. < 표 2-16> 폭발위험장소종류에따른독립적인환기의영향 누출등급 연속 1 차 2 차 b 환기등급 강 중 약 환기의유효성 우수 양호 미흡 우수 양호 미흡 우수, 양호, 또는미흡 (0 종 NE) 비위험 a (1 종 NE) 비위험 a (2 종 NE) 비위험 a (0 종 NE) 2 종 a (1 종 NE) 2 종 a (2 종 NE) 비위험 a (0 종 NE) 1 종 a (1 종 NE) 2 종 a 0 종 0 종 +2 종 0 종 +1 종 0 종 1 종 1 종 +2 종 1 종 +2 종 2 종 2 종 2 종 2 종 1 종또는 0 종 c 1 종및 0 종 c 비고 1. "+" 는둘러싸여짐을의미, 즉, 0종 +2종은 0종장소가존재하고그주위를 2종장소가둘러싸고있음을의미한다. 비고 2. 2차누출등급의누출원만있는밀폐장소를 0종장소로분류하지않도록특히주의해야한다. 이사항은계장패널, 내후성계측기용기 (enclosure), 단열된가열용기또는배관설비와단열재면사이의밀폐된공간등과같이작고퍼지되지않으며 (non-purged), 가압되지않는 (non-pressurized) 밀폐공간에도적용한다. 비고 3. 연속및 1차등급누출원은약환기가제공되는장소에가급적위치시키지않는것이좋다. 이러한경우에는누출원의위치를바꾸거나환기를높이거나누출등급을낮추는것이좋다. a. 0종장소 NE, 1 NE, 2 NE는정상상태에서무시할수있는정도의이론상의장소를나타낸다. b. 2차누출에의해생성되는 2종장소가 1차또는연속누출에의해만들어진장소보다클수있다. 이러한경우더긴거리를택하는것이좋다. c. 환기가아주미흡하고실제적으로폭발성가스분위기가지속적으로누출되고있다면 ( 즉, 환기가없는 상태에가까움 ) 0종장소가된다.
Ⅱ. 이론적고찰 33 < 표 2-17> KS C IEC 60079-10-1 에의한폭발위험장소구분절차
Ⅲ. 폭발위험장소구분대상공정및실험 35 Ⅲ. 폭발위험장소구분대상공정및실험 1. 대상공정 인쇄잉크는일반적으로비히클 ( 천연수지, 반합성수지, 합성수지 ) 에착색제 ( 안료, 염료 ) 를분산시키고용제 ( 방향족계인톨루엔, 케톤계인 MEK, Ester계인 Ethyl acetate, 알코올계인 IPA 등 ) 와첨가제 ( 피막보강제, 소포제, 가소제, 정전기방지제등 ) 를넣어제조된다. 잉크제조공정은 [ 그림 3-1] 과같으며잉크제조시용제 (Solvent) 로서 Toluene, MEK, EA 등이사용되어비히클에유동성, 점도를부여하고, 안료의습윤, 분산에기여한다. 또한잉크의건조속도를조정하고피인쇄체에대하여젖음성을좋게하고, 잉크의접착력을증가시킨다. [ 그림 3-1] 잉크제조공정순서도 본연구에서는잉크제조공정에사용되는혼합용제시료와현장샘플링시료를표 3-1> 과같이폭발위험장소구분에사용되는대상시료로선정하였다.
36 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 < 표 3-1> 폭발위험장소구분대상시료의구성비율 시료명비율 (Wt %) 비고 시료 1 Toluene : MEK : EA = 5 : 3.75 : 1.25 그라비아잉크반제품수지 : 용제 =8:2 시료 2 Toluene : EA = 7 : 3 OPP Film 인쇄잉크제조에사용 시료 3 Toluene : MEK : EA = 4 : 4 : 2 PET Film 인쇄잉크제조에사용 2. 인화점 인화점은기체또는휘발성액체에서발생하는증기가공기와섞여서인화성 ( 가연성 ) 또는폭발성혼합기체를형성하고, 여기에불꽃을가까이댔을때순간적으로섬광을내면서연소하는, 즉인화되는최저의온도를말한다. 인화점을넘어서가열을더계속하면불꽃을가까이댔을때계속해서연소하는온도에이르는데, 이온도를연소점이라고하여인화점과구별한다. 인화점은물질에따라특유한값을보이며, 주로액체의인화성을판단하는수치로서중요하며, 경우에따라서는일정한끓는점이나녹는점을보이지않는시료의종류를조사하기위해서사용되기도한다. 인화점의측정방식에는밀폐상태에서가열하는방식과개방상태에서가열하는방식 2 가지가있으며, 전자의측정방식으로구한인화점을밀폐식인화점, 후자의측정방식으로구한인화점을개방식인화점이라고한다. 동일시료에서는통상개방식인화점이밀폐식인화점보다높은값을나타내며, 대표적인인화점시험방법의종류를 < 표 3-2> 에요약하여나타내었고, 관련국제시험규격 (KS M 2010 : 2008) 에의하면태그밀폐식인화점의경우에허용되는재현오차가약 3.5 로규정되어있다. 잉크제조공정에사용되는톨루엔등의 3가지용제 (Solvent) 에대한인화점을 < 표 3-3> 에나타내었다. 이것은특정조건에서폭발성혼합증기의형성과관련되기때문에해당물질의끓는점과관련이있으며, 이를이용한 Satyarayana and Rao의식 (3-1) 과 L. Catoire의식 (3-2) 등이대표적인순수물질의인화점추정식이라할수있다.
Ⅲ. 폭발위험장소구분대상공정및실험 37 < 표 3-2> 인화점시험방법의종류 인화점종류시험방법적용기준적용유종 밀폐식인화점 개방식인화점 태그밀폐식 인화점이 93 이하인시료 적용제외시료 a) 40 의동점도가 5.5 mm 2 /s 이상인시료 b) 시험조건에서기름막이생기는시료 c) 현탁물질을함유하는시료 원유가솔린등유항공터빈연료유 신속평형법인화점이 110 이하인시료원유, 등유, 경유, 중유, 항공터빈연료유 펜스키마텐스밀폐식 클리블랜드개방식 밀폐식인화점의측정이필요한시료및태그밀폐식인화점시험방법을적용할수없는시료 인화점이 80 이상인시료. 다만원유및연료유는제외 원유, 경유, 중유, 전기절연유, 방청유, 절삭유제 석유아스팔트, 유동파라핀, 에어필터유, 석유왁스, 방청유, 전기절연유, 열처리유, 절삭유제, 각종윤활유 < 표 3-3> MSDS DB 별용제의인화점 [ ] 데이터비교 Toluene MEK EA KOSHA 4(C. C.) -9(C. C.) -4(C. C.) Sigma Aldrich 4(C. C.) -3(C. C.) -2.99(C. C.) 대정화금 4(C. C.) -5.6(C. C.) $-4(C. C.) * C. C. : Closed Cup test( 밀폐식인화점 ), O. C. : Open Cup test( 개방식인화점 ) exp exp 식 (3-1) 식 (3-2)
38 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 식 (3-1) 과식 (3-2) 에서 와 는 Kelvin 단위를갖는인화점과끓는점, a, b, c는화학물질그룹별상수, 는화학물질내탄소원자의개수를나타낸다. 그리고 는 [kj/mol] 단위를갖는 298.15 K에서순수물질의증발잠열로 Modified Watson 식에의해서추정할수있고, A, n은화학물질그룹별상수, Tc는임계온도 (K) 를나타낸다. 식 (3-1) 과식 (3-2) 을이용하여잉크제조공정에사용되는톨루엔등 3가지용제 (Solvent) 의인화점추정을위한상수와추정결과를 < 표 3-4> 에나타내었다. < 표 3-4> 끓는점데이터를이용한인화점추정 Satyarayana and Rao a b c Tb [K] TFP [ ] Hvap [kj/mol] L. Catoire et. al. n_c TFP [ ] Toluene 225.1 537.6 2217 384.15 8.1 38.34 5.7 MEK 225.1 537.6 2217 350.15-9.6 35.12-7.7 EA 225.1 537.6 2217 353.15-8.1 35.66-8.6 결과에서알수있듯이식 (3-1) 과식 (3-2) 의한인화점추정값과 MSDS의 DB값과는차이가발생했다. 식 (3-1) 은 1-파라미터추정식으로끓는점만을이용하여인화점을예측하며, 식 (3-2) 는 3-파라미터추정식으로끓는점이외에증발잠열및탄소개수등 2가지의추가적인변수를이용하기때문에보다정확한값을나타낼수있는것으로알려져있다. 그러나역시측정값과는차이를보이기때문에추정값보다는가능하면시험에의한측정결과값을사용하는것이타당하다고할수있다. 본연구에서인화점을측정하기위한장비는 [ 그림 3-2] 에보이는 Petrotest사의 Fully automated flash pointer TAG 4 를사용하였다.
Ⅲ. 폭발위험장소구분대상공정및실험 39 [ 그림 3-2] 태그밀폐식인화점시험장치 해당장비는시료온도와화염발생여부를감지하는멀티헤드, 점화시스템그리고시료의온도조절과착화를조작하는컨트롤러로구성된장비본체와시료의저온유지를위한별도의냉각기로구성되어있으며, 착화를위한시험염 (Pilot flame) 은전기식점화장치에의해서시료에인가된다. 인화점표준시험규격인 KS M 2010 : 2008 원유및석유제품인화점시험방법-태그밀폐식시험방법 에의하면해당장비는인화점이 93 이하인시료에적용하며, 통상시험범위는 (-30 110) 이다. 그러나동점도가 40 에서 5.5 mm2/s이상이거나 25 에서 9.5 mm2/s이상인시료와시험조건에서기름막이생기거나현탁물질을함유하는시료는적용할수없다. 시험규격에의한시험절차및결과산출과정을간략하게살펴보면다음과같다. 1 Heating block 및컵을예상인화점이하 17 까지사전냉각한다. 2 시험컵을세척하여불순물을제거하고컵안쪽표시선 (50±0.5) ml까지시료를채운후에시험컵뚜껑에멀티헤드를삽입하여본체의항온조에장착한다. 3 사전설정한프로그램에따라예상인화점보다 11 낮은온도까지까지냉각또는가열하여시료온도가예상인화점아래 5 의온도에도달하게되면시험염을인가하여착화여부를측정하고, 이때시료의승온속도및시험염의인가는예상인화점 (EFP) 에따라서조절한다.
40 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 - 승온속도 : EFP < 60 (1 /min), EFP > 60 (3 /min) - 시험염인가 : EFP < 60 (0.5 마다 ), EFP > 60 (1 마다 ) 4 최종값 ( ) 은다음식에따라서측정장소의압력 ( ) 을보정하여 0.5 단위로끝맺음하여산출한다.( ) 3. 증기압 액체내부의분자들은일정한에너지를가지고운동하고있으며, 분자간에는인력이작용하며, 일반적으로액체표면에위치하는분자들은액체내부에있는분자들에비해서분자간인력이약하다. 따라서일부더높은에너지를가지고운동하는분자들은액체로부터떨어져나와서기체상태가되기도하는데, 이러한과정을증발 (vaporization) 이라고하며, 끓음 (boiling) 과구분하고있다. 증기압은액체또는고체에서물질이증발하는압력으로열역학적으로증기가고체나액체와동적평형상태에있을때의포화증기압을말한다. 다른표현으로는증발속도와응축속도가같아동적평형을이루고있을때외부의증기가갖는압력을증기압이라고한다. 또한증기압은어떠한액체의증발속도와관련이있기때문에, 실온상태에서증기압이매우높은액체상태의물질은휘발성을갖는물질이라고표현되기도한다. 예를들면액체표면에서는끊임없이기체가증발하는데, 밀폐된용기의경우어느한도에이르면증발이일어나지않고, 안에있는용액은그이상줄어들지않는데, 이는같은시간동안증발하는분자의수와응축되어액체속으로들어오는기체분자의수가같아지는동적평형상태가되기때문이며, 이상태에있을때기체를그액체의포화증기, 그압력을증기압 ( 포화증기압 ) 이라한다. 개방된용기속에있는액체가증발을계속하는것은액체와접하는물질이포화증기압에이르지못하기때문이다. 증기압은같은물질이라도온도가높아짐에따라더욱커진다. 증발과증기압력은분자간인력과온도라는두가지요인에의해영향을받는데, 분자간의인력이강할수록인력을극복하기어렵기때문에증발이잘일어나지않지만, 온도가높을수록분자들의평균운동에너지가커져서더쉽게분자들간의인력
Ⅲ. 폭발위험장소구분대상공정및실험 41 을극복할수있기때문에증발이잘일어난다. 증기압력은용기의크기나모양에무관하고, 액체와기체가공존하는한같은온도에서는같은증기압력을나타낸다. 증기압은화학공학및석유화학공정에서화학물질저장탱크의설계, Vent 시스템설계와증류와같은기체-액체단위조작등과관련하여공학적으로중요한물리화학적특성중의하나이다. 그리고인화성물질인경우에는인화성혹은폭발성혼합증기를형성할수있는가능성에대한척도로써중요하며, 휘발성이높은물질일경우에는근로자의직접적인노출가능성및강도와관련이있다. 대표적인증기압측정법의적용과측정범위를요약하여 < 표 3-5> 에나타내었다. 증기압을측정하는방법에는장치및측정범위에따라서동적방법 (dynamic method), 정적방법 (static method), Isoteniscope 방법, 분출방법 (effusion method), 가스포화방법 (gas saturation method), 회전자방법 (spinning rotor method) 등이있으며, 동적방법처럼온도를변화시켜가면서특정온도에서시료의증기압을측정할수도있다. 잉크제조공정에사용되는톨루엔등의 3가지용제 (Solvent) 에대한증기압데이터를국내외 MSDS DB를조사하여 < 표 3-6> 에나타내었다. < 표 3-5> 화학물질의증기압측정법의종류및측정범위 측정법 고체 물질 액체 권장범위 동적방법 (Dynamic method) 저융점가능 10 3 Pa 부터 2 10 3 Pa 까지 2 10 3 Pa 부터 10 5 Pa 까지 정적방법 (Static method) 가능가능 10 Pa 부터 10 5 Pa 까지 Isoteniscope 법가능가능 10 2 Pa 부터 10 5 Pa 까지 분출방법 (Effusion method vap. pres. balance) 분출방법질량감소 (Effusion method weight loss) 가능가능 10-3 Pa 부터 1 Pa 까지 가능가능 10-3 Pa 부터 1 Pa 까지 가스포화방법 (Gas saturation method) 가능가능 10-5 Pa 부터 10 3 Pa 까지 회전자방법 (Spinning rotor method) 가능가능 10-4 Pa 부터 0.5 Pa 까지
42 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 < 표 3-6> MSDS DB 별용제의증기압 [kpa] 데이터비교 톨루엔 MEK EA KOSHA 3.79 (25 ) 12.08 (25 ) 12.43 (25 ) Sigma Aldrich 2.91 (20 ) 9.5 (20 ) 9.73 (20 ) 대정화금 3.78 (25 ) 12.08 (25 ) 11.3 (20 ) 순수물질인경우증기압을온도의함수로써추정할수있으며, 대표적인것이 Antoine 방정식이다. log log 식 (3-3) 식 (3-3) 은변형된 Antoine 식의일종으로약 1400개의유기물질에대한증기압데이터를회귀분석하여얻어졌다. 식 (3-3) 에서증기압과온도는각각 mmhg 와 Kelvin 이며, A, B, C, D는각유기혼합물에대한회귀상수 (regression coefficient) 를나타낸다. 온도증가에따른증기압변화를추정하기위하여본연구에사용된톨루엔등의 4가지용제 (Solvent) 대하여회귀상수와 2 5 에서추정한결과값을 < 표 3-7> 에나타내었다. < 표 3-7> 변형된 Antoine 식의상수및증기압추정결과 (@25 ) 톨루엔 MEK EA 아세톤 A 34.07750 47.70600 0.6955 28.58840 B -3037.900-3096.5-2249.8-2469.0 C -9.164-15.18 5.4643-7.3510 D 1.03E-11 7.4846E-03-1.9451E-02 2.80E-10 E 2.70E-06-1.7084E-13 1.2362E-05 2.74E-06 T_min [ ] -94.97 186.48 189.60 178.45 T_max [ ] 318.64 535.5 523.30 508.2 P[kPa] 추정값 3.79 12.73 12.45 24.6 KOSHA 3.79 12.08 12.43 24(20 )
Ⅲ. 폭발위험장소구분대상공정및실험 43 본연구에서의증기압측정은 37.8 에서 Vapor-Liquid 비가 4 : 1인상태의증기압을측정하는 ASTM D6378 방법에따라, Vapor-Liquid비가 4:1인상태에서온도를 10 50 까지변화시키면서실시하였고그결과는 < 표 3-8> 과같다. 측정장비는 [ 그림 3-3] 의 Grabner instruments의 MINIVAP VPXpert 를사용하였다. 해당장비의측정원리는 Triple expansion method로서 < 표 3-9> 과같이작동되어증기압을측정한다. < 표 3-8> 온도증가에따른용제의증기압추정및측정 (kpa) 용제 톨루엔 MEK EA 아세톤 온도 ( ) 추정측정추정측정추정측정추정측정 10 1.7 2.1 6.1 5.6 5.7 5.9 15.4 15.5 15 2.2 2.9 7.8 7.5 7.5 7.8 19.6 19.6 20 2.9 3.7 10.0 9.6 9.7 10.1 24.6 24.8 25 3.8 4.6 12.7 12.3 12.5 12.9 30.6 30.7 30 4.9 5.9 16.0 15.5 15.8 16.2 37.8 38 35 6.2 7.3 19.9 19.3 19.9 20.3 46.3 46.6 40 7.9 9.1 24.6 24.0 24.8 25.4 56.4 56.7 45 9.9 11.4 30.2 29.5 30.7 31.3 68.1 68.4 50 12.3 13.9 36.7 36.1 37.7 38.4 81.7 82.2
44 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 < 표 3-9> 증기압측정을위한작동단계및순서 단계순서 세척단계 (Rinsing) 주입단계 (Filling) 측정단계 (Measuring) 1. inlet 밸브 open, outlet 밸브 close[4] 2. 피스톤 [1] 이 2.5 ml팽창, 세척을위한샘플주입 3. inlet 밸브 close, outlet 밸브 open 4. 피스톤이수축하면서샘플배출 5. inlet 밸브 open, outlet 밸브 close 6. 피스톤이팽창하면서샘플 1 ml를챔버 (5 ml )[2] 에채움 7. inlet 밸브, outlet 밸브모두 close 8. 피스톤이챔버안에서 1.7 ml까지 1 단계팽창 9. 설정된측정온도까지온도상승 10. 3 분동안평형시간을유지하고첫번째분압측정 11. 피스톤이챔버안에서 2.5 ml까지 2 단계팽창 12. 1 분동안평형시간을유지하고두번째분압측정 13. 11. 피스톤이챔버안에서 5 ml까지 3 단계팽창 14. 1 분동안평형시간을유지하고세번째분압측정 15. 전체증기압 {Ptot}, 샘플에녹아있는공기분압 {Pgas} 을이용하여계산하여측정값표시 DVPE = 1.000 Ptot - 1.000 Pgas [kpa] 16. inlet 밸브 close, outlet 밸브 open 17. 피스톤이수축하면서측정샘플배출 [ 그림 3-3] 증기압측정장치및작동원리
Ⅲ. 폭발위험장소구분대상공정및실험 45 4. 폭발한계 가연성가스또는증기와공기의혼합물은특정한농도 ( 조성 ) 이상에서만착화하여연소가일어난다. 이는점화에의해서가연성혼합물의연소가발생해도발생된열량이점화원주변에있는미연소혼합기체를발화온도까지가열시키지못하면연소가지속되지않기때문이다. 이렇게가연성증기와공기에최소점화에너지이상의착화원이인가되었을때화염이전파될수있는가연성혼합물을형성할수있는가연물의농도범위를연소한계 (Flammable limit) 혹은폭발한계 (explosion limit) 라고한다. 이러한연소범위중에서화염전파가발생할수있는혼합물을형성하는가연물의가장낮은농도를폭발 ( 연소 ) 하한계 (LFL, Lower flammable limit) 라고하고가장높은농도를폭발 ( 연소 ) 상한계 (UFL, Upper flammable limit) 라고한다. 일반적으로폭발범위가벗어나는경우에는최소점화에너지이상의착화원이있어도화염전파가일어나지않는다. [ 그림 3-4] 에폭발한계를포함하여온도와가연성물질의연소특성간의관계를나타내었다. 그림에서볼수있듯이폭발한계는온도에의해서영향을받는데, 일반적으로온도가증가하면 UFL은증가하고 LFL은감소하는것으로알려져있다. 이렇게가연성혼합가스의폭발한계는폭발성분위기를형성하는주위와관련된다양한인자들에의해영향을받는데, 이러한인자들에는초기온도, 압력, 산소농도, 가연성물질의연소열, 분자량, 발화원의특성, 불활성가스의농도, 폭발한계측정용기의크기및화염전파방향등이있다. 특히 LFL은온도가 100 증가할때마다 8% 감소하고, UFL은 8% 증가하는것으로알려져있고, 대단히낮은압력을제외하고압력은 LFL에거의영향을주지않지만 UFL은압력이증가할때현격히증가되어연소범위가넓어지는것으로알려져있다. 이러한폭발한계와온도및압력과의관계를나타내는것으로식 (3-4), 식 (3-5) 및식 (3-6) 등이알려져있다.
46 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 [ 그림 3-4] 온도와가연성물질의연소특성간의관계 식 (3-4) 식 (3-5) log 식 (3-6) 식 (3-4) 와식 (3-5) 에서 과 는각각 25 에서측정된물질의폭발하한계, 폭발상한계농도이며, 는 로표현되는관심온도를나타낸다. 그리고식 (3-6) 에서 과 는각각상압과관심이있는압력 ( ) 에서해당물질의폭발상한농도를나타내며, 압력은 MPa 단위를갖는다. 가연성증기에의한폭발성혼합물형성의억제를통하여화재폭발을예방한다는관점에서는폭발한계를나타내는두가지특성값중에서는폭발하한계값이더큰의미를갖는다. 이는환기
Ⅲ. 폭발위험장소구분대상공정및실험 47 ( 혹은밀폐된시스템의경우불활성가스에의한치환 ) 를통하여특정조건에서가연성증기의농도를쉽게폭발하한계보다낮은범위로이동시킬수있기때문이다. 잉크제조공정에사용되는톨루엔등의 3가지용제 (Solvent) 에대한폭발한계데이터를국내외 MSDS DB를조사하여 < 표 3-10> 에나타내었다 < 표 3-10> MSDS DB 별용제의폭발한계 [%] 데이터비교 톨루엔 MEK EA KOSHA 1.1 7.1 1.8 11.5 2.2 11.5 Sigma Aldrich 1.2 7 1.8 10.1 2.2 11.5 대정화금 1.1 7.1 1.8 11.5 2.2 11.5 폭발하한계는앞서언급한바와같이온도, 압력, 측정장치, 착화원의종류와같이다양한인자에의해서영향을받기때문에동일한물질에대해서도상이한값을나타낼수있는데, < 표 3-10> 에서보이는 DB간의차이는이에기인하는것으로볼수있다. 따라서특정화학물질의폭발한계데이터를사용하는경우에는해당물질에대한폭발한계시험결과를포함하여다양한데이터를중복하여검토할필요가있다. 폭발한계는화재폭발을예방하기위하여반드시알아야할중요한자료중의하나로써가연성물질의안전한취급을위해서는이러한폭발한계에대한정확한지식이필요하나, 경우에따라서실험값이나문헌값이없는경우에는추정을해야할필요가있다. 순수물질의폭발하한계를추정하는식에는여러가지가있는데, 대표적으로인화점, 화학양론및연소열을이용하는방법이있다. 식 (3-7) 은인화점에의한폭발하한계추정식으로인화점과인화점에서해당물질의증기압데이터를통해서폭발하한계를추정한다. 식 (3-7)
48 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 식 (3-7) 에서 는 % 단위를가지는추정된폭발하한농도이며, 와 는 각각밀폐식으로측정된인화점에서해당물질의증기압과표준압력 (101.3 kpa) 을나타낸다. 식 (3-8) 식 (3-8) 은화학양론을이용한것으로추정대상물질이탄소, 수소, 산소만으로구성된물질로연소시 CO 2 및 H 2 O로완전연소되는물질에적용할수있다. 식 (3-8) 에서 는공기중연소물질의양론농도로식 (3-9) 와같이표현된다. 식 (3-9) 식 (3-10) 은연소열을이용하여화학물질의폭발하한계를추정하는실험식으로연소열은 kj/mol 의단위를갖는다. 식 (3-10) 식 (3-10) 을활용하기위한각물질에대한연소열데이터는열량계를이용한측정값이나문헌을통해서구할수있다. < 표 3-11> 폭발하한계 [%] 추정결과비교 톨루엔 MEK EA From Eq. 3-7 1.14( 인화점 4.0 ) 2.02( 인화점 -9 ) 2.48( 인화점 -4 ) From Eq. 3-8 1.25 2.02 2.22 From Eq. 3-10 2) 1.15 1.89 2.07 2) 식 (13) 을적용하기위한 3 가지순수물질의연소열에대한 CHETAH P/G DB 값은 Toluene, MEK, EA 가각각 -3771.88, -2302.999 및 -2098.444 kj/mol 임.
Ⅳ. 실험결과및고찰 49 폭발한계는다양한인자에영향을받기때문에이론에의한폭발하한계의추정값은참고를위한것으로해당데이터가중요한상수가되는경우에는사용하고자하는물질과조건에따라서실험에의해결정하는것이적정하고. 만일실험측정값이없어서추정을해야하는경우에는이러한사항을고려하여충분한안전율을적용해야한다.
Ⅳ. 실험결과및고찰 51 Ⅳ. 실험결과및고찰 1. 혼합용제의물리적위험성분석결과 1) 인화점혼합물의인화점을추정하는대표적인것이 기체-액체평형상태의가연성혼합물에서각성분의폭발하한계와기상몰분율의비의합은일정하다 는르샤틀리에방법으로폭발하한계를인화점에서의포화증기압관계를이용하여산출할수있다. 그리고이경우활동도계수는혼합물의특성에따라서열역학적모델을이용하여결정할수있으며, 이상용액으로가정하는경우에는 1로가정할수있으며식 (4-1) 과같이구할수있다 식 (4-1) = 인화점에서의포화증기압 (kpa), = 포화증기압 (kpa), = 액상의몰분율 3가지시료의인화점추정결과와태그밀폐식방법에의한측정결과를 < 표 4-1> 에나타내었다.
52 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 < 표 4-1> 혼합용제의인화점추정및측정결과 시료명 추정값 [ ] 측정값 [ ] 비고 시료 1-3.6-3.5 시료 2 1.1 2.0 시료 3-4.3-4.0 추정된인화점과실험측정한인화점과는차이가있으나실험이불가능할경우오차를고려하여활용이가능하다는것을알수있다. 2) 증기압여러성분이섞여있는혼합물의증기압은끓는점이나인화점과같이구성성분간의친화력에따라서변화되며혼합물의형태에따라서다양한방법으로추정할수있다. 기상만이존재하는경우에는흔히알려진 Dalton의분압법칙에의해서추정가능하며, 액상과기상이혼재하는혼합물은기상의압력과액체의증기압의합으로추정한다. 액상인경우 Raoult의법칙을따르는이상용액이라고가정하여식 (4-2) 와같이액상혼합물속에들어있는각성분별몰분율에다그성분의순성분증기압을곱하여더한값으로혼합물의증기압을추정한다. 식 (4-2) = 혼합물의증기압 (kpa) = 순성분 i 의증기압 (kpa) = 성분 i 의몰분율 = 물질종의수 3 가지시료의증기압을 Raoult 의법칙을이용한이상용액모델식과열역학적특
Ⅳ. 실험결과및고찰 53 성치를이용한 UNIFAC 모델식으로추정한결과와 Vapor : Liquid = 4 : 1로유지하여실험한결과와비교하여 < 표 4-2> 에나타내었다. 그리고 10 부터 50 까지의온도변화에따른증기압의변화를 < 표 4-3> 에나타내었다. < 표 4-2> 증기압추정및측정결과 추정값 [kpa] 시료명 이상용액 UNIFAC 측정값 [kpa] 비고 시료 1 10.97 8.93 10.2 25 시료 2 8.26 6.92 5.9 25 시료 3 12.00 9.64 10.1 25 < 표 4-3> 온도변화에따른증기압측정결과 증기압 [kpa] 온도 [ ] 시료 1 시료 2 시료 3 10 4.6 3.4 4.6 15 6.2 4.7 6.1 20 8.0 5.9 8.0 25 10.2 7.6 10.1 30 12.9 9.5 12.8 35 16.3 11.9 16.0 40 20.3 14.9 19.9 45 25.1 18.4 24.5 50 30.7 22.6 30.0 비고 추정된증기압과실험으로측정한증기압과는차이가있으나, UNIFAC 모델식으로추정한증기압이오차가적었으며, 실험이불가능할경우에는오차를고려하여활용이가능하다는것을알수있다.
54 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 3) 폭발한계 여러성분이섞여있는혼합용제에서혼합증기의폭발하한계는 Le Chatelier 식을이용하여식 (4-3) 과같이추정한다. 식 (4-3) = 연료와공기의혼합기중부피 % 로표시된성분 i 의폭발하한계 = 인화성물질을기준으로성분 i 의몰분율 = 인화성물질종의수 폭발상한계에대해서도이와비슷한방법으로식 (4-4) 와같이추정할수있다. 식 (4-4) 선정시료의폭발한계에대하여 Le Chatelier 식을이용하여추정한결과를 < 표 4-4> 에나타내었다. < 표 4-4> 혼합용제의폭발한계추정결과 시료명 LFLmix 추정값 [%] UFLmix 비고 시료 1 1.42 8.99 시료 2 1.30 8.05 시료 3 1.51 9.42
Ⅳ. 실험결과및고찰 55 2. 외부환경에따른폭발위험장소구분 1) 모델식에따른증발량의변화잉크제조시혼합공정에서사용되고있는 0.6m3, 1.0m3, 1.5m3혼합용기에서의인화성액체의증발량을여러모델식을사용하여계산하였고, 이를기초로폭발위험장소의범위를산출후 [ 그림 4-2], [ 그림 4-3] 과같이외국 Code와비교, 검토하였다. 그리고혼합용기하부의 2.5mm2누출공에서인화성액체가누출되었을경우의누출량과증발량의차이에따른폭발위험장소의등급및범위도계산하였다. 이것에대한조건및사양은 < 표 4-5> 과같다. 혼합용기의경우하부에서부식, 외부충격등에의한인화성액체의누출이발생할확률은거의희박하며, 혼합용기에뚜껑이없거나부착하지않아인화성액체의증발에의한폭발성가스분위기의생성확률이높으므로폭발위험장소의등급및범위선정에있어서인화성액체의증발량을기준으로하는것이전문가들의우세한의견이며, 증발량산출식중에서는보수적인관점에서 < 표 4-6> 에서보는바와같이폭발위험장소의범위가가장넓은미국환경청의 RMP 관련증발모델식을사용하는것이적정하다. 그리고폭발위험장소구분도는 [ 그림4-1] 과같이작성할수있다.
56 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 < 표 4-5> 증발량모델식선정을위한 Case 별조건 조건 인화성액체 : MEK 온도 : 25 밀도 : 800 kg / m3풍속 : 0.2 m/s 누출원 : 용기안의인화성액체증발 ( 연속누출원 ) LELv : 1.8% 안전계수 (k) : 0.25 건물크기 : 5m 8m 2.5m(100 m3 ) 환기량 : 1080 m3 /hr(1.5m 2m( 창문크기 ) 0.2m/s 3600s/hr) 환기횟수 : 10.8 회 /hr 품질계수 (f) : 3 환기등급및유효성 : 중환기및양호 혼합용기하부토출배관누출 ( 누출원 :2 차누출원, 누출단면적 2.5 mm2 ) 혼합용기용량의약 90% 저장 구분 CASE 1 CASE 2 CASE 3 사양 용량 : 0.6 m3크기 : 1.0m 0.9m(DxH) 용량 : 1.0 m3크기 : 1.25m 0.9m(DxH) 용량 : 1.5 m3크기 : 1.55m 0.9m(DxH) < 표 4-6> CASE 별증발량과폭발위험장소의범위 CASE 1 [1.0m(D) 0.9m(H)] 1 2 3 4 5 증발량 ( kg /s) 3.46E-04 1.86E-04 1.63E-04-7.97E-03 가상체적 (Vz) 26 14 12-301 위험반경 (m) 1.8 1.5 1.4 0.98 4.2 폭발위험장소등급 0종 +2종 0종 +2종 0종 +2종 - 1종 지속시간 (hr) 1.50 1.50 1.50-1.31
Ⅳ. 실험결과및고찰 57 CASE 2 [1.25m(D) 0.9m(H)] 1 2 3 4 5 증발량 ( kg /s) 5.41E-04 2.84E-04 2.47E-04-7.97E-03 가상체적 (Vz) 41 21 19-301 위험반경 (m) 2.1 1.7 1.6 1.32 4.2 폭발위험장소등급 0종 +2종 0종 +2종 0종 +2종 - 1종 지속시간 (hr) 1.50 1.50 1.50-1.31 CASE 3 [1.55m(D) 0.9m(H)] 1 2 3 4 5 증발량 ( kg /s) 8.31E-04 4.27E-04 3.70E-04-7.97E-03 가상체적 (Vz) 63 32 28-301 위험반경 (m) 2.5 2.0 1.9 1.77 4.2 폭발위험장소등급 0 종 +2 종 0 종 +2 종 0 종 +2 종 - 1 종 지속시간 (hr) 1.50 1.50 1.50-1.31 1 은미국환경청의 RMP 관련증발모델식 2 는 V. J. Clancey 에수정된 Sutton-Pasquill 모델식 3 은 Cremer 와 Warner 에의해수정된 Sutton-Pasquill 모델식 4 는 Guida CEI 31-35 관련모델식 5 는혼합용기하부에서의누출관련모델식 [ 그림 4-1] 혼합용기의폭발위험장소구분도 ( 입면도및평면도 )
58 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 또한도표이용시에는혼합용기내부를 0종장소, 누출원으로부터폭발위험장소의범위에따라 1종장소, 2종장소로구분하고있는 [ 그림 4-3] 을사용하는것이적정하다. [ 그림 4-2] 액체풀에기인한위험반경 (IP 15)
Ⅳ. 실험결과및고찰 59 [ 그림 4-3] 옥내고정설치된혼합조 (KS C IEC 60079-10-1) 2) 누출공크기에따른폭발위험장소의변화 10m3의반응기하부의토출배관에서누출이되었을경우에누출공의크기변화에따른누출량과폭발위험장소의범위변화를 < 표 4-7> 과같은조건하에서고찰하였다. 반응기의경우하부또는토출배관에서부식등에의한누출이발생할경우누출공크기의증가에따라 < 표 4-8> 와같이거의비례적으로누출량이증가하고폭발위험장소의범위도증가하므로누출공의크기를정하는것이중요하다. 앞에서언급한바와같이누출공의크기를결정하는데여러방법들이적용되나, 회분
60 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 식공정의반응기, 저장탱크및관련설비의플랜지, 밸브에서누출이 2차누출등급의누출원인경우일반적인조건에서는전문가들의의견과사업장폭발위험장소구분실태및외국 Code를종합하여볼때 0.25mm2 ( 지름 :0.56mm) 2.5mm2( 지름 :1.78mm) 의누출공면적을사용하여폭발위험장소의구분과범위를산정하는것이적정하다. < 표 4-7> 누출공크기에따른누출량등의변화고찰을위한선정조건 조건 인화성액체 : MEK 온도 : 25 밀도 : 800 kg / m3풍속 : 0.2 m/s 누출원 : 반응기하부배출배관 (2 차누출원 ) LELv : 1.8% 안전계수 (k) : 0.5 건물크기 : 5m 8m 2.5m(100 m3 ) 환기량 : 1080 m3 /hr(1.5m 2m( 창문 ) 0.2m/s 3600s/hr) 환기횟수 : 10.8 회 /hr 품질계수 (f) : 3 환기등급및유효성 : 중환기및양호 사양 용량 : 1.0 m3크기 : 2.2m 3m (D H) 반응기용량의약 90% 저장 (2.7m) < 표 4-8> 누출공에따른누출량과폭발위험장소의범위 CASE 4 [2.2m(D) 3.0m(H)] 1 2 3 4 5 6 누출량 ( kg /s) 1.46E-03 5.82E-03 1.46E-02 2.91E-02 1.14E-01 4.57E-01 가상체적 (Vz) 56 222 556 1111 4355 17452 위험반경 (m) 2.4 3.8 5.1 6.4 10.1 16.1 지속시간 (hr) 1.32 1.32 1.32 1.32 1.32 1.32 1 은누출공면적 0.25 mm2 ( 지름 :0.56 mm ), 2 는누출공면적 1 mm2 ( 지름 :1.13 mm ),, 3 은누출공면적 2.5 mm2 ( 지름 :1.78 mm ), 4 는누출공면적 5 mm2 ( 지름 :2.52 mm ), 5 는누출공면적 19.6 mm2 ( 지름 :5 mm, 50A 토출배관의 10%), 6 는누출공면적 78.5 mm2 ( 지름 :10 mm, 50A 토출배관의 20%)
Ⅳ. 실험결과및고찰 61 3) 온도증가에따른폭발위험장소범위의변화 온도증가에따른인화성액체의증기압등물리적특성에의한폭발위험장소의등급및범위변화를 < 표 4-9> 와같은조건을설정하여고찰하였다. < 표 4-9> 온도증가에따른폭발위험장소의등급및범위고찰을위한설정조건 조건 인화성액체 : 톨루엔 / MEK / 아세톤온도 : 10 50 밀도 : 864 kg / m3 / 800 kg / m3 / 791 kg / m3 (25 기준 ) 풍속 : 0.2 m/s 누출원 : 용기안의인화성액체증발 ( 연속누출원 ) LELv : 1.1% / 1.8% / 2.2% 안전계수 (k) : 0.25 건물크기 : 5m 8m 2.5m(100 m3 ) 환기량 : 1080 m3 /hr(1.5m 2m( 창문 ) 0.2m/s 3600s/hr) 환기횟수 : 10.8 회 /hr 품질계수 (f) : 3 환기등급및유효성 : 중환기및양호 사양 용량 : 1.0 m3크기 : 1.2m 1m (D H) 혼합용기용량의약 90% 저장 개방된액체표면이누출원인경우에대부분의인화성액체의온도는비점보다낮으며, 증발량은주로액체의온도, 액체표면온도에서의액체의증기압, 증발표면의면적및환기와공기흐름의변수로결정된다. 휘발성이큰인화성액체일수록 < 표 4-10> 과 [ 그림 4-4] 와같이온도가증가할수록증기압의상승폭이크게증가되어폭발위험장소의범위가확대되고폭발위험장소의등급이완화된다. 또한인화점과비점낮은액체일경우에도휘발성이큰액체와같은현상을나타낸다. 즉폭발위험장소의범위가확대되고폭발위험장소의등급이완화된다.
62 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 < 표 4-10> 온도증가에따른폭발위험장소의등급및범위 온도 ( ) 위험반경 (m) 폭발위험장소등급 톨루엔 MEK 아세톤톨루엔 MEK 아세톤 10 1.3 1.6 2.1 0종 +2종 0종 +2종 0종 +2종 20 1.6 1.9 2.5 0종 +2종 0종 +2종 0종 +2종 30 1.8 2.2 2.9 0종 +2종 0종 +2종 0종 +2종 40 2.1 2.6 3.3 0종 +2종 0종 +2종 0종 50 2.5 2.9 3.7 0종 +2종 0종 +2종 0종 톨루엔 : 비점 111, 인화점 4, MEK : 비점 80, 인화점 -9, 아세톤 : 비점 56.1, 인화점 -17 [ 그림 4-4] 온도증가에따른위험반경의변화 4) 풍속증가에따른폭발위험장소범위의변화풍속증가에따른인화성액체증기의증발에따른폭발위험장소의등급및범위의변화를고찰하기위해 < 표 4-9> 와같은조건하에서인화성액체는아세톤, 온도는 20, 품질계수는 3으로고정하고풍속을 0.1 m/s 부터 1.0 m/s 까지증가시켰다. 풍속이증가할수록 < 표 4-10> 와 [ 그림 4-5] 와같이인화성액체의개방된액체표면에서증발량이증가하고주변의대기와혼합과확산이활발히진행되어가상체적은축소되고, 폭발위험장소의범위와폭발위험농도지속시간이감소된다. 만일풍
Ⅳ. 실험결과및고찰 63 속 1.0 m/s에서품질계수가 1이라면가상체적은 15m3, 위험반경은 1.5 m, 폭발위험농도지속시간 0.1 hr 된다. 이와같이작업장전체에걸쳐인화성액체증기의체류현상이일어나지않는적절한환기, 상시환기및환기설비의신뢰성이보장된다면폭발위험장소의범위는축소되고폭발위험농도의지속시간은감소될것이다. < 표 4-11> 풍속증가에따른가상체적및폭발위험장소의범위 풍속 (m/s) 0.1 0.25 0.5 0.75 1.0 증발량 ( kg /s) 4.976E-04 1.017E-03 1.746E-03 2.396E-03 3.00.E-03 환기횟수 ( 회 /hr) 5.4 13.5 27 40.5 54.0 가상체적 ( m3 ) 74.9 61.2 52.6 48.1 45.1 위험반경 (m) 2.6 2.4 2.3 2.3 2.2 폭발위험농도지속시간 (hr) 2.89 1.16 0.58 0.39 0.29 [ 그림 4-5] 풍속증가에따른위험반경과폭발위험농도지속시간
64 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 3. 사례연구 A, B, C 3사의잉크제조작업현장을방문하여열선풍속기로풍속을측정하고폭발위험장소의구분및범위를산정하였다. 또한온도변화에따른폭발위험장소의구분및범위의변동도고찰하였다. 1) A 공장의폭발위험장소구분및평가온도의변화에따른폭발위험장소의구분및범위의산정을위한조건은 < 표 4-12> 와같으며평가결과는 < 표 4-13>, [ 그림 4-6] 과같다. 이결과를통하여폭발위험장소구분시단위시간당신선한공기의환기횟수가많아질수록가상체적이작아져서폭발위험분위기가감소함을알수있고, 온도가증가함에따라휘발성이큰인화성액체일수록증기압이증가하여증발량이커지므로휘발성이작은인화성액체보다폭발위험장소의범위가확대됨을알수있다. 2) B 공장의폭발위험장소구분및평가온도의변화에따른폭발위험장소의구분및범위의산정을위한조건은 < 표 4-14> 와같으며평가결과는 < 표 4-15>, [ 그림 4-7] 과같다. B 공장의작업장은창문을통해신선한외부공기가급기되어출입문을통하여배기되는환기형태로서혼합용기의위치에따라증발된인화성액체의증기가작업장내에체류되고기류의형성이일어나지않을수있다. 위의결과를통해연속누출인경우에는지속시간은적용되지않으나, 만일누출원이 1차누출원또는 2차누출원인경우인화성액체의누출이정지된후초기농도에서 LEL의 0.25 또는 0.5배이하로떨어뜨리는데소요되는시간은단위시간당신선한공기의치환횟수 (c) 에반비례하므로치환횟수가일정하다면거의변화되지않는것을알수있다.
Ⅳ. 실험결과및고찰 65 < 표 4-12> A 공장작업장의평가조건 작업조건및산정조건 인화성액체 : 시료 1(Toluene+MEK+EA=5:3.75:1.25) 혼합용기용량 : 1.2 m3혼합용기크기 : 1.25m 1.1m(D H) 온도 : 20 풍속 : 0.1m/s 누출원 : 용기안의인화성액체증발 ( 연속누출원 ) LELv : 1.42% 안전계수 (k) : 0.25 건물크기 : 8m 5m 2.5m(L W H, 100 m3 ) 환기량 : 1361 m3 /hr(1.8m 2.1m( 문 ) 0.1m/s 3600s/hr) 환기횟수 : 13.6 회 /hr 품질계수 (f) : 5 환기등급및유효성 : 중환기및양호 작업장개략도 온도이외의풍속등작업장환경및대기온도와운전 ( 공정 ) 온도는동일하다고가정 < 표 4-13> A 공장작업장의온도변화에따른폭발위험장소의등급및범위 온도 ( ) 10 20 30 40 50 누출량 ( kg /s) 1.157E-04 1.878E-04 2.932E-04 4.423E-04 6.47.E-04 가상체적 (Vz) 12.1 20.3 32.7 51.0 77.0 위험반경 (m) 1.4 1.7 2.0 2.3 2.6 폭발위험장소등급 0종 +2종 0종 +2종 0종 +2종 0종 +2종 0종 +2종 지속시간 (hr) 2.07 2.07 2.07 2.07 2.07 0종 +2종은혼합탱크안은 0종이고, 그주위를 2종장소가둘러싸고있음을의미함
66 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 [ 그림 4-6] A 공장작업장의폭발위험장소구분도 < 표 4-14> B 공장작업장의평가조건 작업조건및산정조건 인화성액체 : 시료 2(Toluene+EA=7:3) 혼합탱크용량 : 1.0 m3혼합탱크크기 : 1.2m 1m(D H) 온도 : 20 풍속 : 0.3m/s 누출원 : 용기안의인화성액체증발 ( 연속누출원 ) LELv : 1.30% 안전계수 (k) : 0.25 건물크기 : 8m 6.4m 4.5m(L W H, 230 m3 ) 환기량 : 2160 m3 /hr(1m 2.m( 문 ) 0.3m/s 3600s/hr) 환기횟수 : 9.4 회 /hr 품질계수 (f) : 5 환기등급및유효성 : 중환기및양호 작업장개략도 온도이외의풍속등작업장환경및대기온도와운전 ( 공정 ) 온도는동일하다고가정
Ⅳ. 실험결과및고찰 67 < 표 4-15> B 공장작업장의온도변화에따른폭발위험장소의등급및범위 온도 ( ) 10 20 30 40 50 누출량 ( kg /s) 1.925E-04 3.197E-04 5.095E-04 7.827E-04 1.16.E-03 가상체적 (Vz) 19.5 33.5 55.2 87.5 134.2 위험반경 (m) 1.7 2.0 2.4 2.8 3.2 폭발위험장소등급 0종 +2종 0종 +2종 0종 +2종 0종 +2종 0종 +2종 지속시간 (hr) 2.05 2.05 2.05 2.05 2.05 0종 +2종은혼합탱크안은 0종이고, 그주위를 2종장소가둘러싸고있음을의미함 [ 그림 4-7] B 공장작업장의폭발위험장소구분도 3) C 공장의폭발위험장소구분및평가 C공장의 2개의작업장의온도의변화에따른폭발위험장소구분및위험범위를산정조건은 < 표 4-16>, < 표 4-17> 와같으며평가결과는 < 표 4-18>, < 표 4-19>, [ 그림 4-8] 과같다. 작업장내의혼합용기에서증발된인화성액체의증기는공기와혼합되어폭발위험분위기를생성한다. 이인화성액체의증발량은풍속에영향을받으므로옥외보다옥내에서더욱더낮아질것이다. 옥내의경우미국 EPA에서는공기치환횟수를 0.5회 /hr로설정하고, 풍속을보수적인관점에서 0.1m/s 로가정하여증발량을계산한다.
68 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 위의결과를보면작업장안에환기가불충분하고혼합용기가이동되고있으므로정상운전상태에서폭발위험분위기가상존한다. 그러므로우선적으로급기시설, 배기시설을보완을통해인화성액체의증기가작업장밖으로배출될수있도록전체환기장치의개선과스모그테스터 (smoke tester) 등을사용한기류형성평가가필요하다는것을알수있으며, 혼합용기와그주변을폭발위험장소로구분하기보다는작업장내부전체를선정하는것이적절하다. 또한환기가불충분할수록누출원주위의폭발위험장소의등급이 2종에서 1종으로바뀌고, 폭발위험장소의범위도확대되는것을알수있다. < 표 4-16> C 공장작업장의평가조건 (Ⅰ) 작업조건및산정조건 인화성액체 : 시료 3(Toluene+MEk+EA=4:4:2) 혼합탱크용량 : 1.2 m3혼합탱크크기 : 1.4m 0.85m(D H) 온도및풍속 : 20, 0.1m/s 누출원 : 용기안의인화성액체증발 ( 연속누출원 ) LELv : 1.51% 안전계수 (k) : 0.25 건물크기 : 16m 9m 4.5m(L W H, 648 m3 ) 환기량 : 2124 m3 /hr[(3.5m 2.5m 2 0.02m/s 3600s/hr)+(1m 1.2m 0.2m/s 3 600s/hr)] 환기횟수 : 3.3 회 /hr 품질계수 (f) : 5 환기등급및유효성 : 중환기및미흡 작업장개략도 온도이외의풍속등작업장환경및대기온도와운전 ( 공정 ) 온도는동일하다고가정
Ⅳ. 실험결과및고찰 69 < 표 4-17> C 공장작업장의평가조건 (Ⅱ) 작업조건및산정조건 인화성액체 : 시료 3(Toluene+MEk+EA=4:4:2) 혼합탱크용량 : 1.2 m3혼합탱크크기 : 1.4m 0.85m(D H) 온도및풍속 : 20, 0.1m/s 누출원 : 용기안의인화성액체증발 ( 연속누출원 ) LELv : 1.51% 안전계수 (k) : 0.25 건물크기 : 16m 10m 4.5m(L W H, 4m 4m 4.5m 제외, 648 m3 ) 환기량 : 1809 m3 /hr[(3.5m 2.5m 2 0.03m/s 3600s/hr)+(1m 1.2m 0.2m/s 3600s/hr)] 환기횟수 : 2.8 회 /hr 품질계수 (f) : 5 환기등급및유효성 : 중환기및미흡 작업장개략도 온도이외의풍속등작업장환경및대기온도와운전 ( 공정 ) 온도는동일하다고가정 < 표 4-18> C 공장작업장의온도증가에따른폭발위험장소등급및범위 (Ⅰ) 온도 ( ) 10 20 30 40 50 누출량 ( kg /s) 1.442E-04 2.341E-04 3.655E-04 5.514E-04 8.066.E-04 가상체적 (Vz) 59.2 99.6 160.8 250.6 378.2 위험반경 (m) 2.4 2.9 3.4 3.9 4.5 폭발위험장소등급 0종 +1종 0종 +1종 0종 +1종 0종 +1종 0종 +1종 지속시간 (hr) 8.51 8.51 8.51 8.51 8.51 0종 +1종은혼합탱크안은 0종이고, 그주위를 1종장소가둘러싸고있음을의미함
70 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 < 표 4-19> C 공장작업장의온도증가에따른폭발위험장소등급및범위 (Ⅱ) 온도 ( ) 10 20 30 40 50 누출량 ( kg /s) 1.442E-04 2.341E-04 3.655E-04 5.514E-04 8.066.E-04 가상체적 (Vz) 69.6 117 188.8 294.2 444.1 위험반경 (m) 2.6 3.0 3.6 4.1 4.7 폭발위험장소등급 0종 +1종 0종 +1종 0종 +1종 0종 +1종 0종 +1종 지속시간 (hr) 9.99 9.99 9.99 9.99 9.99 0종 +1종은혼합탱크안은 0종이고, 그주위를 1종장소가둘러싸고있음을의미함 [ 그림 4-8] C 공장작업장의폭발위험장소구분도
Ⅴ. 결론 71 Ⅴ. 결론 본연구에서는사업장에서인화성액체의제조 취급또는저장시에폭발위험장소의구분과범위산정에필요한절차와방법을제시하였다. 그리고잉크제조공정을중심으로작업장의온도, 풍속등의외부조건을변화시키면서해당인화성액체의변화된물성값을적용하여폭발위험장소를구분한결과다음과같은결론을얻었다. 1) 개방된혼합용기에저장된인화성액체의증발량을구하는 V. J. Clancey에수정된 Sutton-Pasquill 등 5 가지모델식중에서는보수적관점에서풍속, 증기압및액체층의표면적등이반영되어폭발위험장소의범위가가장크게계산되는미국 EPA의 RMP 관련증발모델식을사용하는것이적정함을알수있었다. 2) 폭발위험장소구분시에사용되는물성값추정방법중인화점의경우에는단일물질은 L. Catoire의식 (3-2), 혼합물질은식 (4-1) 이, 증기압의경우에는단일물질은변형된 Antoine 식 (3-3), 혼합물질은 UNIFAC모델을적용한식 (4-2) 가, 폭발하한농도의경우에는화학양론또는연소열을이용하는식 (3-8), 식 (3-10) 을활용할수있으며실험값과유사한물성값을나타내었다. 3) 회분식공정에서누출공의크기결정시반응기, 저장탱크및관련설비의플랜지, 밸브에서의누출이 2차누출인경우일반적인조건에서는 0.25mm2 ( 지름 :0.56mm) 2.5mm2( 지름 :1.78mm) 의누출공면적을사용하여폭발위험장소의구분과범위를산정하는것이적정함을알수있었다. 4) 가상체적 (Vz) 의결정하는주요인자인품질계수 (f) 의경우옥내의경우에는 12 ACH 미만은 f=3 5, 12 ACH 이상 20 ACH 미만은 f=2, 20 ACH 이상은 f=1로적용할수있으나, 반드시환기조건을고려하여환기가불량인경우신선한공기의시간당치환횟수가많더라도 f=4 5가적용되어야함을
72 인화성액체의물리화학적특성분석을통한폭발위험장소구분에관한연구 알수있었다. 5) 작업장내의온도가 10 부터 50 까지변화함에따라, 아세톤과같이휘발성이큰용제일수록증기압의상승폭이크게증가되어폭발위험장소의등급이강화되고범위도증기압에비례하여확대되었고, 또한풍속이 0.1 m/s에서 1.0 m/s까지증가됨에따라, 증발된아세톤증기는혼합과확산이활발히진행되어폭발위험농도지속시간이급격하게감소되고폭발위험장소의범위도축소되는것을알수있었다. 6) 폭발위험장소를구분하기에앞서우선적으로작업장안에충분한환기와기류가형성될수있도록급기 배기시설을보완후, 스모그테스터, 열선풍속계등을사용한확인을통하여작업장내부에인화성액체의증기가체류하지않도록하는것이필요하다는것을알수있었다.