개념 한 쪽
연소 세트는 온도 관계(인화점<착화점)와 폭발범위의 조건 변화가 축이다. 고온·고압·산소 농도↑이면 범위가 넓어지고 일산화탄소는 압력에 반대로 굽는 예외, 위험도 H=(UEL-LEL)/LEL 계산이 반복된다.
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출제기준 단원 「연소현상」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 연소 형태 분류 | 1 | 확산 혼합으로 일어나는 연소 이름 고르기 |
| 조건 변화 추론 | 1 | 산소 농도 증가가 연소속도와 발화온도에 미치는 영향 |
| 폭발범위 수치 | 1 | 가스별 폭발범위의 틀린 수치 가려기 |
인화점과 착화점의 관계부터 잡는다. 인화점은 가스가 일시적으로 불붙는 최저 온도, 착화점은 그 이상에서 연소를 계속 유지할 수 있는 온도라 착화점이 인화점보다 높다 — 「착화점이 인화점보다 낮다」는 보기가 단골 오답이다. 인화점이 낮을수록 위험하고, 발열량이 높을수록 착화온도는 낮아지며, 가스 온도가 상승하면 연소범위는 넓어진다.
폭발범위는 환경 조건으로 움직인다. 고온·고압에서는 분자 운동이 활발해져 폭발범위가 대부분 넓어지고, 산소 중 폭발범위는 공기 중보다 넓으며 한계 산소 농도 이하에서는 연소가 불가능하다. 폭발하한(LEL)은 낮을수록 적은 양으로 폭발하므로 더 위험하고, 높을수록 위험성이 줄어든다. 예외가 일산화탄소다 — CO와 공기의 혼합가스는 압력이 높아지면 폭발 상한이 낮아져 범위가 오히려 좁아진다(진공에서는 폭발 불가). 탄화수소는 탄소수가 늘수록 분자간 인력이 커져 비등점은 높아지고 증기압은 낮아진다 — 발화점과 폭발한계는 이런 단조 증가 경향이 없다.
계산 문제는 두 공식으로 끝난다. 위험도 H는 폭발범위의 폭을 하한으로 나눈 H = (UEL - LEL) / LEL이다 — 프로판(2.1~9.5 %)은 (9.5 - 2.1) / 2.1 ≈ 3.5. 혼합가스의 폭발하한은 르샤텔리에 법칙 L = 100 / Σ(Vi/Li)로 구한다 — 프로판 15 vol%(LEL 2.1 %)과 부탄 85 vol%(LEL 1.8 %) 혼합이면 100 / (15/2.1 + 85/1.8) ≈ 1.84 %. 안전간격(폭발 상한과 하한의 차이)이 클수록 발화 가능 농도 범위가 넓어져 위험도는 올라가며, 폭굉처럼 빠른 속도의 폭발·비중이 커 저류되는 가스도 위험 요인이다. 아세틸렌의 폭발 하한은 약 2.5 %다.
출제 패턴은 세 가지다. ① 관계 확인 — 「인화점 < 착화점」, 「LEL 낮음 = 위험」, 「고온·고압·산소↑ = 범위 확대」를 반대로 쓴 보기를 걸러낸다. CO의 「압력↑ = 범위 축소」는 일반 원리의 예외로만 기억한다. ② 계산 — 위험도는 (UEL-LEL)/LEL, 혼합 하한은 100/Σ(Vi/Li). 숫자 대입만 하면 답이 나온다. ③ 경향 — 탄소수↑는 「비등점↑·증기압↓」로 고정하고, 발화점·폭발한계는 경향이 없다는 점을 이용해 오답을 소거한다.
다음 중 가연성 가스와 공기가 확산으로 급격히 혼합되어 일어나는 연소는?
정답 ② · 가연성 가스가 공기 중으로 확산되면서 공기와 접촉면에서 혼합되어 연속적으로 일어나는 연소 형태를 확산연소라고 합니다. 이는 촛불이나 가스 렌지에서 볼 수 있는 일반적인 불꽃 형태로, 가스와 산화제가 미리 혼합되지 않고 연소 과정에서 서로 확산되어 만나면서 반응하는 특징이 있습니다.
가연성 가스와 공기가 확산되며 혼합되어 일어나는 연소는 확산연소이다.
가연성 물질을 공기로 연소시키는 경우에 공기중의 산소농도를 높게하면 연소속도와 발화온도는 어떻게 변하는가?
정답 ② · 공기 중 산소 농도를 높이면 연소 반응에 필요한 산소가 충분히 공급되어 연소 속도는 빨라집니다. 또한 산소 농도가 높으면 연료가 활성화 에너지에 도달하기 더 쉬워지므로 발화 온도는 낮아집니다.
산소 농도 증가는 연소 반응 속도를 높이고 활성화 에너지 장벽을 낮춰 발화 온도를 감소시킵니다.
다음 중 가스의 폭발범위가 잘못된 것은? (단, 공기중)
정답 ③ · 수소의 공기 중 폭발범위는 4.0~75.0%로 매우 넓기 때문에 4~45%라는 수치는 명백히 틀렸다. 메탄(5~15%), 프로판(2.1~9.5%), 아세틸렌(2.5~81%)의 폭발범위 수치는 모두 올바른 표준 값이다.
수소의 폭발범위는 4~75%이므로 4~45%는 틀린 수치이다.
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