개념 한 쪽
LPG와 LNG의 성질은 어떤 탄화수소가 주성분인지에서 갈린다. 메탄은 탄소 1개로 이루어진 가장 간단한 탄화수소로 도시가스의 주성분이고, 프로판과 부탄은 탄소 사슬이 길어 LPG 쪽에 주로 들어간다. 가스의 위험성은 증기비중과 폭발하한계, 연소범위로 판단하며, 완전연소에 필요한 산소량은 반응식으로 계산한다.
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출제기준 단원 「LPG, LNG의 성상과 특성」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 연소 확대 면적 계산 | 1 | 원형으로 번지는 불의 면적을 시간으로 추정하기 |
| 표면연소 형태 | 1 | 숯·금속 가루류의 연소 양상 고르기 |
| 혼합가스 폭발하한계 | 1 | 섞인 가스의 폭발하한계 수치 계산 |
연료가스의 성분은 구조로 구분한다. 메탄(CH4)은 탄소 원자 1개로 이루어진 가장 단순한 탄화수소이며 도시가스의 주성분이다. 에탄·프로판·부탄은 탄소 사슬이 길어 구조가 더 복잡하고, 프로판과 부탄은 LPG에 주로 포함된다. 같은 탄화수소라도 탄소 수가 다르면 분자량과 성질이 달라진다.
기체의 무게는 증기비중으로 비교한다. 표준상태(0℃, 1기압)에서 모든 기체 1몰의 부피가 22.4L로 같으므로 기체 밀도는 분자량에 비례한다. 공기의 평균분자량을 29g/mol로 두면 증기비중은 분자량/29가 된다. 공기보다 무거운 가스인지 가벼운 가스인지는 이 값으로 판단한다.
폭발 경계는 농도로 나타난다. 연소범위는 하한과 상한 사이에서만 연소가 일어나며, 하한보다 묽으면 불꽃이 전달되지 않고 상한보다 진하면 산소가 부족해 타지 않는다. 에테르의 연소범위가 1.9~48vol%라면 48vol%를 넘는 농도에서는 연소하지 않는다.
혼합가스의 폭발하한계는 성분 비율로 계산한다. 르 샤틀리에 공식 L = 1/Σ(pi/Li)에 따라 각 성분의 비율을 그 성분의 하한계로 나눈 값을 더한 뒤 역수를 취한다. 프로판 50%, 부탄 40%, 프로필렌 10%이고 하한계가 2.2%, 1.9%, 2.4%라면 0.5/2.2 + 0.4/1.9 + 0.1/2.4 ≈ 0.48의 역수인 약 2.09%가 된다. 가스 A 40vol%와 B 60vol%의 예에서도 0.4/4.9 + 0.6/4.15의 역수로 약 4.42vol%를 얻는다.
완전연소에 필요한 산소량은 반응식의 계수로 센다. 부탄(C4H10)은 C4H10 + 6.5O2 → 4CO2 + 5H2O로 연소하므로 1mol에 산소 6.5mol이 필요하다. 알칸(CnH2n+2)은 1.5n + 0.5로 계산해 프로판 5, 메탄 2가 된다. 같은 부피의 연료라도 탄소 수가 많을수록 산소 요구량이 커진다.
공기의 성질과 화재의 확산도 함께 본다. 공기의 평균분자량은 질소 28×0.792와 산소 32×0.208을 더한 28.83이다. 화재가 나면 온도가 오르고, 압력이 일정한 조건에서 공기 부피가 절대온도에 비례해 늘어난다. 20℃에서 600℃로 오르면 293K에서 873K가 되어 부피는 약 3배가 된다. 목재 화재가 분당 0.75~1m씩 원형으로 번지면 5분 뒤 면적은 πr²로 계산해 약 44~78.5m²가 된다.
학습목표: 기체 가연물의 예(메테인, 수소, 아세틸렌 등)를 식별하고 위험특성을 설명할 수 있다.
기체 가연물: 메테인, 프로테인, 부테인, 수소, 아세틸렌 등
NCS 학습모듈 0502010403 소방안전관리 감독 · 1-1. 위험요소의 이해와 분석
판단은 성분과 경계에서 갈린다. 메탄은 가장 간단한 탄화수소이자 도시가스 주성분이고, 프로판·부탄은 LPG 쪽이다. 증기비중은 분자량/29로 구하며, 연소범위 상한을 넘으면 산소 부족으로 타지 않는다. 혼합가스 폭발하한계는 성분 비율을 하한계로 나눈 값의 역수로 구해 프로판·부탄·프로필렌 예에서 약 2.09%, A·B 예에서 약 4.42vol%가 된다. 부탄 완전연소에는 산소 6.5mol이 들고, 프로판은 5, 메탄은 2다. 공기 평균분자량은 28.83이고, 20℃에서 600℃로 오르면 부피는 약 3배가 된다.
목재 화재시 초기의 연소속도가 매분 평균 0.75m∼1m씩 원형으로 확대한다면 발화 5분 후 연소된 면적은 약 몇m²정도 되는가?
정답 ④ · 목재 화재 시 발화 5분 후의 연소 면적을 계산하는 문제이다. 연소속도가 매분 반지름 방향으로 0.75m~1m씩 원형으로 확대되므로, 5분 후의 반지름은 0.75x5=3.75m에서 1x5=5m가 된다.
목재 화재 시 연소 반지름이 분당 0.75~1m 증가하므로 5분 후 반지름은 3.75~5m, 면적은 πr² 공식을 적용하여 계산한다.
목단, 코크스, 금속분 등의 연소는 주로 어떤 형태의 연소에 해당되는가?
정답 ③ · 목탄, 코크스, 금속분 등의 연소 형태를 분류하는 문제이다. 표면연소는 목탄이나 코크스처럼 가연성 고체가 열분해 없이 표면에서 산소와 직접 반응하여 빛과 열을 내며 타는 연소 형태이다.
목단, 코크스, 금속분 등은 고체 표면에서 직접 연소하는 표면연소에 해당한다.
프로판 50%, 부탄 40%, 프로필렌 10%로 된 혼합가스의 폭발하한계는 약 몇 % 인가? (단, 각 가스의 폭발하한계는 프로판은 2.2%, 부탄은 1.9%, 프로필렌은 2.4%이다.)
정답 ② · 혼합가스의 폭발하한계를 르 샤티리에 공식으로 계산하는 문제이다. 혼합가스의 폭발하한계는 L=1/Σ(pi/Li)로 구한다.
혼합가스의 폭발하한계는 각 성분의 몰분율(또는 부피비)을 해당 가스의 폭발하한계로 나눈 값의 합을 역수로 취하여 계산한다.
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