개념 한 쪽
가연성 가스의 폭발범위를 계산하고 폭발의 위험도를 가늠하는 문제다. 혼합가스의 폭발한계를 구하는 식이 한 축이고, 체적 퍼센트를 무게 농도로 바꾸는 환산이 다른 축이며, 폭발의 분류와 피해 검토사항이 세 번째 축이다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기 회원용
가입 없이 오늘의 10문제 바로 풀기 →
출제기준 단원 「연소(폭발)범위 및 위험도」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 폭발한계 단위 환산 계산 | 1 | 체적 퍼센트 폭발한계를 mg/L 농도로 바꿔 구한다 |
| 기상폭발 아님 판단 | 1 | 기상 폭발에 해당하지 않는 폭발을 고른다 |
| 폭발 피해 검토 아님 판단 | 1 | 압력상승 피해 검토사항에서 먼 것을 고른다 |
폭발범위는 폭발하한계와 상한계 사이의 농도 구간이다. 부탄의 폭발한계가 1.8에서 8.4퍼센트라는 말은 공기 중 부탄 농도가 이 범위에 있을 때 점화원을 가까이 하면 혼합기체가 폭발한다는 뜻이다. 위험도는 폭발상한계에서 폭발하한계를 뺀 값을 폭발하한계로 나눈 비로 나타내, 범위가 넓고 하한이 낮을수록 크다.
여러 가스가 섞인 혼합가스의 폭발한계는 르 샤틀리에 식으로 구한다. 하한은 각 성분의 부피비를 그 가스의 폭발하한계로 나눈 값들을 모두 더해 100을 나누고, 상한은 같은 방식으로 폭발상한계로 나누어 구한다. 메탄 80, 에탄 15, 프로판 4, 부탄 1의 혼합가스라면 하한은 약 4.27, 상한은 약 14.14 퍼센트가 된다. 공기가 섞인 조성이 주어지면 가연성 가스끼리의 비율로 다시 정규화해 식에 넣는다.
농도 단위의 환산도 자주 나온다. 체적 퍼센트를 20℃에서 mg/L로 바꾸려면 체적 퍼센트에 분자량을 곱하고 10을 곱해 24로 나눈다. 이황화탄소의 폭발한계가 1.25에서 44 퍼센트이면 몰부피 24L 기준으로 약 39.6과 1395.2 mg/L가 된다. 아세틸렌의 폭발하한계 2.5 퍼센트는 혼합기체 1세제곱미터 중 25L이고, 이를 몰부피 22.4L로 나눠 몰수에 분자량 26을 곱하면 약 29g이다.
가연성 기체의 성질을 묻는 법칙도 이 범위에 속한다. 활성화에너지가 비슷한 가연성 기체는 폭발하한계와 몰 당 연소열의 곱이 일정해진다는 버지스-휠러 법칙이 그것이다. 최소발화에너지는 화학양론 농도보다 조금 진한 농도에서 가장 작아지고 압력이 높아지면 감소하며, 조성과 압력, 온도, 혼입물의 영향을 받지만 전기전도성과는 무관하다. 연소를 유지하는 최소산소농도는 폭발하한계에 이론 산소량을 곱해 추산하는데, 부탄은 폭발하한 1.6 퍼센트에 이론 산소량 6.5를 곱해 10.4 퍼센트이다.
폭발의 분류와 피해 검토로 마무리된다. 혼합가스 폭발, 분진 폭발, 분무 폭발은 공기 중에서 화학 반응으로 일어나는 기상 폭발이고, 액체가 급격히 기화하며 일어나는 증기폭발은 물리적 폭발이라 기상 폭발이 아니다. 압력상승에 기인하는 피해가 예측되는 경우에는 가연물과 공기의 혼합기 형성, 설비 취약부의 파괴 형태, 개구부를 통한 화염 전파를 검토한다. 압력파의 전파, 반사, 간섭은 폭풍 피해 쪽의 검토사항이다.
학습목표: 폭발한계의 뜻을 농도 범위로 해석하여 설명할 수 있다.
(라) 예로 “부탄의 폭발한계는 1.8~8.4%이다.” 라는 말은 공기에 대한 부탄의 농도가 1.8 ~ 8.4%일 때 점화원을 가까이 하면 air–부탄 혼합기체는 폭발한다는 의미이다.
NCS 학습모듈 2306010401 화학물질 안전관리 실행 · 1-1. 물질안전보건자료(MSDS) 확인
혼합가스 문제는 식부터 세운다. 하한은 100을 나누기 각 부피비를 각 하한으로 나눈 값들의 합으로, 상한은 하한을 상한으로 바꿔 같이 계산한다. 환산 문제는 체적 퍼센트에 분자량과 10을 곱해 24로 나눈다는 한 줄로 푼다. 위험도는 상한에서 하한을 빼 하한으로 나눈다. 기상 폭발이 아닌 것을 고르면 증기폭발을 답하고, 압력상승 피해 검토에서 압력파 간섭이 보이면 그것이 먼 것이다.
공기중에서 이황화탄소(CS2)의 폭발한계는 체적%로써 하한값이 1.25%, 상한값이 44%이다. 이를 20℃ 대기압하에서 mg/L의 단위로 환산하면 하한값과 상한값은 각각 약 얼마인가? (단, 이황화탄소의 분자량은 76.1 이다.)
정답 ② · 체적%를 mg/L로 환산하는 공식은 'mg/L = (농도(%) × 분자량 × 10) / 22.4(표준상태 기체의 몰부피)'를 사용합니다. 하지만 20℃에서는 몰부피가 약 24L로 변하므로 이를 적용합니다.
mg/L = 체적% × 분자량 × 10 ÷ 24(20℃ 몰부피)이므로 39.6, 1395.2 mg/L가 된다.
다음 폭발 중 기상폭발에 해당되는 것이 아닌 것은?
정답 ④ · 기상폭발은 가연성 가스, 증기, 분진 등이 공기와 혼합하여 연소하는 폭발 현상을 말하며 혼합가스폭발, 분진폭발, 분무폭발 등이 여기에 속합니다. 반면 증기폭발(물리적 폭발)은 액체가 비등점 이상으로 가열되어 순간적으로 다량의 증기를 발생시키며 일어나는 현상으로, 액적이 순간적으로 기화하며 발생하는 물리적 폭발이므로 기상폭발(화학적 폭발)의 범주에 들어가지 않습니다.
혼합가스·분진·분무폭발은 공기 중 연소인 기상(화학적) 폭발이고, 증기폭발은 급격 기화에 의한 물리적 폭발이다.
압력상승에 기인하는 피해가 예측되는 경우에 검토를 요하는 사항과 거리가 가장 먼 것은?
정답 ③ · 압력상승에 기인하는 피해가 예측되는 경우의 검토사항과 거리가 먼 것을 찾는 문제이다. 압력상승에 기인하는 피해의 검토사항으로는 가연성혼합기의 형성상황, 압력상승 시의 취약부 파괴, 개구부가 있는 공간 내의 화염전파와 압력상승 등이 해당된다.
압력파의 전파·반사·간섭은 폭풍(폭풍압) 피해의 검토사항이고, 압력상승 피해 검토는 혼합기 형성·취약부 파괴·개구부 화염전파이다.
산업안전기사 풀이 세트에서 이 개념의 문제 10개를 바로 풀어 보세요.