개념 한 쪽
가연성 물질의 폭발은 발생 원인과 공간 조건에 따라 여러 유형으로 분류된다. 혼합가스의 폭발한계는 개별 성분의 기여도를 계산식으로 합산하여 결정한다. 물리적 폭발과 화학적 폭발을 구별하는 원리를 이해하면 폭발 유형을 정확히 판정할 수 있다.
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출제기준 단원 「폭발의 종류·범위」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 연소범위 영향 판단 | 1 | 온도 변화가 연소범위에 미치는 방향을 가리기 |
| 증기폭발 정의 판별 | 1 | 고온 액체·저온 액체 접촉 시 발생 현상 식별하기 |
| 혼합가스 LFL 계산 | 1 | 르샤틀리에 법칙으로 혼합 하한계 계산하기 |
폭발의 종류는 발생 메커니즘과 공간적 제약에 따라 구분한다. 대기 중으로 유출되어 공기와 혼합된 증기운이 착화되어 폭발하는 현상은 비산 폭발(Unconfined Vapor Cloud Explosion, UVCE)으로 분류한다. UVCE는 밀폐되지 않은 공간에서 폭발성 혼합물이 형성되어 폭발하는 경우를 지칭한다.
액체의 급격한 증기화에 의해 발생하는 폭발은 물리적인 원인에 따른 것으로, 고온의 액체나 고열의 고체가 저온의 액체와 접촉하면서 급속한 증기 생성으로 부피가 급증하여 압력 폭발을 일으키는 현상으로 정의한다. 이는 화학적 연소가 아니라 열 전달과 상변화에 따른 폭발형태로 분류한다.
BLEVE, 제트 파이어, 플래시오버 등 다른 폭발·화재 현상은 각각의 원인과 발생 조건이 다르므로 구별해야 한다. BLEVE는 압력용기 파열과 관련된 폭발을 의미하고, 제트 파이어는 고압 상태에서 분출된 가연성 가스가 점화되어 불꽃을 형성하는 현상이며, 플래시오버는 밀폐 공간 내에서 급격한 연소 확장이 일어나는 현상으로 설명한다.
혼합가스의 폭발하한계(LEL 또는 LFL)는 르샤틀리에 법칙을 적용하여 계산한다. 계산식은 각 성분의 체적분율을 해당 성분의 하한값으로 나눈 값들을 합산한 뒤 그 역수를 취하는 방식으로 정리한다. 이 원리에 따라 여러 예제에서 혼합가스의 하한계가 수퍼셋으로 계산되는 과정을 확인할 수 있다.
폭발 위험성 평가는 인화점, 착화점, 연소속도, 폭발범위(하한·상한) 및 안전간격의 개념을 함께 고려하여 수행한다. 인화점이 낮을수록 상온에서 증발이 용이하여 폭발성 혼합물 형성 위험이 커진다고 설명한다.
대표 계산 예시로 르샤틀리에 법칙을 적용한 혼합가스 하한계 계산을 제시한다. 예컨대 메탄이 60%로, 에탄이 30%이며 프로판과 부탄이 각각 5%씩 포함된 혼합가스에서 각 성분의 하한값은 메탄은 약 5퍼센트, 에탄은 약 3퍼센트, 프로판은 약 2.1퍼센트, 부탄은 약 1.8퍼센트로 설정한다. 각 항을 계산하면 0.6/5 + 0.3/3 + 0.05/2.1 + 0.05/1.8 ≈ 0.2716이 되고 이 합의 역수를 취하면 약 3.68%의 혼합 하한계가 도출된다고 설명한다.
다른 예로 메탄이 60%에 에탄 20%와 프로판 15%, 부탄 5%가 섞인 혼합가스는 동일한 방식으로 계산하면 항들의 합이 약 0.2859가 되고 역수를 취하면 약 3.5%의 하한계가 나오는 계산 절차를 보인다. 이처럼 혼합가스 LFL 계산에서는 각 성분의 비율을 해당 성분의 하한값으로 나눈 값을 합한 뒤 그 역수를 취하는 순서를 반드시 지켜야 한다고 설명한다.
폭발 유형 판별 예시는 조건 조합으로 접근한다. 대기 중 확산 후 광범위하게 폭발하는 조건이면 UVCE로 판단하고, 고온 고체와 저온 액체의 급격한 접촉에 따른 급증발 및 압력 상승이면 액체의 급격한 증기화에 따른 폭발로 판단한다.
메탄 60%, 에탄 30%, 프로판 5%, 부탄 5% 인 혼합가스의 공기중 폭발하한값은? (단, 각 성분의 하한값은 메탄 5%, 에탄 3%, 프로판 2.1%, 부탄 1.8%이다.)
정답 ① · 여러 가지 혼합 가스의 폭발 하한값(LEL)을 계산하기 위해서는 르샤틀리에(Le Chatelier) 법칙을 사용합니다. 각 성분의 하한값(Li)과 그 성분의 몰분율(Vi)을 이용하여 1 / (Σ(Vi/Li)) 공식으로 계산합니다.
르샤틀리에 법칙에 따라 각 성분의 몰분율을 하한값으로 나눈 값의 역수를 취하면 혼합가스의 폭발하한값이 나온다.
다음은 연소범위에 관한 설명이다. 잘못 된 것은?
정답 ② · 문항은 연소범위에 관한 기술 중 잘못된 것을 찾는 문제이다. 온도가 높아지면 분자 운동이 활발해져 연소하한은 낮아지고 상한은 높아져 전체 연소범위가 넓어지므로 '좁아진다'는 표현은 잘못되었다.
가스의 온도가 높아지면 연소범위는 넓어지므로, 좁아진다는 설명은 잘못되었다.
증기폭발(Vapor expiosion)에 관한 설명 중 옳은 것은?
정답 ④ · 문제는 증기폭발의 정의에 해당하는 설명을 고르는 것이다. 증기폭발은 고온의 액체가 차가운 액체와 접촉할 때 저온 액체가 급격히 증발하여 큰 압력을 발생시켜 폭발하는 현상이다.
뜨거운 액체가 차가운 액체와 접촉해 찬 액체가 증발하며 압력으로 폭발하는 현상은 증기폭발이다.
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