개념 한 쪽
연소·폭발의 형태 및 종류 문제는 증기운 폭발의 발생 공간을 확인하는 문제와 점화원에 들어가지 않는 것을 고르는 문제, 르 샤틀리에 법칙으로 혼합가스의 폭발하한계를 구하는 계산 문제로 나온다.
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출제기준 단원 「연소·폭발의 형태 및 종류」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 폭발 형태 확인 | 1 | 증기운 폭발 설명 중 옳지 않은 것 고르기 |
| 점화원 판별 | 1 | 점화원으로 보기 어려운 것 고르기 |
| 혼합 한계 계산 | 1 | 르 샤틀리에 법칙으로 혼합 증기 폭발하한계 구하기 |
폭발은 일어나는 방식으로 종류를 가른다. 증기운 폭발은 가연성 가스가 공기 중으로 확산되어 증기운을 이룬 뒤 점화원에 의해 폭발하는 현상으로, 주로 개방 공간이나 반개방 공간에서 발생한다. 밀폐된 환경에서 일어나는 폭발은 다른 형태로 구분되므로, 증기운 폭발을 폐쇄 공간의 현상으로 설명하는 보기는 옳지 않은 설명이 된다.
분진폭발은 현장으로 먼저 떠올린다. 광산 갱도, 황분사기, 식품사료공장처럼 미세한 가연성 입자가 공기 중에 부유하는 곳에서 산화 반응열에 의해 폭발이 일어나는 형태이다. 영향 인자도 방향이 정해져 있다. 입경이 작을수록, 연소열이 클수록, 비표면적이 클수록 폭발성이 커지고, 부유 분진은 퇴적 분진보다 공기 접촉 면적이 커 발화 온도가 낮아 더 위험하다.
분해폭발은 산소 없이 폭발하는 물질의 성질이다. 아세틸렌은 폭발 상한계가 100퍼센트로 산소가 전혀 없어도 스스로 분해하며 폭발할 수 있고, 같은 성질을 가진 가스로 산화에틸렌이 있다. 수소, 프로판, 일산화탄소는 공기 중 산소와 반응해야 연소하므로 이 분류에 들어가지 않는다.
점화원이 되는 것도 에너지 형태로 가른다. 단열압축, 화학 반응에 따른 혼합열, 과도전류는 국소적인 고온이나 스파크를 만드는 전형적인 점화원이지만, 고주파 전자파는 일반적인 점화원 분류에서 제외된다. 위험물질의 위험분석에서 보는 주요 특성도 연소, 폭발, 반응, 부식처럼 안전 사고와 직결된 것으로, 광도나 중량 같은 일반 물성은 위험분석의 기준이 아니다.
혼합가스의 폭발하한계는 르 샤틀리에 법칙으로 구한다. 각 성분의 분율을 그 성분의 폭발하한계로 나눈 값을 더해 역수를 취하는 식인데, 공기처럼 불연성 성분은 계산에서 제외하고 가연성 성분끼리의 상대 분율로 다시 정규화하여 대입한다.
학습목표: CVCE의 정의와 밀폐환경에서의 폭발 결과·피해요인을 설명할 수 있다.
CVCE는 장치나 건물과 같이 밀폐된 환경에서 발생하는 폭발을 말한다.
NCS 학습모듈 2306010403 화학공정 특성 분석 · 4-1. 화재 폭발 원리 및 예방 방법 검토
에틸에테르와 에틸알코올이 4 대 1로 섞인 증기의 폭발하한계는 분율 0.8과 0.2, 한계치 1.9와 4.3을 식에 넣어 구한다. 나눈 값은 0.8 나누기 1.9의 약 0.421과 0.2 나누기 4.3의 약 0.047로 합이 약 0.468이므로 역수를 취해 약 2.14퍼센트이다. 시간 계산도 같은 농도 개념으로 이어진다. 100세제곱미터 거실에 도시가스가 분당 0.5세제곱미터씩 유입되고 폭발하한계가 5퍼센트이면 필요한 가스는 5세제곱미터이므로 10분 만에 폭발 농도에 이른다. 완전연소 조성농도는 반응식에서 구하는데, 프로판은 산소 5몰이 필요하므로 공기 중 산소 비율 21퍼센트를 곱해 약 4.02퍼센트가 조성농도이다.
산화 에틸렌의 분해 폭발반응에 의해 생성되는 가스가 아닌 것은? (단, 연소가 일어나지 않는다.)
정답 ④ · 산화에틸렌은 폭발적인 분해 반응을 일으킬 수 있는 불안정한 화합물입니다. 이 가스가 연소가 일어나지 않는 상태에서 자기 분해 반응을 일으키면 메탄(CH4), 일산화탄소(CO), 에틸렌(C2H4), 수소(H2) 등의 환원성 및 가연성 가스가 생성됩니다.
산화 에틸렌의 연소 없는 분해 폭발 시 생성물은 환원성 가스이며, 이산화탄소는 완전연소 생성물이므로 생성되지 않는다.
다음 중 분진폭발에 대한 설명으로 틀린 것은?
정답 ① · 분진폭발의 위험도에 영향을 주는 요소를 파악하고 잘못된 설명을 찾는 문제이다. 분진폭발은 먼지와 같은 고체 미립자가 공기 중에 떠 있을 때 발생하며 입자 크기가 작을수록 공기와 닿는 표면적이 넓어져 연소 반응이 급격해진다.
분진폭발은 입자가 작을수록 표면적이 커져 연소 속도가 빨라지므로, 입자가 클수록 위험이 크다는 설명은 틀렸다.
부피조성이 메탄 65%, 에탄 20%, 프로판 15% 인 혼합 가스의 공기 중 폭발하한계는 몇 vol% 인가? (단, 메탄, 에탄, 프로판의 폭발하한계는 각각 5.0vol%, 3.0vol%, 2.1vol% 이다.)
정답 ② · 혼합 가스의 공기 중 폭발하한계를 Le Chatelier 법칙으로 계산하는 문제이다. 혼합 가스의 폭발하한계는 LFL = 1 / (V1/LFL1 + V2/LFL2 + V3/LFL3)로 구한다.
혼합 가스의 폭발하한계(LFL_mix)는 각 성분의 부피 분율(LFL_i)로 나눈 값들의 합을 1로 나눈 역수로 계산한다.
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