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연구 보고서
중장기적인 정책연구과제와 대안을 포괄적인 시각에서 이론적 · 실중적 분석을 통해 제시함으로써 연구원의 설립목표를 가장 잘 실행하고있는 보고서입니다.
인화성액체의 물리화학적 특성 분석을 통한 폭발위험장소 구분에 관한 연구
- 연구책임자
- 이주엽, 한우섭, 한인수, 최이락
- 수 행 연 도
- 2015년
- 핵 심 단 어
- 주 요 내 용
- , 1. 연구제목 : 인화성액체의 물리화학적 특성 분석을 통한 폭발위험장소 구분에 관한 연구 2. 연구 필요성 및 목적 최근 들어 인화성 액체의 증기에 기인한 크고 작은 화재·폭발 사고가 자주 발생되어 사회적 관심을 증대되고 있다. 예로서 2014년 11월 22일(토) 오후 대전광역시 소재 (주)OOOO는 반도체 코팅액 제조공정에서 1차 반응물 여과를 마친 필터를 수세척하는 과정 중 필터에 부착된 슬러지에 포함된 인화성 액체(펜탄, 디이소프로필아민 등)의 증기로 인하여 화재·폭발이 발생되면서 세척실 전체로 급격히 확산되어 근로자 8명이 사상(사망 1명, 부상 7명)을 당하는 중대산업사고가 발생되었다. 위와 같은 사고들의 원인을 살펴보면 공통적으로 작업장 내에 인화성 액체의 증기 축적으로 인하여 폭발성 가스분위기(Explosive gas atmosphere)가 형성된 후 스파크, 정전기 등의 점화원에 의하여 화재·폭발이 발생된 사고로서, 인화성 액체의 증기압, 폭발한계값 등의 물리화학적 물성값을 반영하고 환기 등급 및 환기 유효성을 고려하여 정확한 폭발위험장소를 설정한 후, 폭발위험장소의 범위, 폭발위험농도 지속시간 등의 추정을 통해 폭발분위기가 발생되지 않도록 관리하는 것이 필요하다는 것을 알 수 있다. 본 연구에서는 인화성 액체의 누출과 증발로 인한 폭발위험장소 구분에 필요한증기압 등의 물리화학적 물성값을 실험 및 추정식을 통하여 구한 후, 인화성 액체 누출량과 풀(Pool)을 형성하였을 경우의 증발량 등을 계산하고, 환기 등급과 환기유효성을 고려하여 폭발위험장소를 구분하였다. 이와 함께 폭발위험장소의 범위와 폭발위험농도 지속시간을 추정하였다. 이를 기초로 인화성 액체를 제조·취급 또는 저장하는 사업장에 폭발위험장소의 구분과 범위 설정 등에 대한 정보를 제공하여 화재·폭발 또는 누출로 인한 화학사고 예방에 기여하고자 한다. 3. 연구내용 및 방법 본 연구는 사업장에서 인화성 액체의 제조·취급 또는 저장 중에 인화성 액체에 기인한 화재·폭발의 위험성을 예방하기 위해 폭발위험장소의 구분과 범위 산정에 필요한 절차와 방법을 제공하기 위한 것으로서 연구범위와 내용을 요약하면 다음과 같다. (1) 국내외 관련문헌 및 자료 수집 - 폭발위험장소 구분 관련 문헌 검색 - 인화성 액체의 누출 및 증발에 관련된 폭발위험장소 구분 관계식 고찰 (2) 폭발위험장소 구분 대상물질 선정 및 실태 조사 - 폭발성 가스분위기 형성으로 인한 사고사례 검토 - 선정 화학물질에 대한 증기압 등의 물리화학적 물성값 실험 - 인화성 액체 누출 및 증발에 따른 폭발위험장소 구분 실태 조사 (3) 폭발위험장소 구분과 범위 산정 - 액체의 증발량, 인화점, 증기압 및 폭발한계 관련 모델식 중 폭발위험장소구분에 적합한 각각의 물성값 모델식의 비교 및 검토 - 선정된 물성값 모델식과 환기 등급 및 환기 유효성을 적용한 폭발위험장소 구분 실시 - 온도, 바람 등 외부 환경 조건과 누출공 크기의 변화에 따른 폭발위험장소의 범위, 폭발위험 농도 지속시간 등의 변동 고찰 4. 연구결과 본 연구에서는 사업장에서 인화성 액체의 제조·취급 또는 저장시에 폭발위험장소의 구분과 범위 산정에 필요한 절차와 방법을 제시하였다. 그리고 잉크제조공정을 중심으로 작업장의 온도, 풍속 등의 외부조건을 변화시키면서 해당 인화성 액체의 변화된 물성값을 적용하여 폭발위험장소를 구분한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 개방된 혼합용기에 저장된 인화성 액체의 증발량을 구하는 V. J. Clancey에 수정된 Sutton-Pasquill 등 5 가지 모델식 중에서는 보수적 관점에서 풍속,증기압 및 액체층의 표면적 등이 반영되어 폭발위험장소의 범위가 가장 크게 계산되는 미국 EPA의 RMP 관련 증발 모델식을 사용하는 것이 적정함을 알 수 있었다. 2) 폭발위험장소 구분시에 사용되는 물성값 추정방법 중 인화점의 경우에는 단일물질은 L. Catoire의 식(3-2), 혼합물질은 식(4-1)이, 증기압의 경우에는 단일물질은 변형된 Antoine 식(3-3), 혼합물질은 UNIFAC모델을 적용한 식(4-2)가, 폭발하한농도의 경우에는 화학양론 또는 연소열을 이용하는 식(3-8), 식(3-10)을 활용할 수 있으며 실험값과 유사한 물성값을 나타내었다. 3) 회분식 공정에서 누출공의 크기 결정시 반응기, 저장탱크 및 관련 설비의 플랜지, 밸브에서의 누출이 2차 누출인 경우 일반적인 조건에서는 0.25㎟(지름:0.56㎜)∼2.5㎟(지름:1.78㎜)의 누출공 면적을 사용하여 폭발위험장소의 구분과 범위를 산정하는 것이 적정함을 알 수 있었다. 4) 가상체적(Vz)의 결정하는 주요 인자인 품질계수(f)의 경우 옥내의 경우에는 12 ACH 미만은 f=3∼5, 12 ACH 이상 20 ACH 미만은 f=2, 20 ACH 이상은 f=1로 적용 할 수 있으나, 반드시 환기 조건을 고려하여 환기가 불량인 경우 신선한 공기의 시간당 치환 횟수가 많더라도 f=4∼5가 적용되어야 함을 알 수 있었다. 5) 작업장내의 온도가 10℃부터 50℃까지 변화함에 따라, 아세톤과 같이 휘발성이 큰 용제일수록 증기압의 상승폭이 크게 증가되어 폭발위험장소의 등급이 강화되고 범위도 증기압에 비례하여 확대되었고, 또한 풍속이 0.1 m/s에서 1.0 m/s까지 증가됨에 따라, 증발된 아세톤 증기는 혼합과 확산이 활발히 진행되어 폭발위험농도 지속시간이 급격하게 감소되고 폭발위험장소의 범위도 축소되는 것을 알 수 있었다. 6) 폭발위험장소를 구분하기에 앞서 우선적으로 작업장 안에 충분한 환기와 기류가 형성될 수 있도록 급기·배기시설을 보완 후, 스모그 테스터, 열선풍속계 등을 사용한 확인을 통하여 작업장 내부에 인화성 액체의 증기가 체류하지 않도록 하는 것이 필요하다는 것을 알 수 있었다. 5. 활용 및 기대효과 - 사업장의 폭발위험장소의 구분과 범위 설정에 대한 기초적인 정보 제공 - 안전관련 학회(화학공학회, 안전학회, 가스학회 등)에 연구결과의 발표와 논문게재로 관련분야 전문가의 기술 및 연구 자료로 활용 - 화재·폭발사고 발생시 화학물질의 물성값 등 관련 자료를 제시하여 사고원인 추정 및 폭발위험장소의 구분과 범위 설정에 활용 6. 중심어 폭발위험장소, 가상체적, 폭발위험장소의 범위, 증발량, 증기압, 인화점 7. 참고문헌 가. 참고문헌 - KS C IEC 60079-10-1, “Explosive Atmospheres - Part 10-1 Classification : of Areas-Explosive Gas Atmospheres”, 2012. - IEC 60079-10-1, “Explosive atmospheres - Part 10-1 : Classification of Areas-Explosive Gas Atmospheres”, 2008. - API PR 505, “Recommended Practice for Classification of Locations for Electrical Installations at Petroleum Facilities Classified as Class I, Zone 0, Zone 1, and Zone 2”, 1997. - NFPA 497A, “Recommended Practice for Classification of Class I Hazardoud(Classified) Locations for Electrical Installation in Chemical Process Areas”, 2012 - IP 15, “Area Classification Code for Installations Handling Flammable Fluids”, 3rd edition, 2005. - 정재희, 박달재, 하현철 등, “폭발위험장소 설정을 위한 도시가스 사용시설의 안전성 평가”, 산업안전보건연구원, 2013. - Carl L Yaws, “Chemical Properties Handbook”, 1999. - Crowl, D. A. and Louvar, J. F., “화학공정안전”, 동화기술, 2004. - US EPA, “Risk Management Program Guidance for Offsite Consequence Analysis”, appendix D, 1999. 나. 연락처 연구책임자：산업안전보건연구원 화학물질센터 이주엽 연구위원
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