Bromotrifluoromethane(halon-1301)과 bromochlorodifluoromethane(halon-1211)은 우수한 열역학적 성질에 의해 소화제로 널리 사용되어 오고 있다. 그러나 halon-1301과 halon-1211의 사용과 생산은 국제 환경조약인 Montreal protocol에 의해 점차 사용이 중지되고 있으며, 본격적인 규제에 대한 대책 마련이 요구되는 시점에 있다. 그리하여, 할론 사용규제와 더불어 각국은 할론 소화제 대신 HFCs를 사용하는 방안이 제시되었으며, 이미 선진국에서는 다양한 종류의 소화제 개발을 발표하고 있다. 본 연구에서는 대체 소화제로서 소화제의 배출시간을 단축시켜주는 가압가스 nitrogen과 halon 대체 물질인 HFCs 계열 물질중 chlorodifluoromethane(HFC-22), pentafluoroethane(HFC-125), 1,1,1,2-tetrafluoroethane(HFC-l34a)을 선정하여 이들간의 이성분계 혼합물에 대한 상호 용해력을 알아보기 위해 상평형을 측정하였다. 상평형은 기-액 순환이 동시에 이루어지는 circultion type 장치에서 측정되었으며, 실험온도는 실제 소화제 저장탱크의 온도범위인 283.15-303.15K로 선정하였고, 압력범위는 이 온도범위에서 탱크에 걸릴 수 있는 최저압력과 최고압력보다 충분히 여유를 두어 3.0-10.0 MPa조건에서 실험하였다. 실험데이터는 Peng-Robinson 상태방정식 및 Wong-Sandler mixing rules을 사용하여 혼합물의 거동을 예측하였고, 이를 실험 결과와 비교 검토하였다.
Bromotrifluoromethane(halon-1301)과 bromochlorodifluoromethane(halon-1211)은 우수한 열역학적 성질에 의해 소화제로 널리 사용되어 오고 있다. 그러나 halon-1301과 halon-1211의 사용과 생산은 국제 환경조약인 Montreal protocol에 의해 점차 사용이 중지되고 있으며, 본격적인 규제에 대한 대책 마련이 요구되는 시점에 있다. 그리하여, 할론 사용규제와 더불어 각국은 할론 소화제 대신 HFCs를 사용하는 방안이 제시되었으며, 이미 선진국에서는 다양한 종류의 소화제 개발을 발표하고 있다. 본 연구에서는 대체 소화제로서 소화제의 배출시간을 단축시켜주는 가압가스 nitrogen과 halon 대체 물질인 HFCs 계열 물질중 chlorodifluoromethane(HFC-22), pentafluoroethane(HFC-125), 1,1,1,2-tetrafluoroethane(HFC-l34a)을 선정하여 이들간의 이성분계 혼합물에 대한 상호 용해력을 알아보기 위해 상평형을 측정하였다. 상평형은 기-액 순환이 동시에 이루어지는 circultion type 장치에서 측정되었으며, 실험온도는 실제 소화제 저장탱크의 온도범위인 283.15-303.15K로 선정하였고, 압력범위는 이 온도범위에서 탱크에 걸릴 수 있는 최저압력과 최고압력보다 충분히 여유를 두어 3.0-10.0 MPa조건에서 실험하였다. 실험데이터는 Peng-Robinson 상태방정식 및 Wong-Sandler mixing rules을 사용하여 혼합물의 거동을 예측하였고, 이를 실험 결과와 비교 검토하였다.
Bromotrifluoromethane(halon-1301) and bromochlorodifluoromethane(halon-1211) have been widely used as a clean fire extinguishing agents due to their outstanding properties. However, production and use of halon are currently being phased out under an international agreements Montreal Protocol because...
Bromotrifluoromethane(halon-1301) and bromochlorodifluoromethane(halon-1211) have been widely used as a clean fire extinguishing agents due to their outstanding properties. However, production and use of halon are currently being phased out under an international agreements Montreal Protocol because of global environmental concerns and HFCs have been considered as promising alter-natives for the replacement of halon since their ozone depletion potentials are low. The vapor-liquid equilibrium data are required as important basic information in evaluating the solubility of clean fire extinguishing agents and determining their optimal compositions. In this work, we chose HFCs such as HFC-22 HFC-125, and HFC-l34a for gaseous fire extinguishing agents and nitrogen as a pressurization gas for a proper jet velocity of these agents. Phase equilibria for binary mixtures of nitrogen/HFC-22, nitrogen/HFC-125, and nitrogen/HFC-l34a were measured in the temperature range from 283.15K to 303.15K. For equilibrium measurement, we used a circulation type apparatus in which both vapor and liquid phases were continuously recirculated. The experimental data were relatively well correlated with the Peng-Robinson equation of state with Wong-Sandier mixing rules.
Bromotrifluoromethane(halon-1301) and bromochlorodifluoromethane(halon-1211) have been widely used as a clean fire extinguishing agents due to their outstanding properties. However, production and use of halon are currently being phased out under an international agreements Montreal Protocol because of global environmental concerns and HFCs have been considered as promising alter-natives for the replacement of halon since their ozone depletion potentials are low. The vapor-liquid equilibrium data are required as important basic information in evaluating the solubility of clean fire extinguishing agents and determining their optimal compositions. In this work, we chose HFCs such as HFC-22 HFC-125, and HFC-l34a for gaseous fire extinguishing agents and nitrogen as a pressurization gas for a proper jet velocity of these agents. Phase equilibria for binary mixtures of nitrogen/HFC-22, nitrogen/HFC-125, and nitrogen/HFC-l34a were measured in the temperature range from 283.15K to 303.15K. For equilibrium measurement, we used a circulation type apparatus in which both vapor and liquid phases were continuously recirculated. The experimental data were relatively well correlated with the Peng-Robinson equation of state with Wong-Sandier mixing rules.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 할론 대체 HFC계 소화제의 개발을 위한 예비단계로서, 소화제의 배출시간을 단축 시켜주는 가압 가스인 질소와 유망한 소화제 대체 물 질과의 혼합물에 대한 용해도를 알아보기 위해 상평형 실험을 실시하였다. 용기를 가압하기 위해서 필요한 질 소와 대체 소화제의 용해도 데이터는 질소의 양이 소 화제 용기의 최종압력을 결정짓는데 매우 중요하므로 혼합물의 용해도 데이터는 필수적으로 요구된다.
가설 설정
5) 소화제의 온도가 안정되면 이번에는 증기압이 높은 질소를 공급한다. 이 과정에서 응축액체가 평형 셀 내에 적어도 3분의 1 이상 유지되도록 한다.
제안 방법
용기를 가압하기 위해서 필요한 질 소와 대체 소화제의 용해도 데이터는 질소의 양이 소 화제 용기의 최종압력을 결정짓는데 매우 중요하므로 혼합물의 용해도 데이터는 필수적으로 요구된다. 즉, 소화제 내에서의 가압 물질로 사용되는 질소와 실험대 상 후보물질로 HFC 계열 증 chlorodifluoromethane (HFC-22), pentafluoroethane(HFC-125), 1, 1, 1, 2-tetra- fluoroethane(HFC-134a)을 선정하여 이들의 2성분계 조 합인 nitogen/HCFC-22, nitrogen/HFC-125, 그리고 nitrogen/HFC-134a 등 3가지 경우에 대해 온도 범위 283.15-303.15K와 압력 범위 3.0-10.0MPa에서 상평 형 실험을 실시하였다. 아울러 실험데이터는 Peng-Robinson 상태방정식 및 Wong-Sandler 혼합규칙을 사용하여 혼 합물의 거동을 예측하였고, 이를 실험 결과와 비교 검 토하였다.
0 MPS까지 견딜 수 있도록 제작되었고, 내부 체적은 85 cm?이다. 셀은 전면부, 중앙부, 후면 부 사이에 각각 투시창과 테프론실링재를 삽입하였고, 볼트와 너트로 조립하였다. 투시창은 상평형 현상을 육안으로 관찰하기 위한 것으로, 강화유리를 사용하였다.
기-액 순환 라인에 연결된 자동 샘플링 밸브를 가스크로마토그래피 (Gow-Mac Model 550R TCD, Porapak Q column)와 연결하여 데이터를 분석한다.
3) 항온조와 평형장치가 원하는 평형온도가 되었으면 평형셀 내의 압력을 측정하기 위하여 설치한 압력계의 영점을 조절한 후 그 온도에서 소화제의 순수한 증기압을 측정한다.
Nitrogen/HFC-22, nitrogen/HFC-125, nitrogen/HFC- 134a등 2성분 계 혼합물에 대해서 온도 283.15K, 293.15K, 303.15K, 압력 범위 3.0-10.0 MPa에서 실험을 실시하였고 이 결과를 그림 2~4에 나타내었다. 3가지 혼합물은 Peng-Robinson상태 방정식에 의해 계산되었으며, 계산에 필요한 질소, HFC-22, HFC-125, HFC- 134a등의 순수물질에 대한 열역학적 물성치CL R,Zc, co)를 표 1에 나타내었다.
본 연구에서는 할론대체소화제로 거론되고 있는 HFCs계열 물질과 이소화제의 분사 추진제로 사용되는 질소와의 이성분계 혼합물인 nitrogen/HFC-22, nitrogen /HFC-125, nitrogen/HFC-134a 등 3가지 혼합물에 대한 상평형 측정 실험을 수행하였다. 그리고, Wong- Sandler 혼합규칙과 결합된 Peng-Robinson 상태 방정식 에 의해 실험 결과를 correlation하여 실험 결과와 비교 검토하였다.
대상 데이터
실험에 사용된 대체 소화제 물질은 미국의 Du Pont 사로부터 구입하였고, 순도는 chlorodifluoromethane (HCFC-22) 99.8 wt%, pentafluoroethane(HFC-125) 99.8 wt%, 1, 1, 1, 2-tetrafluoroethane(HFC -134a) 99.9 wt%로 정제 없이 사용하였다.
고압평형셀은 HCFC-22(또는 HFC-134a나 HFC-125) 와 질소의 평형이 이루어지는 곳으로 기상과 액상의 순환라인이 고압순환 펌프에 연결되어 있어서 주어진 온도에 대해 상평형에 쉽게 도달할 수 있도록 한다. 고압평형셀은 스테인레스강 316(SUS 316)을 사용하여 35.0 MPS까지 견딜 수 있도록 제작되었고, 내부 체적은 85 cm?이다. 셀은 전면부, 중앙부, 후면 부 사이에 각각 투시창과 테프론실링재를 삽입하였고, 볼트와 너트로 조립하였다.
셀은 전면부, 중앙부, 후면 부 사이에 각각 투시창과 테프론실링재를 삽입하였고, 볼트와 너트로 조립하였다. 투시창은 상평형 현상을 육안으로 관찰하기 위한 것으로, 강화유리를 사용하였다. 상평형 측정에서 상평형은 온도에 민감한 영향을 받으므로, 일정한 온도를 유지시켜 등온상태를 지속시켜주는 것이 매우 중요하다.
데이터처리
0MPa에서 상평 형 실험을 실시하였다. 아울러 실험데이터는 Peng-Robinson 상태방정식 및 Wong-Sandler 혼합규칙을 사용하여 혼 합물의 거동을 예측하였고, 이를 실험 결과와 비교 검 토하였다.
7) 시료 분석장치에 보내어진 시료는 가스크로마토그래피를 이용하여 분석한다. 기상시료와 액상 시료의 주입은 각각 개별적으로 이루어지며, 액상과 기상의 시료 분석은 위와 동일한 방법으로 한다.
본 연구에서는 할론대체소화제로 거론되고 있는 HFCs계열 물질과 이소화제의 분사 추진제로 사용되는 질소와의 이성분계 혼합물인 nitrogen/HFC-22, nitrogen /HFC-125, nitrogen/HFC-134a 등 3가지 혼합물에 대한 상평형 측정 실험을 수행하였다. 그리고, Wong- Sandler 혼합규칙과 결합된 Peng-Robinson 상태 방정식 에 의해 실험 결과를 correlation하여 실험 결과와 비교 검토하였다. 그 결과 nitrogen/HFC-22 혼합물계와 nitrogen/HFC-134a 혼합물계는 계산 결과가 실험 결과와 비교적 잘 일치하였으나 nitrogen/HFC-125 혼합물계에 대한 계산 결과는 다른 혼합물에 비해 오차가 큰 편이였다.
이론/모형
측정된 3가지 혼합물에 대한 용해도 데이터는 Peng- Robinson 상태 방정식에 의해 계산된다. 상태방정식은 다음과 같이 표현된다.
1992)과 같아질 수 있다. 본 연구에서는 활동도 계수 모델로서 NRTL 모델 (Renon and Prausnitz, 1968)을 사용하였다.
3으로 놓는다. 다음과 같은 목적함수의 매개 변수를 얻기 위해 Marquardt61 알고리즘을 사용하였다. 혼합법칙의 상호작용 계수는 상평형 데이터를 이용하여 다음의 목적함수를 최소화하도록 한다.
0 MPa에서 실험을 실시하였고 이 결과를 그림 2~4에 나타내었다. 3가지 혼합물은 Peng-Robinson상태 방정식에 의해 계산되었으며, 계산에 필요한 질소, HFC-22, HFC-125, HFC- 134a등의 순수물질에 대한 열역학적 물성치CL R,Zc, co)를 표 1에 나타내었다. Peng-Robinson상태방정식 및 Wong- Sandler 혼합규칙에 의해 계산된 상호작용 파라메터, NBTL 파라메터를 구하였으며, 모든 혼합물은 283.
3가지 혼합물은 Peng-Robinson상태 방정식에 의해 계산되었으며, 계산에 필요한 질소, HFC-22, HFC-125, HFC- 134a등의 순수물질에 대한 열역학적 물성치CL R,Zc, co)를 표 1에 나타내었다. Peng-Robinson상태방정식 및 Wong- Sandler 혼합규칙에 의해 계산된 상호작용 파라메터, NBTL 파라메터를 구하였으며, 모든 혼합물은 283.15K에서 얻어진 파라메터를 사용하여 모두 동일하게 적용시켰다. 계산된 압력, 기상값과 실험 데이 터와의 오차를 표2 및 그림5(a)-(c)에 나타내었다.
성능/효과
4) 마그네틱 펌프를 작동시켜 평형 셀 내에서 소화제의 온도가 주위 온도와 같아지고 압력이 안정될 때까지 소화제를 순환시킨다.
6) 평형셀 내의 소화제와 질소 혼합물이 1시간가량 완전혼합되어 평형 상태에 이르러 안정되면 마그네틱 교반기를 일시 정지시키고 실험하고자 하는 등온 상태 에서 혼합물의 압력을 측정한다. 압력을 측정한 후 다시 마그네틱 교반기를 계속 작동시키고, 기-액시료를 시료 분석장치에 보낸다.
그리고, Wong- Sandler 혼합규칙과 결합된 Peng-Robinson 상태 방정식 에 의해 실험 결과를 correlation하여 실험 결과와 비교 검토하였다. 그 결과 nitrogen/HFC-22 혼합물계와 nitrogen/HFC-134a 혼합물계는 계산 결과가 실험 결과와 비교적 잘 일치하였으나 nitrogen/HFC-125 혼합물계에 대한 계산 결과는 다른 혼합물에 비해 오차가 큰 편이였다. 본 연구에서 구한 고압 HFCs가스계 소화제와 질소 간의 상호용해도 data는 실제 소화시스템을 설계하는 프로그램을 제작하는 데 있어서 중요한 자료가 될 것으로 사료된다.
후속연구
그 결과 nitrogen/HFC-22 혼합물계와 nitrogen/HFC-134a 혼합물계는 계산 결과가 실험 결과와 비교적 잘 일치하였으나 nitrogen/HFC-125 혼합물계에 대한 계산 결과는 다른 혼합물에 비해 오차가 큰 편이였다. 본 연구에서 구한 고압 HFCs가스계 소화제와 질소 간의 상호용해도 data는 실제 소화시스템을 설계하는 프로그램을 제작하는 데 있어서 중요한 자료가 될 것으로 사료된다.
참고문헌 (6)
Lim, J. S., Park, J. Y., Lee, B. G., Lee, Y. W. and Kim, J. D., J. Chem. Eng. Data, 45, 734(2000)
Huber, M., Gallagher, J., McLinden, M. O. and Morrison, G., Thermodynamic Properties of Refrigerants and Refrigerant Mixtures Database, REFPROP V.6.01(NIST, 1996)
Peng, D. Y. and Robinson, D. B., 'A New Two-Constant Equation of State', Ind. Eng. Chem. Fundam, 15, 59-64(1976)
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