[논문]가연성물질의 폭발한계에 관한 연구 - 용액열역학 및 MRSM 모델에 의한 3성분계 폭발한계 -

하동명

가연성물질의 폭발한계에 관한 연구 - 용액열역학 및 MRSM 모델에 의한 3성분계 폭발한계 -
A Study on Explosive Limits of Flammable Materials - Explosive Limits of Ternary System by Means of Solution Thermodynamics and MRSM Model - 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.20 no.3 = no.71, 2005년, pp.91 - 97

Abstract ▼ AI-Helper

The research on the explosive limits is one of fundamental fields of combustion process, and information on the explosive limits of mixture of fuel and oxidant, with or without additives, is very important for the prevention in industrial fire and explosion accidents. Explosive limits of all compounds and solvent mixtures can be calculated with the appropriate use of the fundamental laws of Raoult, Batten, Le Chatelier and MRSM(modified response surface methodology) model. In this study, the reference values of lower explosive limits(LEL) of the ethanol+toluene+ethylacetate system were compared with the calculated values by using the solution thermodynamics and the MRSM model, respectively. The values calculated by the proposed equations were a good agreement with literature data within a few percent. By means of this methodology, it is possible to evaluate reliability of experimental data of the lower explosive limits of the flammable mixtures. Also, from given results, it is possible to predict explosive limits of the other flammable liquid mixtures used in the chemical process by the use of the proposed equations.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 그동안 혼합용액의 특성인 끓는점과 연소 특성인 인화점 추산에 이용하였던 RSM 모델^8,^9,17,18), 그리고 MRSM 모델을 사용하여 가연성혼합물질의 액상조성을 사용하여 폭발한계를 예측이 가능한지를 시도하였으며, 기존의 추산 방법에 의한 결과와 비교 검토하고자 한다.
본 연구에서는 앞서 사용한 ethanol + toluene + ethylacetate계의 자료를 사용하여 RSM 모델 및 MRSM 모델들에 의한 폭발한계의 추산값을 문헌값과 비교하고자 한다.
또한 MRSM 모델과 수치해석 방법에 의해 3성분계 등폭발하한계선(IsoLEL line)을 plotting하여 3성분계를 구성하는 여러 액상 조성에서 폭발하한계 값들을 시각적으로 나타내었다. 제시된 방법론은 공정에서 사용하는 다양한 가연성혼합용제의 폭발한계 연구에 도움을 주고, 실험에서 얻은 자료들의 신뢰성 평가에 이용하며, 그리고 실험에서조차 얻기 어려운 가연성 혼합물의 폭발한계 예측 방법으로 사용하는데 그 목적이 있다.

제안 방법

RSM 모델과 MRSM 모델을 이용하여 ethanol + toluene + ethylacetate계의 폭발한계를 추산한 결과, MRSM모델에 의해 추산된 추산값이 RSM모델들보다 문헌값과 비교해서 차이가 적으므로, 본 연구에서는 MRSM모델에 의해 폭발한계 추산을 시도하였다.
가연성 3성분계 액체 혼합물의 조성과 폭발하한계범위 내에서 계산된 폭발하한계와 조성값을 plotting하여 혼합물의 등폭발하한계 선을 도시하였다.
가연성액체 혼합물의 폭발한계 추산식인 MRSM 모델을 이용하여 액상 조성 변화에 따른 등폭발한계선(IsoLEL line)을 도시하였다. 등폭발하한계선을 도시하기 위해서는 각 조성 변화에 따른 등폭발 하한계 선을 계산하는 과정과 그 결과를 이용하여 도시하는 과정으로 나누어진다.
가연성혼합용제인 ethanol + toluene + ethylacetate계에 대해 Raoult의 법칙, Dalton의 법칙, Le Chatelier법칙 그리고 용액열역학 이론을 근거로 기체상의 조성이 아니고 액체상의 조성을 이용하여 폭발한계를 예측하였다. 또한 RSM모델과 MRSM 모델들을 이용하여 폭발한계를 예측하였고, plotting에 의해 등폭발하한계(IsoLEL)를 도시한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
그리고 가연성 혼합용액의 물리적 특성인 끓는점과 연소 특성인 인화점 예측 식으로 사용된 RSM(response surfece methodology) 모델과 MRSM(modified RSM) 모델^8,⁹⁾을 이용하여 3성분계 혼합물의 폭발한계를 추산하여 기존의 추산식에 의한 결과와 비교 검토하였다. 또한 MRSM 모델과 수치해석 방법에 의해 3성분계 등폭발하한계선(IsoLEL line)을 plotting하여 3성분계를 구성하는 여러 액상 조성에서 폭발하한계 값들을 시각적으로 나타내었다.
그리고 가연성 혼합용액의 물리적 특성인 끓는점과 연소 특성인 인화점 예측 식으로 사용된 RSM(response surfece methodology) 모델과 MRSM(modified RSM) 모델^8,⁹⁾을 이용하여 3성분계 혼합물의 폭발한계를 추산하여 기존의 추산식에 의한 결과와 비교 검토하였다. 또한 MRSM 모델과 수치해석 방법에 의해 3성분계 등폭발하한계선(IsoLEL line)을 plotting하여 3성분계를 구성하는 여러 액상 조성에서 폭발하한계 값들을 시각적으로 나타내었다. 제시된 방법론은 공정에서 사용하는 다양한 가연성혼합용제의 폭발한계 연구에 도움을 주고, 실험에서 얻은 자료들의 신뢰성 평가에 이용하며, 그리고 실험에서조차 얻기 어려운 가연성 혼합물의 폭발한계 예측 방법으로 사용하는데 그 목적이 있다.
예측하였다. 또한 RSM모델과 MRSM 모델들을 이용하여 폭발한계를 예측하였고, plotting에 의해 등폭발하한계(IsoLEL)를 도시한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 용액열역학 개념^6,7)을 근거로 기상 조성 계산의 번거러움을 덜고 액상 조성을 바로 사용하여 가연성 3성분계의 폭발하한계(LEL, lower explosive limit)를 예측하는 방법을 제시하였으며, 예측 식에서 얻어진 예측값을 실험값'과 비교하였다. 그리고 가연성 혼합용액의 물리적 특성인 끓는점과 연소 특성인 인화점 예측 식으로 사용된 RSM(response surfece methodology) 모델과 MRSM(modified RSM) 모델^8,⁹⁾을 이용하여 3성분계 혼합물의 폭발한계를 추산하여 기존의 추산식에 의한 결과와 비교 검토하였다.
LEL(x_i)를 표현하는 식은 #을 이용하여 x_i=1-X_j-X_k(i, j 및 k는 1, 2 및 3)로 놓고 MRSM 모델에 대입하여 두 성분(x_j, X_k)만으로 된 식과 3성분(x_i, x_j 및 x_k)의 모든 성분을 고려한 식을 생각할 수 있다. 위 두 가지 방법은 동일하며, 본 연구에서는 RSM 모델의 경우는 전자를, MRSM 모델의 경우는 후자의 방법으로 계산하였다.
00001) 범위 내에 있을 때 그 때 조성이 폭발하한계를 만족하는 조성이 된다. 위와 같은 방법을 3성분계를 구성하는 각 조성에 대해 모두 적용하여, 등폭발하한계 선의 형태에 따라 임의의 조성에서 발산이나 진동에 의한 계산상의 문제점을 보완하였다.
17VO₁% 차이로 예측의 가능성을 찾은 바 있었다. 이를 바탕으로 본 연구에서 3성분계에 대한 예측을 연구하였다. 예측 결과로 역시 문헌값과 실험값이 적은 오차 범위에서 일치함으로 본 연구에서 제시한 예측 방법론으로 타당하다고 사료된다.

이론/모형

등폭발하한계선을 도시하기 위해서는 각 조성 변화에 따른 등폭발 하한계 선을 계산하는 과정과 그 결과를 이용하여 도시하는 과정으로 나누어진다. MRSM 모델에 의한 3성분계 등폭발하한계선의 계산 알고리즘은 Newton-Raphson법을 이용하였다.^8,9,19)
있는 식으로 전개될 수 있다. 따라서 Le Chatelier, Dalton 및 Raoult의 법칙과 액상의 조성 그리고 폭발한계의 온도의존식을 이용하여 폭발한계를 예측할 수 있다.
본 연구에서 사용된 가연성 3성분계인 ethanol + toluene + ethylacetate계⁵⁾의 폭발하한계를 예측하기 위해 Dalton과 Raoult식을 사용하였고, 또한 폭발하한계 예측에 필요한 증기압은 Antoine식¹³⁾을 사용하였다.
본 연구에서 제시한 이론식에 의한 예측값과 문헌값의 차이의 정도를 알기 위해 통계학에서 많이 사용하는 A.A.P.E.(average absolute percent error) 와 A.A.D.(average absolute deviation)을 사용하였다^15,16).
액상 조성을 이용하여 폭발한계를 예측하기 위해서 Dalton과 Raoult의 법칙에 적용하여 기상 조성을 액상 조성으로 변경할 수 있으며, 이를 기상의 조성으로 전개하면 다음과 같다.

성능/효과

1) 용액열역학이론에 의해 액상 조성을 이용하여 폭발하한계를 예측한 결과 실험값과 예측값은 0.197vol%의 차이를 보였다.
2) 가연성 3성분계 혼합용액의 액상 조성으로도 폭발하한계의 예측이 가능하다.
3) 용액열역학 개념을 이용한 예측값은 25℃의 폭발하한계값에 크게 영향을 받으므로 정확한 폭발 하한계값의 사용이 필요하다.
5) 제시한 MRSM 모델에 의해 3성분계 등폭발하한계선을 plotting하여 3성분계를 구성하는 여러 조성에서 폭발하한계 값들을 시각적으로 쉽게 나타내었다.
Table 4에서 추산식에 의한 추산값과 문헌값을 비교한 결과, 용액열역학 개념을 이용한 폭발하한계추산은 A.A.D. 가 0.192vol%로서 문헌값과 약간의 차이가 있음을 알 수 있으나, 본 연구에서 제시한 MRSM모델에 의한 추산값을 문헌값과 비교한 결과 A.A.D.는 O.OlOvol%로서, 제시한 방법론에 의해 가연성 혼합용액의 특성치인 끓는점 및 인화점 예측뿐만 아니라, 다른 조성의 폭발한계의 추산도 가능해졌다.
예측 결과로 역시 문헌값과 실험값이 적은 오차 범위에서 일치함으로 본 연구에서 제시한 예측 방법론으로 타당하다고 사료된다. 따라서 제시된 방법론으로 실험기서 얻은 자료의 신뢰성 평가에 이용할 수 있으며, 또한 산업 현장에서 많이 사용되고 있는 다른 다성분계(multicomponent system) 혼합용제의 위험성 평가에 사용이 가능해졌다.
이를 바탕으로 본 연구에서 3성분계에 대한 예측을 연구하였다. 예측 결과로 역시 문헌값과 실험값이 적은 오차 범위에서 일치함으로 본 연구에서 제시한 예측 방법론으로 타당하다고 사료된다. 따라서 제시된 방법론으로 실험기서 얻은 자료의 신뢰성 평가에 이용할 수 있으며, 또한 산업 현장에서 많이 사용되고 있는 다른 다성분계(multicomponent system) 혼합용제의 위험성 평가에 사용이 가능해졌다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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