열매체유는 화학공장의 가열시스템, 열교환 시스템, 가스플랜트 공정, 사출성형 시스템 및 펄프제지 공정 등에 사용된다. 열매체유는 고열이나 산화분해에 아주 안정하고 저항성이 있으며, 누출이나 방출의 경우 점화원을 만나면 쉽게 발화한다. 본 논문은 열메체유의 신유와 사용유에 대해 인화성과 열적 안정성을 고찰하였다. 열매체유의 인화성은 인화점과 자연발화점을 측정하여 평가하였고, 열적안정성은 열안정성시험기와 시차주사열량기를 사용하여 평가하였다. 실험결과로부터 열매체유의 적절한 사용과 취급과 관련된 안전대책 수립을 위해 화재 위험 특성을 제시하였다.
열매체유는 화학공장의 가열시스템, 열교환 시스템, 가스플랜트 공정, 사출성형 시스템 및 펄프제지 공정 등에 사용된다. 열매체유는 고열이나 산화분해에 아주 안정하고 저항성이 있으며, 누출이나 방출의 경우 점화원을 만나면 쉽게 발화한다. 본 논문은 열메체유의 신유와 사용유에 대해 인화성과 열적 안정성을 고찰하였다. 열매체유의 인화성은 인화점과 자연발화점을 측정하여 평가하였고, 열적안정성은 열안정성시험기와 시차주사열량기를 사용하여 평가하였다. 실험결과로부터 열매체유의 적절한 사용과 취급과 관련된 안전대책 수립을 위해 화재 위험 특성을 제시하였다.
Heat transfer oils are used in applications such as heating systems of chemical plant, refinery heat exchange systems, gas plant process, injection molding systems, and pulp and paper processing. These oils are extremely stable and resistance to thermal and oxidative degradation. In the event of a s...
Heat transfer oils are used in applications such as heating systems of chemical plant, refinery heat exchange systems, gas plant process, injection molding systems, and pulp and paper processing. These oils are extremely stable and resistance to thermal and oxidative degradation. In the event of a spill or accidental release of heat transfer oils, it can be ignite easily when there is an ignition source. This paper discusses the flammability and thermal stabilities of new and used oils. The flammability of the oils are assessed by measuring changes in flash point and auto ignition temperature. The thermal stability of oils are evaluated by the thermal screening unit ($TS^u$) and the differential scanning calorimeter (DSC). From the experimental results, it is suggested to give fire hazard characteristics to safe precautions for the proper use and treatment of heat transfer oils.
Heat transfer oils are used in applications such as heating systems of chemical plant, refinery heat exchange systems, gas plant process, injection molding systems, and pulp and paper processing. These oils are extremely stable and resistance to thermal and oxidative degradation. In the event of a spill or accidental release of heat transfer oils, it can be ignite easily when there is an ignition source. This paper discusses the flammability and thermal stabilities of new and used oils. The flammability of the oils are assessed by measuring changes in flash point and auto ignition temperature. The thermal stability of oils are evaluated by the thermal screening unit ($TS^u$) and the differential scanning calorimeter (DSC). From the experimental results, it is suggested to give fire hazard characteristics to safe precautions for the proper use and treatment of heat transfer oils.
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문제 정의
앞에서 언급한 사고사례에서 보듯이 열매체유에 의한 화재는 누출된 열매체유와 점화원의 반응에 의한 결과로서 열매체유의 상태가 화재발생에 결정적인 영향을 주고 있음을 암시하고 있다. 따라서 본 연구에서는 화재 현장에서 수거된 열매체유를 대상물질로 열분석 및 열안전성 등의 실험을 통하여 해당물질의 인화특성과 열안정성을 평가하여 열매체유의 사용 및 취급과 관련된 위험특성 자료를 제공하여 화재 사고예방에 기여하고자 하였다.
본 연구는 열매체유 펌프의 정비작업 중 열매체유가 누출되어 일어난 화재사고의 원인물질인 열매체유(Mobiltherm 603)의 신유와 사용유에 대한 인화성과 열안정성을 평가한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
TSu는 온도 프로그램 하에서 시료의 온도 및 압력 변화를 측정하는 장치로, 200bar의 압력을 견딜 수 있는 테스트 셀에 시료를 투입한 후 뚜껑에 장착하여 오븐에 넣어 가열하게 된다. 열안정성 시험을 통해 외부 가열에 따른 시료의 온도 및 압력 거동을 동시에 측정하여 열적 위험성을 판단하는데 필요한 자료를 얻었다.
제안 방법
열분석은 대상 시료에 대하여 DSC와 TGA를 사용하여 실시하였다. DSC는 시료의 산화안정성 및 열적거동을 관찰하고자 공기 및 질소 분위기에서 시료가 담긴 용기의 가스 노출 환경에 따라 3가지 종류의 팬(pan)을 사용하였다. 또한 TGA를 이용해 공기 및 질소 분위기에 따른 열분해 거동을 관찰하였다.
시험방법은 시료물질의 양을 약 10 mg을 분취하여 alumina(aluminum oxide) 재질의 시료용기에 넣어 저울에 올려 놓은 후, 공기 및 질소 분위기(유량 50 ㎖/min)에서 10 ℃/min의 승온속도로 25 ∼ 500 ℃ 온도범위에서 측정하였다. DSC를 이용하여 신유 및 사용유의 산화개시온도 및 열 안정성을 평가하고, TGA를 통해 온도에 따른 휘발물질의 구성비 등을 분석하였다.
DSC는 시료의 산화안정성 및 열적거동을 관찰하고자 공기 및 질소 분위기에서 시료가 담긴 용기의 가스 노출 환경에 따라 3가지 종류의 팬(pan)을 사용하였다. 또한 TGA를 이용해 공기 및 질소 분위기에 따른 열분해 거동을 관찰하였다.
시험방법은 시료물질의 양을 약 10 mg을 분취하여 alumina(aluminum oxide) 재질의 시료용기에 넣어 저울에 올려 놓은 후, 공기 및 질소 분위기(유량 50 ㎖/min)에서 10 ℃/min의 승온속도로 25 ∼ 500 ℃ 온도범위에서 측정하였다.
열분석은 대상 시료에 대하여 DSC와 TGA를 사용하여 실시하였다. DSC는 시료의 산화안정성 및 열적거동을 관찰하고자 공기 및 질소 분위기에서 시료가 담긴 용기의 가스 노출 환경에 따라 3가지 종류의 팬(pan)을 사용하였다.
인화점 시험장비는 태그 밀폐식 장치(TAG4, Petrotest Co., 독일)와 펜스키마텐스 밀폐식 (Pensky-Martens closed cup tester, Tanaka scientific, Ltd., 일본) 및 클리브랜드 개방식(Cleveland open cup tester, Tanaka scientific, Ltd., 일본)을 사용하였다. 실험은 KS M 2010 : 2004 "원유 및 석유 제품 인화점 시험 방법" 시험규격에 따라 수행하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 물질은 열매체유로서 신유 및 사용유를 사고발생 사업장에서 제공받은 파라핀오일계열의 열매체유(Mobiltherm 603)로, 물리화학적 특성은 Table 1에 나타내었다[4].
연구 대상공정은 2009년 3월 (주)OO 공장의 열매체유 공급펌프의 미케니컬실에서 누유 등이 발견되어 정비보수 작업을 위해 해당공정의 설비전원 및 펌프의 inlet/outlet 밸브를 차단한 후에 볼트를 제거하는 과정에서 플랜지 연결부로부터 배관 내부의 잔류 열매체유가 누출되면서 화재가 발생하였다.
시차주사열량계(Differential Scanning Calorimeter, DSC)는 DSC 1(Mettler Toledo AG, 스위스)로, 실험은 ASTM E2009-02(Standard test method for oxidation onset temperature of hydrocarbons by DSC : Test method C) 시험규격에 따라 수행하였다. 열중량분석기(Thermo Gravimetric Analyzer, TGA)는 TGA/DSC 1(Mettler Toledo AG, 스위스)를 사용하였다. 시험방법은 시료물질의 양을 약 10 mg을 분취하여 alumina(aluminum oxide) 재질의 시료용기에 넣어 저울에 올려 놓은 후, 공기 및 질소 분위기(유량 50 ㎖/min)에서 10 ℃/min의 승온속도로 25 ∼ 500 ℃ 온도범위에서 측정하였다.
이론/모형
시차주사열량계(Differential Scanning Calorimeter, DSC)는 DSC 1(Mettler Toledo AG, 스위스)로, 실험은 ASTM E2009-02(Standard test method for oxidation onset temperature of hydrocarbons by DSC : Test method C) 시험규격에 따라 수행하였다. 열중량분석기(Thermo Gravimetric Analyzer, TGA)는 TGA/DSC 1(Mettler Toledo AG, 스위스)를 사용하였다.
실험은 KS M 2010 : 2004 "원유 및 석유 제품 인화점 시험 방법" 시험규격에 따라 수행하였다.
(3) 열안정성
열안정성(thermal stability)은 영국 HEL사에서 개발한 시험기인 열안정성 시험기(Thermal Screening Unit, TSu)로 측정하였다. TSu는 온도 프로그램에 따른 화학물질의 물리적 특성을 온도의 함수로 측정하는 열분석장치의 일종이다.
자연발화온도(autoignition temperature) 측정에 사용된 장비는 ZPA-3 Semiautomatic autoignition tester(Petrotest Co., 독일)이며, 실험은 DIN 51794 (2003) "Determining the ignition temperature of petroleum products" 규격을 적용하여 자연발화점을 측정하였다.
성능/효과
(1) 신유 및 사용유의 인화점은 각각 225 ℃, 143 ℃이며, 사용유가 신유에 비하여 화재의 위험성이 증가함을 알 수 있었다.
(2) 신유와 사용유의 자연발화점은 322℃와 250℃로, 사용유의 자연발화점이 현저하게 낮아지는 결과를 보여주었다. 사용유의 자연발화점은 실 공정조건인 280 ℃ 보다 30 ℃ 낮은 값으로, 사용유가 운전 중에 공기중에 누출되는 경우에는 자연발화의 가능성이 상존함을 알 수 있다.
(3) 밀봉셀을 이용하여 TSu로 신유 및 사용유에 대해 해당공정의 온도까지 가열하여도 휘발성물질의 증발이나 열분해로 인한 급격한 압력 상승은 관찰되지 않았다. 따라서 열매체유가 밀폐계에서 열적으로 안정하다는 것을 알 수 있었다.
(4) 신유 및 사용유에 대한 DSC 시험결과, Pinhole pan을 사용하여 공기 분위기 하에서 신유와 사용유의 산화개시온도는 192 ℃와 204 ℃로 나타났다. 또한, 질소 분위기 하에서 신유와 사용유의 발열개시온도는 372 ℃와 365 ℃로 나타났다.
로 신유 및 사용유에 대해 해당공정의 온도까지 가열하여도 휘발성물질의 증발이나 열분해로 인한 급격한 압력 상승은 관찰되지 않았다. 따라서 열매체유가 밀폐계에서 열적으로 안정하다는 것을 알 수 있었다.
4에 나타내었다. 신유 및 사용유를 10 ℃/min의 속도로 가열한 후 280 ℃에서 400 분간 등온으로 가열한 결과, 분해로 인한 발열 또는 휘발 물질에 의한 급격한 압력 증가 현상은 보이지 않았으며, 압력은 온도에 따라 증가하다가 등온단계에서 1 bar를 넘지 않았다. 이를 통해 열매체유의 신유 및 사용유 모두 밀폐계에서 비교적 열적으로 안정하다고 할 수 있다.
Table 3은 신유 및 사용유에 대한 자연발화점 결과를 나타낸다. 자연발화점 분석결과, 신유가 사용유보다 높은(평균 72 ℃) 결과를 보였다. 또한 사용유는 3회의 시험에서 반복성 오차(5 ℃)를 초과하여 2회의 시험을 추가로 실시하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열매체유란 무엇인가?
열매체유(heat transfer oils)는 열교환기 등을 통하여 공정상의 물질을 간접적으로 가열 또는 냉각시키기 위하여 사용되는 물질로, 화학공업, 플라스틱 및 제지 공업, 의약품 공업 등에 다양하게 사용되고 있다[1]. 열매체유는 열을 가열하여 발생된 증기의 잠열과 압력을 이용하는 시스템에 비해 고온에서 안정성이 우수하고, 저압의 조건에서도 사용되며, 부식방지성이 뛰어나는 등의 장점이 있으나, 일정한 압력 하에서 인화점 이상의 온도로 가열된 상태에서 장시간 작동하게 되면 각종 밸브나 연결부위에서 누출이 일어나기 쉽고, 점화원이 있으면 쉽게 발화할 위험이 크다는 단점도 있다[2].
Mobiltherm 603 열매체유의 신유와 사용유에 대한 인화성과 열안정성을 평가한 결과는 어떠한가?
(1) 신유 및 사용유의 인화점은 각각 225 ℃, 143 ℃이며, 사용유가 신유에 비하여 화재의 위험성이 증가함을 알 수 있었다.
(2) 신유와 사용유의 자연발화점은 322℃와 250℃로, 사용유의 자연발화점이 현저하게 낮아지는 결과를 보여주었다. 사용유의 자연발화점은 실 공정조건인 280 ℃ 보다 30 ℃ 낮은 값으로, 사용유가 운전 중에 공기중에 누출되는 경우에는 자연발화의 가능성이 상존함을 알 수 있다.
(3) 밀봉셀을 이용하여 TSu로 신유 및 사용유에 대해 해당공정의 온도까지 가열하여도 휘발성물질의 증발이나 열분해로 인한 급격한 압력 상승은 관찰되지 않았다. 따라서 열매체유가 밀폐계에서 열적으로 안정하다는 것을 알 수 있었다.
(4) 신유 및 사용유에 대한 DSC 시험결과, Pinhole pan을 사용하여 공기 분위기 하에서 신유와 사용유의 산화개시온도는 192 ℃와 204 ℃로 나타났다. 또한, 질소 분위기 하에서 신유와 사용유의 발열개시온도는 372 ℃와 365 ℃로 나타났다.
열매체유에 의한 화재의 특징은?
앞에서 언급한 사고사례에서 보듯이 열매체유에 의한 화재는 누출된 열매체유와 점화원의 반응에 의한 결과로서 열매체유의 상태가 화재발생에 결정적인 영향을 주고 있음을 암시하고 있다. 따라서 본 연구에서는 화재 현장에서 수거된 열매체유를 대상물질로 열분석 및 열안전성 등의 실험을 통하여 해당물질의 인화특성과 열안정성을 평가하여 열매체유의 사용 및 취급과 관련된 위험특성 자료를 제공하여 화재 사고예방에 기여하고자 하였다.
참고문헌 (6)
Al-Sammerrai D., "Study of Thermal Stabilities of Some Heat Transfer Oils", Journal of Thermal Analysis, 30, 736-770, (1985)
Maragkos, A. and Bowen, P. J., "Combustion Hazards due to Impingment of Pressurized Releases of High-Flashpoint Liquid Fuels", Proceedings of the Combustion Institute, 29, 305-311, (2002)
Young-Shin Cho, Mi-Ja Shim, and Sang-Wook Kim, "Thermal Degradation Kinetics of PE by the Kissinger Equation", Material Chemistry and Physics, 52, 94-97, (1998)
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