[논문]사이클로펜탄올의 연소특성치의 측정

하동명

doi:10.7842/kigas.2014.18.2.35

초록
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사이클로펜탄올의 안전한 취급을 위해, 폭발한계는 문헌을 통해 고찰하였으며, 인화점과 발화지연시간에 의한 자연발화온도는 장치를 이용하여 측정하였다. 그 결과, 사이클로펜탄올의 밀페식 장치에 의한 하부인화점은 $49^{\circ}C$로 측정되었으며, 개방식에서는 $59^{\circ}C$로 측정되었다. ASTM E659 장치를 사용하여 자연발화온도와 발화지연시간을 측정하였고, 사이클펜탄올의 최소자연발화온도는 $363^{\circ}C$로 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

For the safe handling of cyclopentanol, this study was investigated the explosion limits of cyclopentanol in the reference data. The flash points and AITs(auto-ignition temperatures) by ignition delay time were experimented. The lower flash point of cyclopentanol by using closed-cup cyclopentanol wa...

For the safe handling of cyclopentanol, this study was investigated the explosion limits of cyclopentanol in the reference data. The flash points and AITs(auto-ignition temperatures) by ignition delay time were experimented. The lower flash point of cyclopentanol by using closed-cup cyclopentanol was experimented at $49^{\circ}C$. The lower flash points of cyclopentanol by using open cup tester was experimented at $59^{\circ}C$. This study measured relationship between the AITs and the ignition delay times by using ASTM E659 tester for cyclopentanol. The experimental AIT of cyclopentanol was at $363 ^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서 사이클로펜탄올의 인화점과 자연발화온도를 측정하여 기존의 자료와 비교하였고, 폭발한계는 여러 문헌에 제시된 자료의 타당성을 검토하기 위해 측정된 인화점을 이용하여 계산하였다. 본 연구에서 제시된 사이클로펜탄올의 자료는 이를 취급하는 공정에서 안전을 확보하는 지침 마련과 MSDS의 최신화에 유용한 정보를 제공하는데 목적이 있다.

제안 방법

1 ml를 넣는다. 그리고 10분 동안 관찰 후 발화가 일어나지 않으면 다시 온도를 설정한 후 10분전에 발화가 일어나면 설정 온도 보다 30℃ 낮게 설정하고 3~5℃ 혹은 10℃씩 증가시키면서 측정하며, 발화가 일어났을 때 시간과 온도를 기록한다.
본 실험에서는 사이클로펜탄올의 최소자연발화온도가 문헌에 전혀 제시되지 않고 있어서, 문헌에 제시된 사이클로헥산올의 최소자연발화온도 300 ℃를 근거[3,4]로 최초실험을 하였다. 실험한 결과 발화가 되지 않았으며, 또한 30 ℃를 상승시킨 330 ℃에서 실험한 결과 역시 비발화하였다.
본 실험에서는 액체 화학물질의 자연발화점 측정 장치로서 ASTM E659 장치를 사용하여 자연발화온도를 측정하였으며, 장치는 크게 Furnance, Temperature Controller, Thermocouple, Test Flask, Hypodermic Syringe, Mirror, Air Gun으로 구성되어 있다[8].
본 연구에서 사이클로펜탄올의 인화점과 자연발화온도를 측정하여 기존의 자료와 비교하였고, 폭발한계는 여러 문헌에 제시된 자료의 타당성을 검토하기 위해 측정된 인화점을 이용하여 계산하였다.
본 연구에서는 사이클로펜탄올의 인화점과 최소자연발화온도(AIT)를 측정하였고, 측정된 인화점을 이용하여 폭발한계를 계산한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 사이클로펜탄올(Alfa Aesar, 99%)의 시료는 별도의 정제과정을 거치지 않고 사용한다.
본 연구의 대상물질인 사이클로펜탄올은 향수, 제약용제, 염료, 의약품 그리고 기타 유기물에 대한 중간 제품 등으로서 다양하게 사용되고 있다. 본 연구에서 사이클로펜탄올의 인화점과 자연발화온도를 측정하여 기존의 자료와 비교하였고, 폭발한계는 여러 문헌에 제시된 자료의 타당성을 검토하기 위해 측정된 인화점을 이용하여 계산하였다.
몸체부는 가열공기조, 전원 개폐기, 전열 조절기 등으로 구성되어 있다. 시료 장치부는 시료컵, 온도계 삽입구, 시료컵 상부 개폐기 손잡이로 구성되어 있다. 화염 공급부는 화염 접근장치, 연료통, 화염 조절기, 가스관, 가스 안전밸브 등으로 구성되어 있다.

이론/모형

사이클로펜탄올의 폭발한계의 자료를 검증하기 위해 Antoine 식[9]을 사용하여 폭발하한계를 산출하였는데, 사용된 Antoine 식은 다음과 같다.
식 (3)에 의한 예측된 발화지연시간들을 실험값과 비교하여 Table 5과 Figure 1에 나타내었다. 추산값과 문헌값의 차이의 정도를 알기 위해 A.A.D.(Average Absolute Deviation) 와 상관계수(r)를 사용하였다[7,8].

성능/효과

1) Setaflash 밀폐식의 인화점은 49 ℃, Tag와 Cleveland 개방식의 인화점은 59 ℃로 측정되었다.
3) 사이클로펜탄올의 최소자연발화온도는 문헌에 전혀 제시된바가 없다. 그러나 본 연구에서는 363℃로 측정되었다.
5) Semenov식을 이용하여 계산된 사이클로펜탄올의 활성화에너지(E)는 77.45 kJ/mol이다.
본 실험에서 얻은 하부인화점을 적용하는 경우 폭발하한계를 예측한 결과, Setaflash 밀폐식에서 얻은 실험값 49 ℃는 약 1.45 Vol%로 계산되었고, Tag와 Cleveland 개방식에서 얻은 59 ℃는 2.62 Vol%로 예측되었다. 계산된 폭발하한계 1.

후속연구

따라서 공정안전을 위해서는 사이클로펜탄올의 인화점의 고찰뿐만 아니라, 최소자연발화온도 그리고 폭발한계의 연구가 반드시 이루어져야 한다. 특히 자연발화온도는 연료의 구조, 개시온도, 화학양론비, 용기의 크기, 촉매, 유속, 가연속도, 가열원의 종류 그리고 지연시간 등 많은 인자에 의존하므로 다양한 연구가 필요하며, 최적의 공정설계를 위해는 정확한 자연발화온도와 발화지연시간의 실험적 연구도 필요하다.
본 연구에서 사이클로펜탄올의 최소자연발화온도가 363 ℃로 새로운 자료를 제시하게 되었다. 따라서 본 연구에서 제시된 최소자연발화온도를 공정 안전에 활용하기를 기대한다.
따라서 공정안전을 위해서는 사이클로펜탄올의 인화점의 고찰뿐만 아니라, 최소자연발화온도 그리고 폭발한계의 연구가 반드시 이루어져야 한다. 특히 자연발화온도는 연료의 구조, 개시온도, 화학양론비, 용기의 크기, 촉매, 유속, 가연속도, 가열원의 종류 그리고 지연시간 등 많은 인자에 의존하므로 다양한 연구가 필요하며, 최적의 공정설계를 위해는 정확한 자연발화온도와 발화지연시간의 실험적 연구도 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사이클로펜탄올이 피해야 하는 발화원은?	사이클로펜탄올은 화재시 자극성, 부식성, 독성가스를 발생할 수 있으며, 가열시 용기가 폭발할 수 있다. 피해야할 발화원은 열, 화염, 스파크 및 기타 점화원 등이며, 플라스틱과 접촉을 피해야 한다. 그리고 산화제와의 접촉을 피해야 한다.
	인화점의 정의는?	인화점(Flash Point)은 하부인화점과 상부인화점으로 나누고 있으며, 일반적으로 하부인화점을 인화점이라 한다. 인화점은 가연성 액체의 화재 위험성을 나타내는 지표로써, 가연성액체의 액면 가까이서 인화할 때 필요한 증기를 발산하는 액체의 최저온도로 정의한다. 폭발한계(Explosion Limit)는 가연성가스 및 증기를 취급하는 공정에서 안전을 위해 고려해야 할 변수로써, 발화원이 존재할 때 가연성가스와 공기가 혼합하여 일정 농도범위 내에서만 연소가 이루어지는 혼합범위를 말한다.
	폭발한계란?	인화점은 가연성 액체의 화재 위험성을 나타내는 지표로써, 가연성액체의 액면 가까이서 인화할 때 필요한 증기를 발산하는 액체의 최저온도로 정의한다. 폭발한계(Explosion Limit)는 가연성가스 및 증기를 취급하는 공정에서 안전을 위해 고려해야 할 변수로써, 발화원이 존재할 때 가연성가스와 공기가 혼합하여 일정 농도범위 내에서만 연소가 이루어지는 혼합범위를 말한다. 특히 폭발한계는 초기 온도, 초기 압력, 불활성가스의 농도, 화염전파 방향, 장치의 표준상태, 물리적 상태 등에 영향을 받으므로 문헌에 따라 다른 값들이 제시되고 있다.

참고문헌 (10)

Crowl, D.A. and J. F. Louvar, " Chemical Process Safety Fundamentals with Application", 2nd ed., Pearson Education Inc., (2002)
Babrauskas, V., "Ignition Handbook", Fire Science Publishers, SFPE, (2003)
Lide,D.R., "Handbook Chemistry and Physics", 76th ed., CRC Press, (1996)
NFPA, "Fire Hazard Properties of Flammable Liquid, Gases, and Volatile Solids", NFPA 325M, NFPA, (1991)
Lenga, R.E.. and K.L. Votoupal, "The Sigma Aldrich Library of Regulatory and Safety Data, Volume I-III", Sigma Chemical Company and Aldrich Chemical Company Inc., (1993)
Dean, J.A., "Lange's Handbook of Chemistry", 14th ed. McGraw-Hill (1992)
Ha, D.M., "The Measurement of Fire and Explosion Properties of n-Pentadecane", J. of the Korean Society of Safety, 28(4), 53-57, (2013)

원문보기 상세보기
Ha, D.M., "Risk Assessment by means of Measurement of Combustible Characteristics for n-Noanol", J. of the Korean Institute of Fire Sci. & Eng., 26(2), pp. 84-89, (2012)

원문보기 상세보기
Gmehing, J., U. Onken and W. Arlt, "Vapor-Liquid Equilibrium Data Collection", DECHEMA, (1980)
Semenov, N.N., "Some Problems in Chemical Kinetics and Reactivity, Vol. 2", Princeton University Press, Princeton, N.J., (1959)

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