화학물질을 다루는 실험실의 안전사고는 매년 끊이지 않고 있다. 특히 대학 내 실험실은 학생들이 주된 연구자로써 지식과 능력을 쌓아가고 경험을 축적하는 곳이기에 실험실의 안전은 더욱 중요하다. 학 내 실험실에서 주로 사용하는 5가지의 가스(CO, $NH_3$, $H_2$, $CH_4$, $N_2$)를 선정하여 이 가스들이 누출 될 경우의 시나리오들로부터 확산 과정을 PHAST v.6.7로 계산, 분석함으로써 피해 정도를 예측하였다. 실험실 내부 확산과정은 Computational Fluid Dynamics(CFD) 프로그램 FLUENT를 통하여 모델링하였다. 가스 누출 시 실험실 창을 통해 외부로 유출 될 경우 실내와 실외의 피해 영향에 대해서도 비교하였다. 각 가스들의 모델링 결과를 보면, 실험실 외부보다는 실험실 내부에서 그 피해 정도가 훨씬 큰 데, 학 내 실험실에서 일반적으로 사용하는 가스 용기, 즉 실린더의 용량은 47 L(혹은 그 이하)로 ton 단위로 사용하는 사업장에 비하면 그 양이 현저히 적기 때문에 실외의 영향이 플랜트와 비교해서 현저히 작다. 하지만 시뮬레이션 결과 작은 양으로도 실내에서는 큰 피해가 발생할 수 있음을 보여준다.
화학물질을 다루는 실험실의 안전사고는 매년 끊이지 않고 있다. 특히 대학 내 실험실은 학생들이 주된 연구자로써 지식과 능력을 쌓아가고 경험을 축적하는 곳이기에 실험실의 안전은 더욱 중요하다. 학 내 실험실에서 주로 사용하는 5가지의 가스(CO, $NH_3$, $H_2$, $CH_4$, $N_2$)를 선정하여 이 가스들이 누출 될 경우의 시나리오들로부터 확산 과정을 PHAST v.6.7로 계산, 분석함으로써 피해 정도를 예측하였다. 실험실 내부 확산과정은 Computational Fluid Dynamics(CFD) 프로그램 FLUENT를 통하여 모델링하였다. 가스 누출 시 실험실 창을 통해 외부로 유출 될 경우 실내와 실외의 피해 영향에 대해서도 비교하였다. 각 가스들의 모델링 결과를 보면, 실험실 외부보다는 실험실 내부에서 그 피해 정도가 훨씬 큰 데, 학 내 실험실에서 일반적으로 사용하는 가스 용기, 즉 실린더의 용량은 47 L(혹은 그 이하)로 ton 단위로 사용하는 사업장에 비하면 그 양이 현저히 적기 때문에 실외의 영향이 플랜트와 비교해서 현저히 작다. 하지만 시뮬레이션 결과 작은 양으로도 실내에서는 큰 피해가 발생할 수 있음을 보여준다.
Accidents in laboratory dealing with chemicals have constantly occurred. In the case of a gas explosion or an accident related to leakage of chemical materials, the damage is much greater, thereby leading to a serious accident. Especially, the safety of laboratory in University is important because ...
Accidents in laboratory dealing with chemicals have constantly occurred. In the case of a gas explosion or an accident related to leakage of chemical materials, the damage is much greater, thereby leading to a serious accident. Especially, the safety of laboratory in University is important because students build up knowledge and skills and accumulate experience as the main researchers. In this paper, 5 gases(CO, $NH_3$, $H_2$, $CH_4$, $N_2$) are selected to model since they are often used in university laboratories. From the scenarios where the gases are released, the diffusion process is estimated and analyzed to predict damage degree by PHAST v.6.7. Internal diffusion process is modeled through FLUENT which is Computational Fluid Dynamics(CFD) tool. Also, we compare indoor damage with outdoor one when discharged to the outside through the laboratory's window. In the modeling results, the outdoor damages for accident scenarios in the results are far less than then of real plants since the vessel usually used in laboratory(i.e. the capacity of the cylinder; 47 L or less) is significantly less than workplace's one(using ton measure). However as shown in the results small amount can have high consequences for indoor accidents.
Accidents in laboratory dealing with chemicals have constantly occurred. In the case of a gas explosion or an accident related to leakage of chemical materials, the damage is much greater, thereby leading to a serious accident. Especially, the safety of laboratory in University is important because students build up knowledge and skills and accumulate experience as the main researchers. In this paper, 5 gases(CO, $NH_3$, $H_2$, $CH_4$, $N_2$) are selected to model since they are often used in university laboratories. From the scenarios where the gases are released, the diffusion process is estimated and analyzed to predict damage degree by PHAST v.6.7. Internal diffusion process is modeled through FLUENT which is Computational Fluid Dynamics(CFD) tool. Also, we compare indoor damage with outdoor one when discharged to the outside through the laboratory's window. In the modeling results, the outdoor damages for accident scenarios in the results are far less than then of real plants since the vessel usually used in laboratory(i.e. the capacity of the cylinder; 47 L or less) is significantly less than workplace's one(using ton measure). However as shown in the results small amount can have high consequences for indoor accidents.
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문제 정의
7 (multicomponent option 포함)로 분석함으로써 피해 정도를 예측하고, 실험실 내부 확산과정을 CFD(Computational Fluid Dynamics) 프로그램 FLUENT를 통하여 확산거동을 살펴보았다. 가스 누출 시 실험실 창을 통해 누출된 가스들이 외부로 유출 될 경우 실외와 창이 닫혔을 경우 실내의 피해 영향에 대해 비교한 위험성 평가 결과를 알아보고자 한다.
가설 설정
47 L 용기에 충전온도와 압력의 조건을 이용하여 최대 충전량(kg)을 산출하였고, 일상적인 사용 환경에서 용기 및 배관의 파열 부위로 가스가 전량 누출된다고 가정했다. 사용 환경은 사고시나리오 선정에 관한 기술지침에 따라 최악의 시나리오에 맞춰 실내 · 실외 모두 풍속 1.
사용 환경은 사고시나리오 선정에 관한 기술지침에 따라 최악의 시나리오에 맞춰 실내 · 실외 모두 풍속 1.5 m/s, 대기안정도 F, 대기온도 25℃, 대기습도 50%로 가정 하였다.
제안 방법
CFD 프로그램(FLUENT)을 이용하여 실제 실험실과 유사하게 구현하여 누출된 기체들의 확산거동을 살펴보았다. Fig.
가스 누출에 의한 피해 영향을 분석한 기존의 연구들은 그 대상이 실험실이 아닌 충전소나 플랜트로, 사용하는 물질의 누출속도나 누출량 등에서 실험실의 것과는 크게 차이가 있다. 때문에 이와 관련하여 학 내 실험실에서 주로 사용하는 독성 물질 CO와 NH3(암모니아), 가연성물질 H2와 CH4(메탄), 불활성 기체인 N2(질소)를 선정하여, 이 가스들이 누출 될 경우의 시나리오들로부터 확산 과정을 PHAST v.6.7 (multicomponent option 포함)로 분석함으로써 피해 정도를 예측하고, 실험실 내부 확산과정을 CFD(Computational Fluid Dynamics) 프로그램 FLUENT를 통하여 확산거동을 살펴보았다. 가스 누출 시 실험실 창을 통해 누출된 가스들이 외부로 유출 될 경우 실외와 창이 닫혔을 경우 실내의 피해 영향에 대해 비교한 위험성 평가 결과를 알아보고자 한다.
본 논문에서는 CO와 NH3의 가연 성질은 무시하고 독성에 관한 성질만을 고려하였으며 가스의 누출로 인한 폭발은 고려하지 않는다. 각 물질들의 특징은 안전보건공단의 MSDS(Material Safety Data Sheet) 및 PHAST의 물질 data를 참고하였고 다음의 Table 1과 같다.
실내 영향평가는 파열의 크기를 1/2″로 고정하고 환기 횟수(air change)를 1시간에 2회, 5회, 9회로 선정하였다.
실외의 영향평가는 실험실의 창이 열려있어 누출된 가스가 건물 밖으로 아무 방해 없이 퍼져나간다고 가정 후, 파열의 크기를 각각 1/2″, 1/4″, 1/8″로 비교 군을 선정하여 비교하였다.
대상 데이터
이는 100% 질식 사망을 유발하는 O2 결핍 환경이다. 18% O2 농도는 fatality value 계산의 시발점 이지만 보수적인 접근을 위하여 CGA(Compressed Gas Association)에서 사용하고 있는 위험농도인 19.5%를 선택하였다(Fig. 1).
의 가연 성질은 무시하고 독성에 관한 성질만을 고려하였으며 가스의 누출로 인한 폭발은 고려하지 않는다. 각 물질들의 특징은 안전보건공단의 MSDS(Material Safety Data Sheet) 및 PHAST의 물질 data를 참고하였고 다음의 Table 1과 같다.
대학교 연구실에서 주로 사용하는 물질들 중에서 그 특성에 따라 독성 가스 CO와 NH3, 가연성 가스 H2와 CH4, 불활성 가스 N2를 선택하였다.
성능/효과
PHAST의 동적 시뮬레이션 결과에 따르면 CO와 NH3는 일정거리 까지 plum 모델로 확산되다가 puff 모델로 변화 한 후 대기 중에 희석되어 사라지고, H2의 경우는 그 질량이 작아 확산이 위쪽으로 진행 되어 가는 것을 확인할 수 있다. Fig.
환기시설을 갖춘 실내에서 물질의 누출 시간에 따른 실험실 내의 농도를 그려보면 독성 물질인 CO와 NH3는 그 농도가 수 초 이내에 ERPG-2 값을 넘어서는 것은 물론이고 LC50과 IDLH 농도까지 도달하는 것을 확인 할 수 있다(Fig. 2). Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
실험실의 가스 누출에 의한 피해 정도를 예측함에 있어서 무엇을 이용해 분석하였는가?
가스 누출에 의한 피해 영향을 분석한 기존의 연구들은 그 대상이 실험실이 아닌 충전소나 플랜트로, 사용하는 물질의 누출속도나 누출량 등에서 실험실의 것과는 크게 차이가 있다. 때문에 이와 관련하여 학 내 실험실에서 주로 사용하는 독성 물질 CO와 NH3(암모니아), 가연성물질 H2와 CH4(메탄), 불활성 기체인 N2(질소)를 선정하여, 이 가스들이 누출 될 경우의 시나리오들로부터 확산 과정을 PHAST v.6.7 (multicomponent option 포함)로 분석함으로써 피해 정도를 예측하고, 실험실 내부 확산과정을 CFD(Computational Fluid Dynamics) 프로그램 FLUENT 를 통하여 확산거동을 살펴보았다. 가스 누출 시 실험실 창을 통해 누출된 가스들이 외부로 유출 될 경우 실외와 창이 닫혔을 경우 실내의 피해 영향에 대해 비교한 위험성 평가 결과를 알아보고자 한다.
실험실에서 주로 사용하는 가스는 무엇인가?
가스 누출에 의한 피해 영향을 분석한 기존의 연구들은 그 대상이 실험실이 아닌 충전소나 플랜트로, 사용하는 물질의 누출속도나 누출량 등에서 실험실의 것과는 크게 차이가 있다. 때문에 이와 관련하여 학 내 실험실에서 주로 사용하는 독성 물질 CO와 NH3(암모니아), 가연성물질 H2와 CH4(메탄), 불활성 기체인 N2(질소)를 선정하여, 이 가스들이 누출 될 경우의 시나리오들로부터 확산 과정을 PHAST v.6.
일반 사업장과는 다르게 외부보다 실험실 내부에서 가스 누출에 의한 영향이 큰 이유는?
실험실의 외부보다는 실험실 내부에서 그 피해 정도가 큰데, 이는 학 내 실험실에서 일반적으로 사용하는 가스의 용량은 47 L 정도로 ton 단위로 사용하는 사업장에 비하면 그 양이 현저히 적기 때문이다. 시뮬레이션으로 알아본 실내 영향 결과를 통해 빠른 시간 내에 적절한 비상대응을 하는 것이 중요하고 판단된다.
참고문헌 (14)
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Chung Yoon Sub, "A study on Improvement of Laboratory Safety in Universities", (2011)
Daniel A. Crowl and Joseph F. Louvar, "Chemical Process Safety", 2nd
화학물질안전원 지침 제 2014-1호, "시나리오 선정에 관한 기술지침"
Dr D. Webber, "HSL/2007/30 On Defining a Safety Criterion for Flammable Clouds"
고압가스 안전 관리법 [시행2015.7.29] [법률 제13089호, 2015.1.28., 타법개정]
Cryogenic and Oxygen Deficiency Hazard Safety: ODH Risk Assessment Procedures
air change (ventilation rate : http://diydata.com/planning/ch_design/sizing.php,http://www.tombling.com/cooling/ventilation-fan.htm,http://www.wind-driven-ventilation.co.uk/selection.htm)
League table of various gases (http://blog.naver.com/hsu30207)
MSDS(Material Safety Data Sheet), KOSHA (Korea Occupational Safety & Health Agency)
Filippo Gavelli, Edward Bullister, Harri Kytomaa, "Application of CFD (Fluent) to LNG spills into geometrically complex environments", Hazardous Materials, (2008)
Sang Heon Han, In Hwan Choi, Jong Soo Kim, "Numerical Analysis of Leakage of Highly Compressed Hydrogen Gas without Buoyancy Effects", KOSCO SYMPOSIUM, (2008)
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