[논문]다중회귀분석법을 이용한 n-Pentanol + n-Propanol계 및 n-Pentanol + n-Heptanol계의 인화점 예측

하동명; 이성진

doi:10.7731/kifse.2016.30.6.031

다중회귀분석법을 이용한 n-Pentanol + n-Propanol계 및 n-Pentanol + n-Heptanol계의 인화점 예측
Estimation of the Flash Point for n-Pentanol + n-Propanol and n-Pentanol + n-Heptanol Systems by Multiple Regression Analysis 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.30 no.6, 2016년, pp.31 - 36

하동명 (세명대학교 보건안전공학과) , 이성진 (세명대학교 임상병리학과)

초록
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인화점은 가연성 액체 용액의 폭발과 화재의 위험성을 결정하는 가장 중요한 성질 중 하나이다. 본 연구에서는 2개의 가연성 이성분계 혼합물인 n-pentanol + n-propanol계 및 n-pentanol + n-heptanol계의 인화점을 Seta flash 밀폐식 장치를 사용하여 측정하였다. 인화점은 라울의 법칙을 이용한 방법과 다중회귀분석법에 의해 계산되었다. 그리고 그 결과를 측정값과 비교하였다. 라울의 법칙에 의해 계산된 결과의 절대평균오차는 n-pentanol + n-propanol계인 경우 $1.3^{\circ}C$이며 npentanol + n-heptanol계인 경우 $1.3^{\circ}C$이었다. 다중회귀분석법에 의해 계산된 결과의 절대평균오차는 n-pentanol + npropanol계인 경우 $0.4^{\circ}C$이며 n-pentanol + n-heptanol계인 경우 $0.3^{\circ}C$이었다. 절대평균오차에서 알 수 있듯이 다중회귀 분석법에 의한 계산값이 라울의 법칙에 의한 계산값에 비해 측정값을 잘 모사하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The flash point is one of the most important properties for characterizing the fire and explosion hazard of liquid solutions. In this study, the flash points of two flammable binary mixtures, n-pentanol + n-propanol and n-pentanol + n-heptanol systems were measured using a Seta flash closed cup tester. The flash point was estimated using the methods based on Raoult's law and multiple regression analysis. The measured flash points were also compared with the predicted flash points. The absolute average errors (AAE) of the results calculated by Raout's law were $1.3^{\circ}C$ and $1.3^{\circ}C$ for the n-pentanol + n-propanol and n-pentanol + n-heptanol mixtures, respectively. The absolute average errors of the results calculated by multiple regression analysis were $0.4^{\circ}C$ and $0.3^{\circ}C$ for the n-pentanol + n-propanol and n-pentanol + n-heptanol mixtures, respectively. According to the AAE, the calculated values based on multiple regression analysis were better than those based on Raoult's law.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1. The Antoine Coefficients and Lower ExplosiveLimits (LEL) for Pure Substances
표 Table 2. The Calculated Lower Explosive Limit (LEL_m), Normal Boiling Point (T_nb,m) and Standard Enthalpy of Vaporization (ΔH_{vap, m}) for n-Pentanol (1) + n-Propanol (2) System
표 Table 3. The Calculated Lower Explosive Limit (LEL_m), Normal Boiling Point (T_{nb, m}) and Standard Enthalpy of Vaporization (ΔH_{vap, m}) for n-Pentanol (1) + n-Heptanol (2) System
표 Table 4. The Parameters of Equation (8) for n-Pentanol + n-Propanol and n-Pentanol + n-Heptanol Systems
표 Table 5. The Experimental and Calculated Flash Points for n-Pentanol (1) + n-Propanol (2)
표 Table 6. The Experimental and Calculated Flash Points for n-Pentanol (1) + n-Heptanol (2)
그림 Figure 1. The comparison of calculated flash points with experimental data for n-pentanol (1) + n-propanol (2).
그림 Figure 2. The comparison of calculated flash points with experimental data for n-pentanol (1) + n-heptanol (2) system.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이성분계 혼합물에 한정하여, 이성분계 혼합물의 인화점, 하부폭발한계, 정상 끓는점, 표준 증발엔탈피 간의 상관성을 이용하여, 이성분계 혼합물의 인화점을 계산하기 위해 다음과 같은 식을 제시한다.

가설 설정

액상을 이상용액으로 가정하고 20℃, 30℃, 35℃에서의 이성분계 혼합물의 증기압은 다음의 식으로 계산하였다.
여기서 하부폭발한계의 온도 의존성은 고려하지 않았으며, 기상은 이상기체로 가정했고 액상은 이상용액으로 가정하였다. 또한 i성분의 포화증기압(#)은 앞서 제시한 식(5) 에 의해 계산하였으며, LEL₁과 LEL₂는 각각 순수 성분 1, 2의 하부폭발한계로서 Table 1에 제시된 값을 그대로 사용하였다.

제안 방법

미국의 Koehler사에서 제작한 Seta flash 밀폐식 장치를 사용하여 n-pentanol + n-propanol계 및 n-pentanol + n-heptanol계의 인화점을 측정하였다. 이 장치는 시료컵, 온도조절기, 항온조, 시험염 발생 장치, 온도계, 배수로, 레벨게이지 등으로 구성되어 있으며, 그 기본 구조도는 앞서 발표한 논문⁽¹³⁾에 제시되어 있다.
Seta flash 밀폐식 장치를 이용하여 n-pentanol + n-propanol 계 및 n-pentanol + n-heptanol계의 인화점을 측정하였다. 다중회귀분석법을 이용하여 인화점을 계산하였고, 그 것을 기존의 라울의 법칙에 의한 계산값과 비교하였다.
미국의 Koehler사에서 제작한 Seta flash 밀폐식 장치를 사용하여 n-pentanol + n-propanol계 및 n-pentanol + n-heptanol계의 인화점을 측정하였다. 이 장치는 시료컵, 온도조절기, 항온조, 시험염 발생 장치, 온도계, 배수로, 레벨게이지 등으로 구성되어 있으며, 그 기본 구조도는 앞서 발표한 논문⁽¹³⁾에 제시되어 있다.
이들은 가연성 액체 혼합물의 증기압, 표준 증발 엔탈피와 평균 탄소수를, 가연성 액체 혼합물의 인화점에 영향을 미치는 결정적인 변수로 판단하였다. 이에 따라 가연성 혼합물의 증기압, 표준 증발 엔탈피, 평균 탄소수를 독립변수로, 가연성 혼합물의 인화점 측정값을 종속변수로 결정하고 이들을 상관 시켜 가연성 혼합물의 인화점을 계산하였다.
이와 같은 n-Pentanol, n-propanol과 n-heptanol을 취급하는 산업 현장의 안전을 담보하기 위해서 혼합물의 인화점 정보가 반드시 필요하다. 이에 따라 본 연구에서는 n-petanaol + n-propanol계 및 n-pentanol + n-heptanol계의 이성분계 혼합물을 선택하였다.

대상 데이터

n-Propanol (99.0%)는 CARLO사, n-pentanol (99.0%)은 ACROS사, n-heptanol (99.0%)은 Junsei사에서 각각 구입하였다. 이 시약들은 별도의 정제 과정 없이 사용하였다.
는 i성분의 Antoine 상수이다. 본 연구에서 사용한 시약들의 Antoine 상수는 기존 문헌⁽¹⁷⁾에서 얻었으며, 하부폭발한계는 역시 기존 자료^(18-20)에서 확보하였으며 그 결과를 Table 1에 제시한다.

데이터처리

Seta flash 밀폐식 장치를 이용하여 n-pentanol + n-propanol 계 및 n-pentanol + n-heptanol계의 인화점을 측정하였다. 다중회귀분석법을 이용하여 인화점을 계산하였고, 그 것을 기존의 라울의 법칙에 의한 계산값과 비교하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 내렸다.
인화점은 Seta flash 밀폐식 장치에 의해 측정하였다. 또한 다중회귀분석법을 이용하여 인화점을 계산하였으며, 이 결과를 기존의 라울의 법칙에 의거한 예측 결과와 비교하였다.

이론/모형

이 장치는 시료컵, 온도조절기, 항온조, 시험염 발생 장치, 온도계, 배수로, 레벨게이지 등으로 구성되어 있으며, 그 기본 구조도는 앞서 발표한 논문⁽¹³⁾에 제시되어 있다. 또한 시약들은 다른 몰분율로 혼합하여 ASTM D1310-86⁽¹⁴⁾의 방법에 따라 인화점을 측정하였다.
본 연구에서는 Seta-flash 밀폐식 장치를 사용하였다. 이 장치는 소량(2 ml)의 액체 용액으로 인화점을 측정할 수 있고 측정 시간이 비교적 짧으므로, 인화점 측정에 투여되는 시약과 시간 비용을 절약할 수 있다는 장점이 있다.
본 연구의 다중회귀분석법에 의한 계산 결과의 신뢰성을 검토하기 위해, 다음과 같은 absolute average error (AAE)⁽²⁴⁾를 이용하였다. 절대평균오차(AAE)는 인화점 계산치과 측정치 간의 일치 정도를 나타내는 척도로 다음과 같다.
식(8)에 제시된 이성분계 혼합물의 표준 증발 엔탈피 (ΔHvap, m)를 계산하기 위하여, Catoire 등(12)의 제안에 따라 Clausius-Clapeyron식(23)을 활용하였다.
)를 식(8)에 대입하여 이성분계 혼합물의 인화점을 계산하였다. 이와 같이 계산한 인화점과 측정한 인화점 간의 차이를 최소화시키는 식(8)의 매개 변수를 다중회귀분석법을 이용하여 구하였다. 그 결과를 다음의 Table 4에 제시하였다.

성능/효과

(1) n-Pentanol + n-propanol계는, 라울의 법칙에 의한 계산값과 측정값 간의 절대평균오차는 1.3℃이었다. 다중회귀분석법에 의한 계산값과 측정값 간의 절대평균오차는 0.
(2) n-Pentanol + n-heptanol계는, 라울의 법칙에 의한 계산값과 측정값 간의 절대평균오차는 1.3℃이었다. 다중회귀분석법에 의한 계산값과 측정값 간의 절대평균오차는 0.
(3) 절대평균오차를 비교한 결과, 라울의 법칙에 의한 인화점 계산값에 비해 본 연구의 다중 회귀 분석법에 의한 계산값이 이성분계 액체 혼합물의 인화점을 잘 예측하였다.
또한 절대평균오차에서 확인되듯이, 다중회귀분석법에 의한 계산 방법이 라울의 법칙에 의거한 방법 보다 상대적으로 실험값을 잘 모사한다고 판단할 수 있다. 따라서 다중회귀분석법에 의해 얻어진 식(13)과 식(14)를 이용하면, 측정값이 없는 혼합물의 조성에서 기존 라울의 법칙에 비해 보다 정확한 인화점을 확보할 수 있다.
본 연구의 다중회귀분석법에 의해 인화점을 계산한 결과, n-pentanol + n-propanol계의 경우 계산값와 측정값 간의 절대평균오차는 0.4℃이었으며, n-pentanol + n-heptanol 계의 경우 절대평균오차는 0.3℃이었다.
인화점 측정 결과를 보면, n-pentanol + n-propanol계는 n-pentanol의 몰분율이 커질수록 혼합물의 인화점이 증가하였으며, 반대로 n-pentanol + n-heptanol계는 n-pentanol 의 몰분율이 증가할수록 혼합물의 인화점은 감소하였다. 또한 최소인화점 혹은 최대인화점 현상을 보이지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인화점이란 무엇인가?	인화점은 가연성 액체의 화재와 폭발 위험도의 지표이며, 가연성 액체의 표면에서 발생한 증기에 점화원을 접근시켰을 때 인화가 발생하는 가장 낮은 온도이다(1).
	메탄올 저장 탱크가 폭발하는 사고의 사례에서 시사하는 바는 무엇인가?	당시 작업자가 메탄올을 저장한 탱크를 용접하는 과정에서 탱크 내부를 불활성 가스로 치환했었다면 이와 같은 폭발 사고가 발생하지 않았을 것이다. 이 사례에서 알 수 있듯이 가연성 액체의 취급자에게 정확한 인화점 정보를 제공하는 것은 안전을 위해 매우 중요한 것이다(2).
	개방식 장치에 의해 측정한 인화점이 밀폐식 장치에 의한 인화점과 어떻게 다른가?	밀폐식 장치에는 Seta flash, Pensky-Martens, Tag 밀폐식 장치 등이 있으며, 개방식 장치에는 Tag, Cleveland 개방식 장치 등이 있다(3). 일반적으로 개방식 장치에 의해 측정한 인화점이 밀폐식 장치에 의한 인화점 보다 다소 높은 값을 보인다. 이는 장치의 특성에 기인한다.

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D. M. Ha and S. J. Lee, "The Measurement and Estimation of Lower Flash Points for the n-Propanol + Acetic Acid and n-Propanol + n-Propionic Acid Systems", J. of the Korean Society of Safety, Vol. 22, No. 4, pp. 37-42 (2007).

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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