[논문]노말부탄올과 파라자일렌 혼합물의 최소자연발화온도 측정 및 예측

하동명

doi:10.7842/kigas.2016.20.5.1

[국내논문] 노말부탄올과 파라자일렌 혼합물의 최소자연발화온도 측정 및 예측
Measurement and Prediction of Autoignition Temperature of n-Butanol+p-Xylene Mixture 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.20 no.5, 2016년, pp.1 - 8

초록
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최소자연발화온도는 가연성물질이 주위의 열에 의해 스스로 발화하는 최저온도이다. 최소자연발화온도는 유기혼합물중 가연성 액체혼합물의 안전한 취급을 위해서 중요한 지표가 된다. 본 연구에서는 ASTM E659 장치를 이용하여 가연성 혼합물인 n-butanol+p-xylene 혼합물의 최소자연발화온도를 측정하였다. 2성분계를 구성하는 순수물질인 n-butanol과 p-xylene의 최소자연발화온도는 각 각 $340^{\circ}C$, $557^{\circ}C$로 측정되었다. 그리고 측정된 n-butanol+p-xylene 혼합물의 최소자연발화온도는 제시된 식에 의한 예측값과 적은 평균절대오차에서 일치하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The autoignition temperature (AIT) of a substance is the lowest temperature at which the vapor ignites spontaneously from the heat of the environment. The AIT is important index for the safe handling of flammable liquids which constitute the solvent mixtures in the process. This study measured the AITs of n-butanol+p-xylene mixture by using ASTM E659 apparatus. The AITs of n-butanol and p-xylene which constituted binary system were $340^{\circ}C$ and $557^{\circ}C$, respectively. The experimental AITs of n-butanol+p-xylene mixture were a good agreement with the calculated AITs by the proposed equations with a few A.A.D.(average absolute deviation).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 얻은 측정값을 분석한 결과, 조성 변화에 따른 최소자연발화온도가 증가하는 경향을 보이고 있다. 따라서 조성에 의한 최소자연발화온도예측 모델을 제시할 수 있다고 판단되어 다음과 같은 모델을 제시하여 최적화 된 예측 모델을 찾고자 한다[5,7].
물질보건안전자료(MSDS)는 근로자에게 화학물질의 유해 · 위험성 정보를 제공함으로써 산업현장에서의 사고와 직업병 발생을 줄이는 데 목적이 있다.
본 연구에서는 Frank-Kamenetskii 이론을 도입하여 발화온도와 발화지연시간의 간략히 설명하고자 한다.
또한 노말부탄올과 파라자일렌 계에 대해 AIT와 발화지연 시간을 측정하였고, 조성 변화에 따른 AIT를 예측할 수 있는 모델을 제시하였다. 제시된 실험자료 및 예측 모델은 노말부탄올과 파라자일렌 계를 취급하는 공정에서 안전을 확보하는 자료로 제시하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 ASTM E659(Koehler사)[5] 장치를 사용하여 노말부탄올과 파라자일렌 혼합물에 대해 AIT를 측정하였다. 그리고 이성분계를 구성하는 순수성분인 노말부탄올과 파라자일렌에 대해 자연발화온도와 발화지연시간도 함께 측정하였다. 측정된 순수물질의 AIT는 문헌값들과 비교 고찰하였다.
본 연구는 자연발화온도 측정 장치(ASTM E659)를 사용하여 노말부탄올과 파라자일렌 혼합물의 최소자연발화온도를 측정하였다. 노말부탄올과 파라자일렌를 구성하는 각 각의 순수물질의 최소자연발화온도(AIT)를 측정하여 문헌값들과 비교 고찰하였다. 또한 혼합물의 측정된 최소자연발화온도를 이용하여 다른 조성에서도 최소자연발화온도를 예측할 수 있는 모델을 제시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
측정된 순수물질의 AIT는 문헌값들과 비교 고찰하였다. 또한 노말부탄올과 파라자일렌 계에 대해 AIT와 발화지연 시간을 측정하였고, 조성 변화에 따른 AIT를 예측할 수 있는 모델을 제시하였다. 제시된 실험자료 및 예측 모델은 노말부탄올과 파라자일렌 계를 취급하는 공정에서 안전을 확보하는 자료로 제시하고자 한다.
노말부탄올과 파라자일렌를 구성하는 각 각의 순수물질의 최소자연발화온도(AIT)를 측정하여 문헌값들과 비교 고찰하였다. 또한 혼합물의 측정된 최소자연발화온도를 이용하여 다른 조성에서도 최소자연발화온도를 예측할 수 있는 모델을 제시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 실험에서는 액체 화학물질의 자연발화점 측정 장치로서 ASTM E659(Koehler 사)를 사용하여 자연발화온도를 측정하였으며, 장치는 크게 Furnace, Temperature Controller, Thermocouple, Test Flask, Hypodermic Syringe, Mirror, Air Gun으로 구성되어있다.
본 연구는 자연발화온도 측정 장치(ASTM E659)를 사용하여 노말부탄올과 파라자일렌 혼합물의 최소자연발화온도를 측정하였다. 노말부탄올과 파라자일렌를 구성하는 각 각의 순수물질의 최소자연발화온도(AIT)를 측정하여 문헌값들과 비교 고찰하였다.
본 연구에서는 ASTM E659(Koehler사)[5] 장치를 사용하여 노말부탄올과 파라자일렌 혼합물에 대해 AIT를 측정하였다. 그리고 이성분계를 구성하는 순수성분인 노말부탄올과 파라자일렌에 대해 자연발화온도와 발화지연시간도 함께 측정하였다.
본 연구에서는 실험에서 얻은 자연발화온도와 발화지연시간의 관계를 식 (5)를 사용하여 실험값과 예측값을 비교하였다.
여기서 각 매개변수 a,b,c,d,e, · · · 을 추산하기 위해 최소화 방법을 이용하였다.
그리고 이성분계를 구성하는 순수성분인 노말부탄올과 파라자일렌에 대해 자연발화온도와 발화지연시간도 함께 측정하였다. 측정된 순수물질의 AIT는 문헌값들과 비교 고찰하였다. 또한 노말부탄올과 파라자일렌 계에 대해 AIT와 발화지연 시간을 측정하였고, 조성 변화에 따른 AIT를 예측할 수 있는 모델을 제시하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 시약은 노말부탄올은 Junsei(Japan), 파라자일렌은 Lancaster(USA) 사로서 순도는 각각 99%의 시약을 사용하였으며, 혼합물의 발화온도 측정은 순수물질을 각 각 다른 몰비(Mole Fraction)로 혼합하여 실험하였다.
본 연구에서는 화학산업에서 널리 사용되고 있는 노말부탄올과 파라자일렌의 혼합물을 선정하였다. 혼합물을 구성하는 노말부탄올은 향수의 성분으로 페인트, 코팅, 천연 및 합성수지, 염료 그리고 약산화제 사용 시 알데하이드(COH), 강산화제사용 시 카르복실산(COOH)을 만들 수 있다.

데이터처리

본 연구에서는 순수물질인 경우는 발화온도에 따른 발화지연시간의 관계를 분석하고, 혼합물에 대해서는 조성변화에 의한 최소자연발화온도의 관계를 설명하기 위해 다중회귀모형(Multiple Regression Model)을 사용하였다. 다중회귀모형은 종속변수의 변화를 설명하기 위하여 두 개 이상의 독립변수가 사용되어 독립변수의 어떤 흥미 영역에서 종속변수의 관계가 선형이라고 가정되는 회귀모형을 말한다.

이론/모형

발화지연은 열 생성(발열화학반응)과 열 손실(액체연료의 증발)사이의 경쟁 때문에 물질 안에 가연성의 증발 유체에 대한 특성을 갖는다. 따라서 Frank-Kamenetskii 방법과 비슷하게 발화지연시간과 초기온도 역수를 이용한다.

성능/효과

1) 이성분계를 구성하는 2개의 순수물질의 최소자연발화온도를 측정한 결과, 부탄올은 340 ℃, 파라자일렌은 557 ℃로 측정되었고, 각 각의 활성화에너지는 68.45 kJ/mol과 162.63 kJ/mol로 계산되었다.
2) 노말부탄올과 파라자일렌 혼합물의 최소자연발화온도를 측정한 결과, 노말부탄올(0.9)과 파라자일렌(0.1)계 349 ℃, 노말부탄올(0.7)과 파라자일렌(0.3)계에서는 359 ℃, 노말부탄올(0.5)과 파라자일렌(0.5)계에서는 400 ℃, 노말부탄올(0.3)과 파라자일렌(0.7)계에서는 458 ℃ 그리고 노말부탄올(0.1)과 파라자일렌(0.9)계에서는 540 ℃로 측정되었다.
3) 본 연구에서 얻은 측정값을 분석한 결과 조성변화에 따른 최소자연발화온도가 증가하는 경향을 보이고 있다. 따라서 노말부탄올과 파라자일렌 계의 다른 조성에서도 최소자연발화온도를 예측할 수 있는 식을 다음과 같이 제시하였다.
99로서 모사성이 일치하고 있다. 따라서 본 연구에서 제시한 식을 이용하여 다른 조성에서의 AIT의 예측이 가능해졌다.
본 실험에서는 기존 자일렌 이성질체의 최소자연발화온도를 근거로 550 ℃에서 실험한 결과 비발화되어, 다시 30 ℃상승시킨 580 ℃로 하여 실험한 결과 발화 20.99sec에서는 발화가 일어나서, 초기온도보다 20 ℃ 낮게 560 ℃에서 29.86sec에서 발화가 되어 다시 5 ℃도 낮은 555 ℃에서 실험을 하였으나 발화가 일어나지 않았다. 다시 2 ℃상승시킨 557 ℃에서 실험한 결과 33.
본 실험에서는 기존의 문헌 자료를 근거로 초기온도를 300 ℃로 하여 실험한 결과 발화가 일어나지 않아서 다시 30 ℃를 상승시켜 300 ℃에서 실험한 결과 역시 비발화되었다. 다시 30 ℃ 상승시켜 실험한 결과 330 ℃에서도 비발화되어 다시 20 ℃ 상승 시킨 350 ℃에서 실험한 결과 12.
본 연구에서 얻은 측정값은 기존 문헌값보다는 3∼25 ℃ 낮게 측정되었다.
본 연구에서 얻은 측정값을 분석한 결과, 조성 변화에 따른 최소자연발화온도가 증가하는 경향을 보이고 있다. 따라서 조성에 의한 최소자연발화온도예측 모델을 제시할 수 있다고 판단되어 다음과 같은 모델을 제시하여 최적화 된 예측 모델을 찾고자 한다[5,7].
본 연구에서 얻은 측정값을 분석한 결과, 조성 변화에 따른 최소자연발화온도가 증가하는 경향을 보이고 있다. 따라서 조성에 의한 최소자연발화온도예측 모델을 제시할 수 있다고 판단되어 다음과 같은 모델을 제시하여 최적화 된 예측 모델을 찾고자 한다[5,7].

후속연구

노말부탄올과 파라자일렌 순수물질 자체로도 사용되지만, 이를 혼합하여 다양한 화학물질을 만드는데 사용되고 있으며, 사용 후 폐기물로 처리해야 하는 경우가 있다. 따라서 공정 상에서 노말부탄올과 파라자일렌 혼합물의 안전한 취급을 위해서는 연소 특성의 하나인 자연발화온도의 연구가 반드시 필요하다.
일반적으로 화학공정에서 혼합물을 취급할 때 공정 안전을 목적으로 자료를 활용하는 경우 혼합물 가운데 낮은 순수물질의 연소특성치를 활용하고 있는 것이 사실이다. 따라서 본 연구에서 제시한 자료는 노말부탄올+파라자일렌 계를 취급하는 공정의 안전을 위해서는 중요한 자료로 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물질보건안전자료는 어떠한 목적이 있는가?	물질보건안전자료(MSDS)는 근로자에게 화학물질의 유해․위험성 정보를 제공함으로써 산업현장에서의 사고와 직업병 발생을 줄이는 데 목적이 있다. MSDS 가운데 위험성에 대한 정보는 화재 및 폭발의 재해를 예방하는데 중요한 역할을 한다.
	최소자연발화온도는 무엇인가?	일반적으로 자연발화는 가연성혼합기체가 주위로부터 충분한 에너지를 받아 스스로 타는 산화현상이고, 최소자연발화온도(AIT: Autoignition Temperature)는 증기가 주위의 에너지로부터 자발적으로 발화하는 최저온도이다. 일반적으로 AIT는 농도, 용기 크기, 산소농도, 압력, 촉매, 발화지연시간 등 다양한 실험 조건에 영향을 받으므로 문헌에 따라 다른 값들이 제시되고 있다.
	최소자연발화온도는 어떤 요인에 영향을 받는가?	일반적으로 자연발화는 가연성혼합기체가 주위로부터 충분한 에너지를 받아 스스로 타는 산화현상이고, 최소자연발화온도(AIT: Autoignition Temperature)는 증기가 주위의 에너지로부터 자발적으로 발화하는 최저온도이다. 일반적으로 AIT는 농도, 용기 크기, 산소농도, 압력, 촉매, 발화지연시간 등 다양한 실험 조건에 영향을 받으므로 문헌에 따라 다른 값들이 제시되고 있다. 그동안 AIT의 연구는 순수물질 가운데 탄화수소류를 비롯해 알코올류에 국한되어 연구가 진행되었으며, 혼합물에 대한 이론 및 실험적 연구는 순수물질에 비해 거의 없는 실정이다[2].

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상세보기
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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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