[논문]MSDS 개선을 위한 tert-Butylbenzene의 연소특성치의 측정

하동명

doi:10.7731/kifse.2017.31.3.025

[국내논문] MSDS 개선을 위한 tert-Butylbenzene의 연소특성치의 측정
The Measurement of the Combustible Properties of tert-Butylbenzene for the Improvement of MSDS (Material Safety Data Sheet) 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.31 no.3, 2017년, pp.25 - 30

초록
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가연성 물질의 다양한 연소 특성 때문에 이들 물질의 안전한 사용, 취급 및 운송을 위해서는 정확한 물질 안전정보가 필수적이다. 인화점, 연소점, 폭발한계 및 최소자연발화온도(AIT)는 위험한 물질을 취급하는 화학산업과 실험실 등에서 특별한 관심을 필요로 하는 중요한 안전 매개변수이다. 본 연구에서는 화학산업에 중간제로 널리 사용되고 있는 tert-butylbenzene을 선정하였다. tert-Butylbenzene 연소특성치의 신뢰도를 고찰하기 위해서 인화점, 연소점, 최소발화온도를 측정하였고, 폭발한계는 측정된 인화점을 이용하여 계산하였다. Setaflash와 Pensky-Martens 밀폐식 장치에 의한 tert-butylbenzene의 하부인화점은 $39^{\circ}C$와 $44^{\circ}C$로 측정되었으며, Tag와 Cleveland 개방식에서는 $51^{\circ}C$와 $54^{\circ}C$로 측정되었다. 그리고 Tag와 Cleveland에 의한 연소점은 $54^{\circ}C$와 $58^{\circ}C$로 측정되었다. ASTM E659 장치를 사용하여 tert-butylbenzene 의 자연발화온도와 발화지연시간을 측정하였고, 그 결과 tert-butylbenzene의 최소자연발화온도(AIT)는 $450^{\circ}C$로 측정되었다. 또한 Setaflash에 의해 측정된 하부인화점 $39^{\circ}C$를 이용한 결과 폭발하한계는 0.68 vol%로 계산되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Because of the vertical combustion characteristics of combustible substances, accurate substance safety information for their safe use, handling and transportation is essential. The flash point, fire point, explosion limits and autoignition temperature (AIT) are important safety parameters which need special attention in chemical plants and laboratories that handle dangerous materials. In this study, tert-butylbenzene which is widely used as an intermediate material in the chemical industry was selected. For the reliability of the flammable properties of tert-butylbenzene, this study was investigated the explosion limits of tert-butylbenzene in the reference data. The flash points, fire points and AITs by the ignition delay time for tert-butylbenzene were experimented. The lower flash points of tert-butylbenzene by using the Setaflash and Pensky-Martens closed-cup testers measured $39^{\circ}C$ and $44^{\circ}C$, respectively. The flash points of tert-butylbenzene by using the Tag and Cleveland open cup testers are measured $51^{\circ}C$ and $54^{\circ}C$. And the fire points of tert-butylbenzene by the Tag and Cleveland open cup testers were $54^{\circ}C$ and $58^{\circ}C$ respectively. The AIT of tert-butylbenzene measured by the ASTM 659E tester was measured as $450^{\circ}C$. The lower explosion limit of $39^{\circ}C$ which measured by the Setaflash flash point tester was calculated to be 0.68 vol%.

주제어

표/그림 (6)

표 Table 1. Physical Properties of tert-Butylbenzene
표 Table 2. Comparison of Explosion Limit, Flash Point and AIT of tert-Butylbenzene by Several References
표 Table 3. Comparison of Several Flash Point Test Methods^(18,19)
표 Table 4. Comparison of Estimated Explosion Limits by Experimental Flash and Fire Points for tert-Butylbenzene
그림 Figure 1. A comparison between the experimental and calculated delay times of tert-Butylbenzene.
표 Table 5. Comparison of Experimental and Calculated Ignition Delay Time by the AIT for tert-Butylbenzene

AI 본문요약
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문제 정의

또한 문헌들에 제시된 tert-butylbenzene의 폭발한계의 타당성을 고찰하기 위해 측정된 인화점을 이용하여 계산된 폭발한계는 문헌 자료들과 비교하였다. 본 실험에서 측정된 인화점, 연소점, AIT 그리고 추산된 폭발한계는 MSDS의 9번 항목에 있는 연소특성치의 최신화에 적용하고, 공정안전의 가이드를 마련에 적용하는데 목적이 있다.
본 연구에서는 tert-butylbenzene의 화재 및 폭발 특성치인 인화점, 연소점 그리고 AIT에 대해서 ASTM 표준 장치를 이용하여 측정하였고, 측정된 값들을 문헌들에 제시된 값들과 비교하여 신뢰성을 검토하였다. 또한 문헌들에 제시된 tert-butylbenzene의 폭발한계의 타당성을 고찰하기 위해 측정된 인화점을 이용하여 계산된 폭발한계는 문헌 자료들과 비교하였다.

제안 방법

각 장치에 의한 인화점 측정은 3회 혹은 5회를 실시하였다. 3회 동안 동일한 값으로 측정되면 이를 인화점으로 채택하였고, 만일 3회 측정에서 동일한 측정값이 되지 않은 경우는 5회까지 측정하여 3회 이상 동일하게 측정된 값을 채택하였다.
본 연구에서는 tert-butylbenzene의 화재 및 폭발 특성치인 인화점, 연소점 그리고 AIT에 대해서 ASTM 표준 장치를 이용하여 측정하였고, 측정된 값들을 문헌들에 제시된 값들과 비교하여 신뢰성을 검토하였다. 또한 문헌들에 제시된 tert-butylbenzene의 폭발한계의 타당성을 고찰하기 위해 측정된 인화점을 이용하여 계산된 폭발한계는 문헌 자료들과 비교하였다. 본 실험에서 측정된 인화점, 연소점, AIT 그리고 추산된 폭발한계는 MSDS의 9번 항목에 있는 연소특성치의 최신화에 적용하고, 공정안전의 가이드를 마련에 적용하는데 목적이 있다.
본 연구에서 물질보건안전자료(material safety data sheet, MSDS)의 연소특성치의 신뢰도를 살펴보기 위해 tert-butylbenzene을 선정하였다. 이를 선정한 이유는 tertbutylbenzene이 유기물과 염료뿐만 아니라 약품의 중요한 중간체로서 합성에 사용되고 있으며, 특히 특수 용매 등으로 널리 이용되기 때문이다.
본 연구에서 선정한 tert-butylbenzene의 화재 및 폭발 특성치를 분석하기 위해서 NFPA와 한국산업안전보건공단의 MSDS를 비롯해 그동안 문헌들에서 제시하고 있는 자료들을 정리하여 Table 2에 나타내었다.^(5,10-17)
본 연구에서는 Setaflash와 Pensky-Martens의 밀폐식(CC), Tag와 Cleveland의 개방식(OC)에 의해 측정된 하부인화점과 연소점을 이용하여 계산된 폭발하한계를 예측하였고 Table 4에 나타내었다.
본 연구에서는 유기화학의 중간원료로 널리 사용되고 있는 tert-butylbenzene의 안전한 취급과 처리를 위해서 인화점, 연소점 그리고 최소자연발화온도(AIT)를 측정하여 기존 문헌값들과 비교하였으며, 측정된 하부인화점과 연소점을 이용하여 폭발하한계를 계산하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
tert-Butylbenzene의 측정 장치는 ASTM E659를 사용하였으며, 발화지연시간에 의한 자연발화온도 측정을 통해 AIT를 결정하였다. 장치는 크게 로, 온도 조절기, 열전대, 플라스크, 주사기, 거울, 에어건 등으로 구성되었으며, 실험은 ASTM 규정에 의해 진행하였다.^(18,19)

대상 데이터

본 연구에서 사용된 tert-butylbenzene (Alfa Aesar, 97%, UK)은 별도의 정제 과정 없이 사용하였다.
인화점은 하부 및 상부인화점으로 나눌 수 있다. 실험 장치로는 밀폐식(Closed-cup, CC)과 개방식(Open cup, OC) 이 있다. 밀폐식은 Setaflash와 Pensky-Martens 방식이 사용되며, 개방식은 Tag와 Cleveland 방식 등이 있다.

데이터처리

추산값과 측정값의 차이 정도는 평균절대오차(average absolute error, AAE)와 결정계수(r²)를 사용하였다.^(3,4)

이론/모형

NFPA, SAX 그라고 Lange에서 제시한 100 ℃의 0.7 vol%를 폭발한계 온도의존식을 적용하여 25 ℃일때의 폭발하한계를 계산할 필요가 있어서 Zabetakis 등이 제시한 탄화수 소의 폭발한계 온도의존식인 식 (2)를 사용하였다.⁽²¹⁾
Table 2에 제시된 tert-Butylbenzene의 폭발하한계에 대한 타당성을 살펴보기 위해서 증기압식인 Antoine 식을 사용하여 폭발한계를 추산하였다.⁽²⁰⁾
tert-Butylbenzene의 인화점 측정은 Setaflash (ASTM D3278)와 Pensky-Martens (ASTM D93) 밀폐식 그리고 Tag (ASTM D1310)와 Cleveland (ASTM D92) 개방식을 사용하였다. 여러 문헌들에서 장치의 구조 및 측정 방법을 언급하여 간략히 설명하고자 한다.
tert-Butylbenzene의 측정 장치는 ASTM E659를 사용하였으며, 발화지연시간에 의한 자연발화온도 측정을 통해 AIT를 결정하였다. 장치는 크게 로, 온도 조절기, 열전대, 플라스크, 주사기, 거울, 에어건 등으로 구성되었으며, 실험은 ASTM 규정에 의해 진행하였다.

성능/효과

2) Tag에 의한 연소점은 54 ℃ 그리고 Cleveland의 연소점은 58 ℃로 측정되었다.
3) Setaflash 장치에 의한 하부인화점 39 ℃를 이용하여 예측된 폭발하한계는 0.68 vol%로서, 기존의 문헌값인 0.74 vol% 보다는 약 0.06 vol% 낮게 계산되었다.
4) tert-Butylbenzene의 최소자연발화온도는 137.41 s에서 450 ℃로 측정되었으며, 기존의 문헌들과 같은 결과를 얻었다.
6) Semenov식을 이용한 tert-butylbenzene의 활성화에너지(E)는 172.7 kJ/mol로 계산되었다.
tert-Butylbenzene의 밀폐식인 Setaflash는 39 ℃, PenskyMartens는 44 ℃ 그리고 개방식인 Tag는 51 ℃ 그리고 Cleveland에서는 54 ℃로 측정되었다. 본 연구에서 Setaflash 장치에 의해 측정된 하부인화점 39 ℃는 Table 2에 제시된 인화점 가운데 Stephenson이 제시한 34 ℃보다는 5 ℃ 높게 측정되었으나, KOSHA, MSDS를 비롯해 대부분 문헌에서 제시된 밀폐식 인화점 44 ℃보다는 5 ℃ 낮게 측정되었다. 그리고 본 연구에서 개방식인 Tag의 51 ℃는 NFPA, Lange 그리고 Stephenson의 60 ℃ 보다는 9 ℃ 정도 낮게 측정되었다.
본 연구에서 측정된 tert-butylbenzene의 AIT 450 ℃는 Table 2에 제시된 기존의 문헌값들 가운데 가장 낮은 값인 Ignition의 445 ℃보다는 5 ℃ 높게 측정되었으나, Jackson 보다는 27 ℃ 낮게 측정되었으며, 대부분의 문헌에서 제시된 450 ℃와 같은 결과를 얻었다. 그러나 발화지연시간에서 Zabetakis가 제시한 80 s 보다는 늦은 137 s에서 발화되었다.
68 vol%로 계산되었다. 추산된 폭발하한계 0.68 vol%는 NFPA, SAX 그라고 Lange에서 제시한 100 ℃의 0.7 vol%와 비슷한 결과를 보이고 있으며, Tag와 Cleveland에서 측정된 연소점의 폭발하한계는 각각 1.56 vol%와 1.92 vol%로 계산되었다.

후속연구

7) 본 연구에서 측정된 인화점과, 최소자연발화온도 그리고 계산된 폭발하한계는 MSDS의 9번 항목에 있는 연소 특성치의 최신화에 적용되기를 기대한다.
본 실험에서 측정된 인화점과 측정된 인화점을 이용하여 추산된 폭발하한계를 공정 안전에 적용이 가능하며, 또한 제시한 방법론은 폭발한계 예측 연구의 도움을 줄 것으로 본다. 그리고 측정된 연소점은 이를 취급하는 개방계 공정에서 방호 자료로 이용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인화점이란?	인화점은 가연성물질의 잠재적 위험성을 나타내는 연소특성으로서 위험물을 취급하는 현장에서 안전 기준을 마련하는데 중요한 자료이다. 인화점은 가연성액체 표면에 발화원이 존재할 때 인화에 필요한 증기를 발산하는 액체의 최저온도이다.
	화학산업에서 일어나는 폭발, 누출 사고를 최소화 하기 위해서는?	특히 화학물질의 사고 발생 빈도는 낮으나 결과는 중대 재해로 전이되는 경우가 많다. 이러한 사고의 피해를 최소화하기 위해서는 체계적인 안전관리 구축이 이루어져야 하는데 무엇보다 중요한 것은 취급 물질의 정확한 유해 ․ 위험성 평가가 선행되어야 하는 것이다. 화학공정의 본질적 방화 및 방폭설계를 위해서는 물질의 위험특성치인 인화점, 연소점, 폭발한계, 자연발화온도 등에 대한 정확한 자료를 확보해야 한다. (1,2)
	폭발한계는 어떻게 구분되는가?	밀폐식은 Setaflash와 Pensky-Martens 방식이 사용되며, 개방식은 Tag와 Cleveland 방식 등이 있다. 폭발한계(연소한계)는 하한계(lower explosion limit, LEL)와 상한계(upper explosion limit, UEL)로 구분하며, 측정에 있어 실험조건 및 재료 등에 따라 영향을 받으므로 문헌들 마다 상이한 값들이 제시되고 있는 경우가 많다. AIT 역시 실험 주변의 조건 및 재료의 순도 등에 따라 측정값이 달라지므로 문헌들마다 차이를 보이고 있다.

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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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