[논문]n-Pentanol p-Xylene 과 혼합물의 최소자연발화온도와 발화지연시간의 측정 및 예측

하동명

doi:10.7731/kifse.2017.31.5.001

초록
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가연성물질의 화재 및 폭발 특성치는 안전한 취급, 저장, 수송, 처리 및 폐기하는데 반드시 필요하다. 공정 안전을 위한 대표적인 연소특성치로 최소자연발화온도(AIT)를 들 수 있다. 최소자연발화온도는 가연성 액체의 안전한 취급을 위해서 중요한 지표가 된다. 최소자연발화온도는 가연성물질이 주위의 열에 의해 스스로 발화하는 최저온도이다. 본 연구에서는 ASTM E659 장치를 이용하여 가연성 혼합물인 n-Pentanol과 p-Xylene 혼합물의 최소자연발화온도와 발화지연시간을 측정하였다. 2성분계를 구성하는 순수물질인 n-Pentanol과 p-Xylene의 최소자연발화온도는 각각 $285^{\circ}C$, $557^{\circ}C$로 측정되었다. 그리고 측정된 n-Pentanol과 p-Xylene 혼합물의 최소자연발화온도와 AIT에서의 발화지연시간의 실험값은 제시된 식에 의한 계산값과 적은 평균절대오차에서 일치하였다. 따라서 본 연구에서 제시한 예측식들을 이용하여 n-Pentanol과 p-Xylene 혼합물의 다른 조성에서도 최소자연발화온도와 발화지연시간을 예측이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

The fire and explosion properties of combustible materials are necessary for the safe handling, storage, transportation and disposal. Typical combustion characteristics for process safety include auto ignition temperature(AIT). The AIT is an important index for the safe handling of combustible liqui...

The fire and explosion properties of combustible materials are necessary for the safe handling, storage, transportation and disposal. Typical combustion characteristics for process safety include auto ignition temperature(AIT). The AIT is an important index for the safe handling of combustible liquids. The AIT is the lowest temperature at which the material will spontaneously ignite. In this study, the AITs and ignition delay times of n-pentanol and p-xylene mixture were measured by using ASTM E659 apparatus. The AITs of n-pentanol and p-xylene which constituted binary system were $285^{\circ}C$ and $557^{\circ}C$, respectively. The experimental AITs and ignition delay times of n-pentanol and p-xylene mixture were a good agreement with the calculated AITs and ignition delay times by the proposed equations with a few A.A.D. (average absolute deviation). Therefore, it is possible to estimate the AITs and ignition delay times in other compositions of n-pentanol and p-xylene mixture by using the predictive equations which presented in this study.

Keyword

표/그림 (4)

표 Table 1. Experimental and Predicted AITs of n-Pentanol and p-Xylene System
그림 Figure 1. Comparison of AIT prediction curves with experimental data for n-pentanol and p-xylene system.
그림 Figure 2. Comparison between experimental and calculated ignition delay of n-pentanol and p-xylene system.
표 Table 2. Experimental and Predicted Ignition Delay of n-Pentanol and p-Xylene System

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 얻은 측정값을 분석한 결과, 혼합 조성에서 AIT의 발화지연시간(ignition delay)은 서로 상관관계가 있음을 알 수 있어, 조성 변화에 의한 발화지연시간을 예측할 수 있는 모델 역시 다음과 같이 제시하였다.

제안 방법

본 장치는 온도조절기, 열전대,플라스크, 거울 등으로 구성되어 있다. 실험방법은 혼합물을 구성하는 물질들 가운데 가장 낮은 물질의 AIT를 근거로 하였다.
본 연구는 자연발화온도 측정 장치(ASTM E659)를 사용하여 n-Pentanol과 p-Xylene 가연성혼합물의 자연발화온도와 발화지연시간 그리고 최소자연발화온도(AIT)를 측정하였다. n-Pentanol과 p-Xylene 계를 구성하는 순수물질의 AIT는 기존 측정값을 활용하였고,^(9,10) n-Pentanol과 p-Xylene 계 5개의 조성에서 AIT를 측정하였다.
본 연구는 자연발화온도 측정 장치(ASTM E659)를 사용하여 n-Pentanol과 p-Xylene 가연성혼합물의 자연발화온도와 발화지연시간 그리고 최소자연발화온도(AIT)를 측정하였다. n-Pentanol과 p-Xylene 계를 구성하는 순수물질의 AIT는 기존 측정값을 활용하였고,^(9,10) n-Pentanol과 p-Xylene 계 5개의 조성에서 AIT를 측정하였다. 또한 측정된 혼합물의 다른 조성에서도 AIT과 AIT에서의 발화지연시간(IgnitionDelay)을 예측할 수 있는 모델을 제시하였다.
n-Pentanol과 p-Xylene 계를 구성하는 순수물질의 AIT는 기존 측정값을 활용하였고,^(9,10) n-Pentanol과 p-Xylene 계 5개의 조성에서 AIT를 측정하였다. 또한 측정된 혼합물의 다른 조성에서도 AIT과 AIT에서의 발화지연시간(IgnitionDelay)을 예측할 수 있는 모델을 제시하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 시약 가운데 n-Pentanol은 Acros (USA),p-Xylene은 Lancaster (USA)로서 각 각 순도는 99%이며, 5개의 혼합 조성의 AIT를 측정하기 위해 각 순수물질을 다른 몰비(mole fraction)로 혼합하여 시료로 사용하였다.
n-Pentanol과 p-Xylene 계의 AIT뿐만 아니라 발화지연시간에 의한 자연발화온도를 측정하기 위해서 ASTM E659(Koehler 사)를 사용하였다. 본 장치는 온도조절기, 열전대,플라스크, 거울 등으로 구성되어 있다. 실험방법은 혼합물을 구성하는 물질들 가운데 가장 낮은 물질의 AIT를 근거로 하였다.

데이터처리

AIT와 발화지연시간의 최적화 모델을 찾기 위해서 절대 평균오차(A.A.D.)와 결정계수(r²)를 사용하였다. ^(5,7,15,16)

이론/모형

n-Pentanol과 p-Xylene 계의 AIT뿐만 아니라 발화지연시간에 의한 자연발화온도를 측정하기 위해서 ASTM E659(Koehler 사)를 사용하였다. 본 장치는 온도조절기, 열전대,플라스크, 거울 등으로 구성되어 있다.

성능/효과

본 실험에서는 p-Xylene의 AIT를 측정하기 위해 기존 문헌들에 제시된 Xylene 이성질체의 AIT를 근거로 550 ℃에서 실험한 결과 비발화되어, 다시 30 ℃상승시킨 580 ℃에서 실험한 결과 20.99 s에서 발화되었다. AIT를 찾기 위해 20 ℃ 낮춘 560 ℃에서 측정하였을 때 29.
본 연구에서 얻은 혼합조성에서의 AIT를 고찰한 결과 p-Xylene의 조성이 클수록 AIT가 증가하는 경향을 나타내고 있다. 따라서 n-Pentanol과 p-Xylene 계의 혼합 조성에 의한 AIT를 예측이 가능할 것으로 판단되어 앞서 제시한식 (4)와 (6)의 모델을 회귀분석에 의해 최적화한 결과 다음과 같은 예측식을 얻었다
99로써 모사성이 크게 나타났다. 따라서 본 연구에서 제시한 식을 이용하여 다른 조성에서의 AIT 예측도 가능해졌다.
본 연구에서 얻은 혼합조성과 발화지연시간의 관계를 살펴보기 위해 Plotting을 한 결과 조성과 발화지연시간의 상관관계가 있음을 확인하였다. 따라서 n-Pentanol과 p-Xylene 계의 혼합 조성에 의한 발화지연시간의 예측이 가능할 것으로 판단되어 앞서 제시한 식 (7)와 (8)을 회귀분석한 결과 다음과 같은 예측식을 얻었다.
1) 이성분계를 구성하는 순수물질인 n-Pentanol과 p-Xylene의 AIT는 각각 285 ℃와 557 ℃로 측정되었다.
2) n-Pentanol과 p-Xylene 계의 5개 조성에서 측정된 AIT는 n-Pentanol(0.9))+p-Xylene(0.1) 계에서는 295 ℃, n-Pentanol(0.7)) +p-Xylene(0.3) 계에서는 306 ℃, n-Pentanol(0.5))+p-Xylene(0.5) 계에서는 326 ℃, n-Pentanol(0.3))+ p-Xylene(0.7) 계에서는 446 ℃ 그리고 n-Pentanol(0.1))+p-Xylene(0.1) 계에서는 520 ℃로 측정되었다.

후속연구

6) 본 연구에서 제시한 자료와 예측식은 n-Pentanol과p-Xylene 계를 취급하는 공정에서 중요한 안전 자료로 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최소자연발화온도란 무엇인가?	최소자연발화온도는 가연성 액체의 안전한 취급을 위해서 중요한 지표가 된다. 최소자연발화온도는 가연성물질이 주위의 열에 의해 스스로 발화하는 최저온도이다. 본 연구에서는 ASTM E659 장치를 이용하여 가연성 혼합물인 n-Pentanol과 p-Xylene 혼합물의 최소자연발화온도와 발화지연시간을 측정하였다.
	산업현장에서 취급하는 가연성물질들의 정확한 연소특성치를 적용하는 하는 것은 사고 예방에서 가장 중요한 부분인 이유는 무엇인가?	화학 사고를 보면 화학 및 반도체 산업을 비롯해 대학의 실험실 등에서 사용하는 물질에 대한 정확한 화재 및 폭발 특성치를 파악하지 못해서 재해가 발생되는 경우가 허다하다. 따라서 산업현장에서 취급하는 가연성물질들의 정확한 연소특성치를 적용하는 하는 것은 사고 예방에서 가장 중요한 부분이다.
	가연성물질의 화재 및 폭발 특성치는 무엇을 하는데 반드시 필요한가?	가연성물질의 화재 및 폭발 특성치는 안전한 취급, 저장, 수송, 처리 및 폐기하는데 반드시 필요하다. 공정 안전을 위한 대표적인 연소특성치로 최소자연발화온도(AIT)를 들 수 있다.

참고문헌 (16)

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D. M. Ha and S. J. Lee, "Measurement of Autoignition Temperature of o-Xylene+n-Pentanol System," Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 21, No. 4, pp. 66-72, (2006).
D. M. Ha, "Measurement and Prediction of Autoignition Temperature (AIT) n-Hexanoll+p-Xylene Mixture," Journal of Energy Engineerig, Vol. 25, No. 1, pp. 48-55, (2016).

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상세보기
C. J. Hilado and S. W. Clark, "Autoignition Temperature of Organic Chemicals," Chemical Engineering, Vol. 79, No. 19, pp. 75-80, (1972).
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G. E. P. Box. and N. R. Draper, "Empirical Model-Building and Response Surface," John Wiley and Sons, Inc. (1987).
J. V. Beck and K. J. Arnold, "Parameter Estimation in engineering and Science," John Wiley and Sons, Inc. (1977).
S. J. Cho, J. S. Shin, S. H. Choi, E. S. Lee and S. J. Park, “Optimization Study for Pressure Swing Distillation Process for the Mixture of Isobutyl-Acetate and Isobutyl-Alcohol System,” Korean Chemical Engineering Research, Vol. 52, No. 3, pp. 307-313, (2014).

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