[논문]옥탄가 변화에 따른 가솔린의 발화특성에 관한 연구

김형석; 김원길; 최유정; 김정훈; 최재욱

doi:10.14346/jkosos.2018.33.2.45

옥탄가 변화에 따른 가솔린의 발화특성에 관한 연구
A Study on the Ignition Characteristics of Gasoline due to Variation in Octane Number 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.33 no.2, 2018년, pp.45 - 51

김형석 (부경대학교 대학원) , 김원길 (부경대학교 대학원) , 최유정 (부경대학교 대학원) , 김정훈 (광명토탈엔지니어링) , 최재욱 (부경대학교 소방공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to assess the hazards of gasoline in relevance to the changes in octane numbers, and gasoline's spontaneous ignition temperature and instantaneous ignition temperature were measured. Spontaneous ignition temperature of regular gasoline was $301^{\circ}C$ for sample quantity of $100{\sim}125{\mu}{\ell}$. Spontaneous ignition temperature of middle gasoline was $380^{\circ}C$ for sample quantity of $125{\mu}{\ell}$ and that of premium gasoline was $400^{\circ}C$. As gasoline's octane numbers increased, their spontaneous ignition temperatures increased, and their instantaneous ignition temperature were almost identically $499^{\circ}C$ for sample quantity of $125{\mu}{\ell}$. In addition, activation energies of regular gasoline, middle gasoline, and premium gasoline were 10.48 Kcal/mol, 16.89 Kcal/mol, and 24.55 Kcal/mol respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

. 따라서 본 연구는 ASTM D2155식 자연발화온도 측정 장치를 사용하여 국내에서 제조, 유통 및 수출되는 가솔린의 옥탄가 함유량에 따른 자연발화온도를 측정하고 발화특성을 파악하여, 가솔린을 사용하는 사업장의 재해예방을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

가설 설정

일반적으로 발화가 일어나기까지의 유도기간 내에 서는 연료의 소비는 그렇게 많지 않다고 생각하여 이것을 무시하고, 발열량이 큰 계내는 0차 반응을 가정하고 있으므로 반응물이 모두 소비될 때까지 계의 온도는 T로 유지되며, 반응속도의 온도의존성은 Arrhenius 형을 따르고 계외로의 방열속도는 온도 T와 주위온도 Ta와의 차이에 비례하는 뉴턴형의 냉각법칙을 따르는 것으로 가정하면 식(1)과 같이 에너지 방정식이 성립한다. 여기에서 계의 온도가 균일하다는 가정은 현상학적으로는 반응유체가 충분히 교반되어 있고, 용기 벽으로의 방열이 대류에 의해 일어나는 경우에 해당한다.

제안 방법

가솔린을 제조, 저장, 취급하는 산업현장에서의 자연 발화의 위험성을 예방하기 위한 특성치를 구하고자 각각의 시료량에 대하여 온도를 변화시켜 발화한계온도를 구하였다. 이와 같이 시료량과 발화한계온도의 관계를 그림으로 도시하면 발화영역과 비발화 영역으로 구분되는 발화한계온도의 곡선을 얻을 수 있으며, 발화영역 내에서 최저의 온도가 그 시료의 자연발화온도이다.
일반적으로 발화지연시간이 긴 자연발화 온도 부근에서 시료량의 차이에 따른 지연시간의 영향은 크고, 온도가 상승함에 따라 지연시간이 짧게 되어 이에 대한 영향이 점차 줄어진다. 그러므로 최저발화 온도를 결정한 이때의 시료량에 대하여 온도를 점차 상승시켜 발화되는 시간이 1.0초에 도달할 때까지의 온도범위에서 온도와 발화지연시간의 관계를 구하고, 여기에서 발화지연시간이 1.0초일 때의 온도를 순간발화온도로 하였다.
그 후 다음 측정 준비로서 발화의 유무에 관계없이 플라스크 내의 오염가스를 신선한 공기로 치환하기 위하여 공기 압축기로서 충분히 치환시킨다. 동일한 시료의 량으로 온도를 낮추면서 발화하지 않는다고 판단되는 온도까지 이 조작을 10회 반복하여 한계온도를 구하고 또한 시료량을 변화시켜서 동일한 실험조작으로 자연발화온도를 구한다. 또한 최저발화온도를 구한 시료량으로 부터 온도를 상승시켜 발화될 때까지의 지연되는 측정시간이 1초가 되는 온도를 측정함으로서 그 물질의 순간발화온도를 구하였다^14-17).
동일한 시료의 량으로 온도를 낮추면서 발화하지 않는다고 판단되는 온도까지 이 조작을 10회 반복하여 한계온도를 구하고 또한 시료량을 변화시켜서 동일한 실험조작으로 자연발화온도를 구한다. 또한 최저발화온도를 구한 시료량으로 부터 온도를 상승시켜 발화될 때까지의 지연되는 측정시간이 1초가 되는 온도를 측정함으로서 그 물질의 순간발화온도를 구하였다^14-17).
본 연구에 사용된 시료의 양은 5∼350 ㎕까지 시료량의 범위에서 행하였으며, 발화영역 내에서는 25 ㎕ 의 간격으로 변화시켜 실험을 하였고 발화한계온도 곡선의 경계 영역에서는 5∼10 ㎕의 간격으로 변화시켜 자연발화온도를 구하였다.
액체의 자연발화를 측정하기 위하여 전기로 내에 250 ㎖의 파이렉스제 삼각플라스크를 넣고 고정시켜 측정용기로 사용하였으며, 0.35 ㎜의 Chromel-Alumel 열전대를 플라스크의 상부, 하부 및 측부에 밀착시켜 사용하였다. 이 외에 발화의 유무를 관찰하기 위해 반사경을 용기 상부에 설치하였으며, 측정용기 내의 증기를 치환하기 위하여 공기압축기를 사용하였다.
옥탄가의 변화에 따른 가솔린의 위험성을 평가하기 위하여 ASTM D2155식 발화온도측정 장치를 사용하여 자연발화온도 및 순간발화온도를 구한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
35 ㎜의 Chromel-Alumel 열전대를 플라스크의 상부, 하부 및 측부에 밀착시켜 사용하였다. 이 외에 발화의 유무를 관찰하기 위해 반사경을 용기 상부에 설치하였으며, 측정용기 내의 증기를 치환하기 위하여 공기압축기를 사용하였다. 시료량의 채취는 미국 Hamilton제로서 250 ㎕와 500 ㎕용 마이크로 실린저를 사용하였으며, 발화지연시간의 측정은 정도 1/100초인 Kappa제 정밀 초시계를 사용하였다.
2는 자연발화온도를 측정하기 위한 실험방법의 순서도를 나타내었다. 파이렉스제 시험용기의 상부, 하부 및 측부에 열전대를 밀착시키고, 온도제어장치로 측정 온도를 미리 설정하고 AC 220 V의 전원을 공급한다. 발화측정장치 내의 온도가 측정온도에 도달하게 되면 마이크로 실린저로 시료를 채취하여 플라스크의 상부에서 수직으로 일시에 주입함과 동시에 스톱워치를 눌러 발화할 때까지의 발화지연시간을 측정한다.

대상 데이터

본 실험에서 사용된 실험물질은 (주)S에서 제공한 시료를 사용하였으며, 연소위험성과 관련된 주요 특성치는 한국산업안전보건공단에서 제공하는 물질안전보건자료로서 Table 1과 같으며, 실제 제공한 물질의 물성 값과 다를 수 있다¹⁰⁾.
이 외에 발화의 유무를 관찰하기 위해 반사경을 용기 상부에 설치하였으며, 측정용기 내의 증기를 치환하기 위하여 공기압축기를 사용하였다. 시료량의 채취는 미국 Hamilton제로서 250 ㎕와 500 ㎕용 마이크로 실린저를 사용하였으며, 발화지연시간의 측정은 정도 1/100초인 Kappa제 정밀 초시계를 사용하였다.

성능/효과

1) Regular Gasoline의 자연발화온도는 시료량 100∼ 125 ㎕의 범위에서 301℃로 나타났으며, 순간발화온도는 시료량 125 ㎕에서 약 499℃를 구하였다.
2) Middle Gasoline의 자연발화온도는 시료량 125 ㎕ 에서 380℃로 나타났으며 순간발화온도는 시료량 125 ㎕에서 약 499℃를 구하였다.
3) Premium Gasoline의 자연발화온도는 시료량 125 ㎕ 에서 400℃로 나타났으며 순간발화온도는 시료량 125 ㎕에서 499℃로 나타났다.
5) 가솔린의 옥탄가가 증가할수록 자연발화온도는 증가하는 것으로 나타났으며, 순간발화온도는 거의 동일하게 나타났다.
G에 대하여 최저발화온도인 시료량 125 ㎕에서의 온도변화에 따른 발화지연시간의 관계를 나타내었다. 실험결과 R.G, M.G, 및 P.G의 순간발화온도는 거의 동일하게 약 499℃를 구하였다.
3은 옥탄가가 가장 낮은 Regular Gasoline의 시료량과 발화한계온도를 나타내었으며 100∼125 ㎕의 범위에서 자연발화온도는 301℃로 나타났다. 온도가 증가 할수록 발화영역이 증가하였으며 484℃이상의 온도에서 시료량이 190 ㎕이상일 때 2회 이상 연속적인 발화를 하였으며 시료량이 75 ㎕까지 낮아질수록 온도는 상승하고 2회 이상 발화하는 시료량의 범위는 점차 증가하였다. 이것은 플라스크 내의 열면 온도가 높아짐에 따라 주입된 시료의 급격한 표면비등에 의해 액적이 분리된 상태로 부분적으로 증기화되어 발화되고, 분해된 다른 액적은 열에너지를 받아 다시 발화가능 범위를 형성하여 2차 발화를 일으키는 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자연발화는 무엇인가?	화재, 폭발위험성이 있는 용제의 사고 예방을 위하여 화재, 폭발의 특성치 파악은 매우 중요하며 특히 화재 및 폭발의 위험성을 평가하기 위한 주요 특성중 하나인 자연발화에 대한 특성의 파악이 대단히 중요하다. 자연발화(Auto ignition)는 외부로부터 점화 원이 없이 물질의 발열과 방열의 균형이 깨져 스스로 발화하는 현상으로, 발열이 방열보다 클 때 일어나며 물질의 내부에 열의 축적과 반응의 가속에 따라 내부 온도가 상승하며 마침내 자연발화온도(Auto ignition temperature; AIT)에 도달하여 연소하는 현상이다. 또한 외부에서 가열하는 경우에도 자연발화온도에 도달하는 과정이 주로 반응열의 축적에 의한 경우에는 자연 발화에 포함시키는 것이 보통이다2,3).
	발화는 물적 조건과 에너지 조건을 만족하여야 하는데 각각 무엇인가?	발화라고 하는 현상은 기본적으로 미연소 상태에서 연소라고 하는 일종의 정상상태로 전이하는 빠른 속도의 산화반응에 의한 과도현상으로 이와 같은 전이가 일어나기 위해서는 물적 조건과 에너지 조건이 만족하여야 한다. 물적 조건은 예열에 의한 충분한 양의 가연성 증기 및 기체가 산화제와 발화가 가능한 농도범위로 혼합한 것을 말하며 에너지 조건으로는 해당 증기 및 기체가 자체 가속형 산화를 유발 시킬 수 있는 온도 또는 국소 가열되어 단열화염온도에 도달하게 되는 열원이다. 자연발화는 축열과정에 있는 것으로 내부에서의 방열과 발열의 속도균형에 문제가 있는 것으로 발열이 방열보다 큰 경우에 발생한다 11,12) .
	가솔린은 무엇인가?	산업의 발달로 인한 물류의 수송이 증대함에 따라 차량, 선박, 항공, 기계 장치류 등 에너지의 사용이 급증하였고 그에 따라 연료물질인 가솔린의 사용 또한 급증하게 되었다. 탄화수소 혼합물인 가솔린은 원유를 분별증류 하였을 때 30∼200℃의 범위에서 끓는 액체를 말하며 상온에서 쉽게 증발하고 공기와 혼합하여 가연성 혼합기를 형성하여 쉽게 폭발하는 특성을 가지고 있다1). 화재, 폭발위험성이 있는 용제의 사고 예방을 위하여 화재, 폭발의 특성치 파악은 매우 중요하며 특히 화재 및 폭발의 위험성을 평가하기 위한 주요 특성중 하나인 자연발화에 대한 특성의 파악이 대단히 중요하다.

참고문헌 (17)

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상세보기
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D. K. Jung, J. W. Choi, I. S. Lee, W. S. Lim and D. K. Kim, “A Study of Characteristics such as Spontaneous Ignition, Flash Point and Explosion Behavior of Methyl Ethyl Ketone Peroxide in order to Determine its Hazardousness,” J. Korean Soc. Saf., Vol. 20, No. 3, pp. 78-83, 2005.
D. M. Ha, “Measurement and Prediction of Autoignition Temperature of n-butanol and sec-Butanol system,” Fire Science and Engineering, Vol. 26, No. 5, pp. 48-53, 2012.

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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