In the industrial chemical process involving combustible materials, reliable safety data are required for design prevention, protection and mitigation measures. The accurate combustion properties are necessary to safely treatment, transportation and handling of flammable substances. The combustion p...
In the industrial chemical process involving combustible materials, reliable safety data are required for design prevention, protection and mitigation measures. The accurate combustion properties are necessary to safely treatment, transportation and handling of flammable substances. The combustion parameters necessary for process safety are lower flash point, upper flash point, fire point, lower explosion limit(LEL), upper explosion limit(UEL)and autoignition temperature(AIT) etc.. However, the combustion properties suggested in the Material Safety Data Sheet (MSDS) are presented differently according to the literatures. In the chemical industries, tetralin which is widely used as a raw material of intermediate products, coating substances and rubber chemicals was selected. For safe handling of tetralin, the lower and flash point, the fire point, and the AIT were measured. The LEL and UEL of tetralin were calculated using the lower and upper flash point obtained in the experiment. The flash points of tetralin by using the Setaflash and Pensky-Martens closed-cup testers measured $70^{\circ}C$ and $76^{\circ}C$, respectively. The flash points of tetralin using the Tag and Cleveland open cup testers are measured $78^{\circ}C$ and $81^{\circ}C$, respectively. The AIT of the measured tetralin by the ASTM E659 apparatus was measured at $380^{\circ}C$. The LEL and UEL of tetralin measured by Setaflash closed-cup tester at $70^{\circ}C$ and $109^{\circ}C$ were calculated to be 1.02 vol% and 5.03 vol%, respectively. In this study, it was possible to predict the LEL and the UEL by using the lower and upper flash point of tetralin measured by Setasflash closed-cup tester. A new prediction method for the ignition delay time by the ignition temperature has been developed. It is possible to predict the ignition delay time at different ignition temperatures by the proposed model.
In the industrial chemical process involving combustible materials, reliable safety data are required for design prevention, protection and mitigation measures. The accurate combustion properties are necessary to safely treatment, transportation and handling of flammable substances. The combustion parameters necessary for process safety are lower flash point, upper flash point, fire point, lower explosion limit(LEL), upper explosion limit(UEL)and autoignition temperature(AIT) etc.. However, the combustion properties suggested in the Material Safety Data Sheet (MSDS) are presented differently according to the literatures. In the chemical industries, tetralin which is widely used as a raw material of intermediate products, coating substances and rubber chemicals was selected. For safe handling of tetralin, the lower and flash point, the fire point, and the AIT were measured. The LEL and UEL of tetralin were calculated using the lower and upper flash point obtained in the experiment. The flash points of tetralin by using the Setaflash and Pensky-Martens closed-cup testers measured $70^{\circ}C$ and $76^{\circ}C$, respectively. The flash points of tetralin using the Tag and Cleveland open cup testers are measured $78^{\circ}C$ and $81^{\circ}C$, respectively. The AIT of the measured tetralin by the ASTM E659 apparatus was measured at $380^{\circ}C$. The LEL and UEL of tetralin measured by Setaflash closed-cup tester at $70^{\circ}C$ and $109^{\circ}C$ were calculated to be 1.02 vol% and 5.03 vol%, respectively. In this study, it was possible to predict the LEL and the UEL by using the lower and upper flash point of tetralin measured by Setasflash closed-cup tester. A new prediction method for the ignition delay time by the ignition temperature has been developed. It is possible to predict the ignition delay time at different ignition temperatures by the proposed model.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 테트랄린의 하부와 상부인화점, 연소점 그리고 AIT를 측정하여 기존의 자료들의 타당성을 검토하였다. 또한 본 연구에서 측정된 하부 및 상부인화점을 이용하여 폭발하한계와 상한계를 계산하여 기존에 제시된 값들과 비교하였다.
본 연구에서는 산업현장에서 도료․고무 등의 용제 그리고 세정의 목적으로 사용되고 있으며, 나프탈렌을 접촉 수소화시켜서 얻는 방향족탄화수소인 테트랄린(Tetralin)의 하부 및 상부인화점, 연소점 그리고 최소자연발화온도(AIT)를 측정하여 기존 제시된 자료들과 비교하였으며, 측정된 인화점 그리고 연소점을 이용해 폭발한계를 계산하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
테트랄린의 AIT를 측정하기 위해서 Table 2에 제시된 기존 문헌들의 AIT를 근거로 측정하였다. 제시된 385℃보다 30℃ 낮은 355℃에서 실험한 결과 비발화되어, 다시 20℃ 높여 375℃에서 시험하였으나 역시 비발화되었다.
테트랄린의 활성화에너지(E, activation energy)는 측정된 발화온도와 발화지연시간을 이용하여 계산하였다.
3) 테트랄린은 고온인 100℃에서 운전을 하고 있으므로 폭발하한계과 상한계의 온도의존성을 적용하여 방폭 설계를 한다.
대상 데이터
본 연구에서는 산업현장에서 널리 사용되며, 나프탈렌을 접촉 수소화시켜서 얻는 방향족탄화수소로 무색의 액체인 테트랄린(Tetralin)을 선정하였다. 테트랄린은 테트라하이드로나프탈렌이라고도 하며, 물에는 녹지 않으나 에탄올, 부탄올, 아세톤, 에테르, 벤젠, 클로로포름 등에 녹는다.
본 연구에서 사용된 테트랄린(Sigma Aldrich, 99%, USA)은 별도의 정제 과정없이 사용하였다.
데이터처리
본 연구에서는 테트랄린의 하부와 상부인화점, 연소점 그리고 AIT를 측정하여 기존의 자료들의 타당성을 검토하였다. 또한 본 연구에서 측정된 하부 및 상부인화점을 이용하여 폭발하한계와 상한계를 계산하여 기존에 제시된 값들과 비교하였다. 제시된 테트랄린의 실험 자료와 폭발한계의 예측 방법은 이를 사용하는 공정에서 안전을 확보하는데 활용되기를 기대하며, 다른 위험성물질에 대한 타당성 평가와 현재 사용되고 있는 MSDS(Material Safety Data Sheet)의 개선에 기대한다.
이론/모형
테트랄린의 인화점을 위해 밀폐식인 Setaflash(ASTMD3278)의 Manual과 Auto 그리고 Pensky-Martens(ASTMD93)을 사용하였고, 개방식인 Tag(ASTM D1310)와 Cleveland(ASTM D92)를 사용하였다. 연소점은 Tag와 Cleveland 개방식을 이용하였으며, 이들 장치의 사진 및 구조 등은 그동안 여러 문헌들에서 제시하여 본 연구에서는 생략하도록 한다3,4).
테트랄린의 인화점을 위해 밀폐식인 Setaflash(ASTMD3278)의 Manual과 Auto 그리고 Pensky-Martens(ASTMD93)을 사용하였고, 개방식인 Tag(ASTM D1310)와 Cleveland(ASTM D92)를 사용하였다. 연소점은 Tag와 Cleveland 개방식을 이용하였으며, 이들 장치의 사진 및 구조 등은 그동안 여러 문헌들에서 제시하여 본 연구에서는 생략하도록 한다3,4).
테트랄린의 자연발화온도와 발화지연시간 그리고 최소자연발화온도(AIT)를 측정하기 위해서 ASTM E659를 사용하였으며, 발화지연시간에 1 sec대 까지 측정하였다. 발화지연시간을 1 sec대 까지 측정한 이유는 자연발화온도와 지연시간의 관계를 이용하여 활성화에너지를 계산할 수 있기 때문이다.
발화지연시간을 1 sec대 까지 측정한 이유는 자연발화온도와 지연시간의 관계를 이용하여 활성화에너지를 계산할 수 있기 때문이다. 장치의 구성은 크게 로, 온도 조절기, 열전대, 플라스크, 주사기, 거울, 에어건 등으로 되어 있고, 실험 진행은 ASTM 규정에 따라 측정하였다3,4)
밀폐식(CC) 장치인 Setaflash과 Pensky-Martens을 사용하여 인화점을 측정하였고, 개방식(OC) 장치인 Tag와 Cleveland를 이용하여 인화점과 연소점을 측정하였다. 측정된 인화점과 연소점을 이용하여 계산된 폭발한계를 Table 3에 나타내었다.
측정된 인화점과 연소점에 의한 폭발한계를 계산하기 위해 Antoine 식을 사용하였다20).
그리고 테트랄린은 고온인 100℃에서 운전을 할 때가 많으므로 이때 폭발하한계를 연구해야한다. 이를 위해서는 폭발한계의 온도의존식을 이용해야 하는데 본 연구에서는 탄화수소의 폭발한계의 온도의존성을 연구한 Zabetakis21)가 제시한 식을 사용하고 있으며, 식은 다음과 같다.
활성화에너지(E)를 계산하기 위해서 화재 및 폭발 분야에서 많이 적용하는 Semenov22)가 제시한 식을 사용하였으며, 본 연구에서 얻은 식 (4)와 식 (7)의 관계에 의해 E는 80.20 kJ/mol로 계산되었다.
성능/효과
본 연구에서 Setaflash의 Manual에 의해 측정된 하부인화점 70℃는 Table 2에 제시된 인화점보다 1∼ 5℃ 정도 낮게 측정되었으며, Tag 개방식에서 측정된 78℃는 기존의 문헌값과 비슷한 결과를 보였다. 따라서 공정안전을 위해서는 Setaflash의 측정값인 70℃ 혹은 71℃를 활용해야 한다.
본 연구에서 측정된 테트랄린의 AIT 380℃를 Table 2에서 제시한 기존 자료들과 비교했을 때 KOSHA의 MSDS 385℃보다는 5℃ 낮게, Jackson보다는 44℃ 낮게 측정되었으나, Smallwood 155℃보다는 높게 측정되었다. 테트랄린의 AIT를 제시한 문헌들과 본 연구의 측정값을 고찰하였을 때는 약 380℃의 AIT를 사용하여 화재 예방 시스템을 구축하는 것이 타당하다고 본다.
본 연구에서 측정된 테트랄린의 AIT 380℃를 Table 2에서 제시한 기존 자료들과 비교했을 때 KOSHA의 MSDS 385℃보다는 5℃ 낮게, Jackson보다는 44℃ 낮게 측정되었으나, Smallwood 155℃보다는 높게 측정되었다. 테트랄린의 AIT를 제시한 문헌들과 본 연구의 측정값을 고찰하였을 때는 약 380℃의 AIT를 사용하여 화재 예방 시스템을 구축하는 것이 타당하다고 본다.
2) Setaflash의 Manual에 의한 하부인화점 70℃를 이용하여 계산된 폭발하한계는 0.85 vol%로서, 기존의 문헌값인 약 0.5 vol%보다 높게 계산되었다.
4) 테트랄린의 최소자연발화온도(AIT)는 380℃로서 기존에 제시된 385℃보다 약 5℃ 낮게 측정되었다.
5) 테트랄린의 활성화에너지(E)는 80.20 kJ/mol로 계산되었다.
6) 본 연구에서 측정된 발화온도와 발화지연시간의 관계식을 이용하여 실험에서 얻지 못한 다른 발화온도에서의 발화지연시간의 예측이 가능해졌다.
후속연구
또한 본 연구에서 측정된 하부 및 상부인화점을 이용하여 폭발하한계와 상한계를 계산하여 기존에 제시된 값들과 비교하였다. 제시된 테트랄린의 실험 자료와 폭발한계의 예측 방법은 이를 사용하는 공정에서 안전을 확보하는데 활용되기를 기대하며, 다른 위험성물질에 대한 타당성 평가와 현재 사용되고 있는 MSDS(Material Safety Data Sheet)의 개선에 기대한다.
특히 테트랄린은 하나의 문헌에서 인용한 사례가 많다고 판단되며, 특히 AIT는 약 200℃의 차이를 보이고 있으므로 이를 사용하는 공정에서 안전을 확보하기 위해서는 정확한 실험을 근거로 한 경험적 연구가 필요하다고 본다.
본 연구에서 제시한 인화점 자료와 측정된 인화점에 의한 폭발한계의 계산 방법 그리고 다른 가연성물질의 폭발한계의 온도의존성에 대한 연구에 도움을 줄 것으로 본다. 또한 본 연구에서 제시한 테트랄린의 연소점은 저장 탱크의 누출사고의 방호목적으로 화재 방호에 활용할 수 있다.
본 연구에서 제시한 인화점 자료와 측정된 인화점에 의한 폭발한계의 계산 방법 그리고 다른 가연성물질의 폭발한계의 온도의존성에 대한 연구에 도움을 줄 것으로 본다. 또한 본 연구에서 제시한 테트랄린의 연소점은 저장 탱크의 누출사고의 방호목적으로 화재 방호에 활용할 수 있다.
7) 지금까지 테트랄린은 소방법의 위험물안전관리법에서 제4류위험물 제3석유류(인화점 70℃ 이상 200℃미만)에 해당하고 있으나, 본 실험 결과 70℃로 측정되었으므로 이에 대한 실험적 고찰이 필요하다고 본다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
MSDS의 정확한 사용이 중요한 이유는 무엇인가?
MSDS는 근로자가 사용하게 되는 취급물질에 관한 정보뿐만 아니라 공정 운전 중에 예기치 못한 사고가 발생되었을 때 응급조치할 수 있는 방법도 제시하고 있다. 정확한 MSDS의 사용은 사업장 종사자들의 안전을 증진시킬 수 있으며, 기업 차원에서는 재해로 인한 경제적 손실을 줄이므로써 비용 절감의 효과를 가져 올수 있다. 특히 제시되고 있는 MSDS의 연소특성치는 최근에 실험에서 얻은 측정값과 다른 경우가 많다.
테트랄린의 특징은 무엇인가?
본 연구에서는 산업현장에서 널리 사용되며, 나프탈렌을 접촉 수소화시켜서 얻는 방향족탄화수소로 무색의 액체인 테트랄린(Tetralin)을 선정하였다. 테트랄린은 테트라하이드로나프탈렌이라고도 하며, 물에는 녹지 않으나 에탄올, 부탄올, 아세톤, 에테르, 벤젠, 클로로포름 등에 녹는다. 그리고 탈수소에 의해 나프탈렌, 수소 첨가에 의해 데칼린, 산화에 의해 과산화물 및 프탈산 무수물, 염소화에 의해 5- 및 6-클로로테트라히드로나프탈렌, 니트로화에 의해 5- 및 6-니트로테트라히드로나프탈렌이 각각 생성된다. 주로 도료․고무 등의 용제로 사용되지만, 세정의 목적으로 사용되는 경우도 있다.
테트랄린의 인화점에 대한 차이가 발생하는 이유는 무엇인가?
그러나 AIT는 Smallwood가 가장 낮은 225℃를, Jackson는 가장 높은 423℃로서 약 200℃의 차이를 보이고 있다. 폭발한계는 대부분의 문헌에서 하한계 0.8 vol%(100℃), 상한계 5.0 vol% (100℃)를 제시하고 있으나, Ignition에서는 폭발하한계를 0.84 vol%로 제시하였는데, 이는 25℃에서 측정한 결과로 판단된다.
참고문헌 (22)
J. Y. Lee, D. H. Kim, S. H. Ban and C. J. Lee, "A Study a Dike Design Considering a Leakage Velocity at an Opening Hole in Case of a Leakage Accident", J. Korean Soc. Saf., Vol. 32, No. 6, pp. 40-45, 2017.
W. K. Kim, J. H. Kim, J. W. Ryu and J. W. Choi, "The Measurement of the Explosion and the Minimum Oxygen Concentration of Gasoline According to Variation in Octane Number", Korean Chem. Eng. Res., Vol. 55, No. 5, pp. 618-622, 2017.
D. M. Ha, "The Measurement and Prediction of Fire and Explosion Properties of n-Nonane", J. Korean Soc. Saf., Vol. 31, No. 4, pp. 42-48, 2016.
D. M. Ha, "Measurement and Prediction of Fire and Explosion Characteristics of n-Butylacetate", J. Korean Soc. Saf., Vol. 32, No. 5, pp. 25-31, 2017.
H. Liaw, V. Gerbaud, C. Chen and C. Shu, "Effect of Stirring on the Safety of Flammable Liquid Mixture", J. of Hazardous Materials, Vol. 177, pp. 1093-1101, 2010.
C. J. Hilado and S. W. Clark, "Discrepancy and Correlations of Reported Autoignition Temperature", Fire Technology, Vol. 4, pp. 75-80, 1972.
Y. Hsieh and C. Chen, "Effect of Experimental Conditions on Measuring Auto-ignition Temperature of Liquid Chemicals", Ind. Eng. Chem. Res., Vol 49, No. 12, pp. 5925-5932, 2010.
D. R. Lide, "Handbook Chemistry and Physics", 76th ed., CRC Press, 1996.
J. A. Dean, "Lange's Handbook of Chemistry", 14th ed. McGraw-Hill, 1992.
D. M. Ha, "The Measurement and Prediction of the Combustible Properties of Benzyl-Alcohol for MSDS (Material Safety Data Sheet)", Korean Chem. Eng. Res., Vol. 54, No. 2, pp. 190-194, 2017.
NFPA, "Fire Hazard Properties of Flammable Liquid, Gases, and Volatile Solids", NFPA 325M, National Fire Protection Association, 1991.
R. J. Lewis, "SAX's Dangerous Properties of Industrial Materials", 11th ed., John Wiley & Son, Inc., New Jersey, 2004.
V. Babrauskas, "Ignition Handbook", Fire Science Publishers, Society of Fire Protection Engineers, 2003.
I. M. Smallwood, "Handbook Organic Solvent Properties", Arnord, A member of the Hodder Headline Group, 1996.
S. M. Stephenson, "Flash Points of Organic and Organometallic Compounds", Elsevier, 1987.
C. J. Hilado and S. W. Clark, "Autoignition Temperature of Organic Chemicals", Chemical Engineering, Vol. 4, pp.75-80, 1972.
J. L. Jackson, "Spontaneous Ignition Temperature - Commercial Fluids and Pure Hydrocarbons-", Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 43, No. 12, pp. 2869-2870, 1951.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.