[논문]프로필렌의 화재 및 폭발 위험성 평가를 위한 온도 200 ℃에서 산소농도와 압력의 변화에 따른 실험적 연구

최유정; 최재욱

doi:10.9713/kcer.2020.58.3.356

프로필렌의 화재 및 폭발 위험성 평가를 위한 온도 200 ℃에서 산소농도와 압력의 변화에 따른 실험적 연구
Experimental Study on the Changes in the Oxygen Concentration and the Pressure at Temperature of 200 ℃ for the Assessment of the Risks of Fire and Explosion of Propylene 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.58 no.3, 2020년, pp.356 - 361

초록
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프로필렌은 석유화학제품의 제조 시 기초 유분으로 산업 공정에서 널리 사용되고 있으며, 새로운 물질을 제조하기 위하여 200 ℃ 이상의 온도에서 합성되고 있다. 그러나 프로필렌은 인화성 가스로써 화재 및 폭발의 위험성이 존재하므로, 이를 방지하기 위하여 불활성 가스 중 가격이 저렴하고 공기 중 가장 많이 존재하는 질소를 주입하여 사용한다. 본 연구에서는 프로필렌-질소-산소를 사용하여 온도 200 ℃에서 압력의 변화(0.10 MPa, 0.15 MPa, 0.20 MPa, 0.25 MPa)에 따른 실험적 연구를 수행하였다. 산소농도가 21%일 때 압력이 0.10 MPa에서 0.25 MPa로 상승할수록 폭발 하한계는 2.2%에서 1.9%로감소하였으며, 폭발상한계는 14.8%에서 17.6%로증가하였다. 또한최소산소농도는 10.3%에서 10.0%로 감소하여 압력이 증가할수록 폭발 범위가 넓어져 위험성이 증가하였다. 폭발압력은 압력이 0.10 MPa에서 0.25 MPa로 상승할수록 1.84 MPa에서 6.04 MPa로 증가하였으며, 최대 폭발압력상승속도는 90 MPa/s에서 298 MPa/s로 크게 증가하였다. 고온 및 고압에서는 폭발의 위험성이 증가하므로 프로필렌을 사용하는 사업장의 폭발사고 예방을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Propylene is widely used in petrochemical manufacturing at over 200 ℃. However, since propylene is a flammable gas with fire and explosion risks, inert nitrogen is injected to prevent them. In this study, experiments were conducted using propylene-nitrogen-oxygen upon pressure changes at 200 ℃. At 21% oxygen, as pressure increased from 0.10 MPa to 0.25 MPa, lower explosion limit (LEL) decreased from 2.2% to 1.9% while upper explosion limit (UEL) increased from 14.8% to 17.6%. In addition, minimum oxygen concentration (MOC) decreased from 10.3% to 10.0%, indicating higher risks with the expanded explosive range as pressure increased. With increase of pressure from 0.10 MPa to 0.25 MPa, explosion pressure increased from 1.84 MPa to 6.04 MPa, and the rate of rise of maximum explosion pressure increased drastically from 90 MPa/s to 298 MPa/s. It is hoped that these results can be used as basic data to prevent accidents in factories using propylene.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of experimental apparatus for explosion measurement.
그림 Fig. 2. Explosion limit; Relationship between oxygen concentrations and propylene concentrations according to pressure at 200 °C.
그림 Fig. 3. Relation between minimal oxygen concentration and pressure.
그림 Fig. 4. Relationship between explosion pressure of propylene and time according to oxygen concentrations at 200 °C.
그림 Fig. 5. Relationship between explosion pressure rise rate of propylene and time according to oxygen concentrations at 200 °C.
표 Table 1. K_g; Gas deflagration index according to the pressure at 200 °C

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본연구에서는질소를사용하여 200 °C에서압력의변화에 따른 폭발한계, 최소산소농도, 폭발압력, 폭발압력상승속도를 구하였으며, 이를 통해 가스의 폭연지수(Kg)를 계산하여 제시함으로써 프로필렌 공정상의 폭발사고를 예방하기 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.
25 MPa로 상승할수록 3배 증가하였다. 이를 바탕으로 방출구의 크기, 두께 등 안전장치를 설계하는데 사용할 수 있는 자료를 제공하였다.

제안 방법

3. 가스의 혼합이 완료되면 점화스위치를 작동시켜, Amplifier를 통한 압력이 Oscilloscope에 기록되고, 폭발의 유무를 관찰한다.
4. 10회 이상 반복하여 1회라도 폭발 시 폭발로 간주하였으며, 폭발 시 최소 농도를 폭발 하한계로, 최대 농도를 폭발 상한계로 정의하였다.
에너지 저장부는 폭발된 압력신호를 증폭시켜 파형을 측정할 수 있는 Amplifier (Tokyo Sokki Kenkyujo, Da-16A)와 Oscilloscope (Tektronix, TDS 3014)를 사용하였다.
1 L, 외경 148 mm, 지름 105 mm이며, 온도를유지하기위하여외함(L 400 mm × W 300 mm × H 330 mm)이방폭구조로된폭발용기를사용하였다. 용기의상부에는 0~1000 kPa(PG-200-103GP-S)까지 측정이 가능한 Copal Electronics제 압력계와 -100 kPa ~ 0 kPa (PG-200-102VP-S)의 진공계를 설치하여 정밀밸브(NV2H-4T)를 이용하여 유량을 조절하여 분압을 확인하였다.
프로필렌의 화재 및 폭발의 위험성을 파악하기 위하여 질소 사용하여 온도 200 o C에서 압력의 변화에 따라 실험을 수행한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 가스는 S 특수가스에서 제공한 순도 99.90%의 프로필렌과 C 산업가스에서 제공한 순도 99.99%의 질소와 산소를 사용하여 실험을 진행하였다.
본 연구에서 사용한 실험장치는 Fig. 1에 나타내었으며, 실험장 치는 폭발장치, 에너지 공급부, 저장부로 나뉜다.
폭발장치는 내용적이 1.1 L, 외경 148 mm, 지름 105 mm이며, 온도를유지하기위하여외함(L 400 mm × W 300 mm × H 330 mm)이방폭구조로된폭발용기를사용하였다.

이론/모형

2. 가스의 양은 돌턴의 분압 법칙을 사용하여 폭발장치의 상부에 달린 진공계를 통해 해당 압력만큼 주입한다.
폭발한계를 측정하기 위하여 ASTM E918-83[23]을 기반으로 다음과 같은 순서로 진행되었다.

성능/효과

(1) 산소농도 21%일 때 압력이 0.10 MPa에서 0.25 MPa로 상승 할수록 하한계는 2.2%에서 1.9%로 감소하였으며, 상한계는 14.8% 에서 17.6%로 증가하였다. 압력이 상승할수록 폭발한계는 넓어지므로, 프로필렌에 대한 위험성은 증가하였다.
(2) 최소산소농도는 0.10 MPa일 때 10.3%였으나, 0.25 MPa일 때 10.0%로 감소하였다. 화염을 전파하기 위하여 최소한의 산소가 필요한데 가연물 농도와 관계없이 최소산소농도를 파악하는 것만 으로도 폭발을 방지할 수 있다.
(3) 폭발압력은 산소농도가 21%일 때 압력이 0.10 MPa일 때는 1.84 MPa였으나, 0.25 MPa일 때는 6.04 MPa로 측정되었다. 폭발 압력상승속도는압력이 0.
(4) 최대 폭발압력상승속도와 용기의 체적을 통하여 Kg를 구하였으며, 산소농도 21%일 때 압력이 0.10 MPa에서 0.25 MPa로 상승할수록 3배 증가하였다. 이를 바탕으로 방출구의 크기, 두께 등 안전장치를 설계하는데 사용할 수 있는 자료를 제공하였다.
또한, 폭발 하한계 미만의 농도에서는 폭발이 일어나지 않으며, 이는 프로필렌의 농도가 낮을수록 혼합기 내부에 가연물의 입자 간 거리가 멀어지고,에너지 전달률이 떨어지게 된다. 그 결과, 점 화원을 통해 에너지를 줘도 연쇄반응을 일으키지 못하여 폭발이 발생 되지 않은 것으로 판단되며, 폭발 상한계의 초과 농도에서는 프로필렌의 농도가 증가하면 가연물의 입자간 거리는 가깝게 되 는 반면 가연물이 연소하는데 필요한 산소 분자를 주변으로부터 취할 수 없는 상태가 되므로 폭발이 발생 되지 않은 것으로 판단 된다.
따라서 동일한 온도에서 압력이 증가하면 폭발범위가 증가함으로 폭발 상한계 농도보다 20% 이상의 농도에서 공정을 운전하거 나, 불활성 가스를 주입하여 폭발범위를 조정하여 안정성을 높일 수 있다.
산소농도 21%에서 0.10 MPa에서 0.25 MPa로 압력이 증가할수록 90 MPa/s에서 298 MPa/s가 측정되었으며, 압력이 상승할수록 약 3배의 폭발압력상승속도가 증가하였다.
산소농도가 21%일 때 압력이 0.10 MPa에서 0.25 MPa로 증가하 였을 때 LEL (Lower Explosion Limit)은 2.2%에서 1.9%로 약간 감소하였으며, UEL (Upper Explosion Limit)은 14.8%에서 17.6%로 상당히 증가하였다.
최소산소농도는 화염을 전파하기 위하여 필요한 최소한의 산소 농도로 정의한다. 최소산소농도는 가연물의 농도와는 무관하게 폭 발을 방지할 수 있으며, 압력이 0.10 MPa에서 0.25 MPa로 증가할 수록 10.3%에서 0.1%씩 낮아져 0.25 MPa일 경우 10.0%로 감소하여 위험성이 높아졌다.
폭발압력은 산소농도 21%일 때 시험 용기의 저장 압력이 0.10 MPa에서 0.25 MPa로 증가할수록 폭발하였을 때 시험 용기의 내부 증가압력이 1.84 MPa에서 6.04 MPa로폭발압력이 3배증가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	프로필렌의 역할은 무엇인가?	프로필렌은 석유화학제품의 제조 시 기초 유분으로 산업 공정에서 널리 사용되고 있으며, 새로운 물질을 제조하기 위하여 200 ℃ 이상의 온도에서 합성되고 있다. 그러나 프로필렌은 인화성 가스로써 화재 및 폭발의 위험성이 존재하므로, 이를 방지하기 위하여 불활성 가스 중 가격이 저렴하고 공기 중 가장 많이 존재하는 질소를 주입하여 사용한다.
	프로필렌 폭발 실험에서 동일한 압력에 산소농도가 증가할수록 최대 폭발압력까지의 도달시간이 짧아지는 이유는?	또한 동일한 압력에서 산소농도가 증가할수록 최대 폭발압력까지의 도달시간이 짧아진다. 이는 압력 용기의 내벽에서 화염면으로 반사되는 압력파 때문이며, 폭발과 동시에 화염 전파면은 기체 분자의 충돌 횟수가 증가하므로 화학적 반응을 가속화됨으로 인하여 짧아지는 것으로 판단된다.
	프로필렌의 위험성 방지를 위해 사용하는 것은?	프로필렌은 석유화학제품의 제조 시 기초 유분으로 산업 공정에서 널리 사용되고 있으며, 새로운 물질을 제조하기 위하여 200 ℃ 이상의 온도에서 합성되고 있다. 그러나 프로필렌은 인화성 가스로써 화재 및 폭발의 위험성이 존재하므로, 이를 방지하기 위하여 불활성 가스 중 가격이 저렴하고 공기 중 가장 많이 존재하는 질소를 주입하여 사용한다. 본 연구에서는 프로필렌-질소-산소를 사용하여 온도 200 ℃에서 압력의 변화(0.

참고문헌 (23)

Liu, S., Gao. X. and Zhang, S., "Self-adaptive Chaotic Local Search Particle Swarm Optimization for Propylene Explosion Region Parameter Identification", The 31th Chinese Control and Decision Conference(CCDC) IEEE, 1702-1707(2019).
Crowl, D. A. and Louvar, J. F., "Chemical Process Safety: Fundamentals with Application", Pearson Education International, Boston, 225-260(2011).
Korzynski, M. D. and Dinca, M., "Oxidative Dehydrogenation of Propane on the Realm of Metal-Organic Framework", ACS Central Science, 10-12(2017).
Kim, W. K., Kim, H. H., Ryu, J. W. and Choi, J. W., "The Measurement of the Explosion Limit and the Minimum Oxygen Concentration of Gasoline According to Variation in Octane Number", Korean Chem. Eng. Res., 55(5), 618-622(2017).
NFPA 68, "Guide for Venting Deflagrations", National Fire Protection(1998).
NFPA 68, "Standard on Explosion Protection by Deflagrations Vending", Quincy, MA(2013).
Lee, C. J. and Kim, L. H., "Characteristics of Dust Explosion in Dioctyl Terephthalic Acid Manufacturing Process", Korean Chem. Eng. Res., 57(6), 790-803(2019).
Mathieu, D., "Power Low Expressions for Predicting Lower and Upper Flammability Limit Temperature", Industrial & Engineering Chemistry Research, 52(26), 9317-9322(2013).
Razus, D., Oancea, D. and Ionescu, N. I., "Burning Velocity Determination by Spherical Bomb Technique. Part II. Application to Gaseous Propylene-air Mixtures of Various Compositions, Pressure and Temperatures", Rev. Rou. Chim., 45, 319-330(2000).
Yu, X., Yan, X., Ji, W., Luo, C., Yao, F. and Yu, J., "Effect of Superambient Conditions on the Upper Explosion Limit of Ethane/oxygen and Ethylene/oxygen Mixtures", J. Loss Prevention in the Process Industries, 59, 100-105(2019).
Giurcan, V., Mitu, M., Razus, D. and Oancea, D., "Influence of Inert Additives on Smallscale Closed Vessel Explosions of Propaneair Mixture", Fire Safety J., 111, 102939(2020).
Luo, Z., Liu, L., Cheng, F., Wang, T., Su, B., Zhang, J., Gao, S. and Wang, C., "Effects of a Carbon Monoxide-dominant Gas Mixture on the Explosion and Flame Propagation Behaviors of Methane in Air", J. Loss Prevention in the Process Industries, 58, 8-16(2019).
Jo, Y. D., "Estimate Minimum Amount of Methane for Explosion in a Confined Space", J. Korean Institute of Gas, 21(4), 1-5(2017).
Choi, Y. J., Heo, J. M., Kim, J. H. and Choi, J. W., "A Study on the Measurement of Explosion Range by $CO_2$ Addition for the Process Safety Operation of Propylene", J. Korea Academia Instial Cooperation Society, 20(7), 599-606(2019).
Beak, J. H., Lee, H. J. and Jang, C. B., "A Methodology for Determination of the Safety Distance in Chemical Plants using CFD Modeling", J. Korean Society of Safety, 31(3), 162-167(2016).
Zhang, B., Xiu, G. and Bai, C., "Explosion Characteristics of Argon/nitrogen Diluted Natural Gas-air Mixtures", Fuel, 124, 125-132(2014).

상세보기
Chen, S., Chen, H., Zhu, Q. and Liang, D., "Effect of Initial Temperature and Initial Pressure on vapor Explosion Characteristics of Nitro Thinner", J. Loss Prevention in the Process Industries, 61, 298-304(2019).
Razus, D., Brinzea, V., Mitu, M. and Oancea, D., "Temperature and Pressure Influence on Explosion Pressures of Closed Vessel Propaneair Deflagrations", J. Hazardous Materials, 174, 548-555(2010).
Ha, D. M., "Measurement and Prediction of Fire and Explosion Properties of n-Ethylanilne", Korean Chem. Eng. Res., 56(4), 474-478(2018).
Leffler, W. L., Natural Gas Liquids: A Nontechnical Guide, PennWell Books, Tulsa, Oklahoma, USA, 112-115(2014).
Cengel, Y. A. and Cimbala, J. M., Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications 4 edition in SI units, Mc Graw-Hill, New York, 40-42(2019).
Yan, X. T. and Xu, Y., Chemical Vapour Deposition: An Integrated Engineering Design for Advanced Materials, Springer, London, 29-30(2010).
ASTM E918-83, Standard Practice for Determinimg Limits of Flammability of Chemicals at Elecated Temperature and Pressure, PA: ASTM International(2011).

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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