[논문]2-Butanol, 2,2,4-Trimethylpentane, Methylcyclohexane 그리고 Toluene 이성분 혼합계에 대한 101.3 kPa에서의 인화점 측정

황인찬; 인세진

doi:10.7464/ksct.2020.26.3.161

2-Butanol, 2,2,4-Trimethylpentane, Methylcyclohexane 그리고 Toluene 이성분 혼합계에 대한 101.3 kPa에서의 인화점 측정
Measurement of Flash Point for Binary Mixtures of 2-Butanol, 2,2,4-Trimethylpentane, Methylcyclohexane, and Toluene at 101.3 kPa 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.26 no.3, 2020년, pp.161 - 167

초록
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가연성 물질을 사용하는 화학공정 산업에서 저장 안전성을 높이고 화재 및 폭발 예방 조치를 설계하려면 신뢰할 수 있는 인화점에 대한 정보가 필요하다. 본 연구는 석유화학 공정에서 중요한 용매와 가솔린의 옥탄가 향상제로 사용되는 방향족, 나프텐 및 파라핀계 탄화수소 화합물과 알킬알코올에 대한 이성분 혼합물의 인화점 데이터를 얻는 것이다. 그래서 이성분 혼합물인 {2-butanol + 2,2,4-trimethylpentane}, {2-butanol + methylcyclohexane} 그리고 {2-butanol + toluene} 계에 대한 최소인화점을 Stanhope-Seta 밀폐식 인화점 측정기를 이용하여 측정하였다. 각 이성분계 혼합물에 대한 인화점을 예측하기 위해 이상성인 라울의 법칙(Raoult's law)과 비이상성인 Wilson, NRTL 그리고 UNIQUAC 매개변수를 이용하였고 실험 결과와 비교해 보았다. 이상성을 나타내는 라울의 법칙(Raoult's law)보다 비이상 용액 혼합물의 활동도 계수 모델에서 2.36 K 이하의 좋은 결과를 나타내었다. 본 연구의 결과는 가연성 혼합물을 함유한 석유화학 용매의 안전한 저장 및 공정 설계에 적용할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

For the design of the prevention and mitigation measures in process industries involving flammable substances, reliable safety data are required. An important property used to estimate the risk of fire and explosion for a flammable liquid is the flash point. Flammability is an important factor to consider when developing safe methods for storing and handling solids and liquids. In this study, the flash point data were measured for the binary systems {2-butanol + 2,2,4-trimethylpentane}, {2-butanol + methylcyclohexane} and {2-butanol + toluene} at 101.3 kPa. Experiments were performed according to the standard test method (ASTM D 3278) using a Stanhope-Seta closed cup flash point tester. A minimum flash point behavior was observed in the binary systems as in the many cases for the hydrocarbon and alcohol mixture that were observed. The measured flash points were compared with the predicted values calculated via the following activity coefficient (GE) models: Wilson, Non-Random Two-Liquid (NRTL), and UNIversal QUAsiChemical (UNIQUAC) models. The predicted data were only adequate for the data determined by the closed-cup test method and may not be appropriate for the data obtained from the open-cup test method because of its deviation from the vapor liquid equilibrium. The predicted results of this work can be used to design safe petrochemical processes, such as the identification of safe storage conditions for non-ideal solutions containing flammable components.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. The Densities, Purities, Flash Point and UNIQUAC Parameters of Chemicals Used in This Work
표 Table 2. The Antoine Coefficients of the Components
표 Table 3. The Optimized Binary Parameters of the Wilson, NRTL and UNIQUAC Equations for Each Binary System
표 Table 4. The Experimental and Predicted Flash Points for Each Binary System
그림 Figure 1. The comparison of the flash point prediction curves with the experimental data for the binary system {2-butanol (1) + 2,2,4-trimethylpentane (2)}.
그림 Figure 2. The comparison of the flash point prediction curves with the experimental data for the binary system {2-butanol (1) + methylcyclohexane (2)}.
그림 Figure 3. The comparison of the flash point prediction curves with the experimental data for the binary system {2-butanol (1) + toluene (2)}.

AI 본문요약
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문제 정의

또한 methylcyclohexane, toluene 및 이들의 혼합물은 타이어, 고무 및 폴리머 제조 산업에서 매우 유용한 용매로 사용된다[9,10]. 본 연구의 목적은 석유화학 산업에서 주로 사용되는 방향족, 나프텐 및 파라핀계 탄화수소의 대표적 화합물인 3종류의 탄화수소(toluene, methylcyclohexane, 2,2,4-trimethylpentane)와 2-butanol을 포함한 이성분 혼합물 계의 인화점 데이터를 얻는 것이다. 혼합 이성분계인 {2-butanol + 2,2,4-trimethylpentane}, {2-butanol + methylcyclohexane} 그리고 {2-butanol + toluene}에 대한 인화점을 Stanhope-Seta (SETA) 밀폐식 인화점 측정기를 이용하여 측정하였고 각 이성분계 혼합물에 대한 인화점을 예측하기 위하여 Raoult’s의 법칙, Wilson [11], NRTL [12] 및 UNIQUAC [13] 파라미터를 이용하였고 실험 결과와 비교해 보았다.

제안 방법

SETA 밀폐식 인화점 측정기를 이용하여 {2-butanol (1) +2,2,4-trimethylpentane (2)}, {2-butanol (1) + methylcyclohexane (2)} 그리고 {2-butanol (1) + toluene (2)}계의 이성분 혼합물을 전체 조성 범위에 걸쳐 측정하였다. Table 4에는 인화점 측정을 통해 얻은 이성분 혼합물계의 최소 인화점 측정값과 라울의 법칙(Raoult’s law), Wilson, NRTL 그리고 UNIQUAC 모델의 활동도 계수를 사용하여 예측된 값을 각각 비교하여 나타내었다.
Table 4에는 인화점 측정을 통해 얻은 이성분 혼합물계의 최소 인화점 측정값과 라울의 법칙(Raoult’s law), Wilson, NRTL 그리고 UNIQUAC 모델의 활동도 계수를 사용하여 예측된 값을 각각 비교하여 나타내었다. 각각의 모델 방정식에 대한 이성분 매개변수를 사용하여 실험에서 사용된 동일한 조건 하에 활성도 계수를 계산한다. 계산에 사용된 초기 온도 값은 각 혼합물의 산술적 평균 온도 값으로 계산한 후에 르 샤틀리에의 법칙(Le Chatelier’s principle)을 만족시킨 수치로 계산하였고 여기서 사용된 목적 함수(objective function, OF)는 식은 다음과 같다.
Karl Fischer titrator 적정 (Metrohm 684 KF-Coulometer)을 통해 불순물 중 가장 함유량이 많은 수분은 7 × 10^-5 g g^-1 이하인 것으로 확인되었다. 순수 성분의 밀도를 측정 후 문헌값과 비교하여 간접적으로 순도를 한 번 더 검증하였다. 실험에 사용된 각 시약들의 밀도, GC에 의한 순도 분석 결과, 순수 성분의 최소인화점 측정값 그리고 계산에 필요한 UNIQUAC 파라미터를 문헌값[14,15]과 함께 비교하여 Table 1에 나타내었다.
실험에서 각 순수 성분과 혼합물에 대한 인화점은 SETA 밀폐식 인화점 측정기(Series 8 SETA FLASH, model 82000-0, Surrey, UK)를 사용하여 측정 하였다. ASTM D 3278 규정에 따른 표준 시험 방법에 따라 SETA 밀폐식 인화점 측정을 진행하였다[16].
화학 산업에서 자주 사용되는 용매 혼합물인 {2-butanol +2,2,4-trimethylpentane}, {2-butanol + methylcyclohexane} 그리고 {2-butanol + toluene} 이성분계에 대한 최소 인화점을 SETA 밀폐식 인화점 측정기를 사용하여 측정하였다. 이상성인 라울의 법칙과 비이상 용액 혼합물의 활동도 계수 모델인 Wilson, NRTL 및 UNIQUAC을 활용하여 인화점을 예측하여 비교하였다. 비이상성을 고려하여 측정된 인화점 데이터는 혼합물의 활동도 계수 모델에 의한 예측 값과의 비교에서 2.
장치에 주입되는 혼합물의 부피는 약 2 mL이고, 가능한 온도 측정 범위는 253.15 K에서 573.15 K까지이며 ± 0.1 K의 정확도로 온도를 유지시키는 온도 제어기에 의해 조절이 되며, 표준 시험 용액을 사용하여 SETA 밀폐식 인화점 측정기의 calibration을 주기적으로 실행하였다.
화학 산업에서 자주 사용되는 용매 혼합물인 {2-butanol +2,2,4-trimethylpentane}, {2-butanol + methylcyclohexane} 그리고 {2-butanol + toluene} 이성분계에 대한 최소 인화점을 SETA 밀폐식 인화점 측정기를 사용하여 측정하였다. 이상성인 라울의 법칙과 비이상 용액 혼합물의 활동도 계수 모델인 Wilson, NRTL 및 UNIQUAC을 활용하여 인화점을 예측하여 비교하였다.

대상 데이터

9%)은 Aldrich사의 시판 시약을 사용하였다. 가스 크로마토그래피(gas chromatography, GC) 분석결과, 실험에 사용된 모든 시약은 99.9 wt% 이상의 순도를 나타내었고 모든 시료는 직경이 0.3 nm인 molecular sieves를 사용하여 건조한 후에 사용하였다. Karl Fischer titrator 적정 (Metrohm 684 KF-Coulometer)을 통해 불순물 중 가장 함유량이 많은 수분은 7 × 10^-5 g g^-1 이하인 것으로 확인되었다.
실험에 사용된 시약은 2-butanol (C₄H₁₀O, M = 74.12 g mol^-1, CAS-RN 78-92-2, 99.9%)와 2,2,4-trimethylpentane (C₈H₁₈, M =114.23 g mol^-1, CAS-RN 540-84-1, 99.9%)은 J. T. Baker사의 시판 제품을 사용하였고 methlycyclohenxane (C₇H₁₄, M = 98.19 g mol^-1, CAS-RN 108-87-2, 99.9%)와 toluene (C₇H₈, M = 92.14 g mol^-1, CAS-RN 67-56-1, 99.9%)은 Aldrich사의 시판 시약을 사용하였다. 가스 크로마토그래피(gas chromatography, GC) 분석결과, 실험에 사용된 모든 시약은 99.
이성분계 혼합물의 시료의 조제는 ± 1 × 10-5 g의 정확도를 보이는 전자정밀저울(Ohaus DV215CD)을 사용하였고, 실험과 관련된 오차는 1 × 10-4 mole fraction 미만으로 측정된다.

데이터처리

실제 측정값과 계산된 예측값을 비교하기 위하여 평균 절대 편차(average absolute deviation, A.A.D)을 이용하였고 Table 4에 함께 나타내었다.

이론/모형

실험에서 각 순수 성분과 혼합물에 대한 인화점은 SETA 밀폐식 인화점 측정기(Series 8 SETA FLASH, model 82000-0, Surrey, UK)를 사용하여 측정 하였다. ASTM D 3278 규정에 따른 표준 시험 방법에 따라 SETA 밀폐식 인화점 측정을 진행하였다[16]. 장치는 크게 세 가지로 구성이 되는데 화염 제어, 온도 제어 그리고 시간 제어기이다.
계산에 사용된 초기 온도 값은 각 혼합물의 산술적 평균 온도 값으로 계산한 후에 르 샤틀리에의 법칙(Le Chatelier’s principle)을 만족시킨 수치로 계산하였고 여기서 사용된 목적 함수(objective function, OF)는 식은 다음과 같다.
비이상 용액 혼합물의 활동도 계수 γi를 계산은 Wilson [11], NRTL [12] 그리고 UNIQUAC [13]의 이성분에 대한 매개변수를 이용하였고 계산식은 다음과 같다.
순수 성분 i에 대한 온도에 따른 포화 증기압의 변화는 Antoine 방정식[22]을 이용하여 계산이 가능하다.
인화성을 지닌 혼합물은 기-액 평형 상태에서 다음의 르 샤틀리에의 법칙(Le Chatelier’s principle)[20]이 적용된다.
혼합 이성분계인 {2-butanol + 2,2,4-trimethylpentane}, {2-butanol + methylcyclohexane} 그리고 {2-butanol + toluene}에 대한 인화점을 Stanhope-Seta (SETA) 밀폐식 인화점 측정기를 이용하여 측정하였고 각 이성분계 혼합물에 대한 인화점을 예측하기 위하여 Raoult’s의 법칙, Wilson [11], NRTL [12] 및 UNIQUAC [13] 파라미터를 이용하였고 실험 결과와 비교해 보았다.

성능/효과

A.A.D 분석 결과 이상성을 나타내는 라울의 법칙(Raoult’s law)보다 비이상 용액 혼합물의 활동도 계수 모델인 Wilson, NRTL 및 UNIQUAC에서 2.36 K 이하의 좋은 결과를 나타내었다.
36 K 이하 결과로 잘 일치함을 알 수 있었다. {2-butanol + 2,2,4-trimethylpentane}계는 Wilson모델에서, {2-butanol + methylcyclohexane}계는 NRTL모델에서, 그리고 {2-butanol + toluene}계는 UNIQUAC 모델이 각각 가장 좋은 결과를 보였다. 또한, 분석 결과 중 {2-butanol + methylcyclohexane}계와 {2-butanol + toluene}계에서 순수 성분의 인화점보다 혼합물의 인화점이 낮은 최소인화점이 발견되어 취급 및 저장 시 화재와 폭발에 주의해야 한다.
측정한 이성분계 중 {2-butanol (1) + methylcyclohexane (2)}계와 {2-butanol (1) + toluene (2)}계에서 순수 성분의 인화점보다 혼합물의 인화점이 낮은 MFPB가 발견되었다. 가장 좋은 결과를 나타낸 모델 식으로 MFPB를 계산해 본 결과, {2-butanol (1) + methylcyclohexane (2)} 계에서는 x₁ = 0.034, T = 268.48 K이고 {2-butanol (1) + toluene (2)} 계에서는 x₁ = 0.074, T = 279.65 K의 결과를 각각 확인할 수 있었다.
36 K 이하의 좋은 결과를 나타내었다. 각 혼합물의 결과는 {2-butanol (1) + 2,2,4-trimethylpentane (2)}계에서 실험값과 예측값의 차이가 1.35 K으로 Wilson 델이, {2-butanol (1) + methylcyclohexane (2)}계는 0.29 K으로 NRTL모델이, 마지막으로 {2-butanol (1) + toluene (2)}계는 0.82 K의 결과로 UNIQUAC 모델이 가장 좋은 결과를 보였다.
{2-butanol + 2,2,4-trimethylpentane}계는 Wilson모델에서, {2-butanol + methylcyclohexane}계는 NRTL모델에서, 그리고 {2-butanol + toluene}계는 UNIQUAC 모델이 각각 가장 좋은 결과를 보였다. 또한, 분석 결과 중 {2-butanol + methylcyclohexane}계와 {2-butanol + toluene}계에서 순수 성분의 인화점보다 혼합물의 인화점이 낮은 최소인화점이 발견되어 취급 및 저장 시 화재와 폭발에 주의해야 한다.
이상성인 라울의 법칙과 비이상 용액 혼합물의 활동도 계수 모델인 Wilson, NRTL 및 UNIQUAC을 활용하여 인화점을 예측하여 비교하였다. 비이상성을 고려하여 측정된 인화점 데이터는 혼합물의 활동도 계수 모델에 의한 예측 값과의 비교에서 2.36 K 이하 결과로 잘 일치함을 알 수 있었다. {2-butanol + 2,2,4-trimethylpentane}계는 Wilson모델에서, {2-butanol + methylcyclohexane}계는 NRTL모델에서, 그리고 {2-butanol + toluene}계는 UNIQUAC 모델이 각각 가장 좋은 결과를 보였다.
각 이성분 혼합계의 결과로부터 인화점 데이터를 쉽게 알아볼 수 있도록 Figure 1 에서 Figure 3까지 나타내었다. 측정된 모든 이성분계에서 36.6 K 이내의 인화점의 차이로 이는 두 성분 간의 휘발도 차이가 크지 않다는 것을 확인할 수 있다. 2-Butanol의 조성이 증가할수록 인화점의 급격한 증가를 보였고 적은 농도에서는 인화점의 변화가 약하게 나타남을 알 수 있다.

후속연구

인화점 측정으로 얻어진 결과는 close cup 방법으로 밀폐계에 적용해 볼 수 있으며 기-액 평형 데이터와의 편차로 인해 개방계에서는 적합하지 않을 수 있다. 본 연구의 방법과 결과가 가연성 혼합용매를 취급하는 화학 공정산업의 안전한 저장 및 공정 설계에서 화재와 폭발의 위험성을 나타내는 중요한 정보로 활용되고 더욱 안전성을 높이기 위한 기초 자료로 사용되길 기대해 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가연성 액체에 대한 인화점이란?	취급하는 가연성 액체에 대한 인화점은 공기와 가연성 물질이 혼합되어 가연성 증기를 형성하는 온도이며, 화재 및 폭발에 대한 안전성을 판단하는 지표 중 하나이다. 일반적으로 가연성 물질은 실험연구실 및 공정 산업에서 사용되는데, 안전성을 확보하기 위해 화학적, 물리적 특성을 파악하는 것이 무엇보다 중요하다.
	화학공정에서 가연성이란?	화학공정에서 가연성은 고체와 액체를 안전하게 저장하고 취급하기 위한 방법을 개발할 때 가장 먼저 고려해야 할 중요한 요소이다[1]. 인화성 물질이 포함된 공정 산업에서 화재 예방 및 안전성이 확보된 설계하려면 신뢰할 수 있는 인화점(flash Point)의 정보가 반드시 필요하고, 가연성 물질의 화재 및 폭발의 위험성을 추정하고 위험물 관리의 안전성 확보를 위한 중요한 정보로 활용된다[2,3].
	SETA 밀폐식 인화점 측정기는 무엇으로 구성되어 있는가?	ASTM D 3278 규정에 따른 표준 시험 방법에 따라 SETA 밀폐식 인화점 측정을 진행하였다[16]. 장치는 크게 세 가지로 구성이 되는데 화염 제어, 온도 제어 그리고 시간 제어기이다. 장치에 주입되는 혼합물의 부피는 약 2 mL이고, 가능한 온도 측정 범위는 253.

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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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