인화성 물질의 누출

일반사항 – 인화성 물질 누출 

– 인화성 물질의 누출률(release rate) : EHA 범위에 영향을 미치는 가장 중요한 요소

– 넓은 폭발범위 형성 조건

• 누출률이 많을 수록…..
• 폭발하한계(LFL)가 낮을수록….

*인화하한값 15%인 NH3 ->누출->급희석(개방된 공간) => 폭발성분위기 생성 무시 가능

누출원

▣누출원 파악

• EHA 구분 기본 요소 : 누출원 식별 및 누출등급 결정
• 인화성 물질이 해당 장소에 존재할 수 있는지 결정 필요
• 인화성 가스와 증기는 공정설비내에 존재하며, 설비는 밀폐식이거나 아닐 수 있으므로 공정설비 내 인화성 분위기 조성 장소 또는 누출로 외부에 인화성 분위기 조성 장소 구분 필요
• 공정설비 각 단위장치(탱크, 펌프, 배관, 용기)는 인화성 물질의 잠재적 누출원으로 간주
• 단위장치 내 인화성 물질이 없거나 있더라도 누출 우려가 없는 경우(용접 배관)에는 폭발위험장소 제외

 

▣누출 등급

• 누출등급 : 누출 빈도 및 지속시간에 따라 등급 구분
• 누출등급 결정 후 위험장소 종류와 범위에 영향을 미칠 수 있는 누출률과 기타요소(회석등급, 환기이용도 등) 결정 필요
• 연속 누출 : 연속, 빈번 또는 장기간 발생한 것으로 예상되는 누출
• 1차 누출 : 정상작동 중 주기적 또는 간헐적으로 발생할 수 있는 누출
• 2차 누출 : 정상작동 중에는 발생하지 않고, 발생하더라도 간헐적 또는 단시간 누출

* 누출원은 3가지 등급 중 하나 또는 그 이상의 조합된 형태로 존재할 수 있음

▣누출원 판단

• 실험실과 같이 인화성 물질의 양이 적은 경우 이 구분절차를 적용하는 것은 부적정할 수 있음 (상황에 맞는 특정요인 검토 필요)
• 내부에서 인화성 물질이 연소되는 공정설비 (가열로, 화로, 보일러, 가스터빈 등)의 폭발위험장소 구분은 퍼지주기, 기동 및 정지조건을 고려하여 판단
• 특정 구조 관련 코드에 적합한 폐쇄설비 구조의 경우, 인화성 물질의 누출을 무시할 수 있를 정도로 효과적 방지 또는 제한 가능 (관련 주곶 및 운전표준 준수 여부 확인 필요) 여부 검토
• 압력을 가진 액체 누출로 형성되는 미스트는 해당 액체의 인화점보다 낮은 온도에서 연소 가능

 

누출의 형태

▣일반사항 – 누출의 형태

– 누출의 특성은 인화성 물질의 물리적 상태 및 온도와 압력에 따라 결정

• 높은 온도 또는 압력 상태의 가스 ex,수소
• 압력에 의해 액화되는 가스 ex,LPG
• 냉각에 의해 액화될 수 있는 가스 ex,LNG
• 인화성 증기가 누출되는 액체 ex,톨루엔

– 인화점 이상에서의 인화성 물질 누출은 인화성 증기 또는 가스 운 생성

• 모든 누출의 형태는 가스 또는 증기 누출로 귀결
• 가스/증기는 부력(buoyant), 중립부력(neutrally buoyant) 및 무거운(heavy) 형상 중 하나로 나타남
• 지면에서의 위험장소 수평범위는 상대밀도와 함께 증가하나, 수직범위는 상대밀도가 저하됨에 따라 증가

[누출 형태와 다양한 조건에서 행동패턴]

 

 

가스누출

▣누출지점의 압력에 따라서 가스 제트(jet)나 가스 기둥(plume) 형성

• 영향요인 : 상대밀도, 난류 혼합도 및 공기 이동
• 가스가 공기보다 현저하게 가벼울 경우(밀도<1) 위로 이동 (ex,수소, 메탄)
• 가스가 공기보다 무거울 경우(밀도>1) 지표면이나 음푹 파인 곳에 체류 (ex,부탄, 프로판)
• 시간 경과에 따라서, 누출가스는 대기 난기류로 인하여 공기와 혼합하여 중립부력으로 변경

 

▣고압 누출가스는 초기에는 주위 공기와 혼합되어 난류 제트분출 형성

• 높은 압력에서 가스 팽창으로 인한 열역학적 현상 발생
• 누출가스는 팽창으로 냉각되어 공기보다 무거워 아래로 이동
• 줄-톰슨 효과로 인한 냉각은 공기에 의한 열과 상쇄되어 무거운 가스에서 중립부력으로 전환
• 공기보다 무거운 가스에서의 중립부력으로 전환은 누출특성에 따라서 향상 발생할 수 있고, LFL 이하로 희석된 후에도 발생

*줄-톰슨 효과 : 압축기체를 단열된 좁은 구멍으로 분출시키면 온도가 변하는 현상으로 이는 분자간 상화작용에 의해 온도 변화에서 발생한다. 공기를 액화 또는 냉매의 냉각에 응용

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액화가스

▣누설 시나리오

• 용기 내 증기 공간 또는 배관 내 물질이 가스상태로 누출
• 누출점에서 빠른 증발은 냉각현상 유발
• 대기 중 수증기 응축 및 결빙현상 발생

 

▣플래쉬 증발

• 증발되는 액체는 자신과 주위 대기로부터 에너지를 흡수하여 누출되는 유체를 냉각
• 유체가 냉각되면 전체가 증발되지는 않고, 일부 에어로졸 형태로 전환
• 누출이 충분히 많다면, 앵각 유체풀이 지면에 축적 및 시간경과에 따라 가스 증발

 

▣에어로졸

• 냉각 에어로졸 거동은 짙은 가스와 유사
• 가압된 액체 누출의 증발 및 냉각효과가 주위 습기를 응축시켜 가시적 운을 형성

 

냉동가스

▣초저온 가스

• 메탄이나 수소 등의 기타 가스는 냉각에 의해서만 액화 가능
• 냉각 가스의 작은 누설은 주위로부터 열 흡수로 풀을 형성하지 않고 신속히 증발
• 만약, 누설이 많다면 찬 액체 풀 형성

 

▣비등현상

• 차가운 액체는 지면 및 주변환경에서 에너지를 흡수하여 차고 짙은 가스 운 발생
• 다이크 또는 방호벽 : 누설되는 액체의 흐름 유도 또는 유지

 

▣비고

• 분출된 증기는 저온에서 일반적으로 무겁지만, 주변온도 상승에 따라 중립부력으로 전환
• 초저온가스 임계온도 : -50℃ 이하

 

에어로졸 (인화성미스트)

• 대기 중에 부유하는 작은 입자(1~50 미크론)로 가스가 아니라 공기 중 부유상태 인 작은 방울로 구성
• 방울을 가압된 액체의 플래쉬 증발 또는 열역학적 조건의 증기 또는 가스로부터 형성
• 누출 상태에 따라서 에어로졸 형태의 액체 방울이 전체 누출물의 1%로 정도 낮을 수 있음
• 실제로, 액체 누출 시 다양한 크기의 액체입자가 구성되며, 큰 입자는 누출 즉시 떨어지기 쉬우며, 누출량의 일부만 에어로졸 상태로 전환
• 미스트의 인화성은 농도(방울, 증기), 휘발성, 액체방울 크기와 관계
• 일반적으로 압력이 커지고 누출부의 크기가 작을수록, 누출제트의 미립자화에 기여하여 폭발 위험이 증가되나, 누출 구멍이 작아지면 누출률 및 위험 감소
• 일단, 인화성 미스트 형성이 가능하다고 판단되면, 가급적 누출원 격리 또는 관리, 제어
• 예) 다공성 방호장치, 미스트 감지기 또는 억제 시스템 등
• If not, 폭발위험장소 고려 필요
• 가스/증기의 발화기준 및 소산 매커니즘이 다르기 때문에 부석서B 적용 불가 및 정성적 접근

증기

• 증기압: 액체가 발생한 증기와 평형상태가 되었을 때의 압력
• 증기압은 물질 특성 및 온도에 따라 결정
• 공기보다 현저하게 가벼우면(비중 0.8이하) 위로, 무거우면(비중 1.2 이상) 지표면에 체류
• 증발과정에서 액체의 온도 저하 또는 상승제한이 발생될 수 있으나, 이러한 액체온도 변화는 위험장소 구분에 영향을 미치는데 한계가 있음
• 발생 증기 농도는 액체의 증발률, 온도 및 주위 공기흐름의 함수로 나타나기 때문에 얘측곤란

 

액체 누출

• 표면이 흡수성이 아닌 경우, 표면에 증기 운이 형성되는 액체 풀(pool) 형태로 발생
• 증기 운의 크기는 물질의 특성 및 주위 온도에서의 증기압에 따라 다름
• 대부분의 인화성 액체는 물보다 밀도가 낮고, 물과 쉽게 섞이지 않음
• 물 표면에서 퍼지면서 표면적을 증가시켜, 얇은 막을 형성하여 증발률을 증가 시킴

 

환기(공기이동) 및 희석

▣ 개요

• 대기로 누출된 가스/증기는 공기와 난류 혼합 및 농도 구배에 의해 희성되어, 농도가 0이 될 때까지 확산
• 자연 또는 강제 환기에 의한 공기 이동은 확산율 촉진
• 공기 이동의 증가는 개방된 액체표면에서의 증발의 증가로 누출률 증대의 원인

 

▣환기 및 공기이동의 두 가지 기본 기능

• 희석 비율 증가 및 분산 촉진 -> 폭발위험장소의 범위 제한(최소화)
• 폭발성분위기의 지속 회피 -> 폭발위험장소의 종별(type)에 영향

 

▣장애물 영향

• 환기 또는 공기이동을 방해하여 EHA 범위 증가 가능
• 다이크, 벽, 천장 등은 가스/증기의 이동범위를 제한하여 EHA 범위 제한 가능

 

주요 환기의 형태

• 자연환기
• 강제환기, 전체환기 또는 누출원에 대한 국소배기 둘 중의 하나

 

▣자연 환기

• 건물 내 자연환기는 바람 및 온도 변화(환기에 의한 부력)에 의한 압력차로 발생
• 누출물을 안전하게 희석시키기 위하여 특정 옥내 상황(건물 내의 벽 또는 천장의 개구부)에서 유효할 수 있음

 

*자연환기의 예,

->벽 및 천장 개구부를 갖는 개방 건물은 폭발위험장소 구분 목적상 개구부의 크기와 위치에 따라서 관련 가스/증기의 상대밀도에 대하여 개방상태와 동등한 환기성능을 가짐

->개방 건물은 아니지만 환기 목적의 영구적인 개구부에 의해 자연환기(일반적으로 개방 건물보다 적음)가 되는 건물

->건물 내 자연환기는 가스/증기의 부력이 중요한 요소가 될 수 있으므로, 분산과 희석이 촉진되도록 배치

->자연 환기량은 본질적으로 매우 다양하므로, 자연환기에 의한 희석인 경우 최악의 시나리오를 적절히 고려 및 환기등급 결정

▣강제 환기

• 강제환기는 환기 또는 공기의 흐름이 환풍기나 배출기 등의 인위적인 수단에 의하여 이루어지는 방식
• 주로 실내 또는 밀폐공간 내에서 적용되지만, 장애물로 인하여 제한된 자연환기를 보상하기 위해서 사용
• 전체환기(실내 전체)와 국소배기(누출점 인근 배기)가 있으며, 방식에 따라서 공기의 이동 및 치환정도가 다양함

 

*강제환기의 예,

->환풍기는 건물의 공기 유동을 증가시켜서, 건물 내 가스제거에 효과적임

->건물 내의 난류를 증가시켜 실내의 연기가 빠져나가지 않더라도 실내의 공기량보다 휠씬 작은 양의 연기는 희석시킬 수 있음

->공기/증기 배기 시스템, 강제 또는 배출 환기시스템

*강제환기의 목적 

->폭발성가스 분위기의 지속시간 단축

폭발위험장소의 형태 및 범위 축소

폭발성가스 분위기의 생성 방지

강제 환기 고려사항

▣강제 환기의 고려사항

• 배기 시스템 내부, 배기구 외부 인접부 및 기타 개구부의 폭발위험장소 설정
• 폭발위험장소의 환기용 공기는 비위험장소에서 흡기
• 환기 시스템 설계 전에 설치위치, 누출등급, 누출속도 및 누출률 명확화

 

▣시스템 성능 영향요인

• 인화성 가스와 증기는 공기와 다른 밀도를 가지므로, 공기의 유동이 없는 밀폐장소의 바닥 또는 천장 부근에 체류하는 경향을 보임
• 누출원 인근에서의 강제환기는 가스 또는 증기의 유동을 효과적으로 제어가 필요함
• 장애물과 방해물은 공기의 유동으 ㄹ저하시킬 수 있으며, 일부 장소에는 환기가 안 될 수 있음
• 난류 및 순환 공기 패턴

 

▣ 희석등급 (degree of dilution)

• 희석등급 : 누출률을 안전한 수준으로 희석시키기 위한 환기능력 또는 대기조건의 척도
• 주어진 환기 및 대기조건에서 누출률이 높으면 높을 수록 낮은 희석등급에 해당되며, 일정한 누출률에서 환기량이 낮으면 낮을수록 낮은 희석등급에 해당
• 희석등급은 환기뿐만 아니라 예상되는 누출가스의 형태와 특성에도 영향을 받는데, 저속의 누출은 향상된 환기에 의해 고속의 누출보다 많이 완화시킬 수 있음

 

▣ 희석등급의 3종류

• 고희석(high dilution) : 누출원 근처에서의 농도를 순간적으로 감소시키고, 누출이 중단된 후 사실상 지속되지 않음
• 중희석(medium dilution) : 누출이 진행되는 동안에도 누출농도를 안전된 상태로 제어할 수 있고, 누출이 중단된 후에는 더 이상 폭발성 가스분위기가 지속되지 않음
• 저희석(low dilution) : 누출이 진행되는 동안에 상당한 농도로 지속되고, 누출 정지된 후에도 인화성 분위기가 상당기간 지속