LPG 위험성 및 증기압

LPG(Liquefied Petroleum Gas)는 액화한 석유가스란 뜻으로 액화석유가스, LP가스라고 부른다.

 

 

 

LPG 위험성 및 증기압

LPG의 조성

LPG는 프로판, 프로필렌, 부탄, 부틸렌 등을 주성분으로 그 외에 약간의 에틸렌, 에탄과 소량의 부타디엔 등을 함유하는 탄화수소의 혼합물을 가르키며, 일반적으로는 탄소수 3인 프로판과 탄소수 4인 부탄을 주성분으로 한 저급 탄화수소계의 혼합가스를 액화한 것(기화한 것을 포함함)으로 정의하고 있다.
업무용, 공업용 등의 연료용으로 공급되는 LPG의 종류 및 품질은 통상 7가지로 구분하고 있으며, 가정용과 영업용에서는 프로판 성분이 많은 것(프로판 : 부탄 성분비 90 % : 10 %)이, 자동차연료 등 공업용으로는 부탄 성분이 많은 것(부탄 : 프로판 성분비 겨울용 65%이상 : 35%이하, 여름용 90%이상 : 10%이하)이 주로 사용되고 있다.

<표 1> LPG의 종류 및 품질(KS M 2150)

주(1) : 자동차용, 공업용(연료 및 원료), 그 밖의 용도에 사용하는 경우에 부타디엔 함유량은 사용목적에 지장을 주는 것이어서는 안된다.
비고 : 부탄+부틸렌이란 이소부탄, n-부탄, 이소부틸렌, 1-부틸렌, 트랜스2-부틸렌 및 시스2-부틸렌의 혼합물이다. 또, 부타디엔은 1,3-부타디엔을 나타낸다

 

 

LPG의 위험특성

● LPG의 일반 성상
LPG는 상온․상압에서는 기체이지만 냉각에 의해서 쉽게 액화되고, 또한 상온에서도 그다지 높지 않은 압력으로 압축하여 액화시킬 수 있다. 예를 들면 10～15℃에서 약 0.6㎫～0.7㎫의 압력으로 액화되며 액화한 것은 수송․저장하기가 쉽다.
LPG의 끓는 온도는 아주 낮아, 프로판의 경우는 -42.1℃에서, 부탄의 경우는 -0.5℃에서 끓으며, 20℃에서 프로판의 압력은 약 0.7㎫, 부탄은 약 0.1㎫정도가 된다. LPG는 무색 투명하고 물에 잘 녹지 않으며, 알코올과 에테르에 잘 용해되고, 석유류 또는 동식물류․천연고무를 잘 용해시킨다. 증기의 비중은 공기의 약 1.5～2배로서 낮은 곳에 체류하기 쉽다. 액체인 경우는 물보다 가벼워 물을 1로 했을 때 0.5～0.58배이다.
순수한 LPG는 색깔이나 냄새가 전혀 없는 탄화수소이나 불순물이 일부 들어있어 냄새가 난다. 그러나 공업용을 제외한 LPG는 공기 중의 혼합비율의 용량이 1,000분의 1의 상태에서 감지할 수 있도록 냄새가 나는 물질을 섞어서 사용자에게 공급한다. LPG는 거의 무독성이나, 다량으로 계속 흡입하면 졸음이 오거나 가벼운 마취성이 있다. LPG의 비점에서의 기화열은 프로판이 101.8㎉/㎏, 부탄이 92.09㎉/㎏으로 기화열이 커서 액체가 누설되어 피부에 닿으면 동상이 걸리므로 주의하여야 한다.
LPG의 주요 구성성분 및 성상은 다음 표와 같다.

<표 2> LPG의 주요 구성성분 및 성상

 

 

● LPG의 위험특성

LPG는 공기나 산소와 혼합하여 폭발성 혼합가스가 되며 그의 폭발범위의 농도는 프로판은 공기 중 2.1～9.5%, 부탄은 1.8～8.4%로서 폭발하한계가 낮고, 상온․상압하에서 기체로서 기체의 비중은 공기의 약 1.5배～2배이므로 누출시 낮은 곳에 체류하기 쉽고 인화점이 낮아 누설시에는 인화․폭발의 위험성이 크다. 또 LPG는 전기절연성이 높고, 유동․여과․분무시 정전기를 발생하는 성질이 있고 이러한 정전기가 축적될 수 있는 조건에서는 방전스파크에 의해 인화위험이 있으므로 주의하여야 한다.
LPG는 가연성으로 완전 연소시키면 이산화탄소(CO2)와 수증기(H2O)로 되며, 이 경우 LPG는 상당한 발열량을 내면서 연소하여 프로판은 12,200㎉/㎏, 부탄은 11,820㎉/㎏의 발열량을 낸다. 또 프로판의 연소범위는 2.1～9.5%, 부탄은 1.8～8.4%이다. 프로판을 700～750℃로 가열하면 프로필렌, 에틸렌, 메탄 및 수소로 열분해된다.
액체가 증기로 기화하였을 때 갖는 압력을 증기압력이라 하고, 각 온도에 있어서의 최대증기압력을 포화증기압(Vapour Pressure)이라 한다. 이것은 액체로서 존재할 수 있는 압력의 최하 한도를 부여하는 점으로서 중요한 의미를 가지고 있다. 포화증기압도 온도에 따라 변한다. 어떤 액체의 절대압력이 그 액체의 온도에 상당하는 포화증기압보다도 낮아지면 비등하게 된다. 이를테면 펌프 속에서 압력이 그 곳을 흐르는 액체의 온도에 상당하는 포화증기압보다 낮은 경우 그 곳에서 증기가 발생하게 되어 펌프작용을 못하게 된다.

 

 

LPG의 온도에 따른 증기압 

● LPG 증기압 

액화가스의 증기압은 온도가 상승하면 높아지고 온도가 강하하면 낮아진다. 다음 표와 그림은 온도에 따른 액화프로판과 액화부탄 또는 그 혼합액의 증기압을 나타낸다. 예를 들면, 용기속에 온도 30℃에서 게이지압 5.5 ㎏f/㎠의 프로판이 있다고 하면 이 압력은 포화증기압(표에서 9.9㎏f/㎠)보다 낮으니까 이 상태에서는 프로판은 액체로는 존재하지 않고 전부 기체가 되어 있다. 그러나 그 상태에서 온도가 10℃가 되면, 똑같은 압력의 경우는 포화증기압이 되므로 가스상의 프로판은 액화되기 시작하면서 액상의 프로판이 생성한다.

 

<표 3> LPG의 온도에 따른 증기압 변화

(㎏f/㎠게이지압)

 

<그림 1> LPG의 온도에 따른 증기압 도표

 

 

● 순수 단일 물질과 동일한 혼합물질의 증기압은 온도가 일정하면 액량의 다소에 관계없이 일정하다.

예를 들어, 용기에 충전되어 있는 LPG를 소비할 경우에 용기에 최초로 충전된 LPG의 양이 20㎏이거나 3㎏이거나 그 압력은 변하지 않는 것이다. 그러나 실제로는 소비함에 따라서 압력이 저하하게 된다. 이것은 액량이 적어져서 내려가는 것이 아니고 가스의 소비에 따라서 액의 조성이 변화하여 부탄의 조성비가 높아지게 되면, 소비될 때에 액이 기화하고 가스가 되기 위한 기화열을 필요로 하나 그 열이 외부에서 충분히 보급되지 않으면 액 자체에서 열을 빼앗기기 때문에 액온이 저하하게 되어 압력이 저하하는 것이다. 다시 말하면 프로판과 부탄의 혼합 LP가스를 자연기화시켜 사용하면 사용해감에 따라 가스의 조성과 액의 조성은 변한다. 즉, 처음에는 액의 조성이 프로판이 많았으나 증기압이 높아 소비되는 양이 많은 프로판 성분은 사용해 가다보면 나중에는 혼합액 중의 그 조성이 처음보다 적어지게 된다. 통상적으로 LPG 구성 물질들의 증기압 크기는 탄소수가 적을수록 커지며 그 크기를 비교해 보면 다음과 같다.

LPG성분의 증기압 크기 : 에탄(C2H6)> 에틸렌(C2H4)> 프로판(C3H8)> 이소부탄(i-C4H10)> 노말부탄(n-C4H10)

 

Reference : KFS 300 연료용 LPG시설 방화기준