증기/공기 혼합물의 상대밀도

증기/공기 혼합물의 상대밀도란 어떤 온도와 압력에서 액체와 평형상태에 있는 증기와 공기의 혼합물이 보여주는 기체 밀도를 말한다.

 

 

 

증기/공기 혼합물의 상대밀도

어떤 온도와 압력에서 액체와 평형상태에 있는 증기와 공기의 혼합물이 보여주는 기체 밀도를 말한다.

 

MSDS에 표시되는 밀도 종류

메탄올(CH3OH)의 MSDS 9번 항목 물리화학적 특성에 다음과 같이 되어 있다.

- 상대밀도 또는 비중 (물 = 1): 0.79

- 상대증기밀도 (공기 = 1): 1.1

 

* 일부 외국 MSDS에는 다음 상대밀도 항목이 추가 되어 있다.

- 20°C에서 증기/공기 혼합물의 상대밀도 (공기 = 1): 1.01

 

여러 수치중에 사용 목적에 따라 어떤 수치의 밀도를 적용할 지 결정된다.

▶ 먼저 액체의 상대밀도 즉 비중(Specific Gravity)의 사용 용도는 다음과 같다.

비중이 1보다 클 것인가 아닌가(물보다 무거울 것인가 아닌가)는, 위험물의 보존 방법이나 소화 방법에 깊게 영향을 미친다. 실제 예를 살펴보자. 이황화탄소(CS₂)의 수중 저장 경우.... 이황화탄소는 물보다 무겁고 물에 녹지 않는 성질을 이용하여 수중에 저장하여 가연성 증기의 발생을 방지하고 있다. 그리고 제 4류 위험물(인화성 액체)의 소화 방법 중에서 가솔린 등의 많은 제4류 위험물(인화성 액체)은 물보다 가볍기 때문에 화재 시 물을 가하면 점화된 위험물이 물 위에 퍼져 연소 면적이 넓어지는 위험성이 있다. 증기 비중은 공기보다 무거운지 가벼운지를 나타낸다.

- 그리고 공학적으로 Sp. Gr. (Specific Gravity)로서 Plant Engineering의 공정설계와 설비의 Sizing 시에 많이 사용된다.

▶ 증기에 대한 상대밀도와 증기/공기 혼합물의 상대밀도의 사용 용도는 다음과 같다.

어느 기체의 물질이 공기의 질량의 몇 배인지를 나타내는 것이다. 증기 비중이 1보다 클 것인가 아닌가 (공기보다 무거울 것인가 아닌가)는 위험물 증기의 인화 위험에 관여한다. 실제 예를 살펴보자. 휘발유를 비롯한 제4류 위험물 (인화성 액체)의 증기 비중은 1보다 크고, 공기보다 무겁기 때문에 낮은 곳에 모이는 성질이 있다. 그중에서도 제2 석유류에 포함된 테러핀 기름의 증기 비중이 제4류 위험물 중 가장 크다고 (4.7) 것으로 알려져 있다. 그 증기는 가연성 인화의 위험이 있기 때문에 환기를 충분히 하여 화재 예방을 해야 한다. 

- 그리고 증기에 대한 상대밀도는 용기 또는 탱크 등에서 액체가 누출되는 초기 단계에는 공기가 혼합되어 있지 않아 가스 감지기 등의 설치 위치 결정에 이용되고, 증기/공기 혼합물의 상대밀도는 누출된 후 시간이 지나면 액체 증기와 공기가 혼합되어 확산 등의 거동이 일어나는 바 영향 범위 등에 사용된다.

 

 

증기-공기밀도의 영향요소

다음 요소에 따라 달라진다.

(1) 액체의 온도

(2) 그 온도에서의 증기압

(3) 액체의 분자량 또는 밀도 등

 

 

증기-공기밀도의 관계

(1) 증기-공기밀도 <1

온도가 액체의 비점보다 아주 낮은 경우, 액체의 증기압이 상당히 낮아지므로 증기-공기 혼합물은 거의 공기가 대부분을 차지하게 되어 덜 위험하다 할 수 있다.

 

(2) 증기 - 공기밀도 > 1

온도가 상승하여 비점에 가까와지면, 증발이 가속되어 증기 공기비중이 1보다 훨씬 큰 혼합기체가 되고 공기보다 무겁기 때문에 낮은 위치로 가라앉아 여러 위험(화재, 중독 등)을 초래한다.

 

(3) 증기-공기밀도 ≒ 1

증기-공기밀도가 1에 가까운 것은 대류에 의해 쉽게 확산되거나 희석되기 때문에 증기가 먼거리까지 이동하기가 쉽지 않게 된다.

 

 

증기-공기밀도의 계산

어떤 주어진 온도에서의 증기-공기밀도(비중)은 다음과 같이 계산할 수 있다.

 

(1) 증기-공기비중(밀도) 계산식

 

증기·공기비중(밀도) = (Pv x d) / Pa + (Pa - Pv) / Pa

 

여기서,

Pa: 전압 또는 대기압,

d: 증기밀도

Pv : 그 온도에서의 액체증기압 또는 주변온도에서의 액체증기압

 

상기 식에 대한 세부 내용은 다음 포스팅 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1124

증기 밀도 개념 및 활용

 

 

 

(2) 증기-공기밀도 계산 사례(Methanol)

 

상기 언급한 Methanol에 대하여 20℃에서의 메탄올 증기-공기 혼합물 상대밀도 1.01을 검증하여 보자.

 

Input data)

- Pv : 12.9 (증기압, kPa 20°C에서)
- d : 1.1 (상대증기밀도 (공기 = 1))
- Pa : 101.325 (대기압, kPa)

 

Solution)

Pv=12.9 kPa, d=1.1, Pa=101.325kPa를 대입하면

 

중기 - 공기밀도 = (12.9*1.1)/101.325 + (101.325-12.9)/101.325 = 1.0127 ≒ 1.01

 

20°C에서 증기/공기 혼합물의 상대밀도 (공기 = 1): 1.01

 

Reference : 1. https://omhouse.tistory.com/

2. http://m.remicon114.com/news_gisa/gisa_view.htm?gisa_idx=10644