증기 밀도 개념 및 활용

증기 밀도(Vapor density)는 증기가 누출될 때 어디에서 어느 시점에서의 증기 밀도인지가 반영되지 않으면 해석에서의 오류가 발생하는 바 증기 밀도의 개념 정립이 중요하다. 

 

 

 

증기 밀도 개념 및 활용

증기 밀도(Vapor density)는 증기가 누출될 때 어디에서 어느 시점에서의 증기 밀도인지가 반영되지 않으면 해석에서의 오류가 발생하는 바 증기 밀도의 개념 정립이 중요하다. 

즉, 증기 밀도는 기체(가스 또는 증기)와 공기 사이의 비율이 절대적인 것이 아니다. 정상적인 대기압에서 순수한 가스 또는 증기로 존재할 수 없는 주변 온도에서 물질이 누출되는 경우 증기 밀도 값이 잘못 해석되는 경우가 많아, 누출에 대한 잘못된 대응을 불러일으킬 수 있어 대응자의 안전을 위협할 수 있다.

 

 

증기 밀도의 영향요소

증기 밀도는 절대적인 물리적 매개변수가 아니며 다음 요소에 의해 영향을 받을 수 있다;

(1) 기류(air currents) 

(2) 온도 및 용기 내 압력

(3) 습도 - 가스나 증기에 흡수되어 부력을 떨어뜨릴 수 있다.

(4) 이슬점(dew point)- 공기 중의 수증기가 상승하여 증기의 작용에 영향을 줄 수 있다.

(5) aerosols - 증기에 미세한 물방울이 존재하면 증기운이 무거워질 수 있다.

 

 

증기-공기밀도의 계산

많은 물질(액체)은 끓는점이 주변 온도보다 훨씬 높기 때문에 누출 시는 순수한 100%의 증기로 증발하나 곧 공기 등과 혼합된다.

증기 밀도는 순수한 증기를 가정하는 분자량 비율을 사용하여 계산되기 때문에 이 점을 주의하여야 한다. 따라서 물질의 증기 밀도를 결정하는 더 정확한 방법은 공기 중 물질의 증기 혼합물과 순수한 공기의 증기 혼합물을 비교하는 것이다.

이 비율을 통해 물질의 증기 밀도를 더 정확하게 측정할 수 있다.

 

(1) 증기-공기 혼합물의 상대 증기 밀도 계산 절차

 

1단계: 특정 온도에서 순수한 화학 물질의 대략적인 밀도를 계산한다.

pV = 1.3691 X MW(물질의 분자량)/T(℉ + 460)

2단계: 주변 온도에서 공기의 대략적인 밀도를 계산한다.
pA = 39.566/T(℉ + 460)

3단계: 물질 증기-공기 혼합물의 상대 증기 밀도를 계산한다.
상대 증기 밀도 = [(C X pV) + (100 - C) X pA] / (100 X pA)

여기서, C = 공기 중 증기의 "포화 농도" (vol %).
* "포화 농도" = 물질의 증기압 * 100 / 760

 

 

(2) 계산 사례(Benzene)

 

- 벤젠(C6H6) MW : 78.1

- 공기(Air) MW : 29

- 벤젠 증기압(@79℉) : 100mm/Hg

 

● vapor density ratio

= 78.1/29

= 2.69

▶ 이 비율은 벤젠 누출 시 누출된 벤젠 표면과 지형 근처에 축적된 벤젠의 증기 밀도를 나타낸다.

 

● vapor/Air mixture relative density

= [(13.16*0.2) + (100-13.16)*0.07)/(100*0.07)

= [2.632 + 6.079]/7 = 2.632 + 0.87

= 1.24

* C(포화농도) = 100*100/760 = 13.16 vol%(이는 79℉에서 누출된 벤젠 증기의 최대 농도를 나타낸다.)

* pV = 1.3691 X 78.1/(79 + 460) = 0.2

* pA = 39.566/(79 + 460) = 0.07

▶ 실제로 위의 공식으로 계산하면 증기-공기 혼합물의 상대 증기 밀도는 공기보다 약간 무거울 뿐이다.

 

● 결론 :  

79℉에서 누출된 벤젠 액면 바로 위의 벤젠-공기 혼합물이 벤젠의 증기 밀도로 흔히 보고되는 2.7 비율(vapor density ratio)이 아니라 실제 벤젠-공기 혼합물의 증기 밀도는 공기보다 1.24배(vapor/Air mixture relative density)만 무겁다는 것을 의미한다.

 

 

Application 및 해석

이러한 방정식과 개념은 증기 확산 소프트웨어 애플리케이션에서 증기운이 누출될 때 어디로 얼마나 멀리 이동할지 더 잘 예측하기 위해 활용된다.

공기 밀도에 가까운 증기 밀도 값을 가진 혼합물은 유출 지점에서 멀어지면서 공기와 빠르게 혼합된다.

- 이 혼합물이 공기 밀도에 근접하여 중성 부력을 갖는 증기-공기 혼합물처럼 행동하는 데는 오래 걸리지 않는다.

- 부력이 음인 혼합물은 유출로부터 먼 거리에서는 공기보다 무거운 혼합물처럼 행동한다.

- 또한 양의 부력을 가진 혼합물은 공기보다 가벼운 혼합물처럼 행동한다.

 

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

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

3. https://www.firehouse.com/rescue/article/10574881/the-rest-of-the-story-calculating-vapor-density