용기 충전 작업 중 노출량 추정

작업장에서 휘발성 물질을 취급할 때 작업자가 위험물질에 노출되는 위험을 결정할 때 휘발성 물질의 노출량을 추정이 필요하여 이에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

용기 충전 작업 중 노출량 추정

다음 내용은 다음과 같은 작업자 노출형태의 경우에 적용할 수 있다.

- 작업자가 휘발성 액체 pool 근처에 서 있을 때,

- 작업자가 저장 탱크의 개구부 근처에 서 있을 때,

- 작업자가 휘발성 액체가 담긴 열린 용기 근처에 서 있을 때.

 

 

노출량 추정식

액체가 채워지는 용기의 경우, 그림 1과 같이 두 가지 배출원에서 휘발성 물질이 생성된다.

이러한 배출원은 다음과 같다. 
- 액체의 증발
- 용기를 채우고 있는 액체에 의한 증기 공간에서의 치환에 의한 증기 변위 

<그림 1> Evaporation and displacement from a filling vessel

 

 

따라서 휘발성 물질의 순 생성량은 다음 식과 같이 두 소스의 합이 된다.

 

Qm = (Qm)1 + (Qm)2

 

여기서,
(Qm)1은 증발로 인한 소스를 나타내고 
(Qm)2는 치환으로 인한 소스를 나타냅니다. 

 

 

1. (Qm)1 증발 계산식

포화 증기압이 높은 액체는 더 빨리 증발하여 증발 속도(질량/시간)는 포화 증기압의 함수가 된다. 실제로는 정체된 공기중에서의 증발(기화)속도는 포화 증기압과 증기 분압의 차이에 비례하여 일반화된 증발속도로 표현된다.

- 많은 경우 Psat>>p(Partial press)이어서 간단한 증발속도 표현식은 다음과 같다; 

여기서,

Q, is the evaporation rate (mass/time),

M is the molecular weight of the volatile substance,

K is a mass transfer coefficient (length/time) for an area A,

Psat is the saturation vapor pressure of the pure liquid at the temperature of the liquid,

Rg is the ideal gas constant, and

TL is the absolute temperature of the liquid

 

 

2. (Qm)2 치환 계산식

(Qm)2는 증기가 휘발성 물질로 완전히 포화되었다는 가정하에서 결정된다. 포화되지 않은 조건에 대한 조정은 나중에 보정해야 한다. 

 

변수 정의
Vc, the volume of the container (volume),

rf, the constant filling rate of the vessel (/time), 

Psat , the saturation vapor pressure of the volatile liquid, and

TL, the absolute temperature of the container and liquid.

 

따라서 rf·Vc는 드럼 또는 용기에서 치환되는 벌크 증기의 부피 속도(volume/time)가 된다. 또한 ρv가 휘발성 증기의 밀도라면, rf·Vc·ρv는 용기에서 치환되는 휘발성 증기의 질량 유속(질량/ 시간)이 된다.

이상 기체 법칙으로 부터 ρv = (MPsat)/(RgTL)를 얻을 수 있고 치환에 의한 계산식 (Qm)2는 다음과 같다.

 

용기내 휘발성 물질로 포화되지 않은 증기의 경우 조정 계수 ϕ를 도입하여 다음과 같은 보정 방정식을 얻을 수 있다,
 

splash filling(용기의 상단에서 액체가 바닥으로 튀면서 채우는 것)의 경우, ϕ = 1,
subsurface filling(dip leg를 사용하여 탱크 바닥까지 채우는 경우)의 경우 ϕ = 0.5이다.

 

3. 휘발성 물질 총 노출량 (Qm)1 + (Qm)2

따라서 용기에 충진 시 휘발성 물질의 순 생성량은 상기 두 식을 합한 다음 식이 된다.

 

 

계산 사례

1. 증발 속도 (Qm)

- 직경이 5ft인 대형 개방형 탱크에 Toluene(M=92)이 들어 있다. 온도가 77°F이고 압력이 1기압이라고 가정하고 이 탱크의 증발률은?

 

<Solution>

- Toluene K 계산:

  관심 물질의 기체물질전달계수 K와 기준 물질의 Ko 사이의 질량 전달 계수 비율 관계식으로 부터 다음식이 도출된다.

  그리고 일반적으로 기준물질로서 물이 사용되고 물의 물질전달계수는 Ko=0.83㎝/s이다.

    K=Ko(M/Mo)^(1/3)=(0.83㎝/s)(18/92)^(1/3)=0.482㎝/s = 0.949ft/min

-  Toluene 포화 증기압 Psat :

   Psat=28.2mmHg=0.0371atm

- Tank pool Area A:

   A=πd^2/4=19.6ft^2

- 따라서 증발속도 Qm 계산식으로 부터

 

 

2. 치환되는 증기량 (Qm)2

-  10,000 galion 대형 용기에 Toluene을 주입하는데 걸리는 시간은  8시간이다. 용기에 Toluene  splash filling으로 주입하고 있다.

대형 용기의 충전 구멍은 직경 4인치이고, 온도는 77°F, 압력은 1기압이라고 가정하고 이 용기의 치환되는 증기률은?

 

<Solution>

- Toluene K 계산:

  관심 물질의 기체물질전달계수 K와 기준 물질의 Ko 사이의 질량 전달 계수 비율 관계식으로 부터 다음식이 도출된다.

  그리고 일반적으로 기준물질로서 물이 사용되고 물의 물질전달계수는 Ko=0.83㎝/s이다.

    K=Ko(M/Mo)^(1/3)=(0.83㎝/s)(18/92)^(1/3)=0.482㎝/s = 0.949ft/min

-  Toluene 포화 증기압 Psat :

   Psat=28.2mmHg=0.0371atm

- Tank pool Area A:

   A=πd^2/4=(3.14)(4in)^2/[(4)(12in/ft)^2)=0.0872ft^2

- 액체의 충전 유속 rf:

   rf=(1/8hr)(1hr/60min)=0.00208/min

- displacement term( For splash filling the nonideal filling factor 4 is 1.0 )  ϕ·rf·Vc:

- 따라서 치환되는 증기량은

            = (92)(0.0371atm)*(2.78ft^3/min)/(0.7302ft^3atm/lb-mol R)(537 R)

            = 0.00237 lbm/min

 

Reference : Daniel A. Crowl/Joseph F. Lowar, Chemical Process Safety, Fundamentals with Applications, 2nd ed.