최소점화에너지(MIE) 응용

점화(발화, 착화)가 일어나기 위하여는 가연물의 종류, 외부조건 등에 의해 정해지는 어느 정도 이상의 에너지, 즉 최소점화에너지(MIE : Minimum Ignition Energy)가 필요하다.

 

 

 

​최소점화에너지(MIE) 응용

점화에너지

증기-공기 혼합물이 점화되는데 필요한 최소 에너지는 농도에 따라 변화한다(<그림 1> 참조).

 

<그림 1> 농도에 따른 벤젠의 최소점화에너지

 

대부분의 물질에서, 점화되는 최소 에너지는 연소하한과 연소상한 사이의 중간 농도지점에서 나타나는데 이 값을 최소점화에너지(MIE : Minimum ignition energy)라 한다. 

최소점화에너지 (MIE : Minimum Ignition Energy) 란 가연성가스 및 공기와의 혼합가스에 착화원으로 점화시에 발화하기 위하여 필요한 최저에너지를 말한다.

※ 최소점화에너지=최소발화에너지, 최소착화에너지

 

 

● 최소점화에너지에 영향을 주는 요소

- 최소점화에너지는 물질의 종류, 혼합기의 온도, 압력, 농도(혼합비) 등에 따라 변화한다. 

① 온도가 상승하면 분자의 운동이 활발해지므로 MIE는 작아진다. 

② 압력이 상승하면 분자간의 거리가 가까워지므로 MIE는 작아진다.

③ 농도가 높고, 발열량이 크고, 산소분압이 높아질 때 MIE는 작아진다.

- 가연성가스의 조성이 화학양론적 조성(완전연소조성) 부근일 경우 MIE는 최저가 된다. 이것보다 상한계나 하한계로 향함에 따라 MIE는 증가한다.

- 일반적으로 연소속도가 클수록 MIE값은 적다.

- 매우 압력이 낮아서 어느 정도 착화원에 의해 점화하여도 점화할 수 없는 한계가 있는데 이를 최소착화압력이라 한다.

 

 

물질별 최소점화에너지

최소점화에너지는 점화원으로 불꽃방전을 사용하여 그 방전 에너지를 계산하여 구하며, 일반적인 최소점화에너지는 다음 표와 같이 매우 적어 mJ의 단위를 사용한다.

* 1기압, 상온에 있어서 일반적인 탄화수소의 최소점화에너지는 0.24 mJ 정도로 매우 매우 낮은 편이다.

 

<표 1> Minimum Ignition Energy Data by Product

Substance	MIE(mJ)	Substance	MIE(mJ)	Substance	MIE(mJ)
Acetaldehyde	0.36	Acetone	1.15	ABS	30
Acetylene	0.017	phthalic anhydride	15	epoxy resin	15
Benzene	0.20	bisphenol-A	1.8	polypropylene	25-400
Butane	0.25	ethyl acetate	1.42	PMMA	15-20
ethane	0.26	dioxane	0.3	polystyrene	40-120
ethylene	0.07	gasoline	0.8	polycarbonate	25
ethylene oxide	0.065	heptane	0.24	polyethylene	10
propane	0.25	hexane	0.24	SAN	30
propylene	0.28	isopropyl alcoho	0.65	silicon	100
carbon disulphide	0.009	toluene	0.24	tantalum	120
hydrogen	0.011	cyclohexane	0.22	tetrafluoroethylene	3.5
methane	0.28	methanol	0.24	titanium	40
dimethyl sulphide	0.48	dimethyl ether	0.29	magnesium	80
pentane	0.22	m-, o- & p-xylene	0.2	manganese	305
Acrylonitrile	0.16	Ammonia	680	nylon	20
carbon monoxide	<0.3	furan	0.22	paraformaldehyde	20
hydrogen sulphide	0.068	adipic acid	60	zinc	960

* Source : https://crohmiq.com/minimum-ignition-energy-data-by-product/

 

또 다른 물질별 MIE는 첨부 KOSHA GUIDE 별표 1 참조

KG E-89-2017 별표 1 가스 및 증기의 인화성 연소특성.hwp

3.08MB

 

 

최소점화에너지 측정 및 계산

혼합기체로 가득찬 구형용기의 중심에 콘덴서불꽃을 주어, 발화가 일어났을 때의 콘덴서 용량 C와 콘덴서 단자전압 V의 값을 사용하여 다음의 식으로 부터 발화에너지량을 구하여, 그 최소치를 최소점화(발화)에너지라 한다.

 

MIE = ½ CV^2

여기서, MIE : 최소 점화에너지 (Joule)

             C : 콘덴서 용량 (F)

             V : 전압 (Volt)

 

 

재해사례 분석

1. 사고 개요

<그림 2> 사고개요

 

   - 에틸아세테이트(Ethyl-acetate; E), 교반기(A)에 접지된 스테인리스  깔때기(Funnel ; F),

     용량 약 60 ℓ 정도의 금속제 드럼통 (D)에 유기성 가루

    - 작업자는 나무단상(W) 위에서 작업을 진행, 작업이 끝나갈 무렵 깔때기 부근에서 폭발

 

2. 공정 조건

   - 에틸아세테이트 인화점 : -4 ℃

   - 깔때기 부근 : 폭발성 분위기 조성 가능

   - 전도도가 아주 낮은 보통 신발(S) : 지면에 대한 저항 약 1 ㏁

  -  나무단상의 지면에 대한 저항 : 약 200 ㏁

  -  정전용량 : 약 160 pF ☜ (C)

  -  사용된 가루의 저항률 : 1 ㏁∙cm 이상

  -  대전전위 : 약 5 kV  ☜ (V)

 

3. 발생에너지 계산

W = ½ CV ^2 (J)

    = ½ x(160x10^-12)x(5x10^3)^2=2.0x10^-3  (J)

​    = 2.0 mJ

 

4. MIE 비교​

   - 에틸아세테이트의 최소점화에너지 : 1.42 mJ

  ▶ 발생에너지 ( 2.0 mJ) > MIE(1.42 mJ)

 

5. 재발방지를 위한 대책

   - 작업자와 드럼통의 도전성 확보

   - 드럼통을 이용하여 지면에 접지 또는 작업자에게 도전화

 

Reference : 1. KOSHA GUIDE E - 89 - 2017 정전기 재해예방에 관한 기술지침

2. KOSHA 전기안전 정전기 방지대책