단열압축 점화원

연소의 3요소 중 우리가 현장에서 소홀이 다루고 있고, 또 가장 관리가 필요한 점화원(발화원)중 기계적 점화원인 단열압축에 대하여 공유하고자 한다.

 

 

 

단열압축 점화원

발화할 수 있는 혼합물을 형성하기 위해서는, 공기가 존재하고 연료증기와 공기가 적절한 비율로 혼합되어 있고, 이 혼합물이 발화되기 위해서는 발화원(고온 및 연소의 화학반응을 개시할 수 있는 충분한 에너지)이 존재해야 한다.

 

 

점화원(발화원) 종류

가연물을 연소시키기 위해 가하는 활성화 에너지를 점화 에너지라고 하며, 점화 에너지를 전달하는 근원을 점화원이라고 한다.

점화원의 종류는 다음과 같다.

1. 기계적 및 열적 점화원

- 단열압축, 충격⋅마찰, 화염(나화), 고온 표면(열원) 

2. 전기적 점화원

- 전기불꽃(스파크), 정전기

3. 화학적 점화원

- 자연발화, 연소열, 분해열, 중합열

 

점화원(발화원) 종류 및 특성의 세부적인 내용은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/266

점화원(발화원) 개요

 

 

최소점화에너지(MIE)

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

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

※ 최소점화에너지=최소발화에너지, 최소착화에너지

 

물질별 최소점화에너지 등 세부적인 내용은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1282

최소점화에너지(MIE) 응용

 

 

단열 압축(adiabatic compression) 위험성

단열과정(斷熱過程, adiabatic process)이란 팽창하거나 압축하는 동안에도 시스템에서 주변으로 열 교환이 없는 열역학적 과정으로 가역적이거나 비가역적일 수 있다.

그리고 단열 압축은 기계적 점화원이 될 수 있다. 예를 들어, 자동차 실린더의 휘발유와 공기는 증기가 자동 점화 온도(autoignition temperature)를 초과하는 단열 온도(adiabatic temperature)로 압축되면 점화된다. 이것은 엔진 내부가 너무 가열되었을 때 조기 점화에 의한 녹킹(preignition knock)의 원인이 되기도 한다. 또한 이느 일부 과열된 엔진이 시동이 꺼진 후에도 계속 작동하는 이유이기도 하다.
인화성 증기가 공기 압축기의 흡입구로 빨려 들어가 압축 후 자동 점화(autoignition)를 일으켜 대형 재해가 발생한 여러 사례가 있다. 압축기는 특히 애프터쿨러가 오염 등으로 고장났을 때 특히 자연 발화하기 쉽다. 따라서 단열 압축으로 인해 발생할 수 있는 원치 않는 화재를 방지하기 위해 공정 설계에 안전장치를 포함해야 한다.

 

 

< 단열 온도 상승>

이상 기체의 단열 온도 상승은 열역학적 단열 압축 방정식을 통해 계산된다:

(식 1)

 

여기서

 

화학 공장 내 단열 온도 상승으로 인하여 일어날 수 있는 잠재적 위험성은 다음 두 가지 사례에서 알 수 있다.

 

 

계산 사례

1. 초기 온도가 100°F인 경우 액체 헥산(liquid hexan) 위에 공기를 14.7psia에서 500psia로 압축한 후 최종 온도는 얼마인가?

- 단 헥산의 AIT는 487°C이고 공기의 γ는 1.4이다.

Solution : 상기 식 1로 부터

이 온도는 헥산의 AIT를 초과하므로 발화의 위험성이 예상된다.

 

* 이러한 사례는 가연성 가스 및 컴프레서를 다룰 때 신중한 설계, 세심한 상태 모니터링, 정기적인 예방 유지보수 프로그램의 필요성을 보여준다.

 

 

2. 피스톤형 컴프레서의 윤활유는 항상 cylinder bore에 미량으로 존재하므로, 폭발을 방지하기 위해 컴프레서 작동은 항상 오일의 AIT보다 훨씬 낮은 온도에서 조작되어야 한다.
이 오일의 AIT까지 공기 온도를 올리는 데 필요한 압축비를 계산하라.

- 특정 윤활유의 AIT는 400°C이고, 초기 공기 온도가 25°C, 1atm이라고 가정한다. 

 

Solution : 

- 상기 식 1로 부터 compression ratio,

이 비율은 출구 압력이 (17.3)(14.7psia) = 254psia임을 나타낸다.  

 

* 따라서 실제 압축 비율 또는 압력은 이 수준보다 훨씬 낮게 조작 되어야 한다.

 

Reference : Daniel A. Crowl & Joseph F. Louvar, Chemical Process Safety Fundamentals with Applications Fourth Edition