Flash 현상 동반 시 누출률 계산

비등점(T♭)을 초과한 액체가 누출될 때는 대기압으로 압력이 급격히 낮아지면서 액체 내부의 에너지가 기화열로 쓰이는 Flash(급격한 기화) 현상이 발생할 때 누출률 계산하는 방법을 공유하고자 한다. 비점 초과 액체 누출에 따른 Flash Fraction 및 후속 Pool Evaporation을 고려하여 누출률을 산정하여야 한다.

 

 

 

Flash 현상 동반 시 누출률 계산

비등점(T♭)을 초과한 액체가 누출될 때는 대기압으로 압력이 급격히 낮아지면서 액체 내부의 에너지가 기화열로 쓰이는 Flash(급격한 기화) 현상이 발생한다. 이 경우 IEC 60079-10-1에서는 단순 증발(Evaporation)과는 다른 메커니즘을 적용하며, 일반적으로 다음과 같은 절차로 누출률을 산출한다.

 

다음 사례는 헥산의 비등점(68.7°C)을 초과한 상태로 운전하는(85°C) 반응기의 하부 2차 누출의 헥산 사례로, 단순 증발(Evaporation)보다는 Flash(급격한 기화) 현상이 동반하는 경우이다.

 

 

플래시 분율 (Flash Fraction, χ) 산정

먼저 누출된 액체 중 즉시 기체로 변하는 비율을 계산한다.

χ = [ Cₚₗ × (Tᵢ - T♭) ] / Hᵥ

• χ: 플래시 분율 (비율)
• Cₚₗ: 액체의 비열 (Hexane의 경우 약 2.4 kJ/kg·K)
• Tᵢ: 운전 온도 (85°C)
• T♭: 비등점 (68.7°C)
• Hᵥ: 기화 잠열 (Hexane의 경우 약 335 kJ/kg)

[계산 예시]

χ = [ 2.4 × (85 - 68.7) ] / 335 ≈ 0.117 (약 11.7%)

즉, 누출되는 액체의 약 11.7%는 대기 중으로 나오자마자 즉시 가스가 된다.

 

 

<주요 변수의 물리적 의미>

• Cₚₗ (Specific Heat Capacity): 액체가 온도를 1도 올리거나 내릴 때 필요한 에너지로서, 이 값이 클수록 온도 변화 시 방출되는 에너지가 많아져 플래시 양이 증가한다.
• (Tᵢ - T♭) (Superheat Degree): 과열도라고 하며, 비등점을 얼마나 초과했는지를 나타내며, 이 차이가 클수록 플래시 현상은 격렬해진다.
• Hᵥ (Latent Heat of Vaporization): 액체가 기체로 변할 때 흡수해야 하는 에너지로서, 잠열이 작을수록 적은 에너지로도 쉽게 기화되므로 플래시 분율이 높아진다.

 

 

총 누출률 (Wₜₒₜₐₗ) 구성

플래시 현상이 동반될 때의 총 가스 누출률은 다음 두 가지의 합으로 계산된다.

Wₜₒₜₐₗ = W_flash + W_evap

• 즉시 기화량 (W_flash): 누출되는 액체량(Wₗ)에 플래시 분율을 곱한 값이다. W_flash = Wₗ × χ
• 잔류 액체 증발량 (W_evap): 기화되지 않고 바닥에 떨어진 액체(Wₗ × (1 - χ))가 Pool을 형성하여 증발하는 양이다. IEC Pool 증발식[Wₑ = (18.3 × 10⁻³ × Uₒ⁰·⁷⁸ × Aₚ × Pᵥ × M⁰·⁶⁶⁷) / (R × T)]을 적용하되, 온도는 비등점(T♭)인 68.7°C를 기준으로 한다.

 

 

액적 비산(Aerosol/Entrainment) 고려

실제 공정 안전에서는 플래시가 일어날 때 미세한 액체 방울이 가스에 섞여 비산되는 에어로졸(Aerosol) 현상을 고려한다.

• 규칙: 플래시 분율(χ)이 0.2(20%)를 초과하면 대기 중으로 방출되는 모든 액체가 가스처럼 행동한다고 간주하기도 한다.
• 본 시나리오: 헥산의 경우 11.7%이므로, 즉시 기화된 가스와 바닥 Pool 증발량을 합산하는 것이 합리적이다.

 

 

최종 누출률 산출 결과 (S = 0.25 mm²)

상기 메커니즘을 적용한 하부 누출 결과이다.

항목	수식	결과값	비고
액체 누출률	Wₗ	0.0054 kg/s	2차 누출공 적용
플래시 분율	χ	0.117	85°C 기준
즉시 기화량	W_flash	0.00063 kg/s	Wₗ × χ
Pool 증발량	W_evap	0.584 kg/s	(1-χ) 및 68.7°C 적용
합계 누출률	W_total	0.5846 kg/s	W_flash + W_evap

 

 

검토 및 제언

비등점을 초과한 경우, W_flash 자체보다도 뜨거워진 액체가 바닥에 깔리며 발생하는 W_evap이 훨씬 지배적이다.

85°C의 헥산은 비등점인 68.7°C까지 온도가 떨어질 때까지 매우 격렬하게 증발하며, 이 과정에서 발생하는 증기량이 가상 체적(Vz)의 대부분을 결정하게 된다.

 

Reference:

1. AICHE/CCPS (Center for Chemical Process Safety)

2. NFPA 497 / API 521

3. UK Energy Institute (EI 15) - Annex B.3