전체환기 필요환기량(화재·폭발 방지)

유기화합물 취급 작업장에  화재·폭발을 방지하기 위한 전체환기장치(General Ventilation) 필요환기량(Required Ventilation Rate) 설계 내용을 공유하고자 한다.

 

 

 

전체환기 필요환기량(화재·폭발 방지)

화재·폭발 방지를 위한 필요환기량 산출식은 유해물질이 액체에서 기체로 변할 때 발생하는 부피와, 이를 안전한 농도(LFL의 일정 비율)로 희석하기 위해 필요한 공기량의 상관관계를 나타낸다.

 

 

수식 구조 비교 (Comparison of Formulas)

1. NFPA 86: Standard for Ovens and Furnaces 수식 (A)

• Q_f = (24.1 * 10⁶ * Wg * B) / (MW * LFL_vol)

 

전체환기 필요환기량 계산식은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1853

전체환기 필요환기량 계산식

 

 

2. KOSHA GUIDE W-1-2019 수식 (B)

• Q = (24.1 * S * G * Sf * 100) / (MW * LEL * B)

 

 

변수 대응 및 차이점 분석

두 수식의 구성 요소를 일대일로 매칭하면 다음과 같은 상관관계가 성립한다.

1. 발생량 (Wg vs G)

• Wg (kg/hr): 질량 유량 단위이다.
• G (L/hr): KOSHA GUIDE의 원천이 되는 ACGIH 기준 등에서 사용하는 부피 유량 단위이다.
• S (Specific Gravity): 액체의 비중이다. 부피 단위를 질량으로 변환하기 위해 사용되거나, 수식의 단위 체계에 따라 보정값으로 들어간다.

* 식 B의 분자항에 있는 S * G는 결과적으로 식 A의 Wg와 같은 '시간당 유입되는 질량'을 의미하게 된다.

 

2. 폭발하한계 단위 (LFL_vol vs LEL)

• LFL_vol (ppm): 분모에 10^6이 생략된 형태의 ppm 수치를 직접 대입한다.
• LEL (%): KOSHA 수식의 분자에 있는 100은 분모의 LEL 단위가 Vol%임을 의미한다. (예: LEL이 1.2%이면 1.2를 그대로 대입)
• 관계: LFL_vol(ppm) = LEL(%) * 10000 이므로, 두 식의 상수 차이는 여기서 발생한다.

3. 안전계수와 혼합계수 (B vs Sf, B_temp)

• Sf (Safety Factor): 아래의 계수 결정의 B(4~10)와 동일한 개념이다. LEL의 25%를 유지하기 위해 보통 4를 대입한다.
• B (Temperature Correction): KOSHA 가이드에서 명시하는 온도보정계수이다. (121°C 이하 1.0, 초과 시 0.7). 앞선 수식에서는 LFL 수치에 미리 곱해진 것으로 간주했으나, KOSHA 식은 이를 분모에 명시적으로 분리하였다.

 

 

수식 상수의 정합성 검토

1. 상수 24.1 (Ideal Gas Molar Volume)

• 근거: 아보가드로의 법칙(Avogadro's Law) 및 이상기체 상태방정식(PV = nRT)에 기반한다.
• 설명: 표준 상태(21°C, 1기압)에서 모든 기체 1mol이 차지하는 부피는 약 24.1 L이다. 수식 내에서 Wg / MW를 통해 계산된 몰(mol) 수에 이 상수를 곱하여 기화된 유해물질의 실제 부피(L)를 산출한다.

 

2. A식의 10⁶ & B식의 100(Unit Conversion)

• A식의 10⁶: 분모가 ppm일 때 kg 단위를 g으로, L 단위를 mL로 맞추는 과정에서 도출된다.
• B식의 100: 분모가 % 단위일 때 전체 부피에 대한 비율을 환산하기 위한 수치이다.
• 결론적으로 Q_f(A식)에서 LFL_vol에 ppm 값을 넣고 계산한 결과와, Q(B식)에서 LEL에 % 값을 넣고 B에 온도보정을 넣어 계산한 결과는 산술적으로 일치하게 설계되어 있다.

3. Wg / MW (Molar Flow Rate)

• 근거: 질량과 몰수의 관계식 (n = m / MW)이다.
• 설명: 시간당 증발되는 액체의 질량(Wg, kg/hr)을 분자량(MW, g/mol)으로 나누어 시간당 발생하는 기체의 몰수를 구한다. kg을 g으로 환산하는 과정이 상수 10⁶ 내에 포함되어 있다.

4. 안전계수 B (Safety Factor for Fire/Explosion)

• 근거: NFPA 86(Standard for Ovens and Furnaces) 
• 설명: 이론적인 LFL 농도에 도달하면 즉시 폭발 위험이 있으므로, 실제 운전 농도를 LFL의 25% 이하로 유지하기 위해 환기량을 4배 이상으로 설계한다. (LFL의 10% 유지 시 B=10 적용)

5. 온도 보정 계수

KOSHA GUIDE의 온도보정계수(121°C 기준 1.0 또는 0.7)는 Modified Burgess-Wheeler 수식에 근거한다.

• 수식: LFLₜ = LFL₂₅ * (1 - 0.00072 * (T - 25))
• 해석: 온도가 상승하면 연소에 필요한 활성화 에너지가 낮아져 더 적은 양의 증기로도 폭발이 가능해진다. KOSHA는 이를 단순화하여 121°C 초과 시 LFL 값을 30% 낮게(위험하게) 평가하도록 규정하고 있다.

 

 

두 계산식의 구조 분석 요약

전체환기 필요환기량을 산출하는 두 식은 표현 방식의 차이일 뿐, 실질적으로 동일한 물리량을 도출한다. 핵심 차이는 분모에 대입하는 폭발하한계(LFL/LEL)의 단위와 상수 처리 방식에 있다.

1. 일반 설계 수식 (식 A)

• Q_f = (24.1 * 10⁶ * Wg * B) / (MW * LFL_vol)
• 특징: 폭발하한계를 ppm 단위로 대입한다.
• 상수 10⁶: 분모의 ppm 단위와 분자의 부피 단위를 맞추기 위한 환산 계수이다.
• 계수 B: 여기서는 '안전계수(Safety Factor)'의 의미로 주로 사용한다.

2. KOSHA GUIDE W-1-2019 수식 (식 B)

• Q = (24.1 * S * G * Sf * 100) / (MW * LEL * B)
• 특징: 폭발하한계를 % (Vol%) 단위로 대입한다.
• 상수 100: 분모가 % 단위이므로 전체 부피 대비 비율을 맞추기 위해 사용한다.
• 분리된 계수: 안전계수(Sf)와 온도보정계수(B)를 명시적으로 분리하여 오차를 줄인다.

 

 

계수 결정 기준의 재정립 (Standardization)

실무 혼선을 방지하기 위해 계수의 명칭과 결정 기준을 다음과 같이 통일하여 적용한다.

1. 안전계수 (B 또는 Sf) : "얼마나 더 희석할 것인가"

• 정의: 가연성 증기 농도를 LFL의 일정 비율 이하로 유지하기 위한 여유치이다.
• 결정 기준:

       - 4 (표준): LFL의 25% 이하로 유지 (일반적인 화재 방지 목적).

       - 10 (고위험): LFL의 10% 이하로 유지 (밀폐 공간, 혼합 불량, 고독성 병행 시).

• 근거: NFPA 86 및 산업안전보건기준에 관한 규칙 별표 16.

2. 온도보정계수 (B) : "온도에 의해 물성이 얼마나 변하는가"

• 정의: 온도가 높아짐에 따라 폭발하한계(LFL) 값이 낮아지는(위험해지는) 현상을 반영한 보정치이다.
• 결정 기준:

       - 1.0: 운전 온도 121°C 이하일 때.

       - 0.7: 운전 온도 121°C 초과 시 (LFL이 약 30% 감소한다고 가정).

• 근거: KOSHA GUIDE W-1-2019 및 P-106.

 

 

계산식 사용 예시 (Case Study)

1. 설계 조건

• 대상 물질: 톨루엔 (MW = 92, LFL = 1.1 Vol% = 11000 ppm)
• 증발량 (Wg 또는 G): 1.0 kg/hr
• 운전 온도: 150°C (고온 공정)
• 목표: LFL의 25% 유지 (B 또는 Sf = 4)

 

2. 사례 1: 식 A (일반 설계식) 적용

• 변수 준비: Wg = 1.0, B(안전) = 4, MW = 92, LFL_vol(ppm) = 11000 * 0.7(온도보정) = 7700 ppm
• 계산: Q_f = (24.1 * 10⁶ * 1.0 * 4) / (92 * 7700)Q_f = 96400000 / 708400 ≈ 136.08 m³/hr

 

3. 사례 2: 식 B (KOSHA GUIDE) 적용

• 변수 준비: G = 1.0 kg/hr, Sf = 4, S = 1 (질량 기준 시), MW = 92, LEL = 1.1 %, B(온도보정) = 0.7
• 계산: Q = (24.1 * 1 * 1.0 * 4 * 100) / (92 * 1.1 * 0.7)Q = 9640 / 70.84 ≈ 136.08 m³/hr

 

 

결론 및 Reference

• 두 식은 단위 환산 계수(10⁶ vs 100)와 LFL 표현 방식의 차이일 뿐 결과값은 동일하다.
• 실무에서는 KOSHA GUIDE(식 B) 형식을 사용하되, 온도보정(0.7)과 안전계수(4)를 각각 분모와 분자에 정확히 배치하는 것이 계산 실수를 줄이는 가장 안전한 방법이다.

[참고 문헌]

• KOSHA GUIDE W-1-2019: 산업환기설비의 기본원칙 (Section 5. 전체환기).
• KOSHA GUIDE P-106-2020: 폭발위험장소 범위 산정 지침.
• ACGIH: Industrial Ventilation: A Manual of Recommended Practice.
• NFPA 86: Standard for Ovens and Furnaces.