폭발한계(인화한계) 와 농도 변환

화재나 폭발이 일어나기 위해서 세 가지 조건을 동시에 충족시켜야 한다. 이들을 연소의 3요소라 하며, 연료(가연성 가스)와 산소(공기)는 스파크나 불꽃과 같은 점화원과 함께 일정한 비율로 존재해야 한다. 필요한 연료와 산소 비율은 가연성 가스나 증기에 따라 다르다.

그리고 폭발 한계(인화 한계)는 농도로 표시되는데 각각의 단위가 달라 이를 적용하기 위해 적절한 농도로 환산이 필요하여 이에 대한 환산식을 공유하고자 하였다.

 

 

 

폭발한계(인화한계) 와 농도 변환

 

공기 중에서 연소를 가능하게 하는 필요한 특정 가연성 가스 또는 증기의 최소 농도(Minimum concentration)를 해당 가스에 대한 폭발 하한(Lower Explosive Limit, LEL)으로 정의한다. 이 수준 이하에서는 혼합물이 너무 "lean(희박)"해서 타지 않는다. 공기 중에 타게 될 기체나 증기의 최대 농도는 폭발 상한(Upper Explosive Limit, UEL)으로 정의된다. 이 수준 이상에서는 혼합물이 너무 "rich(농후)"하어 연소할 수 없다. LEL과 UEL 사이의 범위는 가스나 증기의 가연성 범위라고 알려져 있다.

 

Methane - LEL: 5% by volume in Air / UEL: 17% by volume in Air

 

Lower and Upper Explosive Limits of Methane

 

 

Lower and Upper Explosive Limits

일부 가스와 증기의 가연성/폭발성 한계는 아래에 제시되어 있다.

 

표시된 값은 결정된 조건(일반적으로 스파크 점화 장치가 있는 2inch tube를 사용한 실내 온도(room temperature) 및 대기 압력)에만 유효하다.

 

농도는 공기의 부피에 의해 백분율로 주어진다.(All concentrations in percent by volume.)

 

Sources: Data extracted from Gas Data Book, 7th edition, copyright 2001 by Matheson Gas Products, and from Bulletin 627, Flammability Characteristics of Combustible Gases and Vapors, copyright 1965 by U.S.Department of the Interior, Bureau of Mines.

 

 

Conversion of Concentration

환기등급을 평가하는 데 사용되는 가상 체적 등을 계산할 때 사용되는 중량의 폭발 하한 값이 필요하다.

따라서 정상적인 대기 조건에서 LELv(vol %)을 LELm(㎏/㎥)로 변환하기 위해 다음과 같은 수식을 사용할 수 있다.

 

여기에서 MW은 분자량이다(㎏/k㏖).

 

 

상기 식들은 25℃, 1기압(760 ㎜Hg) 조건에서 사용되는 공식으로서, 24.45는 압력이 1기압(760 Torr 또는 760 mm Hg) 및 25°C일 때 기체 또는 증기의 몰(그람 분자량)의 부피(리터)이다.

 

㎎/㎥를 다른 온도와 압력에서 ppm으로 변환하려면 공기 중 물질의 분자량 1g(예: 톨루엔 92.13g)을 다음 공식(이상기체 상태 방정식)을 사용하여 계산해야 한다.

 

 

V = (RT/P)

 

여기서 R(ideal gas constant) 값은 온도(T)가 켈빈(K), (K =273.2 + T°C), 압력은 ㎜Hg(1 mmHg = 1 Torr) 단위로 표현되고 부피는 리터 단위로 표시된다. 가스 상수는 온도와 압력이 상기 방정식의 값과 다른 단위로 표현될 경우 다른 값을 가질 수 있다.

 

이 정보는 ㎎/㎥와 ppm 사이에서 변환하기 위한 공식으로 대체될 수 있다.

 

 

또한 가스검지기 등에 사용되는 ppm 과 ㎎/㎥ 간의 관계식은 다음을 참조하여 계산하면 된다.

 

 

 

또한 %LEL% LEL의 의미는 다음 식을 참조하면 된다.

 

 

 

Influence of temperature, pressure and composition

 

온도, 압력, 산화제 농도도 가연성 한계에 영향을 미친다.

 

일반적으로 높은 온도나 압력은 물론 산화제(주로 공기 중의 산소)의 농도가 높아지면 LFL(LEL)이 낮아지고 UFL(UEL)이 높아지기 때문에 가스 혼합물은 폭발하기 쉽다.

가스 등의 LEL(폭발 하한계)는 온도에 따라 증가하므로 다음 식을 이용하여 산정한다..

여기서 LEL25는 25℃에서의 폭발 하한이고LELT는 특정 온도T℃에서의 폭발 하한이다..

 

따라서 주위 온도가 100℃ 상승할 때마다 LFL은 8% 내려가고, UFL은 8% 올라가게 되어 결과적으로 폭발 범위가16% 확대된다.

 

 

10㎜㍴ 이하의 압력에서 압력의 영향은 매우 작다.

 

보통 대기 중 공기는 연소를 위해 산소를 공급하며, 한계는 공기 중 산소의 정상 농도를 가정한다. 산소가 농축된 대기는 연소를 강화하고, LFL을 낮추고 UFL을 증가시키며, 그 반대로 산화제가 없는 대기는 어떠한 연료 농도에도 가연성이나 폭발성이 없다. 산소를 희생시키면서 공기 혼합물에서 불활성 가스의 비율을 현저하게 증가시키면 LFL이 증가하고 UFL이 감소한다.

 

여러 가연성 가스의 혼합물의 가연성 한계(Flammability limits)는 가연성 부피 분율(Combustible volume fractions) xi에 대한 Le Chatelier의 혼합 규칙을 사용하여 계산할 수 있다.

 

UFL에 대해서도 유사하다.