폭발하한농도 vol. %(ppmv)를 ㎎/㎥으로 환산

인화성 물질(가스 또는 증기)의 폭발 범위는 각 물질마다 고유한 범위를 가지고 있다.

예를 들어 메탄이 주성분인 도시가스(천연가스)의 폭발 범위가 5 - 15%로 MSDS에 명시되어 있는데 여기서 5%는 폭발하한값(LEL), 15%는 폭발상한값(UEL)이 된다.

그런데 중요한 것은 농도의 단위인 %는 volume(부피) 기준이라는 것이다.

그리고 우리가 쓰는 단위 중에 ppm이라는 것도 있는데 이 것도 부피 단위인지 질량 단위인지 구분하는 것도 유의해야 한다.

본 포스팅에서 ppm은 편리상 ppmv를 의미한다. (1 vol.%=10,000 ppm)

 

 

폭발하한농도 vol. %(ppmv)를 ㎎/㎥으로 환산

 

우리가 폭발위험지역 범위를 구하는 데에는 폭발을 일으킬 수 있는 최소 농도인 폭발하한값이 중요하다,

상기 언급한 도시가스의 경우 폭발하한값(LEL)은 5 vol.%(50,000ppm)이다.

이 LEL은 폭발위험지역 범위를 계산할 때 환기량과 직접적인 관계가 있는데 이 계산에서는 mass(질량) 기준의 LEL로의 환산이 필요하다.

 

폭발하하한계(인화한계)와 농도변환에 대해서 이전에 포스팅하였는데 이해하기 좀 어려운 부분이 있어 아래와 같이 계산 사례를 통해 이해도를 높이고자 한다.

 

https://sec-9070.tistory.com/19

폭발한계(인화한계) 와 농도 변환

 

1 atm & 25 ºC.에서의 농도 변환

 

ppm: parts per million. Concentration by volume of one part of gas per million parts of air.

        This definition is only valid for gases.

 

㎎/㎥: milligrams of contaminant per cubic meter.

           Usually it is referenced at a pressure of 1 atm and 25 ºC.

 

 

일반적으로 공기 중의 화학 물질에 대한 변환은 1 기압(atm)과 25℃를 가정하여 이루어진다.

이러한 조건에서 백만 분의 1 단위의 농도(ppm)에서 세제곱미터 당 밀리그램의 농도(㎎/㎥)로 변환하는 방정식은 다음과 같다.

 

@ 1atm & 25℃

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Formula: LEL (㎎/㎥) = 0.0409 x LEL (ppm) x molecular weight(MW)

 

따라서 5 vol. %(50,000 ppm)의 도시가스(천연가스, 100% 메탄으로 가정, MW=16.04 g/mol)는 몇 ㎎/㎥?

상기 식으로부터

0.0409 x 50,000 ppm x 16.04 = 32,802 ㎎/㎥(@ 25 ℃, 1 atm)

 

일반적인 온도 및 압력하에서의 농도 변환

 

일반적인 온도 및 압력 조건하에서의 농도 변환식은 이상기체상태방정식으로 부터 다음과 같은 식이 유도되고 이 계산식을 활용한다.

 

기체 상수 R은 기 포스팅 자료 참조.

https://sec-9070.tistory.com/111

이상 기체 상태 방정식

 

따라서 표준온도압력조건(STP)이라면 1기압(1atm)과 0℃일 경우에는 상기식이 다음과 같이 변환된다.

@ 1atm & 0℃

상기 식들을 이용하는 원하는 답을 구할 수 있다.

 

 

또한 상기 식은 환경공학에서 노출농도(OEL) 및 허용농도(TLV) 등을 환산할 때에도 동일하게 적용할 수 있다.

 

이전에 포스팅한 다음 자료 참조.

 

https://sec-9070.tistory.com/25

노출기준(OEL) vs. 허용기준(TLV)