최소산소농도와 불활성화 방법

최소산소농도(Limiting oxygen concentration, LOC 또는 Minimum oxygen concentration, MOC)이란 가연성 혼합가스 내에 화염이 전파될 수 있는 최소한의 산소농도를 말한다.

 

 

 

최소산소농도와 불활성화 방법

 

공기 중에 가연성가스는 일정범위 이내로 함유되었을 경우에만 연소가 가능하며, 이것은 물질의 고유한 특성으로서 연소범위 또는 폭발범위라고 하고 이는 기 포스팅한 다음 링크자료를 참조하라.

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

폭발한계(인화한계) 와 농도 변환

 

불활성화 작업 필요성

 

연소 또는 폭발범위를 피하여 운전 등을 하기위해 그 물질의 최소산소농도(MOC, LOC)를 알고, 불활성 가스를 주입하여 산소의 농도를 최소산소농도(MOC) 이하로 낮게하는 치환(Purging) 작업을 할 필요가 있다.

 

다음 사례를 참조하라.

 

Source : https://en.wikipedia.org/wiki/Flammability_diagram

<그림> Flammability diagram(가연성 다이어그램) 

 

상기 <그림>은 Methane의 가연성 다이어그램으로 녹색 점선은 공기가 채워진 용기에 가연성 가스인 Methane을 안전하게 치환(Purging)하는 방법을 보여주는 그림이다.

즉, 인화성 영역을 피하기 처음에는 질소로, 다음에는 메탄으로 녹색 점선을 따라 안전하게 퍼징하는 것을 나타낸다.

MOC(LOC)는 다이어그램 오른쪽 아래에 표시되어 있고 Methane의 경우(질소 Inert) 12 vol%이다.

 

 

최소산소농도(MOC) 산출

폭발하한 또는 인화하한 (LEL 또는 LFL)은 공기 중의 연료를 기준으로 한다. 그러나 연소에 있어서 산소가 핵심적인 요소이다. 화염을 전파하기 위해서는 최소한의 산소농도가 요구된다.

 

폭발 및 화재는 연료의 농도에 관계없이 산소의 농도를 감소시킴으로써 방지 할 수 있으므로 최소산소농도(MOC)는 이너팅(Inerting)이라 부르는 불활성의 기초가 된다.

 

MOC는 산소의 vol%로 나타내며 온도와 압력에 따라 변한다. 또한 inert(non-flammable gas)의 type에 따라 다르다.

 

<표> Limiting oxygen concentration for selected gasses and two inerts (volume percent oxygen)

Gas or vapor	Nitrogen / Air	Carbon dioxide / Air
Hydrogen	5	5.2
Methane	12	14.5
Ethane	11	13.5
Propane	11.5	14.5
n-Butane	12	14.5
Isobutane	12	15

 

실험데이터가 충분 하지 못할 때 MOC 값은 연소 반응식 중의 산소 양론 계수와 연소 하한계수의 곱을 이용하여 추산할 수 있으며, 이 방법은 많은 탄화 수소에 적용되고 있다.

 

 

MOC = 폭발(연소)하한치 * 완전연소에 필요한 산소mol 수 / 가연성 가스의 mol 수

 

예) 프로판의 폭발하한치가 2.1vol%라면 최소산소농도는?

  C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O

  1mol : 5mol

 

∴ MOC = 2.1 * 5 / 1 = 10.2 vol%

 

* 상기 표에서 프로판의 실제 MOC(질소 Inerting 경우) = 11.5 vol% 로 약간의 차이는 있으나 데이터가 없을 경우 상기와 같이 이론적으로 산출한 데이터를 사용할 수 있다.

 

 

불활성화 방법

 

이너팅(Inerting)이란 산소농도를 안전한 농도로 낮추기 위하여 불활성 가스를 용기에 주입하는 것을 말한다.

치환(Purging)이란 가연성 가스 또는 증기에 불활성 가스를 주입하여 산소의 농도를 최소산소농도(MOC) 이하로 낮게하는 작업을 통하여 제한된 공간에서 화염이 전파되지 않도록 유지된 상태를 말하며 불활성가스로는 질소, 이산화탄소 및 수증기 등이 있다.

 

불활성화 하는 방법(Purging)은 다음과 같다.

 

● 진공퍼지(Vacuum Purging)

① 큰 저장용기 등 상압용기 사용 곤란

② 퍼지방법

1) 용기를 진공으로 한다.

2) 불활성가스를 주입하며 대기압과 같게 한다.

3) 원하는 산소농도가 될 때까지 1), 2)의 단계를 반복한다.

 

● 압력퍼지(Pressure Purging)

① 압력용기에만 사용 가능, 진공퍼지에 비해 퍼지시간 감소

② 진공퍼지에 비해 퍼지시간은 감소하나 퍼지가스 소모량이 크다

③ 퍼지방법

1) 용기에 가압된 불활성가스를 주입한다.

2) 용기 내 불활성가스가 충분히 확산된 후 대기로 방출한다.

3) 원하는 산소농도가 될 때까지 1), 2)의 단계를 반복한다.

 

● 스위프퍼지(Sweep-Through Purging)

① 압력, 진공을 가할 수 없는 용기에 사용 가능

② 퍼지방법

1) 용기의 한 개구부로 불활성가스를 주입하고

2) 용기의 다른 개구부로 불활성가스를 대기로 방출한다.

3) 원하는 산소농도가 될 때까지 1), 2)의 단계를 지속한다.

 

● 사이폰퍼지(Siphon Purging)

① 스위프퍼지는 퍼지가스 소모량이 크므로 큰 저장용기에 사용이 곤란함으로 이에 대한 보완방법으로 수행한다.

② 퍼지방법

1) 용기에 액체(물 또는 적합한 액체)를 채운다.

2) 용기로부터 액체를 뽑아내면서 불활성가스를 주입한다.

3) 퍼지속도는 액체를 방출하는 부피흐름속도와 같다.

 

Reference : https://en.wikipedia.org/wiki/Limiting_oxygen_concentration