액화질소의 위험성

액화질소(Liquid Nitrogen, LN2)는 저온에서 액체 상태의 질소이다.

질소는 기체 상태에서 더 일반적으로 사용되지만, 일반적으로 액체 상태로 저장되고 운반되어 비용 측면에서 보다 효율적으로 공급한다.

질소는 대기 중 공기의 액화 및 지속적인 극저온 증류에 의한 질소 분리에 의해 공기 분리 공장에서 생산된다. 질소는 극저온성 액체로 회수된다.

 

 

 

액화질소의 위험성

액화질소의 물리화학적 특성

액화질소는 불활성, 무색, 무취, 비부식성, 불연성, 극도로 차갑다. 질소는 대기의 주요 부분을 차지한다 (부피 기준 78.03%, 무게 기준 75.5%). 질소는 불활성이고 연소에 도움을 주지 않는다.
질소는 매우 높은 온도로 가열될 때를 제외하고는 활성이 없으며, 리튬과 마그네슘과 결합하여 질화물을 형성한다. 또한 산소와 결합하여 질소산화물을 형성하고 촉매가 존재하는 상태에서 수소와 결합하면 암모니아를 형성한다.
질소는 부식이 되지 않기 때문에 부식 방지를 위해 특별한 재료가 필요하지 않다. 그러나 액체 질소의 낮은 온도를 견딜 수 있는 재료를 선택해야 한다. 용기와 배관은 관련된 압력 및 온도에 대해 미국기계공학회(ASME) 규격 또는 교통부(DOT) 코드에 따라 설계되어야 한다.

액화질소는 극저온성 액체이다. 극저온 액체는 -130°F (–90°C) 미만의 일반적인 끓는점을 갖는 액화가스이다. 액화질소의 비등점은 –320°F (–196°C)이다. 겨울에도 제품과 주변 환경의 온도 차이가 상당하다. 이러한 주변 열을 제품으로부터 유지하려면 극저온 액체를 저장하고 사용하기 위한 특수 설비가 필요하다.

일반적인 시스템은 극저온 저장 탱크, 하나 이상의 기화기, 압력 및 온도 제어 시스템으로 구성된다. 극저온 탱크는 원칙적으로 진공 병처럼 제작되고, 내부 용기에 담긴 액체로부터 열을 멀리하도록 설계되어 있다. 기화기는 액체 질소를 기체 상태로 변환한다. 압력 컨트롤 매니폴드는 가스가 프로세스에 공급되는 압력을 제어한다. 질소를 액체로 사용하는 공정에는 기화기와 압력 제어 매니폴드가 필요하지 않다.

 

 

이에 대한 세부적인 내용은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/533

액화질소 저장 및 공급 시스템

 

액화질소의 물리화학적 성질은 다음 표와 같다.

 

<표 1> Liquid Nitrogen Physical and Chemical Properties

 

 

액화질소의 위험성

1. 물리적 폭발 위험

질소의 액체 대 기체 팽창비는 20°C(68°F)에서 1:694이기 때문에 밀폐된 공간에서 액체 질소가 증발하면 엄청난 힘이 발생 할 수 있다.

2006년 텍사스 A&M 대학에서 액체 질소 탱크의 감압 장치가 밀봉되어 작동을 하지 않아 탱크가 폭발하는 사고가 발생한 사례가 있다. 따라서 LN2 Tank는 반드시 압력방출장치를 설치하고 관리를 철저히 하여야 한다.

 

2. 초저온에 따른 냉화상 위험

온도가 매우 낮기 때문에 액체 질소와 액체 질소로 냉각된 물체를 부주의하게 취급하면 냉화상을 입을 수 있다.

따라서 취급 시 특수 장갑 등 개인보호구를 착용하고 취급해야 한다.

다만 라이덴프로스트 효과(Leidenfrost effect)*로 인해 작은 물방울이 튀거나 피부에 쏟아지더라도 증발가스는 젖은 손가으로 뜨거운 원소를 아주 잠깐 만지는 것처럼 어느 정도 단열효과로 피해가 없을 수도 있으나 시도하기에는 너무 무모하다. 

 

* 라이덴프로스트 효과는 액체의 끓는점보다 훨씬 뜨거운 표면에 가까운 액체가 단열성 증기층을 만들어 액체가 빠르게 끓지 않게 하는 물리 현상이다. 이 반발력 때문에, 물방울은 표면에 물리적으로 접촉하지 않고 그 위를 맴돈다.

 

<그림 1> Leidenfrost effect image

 

 

 

3. 질식사고의 위험

액체 질소는 증발하면서 공기 중의 산소 농도를 급격히 감소시키고 특히 밀폐된 공간에서 질식제로 작용할 수 있다. 질소는 무취, 무색, 무미이며 아무런 감각이나 사전 경고 없이 질식을 일으킬 수 있다.
따라서 질식사고 예방을 위해 질소 누출이 예상되는 곳에는 산소가스농도검지 및 경보설비를 설치하여 운용하여야 한다.

 

4. 가연성 물질 화재 촉진 위험 

액체 질소를 포함한 용기는 공기로부터 산소를 응축하여 액체산소를 형성할 수 있다. 즉, 질소가 증발함에 따라 산소(비등점 90K; -183°C; -298°F)가 점점 풍부해지고 유기 물질의 격렬한 산화를 일으키는 산화제 역할을 하여 화재 위험 등 요인이 될 수 있다.

 

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