이너팅가스 량 및 퍼징 횟수 결정

 

불활성화는 산소 농도를 제한 산소농도(LOC) 또는 최소 산소농도(MOC)이하로 낮추기 위해 가연성 혼합물에 불활성 가스를 추가하는 과정이다. 비활성 기체는 보통 질소나 이산화탄소이지만, 수증기가 가끔 사용된다. 많은 가스에 대하여 LOC는 보통 10%이고, 많은 분진의 경우 대략 8%이다.

 

 

이너팅가스 량 및 퍼징 횟수 결정

 

제한 산소농도(LOC) 또는 최소 산소농도(MOC)

LFL은 공기 중의 연료를 기준으로 한다. 그러나 연소에 있어서 산소도 주요 성분이고, 화염을 전파하기 위해 최소한의 산소 농도가 요구된다. 연료 농도와 상관없이 산소 농도를 낮추면 폭발과 화재를 예방할 수 있기 때문에 최소 산소 농도는 특히 유용한 결과가 된다. 이러한 개념은 이너팅이라고 불리는 일반적인 절차를 위한 기초이다.
제한 산소 농도(LOC) 이하에서는 반응이 화염의 자체 확산에 필요한 범위까지 전체 가스 혼합물(불활성 가스 포함)을 가열하기에 충분한 에너지를 생성할 수 없다.
LOC는 또한 최소 산소 농도(MOC), 최대 안전 산소 농도(MSOC) 및 기타 이름으로도 불린다.
다음 표 1은 여러 물질에 대한 LOC 값을 보여줍니다. LOC은 비활성 기체의 종류에 따라 달라진다.
LOC는 공기와 연료로 된 혼합기체 전체 몰수에 대한 산소 몰수의 백분율 단위를 가지고 있다. 실험 데이터를 사용할 수 없는 경우 LOC은 연소 반응과 LFL의 화학양론학을 사용하여 추정한다. 

 

<표 1> 제한산소농도 (LOCs) (volume percent oxygen concentration above which combustion can occur)

source :&nbsp;Data from NFPA 68, Venting of Deflagrations (Quincy, MA: National Fire Protection Association, 1994)

 

 

불활성화 시스템 설계

 

불활성화(inerting)는 산소 농도를 안전한 농도로 낮추기 위해 불활성 가스로 용기를 처음 주입(퍼지)하는 것으로 시작한다. 일반적으로 사용되는 산소농도의 제어점은 LOC보다 4% 낮은 농도로 한다. 즉, LOC가 10%인 경우 불활성화는 산소의 농도가 6%로 되게 한다.
빈 용기는 불활성화된 후 인화성 물질이 충전한다. 불활성화 시스템은 액체 위의 증기 공간에서 불활성 분위기가 유지되도록 하여야 한다. 이 시스템은 LOC 아래의 산소 농도를 제어하기 위해서 자동적으로 불활성가스를 주입하는 방법이 포함된다. 이러한 제어 시스템에는 LOC와 관련하여 산소 농도를 지속적으로 모니터링하는 분석기와 산소 농도가 LOC에 근접할 때 불활성 가스를 추가하기 위한 제어 불활성 가스 공급 시스템이 있어야 합니다. 그러나 많은 불활성화 시스템은 증기 공간에서 일정한 양의 불활성 압력을 유지하도록 설계된 압력조절기로만 으로 구성된다. 따라서 산소 분석기 시스템은 불활성 가스의 사용을 줄이면서도 안전성을 확보할 수 있는 것이 된다.

산소 농도를 10% 이하로 유지하도록 설계된 불활성화 시스템을 고려해보자. 산소가 용기 속으로 새어 들어가 그 농도가 8%로 상승될 때, 산소 센서로부터의 신호가 불활성 가스 공급 밸브를 연어 불활성가스를 주입하게 된다. 그리고 다시 한 번 산소 레벨이 6%가 되면 불활성가스 주입을 차단한다. 이 밀폐식 루프 제어 시스템은 고(8%) 및 저(6%)의 불활성 설정값을 가지고 있으며, 산소 농도를 적절한 안전 여유를 지닌 안전한 산소농도를 유지한다.
용기내의 초기 산소 농도를 설정값 이하로 낮추기 위해 사용되는 퍼징 방법은 진공 퍼징, 압력 퍼징, 복합 압력-진공 퍼징, 사이폰 퍼징 등이 있다.

금번은 진공 퍼징과 압력 퍼징에 대해서만 살펴보고자 한다.

 

 

진공 퍼징(Vacuum Purging)

 

진공 퍼징은 용기에 대한 가장 일반적인 이너팅(inerting) 방법이다. 이 절차는 대형 저장 용기에는 사용되지 않는데, 이는 대형 용기는 보통 진공용으로 설계되지 않고 수 인치의 수주 압력 정도만을 견딜 수 있기 때문이다.

그러나 반응기는 보통 -760 mm Hg(게이지) 또는 0.0 mm Hg(절대)인 완전 진공이 가능하도록 설계된다. 결과적으로 진공 퍼징은 반응기에 일반적으로 사용되는 방법이다. 진공 퍼징 절차는 다음과 같다.

(1) 용기가 원하는 진공도에 도달할 때까지 용기를 진공으로 한다.

(2) 질소 또는 이산화탄소와 같은 불활성 기체를 주입하여 대기압과 같게 한다.

(3) 원하는 산소농도에 도달할 때까지 1단계와 2단계를 반복한다.

진공 상태에서 초기 산소농도(yo)는 처음 농도와 동일하며, 초기 고압(PH)과 초기 저압 또는 진공(PL)에서의 몰 수는 상태 방정식을 이용하여 계산한다.

진공 퍼징의 단계적 절차는 다음 그림 1과 같다.

 

<그림 1> Vacuum purge cycles.

 

 

알려진 크기의 용기는 초기 산소 농도 yo부터 최종 목표 산소 농도 yi까지 진공 퍼징 된다. 용기는 처음에 압력 PH에 있으며 압력 PL의 진공 상태를 사용하여 진공 퍼징 된다. 다음은 원하는 산소 농도에 도달하는 데 필요한 사이클 수를 결정하는 계산 방법이다.

이상기체라고 가정하면, 각 압력에서 전체 몰수는 다음과 같다.

 

	(1)
	(2)
nH = the total moles in the atmospheric states nL = the total moles in the vacuum states

 

저압 PL과 고압 PH에서 대한 산화제(산소) 몰수는 Dalton의 법칙에 의하여 계산된다.

 

	(3)
	(4)
1L = the first atmospheric state, 1H = the first vacuum state,

 

진공이 순수한 질소로 채워져 대기압과 같게 될 때 산화제의 몰수는 진공 상태와 같고 질소의 몰수는 증가한다. 질소를 가하여 그 몰수가 증가된 후 새로운 (낮은) 산화제 농도는 다음 식으로 표현된다.

	(5)
y1 = the oxygen concentration after the first purge with nitrogen

 진공과 불활성 릴리프 과정이 반복되면 2차 퍼지 후 농도는 다음과 같다.

 

이러한 과정은 산소농도가 원하는 수준으로 감소될 때까지 반복된다. j회 퍼지 이후의 농도, 진공과 질소 주입을 j번 반복한 후 산화제의 농도는 다음과 같은 일반 방정식에 의해 구해진다.

 

(6)

 

이 식은 압력 한계 PH와 PL이 각 사이클마다 동일하다는 가정하에서 얻은 것이다.

각 사이클 동안 주입된 질소의 전체 몰수는 일정하다. 따라서 j 사이클 동안 사용한 전체 질소는 양은 다음과 같이 주어진다.

 

(7)

 

 

압력 퍼징(Pressure Purging)

 

용기에 가압된 비활성(inert) 가스를 주입하여 퍼징시킬 수 있다. 이는 주입된 이너트가스에 의해 용기내 인화성가스가 충분히 확산된 후 대기중으로 방출함으로써 이루어진다. 산화제의 농도를 원하는 농도로 감소시키기 위해서는 여러 번의 가압 방출 사이클이 필요할 수 있다.

산소 농도를 목표 수준으로 낮추기 위해 사용되는 주기는 그림 2에 나와 있다.

 

<그림 2> Pressure purge cycles.

 

 

이 경우 용기는 처음 압력은 PL에 있으며 순수한 질소 공급원 압력(PH)을 사용하여 가압된다. 목표는 원하는 농도에 도달하는 데 필요한 압력 퍼징 사이클 수를 결정하는 것다.

용기는 순수한 질소로 가압되기 때문에, 몰 분율이 감소하는 동안 산소 몰의 수는 일정하게 유지된다. 감압을 하는 동안, 용기 내의 기체의 구성은 일정하게 유지되지만, 전체 몰수는 감소한다. 따라서 산소의 몰 분율(mole fraction)은 변하지 않는다.

이 퍼징 과정에 사용되는 관계는 상기 방정식 6과 동일하며, 여기서 nL은 대기압(저압)하의 전체 몰수이고 nH는 가압(고압)하의 전체 몰수이다. 그러나 이 경우 용기내의 초기 산화제 농도(yo)는 용기가 가압된 후(첫 번째 가압 상태) 계산된다. 이 가압하에서의 전체 몰수는 nH이고, 대기압하에의 전체 몰수는 nL이다.

 

압력 퍼징과 진공 퍼징을 비교하면 압력 퍼징의 경우가 사이클 시간을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 즉, 진공이 형성되는 과정이 상대적으로 느린 것에 비해 압력 과정은 훨씬 더 빠르다. 그러나 압력 퍼징은 진공 퍼징에 비해 보다 많은 불활성 가스를 소모한다.

따라서, 퍼징공정은 비용과 성능을 기준으로 가장 적합한 최적의 것으로 선택해야 한다.

 

상기 내용을 이해할 수 있는 계산 사례는 추후 포스팅 예정이다.

다음 포스팅 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/567

이너팅 량 및 퍼징 횟수 계산 사례