배경농도와 희석등급

실내에서 가스가 누출되는 경우 폭발위험장소의 범위에 영향을 주는 희석등급을 평가하기 위해 배경농도를 산출할 필요가 있어 그에 대한 내용을 공유하고자 한다.

 

 

 

배경농도와 희석등급

용어의 정의

환기(ventilation) : 바람 또는 공기의 온도차에 의한 영향이나 인위적인 수단(예를 들면 환풍기, 환기장치 등)을 이용하여 공기를 이동시켜 신선한 공기로 치환시키는 것.

희석(dilution) : 공기와 혼합된 인화성 증기 또는 가스가 시간이 지나면서 인화성(가연성가스) 농도가 감소되는 것.

희석부피(dilution volume) : 인화성 가스 또는 증기의 농도가 안전한 수준까지 희석되지 않는 누출원 인근의 부피

고려대상 부피(volume under consideration) : 고려대상이 되는 누출원 인근에서 환기 영향을 받는 부피

인화하한(LFL, lower flammable limit) : 공기 중에서 폭발성 가스 분위기가 조성되지 않는 인화성의 기체, 증기 또는 미스트의 하한 농도 

배경농도(background concentration) : 플룸(plume) 또는 제트(jet) 형상으로 누출되는 가스 주변 고려대상 부피의 인화성 물질(가연성가스)의 평균농도

임계농도(critical concentration) :  LFL 이하의 임의의 값으로 가스검출기가 경보를 발하도록 설정된 값(25% LFL등)

 

 

 

환기 vs. 희석(확산)

 

공기가 실내나 밀폐공간으로 들어가거나 나가는 거동과 같은 ‘환기’의 개념과 구름이 희석되는 거동과 같은 ‘확산’은 매우 상이하지만 폭발성가스분위기를 제거함에 있어서 둘 다 중요하다.

 

환기에 의하여 폭발성가스분위기가 형성되는 것을 방지할 수는 없지만, 형성된 폭발성가스분위기가 지속되는 것을 막을 수 있다.

대기 중으로의 가스 또는 증기의 분산이나 확산은 가스 또는 증기의 농도를 폭발 하한값 이하로 감소시키는 데 중요한 요소이다.

 

여기에서 '환기'(룸이나 밀폐된 공간에 공기가 들어가고 나오는 메커니즘)와 '희석'(증기 운의 회석 메커니즘) 사이의 개념을 확실히 구분하는 것이 중요하다. 이들은 서로 아주 다른 개념이지만 둘 모두 중요하다.

 

 

희석등급구분 기준

옥내 환경에서 위험은 환기량, 가스의 상태 및 누출 가스의 특성, 특히 가스의 밀도와 부력에 관련됨에 유의해야 한다. 

일부 상황에서 위험은 환기에 민감하게 작용할 수도 있고 무관할 수도 있다.

 

“희석등급”이란 환기 또는 대기 조건이 누출된 가연성가스를 안전한 수준으로 희석시킬 수 있는 정도를 말한다. 특정 환기조건에서 누출유량이 증가하면 희석등급은 낮아지고 특정 누출유량에서 환기율이 감소하면 희석등급도 낮아진다.

희석등급은 환기뿐만 아니라 예상되는 누출가스의 형태와 특성에 의해서도 영향을 받는다. 예를 들면, 저속의 누출은 향상된 환기 등에 의해 고속의 누출보다 많이 완화시킬 수 있을 것이다.

회석등급은 희석부피에 영향을 미칠 수도 있다. 회석부피은 수학적으로는 위험체적(부피)과 같지만, 위험장소의 경계는 누출의 방향과 속도 및 주위 공기의 체적으로 인한 누출 이동과 같은 기타 요소를 추가적으로 고려해야 한다.

 

희석등급은 가연성가스의 농도 변화에 따라 다음과 같이 3종류로 구분한다.

a) 고희석(high dilution)

누출원 근처에서의 농도를 순간적으로 감소시키고, 누출이 중단된 후 사실상 지속되지 않는다.

b) 중희석(medium dilution)

누출이 진행되는 동안에도 누출농도를 안정된 상태로 제어할 수 있고, 누출이 중단된 후에는 더이상 폭발성 가스 분위기가 지속되지 않는다.

c) 저희석(low dilution)

누출이 진행되는 동안에 상당한 농도로 지속되고, 누출이 정지된 후에도 인화성 분위기가 상당기간 동안 지속된다.

 

 

희석등급 산정 및 평가

1. 초기 배경농도(background concentration)는 “0”으로 가정한다. 

2. 환기속도(uw)를 산출한다.

3. 누출특성(Wg/(ρg·k·LFL))을 산출한다.

 

희석등급은 다음 그림 1 의 차트에서 수평(누출특성) 및 수직(환기속도) 축에 표시되는 각각의 값 교차점을 찾아서 평가할 수 있다

<그림 1> 희석등급 구분의 기준

 

 

세부적인 희석등급의 결정 내용은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/545

희석등급의 결정

 

 

룸의 희석

 

희석은 가스 또는 증기의 누출농도를 지배하는 신선한 공기의 교환에 의하거나, 최소한의 신선한 공기에 의해서라도 가스 또는 증기를 낮은 농도로 분산시킬 수 있는 충분한 양을 통하여 이룰 수도 있다. 후자의 경우, 희석에 필요한 환기량은 예상되는 누출률보다 많아야 한다.

 

가스의 제트 누출의 경우, 확장제트의 흡기현상으로 인해 국소 공기 이동 없이도 희석이 일어날 수 있다. 그러나 제트 누출이 주위 물체와의 충돌로 인해 방해가 있다면, 자기희석 역량이 크게 감소된다.

 

또한 희석등급은 인화성 물질의 평균배경농도 평가에 의하여 평가할 수 있다.

환기율에 비해 누출률의 비율이 높으면 높을수록 배경농도 Xb는 더 높아지고, 회석등급은 더 낮아지게 된다.

 

배경농도의 평가에서 누출률, 환기율 및 효율계수는 적절한 안전여유를 고려하고, 모든 관련 요인을 주의 깊게 고려하여 선택한다. 환기효율계수(f)는 양호한 공기흐름 형태와 비교하여 효율이 떨어질 수 있는 공간에서 환기의 재순환 또는 방해 받는 공기 흐름의 가능성이 있는지를 인식해야 한다.

제로 배경농도는 옥외 또는 누출원 주변에 인화성 물질의 이동을 제어하는 국소 배기장치가 있는 곳에서만 고려한다.

무시할 수 있는 정도의 배경농도는 Xb <<Xcrit로 나타낼 수 있는데, 환기가 잘되는 룸 또는 밀폐구획에서 고려할 수 있다. Xcrit는 LFL 이하의 임의의 값으로 가스검출기가 경보를 발하도록 설정된 값이다.

 

배경농도가 낮다고 룸 전체가 비위험장소임을 의미하지 않는다. 룸의 대부분은 비위험장소로 간주될 수 있지만, 누출원 주위 지역은 누출이 충분히 분산될 때까지는 여전히 위험장소이다(옥외와 유사).

 

누출원 주위의 배경농도와 위험장소의 범위를 정할 때, 밀폐공간의 분산 패턴의 변화를 고려하는 실제 요인에 따라 조정할 필요가 있다. 다수의 누출원을 포함하고 있는 많은 밀폐지역에서 비위험장소로 분류되는 밀폐지역 내의 다수의 작은 위험장소가 있는 것은 좋은 방법이 아니다. 또한, 상대적으로 작은 룸 내부에 제한된 위험장소가 있는 것도 좋지 않으므로 룸 전체를 균일하게 구분하는 것이 바람직하다.

 

 

룸의 배경농도와 누출

배경농도(Xb)는 누출과 환기에 의한 기류 사이에 정상상태(steady state)가 확정되는 기간 이후에 대상 부피(룸 또는 건물) 내에 인화성 물질의 평균 농도이다.

옥내누출에서는 환기효과를 나타내는 룸 배경농도(Xb)를 명시할 필요가 있다. 

 

환기가 이루어지는 실내 장소의 경우, 다음 식에 따라 계산한 배경농도(Xb)가 폭발하한의 25%를 초과하는 경우에는 “저희석등급”으로 분류한다. 

여기에서,

Xb : 배경농도(vol/vol)

f : 환기(혼합)효율계수로서  노출지역 외부 밀폐공간의 공기가 잘 혼합되고 있는지를 나타내는 척도로서 가연성가스와 공기의 혼합 효율이 높은 경우 1.5, 낮은 경우 5의 값

 [비고] 가연성가스와 공기의 혼합을 방해하는 장애물이 없고  환기구가 이상적으로 배치되어 있는 경우(바람에 관계없이 환기가 항상 가능하도록 서로 마주보는 벽의 바닥 쪽에 급기용 개구부를 설치하고 지붕 쪽에 배기용 개구부를 설치한 경우) 1.5를 적용하고, 그렇지 아니한 경우 5를 적용한다.
* f = 1: 배경농도는 기본적으로 균일하며, 배출구는 누출 자체로부터 떨어져 있기 때문에 배출구의 농도는 평균 배경농도를 반영한다.

Qa : 공기의 체적 유량(㎥/s)

Q1 : 개구부를 통해 실내로 들어오는 공기의 체적 유량(㎥/s)

Qg : 누출원으로부터 누출되는 인화성 가스의 체적 유량(㎥/s)

Q2=Q1+Qg 룸 내에서 나오는 공기/가스 혼합물의 체적 유량(㎥/s)

 

그리고 공기 교체 빈도와 환기플럭스(ventilation fluxes)는 다음 식에 의하여 나타낸다.

Q2=CVo(㎥/s)

Vo 대상 체적(㎥)

C 룸 내 공기 교환주기(s^-1)

 

평균 배경농도 Xb는 긍극적으로는 누출원과 환기플럭스의 상대적인 크기와 관련되어 정해지지만, 그 시간척도(time scale)는 공기 교체주기에 반비례한다.

 

 

누출된 인화성 물질의 공기를 통한 희석

폭발위험장소 구분에 대한 접근은 인화성 물질의 누출 시 일어날 수 있는 특성과 특징에 대한 올바른 이해가 뒷받침 되어야 한다.

대기조건에서 공기 중의 인화성 가스 또는 증기의 분포 및 회석에 영향을 끼칠 수 있는 일부 매개변수를 계산하는 데 사용되는 식이다.

 

<이론적 최소 환기량>

신선한 공기의 흐름이 인화성 물질의 농도를 인화하한 값 미만으로 희석시키기 위한 이론적 최소 환기량(Qamin)은 다음의 식에 의하여 계산할 수 있다.

여기에서

Qamin : 희석을 위해 요구되는 신선한 공기의 이론적 최소 환기량(㎥/s)

Wg : 인화성 물질의 누출률(kg/s)

k : LFLm 을 고려한 안전계수(≤1.0)

LFLm : 질량 기준 인화하한 (kg/㎥)

Ta : 대기온도(K)

 

<계산 사례 1>

문제) 주위온도 40℃에서 밀폐된 액체 풀의 증발로 인한 벤젠의 누출률 Wg = 0.003 kg/s를 희석시키기 위하여 필요로 하는 신선한 공기의 이론적 최소 환기량을 계산하시오.

 

 

 

<이론적 희석 요구 시간>

인화성 물질의 농도를 특정 정상 상태 배경농도 Xb에서 요구되는 임계농도 Xcrit(특정 부피)로 희석하는 데 필요한 이론적인 시간 td는 다음으로부터 추정할 수 있다.

여기에서

td: 인화성 물질 농도의 정의된 값을 첫 번째 값보다 작은 값으로 희석시키는 데 필요한 이론적 시간(s)

C: 특정 부피에서 단위시간당 공기순환(환기) 횟수(s^-1)

Xb : 정상상태 조건에서 인화성 물질 배경농도(vol/vol)

Xcrit : 인화성 물질 농도의 원하는 임계값(vol/vol)

 

<계산사례 2>

문제) 초기값 Xb = 0.012에서 원하는 값 Xcrit = 0.002 4로, C = 6 h^-1(0.002 s^-1) 단위시간당 많은 환기 횟수를 얻기 위해 강제 환기되는 밀폐공간 내의 인화성 물질 농도를 감소시키기 위한 이론적인 시간을 찾으시오.

 

위에서 계산된 이론적 시간 td는 밀폐공간에서 누출되는 인화성 물질의 이상적인 희석을 바탕으로 한다. 안전계수는 항상 고려한다.