폭발 (물리적 폭발과 화학적 폭발)

 

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1. 폭발

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  ▣ 고체는 열분해, 액체는 증발을 거쳐 화재로 진행하지만 기체의 경우 열분해와 증발이라는 과정이 필요없이 급격히

       연소하여 온도 상승으로 인한 체적 팽창으로 인하여 폭발음과 물리적 파괴력을 가지게 된다. 즉, 급격한 연소로

       볼 수 있다.

   ※ 산화반응 속도 : 폭발 > 연소

 ▣ 물리나 화학적 변화에 의한 계의 일을 통해 폭음을 수반하는 현상

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가. #폭연 (Deflagration : [dèfləɡréiʃən] 화학 폭연(爆燃)(작용)

  ▣ 인화성 가스의 폭발 : 폭발적으로 연소하는 현상

    ① 급격한 압력의 증가로 인해 격렬한 음향을 발하며 팽창하는 현상

    ② 발열반응으로 연소의 전파속도가 음속보다 느린 현상

       ⊙ 화염전파속도 (300m/s 이하) < 음속 (340m/s)

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나. #폭굉 (Detonation : [detəˈneɪʃn ] 폭발, 폭파)

  ① 폭발 중에서도 격렬한 폭발로서 화염의 전파속도가 음속보다 빠른 경우로 파면선단에 #충격파 (압력파)가

       진행되는 현상

  ② 연소속도 : 1,000 ~ 8,000 [m/s] : 마하 3 ~ 20 정도 속도

     ⊙ 화염전파속도 > 음속

    ※ 용기 내부나 밀폐된 공간에서 순간 속도가 이렇게 빠른 경우를 말함

    ※ 폭굉 유도 거리 (Behind) : 최초의 완만한 연소로 부터 폭굉까지 이르는데 필요한 거리

     ⊙ 폭발의 원인이 되는 에너지를 공급한 후 폭굉이 발생하는데 까지 소요된 시간,

         에너지를 준 후 바로 폭굉이 일어 났는지, 어느 정도 시간후 발생했는지의 시간

     ⊙ 짧아 질수록 위험한데 짧아지는 조건

        ◈ 점화에너지가 강할 수록, 연소속도가 큰 가스일수록, 반경이 가늘거나 용기속에 이물질이 있을 수록,

            압력이 높을 수록, 주위온도가 높을 수록,

          (연소 조건이 여기에 해당함)

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【 폭연과 폭굉 비교】

구 분	폭연 (Deflaration)	폭굉 (Detonation)
충격파	×	O
화염전파속도	음속 이하 (0.1 ~ 10 [m/s])	음속 초과 (1,000~2,500 [m/s])
전파에너지	연소열 (열전달속도)	충격파

다. 폭발의 발생원인

  1) 물리적 · 기계적 원인 : 압력방출에 의한 폭발

  2) 화학적 원인

    ① 증기운 (Vapor cloud) 폭발

    ② 분해 #폭발

    ③ 석탄 분진의 폭발

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2. 물리적 폭발과 화학적 폭발 (원인별 분류)

 가. 물리적 폭발 : 화염 및 연소를 동반하지 않음

  ⊙ 폭발의 원인이 화학적인 반응을 수반하지 않고 단순한 물리적 변화인 상태에 의해 압력이 발생하는 폭발, 원인계와

      생성계가 같음

  ⊙ 보일러의 폭발, 수증기 폭발, 고압용 용기의 폭발, 블레비(BLEVE) 등

     ※ 물리적 변화 : 물질 자체가 변화한 것이 아닌 단순한 상태의 변화 (기화, 증발)

 

  ※ 액체가 기체로 증발하면 갑자기 부피가 커져서 용기가 감당하지 못하고 폭발한다.

 

   ㉠ 액화가스 : 액체가 온도가 서서히 상승하면 액체 1[ℓ]는 기체 550[ℓ]가 되므로 압력이 서서히 증가하면

                         안전밸브가 열려 조절할 수 있으나 온도가 급격히 증가하면 압력증가를 안전밸브가 감당하지 못하고

                          폭발할 수 있는데 이러한 과정을 블레비(Bleve) 현상이라고 한다.

   ㉡ 압축가스 : 가스 즉 기체는 온도가 상승해도 상태가 변화하지 않으므로 기체는 일반적 으로 온도가 1[℃] 상승하면

                         부피는 1/273 배 증가한다. 온도 상승에 따른 압력증가는 크지 않다. 따라서 고압압축가스의 폭발위험은

                          크지 않아 고압용기의 폭발은 액화가스의 폭발로 보아도 무방하다.

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나. 화학적 폭발 : 화염 및 연소를 동반함

   ⊙ 폭발의 원인이 화학적 반응을 통한 압력발생에 의해 발생하는 폭발을 말한다.

   ⊙ 원인물질과 생성물질이 다르다. 원인계와 생성계가 다르다.

   ⊙ 가스폭발, 분진폭발, 화약류 폭발 등 산화반응에 의한 폭발이 있다.

   ⊙ 화학 반응을 통해서 반응물과 전혀 다른 물질이 되는 것 [분해 폭발]

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3. 기상폭발과 응상 폭발 (상태에 따른 분류)

기상폭발 (급격한 화학적 변화)		응상 폭발 (급격한 상태 변화)
종류	⊙ 가스 폭발   ⊙ 분무 폭발   ⊙ 분진 폭발   ⊙ 분해 폭발	⊙ 수증기 폭발   ⊙ 과열 액체 증기 폭발 (BLEVE)   ⊙ 액화가스 증기 폭발   ⊙ 알루미늄 전선 폭발
기타	⊙ 화학적 폭발   ⊙ 연소 · 화염 동반   ⊙ 대부분 기체	⊙ 물리적 폭발   ⊙ 연소·화염 동반   ⊙ 고체, 액체

  ※ 기상폭발 : 기체상태의 폭발, 응상폭발 : 액체나 기체 상태의 폭발, 고압전류 폭발

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3-1. 폭발의 종류

폭발 종류	물 질
분해 폭발	⊙ 과산화물 · 아세틸렌   ⊙ 다이너마이트
분진 폭발	⊙ 밀가루 · 담뱃가루 ⊙ 석탄가루 · 먼지  ⊙ 전분 · 금속분
증합 폭발	⊙ 염화비닐 ⊙ 시안화수소
분해 · 증합 폭발	⊙ 산화 에틸렌
산화 폭발	⊙ 압축 가스 ⊙ 액화 가스

 

4. 블레비(Bleve, 과열액체 증기폭발)

​   ▣ 액화가스를 저장하는 용기 주변에 화재 등 어떤 원인에 의해 용기가 가열되면 액화가스의 비등으로 급격한

       압력의 상승이 발생한다. 이 때 안전장치를 통하여 이루어지는 압력의 완화 보다 내부의 압력 증가율이 큰 경우 용기가

       파열되는 현상을 말한다.

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가. 블레비(Bleve) 형성 과정

 

   (a) 액체의 온도(액온) 상승

   (b) 연성파괴 : 탱크의 강도 저하로 인한 균열발생 (액체 입자가 탱크벽에 충돌)

   (c) 액격현상, 취성파괴 : 탱크가 파괴되고 파편이 사방으로 비산 (물리적 폭발)

   (d)화구( Fire ball) 발생 : 물리적 폭발에서 화학적 폭발로 이어져 일어나는 폭발

        ▣ 화재 ⇒ 액온상승 ⇒압력상승 ⇒연성파괴 ⇒ 액격현상 ⇒취성파괴 ⇒ 화구형성

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나. 블레비(BLEVE) 발생조건

   ① 가연물이 비점 이상 가열될 것

   ② 가연성 가스가 밀폐계 내에 존재할 것

   ③ 기계적 강도 이상의 압력이 형성될 것

   ④ 내용물이 대기중으로 방출될 것

   ⑤ 온도상승으로 인한 탱크 파열

      ※ BLEVE : Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion

      ※ 취성 파괴 : 폭발을 한다.

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5. 분진폭발 : 미세한 고체 (날아 다니는 고체)

  ▣ 미세한 가연성 분진입자가 공기중에 부유하여 폭발범위를 형성하고 있다가 점화원에 의해 폭발하는 현상을 말한다.

  ▣ 공기중에 부유하고 있는 분진이 어떤 점화원에 의해 에저지가 주어지면 폭발하는 현상을 말한다.

   ※ #분진 의 폭발 범위

    ⊙ 메탄의 폭발범위 : 5% ~ 15 % [vol %, 체적 %]

    ⊙ 공기와 고체의 혼합비율이므로 체적%, 중량 %를 쓰지 못하고 [mg/L]를 단위로 쓰며 분진은 위험성이 액체나

         가스보다 낮으므로 모두 측정하지 않고 일반적으로 하한값이 25~45[mg/L]이고 상한값은 80[mg/L]이다.

     ※ 분진 : 지름 100 [㎛] 이하의 물질

     ※ 착화 에너지 : 화약 < 분진

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【 분진폭발을 일으키는 물질 】

   ▣ 불에 잘 타는 비금속 물질 : 주 성분이 CHO인 물질, MTS인 물질, 톱밥가루 등

   ▣ 밀가루, 쌀가루, 커피가루, 솜가루, 금속분말

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【분진폭발을 일으키지 않는 물질 = 물과 반응하여 가연성 기체를 발생하지 않는 것】

    ① #시멘트

    ② #석회석 (소석회)

    ③ #탄산칼슘 (CaCO3)

    ④ 생석회 (CaO) = 산화칼슘

    ⑤ 가성소다 분진 (NaOH) : 수산화나트륨

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6. 증기운 폭발 (UVCE : Unconfined Vapor Cloud Explosion)

   ▣ 저비점의 가연성 가스가 대기 중에 대량 유출하거나 대량의 가연성 액체가 유출하여 그것으로 부터 발생하는

       증기가 공기와 혼합해서 가연성 혼합기체를 형성하고 발화원에 의하여 거대한 화분을 형성하는 폭발현상

   ▣ 대기중에 확산되어 있는 다량의 가스 (증기운)가 어떤 점화원에 의해 급격한 폭발을 일으키는 현상

   ▣ 풍속이 낮아 증기운이 잘 확산되지 않는 경우에 더욱 피해가 심각하며, 폭발시간이 비교적 짧아 복사열에 의한

        피해 보다는 화염 전파방 압력파를 일으켜 시설물에 피해를 입히는 정도가 더 심각하다.

   ※ 모든 기체 가스가 구름처럼 모여 있는 것을 증기운이라고 부른다.  (수증기 만을 의미하지 않음)

블레비 (BLEVE)	증기운 폭발 (UVCE)
물리적 폭발	화학적 폭발
밀폐된 공간 폭발	개방공간의 폭발
액화가스에서 발생	대기중 기체상태에서 발생

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【출제 예상 문제】

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1. 폭발발생 원인 중 물리적 또는 기계적 원인인 것은 ? ②

   ① 증기운 (Vapor Cloud) 폭발    ② 압력방출에 의한 폭발   ③ 분해 폭발    ④ 석탄분진 폭발

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[폭발원인] #물리적 또는 #기계적 원인 : 압력방출에 의한 폭발

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2. #디토네이션 (Detonation)에 대한 설명이다. 틀린 것은 ? ①

   ① 발열반응으로서 연소의 전파속도가 그 물질의 내에서의 음속보다 느린 것을 말한다.

   ② 물질 내 충격파가 발생하여 반응을 일으키고 또한 그 반응을 유지하는 현상이다.

   ③ 충격파에 의해 유지되는 화학반응현상이다.

   ④ 반응의 전파속도가 그 물질 내에서의 음속보다 빠른 것을 말한다.

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[폭굉 (Detonation)] 화염전파속도가 음속보다 빠를 경우 (1,000~8,000 [m/s])를 #폭굉 이라 하며,

         #충격파 를 동반하게 된다.

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3. 대기중에 대량의 가스가 유출하거나 대량의 가연성 액체가 유출하여 그것으로 부터 발생하는 증기가 공기와 혼합해서

    가연성 혼합기체를 형성하고 발화원에 의하여 발생하는 폭발현상은 ? ③

   ① BLEVE         ② SLOP OVER             ③ UVCE                    ④ FIRE BALL

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[ #증기운 폭발 (UVCE)] 대기중에 다량의 가연성 가스가 유출하거나 대량의 가연성 액체가 유출되어 그 것으로 부터 발생

     하는 증기가 공기와 혼합해서 가연성 혼합 기체를 형성하고 발화원에 의하여 발생하는 폭발현상

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4. BLEVE 현상을 가장 옳게 설명한 것은 ? ④

  ① 물이 뜨거운 기름 표면 아래서 끓을 때 화재를 수반하지 않고 Over flow 되는 현상

  ② 물이 연소유의 뜨거운 표면에 들어 갈 때 발생되는 Over flow 되는 현상

  ③ 탱크 바닥에 물과 기름이 애멀젼이 섞여 있을 때 물의 비등으로 인하여 급격하게 Over flow 되는 현상

  ④ 탱크 주위의 화재로 탱크 내 인화성 액체가 비등하고 가스 부분의 압력이 상승하여 탱크가 파괴되고

      폭발을 일으키는 현상

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[ #블래비 (BLEVE)] #액화가스 저장시설 등에 국부적으로 가열되어 가열된 부분은 약해지고 탱크 내부는

        열전달에 의해 팽창되어 용기가 파열된다. 이 때 저장가스 등이 확산되어 점화원에 의해 폭발적으로 연소하여

         #파이어볼 (Fire Ball)을 만들게 되는 것을 말하는데 비등액체 #증기폭발 이라고도 한다.

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5. 분진 폭발을 일으킬 가능성이 가장 낮은 것은 ? ④

   ① 마그네슘 분말           ② 알루미늄 분말          ③ 종이분말             ④ 석회석 분말

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[ #분진폭발 을 일으키지 않는 물질]

   ① #시멘트    ② 석회석 (소석회)     ③ #탄산칼슘 (CaCO3)    ④ 생석회(CaO) = 산화칼슘

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6. 분해폭발을 일으키며 연소하는 #가연성 가스는 ? ③

   ① 염화비닐          ② 시안화수소              ③ 아세틸렌               ④ 포스겐

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[분해폭발] #에틸렌 , #산화에틸렌 , #아세틸렌 등은 #분해폭발 을 한다.