산소공급원 - 연소론

 

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1. 산소공급원으로서 가능한 물질 = 산소를 함유하고 있는 물질

   가. 제1류 위험물 (산화성 고체 : 질산나트륨)

   나. 제5류 위험물 (자기반응성 물질)

   다. 제6류 위험물 (산화성 액체 : 과산화 수소)

   라. 지연성(조연성) 가스 : 자신은 연소하지 않고 연소를 도와주는 가스 (산소, 불소, 염소, 온존 등)

   마. 공기 (압축공기)

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※ 위험물의 종류 (위험물안전관리법 시행령 [별표 1])

유형	성 질	품 명
제1류	산화성 물질	▣ 산화성 고체로 무색 결정, 백색 분말, 비중은 1보다 큼,  대부분 물에 녹음, 불연성 물질, 산소를      함유한 강산화제 반응성 풍부, 가열 · 충격 · 마찰에 의한 산소발생, 조연성 물질 · 가연성 물질과      혼합하면 연소 또는 폭발 위험 ⊙ 아염소산류, 염소산 염류, 과염소산염류, 무기과산화물, 브룸산 염류, 진산염류, 요오드산염류,      과망간산염류, 중크롬산 염류
제2류	#가연성 물질	▣ 낮은 온도에 착화하는 가연성 물질, 강한 환원성을 가진 고체, 비중이 1보다 큼, 산화제와      접촉·마찰로 인해 착화되면 급격히 연소, 철분, 마크네슘, 금속분류, 물과 산의  접속시 발열하고      유독가스 발생, 가능한 한 점화원으로 부터 멀리 보관 필요, 가열금지 ⊙ 유황, 철분, 금속분 (알칼리금속, 알칼리로류 금속, 철 및 마그네슘 외의 금속분말), 마그네슘,      인화성 고체
제3류	자연발화성물질 금수성 물질	▣ 자연발화성 물질 (공기와 접촉시 연소 또는 가연성 가스 발생), 금수성 물질은 물과 접촉하여      가연성 가스를 발생하는 물질, 발화의 위험이 굉장히 높음, 대부분 고체 ⊙ 칼륨, 나트륨, 알킬나트륨, 알킬리튬, 황린
제4류	#인화성 액체	▣ 불꽃, 스파크, 정전기 등에 의해 인화되기 쉬움, 착화온도가 낮음, 증기는 공기보다 무거움      (HCN) 제외, 증기는 공기와 약간의 혼합에 의해 연소 가능, 일반적으로 상온에서 액체 ⊙ 제1석유류(아세톤, 휘발유), 알코올류, 제2석유류 (등유·경유), 제3석유류 (중류, 클레오소르유),      제4석유류(기어류, 실린더유), 동식물유류
제5류	#자기반응성 물질	▣ 산소를 함유한 물질로 자기연소가능, 연소속도가 매우 빠르며 폭발성 있음, 가열·마찰·충격 등에      의해 폭발할 수 있음, 장시간 노출에 의한 산화반응, 산화반응에 의한 열분해로 자연발화 위험 ⊙ 유기과산화물, 질산에스테르류, 니트로화합물, 니트로소화합물, 아조화합물, 디아조화합물,      히드라진유도체, 히드록실아민, 히드록실아민염류, 금속의 아지화합물, 질산구아니딘
제6류	산화성 액체	▣ 불연성 물질, 강산화제, 산소함유 (할로겐 간 화합물 제외), 비중 1보다 크고 물에 잘 녹음, 물과      접촉하면 발열 반응, 가연물·유기물과 반응 산화 및 착화로 인해 유독 가스 발생, 부식성을 가진      물질 ⊙ 과염소산, 과산화수소, 질산, 할로겐 화합물, 삼불화브롬 (BrF3), 오블화브롬 (BrF5),      오블화요오드(BrF5)

 

2. 연소범위 = 연소한계 = 폭발범위

 가. 가연성 기체라 하더라도 점화원의 존재 하에 산소와 연소 범위 내에 있을 때 발화하며 연소범위가 넓을 수록 위험하다.

    ① 연소하한계 : 연소가 일어나는 하한

    ② 연소상한계 : 연소가 일어나는 상한

  【 연소범위(연소한계 】 = 폭발범위 (폭발한계)

    ▣ 1기압, 25[℃] 공기중에서 측정

    ▣ 연소가 가능한 폭발성 혼합가스 (가연성 기체 + 공기) 중 가연성 기체의 체적 %

    ▣ 하한값이 낮을 수록, 범위가 넓을 수록 위험하다.

    ▣ 주변의 변화에 따라 연소범위는 변화한다.

  <연소범위의 변화>

     ㉠ 온도가 높아지면 넓어진다.

     ㉡ 압력이 높아지면 넓어진다. (수소와 일산화탄소는 좁아진다)

     ㉢ 공기중의 산소의 농도가 높아지면 넓어진다.

     ㉣ 불활성기체를 투입하면 연소범위는 좁아진다.

 

  【위험도】

   ▣ 위험도는 폭발범위를 활용하여 가연물의 연소위험성을 가름할 수 있는 계산값으로 위험도가 클수록

        가연물의 연소 위험성이 커진다.

     ◈ 아세틸렌 (C2H2)의 연소범위 : 2.5 ~ 81 [%]

         * 지구상에서 아세틸렌이 폭발범위가 가장 넓다.

     ◈ 이산황화탄소 (CS2)의 연소범위 : 1.2 ~ 44 [%]​​​​

     ※ 이산황화탄소는 지구상에서 가장 위험도가 큰 물질

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나. 물질별 연소 범위

가 스	하한계 [vol%]	상한계 [vol%]
아세틸렌 (C2H2)	2.5	81
수소 (H2)	4	75
일산화탄소 (CO)	12.5	74
에테르 (C2H5OC2H5)	1.9	48
이황화탄소 (CS2)	1.2	44
에틸렌 (C2H4)	2.7	36
암모니아 (NH3)	15	28
메탄 (CH4)	5	15
에탄 (C2H6)	3	12.4
프로판 (C3H8)	2.1	9.5
부탄 (C4H10)	1.8	8.4
휘발유 (C5H12~C9H20)	1.4	7.6

다. 폭발 한계와 위험성

    ① 하한계가 낮을 수록 위험하다.

    ② 상한계가 높을 수록 위험하다.

    ③ 연소범위가 넓을 수록 위험하다.

    ④ 연소범위의 하한계는 그 물질의 인화점에 해당한다.

    ⑤ 연소범위는 주위온도와 관계가 깊다.

    ⑥ 압력상승시 하한계는 불변, 상한계만 상승한다.

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3. 위험도 (Degree of hazards)

   ▣ U - L을 폭발하한계(L)로 나누는 것이므로 하한이 낮거나 연소범위가 넓을 수록 위험도는 커진다.

 

4. 혼합가스의 폭발하한계

   ▣ 가연성 가스와 혼합되었을 때 폭발하한계는 르 샤틀리에 법칙에 의하여 다음과 같이 계산된다.

 

   ▣ 혼합가스의 폭발범위의 계산에는 한계가 있다.

     ⊙ 성질이 비슷한 혼합 가스의 혼합계에만 적용이 가능하다.

     ⊙ 각 성분간에 반응이 일어나면 적용이 곤란하다.

     ⊙ 냉연현상을 수반하는 경우에는 적용이 불가능하다.

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【르 샤틀리의 폭발범위 계산】

  예제1) ⊙ 혼합가스 조성 : 메탄 30%, 에탄 25%, 프로판 45%

             ⊙ 각 가스의 폭발범위 : 메탄 : 5~15%, 에탄 : 3~12.4%, 프로판 : 2.1~9.5%

             ⊙ 혼합가스의 하한 값 계산​

  예제2) ⊙ #혼합가스 조성 : 메탄 120ℓ, 에탄 100ℓ, 프로판 180ℓ

             ⊙ 각 가스의 폭발범위 : 메탄 : 5~15%, 에탄 : 3~12.4%, 프로판 : 2.1~9.5%

             ⊙ 혼합가스의 하한 값 계산

 

【 출제예상문제 】

​1. 물질의 연소시 산소 공급원이 될 수 없는 것은 ? ①

     ① 탄화칼슘          ② 과산화나트륨            ③ 질산나트륨            ④ 압축공기

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  ※ 산소공급원

    ① 제1류 위험물 ( #산화성 고체 : #질산나트륨 )

    ② 제5류 위험물 ( #자기반응성 물질)

    ③ 제6류 위험물 (산화성 액체 : #과산화수소 )

    ④ #지연성 ( #조연성 ) 가스 : 자신은 연소하지 않고 연소를 도와주는 가스 (산소, 불소, 염소, 오존 등)

    ⑤ 공기 (압축공기)

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2. 다음 가스에서 공기 중 연소범위가 가장 넓은 것은 ? ④

   ① 메탄            ② 프로판            ③ 에탄                  ④ #아세틸렌

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※ 연소범위

가스	하한계 [vol %]	상한계 [vol %]
아세틸렌(C2H2)	2.5	81
메탄 (CH4)	5	15
에탄 (C2H6)	3	12.4
프로판 (C3H8)	2.1	9.5

3. 메탄 80 [vol %], 에탄 15 [vol %], 프로판 5 [vol %]인 혼합가스의 공기 중 폭발하한계는 약 몇 [vol %]인가 ?

     (단, 메탄, 에탄, 프로판의 공기중 폭발하한계는 각각 5.0 [vol %], 3.0 [vol %], 2.1 [vol %] 이다.) ④

   ① 3.23          ② 3.61                ③ 4.02                  ④ 4.28

 

4. 다음 물질 중 공기에서의 위험도 (H)값이 가장 큰 것은 ? ①

   ① #에테르         ② 수소              ③ 에틸렌                 ④ #프로판

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※ 위험도

 

5. 화재의 위험에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ? ③

   ① 인화점 및 착화점이 낮을 수록 위험하다.

   ② 착화에너지가 작을 수록 위험하다.

   ③ 비점 및 융점이 높을 수록 위험하다.

   ④ #연소범위 는 넓을 수록 위험하다.

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※ 위험도는 증기압이 클수록, #비점 및 #융점 이 낮을 수록 위험하다.