Industrial Explosion.

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1 Industrial Explosion

2 화학적 폭발에너지 용기내에서 폭발이 일어날 때 부피가 변하지 않고 이상기체라고 가정하면 팽창 후 피크압력은
여기서 P는 압력, n은 몰수, T는 온도, 하첨자 i와 f는 처음과 최종단계를 나타낸다. 공기중에서 프로판이 완전연소할 때 다음과 같은 양론식이 적용된다. 처음과 최종의 몰수는

3 폭발의 거동에 영향을 주는 변수 폭발의 거동에 영향을 주는 변수 주위의 온도 주위의 압력 폭발성 물질의 조성
폭발의 거동에 영향을 주는 변수 폭발의 거동에 영향을 주는 변수 주위의 온도 주위의 압력 폭발성 물질의 조성 폭발성 물질의 물리적 성질 착화원의 성질: 형태, 에너지, 지속시간 주위의 기하학적 조건: 개방 또는 밀폐 가연성 물질의 양 가연성 물질의 유동 상태 : 난류 착화 지연시간 가연성 물질이 방출되는 속도

4 물리적 폭발 자연계에서의 화산의 폭발/은하수 충돌에 의한 폭발 진공용기의 파손에 의한 폭발
과열액체의 급격한 비등에 의한 증기폭발 전선폭발 미세한 금속선에 큰 용량의 전류가 흐름에 따라 전선의 온도가 상승. 용해되면서 갑작스런 기체 팽창이 짧은 시간에 발생. 초고속 금속 회전체가 운전중 파괴되어 발생되는 폭발 용해열, 수화열

5 화학적 폭발 대책 산화폭발 유기물질의 농도를 폭발하한계 농도 미만에서 운전함
가연성가스가 공기 중에 누설/인화성액체 저장탱크에 공기가 유입되어 폭발성 혼합가스가 형성된 후 탱크 내 점화원(화염, 정전기, 열 등)에 의하여 발생되는 폭발현상 대책 유기물질의 농도를 폭발하한계 농도 미만에서 운전함 - 폭발사고 방지를 위한 안전대책 수립

6 화학적 폭발 대책 대책 분해폭발 용기에 고압 저장시 불활성다공물질을 용기내 주입 중합폭발
분해성가스(산화에틸렌,아세틸렌)와 자기분해성가스(디아조화합물 등)가 분해하면서 폭발. 예) 아세틸렌, 에틸렌 등의 분해에 의한 가스폭발 대책 용기에 고압 저장시 불활성다공물질을 용기내 주입 - 고압으로 용해 충진 중합폭발 염화비닐,초산비닐, 그 외 중합물질의 Monomer가 폭발적으로 중합, 격렬하게 발열→ 압력 급상승 대책 중합반응시 발열반응 → 적절한 냉각설비 설치

7 기상폭발과 응상폭발 기상폭발 혼합가스폭발 가스의 분해 폭발 분진폭발
혼합가스 (가연성 가스+지연성 가스)의 발화원 착화에 의한 폭발 가연성 가스 : 수소, 천연가스, 아세틸렌 및 가연성액체의 증기 지연성 가스 : 공기, 산소, Nox, Cl, F 등 가스의 분해 폭발 가스분자의 분해시에 발열하는 가스가 발화원에 의해 착화 예) 아세틸렌, 산화에틸렌, 에틸렌, 메틸아세틸렌, 이산화염소 등 분진폭발 가연성 미분 및 Miste 등이 농도이상 공기중에 현탁→발화원 착화 황, 플라스틱, 사료, 석탄, 마그네슘, 티타늄, 칼슘 등의 분말

8 기상폭발과 응상폭발 응상폭발 혼합위험에 의한 폭발 폭발성 화합물의 폭발 증기폭발
혼합물(산화성물질+환원성물질)이 혼합직후 발화/충격,가열 액체 시안산, 무수마레인산과 가성소다, 액체 산소와 탄소가루 등 폭발성 화합물의 폭발 화합물 폭약의 제조가공 공정 또는 사용 중에 발생 반응중에 생긴 예민한 부산물이 반응조에 축적되어 생기는 폭발 메틸에틸케톤, 퍼옥사이드, 트리니트로톨루엔, 아세틸렌 증기폭발 물, 유기액체 등의 액체류가 과열상태 → 증기화로 인한 폭발 물이 괸곳에 용융카바이드/철 낙하 → 과열/외부 열로 증기압 상승

9 증기운폭발(VCE:Vapor Cloud Explosion)
개방계 증기운 폭발의 단계 다량의 가연성 액체가 공기 중의 개방 계로 누출됨 누출된 가연성 액체가 낮은 곳(Pool)에 체류함 가연성 액체가 증발하여 구름(Cloud)을 형성함 분산된 증기가 대기중의 공기와 혼합하여 폭발성 증기운(Vapor Cloud) 을 형성함 대기중의 각종 점화원에 의하여 폭발을 일으킴 Pool Fire현상과 함께 Fire Ball이 형성되고 이때 발생되는 복사열에 의해 시설 설비 및 인간에게 피해를 수반함 Fire Ball의 지속시간, Lifting Height 등에 의해 피해 정도가 결정됨

10 증기운폭발(VCE:Vapor Cloud Explosion)
증기운 폭발의 영향 변수 방출된 물질의 양 증발된 물질의 분율 증기운의 점화 확율 점화되기전 증기운이 움직인 거리 증기운이 점화되기까지의 시간지연 폭발의 확율 물질이 폭발할 수 있는 한계량 이상 존재 폭발효율 방출에 관련한 점화원의 위치

11 증기운폭발(VCE:Vapor Cloud Explosion)
증기운 폭발의 특징 증기운의 크기가 증가되면 점화확률이 증가 증기운에 의한 재해는 폭발보다는 화재가 보통. 폭발효율이 적다. (연소에너지의 약 20%가 폭풍파로 전환) 증기와 공기의 난류혼합, 방출 점으로부터 먼 지점에서의 점화는 폭발의 충격 증가 증기운 폭발의 메커니즘(4단계) 인화성, 가연성 액체 누출 증기, 가스 혹은 Mist로 존재함 주위공기와 누출된 물질의 혼합기가 연소범위 내의 증기운을 형성함 가연성 혼합물이 착화되어 연소범위 이내에 있는 증기운의 영역에 화염이 전파됨.

12 비등액체 팽창 증기폭발(BLEVE) BLEVE의 메커니즘 다량의 물질을 방출시킬 수 있는 특별한 형태의 재해.
비점이상의 압력으로 유지되는 액체가 들어있는 탱크 파열시 발생 용기 파열시 탱크 내용물 중 상당한 분율이 폭발적으로 증가 BLEVE의 메커니즘 액체가 들어있는 탱크의 주위에서 화재가 발생. 화재에 의한 열에 의하여 탱크의 벽이 가열 액위 이하의 탱크 벽은 액체에 의하여 냉각되나 온도는 올라가고, 탱크내의 압력이 증가 탱크내의 증기압 상승으로 탱크의 용접부나 천정부의 강도저하 탱크는 파열되고 그 내용물은 폭발적으로 증가

13 비등액체 팽창 증기폭발(BLEVE) BLEVE 예방법 방액제를 경사지게 하여 화염이 직접 탱크에 접하지 않도록 함.
탱크 내의 압력을 감압시킴 화염으로부터 탱크로의 입열을 억제 : 탱크 외벽의 단열조치/탱크의 지하 설치 : 물에 의한 탱크표면의 냉각장치 설치 : 가스의 이송조치 폭발방지 장치 : 탱크 내벽에 열전도도가 좋은 물질 설치 → 화염노출시 탱크 기상부 강판으로 흡수되는 열을 탱크내의 액상가스로 전달 → 탱크 기상부 강판의 온도를 파괴점 이하로 유지 → BLEVE발생 방지 용기의 내압 강도 유지 용기의 외력에 의한 파괴의 방지 비상용 Tank 확보 Emergency 상황에 대비

14 이상반응에 의한 화재 폭발 이상 반응의 발생요인 반응속도에 대한 지식 부족 반응열 제어에 대한 검토 부족
촉매 주입량이 규정이상이거나 농도가 부적절 냉각능력 부족(냉매, 냉각수 및 교반기의 능력부족) 이물질의 혼입 희석제, 불활성 물질의 사용방법이 부적절 냉각장치 고장 등에 의한 냉각 설비의 중지 원료 주입량 및 주입속도 부적절 부산물(By-Product) 축적에 의한 이상반응 발생 계측설비 고장, 측정지점의 부적절 혹은 계측 설비능력 부족

15 수증기 폭발 예방 대책 예방대책 증기폭발: 착화원도 가연물도 필요로 하지 않는 상변화에 기인하여 발생되는 폭발
기본적인 예방대책 : 물과 고열물과의 직접적인 접촉의 기회를 주지 않는 것 예방대책 로 내로의 물의 침입 방지 작업 바닥의 건조 고온 폐기물의 처리 주수 분쇄 설비의 안전설계 물속에 고온물 투입 금지 고온물이 밖으로 나오지 않도록 물을 뿌려주는 설비 필요 주수에 대한 배수 용이 물이 정체하도록 설계하면 안됨. Cooling Water Pipe Line의 강도 유지

16 Fire Ball의 정의 및 발생기구 D=3.77W0.320 T=0.258W0.340 정의 Equation
BLEVE 등에 의한 인화성 증기가 확산하여 공기와의 혼합이 폭발 범위에 이르렀을 때 커다란 공의 형태로 폭발하는 현상 액화가스의 탱크가 파열하면 flash 증발 → 가연성의 기액 혼합물 대량 분출 지면에서 반구상의 화염이 되어 이것이 부력으로 상승 동시에 주변의 공기 흡입, 공모양으로 되고 상승하여 버섯형 화염 형성. Equation Fire ball의 크기 D=3.77W0.320 D: 직경(m) W: 가연성 혼합물(가연성물질 + 산화제(공기))의 중량(kg) Fire ball의 연소시간 T=0.258W0.340 T : 연소시간(초)

17 Fire Ball의 정의 및 발생기구 화염에 노출되어 있는 구형 액화프로판 탱크 전형적인 파이어볼의 성장

18 Fire Ball의 정의 및 발생기구 발생단계 Fire Ball 형성에 영향을 미치는 요인
넓은 폭발 범위 낮은 증기 밀도 높은 연소열 유출되는 형태에 따라 증기-공기 혼합물의 조성이 결정 Fire Ball 형성 조건에 결정적인 영향을 미침.

19 단열압축 개요 점화방법의 한가지, 즉 발화원의 하나
자동차 실린더 안의 가솔린과 공기는 증기가 발화온도를 초과하는 단열온도로 압축되면 점화. 공기압축기의 흡입구로 빨려 들어가 가연성 증기가 압축되어 발화 : 압축기는 냉각기 고장시 자연발화가 쉬우므로, 설계시 안전장치가 포함되어야 함. 기체를 높은 압력으로 압축하면 온도 상승. : 냉각시설이 없으면 오일 및 윤활유가 열분해 → 저온발화물 생성

20 단열압축 이상기체에 대한 단열온도 상승은 열역학의 단열압축식으로부터 계산 Tf : 최종절대온도 Ti : 초기절대온도
Pf : 최종절대압력 Pi : 초기절대압력 r : Cp/Cv (정압비열/정용비열)

21 폭발관련 용어 설명 TNT 당량 물질이 폭발할 때 내는 에너지와 동일한 에너지를 방출하는 TNT의 중량
ΔHc : 폭발성 물질의 발열량 Wc : 폭발한 물질의 양 1120 : TNT가 폭발시 내는 당량에너지

22 폭발관련 용어 설명 Scaling 법칙 폭발에 의해 생성된 폭풍파의 특성을 결정하는데 쓰이는 법칙
종류가 같은 폭발물을 크기를 달리하여 같은 조건에서 폭발시 : 환산거리가 같으면 양에 관계없이 폭발 특성값이 같다. R : 폭심으로부터의 거리 W: 폭발물의 질량

23 폭발관련 용어 설명 과압으로 인한 손상 과압(psig) 손상 0.03 창유리 일부 파손 0.04 큰 소음 0.15 유리파열압력
0.3 심각한 손상이 발생한 확률 95% 0.5~1 크고 작은 창 부서짐 0.7 가옥 소파 1 가옥부분 파괴 2~3 비강화 콘크리트 벽 부서짐 2.3 심각한 구조적 손상 하한계 3 Steel frame 빌딩 휨 3~4 유류 저장탱크 파열 5~7 가옥전파 7 짐 실은 화물(train)차 전복 9 짐 실은 화물차(boxcar) 전파 10 빌딩의 전파 300 Crater lip 한계(분화구 생성)

24 폭발관련 용어 설명 환산거리와 과압과의 관계(영국공학단위)

25 폭발관련 용어 설명 환산거리와 과압과의 관계(SI단위)