불활성가스 치환에 관한 기술 지침(KOSHA GUIDE) - 2011.12

P - 80 - 2011 불활성가스 치환에 관한 기술 지침(KOSHA GUIDE) - 2011.12

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1. 목 적

이 지침은 산업안전보건기준에관한규칙(이하 “안전규칙”이라 한다) 제2장(폭발․화재 및 위험물 누출에 의한 위험방지) 규정에 의하여 화학설비의 점검․정비 시 화재․폭발을 예방하기 위하여 실시하는 불활성가스 치환(Purging)에 관한 지침을 정하는데 그 목적이 있다.

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2. 적용범위

이 지침은 화학설비의 점검․정비를 위하여 불활성가스를 주입하는 작업에 적용한다.

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3. 용어의 정의

3.1 “인너팅(Inerting)”이라 함은 산소농도를 안전한 농도로 낮추기 위하여 불활성가스를 용기에 주입하는 것을 말한다.

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3.2 “치환(Purging)”이라 함은 가연성가스 또는 증기에 불활성가스를 주입하여 산소의 농도를 최소산소농도(MOC)이하로 낮게 하는 작업을 통하여 제한된 공간에서 화염이 전파되지 않도록 유지된 상태를 말하며 불활성가스로는 질소, 이산화탄소 및 수증기 등이 있다.

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3.3 “최소산소농도(MOC : Minimum oxygen concentration)”이라 함은 가연성 혼합가스 내에 화염이 전파될 수 있는 최소한의 산소농도를 말한다.

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3.4 “폭발하한계(LEL : Lower explosive limit)”이라 공기 중에서의 가스 등의 농도가 이 범위 미만에서는 폭발되지 않는 한계를 말한다.

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3.5 “폭발상한계(UEL : Upper explosive limit)”이라 함은 공기 중에서의 가스 등의 농도가 이 범위를 초과하는 경우에서는 폭발하지 않는 한계를 말한다.

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3.6 “화학양론적 계수”이라 함은 화학반응식에 반응물질의 단위몰수에 대한 해당물질의 몰수를 말한다.

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3.7 “스위프치환(Sweep-through purging)”이라 함은 용기의 한 개구부로 불활성가스를 인너팅하고 다른 개구부로 대기 또는 스크로버 등으로 혼합가스를 용기에서 방출하는 치환방법을 말한다.

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3.8 “사이폰치환(Siphon purging)”이라 함은 용기에 물 또는 비가연성, 비반응성의 적합한 액체를 채운 후 액체를 뽑아내면서 불활성가스를 주입하는 치환방법을 말한다.

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4. 일반규정

(1) 화학설비의 치환작업은 다음에 적합하여야 한다.

(가) 일반적으로 치환작업의 제어점은 산소농도를 최소산소농도보다 4%이상 낮게 한다, 즉 최소산소농도가 10%인 경우 치환작업으로 산소농도가 6%이하로 되게 한다.

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(나) 비어 있는 용기는 가연성 물질을 충전할 경우 미리 용기 내부를 불활성가스로 치환하여야 하며 액체 위의 증기공간에 불활성분위기를 유지할 수 있어야 한다.

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(다) 공기가 용기 속으로 들어가는 것을 차단하기 위하여 증기공간 내에 일정한 불활성가스 압력을 유지하도록 불활성화 시스템에 압력조정기를 설치하여야 한다.

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(라) 불활성화 제어시스템은 산소분석기가 연속적으로 산소농도를 감시하여 최소 산소농도이상인 경우 자동으로 불활성가스를 주입하여 산소농도가 최소산소농도 이하가 되도록 하여야 한다. 다만, 설비를 보수나 정비시에는 수동으로 할 수 있다.

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(2) 용기내의 초기 산소농도를 최소산소농도 이하로 감소시키도록 하는데 이용되는 치환(Purging)방법에는 진공, 압력, 스위프, 사이폰치환이 있으며 용기의 상태, 주위환경 조건 등에 따라 적절한 방법을 선택하여야 한다.

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5. 최소산소농도 산정

(1) 가연성가스 또는 증기의 최소산소농도는 공기와 가연성성분에 대한 산소의 백분율을 말하며 연소반응식 상의 산소의 화학양론적 계수와 폭발하한의 곱한 값으로 다음과 같이 계산한다.

(가) 가연성가스 또는 인화성 증기의 연소반응식을 작성하여 산소의 화학양론계수를 구한다.

(나) 가연성가스 또는 인화성 증기의 폭발하한계를 계산한다.

(다) 연소반응식중의 산소의 화학양론적 계수와 폭발하한계의 곱을 구한다.

최소산소농도(MOC) = 화학양론적계수 x 폭발하한계-----------------(1)

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6. 진공치환

6.1 일반사항

(1) 진공치환(Vacuum purging)은 용기에 대한 가장 통상적인 치환절차로써 저압에만 견딜 수 있도록 설계된 큰 저장용기에서는 사용될 수 없다.

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(2) 진공치환은 진공에 견딜 수 있도록 설계된 반응기에 일반적으로 쓰이는 절차로써 진공치환 단계는 다음과 같다.

(가) 원하는 진공도에 이를 때까지 용기를 진공으로 한다.

(나) 질소나 이산화탄소와 같은 불활성가스를 주입하며 대기압과 같게 한다.

(다) 원하는 산소농도가 될 때까지 단계 (가)와 (나)를 반복한다.

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6.2 인너팅 횟수 및 불활성가스량 산정

(1) 이상기체라고 가정하고 대기압과 진공상태에서 전체 몰수 산정

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(2) 대기압과 진공상태에서 산소몰수 산정

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(3) 1차 인너팅 후 산소농도비 산정

식(5)를 식(6)에 대입하면

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(4) 진공과 인너팅 공정이 반복될 때 두번째 인너팅 후의 산소농도비 산정

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(5) j번째 인너팅 후의 산소농도비 산정

이 공정은 산소농도가 원하는 농도로 감소되도록 반복한다. j회 치환 순환 후 즉, 진공과 불활성가스 주입을 j회 반복 후 전체몰수에 대한 산소몰수비는 다음과 같이 일반식으로 표현된다.

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(6) 불활성가스량 산정

각 사이클 동안 가한 질소의 전체 몰수는 일정하다. 따라서 j사이클에 대하여 전체 불활성가스량은 다음과 같이 일반식으로 표현된다.

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7. 압력치환

7.1 일반사항

(1) 압력치환(Pressure purging)은 용기에 가압된 불활성가스를 주입하는 방법으로 가압한 가스가 용기 내에서 충분히 확산된 후 그것을 대기로 방출하여야 한다.

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(2) 압력치환은 진공치환에 비해 치환시간이 크게 단축되는 장점이 있으나 불활성가스를 많이 소모하게 되는 단점이 있다.

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(3) 압력치환은 압력용기에 주로 사용하는 방법으로 불활성가스의 압력은 압력용기의 설계압력을 고려하여 결정하여야 하여야 하며 일반적으로 쓰이는 압력치환 단계는 다음과 같다.

(가) 용기에 원하는 압력까지 불활성 가스를 주입한다.

(나) 주입가스가 용기내에서 충분히 확산되면 대기로 방출한다.

(다) 단계 (가)와 (나)를 원하는 산소농도가 될 때까지 반복한다.

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7.2 인너팅 횟수 및 불활성가스량 산정

압력치환에 사용된 식은 진공치환과 동일하므로 인너팅 횟수 및 불활성가스량은 식(9),(10)을 사용하여 구할 수 있으며

여기서,

nH , nL : 고압과 대기압상태에서 전체 몰수(mol)

PH , PL : 고압과 대기압상태의 압력(㎏f/ cm2 )

y0 : 대기압상태의 전체몰수에 대한 산소몰수비를 나타낸다.

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8. 스위프치환

8.1 일반사항

(1) 스위프치환(Sweep-through purging)은 보통 용기나 장치를 압력이나 진공으로 할 수 없는 경우에 주로 사용된다.

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(2) 스위프치환은 저압으로 불활성가스를 공급하여 대기압으로 방출되므로 많은 불활성가스를 필요로 한다.

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(3) 따라서 대형 저장용기를 치환할 경우 많은 양의 불활성가스를 필요로 하여 경비가 많이 소요되므로 액체를 용기 내에 채운 다음 용기 상부의 잔류산소를 제거하는 스위프치환 방법의 사용이 바람직하다.

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8.2 불활성가스량 산정

(1) 용기 안에서 완전혼합, 정온 및 정압이라 가정하면 산소농도변화는 다음과 같다.

(2) 식(11)를 적분하여 불활성가스량은

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9. 사이폰치환

9.1 일반사항

(1) 사이폰치환은 치환시 불활성가스 주입량을 최소로 하기 위하여 주로 사용된다.

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(2) 사이폰치환은 산소의 농도를 매우 낮은 수준으로 줄일 수 있으며 일반적으로 쓰이는 절차는 다음과 같다.

(가) 용기에 액체(물 또는 적합한 액체)를 채운다.

(나) 용기로부터 액체를 뽑아내면서 증기층에 불활성가스를 주입한다.

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9.2 불활성가스량 산정

불활성가스량은 용기의 부피와 같고 불활성가스 인너팅속도는 액체를 방출하는 용적속도와 같다.

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