불활성가스 치환에 관한 기술지침(P-80-2011)

o 관련 규격 및 자료

   - Chemical process safety : Fundamentals with applications, Daniel A. Crowl/Joseph F. Louvar

   - Loss prevention in the process industires, Frank P. Lees

   - 화학안전공학, 목연수 등 4명, 동화기술

   - 국내․ 외 화학공장 작업안전표준

---

불활성가스 치환에 관한 기술지침(P-80-2011)

​

<목 차>

1. 목 적

2. 적용범위

3. 용어의 정의

4. 일반규정

5. 최소산소농도 산정

6. 진공치환

7. 압력치환

8. 스위프치환

9. 사이폰치환

---

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.

​

2. 적용범위

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

​

3. 용어의 정의

(1) 이 지침에서 사용하는 용어의 정의는 다음과 같다.

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

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

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

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

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

(바) “화학양론적 계수”이라 함은 화학반응식에 반응물질의 단위몰수에 대한 해당물질의 몰수를 말한다.

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

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

(2) 그 밖에 이 지침에서 사용하는 용어의 정의는 이 지침에서 특별한 규정이 있는 것을 제외하고는 산업안전보건법 , 같은 법 시행령 , 같은 법

시행규칙 , 안전보건규칙에서 정하는 바에 의한다.

​

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.

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

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

설치하여야 한다.

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

(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.

​

5. 최소산소농도 산정

(1) 가연성가스 또는 증기의 최소산소농도는 공기와 가연성성분에 대한 산소의 백분율을 말하며 연소반응식 상의 산소의 화학양론적 계수와 폭발 하한의 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)

​

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.

(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.

​

6.2 인너팅 횟수 및 불활성가스량 산정

​

(1) 이상기체라고 가정하고 대기압과 진공상태에서 전체 몰수 산정

여기서,

nH , nL : 대기압과 진공상태에서 전체 몰수(mol)

PH , PL : 대기압과 진공상태의 압력( ㎏f/ cm2)

V : 대기압과 진공상태의 부피(m3)

T : 대기압과 진공상태의 온도(oK)

Rg : 이상기체 상태방정식의 상수(8.3143 J/moloK = 0.08206 atm/moloK)

​

(2) 대기압과 진공상태에서 산소몰수 산정

여기서,

(noxy)1H , (noxy)1L : 대기압과 진공상태에서 처음 산소몰수

y0 : 진공상태의 처음 전체몰수에 대한 산소몰수비(=대기압상태의 처음 산소농도비)

​

(3) 1차 인너팅 후 산소농도비 산정

여기서,

y1 : 1차 인너팅 후 진공상태의 전체몰수에 대한 산소몰수비(=1차 인너팅 후 대기압상태의 산소농도비)

​

식(5)를 식(6)에 대입하면

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

(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.

​

(6) 불활성가스량 산정

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

​

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.

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

(3) 압력치환은 압력용기에 주로 사용하는 방법으로 불활성가스의 압력은 압력 용기의 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

​

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.

​

8. 스위프치환

​

8.1 일반사항

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

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

(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.

​

8.2 불활성가스량 산정

​

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

여기서,

V : 용기의 부피(m3)

QV : 부피유량(m3/sec)

C : 용기 내부의 산소의 부피농도비

C0 : 인너팅가스의 산소의 부피농도비

t : 시간

​

(2) 식(11)를 적분하여 불활성가스량은

여기서,

C1 : 치환 전의 산소의 부피농도비

C2 : 치환 후의 산소의 부피농도비

​

9. 사이폰치환

​

9.1 일반사항

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

(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.

​

9.2 불활성가스량 산정

불활성가스량은 용기의 부피와 같고 불활성가스 인너팅속도는 액체를 방출하는 용적속도와 같다.

---

​

<부록 1>

​

최소산소농도(MOC) 계산 예

​

부탄(C4H10)에 대한 최소산소농도를 추정

(1) 부탄의 연소반응식 작성

C4H10 + 13/2 O2 → 4CO2 + 5H2O

​

(2) 부탄의 폭발하한계 : 1.6%(VOL.)

​

(3) 최소산소농도 계산

​

식(1)으로부터 최소산소농도는 다음과 같다.

​

여기서, 부탄 1 mol을 연소시키는데 필요한 산소량은 13/2 mol이므로 폭발하한계 1.6 vol.%를 연소시키는데 필요한 최소산소농도는 10.4 vol.% 가 된다.

---

<부록 2>

인너팅 횟수 및 불활성가스량 계산 예

3.8 m3 용기안의 산소농도를 1 ppm까지 줄이려고 한다. 이를 충족시키기 위해 필요한 인너팅 횟수와 질소 사용량을 계산해 본다. 이때 온도는 25。 C이고, 용기는 주위의 공기로 가득 차 있다. (1) 절대압력 20 mmHg까지 도달할 수 있는 진공펌프가 사용되고, 진공에 도달한 후에 절대압력이 1기압이 될 때까지 순수한 질소를 주입하는 경우. (2) 5.5 ㎏f/ cm 2G의 압력의 25。 C에서 순수한 질소로 압력치환를 실시하는 경우.

(1) 진공치환

(가) 초기 및 마지막 상태에서의 산소농도비는 다음과 같다.

​

y0 = 0.21 moles O2/total moles

yf = 1 ppm = 1 x 10-6 moles O2/total moles

​

(나) 인너팅 횟수 계산

​

식(9)을 이용하여 인너팅 횟수를 계산하면

따라서, 산소농도를 1 ppm가지 줄이려면 4번의 인너팅 단계가 필요하다.

​

(다) 불활성가스량

식(10)을 이용하여 불활성가스량을 계산하면

(2) 압력치환

​

(가) 인너팅 횟수 계산

​

식(9)을 이용하여 인너팅 횟수를 계산하면

​

(나) 불활성가스량

식(10)을 이용하여 불활성가스량을 계산하면

---

<부록 3>

​

스위프치환시 불활성가스량 계산 예

저장용기에 100%의 공기가 차 있는데 산소농도가 1.25%(부피%)이하가 될 때까지질소로 불활성화시켜야 한다. 용기의 부피는 28 m3이고, 질소는 0.01%의 산소를 포함하고 있다고 가정할 때 얼마 만큼의 질소가 부가되여야 되는지 계산해 본다.

필요한 불활성가스량은 식(11)으로부터

이 값은 오염된 질소(0.01%의 산소를 포함)의 가스량이다. 산소의 농도를 1.25%이하로 줄이기 위해 필요한 순수한 질소의 양은

---

첨부자료 : 불활성가스 치환에 관한 기술지침(P-80-2011)

P-80-2011 불활성가스 치환에 관한 기술지침.pdf

0.13MB