Benzene과 Cyclohexane 계의 최소자연발화온도 측정 및 예측 :Measurement and prediction of Aautoignition temperature(AIT) of Benzene and Cyclohexane system

한중기

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자료유형: 학위논문

저자정보: 한중기 (세명대학교, 세명대학교 대학원)

지도교수: 하동명

발행연도: 2018

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화학 관련 산업은 고온, 고압뿐만 아니라 반응성이 큰 물질들을 사용하는 복잡한 공정으로 이에 맞는 안전기술이 요구된다. 폭발사고, 화재사고 등은 취급물질의 부주의로 인한 재해로서 인재라고 볼 수 있다. 산업 현장에서 취급하고 있는 각종 화학물질의 안전관리가 어려운 이유는 취급하는 물질의 화재 및 폭발 특성치(연소특성치)에 관한 자료가 부족하거나, 정확하지 않은 연소특성치를 사용하기 때문이다.
산업 현장에서 재해를 예방하기 위해서는 사업장 내에서 제조, 취급, 저장되는 순수물질뿐만 아니라 혼합물질을 포함한 원료, 중간제품 및 완제품에 대한 정확한 물질보건안전자료(MSDS)를 확보해야한다.
재해의 원인 가운데 하나인 자연발화는 가연성 혼합기체에 열 등의 형태로 에너지가 주어졌을 때 스스로 타기 시작하는 산화현상이다. 그리고 최소자연발화온도(AIT : Autognition Temperature)는 주위로부터 충분한 에너지를 받아서 스스로 점화할 수 있는 최저온도를 말한다. 일반적으로 AIT는 농도, 용기 크기, 산소농도, 압력, 촉매, 발화지연시간 등 다양한 실험 조건에 영향을 받으므로 문헌들 마다 다른 값들이 제시되고 있다. 그동안 AIT의 연구는 혼합물에 대한 연구는 거의 없는 실정이다.
본 연구에서는 ASTM E659(Koehler사) 장치를 사용하여 Benzene과 Cyclohexane 혼합물의 5개의 혼합조성에서 AIT를 측정하였다. 그리고 Benzene과 Cyclohexane의 조성변화에 따른 활성화에너지(Activation Energy)를 계산하였다.
측정된 Benzene과 Cyclohexane 계의 AIT를 이용하여 조성 변화에 최소자연발화온도와 활성화에너지를 예측할 수 있는 모델을 제시하였다. Benzene과 Cyclohexane 혼합물의 최소자연발화온도는 Benzene(0.1)과 Cyclohexane(0.9)계에서는 263 ℃, Benzene(0.3)과 Cyclohexane(0.7)계에서는 265 ℃, Benzene(0.5)과 Cyclohexane(0.5)계에서는 387 ℃, Benzene(0.7)과 Cyclohexane(0.3)계에서는 393 ℃, Benzene(0.9)과 Cyclohexane(0.1)계에서는 435 ℃로 나타났다. 또한 각각의 조성에서 활성화에너지를 계산하였다. Benzene(0.1)과 Cyclohexane(0.9)계에서는 97.34 kJ/mol,, Benzene(0.3)과 Cyclohexane(0.7)계에서는 78.27 kJ/mol, Benzene(0.5)과 Cyclohexane(0.5)계에서는 38.82 kJ/mol, Benzene(0.7)과 Cyclohexane(0.3)계에서는 34.64 kJ/mol, Benzene(0.9)과 Cyclohexane(0.1)계에서는 126.85 kJ/mol 나타났다. 제시된 실험자료 및 예측 모델은 이들 물질을 취급하는 공정에서 안전을 확보하는 자료로 제시하고자 한다.

The chemical industry is a complicated process using high temperature, high pressure as well as highly reactive materials, appropriate safety technologies are required. Explosion and fire accidents as a result of carelessness, it can be regarded as a disaster due to careless handling of materials. The reason why safety management of various chemical substances handled in the industrial field is difficult is because the data on the fire and explosion characteristic value (combustion characteristic value) of the material to be handled are insufficient, or the use of incorrect combustion characteristics.
In order to prevent disasters on the industrial site, it is necessary to obtain accurate MSDS of raw materials, intermediate products and finished products including mixed materials as well as pure materials manufactured, handled and stored in the workplace.
Natural ignition, one of the causes of disasters, is an oxidation phenomenon that starts to burn on itself when energy is given to the combustible mixture in the form of heat. And the minimum auto ignition temperature (AIT) is the minimum temperature that can ignite itself by receiving sufficient energy from the surroundings. In general, AIT is influenced by various experimental conditions such as concentration, vessel size, oxygen concentration, pressure, catalyst, ignition delay time, and so different values are presented for each document. In the meantime, AIT ''s research has rarely been studied for mixtures.
In this study, AIT was measured in five mixed compositions of benzene and cyclohexane mixtures using ASTM E659 (Koehler). Activation energy of benzene and cyclohexane was calculated according to Compositional change.
Using the measured AIT of Benzene and Cyclohexane, a model that predicts the minimum spontaneous temperature and activation energy for the compositional change was presented.
The minimum spontaneous ignition temperature of Benzene and Cyclohexane mixtures in Benzene (0.1) and Cyclohexane (0.9) was 263 ℃Benzene was 571 ℃, Cyclohexane was 253 ℃ and at the rate of 0.1 : 0.9, 263 ℃ at 0.3 : 0.7, 265℃ at 0.5 : 0.5, 387 ℃ at 0.7 : 0.3, 393 ℃ at 0.9 : 0.1, 435 ℃. The proposed experimental data and predictive models are presented as safety data for the handling of these materials.

#Autoignition Temperature ignition delay time #flammable mixture #Benzene and Cyclohexane system #process safety #ASTME659 #MSDS

감사의글
목 차 i
표 목 차 ⅳ
그림목차 ⅵ
국문요약 ⅷ
Ⅰ. 서 론 1
Ⅱ. 이론적 배경 4
2.1 자연발화 온도 4
2.1.1 인화와 발화 4
2.1.2 자연발화온도(AIT) 5
2.1.3 자연발화온도(AIT)에 영향을 주는 인자 5
2.1.4 자연발화온도의 적용 6
2.2 열발화 이론에 의한 자연발화온도와 발화지연시간의 관계 9
2.3 순수물질의 물리적 특성 및 연소 특성 11
2.3.1 Benzene 11
2.3.2 Cyclohexane 12
2.4 혼합물의 MSDS 13
Ⅲ. 혼합물의 발화온도와 발화지연시간의 예측모델 14
3.1 다중회귀분석 14
3.2 발화온도에 의한 발화지연시간의 예측 모델 19
3.3 혼합물의 조성변화에 의한 발화지연시간의 예측 모델 20
3.4 실험값과 예측값의 비교 방법 20
Ⅳ. 실 험 22
4.1 실험장치 22
4.2 실험재료 24
4.3 실험방법 25
Ⅴ. 결과 및 고찰 26
5.1 순수물질의 최소자연발화온도 고찰 26
5.1.1 Benzene의 자연발화온도와 발화지연시간의 측정 26
5.1.2 Cyclohexane의 자연발화온도와 발화지연시간의 측정 30
5.2 Benzene과 Cyclohexane 계의 자연발화온도 측정 34
5.2.1 Benzene(0.1)+Cyclohexane(0.9)계의 자연발화온도 측정 34
5.2.2 Benzene(0.3)+Cyclohexane(0.7)계의 자연발화온도 측정 38
5.2.3 Benzene(0.5)+Cyclohexane(0.5)계의 자연발화온도 측정 42
5.2.4 Benzene(0.7)+Cyclohexane(0.3)계의 자연발화온도 측정 46
5.2.5 Benzene(0.9)+Cyclohexane(0.1)계의 자연발화온도 측정 50
5.2.6 Benzene과 Cyclohexane의 조성변화에 의한 AIT 예측 54
5.2.7 Benzene과 Cyclohexane의 조성변화에 의한 활성화에너지 예측 58
Ⅶ. 결 론 61
※ 참고문헌 63
영문요약 65

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