114회 (2018년) 화공안전기술사 2교시 4번문제 복기

4. 석유화학의 기본물질인 파라핀계 탄화수소에 대하여 다음 물음에 답하시오.

 

1) 파라핀계 탄화수소(Alkane)의 일반식을 쓰고, 탄소수 1∼10번까지 명명하시오.

 

대학시절 유기화학 공부하때 열심히 외웠는데 말이죠..

 

알케인(←영어: alkane) 또는 알칸은 고리가 없는 사슬형 포화 탄화수소의 일반명이다. 알케인은 오직 수소와 탄소로만 구성되어 있으며, 분자 내의 모든 결합은 단일 결합으로, 이중 결합이나 삼중 결합은 존재하지 않는다.

알케인의 일반식은 C_nH_2n+2이다

 

곧은 직선으로 이어진 사슬형 알케인은 가지가 달린 이성질체가 존재할 경우 접두사 'n-'(노말-)을 사용하여 이름을 붙인다. 이는 필수 사항은 아니며 보통 접두사가 없을 경우 n-알케인으로 보기는 하지만 이성질체의 성질이 크게 차이가 나면 여전히 중요하게 쓰인다.^[9]

탄소 수에 따른 사슬형 알케인의 이름은 아래와 같다.

CH₄ : 메테인(methane)

C₂H₆ : 에테인(ethane)

C₃H₈ : 프로페인(propane)

C₄H₁₀ : 뷰테인(butane)

C₅H₁₂ : 펜테인(pentane)

C₆H₁₄ : 헥세인(hexane)

C₇H₁₆ : 헵테인(heptane)

C₈H₁₈ : 옥테인(octane)

C₉H₂₀ : 노네인(nonane)

C₁₀H₂₂ : 데케인(decane)

 

2) 폭발하한계(LFL, vol%)와 연소열(ΔHc, kcal/mole)사이의 관계를 설명하시오.

 

염화탄화수소의 화재 및 폭발 특성치 간의 상관관계 논문을 참조하시고

 

 일반적으로 화염에는 그 이하의 온도는 없다고 하는 최저온도가 있고, 그 값은 탄화수소화합물 등에서 약 1200℃가 된다. 이와 같은 단열화염온도(Adiabatic Flame Temperature)의 한계가 생기는 이유는 탄화수소의 폭발하한계와 연소열의 관계를 이용한 Burgess-Wheeler법칙으로 설명이 가능하다. 이 법칙은 즉 두 값(폭발하한계와 연소열)의 곱은 일정하고 폭발하한계의 단위를 Vol%, 연소열의 단위를 kcal/mol로 표시하면, 그 값은 약 1050이 된다고 고려하면 쉽게 이해할 수 있다.이 법칙은 폭발하한계에 있어서 발생하는 열량은 연료의 종류에 관계없이 동일하다.

 

따라서 그것에 관계되는 화염온도는 일정하고 동시에 최저가 되기때문이다. Burgess-Wheeler법칙에 의하면 연소열과 폭발한계의 관계는 ( Δ H c )×( LEL) = 1050로나타낸다.

본 연구에서도 염화탄화수소의 연소특성의 규칙 성을 살펴보기 위해 폭발하한계와 연소열의 관계를 고찰한 결과 다음과 같은 관계식을 얻었다.

( Δ H c )×( LEL) = 4663.37 (8)

식 (8)에서 연소열의 단위을 kJ/mol로 이용한 결과이나, 만일 연소열 단위를 kcal/mol을 사용할 경우 에는 다음과 같은 관계식을 같는다.

( Δ H c )×( LEL) = 1115 (9)

 

3) 폭발범위(LFL, UFL)와 이론혼합비(화학양론조성, Cst)사이의 관계를 설명하시오.

지금까지 탄화수소화합물에 대해 완전연소 시 양론계수와 폭발한계의 관계에 대해 많은 연구가 이루어 왔으며, Jones는 탄화수소화합물에 대해 연료몰수와 완전연소에 필요한 공기몰수를 이용하여 화학양론적계수( C st)를 계산한 후 이를 사용하여 폭발하한계와 상한계를 추산하는 식을 제시하였다.

 

LEL = 0.55C st (10)

UEL = 3.50C st (11)

 

위의 양론조성식도 좋으나 개인적으로는 아래의 식을 사용하기도 합니다.

 

 

                                 

* 연소열과 탄소수

노말 염화탄화수소화합물의 화재 및 폭발 특성치 간의 상관 관계를 고찰하기 위해 위해 우선 탄소수 증가에 의한 연소열의 관계를 살펴보았다. 앞서 제시한 수학적 및 통계적 방법론에 의해 다음과 같은 최적화된 예측식을 얻었다.

ΔH c = 57.044+611.828n (6)

.

 

* 폭발하한계와 탄소수

1/L= 0.00553+0.14247n (7)

식 (7)에 의해 추산된 폭발하한계 값을 문헌값과 비교한 결과 AAPE는 4.63, AAD는 0.156, 표준편차는 0.028 그리고 결정계수는 0.99로서 예측값은 문헌값과 거의 일치함을 보여주고 있다. 따라서 문헌에 제시되어 있지 않은 다른 염화탄화수소의 폭발하한계 예측이 어느 정도 가능해 졌다.