혼합물
정의
하이브리드 혼합물은 가연성 분진과 가연성 가스, 증기 또는 미스트를 동시에 포함하는 폭발성 대기입니다. 따라서 이 용어는 각각 고유한 구역, 장비 범주 및 특성 값이 적용되는 두 가지 전통적인 폭발 방지 분야, 즉 가스 폭발과 분진 폭발 사이의 경계 사례를 설명합니다.
안전 기술적 관점에서 하이브리드 혼합물은 그 구성 성분의 단순한 합이 아니라 독립적으로 평가되어야 합니다. 핵심은 다음과 같습니다. 하이브리드 혼합물은 분진 함량이나 가스 함량 중 어느 하나도 단독으로는 해당 하한 폭발 한계에 도달하지 않더라도 점화 가능할 수 있습니다.
폭발 특성 값에 미치는 영향
극히 적은 양의 가연성 가스나 증기만으로도 분진-공기 혼합물의 거동은 크게 달라집니다:
- 최소 점화 에너지(MZE)가 현저히 감소합니다. 순수한 분진에는 위험하지 않은 점화원(예: 약한 정전기 방전)만으로도 충분할 수 있습니다. 이것이 실질적으로 가장 중요한 변화입니다.
- 압력 상승 속도가 증가합니다. 혼합물의 Kst 값은 순수 분진의 Kst 값보다 높으며, 보호 시스템이 대응할 수 있는 반응 시간이 단축됩니다.
- 최대 폭발 과압 pmax가 증가합니다. 용기 설계 시 고려해야 할 하중이 증가합니다.
- 폭발 한계가 이동합니다. 혼합물의 하한 폭발 한계는 분진과 가스의 개별 한계보다 낮습니다.
- 최소 점화 온도는 낮아질 수 있습니다. 이에 따라 허용 표면 온도 및 온도 등급 기준이 더욱 엄격해집니다.
이러한 효과는 비선형적이며, 개별 특성값만으로는 계산할 수 없습니다. 실제 혼합물을 실무에 가까운 조건에서 시험해야만 신뢰할 수 있는 값을 얻을 수 있습니다.
혼합 공정에서 하이브리드 혼합물이 생성되는 경우
분말 가공 분야에서는 하이브리드 혼합물이 언뜻 보이는 것보다 더 자주 발생합니다. 전형적인 사례는 다음과 같습니다:
- 분말에 액체 첨가: 진행 중인 혼합 공정에 오일, 향료, 올레오레진, 알코올 또는 알코올 함유 용액을 분사하거나 주입하는 것
- 과립화 및 인스턴트화: 용매 함유 결합제를 사용하여 응집체를 형성하는 것
- 코팅 및 표면 처리: 용액이나 현탁액을 입자 표면에 도포하는 과정
- 진공 혼합 건조 및 합성: 분진이 많은 장치 내에서 유기 용매를 증발시키는 과정
- 원료 내 잔류 용매: 상류 공정에서 유래한 분말로, 여전히 휘발성 성분을 포함하고 있으며 이를 혼합실로 방출하는 경우
- 기체 방출 제품: 온도 상승 또는 기계적 응력을 받을 때 가연성 분해 생성물을 방출하는 물질
특히 마지막 경우에 유의해야 한다: 설계상 순수한 분진 형태인 공정이라도 잔류 수분, 잔류 용매 또는 분해로 인해 의도치 않게 하이브리드 공정이 될 수 있다.
구역 분류 및 장비 선정에 미치는 영향
하이브리드 혼합물이 존재하는 경우, 분진만을 기준으로 한 구역 분류는 더 이상 적용되지 않습니다. 두 가지 대기 환경을 모두 평가해야 합니다:
- 해당 구역은 가스 구역 0, 1, 2뿐만 아니라 분진 구역 20, 21, 22에 대해서도 분류되어야 합니다.
- 장비 및 보호 시스템은 장비 범주와 장비 보호 수준은 물론, 점화 방지 유형 및 온도 등급에 있어서도 두 가지 평가 기준 중 더 엄격한 요구 사항을 충족해야 합니다.
- 표시는 두 대기 환경, 즉 장비 그룹 G와 D 모두에 대한 적합성을 명시해야 합니다.
개별 보호 조치의 효과도 달라집니다. 분진을 위해 고안된 조치(예: 분진 침적에 대한 경계층 분석)는 가스에 대해서는 효과가 없으며, 반대로 가스를 위한 환기 개념은 분진 환경에서는 효과가 제한적입니다.
장치의 설계상 고려 사항
- 압력 충격에 견디는 구조: 설계 압력은 혼합 가스의 특성치를 바탕으로 결정해야 합니다. 순수 분진만을 기준으로 설계된 장비는 용량이 부족할 수 있습니다.
- 압력 방출: 압력이 더 빠르게 상승하기 때문에 필요한 방출 면적이 더 커집니다. 용제 증기의 경우, 외부로 방출하는 것이 종종 허용되지 않으므로, 이 경우 무화염 시스템을 검토해야 합니다.
- 불활성화: 하이브리드 혼합물의 경우, 산소 농도를 낮추는 것이 두 대기 상태를 동시에 처리할 수 있으므로 가장 경제적이고 안전한 해결책인 경우가 많습니다. 이를 위해서는 제어된 가스 공급과 산소 모니터링이 필수적입니다.
- 폭발 분리: 화염 속도가 더 빠르기 때문에 상류 및 하류 설비 부분과의 분리 조치가 특히 중요합니다.
- 점화원 방지 강화: 최소 점화 에너지가 낮기 때문에, 전체적인 접지, 전위 균등화, 기계적 스파크 방지 및 표면 온도 제한이 더욱 중요해집니다.
기밀성 및 가스 유도: 증기가 주변 환경으로 누출되어 추가적인 가스 구역을 형성하지 않도록 장치는 기밀 구조로 설계되어야 합니다.
지침 및 표준
하이브리드 혼합물에 대한 평가는 다른 폭발 방지 분야와 동일한 지침, 특히 장비 및 보호 시스템에 관한 지침 2014/34/EU와 운영자의 의무에 관한 지침 1999/92/EG의 틀 내에서 이루어집니다. 방법론적 기초는 폭발 방지 기본 원칙 및 방법론에 관한 EN 1127-1과 분진 화재 및 분진 폭발에 관한 VDI 2263 등이 제공합니다. 하이브리드 혼합물은 폭발 방지 문서에서 명시적으로 그 명칭을 기재하고 평가해야 합니다.
실무 지침
- 공정을 완전히 파악하기: 혼합기로 공급되거나 그 안에서 발생할 수 있는 모든 물질은 고려 대상에 포함되어야 합니다. 여기에는 세정제, 잔류 용매 및 분해 생성물도 포함됩니다.
- 혼합물의 특성 값 산출하기: 순수 분진에 대한 문헌 값은 하이브리드 혼합물의 경우 신뢰할 수 없습니다. 인증된 실험실에서 실제 혼합물을 시험해야 합니다.
- 조기에 확정하기: 공정이 하이브리드인지 여부는 구조 방식, 설계 압력 및 보호 개념을 결정합니다. 사후 변경은 설계 단계에서 이를 고려하는 것보다 훨씬 더 많은 비용이 듭니다.
- 조성 변경 검토: 결합제나 향료 운반체의 변경은 기존에 순수 분진 형태였던 공정을 하이브리드 공정으로 전환시킬 수 있습니다.