引火性 液體의 種類에 따른 靜電氣 帶電과 安全性 評價에 關한 硏究 = A Study on Electrostatic Electrification and Safety Assessment by Flammable Liquid Type

국문 초록 (Abstract)

제 목 : 引火性 液體의 種類에 따른 靜電氣 帶電과 安全性 評價에 關한 硏究 본 연구는 실제 가동 중인 인화성 액체 취급 화학 공정（소분·분주, 혼 합·교반, 수작업 세척, 코팅·도포）을 대상으로 대기 온도 및 상대습도에 따른 정전기 대전 전위를 현장에서 실측하고, 이를 정량적 방전 에너지（W）로 환산하여 화재·폭발 위험성을 평가하였다. 단순한 표면 전위 중심의 관리 관행에서 벗어나 계측된 표면 전위 데이터와 대전체의 고유 유전 물성, 정전 용량（C）을 결합하여 분석한 결과는 다음과 같다. 첫째, 화학 공정 내 인화성 액체의 대전 전위는 시료의 화학적 물성과 대기 온·습도의 상호작용에 의해 지배됨을 확인하였다. 본 연구의 대상 시료인 톨루엔, 메틸에틸케톤（MEK）, 아세트산 에틸 중 특히 톨루엔이 대기 온·습도 저하에 가장 취약한 대전 거동을 보였다. 톨루엔은 비극성 탄화수소화합물로서 전기전도도가 10-14S/m 이하로 낮고 유전율（2.38）이 작아, 건조 조건（40~45%RH）에서 표면에 수분을 흡착하지 못하고 분리된 전하가 내부 체적에 축적되어 이완 시간이 급증하는 것으로 나타났다. 둘째, 공정별 최대 대전 전위와 정전용량을 결합하여 산출한 방전 에너지를 톨루엔 증기의 최소점화에너지（MIE 0.24mJ）와 대조한 결과, 대전체의 물성 （도체 대 부도체）에 따라 위험도 등급이 극명하게 분화되었다. 작업자가 유기용제로 직접 부품을 닦는 수작업 세척 공정은 도체인 인체의 정전용량 （200pF）이 참여함에 따라 스파크 방전（Spark discharge）이 발생하여 최대 방전 에너지 0.32mJ을 기록하였으며, 4대 핵심 공정 중 유일하게 MIE를 초과하는 절대 위험 구역（Red zone）으로 확인되었다. 200L 금속 드럼 （300pF）을 사용하는 소분 공정은 0.23mJ, 절연성 필름（100pF）을 사용하는 코팅 공정은 0.21mJ로 각각 임계치에 육박하는 경고 단계（Warning Zone）로 판정되었고, 대형 교반 공정（700pF）은 완벽한 1종 접지망의 패러데이 새장 （Faraday Cage） 효과로 0.00mJ의 안전 등급（Green zone）을 나타냈다. 셋째, 실측 전위와 방전 에너지 데이터를 통합 분석한 결과 두 가지 역전 현상（Paradox）을 확인하였다. 먼저 코팅 공정은 2.05kV로 실측 전압이 가장 높았으나 부도체의 브러시 방전（Brush discharge） 특성으로 에너지가 0.21mJ로 제한된 반면, 세척 공정은 1.78kV의 상대적으로 낮은 전압에서도 도체의 스파크 방전으로 0.32mJ을 기록하여 대전체 물성에 따른 방전 메커니즘 차이가 위험성을 결정짓는 핵심 요인임을 확인하였다. 또한 가장 위험할 것으로 예측된 대형 교반 공정은 안전 등급을 나타낸 반면, 설비 규모가 작은 수작업 세척 공정이 실질적 최대 위험 공정으로 확인되어 위험도가 설비의 규모나 기계적 마찰 강도에 비례하지 않음을 보여주었다. 본 연구의 실측 데이터와 분석 결과는 향후 인화성 액체 취급 화학 공정의 위험성 평가 시, 단순 전압 측정에서 벗어나 대전체 물성과 환경 변수를 융합한 정량적 공정안전관리（PSM） 지표 수립을 위한 기초 자료로 활용될 수 있다. 주요어 : 정전기, 인화성 액체, 톨루엔, 최소점화에너지, 방전에너지

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 연구의 목적 2
• Ⅱ. 관계이론 4
• 2.1 국내외 정전기 방호 규격 4
• 2.1.1 국내 정전기 안전관리 규격 4
• 2.1.2 국제 정전기 안전관리 규격 5
• 2.1.3 화학공정의 본질적 안전 설계 이론 5
• 2.1.4 기존 연구의 한계점 및 본 연구의 차별성 6
• 2.2 정전기 대전 현상의 물리학적 메커니즘· 7
• 2.2.1 고체-액체 계면의 전기이중충 이론 7
• 2.2.2 주요 공정별 4대 대전 매커니즘 9
• 2.2.2.1 유동대전 9
• 2.2.2.2 분출대전 10
• 2.2.2.3 교반대전 11
• 2.2.2.4 마찰 및 박리대전 12
• 2.2.3 전기의 하전 및 완화 프로세스 이론 13
• 2.3 정전기 방전 및 점화 이론 13
• 2.3.1 정전기 점화원의 성립 조건 14
• 2.3.2 정전기 방전에너지 산출 이론 14
• 2.3.3 정전기 방전의 형태와 위험성 16
• 2.4 인화성 액체의 화재 특성 및 환경 변수 16
• 2.4.1 최소점화에너지 17
• 2.4.2 도전율과 완화 시간 17
• 2.4.3 환경 요인(상대습도)과의 상관관계 18
• 2.5 연소 및 폭발 메커니즘의 기초 이론 19
• 2.5.1 연소의 3요소 19
• 2.5.2 폭발의 5요소 20
• 2.6 폭발위험장소의 설정 및 안전공학적 관리 20
• 2.6.1 폭발위험장소의 정의 및 구분 체계 20
• 2.6.2 구역별 점화원 통제 원칙 22
• 2.7 인화성 액체의 주요 화재 특성 지표 22
• 2.7.1 인화점과 발화점 22
• 2.7.2 폭발 상한계와 하한계 23
• 2.8 위험성평가 기법 24
• 2.8.1 정성적 위험성평가의 특성 및 한계 24
• 2.8.2 정량적 위험성평가의 공학적 접근 25
• 2.8.3 정성적,정량적 평가의 상호보완적 통합 및 안전율
• 적용 25
• Ⅲ. 실험의 시료 및 방법 27
• 3.1 시료 27
• 3.1.1 톨루엔 28
• 3.1.2 아세트산 에틸 29
• 3.1.3 메틸에틸케톤 30
• 3.2 시료 대전과 안전성평가 30
• 3.2.1 톨루엔 31
• 3.2.2 메틸에틸케톤 32
• 3.2.3 아세트산 에틸 32
• 3.3 대상공정 34
• 3.3.1 소분 및 분주 공정 34
• 3.3.2 혼합 및 교반 공정 35
• 3.3.3 세척 공정 36
• 3.3.4 코팅 및 도포 공정 36
• 3.4 측정 회로 37
• 3.5 측정 방법 40
• 3.6 측정 장비 44
• 3.6.1 정전기전위측정기 44
• 3.6.2 디지털 온·습도계 47
• Ⅳ. 결과 및 검토 50
• 4.1 정전기 측정 대전· 50
• 4.2 단위 공정별 대전 전위 결과 및 검토· 51
• 4.2.1 소분 및 분주 공정 51
• 4.2.2 혼합 및 교반 공정 54
• 4.2.3 세척 공정 56
• 4.2.4 코팅 및 도포 공정 58
• 4.3 방전에너지 산출 및 폭발 안전성 평가 60
• 4.3.1 소분 및 분주 공정 61
• 4.3.2 혼합 및 교반 공정 61
• 4.3.3 세척 공정 62
• 4.3.4 코팅 및 도포 공정 62
• 4.4 안전성 평가 결과 및 검토 64
• Ⅴ. 결론 67
• 참고문헌 69
• Absreact 72
• 감사의 글 75