● 연소범위[Range of Flammability]
- 연소가 일어나는데 필요한 가연성가스나 증기의 농도범위
- 자력으로 화염을 전파하는 공간
그림은 프로판($C_3H_8$)의 연소범위를 나타낸 것이다. 공기 중에서 프로판의 농도가 2.1~9.5% 사이에 있어야 연소가 가능하다는 뜻이다. 연소범위를 벗어난 농도라면 연소가 불가능하다.
여기서 2.1%를 연소 하한계(lower flammability limit, LFL),
9.5%를 연소 상한계(upper flammability limit, UFL)
연소하한계 - 물질이 연소할 수 있는 최소농도
연소상한계 - 물질이 연소할 수 있는 최대농도
1. 연소상한계와 하한계
(1) 연소하한계(LFL) = 가연물의 최저용량비
① 공기중에서 가장 낮은 농도에서 연소할 수 있는 부피
② 지연성가스는 多 가연성가스는 小 그 이하에서는 연소할 수 없는 한계치
③ 연소하한계가 낮을수록 위험성이 크다.
④ 물질의 인화점에 해당한다.
(2) 연소상한계(UFL) = 가연물의 최대용량비
① 공기중에서 가장 높은 농도에서 연소할 수 있는 부피
② 지연성가스는 小 가연성가스는 多 그 이상에서는 연소할 수 없는 한계치
③ 연소상한계가 높을수록 위험성이 크다.
2. 연소범위 특징
(1) 연소범위
- 가연성 혼합기에 점화했을 때 화염이 지속되는 범위
- 가연성 가스와 공기 혼합비율의 범위
(2) 위험성
- 연소범위가 넓을수록 위험성이 크다.
- 연소상한계가 높을수록 위험하다.
- 연소하한계가 낮을수록 위험하다.
- 위험도가 클수록 위험하다.
- 가연성가스가 화재를 일으킬 수 있는 위험성의 기준으로 상하 한계 차이가 클수록 위험성이 커진다.
- 온도가 높을수록 위험하다.
- 압력이 클수록 위험하다.
- 연소속도, 연소열, 증기압이 클수록 위험하다.
- 인화점, 발화점, 융점, 비점이 낮을수록 위험하다.
- 증발열, 비열, 표면장력, 비중이 작을수록 위험하다.
(3) 영향을 미치는 인자
- 압력이 증가하면 하한값은 거의 변하지 않으나 상한값은 높아진다.
- 압력이 증가할수록 분자 간의 거리가 가까워져 유효충돌횟수가 증가되어 연소범위는 넓어진다.
※ 기체는 압력이 높으면 항상 연소범위가 넓어지는 것은 아니다.
※ 일산화탄소는 압력이 증가할수록 연소범위가 좁아진다.
- 산소의 농도가 증가할수록 연소범위가 넓어진다.
- 산소의 농도에 의해 연소범위가 달라질 수 있으나 하한계의 변화는 크지 앟고 상한계는 크게 높아진다.
- 온도가 상승하면 분자의 운동이 활발해져 유효충돌횟수가 증가되어 연소범위가 넓어진다.
- 난류 형성은 부자간 유효충돌횟수를 증가시켜 연소범위가 넓어진다.
- 불활성가스의 함유량이 많을수록 연소범위는 좁아진다.
- 하한계보다 상한계의 영향을 크게 받는다.
- 폭발은 온도, 압력, 조성의 관계없이 일어나고 발화온도는 압력에 영향을 준다.
- 가연성 휘발 성분이 첨가되면 연소범위는 넓어지고 위험하다.
3. 연소범위
| 종류 | 분자식 | 하한계(%) | 상한계(%) |
| 아세틸렌 | $C_2H_2$ | 2.5 | 81 |
| 수소 | $H_2$ | 4 | 75 |
| 일산화탄소 | $CO$ | 12.5 | 74 |
| 메테인(메탄) | $CH_4$ | 5 | 15 |
| 암모니아 | $NH_3$ | 15 | 28 |
| 에테인(에탄) | $C_2H_6$ | 3 | 12.5 |
| 프로페인(프로판) | $C_3H_8$ | 2.1 | 9.5 |
| 뷰테인(부탄) | $C_4H_{10}$ | 1.8 | 8.4 |
| 황화수소 | $H_2S$ | 4.3 | 45 |
| 디에틸에테르 | $C_2H_5OC_2H_5$ | 1.9 | 48 |
| 산화프로필렌 | $CH_3CHCH_2O$ | 2.5 | 38.5 |
| 이소프로필아민 | $(CH_3)_2CHNH_2$ | 2 | 10.4 |
| 펜타보란 | $B_5H_9$ | 0.4 | 98 |
| 산화에틸렌 | $C_2H_4O$ | 3 | 80 |
| n-헥산(노말헥산) | $C_6H_14$ | 1.2 | 7.4 |
| 아세톤 | $CH_3COCH_3$ | 2.5 | 12.8 |
| 벤젠 | $C_6H_6$ | 1.4 | 7.1 |
| 톨루엔 | $C_6H_5CH_3$ | 1.4 | 6.7 |
| 메틸에틸케톤 | $CH_3COC_2H_5$ | 1.8 | 10 |
| 피리딘 | $C_5H_5N$ | 1.8 | 12.4 |
| 에탄올(에틸알코올) | $C_2H_5OH$ | 4.3 | 19 |
| 메탄올(메틸알코올) | $CH_3OH$ | 7.3 | 36 |
- 아세틸렌의 연소범위가 가장 넓다.
- 이황화탄소의 위험도가 가장 크다.
4. 위험도
- 가연성 가스의 위험한 정도를 나타내는 척도
- 위험도: 상한계 - 하한계 / 하한계
※ 문제에서 상한계, 하한계를 모두 제시해주기 때문에 계산만 하면 된다
5. 최소산소농도 (MOC)
- 산소 몰수 × 연소하한계
6. 공기 중 산소농도 증가 시 연소현상
① 연소속도가 빨라진다.
② 화염의 온도가 높아진다.
③ 발화온도(발화점)는 낮아진다.
④ 폭발한계는 넓어진다.
⑤ 점화에너지는 작아진다.
⑥ 화염의 길이는 길어진다
기출문제
Q 프로판이 1m3에서 완전연소하기 위해 필요한 최소산소농도는 몇%인가?
【해설】 정답 : 10.5%
C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O
산소 몰수×연소하한계 = 5 x 2.1% = 10.5%
Q 가연성 가스를 공기 중에서 연소시키고자 할 때 공기 중의 산소농도가 증가하면 발생되는 현상으로 맞는 것만을 모두 고른 것은?
| ㄱ. 연소속도가 빨라진다. ㄴ. 발화점이 높아진다. ㄷ. 화염의 온도가 높아진다. ㄹ. 폭발범위가 좁아진다. ㅁ. 점화에너지가 작아진다. |
① ㄱ, ㄴ, ㄹ
② ㄱ, ㄷ, ㄹ
③ ㄱ, ㄷ, ㅁ
④ ㄴ, ㄷ, ㅁ
【해설】 정답 ③
지문에서 공기 중의 산소농도가 증가하면 ㄱ. 연소속도가 빨라진다. ㄷ. 화염의 온도가 높아진다. ㅁ. 점화에너지가 작아진다.는 맞는 내용
공기 중의 산소농도가 증가하면
ㄴ. 발화점이 높아진다,가 아니라 발화점이 낮아진다.
ㄷ. 폭발범위가 좁아진다.가 아니라 폭발범위가 넓어진다.
Q 가연성 가스를 공기 중에서 연소시키고자 할때 공기 중의 산소농도가 증가하면 발생되는 현상으로 맞는 것만을 모두 고른 것은?
ㄱ. 연소속도가 빨라진다
ㄴ. 발화점이 높아진다
ㄷ. 화염의 온도가 높아진다
ㄹ. 폭발범위가 좁아진다
ㅁ. 점화에너지가 작아진다
【해설】 정답 ㄱ, ㄷ, ㅁ
Q 공기 중 가연물에 대한 연소범위가 넓은 순서로 옿게 되어 있는 것은?
① 아세틸렌 > 수소 > 이황화탄소 > 에틸렌
② 아세틸렌 > 이황화탄소 > 수소 > 에틸렌
③ 아세틸렌 > 이황화탄소 > 에틸렌 > 수소
④ 아세틸렌 > 에틸렌> 이황화탄소 > 수소
【해설】 정답 ①
잡스9급 PDF 교재
✽ 책 구매 없이 PDF 제공 가능
✽ adipoman@gmail.com 문의
✽ 유튜브 강의