09년 4회차

가스의 폭발범위에 영향을 주는 인자와 가장 거리가 먼 것은 비열이다.

폭발범위는 혼합가스의 조성, 주변 온도와 압력에 따라 넓어지거나 좁아지지만, 물질의 비열 자체는 폭발범위를 결정짓는 직접적인 인자로 다루지 않는다.

액화석유가스 지상 저장탱크는 저장능력이 1,000톤 이상일 때 방류둑을 설치해야 한다.

방류둑은 탱크 파손이나 누출 시 액체가 주변으로 퍼지는 것을 막기 위한 설비로, 가연성 액화가스인 LPG는 이 기준 이상의 저장능력을 갖춘 탱크에 의무적으로 적용된다.

온도가 상승한 뒤의 압력은 약 16.3MPa이다.

일정 부피의 용기에서는 압력과 절대온도가 비례하는 게이뤼삭의 법칙이 적용된다.

$T_1=15+273=288\ \mathrm{K},\ T_2=40+273=313\ \mathrm{K}$
$P_2=P_1\times\dfrac{T_2}{T_1}=15\times\dfrac{313}{288}\approx16.3\ \mathrm{MPa}$

가연성가스와 산소를 같은 차량에 실을 때는 충전용기의 밸브가 서로 마주보지 않도록 적재해야 하므로, 마주보도록 적재한다는 설명은 틀렸다.

밸브끼리 마주보게 실으면 운반 중 충격이 가해졌을 때 밸브가 서로 부딪혀 파손·누출로 이어질 위험이 커지기 때문이다.

• 염소와 아세틸렌·암모니아·수소는 동일 차량에 함께 싣지 않는다.
• 충전용기와 소방기본법상 위험물은 동일 차량에 함께 싣지 않는다.
• 독성가스를 운반할 때는 방독면·고무장갑·고무장화 등 보호구를 갖춘다.

고압가스안전관리법상 충전용기란 충전질량 또는 충전압력의 2분의 1 이상이 충전되어 있는 상태의 용기를 말한다.

이 기준에 못 미쳐 절반 미만만 남은 용기는 잔가스용기로 구분한다.

액화석유가스 안전관리책임자가 해임되거나 퇴직한 경우, 원칙적으로 그 날부터 30일 이내에 다른 안전관리자를 선임해야 한다.

일정 기간 내에 후임자를 선임하도록 정해 안전관리 공백이 생기지 않도록 하기 위한 규정이다.

배관재료는 토양·지하수 등에 대해 강한 내식성을 가져야 하는데, 반대로 강한 부식성을 갖는 것으로 한다고 서술했으므로 이 설명이 틀렸다.

배관은 이 밖에도 가스 흐름이 원활하고, 내부 가스압력과 외부 하중·충격에 견디는 강도를 가지며, 절단·가공이 쉬운 재료로 선정해야 한다.

내용적 1천ℓ 이상인 초저온가스용 용기는 단열성능 시험 결과가 0.002kcal/h·℃·ℓ 이하일 때 합격으로 판정한다.

이 값이 작을수록 용기 내부로 침입하는 열량이 적다는 뜻으로, 초저온 액화가스를 오래 안정적으로 보관할 수 있음을 의미한다.

고압가스안전관리법 시행규칙에서 처리능력이란 처리설비 또는 감압설비가 1일에 처리할 수 있는 가스의 양을 말한다.

하루 단위로 처리 가능한 최대 가스량을 기준으로 설비의 규모나 인허가 대상 여부를 판단한다.

시안화수소는 분해에 의한 폭발이 아니라 중합폭발을 일으키는 가스이다.

아세틸렌, 히드라진, 산화에틸렌은 모두 분자 자체가 분해되면서 발열·폭발하는 분해폭발성 가스인 반면, 시안화수소는 수분 등 불안정화 요인이 있을 때 분자들이 사슬처럼 결합하는 중합 반응으로 폭발한다.

액화석유가스 저장설비 주위에는 높이 1.5m 이상의 경계책을 설치해야 한다.

경계책은 외부인의 무단 접근을 막아 저장설비의 안전을 지키기 위한 시설이다.

산소 중 프로판의 용량이 3% 함유된 경우는 압축을 금지하는 경우에 해당하지 않는다.

일반 가연성가스가 산소에 섞인 경우에는 그 용량이 4% 이상일 때 압축이 금지되므로, 3%는 이 기준에 못 미쳐 압축이 가능하다.

• 수소가 섞인 경우는 반응성이 커 산소 용량 2% 이상만 되어도 압축이 금지된다.
• 산소 중 에틸렌이 섞인 경우도 같은 이유로 2% 이상이면 압축이 금지된다.
• 아세틸렌 중 산소가 2% 이상 섞인 경우에도 압축이 금지된다.

도시가스용 압력조정기는 고압가스안전관리법상 특정설비에 해당하지 않는다.

안전밸브·기화장치·독성가스배관용밸브는 모두 법에서 정한 특정설비 목록에 포함되지만, 압력조정기는 별도로 관리되는 가스용품으로 분류된다.

도시가스의 유해성분 측정 대상은 황화수소이다.

도시가스 유해성분 검사는 황전량·황화수소·암모니아를 기준으로 이루어지며, 일산화탄소·시안화수소·염소는 이 유해성분 측정 항목에 포함되지 않는다.

화염전파속도가 음속보다 커서 충격파가 발생하는 폭굉(데토네이션) 상태의 연소속도는 1,000~3,500m/s에 이른다.

이는 정상적인 연소속도(0.03~10m/s 수준)보다 훨씬 빠른 값으로, 배관이나 밀폐공간에서 파괴적인 압력파를 동반한다.

후부취출식 탱크는 탱크 주밸브 및 긴급차단장치에 속하는 밸브와 차량의 뒷범퍼가 수평거리 40cm 이상 떨어져 있어야 한다.

이는 후방 추돌 등 충격이 가해졌을 때 밸브류가 직접 손상되는 것을 막기 위한 이격 기준이다.

참고로 후부취출식이 아닌 탱크는 30cm 이상, 조작상자는 20cm 이상이 기준이 되어 후부취출식이 가장 넓은 이격거리를 요구한다.

산소 또는 천연메탄을 수송하는 배관과 여기에 접속하는 압축기 사이에는 수취기를 반드시 설치해야 한다.

수취기는 배관 내부에 고인 응축수(드레인)를 모아 빼내는 장치로, 압축기 쪽으로 수분이 딸려 들어가는 것을 막아 준다.

수분이 압축기에 유입되면 부식이나 저온부에서의 동결로 고장·사고를 일으킬 수 있어, 압축 전 단계에서 제거하는 것이 중요한 안전조치가 된다.

같은 저장실에 혼합저장이 가능한 조합은 수소와 질소이다.

질소는 불연성·불활성 가스로 가연성인 수소와 반응하지 않아 함께 보관해도 위험이 없다.

• 수소와 염소는 혼합 시 격렬히 반응해 폭발 위험이 있다.
• 수소와 산소는 가연성-조연성 조합으로 혼합저장이 금지된다.
• 아세틸렌과 산소도 가연성-조연성 조합으로 혼합저장이 금지된다.

LPG 용기보관소 경계표지에서 “연”자의 표시 색상은 적색이다.

“연”은 가연성·인화성을 경고하는 문자로, 눈에 잘 띄도록 적색으로 표기하도록 정해져 있다.

내부반응 감시장치를 설치해야 하는 특수반응설비는 법령에 열거된 설비에 한정된다.

• 암모니아 2차 개질로
• 수소화 분해반응기(중유 직접 수첨탈황 반응기 포함)
• 싸이크로헥산 제조시설의 벤젠 수첨 반응기
• 그 밖에 저밀도 폴리에틸렌 중합기, 메탄올 합성 반응탑, 에틸렌 제조시설의 아세틸렌 수첨탑

즉 목록에 올라 있는 것은 에틸렌 제조시설의 “아세틸렌 수첨탑”이며, “산화에틸렌 제조시설의 아세틸렌 중합기”라는 설비는 목록에 없다.

허용농도 1ppb는 10억분의 1을 의미하며 $\dfrac{1}{10^{9}}$에 해당한다.

참고로 %는 $10^{-2}$, ppm은 $10^{-6}$, ppb는 $10^{-9}$ 단위이다.

노출된 도시가스 배관의 길이가 15m를 넘으면 점검자가 통행할 수 있는 점검통로와 조명시설을 설치해야 한다.

점검통로는 폭 80cm 이상으로 하고, 조명은 조도 70lux 이상을 확보해 야간에도 점검이 가능하도록 한다.

참고로 노출배관 길이가 20m를 넘는 경우에는 20m마다 가스누출경보기를 설치하도록 하고 있어, 15m(점검통로)와 20m(누출경보기) 기준을 구분해 기억해야 한다.

가스 정의 중 독성가스의 허용농도 기준이 잘못 서술된 것이 정답이다.

현행 법령상 독성가스의 허용농도는 LC50 기준 100만분의 5,000 이하이며, 이 문항이 출제될 당시의 기준은 TLV-TWA 100만분의 200 이하였다. 어느 기준으로 보아도 “100만분의 3,000 이하”라는 서술은 성립하지 않는다.

• 압축가스의 정의(일정 압력으로 압축된 가스)는 올바른 서술이다.
• 액화가스의 정의(비점 40℃ 이하 또는 상용온도 이하에서 액체상태)도 올바른 서술이다.
• 가연성가스의 정의(폭발하한 10% 이하 또는 상하한 차 20% 이상)도 올바른 서술이다.

독성이 강한 순서는 포스겐 → 염소 → 황화수소 → 일산화탄소다.

독성의 세기는 허용농도(TLV-TWA)로 비교하며, 허용농도가 작을수록 독성이 강하다. 포스겐(COCl₂) 0.1 ppm, 염소(Cl₂) 1 ppm, 황화수소(H₂S) 10 ppm, 일산화탄소(CO) 50 ppm이다.

따라서 허용농도가 가장 낮은 포스겐이 가장 독성이 강하고, 가장 높은 일산화탄소가 가장 약하다. 염소와 황화수소가 그 사이에 순서대로 놓인다.

정압기실 경계책 설치의 예외로 인정되지 않는 경우는 매몰형 정압기이다.

철근콘크리트로 지상에 설치된 정압기실, 도로 지하 등 통행에 영향을 주어 경계책 설치가 부득이한 경우, 건축물 내부라 설치 공간이 없는 경우는 경계책을 설치한 것으로 보는 예외 사유로 열거되어 있다.

반면 매몰형 정압기는 이 열거된 예외 사유에 해당하지 않는다.

지연성(조연성)가스는 그 자체로는 연소하지 않지만 다른 물질의 연소를 조장하는 가스를 말한다. 네온은 불활성 기체로서 어떤 물질의 연소도 조장하지 않으므로 지연성가스가 아니다. 염소, 이산화질소, 오존은 모두 산화력이 강한 산화제로서 물질의 연소를 촉진시키는 특성을 가지고 있어 지연성가스에 해당한다.

내압시험압력과 기밀시험압력의 기준이 되는 압력은 상용압력이다.

상용압력이란 사용 상태에서 해당 설비 각 부에 실제로 작용하는 최고사용압력을 말한다.

보기 중 공기 중 폭발범위가 가장 넓은 가스는 산화에틸렌이다.

산화에틸렌은 약 3~80%라는 매우 넓은 폭발범위를 가져, 황화수소(약 4.3~45%)나 암모니아(약 15~28%), 프로판(약 2.1~9.5%)보다 위험도가 훨씬 높다.

내압방폭구조의 표시기호는 d이다.

내압방폭구조는 용기 내부에서 폭발이 일어나도 그 압력에 견디고 화염이 외부로 전파되지 않도록 만든 구조를 말한다.

참고로 유입방폭구조는 o, 압력방폭구조는 p, 안전증방폭구조는 e로 표시한다.

고정식 압축 천연가스 자동차 충전 시설의 안전기준에서 저장설비, 처리설비, 압축가스설비 및 충전설비는 인화성물질 또는 가연성물질 저장소로부터 8m 이상의 거리를 유지하여야 한다. 이는 천연가스의 고압·고온 특성과 인화성 물질 간의 안전 거리를 확보하여 화재·폭발 사고를 방지하기 위한 기준이다.

관 도중에 조리개(교축기구)를 넣어 전후 차압으로 유량을 구하는 계측기기는 오리피스 유량계이다.

오벌식·터빈 유량계는 회전체를 이용하는 용적식·속도식 계측기이고, 막식 유량계는 격막의 용적변화를 세는 방식이라 조리개 차압 원리와는 다르다.

피토관은 유체의 동압을 측정하여 유속을 구하는 장치로, 측정된 수주 높이 h에서 유속은 $v = \sqrt{2gh}$ 공식으로 구한다. 주어진 값을 대입하면 $v = \sqrt{2 \times 10 \times 10} = \sqrt{200} = 10\sqrt{2} \approx 14.14 \text{ m/s}$이므로 약 14 m/s이다.

오르자트 가스분석기에서 수산화칼륨(KOH) 용액 흡수피펫은 이산화탄소(CO₂)를 흡수·측정하기 위한 것이다.

오르자트법은 성분별로 서로 다른 흡수액을 순서대로 통과시켜 부피 감소량으로 각 성분을 정량하는데, KOH는 산성가스인 CO₂를 선택적으로 흡수한다.

개방형(개방식) 온수기에 반드시 부착하지 않아도 되는 안전장치는 전도안전장치이다.

전도안전장치는 넘어짐 위험이 있는 이동식 온수기에 요구되는 장치로, 고정 설치되는 개방형 온수기에는 필수 요건이 아니다.

반면 소화안전장치·과열방지장치는 공통 필수 장치이고, 불완전연소방지장치 또는 산소결핍안전장치는 환기가 제한적인 개방형 특성상 반드시 갖춰야 한다.

틀린 설명은 벤트스택으로 공기보다 무거운 가스를 방출해야 한다는 부분이다.

벤트스택은 방출된 가스가 대기 중으로 신속히 확산되어야 안전하므로, 공기보다 가벼운 가스를 방출하는 것이 원칙이다.

• 플레어스택에 파일럿버너나 자동점화장치를 두는 것은 맞는 설명이다.
• 플레어스택 복사열을 지표면 기준 4,000kcal/m²·h 이하로 제한하는 것도 맞는 설명이다.
• 가연성가스 벤트스택 높이를 착지농도가 폭발하한 미만이 되도록 정하는 것도 맞는 설명이다.

정압기를 평가·선정할 때 고려하는 특성이 아닌 것은 압력특성이다.

정압기의 성능은 통상 정특성·동특성·유량특성으로 평가하며(그 밖에 사용 최대차압·작동 최소차압을 함께 검토한다), “압력특성”이라는 별도 항목은 존재하지 않는다.

LPG 연소기구의 연소방식은 공기 공급 방법에 따라 적화식, 분젠식, 세미분젠식, 전1차공기식으로 나뉜다. 원지식이라는 연소방식은 없다.

회전펌프에 대한 설명 중 틀린 것은 연속 토출되어 맥동이 많다는 부분이다.

회전펌프는 왕복펌프와 달리 흡입·토출밸브 없이 연속적으로 액체를 이송하기 때문에 오히려 맥동이 적다는 것이 특징이다.

토출압력이 높고 점성이 있는 액체에도 성능이 좋다는 나머지 설명은 회전펌프의 실제 특징과 일치한다.

오리피스미터의 유량 측정 원리는 베르누이의 정리이다.

유체가 조리개를 통과할 때 유속이 빨라지며 압력이 낮아지는 관계를 이용해, 전후 차압으로부터 유량을 환산한다.

단열 공간에 분말·섬유 등의 단열재를 채워 넣는 방식은 상압 단열법이다.

진공을 만들지 않고 상압(대기압) 상태에서 충전재만으로 단열 성능을 확보하는 가장 일반적인 방법이다.

고진공 단열법과 다층진공 단열법은 진공을 이용하는 방식이고, 린데식은 가스 액화 사이클의 명칭이지 단열법 분류가 아니다.

펌프 동력은 회전수의 세제곱에 비례하므로, 회전수가 늘면 동력은 약 1.7배로 커진다.

$\dfrac{L_2}{L_1} = \left(\dfrac{N_2}{N_1}\right)^{3}$

$\left(\dfrac{1200}{1000}\right)^{3} = 1.2^{3} = 1.728 \approx 1.7$

극저온저장탱크의 액면 측정에서 고압부와 저압부의 차압을 이용하는 액면계는 햄프슨식 액면계이다.

탱크 내부의 액두 압력과 기상부 압력의 차이를 검출해 액위를 환산하는 차압식 원리를 사용한다.

문제에서 "측정 물체에서 방사되는 전방사 에너지를 렌즈 또는 반사경을 이용하여 온도를 측정"한다는 조건은 방사 온도계(복사 온도계)의 정의와 정확히 일치한다.

스테판-볼쯔만의 법칙은 물체가 방사하는 전체 전자기파 에너지가 절대온도의 4제곱에 비례한다는 원리로, 물체 표면의 복사 에너지를 측정하여 온도를 결정한다. 방사 온도계는 피측정물이 방사하는 적외선 복사 에너지를 광학계로 집광하여 검출기에 수렴시키고, 이를 온도값으로 변환한다.

• 색 온도계는 특정 파장 대역만 선택 측정하므로 해당하지 않는다.
• 열전대 온도계와 광전관 온도계는 복사 에너지 전체를 이용하지 않으므로 해당하지 않는다.

탄성압력계는 압력변화에 따른 탄성체의 변형을 이용하여 압력을 측정하는 기계식 압력계다. 부르돈관식, 다이어프램식, 벨로우즈식 압력계는 모두 탄성체(부르돈관, 다이어프램, 벨로우즈)가 압력을 받아 탄성변위하는 원리로 작동한다. 반면 플로트식 압력계는 액체의 부력을 이용하여 플로트의 상하 운동으로 압력을 측정하는 방식으로, 탄성변위가 아닌 부력 원리에 기반하므로 탄성압력계에 해당되지 않는다.

자동제어계의 연속동작에 해당하지 않는 것은 ON-OFF동작이다.

ON-OFF동작은 신호를 두 가지 상태로만 전환하는 불연속(단속)동작이며, 비례·적분·미분동작은 신호 크기에 따라 연속적으로 조작량이 변하는 연속동작이다.

절대압력은 대기압과 계기압력을 더해 구한다.

$P_{abs} = P_{atm} + P_{gauge}$

$P_{abs} = 1.0332 + 10 = 11.0332\ \mathrm{kgf/cm^{2}}$

따라서 절대압력은 약 11.0332kgf/cm²가 된다.

가연성가스 취급장소에서 사용할 수 없는 방폭공구는 알루미늄 합금공구이다.

알루미늄 재질은 녹슨 철재 등과 마찰·충격 시 스파크(테르밋 반응)를 일으킬 위험이 있어 방폭공구 재질로 금지된다.

베릴륨 합금, 고무, 나무로 만든 공구는 스파크 발생 위험이 낮아 방폭공구로 사용할 수 있다.

1헥토파스칼(hPa)은 100N/m²에 해당한다.

$1\ \mathrm{hPa} = 100\ \mathrm{Pa} = 100\ \mathrm{N/m^{2}}$

헨리법칙이 잘 적용되지 않는 가스는 암모니아이다.

헨리법칙은 용해도가 작고 물과 반응하지 않는 기체(수소·산소·이산화탄소 등)에 잘 성립하는데, 암모니아는 물에 대한 용해도가 매우 크고 반응성도 있어 헨리법칙에서 벗어난다.

보기 중 임계압력이 가장 높은 가스는 염소(Cl₂)이다.

염소의 임계압력은 약 76atm으로, CO(약 35atm)·에틸렌(약 50atm)·시안화수소(약 53atm)보다 높다.

천연가스 설명 중 틀린 것은 공기보다 무거워 바닥에 고인다는 부분이다.

천연가스의 주성분인 메탄은 분자량이 약 16으로 공기(약 29)보다 가벼워 누출 시 위로 확산된다.

주성분이 메탄이라는 점, 독성이 없는 청결한 가스라는 점, 발열량이 약 9,500~10,500kcal/m³라는 점은 모두 맞는 설명이다.

액화석유가스 설명 중 틀린 것은 물에 잘 녹는다는 부분이다.

LPG는 실제로는 물에 거의 녹지 않는(불용성) 물질이며, 다만 유지류나 천연고무는 잘 용해시키는 성질이 있다.

프로판·부탄이 주성분이라는 점, 기체는 공기보다 무겁고 액체는 물보다 가볍다는 점, 상온·상압에서는 기체이나 가압·냉각으로 액화된다는 점은 모두 맞는 설명이다.

메탄(CH₄)의 완전연소 반응식은 CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O이다. 화학방정식의 계수 비율이 곧 부피 비율(기체의 법칙)이므로, 메탄 1부피가 연소하려면 산소 2부피가 필요하다. 따라서 표준상태에서 메탄가스 1m³을 완전연소시키는데 필요한 산소량은 2m³이다.

주어진 명제는 열이 저온에서 고온으로 자발적으로 이동하지 않는다는 내용으로, 이는 열역학 제2법칙의 핵심이다. 열역학 제2법칙은 자연 현상의 비가역성을 설명하며, 열은 항상 고온 물체에서 저온 물체로만 자발적으로 이동한다는 원리를 나타낸다. 제0법칙은 온도 평형의 정의, 제1법칙은 에너지 보존, 제3법칙은 절대영도와 관련된 내용이므로 모두 이 명제와 무관하다.

O₂는 공기 자체에 이미 약 21% 포함되어 있으며, 장치 내 산소 농도 증가가 폭발 직접원인이 되지 않는다—폭발은 산화제와 가연물의 결합에서 비롯되는데, O₂ 추가 혼입만으로는 가연물이 없으므로 폭발 조건을 충족하지 않는다.

공기액화분리장치에서 폭발을 유발하려면 저온에서 액화된 상태에서 산화제와 가연물이 함께 농축되어야 한다.

• C₂H₂(아세틸렌)는 액체 산소·액체 공기와 접촉 시 극히 폭발성이 강한 혼합물을 형성한다.
• O₃(오존)은 강력한 산화제로서 유기물질과 함께 있을 때 자연발화·폭발을 일으킨다.
• NO₂는 산화제 성질로 저온에서 액체 공기 내 가연물과 반응하여 폭발 위험을 높인다.

질소의 용도로 볼 수 없는 것은 연료용이다.

질소는 불연성·불활성 가스이므로 연소되지 않아 연료로 사용할 수 없다.

반면 질소는 암모니아 합성을 통한 비료·질산 제조의 원료로 쓰이고, 액체질소는 냉매로도 널리 이용된다.

섭씨온도와 화씨온도가 같아지는 지점은 -40℃(=-40℉)이다.

$C = \dfrac{5}{9}(F-32)$에서 $C=F$로 두면 $F=-40$이 되어 두 온도값이 일치한다.

10J을 cal 단위로 환산하면 약 2.39cal이다.

$1\ \mathrm{cal} = 4.186\ \mathrm{J}$

$\dfrac{10}{4.186} \approx 2.39\ \mathrm{cal}$

표준상태에서 프로판의 가스밀도는 약 1.97g/L이다.

표준상태 기체 1몰의 부피는 22.4L이므로, 밀도는 분자량을 22.4로 나누어 구한다.

$\rho = \dfrac{44}{22.4} \approx 1.97\ \mathrm{g/L}$

공기비(m)가 클 때의 영향으로 가장 거리가 먼 설명은 미연소에 의한 열손실이 증가한다는 부분이다.

공기비가 크면 오히려 산소 공급이 충분해 완전연소가 이루어져 미연소 손실은 줄어드는 방향으로 작용한다.

대신 과잉공기로 인해 배기가스량이 늘어 열손실이 커지고, SO₃·NO₂ 같은 산화성 부산물의 생성이 늘어나는 것이 공기비가 클 때 나타나는 실제 영향이다.