메탄(CH4)의 최소산소농도(MOC)를 구해보자.

이전 포스팅에서 최소산소농도를 구하는 방법에 대해 살펴보았다. 이번에는 메탄을 상대로 최소산소농도를 직접 구하는 방법을 알아보고자 한다. 실험을 통해 알려진 메탄의 연소범위는 5.0% ~ 15%이다. 인터넷을 검색해보면 쉽게 메탄의 연소범위를 찾아볼 수 있다. 그런데 우리가 메탄의 최소산소농도를 구할 때 필요한 연소하한계(LFL)를 모른다고 가정하고, 공식을 통해 ①메탄의 연소하한계(LFL)를 구하고 아울러 ②메탄의 최소산소농도(MOC)까지 구해보자.

메탄의 연소하한계(LFL)를 구해보자.

가. 메탄의 완전 연소식을 구성해본다.

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

 

메탄(CH4)이 완전 연소되어 이산화탄소와 물로 변하는 완전 연소식을 살펴보니 산소가 2몰이 필요한 것으로 나타났다. 메탄 1몰이 완전 연소되려면 산소 2몰이 필요하다는 것을 의미한다. 연소하한계(LFL)와 최소산소농도(MOC)를 구하기 위해서는 먼저 해당 가연성 가스의 연소식을 통해 연료몰수와 산소몰수를 나타내야 한다.

 

나. 메탄의 연소하한계를 계산을 통해 구해보자.

 

연소하한계를 구하는 Jone's식

메탄의 연소하한계는 인터넷을 통해 쉽게 알 수 있지만, 연소하한계를 모른다 치고 Jone’s의 공식을 통해 구해보자. 당량비 0.55에 화학적 양론농도 Cst(Stoichiometric Concentration)를 적용하는 것이므로 화학적 양론농도를 먼저 계산해 보자. Cst는 연료몰수/(연료몰수+공기몰수) × 100이므로 계산을 해보면 9.5가 나온다. 그래서 0.55 × 9.5 = 5.22%가 연소하한계로 구해진다. 실제 실험을 통해 나온 5%와 거의 근사치이라는 것을 알 수 있다.

 

 

메탄의 최소산소농도(MOC)를 구해보자.

가. 최소 산소농도를 구해보자.

 

메탄의 최소산소농도

최소산소농도 MOC = LFL × 산소양론계수라는 공식으로 구한다. 산소양론계수는 산소몰수를 연료몰수로 나누어 준 값을 말한다. 그래서 산소몰수 2몰을 연료몰수 1몰로 나누어 2가 나온다. 그리고, 메탄의 연소하한계 LFL(Lower Flammability Limit)을 계산으로 구한 결과 값인 5.22%와 산소양론계수인 2를 곱하면 10.44%가 나온다. 그래서 메탄의 최소산소농도 MOC(Minimum Oxygen Concentration)는 10.44%가 된다.

 

나. 최소산소농도를 구한 의미

즉, 메탄이 지속적으로 연소를 지속하기 위해서는 공기 중에 10.44%의 산소농도가 형성되어 있어야 가능하다는 뜻이다. 반대로 공기 중에 산소농도를 10.44% 미만으로 낮추면 더 이상 연소되지 않기 때문에 소화가 가능하다는 것을 의미한다.

연소범위와 최소산소농도의 상관관계

가. 연소범위

메탄의 연소범위는 5% ~ 15%이다. 연소범위는 공기 중에 가연성 가스가 어느정도 존재했을 때 연소가 이루어지는가를 알기 위함이다. 즉, 연소범위로 살펴본 연소하한계와 연소상한계는 공기 중의 존재하는 연료의 농도를 말하고 있는 것이다. 공기 중에 가연성 가스가 이정도의 농도로 존재하면 연소가 된다 또는 안된다의 의미를 지니는 것이다.

 

나. 최소산소농도(MOC)

그런데 최소산소농도는 가연성 가스가 연소를 지속하기 위해 필요한 최소한의 산소 농도를 말한다. 즉, 연료의 농도가 아닌 공기 중의 산소 농도를 말하고자 하는 것이다. 공기 중에 산소 농도가 이정도 이하가 되면 가연성 가스가 연소범위 내의 농도로 존재한다고 할지라도 연소가 이루어지지 않는다는 것을 의미한다. 위에서 계산한 바에 따르면 메탄의 최소산소농도는 10.44%이다.

 

다. 불활성화 방법을 찾는 것이다.

가연성 가스가 화재로부터 안전해지기 위해서는 두 가지의 방법이 있다는 것을 알 수 있다.

① 먼저 실내 또는 장치에서의 가연성 가스의 농도를 낮게 하거나 아예 높게 유지하는 것이다. 즉, 가연성 가스가 연소범위(5% ~ 15%) 내로 존재하지 않도록 하는 것이다.

② 두 번째는 산소 농도를 낮추는 것이다. 최소산소농도(10.44%)를 알아내서 그 농도 이하로 산소 농도를 낮추면 연소가 진행되지 않기 때문이다. 결국, 이 두가지의 방법은 가연성 가스가 화재나 폭발로 부터 안전해지기 위한 불활성화 방법을 말하고 있는 것이다.

 

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