도료보관실 아세톤 전량 유출 - 폭발범위 진입 판정과 초기 대응
지하 1층 식품가공공장의 세척실 옆 도료보관실(바닥 24㎡, 천장고 2.5m, 부피 60㎥)에서 야간에 아세톤 20L 용기 1개가 넘어져 전량 유출됐다. 이 방에는 급·배기팬이 천장에 붙어 있으나 야간에는 분전반 차단기가 내려가 있고, 출입문은 폭 0.9m 철제 방화문 1개뿐이다. 바닥의 배수 트렌치는 막혀 있었다. 보관실에는 방폭형이 아닌 형광등 2개와 콘센트 1개가 설치되어 있다. 아세톤의 물성은 밀도 0.79kg/L, 분자량 58, 폭발범위 2.6~12.8vol%, 증기비중 2.0(공기=1), 인화점 -20℃이며 물에 대한 용해도가 매우 크다. 실내 온도는 25℃였고, 출동한 소방대는 문을 열기 전 복도에서 강한 냄새를 감지했다. 공장 관계자는 "환기팬부터 켜야 한다"고 주장했고, 다른 관계자는 "물을 뿌려 씻어내자"고 했다. 소방대는 내부 점화원 잔존 여부와 농도가 폭발범위에 들어가는지를 먼저 판단해야 한다고 보았다. 계산이 필요한 경우 이상기체 1몰은 25℃·1기압에서 24.5L로 하고, 유출된 아세톤은 전량 증발한 것으로 가정하라.
1. 유출된 아세톤이 전량 증발했다고 가정할 때 실내 평균 농도(vol%)를 계산하고 폭발범위 진입 여부를 판정하시오. 또한 평균 농도만으로 현장 위험을 판단하면 안 되는 이유를 물성과 공간 조건을 근거로 설명하시오.
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계산
- 유출 질량 = 20 L × 0.79 kg/L = 15.8 kg
- 몰수 = 15,800 g ÷ 58 = 272.4 mol
- 증기 부피 = 272.4 mol × 24.5 L/mol ≒ 6,674 L = 6.67 ㎥
- 평균 농도 = 6.67 ÷ 60 × 100 ≒ 11.1 vol%
판정 폭발범위 2.6~12.8 vol% 안에 들어가고 상한(12.8%)에 근접한다. 점화원이 있으면 연소가 아니라 폭발(공간폭발) 로 진행한다. 상한을 넘는 과농 상태였다면 당장은 연소하지 않지만, 문 개방·환기로 희석되면서 12.8% 아래로 내려오는 순간이 가장 위험하다.
평균값의 한계
- 증기비중 2.0으로 공기보다 무거워 바닥·트렌치에 체류한다. 바닥 근처 국소 농도는 평균보다 훨씬 높고, 천장 환기팬 위치의 측정값은 낮게 나온다.
- 25℃에서의 포화증기농도는 약 30 vol%로 상한의 두 배가 넘는다. 따라서 액면 바로 위 공간은 항상 폭발범위 상한을 초과한 상태이며, 시간·환기에 따라 농도가 상한을 통과해 내려오는 구간이 존재한다.
- 즉 11.1%는 실내 '최소' 수준의 추정치이고, 실제 위험 구간은 바닥과 액면 부근에 집중된다.
2. 유출량이 4L였다면 평균 농도는 얼마이며, 그 경우 실내는 안전하다고 볼 수 있는가? 계산과 함께 판단하시오.
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계산
- 질량 = 4 × 0.79 = 3.16 kg → 54.5 mol → 54.5 × 24.5 = 1,335 L ≒ 1.34 ㎥
- 평균 농도 = 1.34 ÷ 60 × 100 ≒ 2.2 vol% (폭발하한 2.6% 미만)
판단 평균값만 보면 하한 미만이므로 "안전"으로 오판하기 쉽지만 그렇게 볼 수 없다.
- 액면 인근은 여전히 포화 농도(30% 수준)에 가까워 국소적으로 폭발범위 안에 있다.
- 증기비중 2.0으로 바닥에 깔리므로 트렌치·모서리에서 2.6%를 넘는 구역이 형성된다.
- 증발은 순간적으로 끝나지 않는다. 온도 상승이나 문 개방에 따른 기류로 농도가 상승·이동하며, 하한을 넘나드는 시점이 생긴다.
결론적으로 4L는 '폭발위험이 없다'가 아니라 '전 공간이 위험해질 확률이 낮다'는 의미이며, 점화원 차단·가스측정·국소환기는 유출량과 무관하게 유지해야 한다.
3. 현장 지휘관 입장에서 (a) 환기팬 즉시 가동 주장, (b) 물 분무로 씻어내자는 주장에 대한 판단과 실제 초기 조치 순서를 제시하시오.
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(a) 환기팬 즉시 가동 - 부적절 천장 설치 팬과 스위치는 방폭형이 아니고, 가동 시 모터·접점에서 스파크가 발생할 수 있다. 또 팬이 강제로 기류를 만들면 바닥에 깔린 고농도 증기가 교란되어 실내가 폭발범위를 통과하는 순간을 만든다. 원칙은 분전반 차단으로 내부 전원을 끊고, 가스측정으로 폭발하한의 25% 이하임을 확인한 뒤 방폭형 이동식 송풍기로 환기하는 것이다.
(b) 물 분무로 씻어내기 - 조건부 아세톤은 극성 용제로 물에 무한 용해되므로 안개상 물분무는 증기 흡수·희석에 유효하다. 그러나 고농도 액체 위에 물을 뿌리면 수용액이 되어 부피가 늘고 트렌치가 막혀 있는 상태에서 유출 범위가 넓어진다. 고압 주수는 액면을 비산시켜 금지하고, 물분무는 증기 억제 목적으로만, 액체는 흡착재·내알코올포말로 회수·피복하는 순서가 맞다. 일반 포말은 극성 용제에 의해 파괴되므로 사용하지 않는다.
초기 조치 순서
- 인원 대피·통제선, 2) 분전반 차단 및 점화원 제거, 3) 가스측정(상·하부 별도), 4) 방폭형 송풍기 환기 또는 방화문 개방 자연환기, 5) 흡착재 회수 후 내알코올포말·물분무, 6) 재점화 방지 감시. 소화는 분말·CO₂가 가능하나 이 상황의 핵심은 소화가 아니라 폭발 방지다.