톨루엔 저장탱크 내부 청소 전 폭발범위 판정과 질소 퍼지 설계
정기 보수를 위해 20m³ 톨루엔 저장탱크 내부에 작업자를 투입하려 한다. 탱크는 지상 원통형(높이 5m, 맨홀 지름 600mm)으로 상온(25℃)에서 대기압으로 유지되어 왔고, 바닥에 잔류 액체가 남아 있다. 톨루엔의 폭발하한계는 1.1vol%, 폭발상한계는 7.1vol%, 한계산소농도는 약 9vol%이며, 증기압은 25℃에서 3.8kPa, 15℃에서 2.2kPa, 10℃에서 1.5kPa, 5℃에서 1.0kPa로 보고되어 있다. 대기압은 101.3kPa이다. 회사는 냉각만으로 위험을 없앨 수 있는지 먼저 검토한 뒤, 질소를 이용한 진공-가압 퍼지를 적용하기로 하였다. 퍼지 1회는 탱크를 0.4atm(abs)까지 감압한 후 질소로 1atm(abs)까지 가압하는 방식이며, 작업 전 목표는 톨루엔 증기농도를 폭발하한계의 10% 이하로 낮추는 것이다. 작업자는 내부 청소를 2시간 수행할 예정이며, 탱크에는 국소배기 1식과 맨홀 1개가 있다.
1. 25℃, 15℃, 10℃, 5℃에서의 포화증기농도를 계산하여 폭발범위 해당 여부를 판정하고, 냉각만으로 작업을 허용할 수 있는지 결론을 내리시오.
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1) 계산식 포화증기농도 C(vol%) = (증기압 / 대기압) × 100 = (Pv / 101.3) × 100
2) 온도별 결과
- 25℃: 3.8/101.3 × 100 = 3.75% → 폭발범위(1.1~7.1%) 내
- 15℃: 2.2/101.3 × 100 = 2.17% → 폭발범위 내
- 10℃: 1.5/101.3 × 100 = 1.48% → 폭발범위 내(하한 1.1% 초과)
- 5℃: 1.0/101.3 × 100 = 0.99% → 폭발하한계 미만
3) 판정 5℃까지 냉각하면 폭발범위는 벗어나지만, 작업 허용 기준은 폭발하한계의 10%인 0.11%다. 0.99%는 그 9배로, 점화원이 있으면 여전히 연소·폭발이 가능한 농도다. 따라서 냉각만으로는 내부 작업을 허용할 수 없다.
4) 추가 판단 잔류 액체가 있는 상태에서는 온도가 조금만 올라가도 농도가 다시 상승하고, 액체 표면 근처는 국부적으로 포화농도에 가까워진다. 냉각은 보조수단일 뿐이며, 액체 제거·세척과 불활성화 또는 환기가 선행되어야 한다. 계산은 포화 상태를 가정한 최악 조건이므로, 실측 농도가 낮게 나와도 액체가 남아 있으면 안전 판정의 근거로 삼을 수 없다.
2. 목표(폭발하한계의 10% 이하)를 달성하기 위한 진공-가압 퍼지 횟수를 계산하시오. 실제 작업 적용 시 이 계산이 무효가 될 수 있는 조건과, 그에 대한 조치를 함께 설명하시오.
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1) 퍼지 횟수 계산 1회 퍼지 시 잔류 기체 분율은 감압 후 압력비 0.4/1.0 = 0.4이므로, n회 후 농도는 C_n = 3.75 × 0.4ⁿ 이다.
- n = 2: 3.75 × 0.16 = 0.60%
- n = 3: 3.75 × 0.064 = 0.24%
- n = 4: 3.75 × 0.0256 = 0.096% → 목표 0.11% 이하 충족
즉 최소 4회가 필요하다. 계산은 ln(0.11/3.75)/ln(0.4) ≈ 3.85에서도 같은 결론이 나온다. 실제로는 여유를 두어 5회를 적용하는 것이 타당하다.
2) 계산이 무효가 되는 조건
- 잔류 액체: 액체가 남아 있으면 퍼지 후에도 재증발로 농도가 회복된다. 퍼지의 전제는 액체 제거·세척이다.
- 감압 미달: 진공 펌프 성능 저하로 0.4atm까지 내려가지 않으면 실제 희석비가 커져 계산보다 농도가 높아진다. 압력계로 회차별 도달 압력을 확인해야 한다.
- 혼합 불충분: 가압 시 질소가 국부적으로만 유입되면 dead zone이 남는다. 유입 위치와 배출 위치를 분리하고 충분한 가압·유지시간을 둔다.
3) 검증 퍼지 후 맨홀 개방 전에 가스측정기로 톨루엔 농도(목표 0.11% 이하)와 산소농도를 동시에 측정한다. 측정값이 목표를 넘으면 퍼지를 반복해야 하며, 계산값을 측정 없이 신뢰해서는 안 된다.
3. 질소 퍼지 후 작업자를 투입하는 과정에서 발생할 수 있는 상충되는 위험 두 가지를 설명하고, 정전기 대책을 포함한 최종 투입 절차를 설계하시오.
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1) 상충되는 두 위험
- 질소 퍼지는 폭발위험을 제거하지만 산소를 함께 밀어내 질식 위험을 만든다. 불활성 상태의 탱크에 그대로 들어가면 수초 내 의식 상실이 가능하다.
- 따라서 “폭발방지용 불활성 유지”와 “호흡 가능한 산소 확보”는 동시에 만족될 수 없다. 해결은 순차 처리다. 질소로 폭발위험을 제거한 뒤, 공기로 치환·환기하여 산소 18vol% 이상, 톨루엔 농도 목표 이하로 만든 상태에서만 진입한다.
2) 정전기 대책
- 탱크·배관·호스·펌프를 본딩하고 접지한다. 호스는 도전성 재질을 사용한다.
- 액체 이송 시 유속을 1m/s 이하로 제한하고, 액체 표면 근처로 급액하지 않는다.
- 작업자는 도전성 신발·정전복을 착용하고, 바닥은 도전성으로 유지한다. 상대습도 관리도 병행한다.
3) 최종 투입 절차(요약)
- 잔류 액체 제거·세척 → 2) 질소 퍼지 5회(잔류 농도 확인) → 3) 공기 치환·국소배기 가동으로 산소 18vol% 이상 확보 → 4) 연속 가스측정(톨루엔, 산소, 필요시 CO) → 5) 본딩·접지 확인, 도전성 보호구 착용 → 6) 감시인 배치, 구조용구·통신 준비, 맨홀 개방 상태 유지 → 7) 2시간 작업 중 측정값 이상 시 즉시 대피.
4) 판단 포인트 퍼지 횟수 계산이나 산소 농도 기준은 각각 단독으로는 의미가 없고, “폭발위험 제거 → 산소 확보 → 연속 감시”의 순서로 조합될 때만 작업 허용 조건이 된다. 진입 전 측정값을 기록으로 남겨야 한다.