가압 염소포화액체 저장탱크의 2상흐름 누출에 대한 분산 모델링 방법론

박영석, 이현옥, 이경래, 송덕만

울산대학교 화학공학부

Dispersion Modeling Methodology for Two-phase Flow Release from

the Pressurized Saturated Chlorine Liquid Storage Tank

Y.S. Park, H.O. Lee, G.L. Lee, and D.M. Song

College of Chemical Engineering, University of Ulsan

1. 서론

본 연구는 화학장치설비 중 가압 염소포화액체 저장탱크의 2상흐름 누출에 대한 누출물의 물성자료들을 포함하는 누출원 모델과 기상 및 지형자료들을 분산모델에 입력시켜 유해독성물질인 염소가스의 연속누출시 유해독성물질의 유해위험거리(Hazard Distance) 및 치사율(% Fatality)을 예측하기 위한 분산 모델링 방법론을 개발하기 위한 것이다.

스크리닝 절차에 의하여 염소가스의 풍하거리에 따른 1시간 평균 최대 지표면 농도를 산출하였으며, 미환경청이 공인하는 정교한 해석 방법에 의하여 법적규제농도로서 유해위험성 평가에 사용되는 STEL, ERPG-2, ERPG-3 및 IDLH 농도에 대한 염소가스의 풍하거리에 따른 농도분포 및 치사율을 예측하여 유해위험거리를 평가하였다.

2. 이론 : 결과영향 모델링 방법론의 개발

2-1. 모델의 선정

스크리닝 절차((creening Procedure)로는 현재 미 환경청에서 유해위험성평가의 일환으로 유해 대기독성물질이 인체의 건강, 환경 및 안전에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위하여 개발한 단기 최대 지표면 농도를 예측하는 TSCREEN 모델을 사용하였다.

또한, 정교한 해석(Refined Analysis) 방법에 의하여 유해 대기독성물질의 누출에 대한 『결과영향 분석(Consequense Analysis)』을 수행하기 위하여 미환경청이 공인하는 Arthur D Little, Inc.의 Superchems(V2.0) 모델과 미환경청과 NOAA가 공인하는 National Safety Council(NSC)의 ALOHA(V5.2.1)모델을 사용하였다.

2-2. 누출원 모델링

직경이 30 inch(=0.762 m)이고 길이가 81.5 inch(=2.07 m)인 1 ton 용량의 수평형 저장탱크(Flat)는 대기의 온도(70◁)에서 6.86 atm(= 6.95×105 Pa)으로 가압되어 있고, 염소포화액체 500 lb(=227 kg)를 포함하고 있다.  염소포화액체는 저장탱크의 하부에 부착된 길이가 3.281 ft(=1 m)이고, 내경이 0.2770 inch(=0.007036 m)인 연결배관을 통하여 냉각탑 하부의 급송부 Header로 공급되어 냉각탑에 공급되는 냉각수의 생화학적 조절을 위하여 사용된다.  저장탱크에 부착된 연결배관은 지상 2 m 지점에 위치해 있으며, 저장탱크의 액체속에는 Eductor가 설치되어 있어 같은 높이의 연결배관과 연결되어 있다.  저장탱크의 연결배관이 파열되어 저장탱크로부터 Cl2 액체가 누출되었으며, 저장탱크의 압력은 감압되면서 저장된 Cl2 액체의 일부가 배관내에서 순간증발하면서 완전히 발달된 2상흐름 누출로 수평방향으로 대기중으로 분산되었다.  최종 누출 후 저장탱크에는 30 lb(=13.6 kg)의 Cl2 액체가 남아 있다.

가압 염소포화액체 저장탱크의 2상흐름 누출시나리오에 대한 열역학적 자료 및 기상자료의 개요는 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Thermodynamical and meteorological data summary for two-phase flow release from the pressurized saturated Cl2 liquid storage tank.

Chemical Data	Meteorology
Molecular weight : 70.9 kg/kmol Liquid heat capacity : 927.13 J/kg□K Critical temperature : 417.15 K Latent heat of vaporization : 2.876×105 J/kg Boiling point : 239.12 K Liquid density at container : 1,562.19 kg/m3	Ambient temperature : 70◁ (= 294.3 K) Ambient pressure : 1 atm (= 101,325 Pa) Relative humidity : 50% Wind speed : 10 mph (= 4.47 m/s) Wind direction : South (180。) Measurement height : 32.81 ft (= 10 m) Surface roughness : 0.01 m Cloud cover : 4/8 Stability class : C (Weakly unstable) Time : Mid-morning

정교한 해석 방법에 의한 누출원 모델링으로부터 누출온도는 239.12 K, 감압후 증기의 질량분율은 0.1779, 누출유량은 0.3170 kg/s, 누출기간은 11.2 min로 산출되었으며, 특히 관의 길이에 따른 누출유량은 Fauske와 Epstein(1987)의 식에 의하여 산출되었다.

2-3. 분산 모델링(Dispersion Modeling)

누출원 모델링 계산결과들은 분산모델의 입력자료로 사용되었다.

스크리닝 절차에서는 공기보다 무거운 가스의 거동을 보이면서 수직상승제트가 아니면 Britter-McQuaid(B-M) 모델을 사용하였다.

한편, 정교한 해석 방법으로 산출한 누출원 모델링 결과를 분산모델에 입력하여 SuperChems 모델을 이용하여 분산모델링을 수행하여 유해독성가스들의 법적 규정농도인 IDLH 및 ERPG-3 농도, 흡입용량 및 치사율(%)에 도달하는 유해위험거리(Hazard Distance)를 정량적으로 예측함으로써 유해독성가스의 인근 지역에 미치는 피해영향을 정량적으로 예측하는 분산 모델링 방법론을 개발하였다.

3. 결과 및 고찰

3-1. 누출원 모델링의 결과

본 스크리닝 절차에서는 포화액체 가압저장탱크 액체측에 설치된 Eductor의 영향을 고려할 수 없어 총 누출량은 저장량([eqn: Q]=227 kg)이 전부 누출된 것으로 산출되었으며, 아울러 저장탱크에 부착된 연결배관으로부터의 2상흐름 누출을 해석하는 분산모델이 없어 연결배관의 길이를 무시하였으므로([eqn: L sub p]= 0 m), 누출속도는 1.008 kg/s으로 최대로 산출되었으며 결국 빠른 누출속도로 인하여 누출기간은 3.75 min로 작게 산출되었음을 알 수 있다.  저장탱크 내의 액위가 액체 Eductor까지 떨어질 때까지는 계속하여 2상흐름 누출하지만, 액위가 액체 Eductor에 도달한 후에는 염소는 누출기간동안 증기상만으로 누출된다는 것을 알 수 있다.

한편, 정교한 해석 방법에서는 액체 Eductor의 영향으로 총 누출량은 저장량([eqn: Q]=227 kg)에서 액체 Eductor 밑에 남은 양(13.6 kg)을 뺀 213.4 kg이며, 연결배관의 길이([eqn: L sub p]= 1 m)가 고려되었으므로 누출속도는 0.317 kg/s, 누출기간은 11.2 min로 산출되었다.

결국, 저장탱크에 부착된 연결배관의 길이가 길면 길수록 누출물의 흐름저항은 증가하므로 배관의 길이를 무시할수록([eqn: L sub p]= 0 m) 탱크에서 직접누출되는 것이 되어 누출속도는 최대가 되고 누출기간은 최소가 된다는 것을 알 수 있다.

3-2. 분산 모델링의 결과

분산모델의 입력자료인 누출원 모델링은 정교한 해석 방법과 Superchems 모델에 의하여 각각 수행되었으며, SuperChems 모델과 ALOHA 모델을 적용하여 결과영향모델링을 수행하여 얻어진 STEL, ERPG-2, ERPG-3, 및 IDLH에 따른 지표면 농도분포의 예측결과는 각각 Fig. 1 및 Fig. 2에 나타내었다.

결과로부터, 정교한 해석방법에 의하여 ERPG-2 및 ERPG-3(20 ppm) 농도를 나타내는 풍하거리 및 최대 Semi-Width는 SuperChems 모델의 누출원 모델링 자체계산에서 분산모델링을 수행하여 산출한 풍하거리 및 최대 Semi-Width보다 1.5배정도 크게 나타나고 있다.

결론적으로, 유해위험거리가 과소평가되는 것을 보완하기 위해서는 분산모델의 입력자료인 누출원 모델링을 별도로 정교한 해석방법에 의하여 수행하고 분산모델링을 수행하는 것이 바람직하다고 사료된다.

Fig. 1.  Conc. vs. Downwind Distance for Refined Analysis Source Modeling

Fig. 2.  Conc. vs. Downwind Distance for SuperChems Source Modeling

4. 결 론

본 연구는 가압 염소포화액체 저장탱크의 파열로 유해독성물질인 염소가 2상흐름 연속누출될 때, 유해독성물질의 유해위험거리(Hazard Distance) 및 치사율(% Fatality)을 예측하기 위하여 스크리닝 절차와 정교한 해석 방법을 조합하는 독특한 분산모델링 방법론을 개발하였다.

결국, 스크리닝 절차와 정교한 해석 방법의 조합에 의한 결과영향 모델링 방법론은 여러 가지 유해독성가스들에 대하여 보다 다종다양한 누출 시나리오들을 선정하여 보편적으로 적용할 수 있는 Sliding Scale 방법론을 개발함으로써 유해독성가스의 누출시 주위의 인체에 미치는 영향에 대한 정량적 평가시 예비 가이드라인으로 활용될 수 있으리라 사료된다.

참고문헌

1. USEPA, "Workbook of Screening Technologies for Assessing Impacts of Toxic

Air Pollutants (Revised)", EPA-454/R-92-024, Dec. (1992).

2. USEPA, "Guidance on the Application of Refined Dispersion Models to

Hazardous Air Pollutants Releases", EPA-454/R-93-002, April (1993).

3. Arthur D. Little, Inc., "SuperchemsTM, Professional Edition Version 2.0 - User

Guide", August (1996).

4. G.A. Melhem, "Advanced Consequence Analysis : Emission, Dispersion, Fire,

and Explosion Dynamics", Arthur D. Little, Inc. August (1995).

5. USEPA/NOAA/NSC, "ALOHA User's Manual", June (1995) and Oct. (1996).