기상조건에 따른 유해독성염소가스의 2상흐름에누출에 관한

예측 및 제어론

김종식·박종규

계명대학교 화학공학부

The Methodology for Prediction and Control of Hazardous Chlorine 2-Phase Flow Releases as Meteorological Data

Jong-Shik Kim·Jong-Kyu Park

Department of Chemical Engineering, Keimyung University, Taegu

1. 서 론

스크리닝 기술은 유해위험성평가의 일환으로 안전 및 건강 수준을 위반하는 누출 시나리오들을 개발하기 위하여 고안되었으며, Britter-McQuaid 모델 (1989) 및 RVD 모델 (1989)들을 포함하고 있다.  유해 대기독성물질의 누출에 대한 스크리닝 기술을 가장 적절하게 선정하기 위해서는 스크리닝에 대한 문제를 규정하는 물리적 상태, 공정 및 누출 조건, 분산특성 등이 고려되어야 하며, 사용자가 필요로 하는 정보, 계산시간, 관련 식들의 양을 가능한한 줄이기 위하여 근거있는 가정들이 설정된다. 이에 본 연구에서는 모델링 후 기상조건(대기안정도 및 풍속)에 따른 유해물질의 대기중 누출을 살펴보았고, 또한, 화학장치설비중 염소 저장탱크의 2상흐름에 따른 염소가스의 풍하거리에 따른 1시간 평균 최대 지표면 농도를 TSCREEN을 통해 산출함으로써 유해독성가스의 누출 예측 및 제어를 위한 스크리닝 방법론을 개발하기 위한 것이다.

2. 스크리닝 방법론

2.1. 모델의 선정

본 연구에서는 대기분산모델링을 개발함에 있어 스크리닝 절차로는 현재 미 환경청에서 유해대기독성물질의 인체의 건강, 환경 및 안전에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위하여 유해위험성평가의 일환으로 개발한 최대 단기 지표면 농도를 예측하는 TSCREEN 모델을 사용하였다.  TSCREEN 모델은 유해 대기독성물질의 대기중 누출에 대한 단기, 지표면 농도를 평가하는 PC용 스크리닝 모델로서, 스크리닝 목적으로 TSCREEN 모델을 선정한 이유는 TSCREEN 모델이 현재 미 환경청에서 사용하고 있는 3개의 스크리닝 모델인 SCREEN 모델, RVD 모델, PUFF 모델과 Britter-McQuaid 모델 (B-M 모델)을 자체 내에 포함하고 있어 유해독성가스의 사고영향 평가시 스크리닝 절차로는 가장 적절한 모델이라고 사료되었기 때문이다.

2.2. 누출원 모델링

유해 대기독성물질의 누출에 대한 스크리닝 절차에서 첫 단계인 누출원 모델링은 누출 원에서 유해 대기독성물질의 대기 중으로 누출되는 누출속도를 평가하며, 누출유형, 누출물의 상태 (기상, 액상, 2상) 및 조건 (온도, 압력), 누출물의 물리□화학적 특성, 지형 및 기상조건에 따라 다양하게 수행될 수 있다.  유해 대기독성물질인 염소증기가 저장탱크 및 압력방출장치로부터 누출될 때, 기상흐름 및 2상 흐름으로 연속 및 순간 누출되는 경우의 스크리닝 절차를 고찰하였다.

공기보다 무거운 가스의 연속누출이나 순간누출의 경우, TSCREEN 모델은 자체 프로그램 내에서 누출이 수직상승제트 (Vertically-Directed Jet) 이면 RVD 모델을, 기타 다른 모든 유형의 누출에 대해서는 Britter-McQuaid (B-M) 모델을 사용한다.  한편, 누출물이 공기보다 가벼운 가스에 대해서는 TSCREEN 모델은 연속누출의 경우에 대해서는 SCREEN 모델을, 순간누출의 경우에 대해서는 PUFF 모델을 사용한다.

3.결과 및 고찰

3.1. 스크리닝 모델링 절차에 대한 사례연구

2상누출은 포화상태 이하에서 저장된 가압상태의 저장용기의 구멍이나 개구부를 통하여  포화액체가 누출되는 경우로서, 가압하에 저장된 물질은 누출물이 대기중에 누출될 때 감압하게 되면 이러한 감압현상으로 인하여 포화액체와 증기의 2상을 형성한다. 즉 감압과정 동안에 응축이 일어나도록 가스는 냉각되므로, 주위의 대기온도보다 낮은 고휘발성 액체는 전형적으로 대기압 보다 높은 압력에서 저장된다.  저장용기에 증기와 액체가 포함되어 있는 경우에는 구멍은 저장용기의 증기공간에 위치하여야 하며, 모든 누출물은 누출원 근처에 액체의 Rain-out을 형성하지 않고 에어로졸로서 풍하거리를 이동한다고 가정한다.

3.2. 분산모델링에 대한 사례연구

Britter-McQuaid 및 RVD 모델을 적용하여 분산모델링을 수행하여 얻어진 풍하거리에 따른 단기(1-hr) 지표면 농도분포의 예측결과는 Fig. 1에 나타내었다. RVD 모델을 수행한 결과, 연속누출 및 순간누출시 1-시간 평균 최대지표면 농도는 공히 풍속 1 m/s, 대기안정도가 가장 안정할 때 조건에서 풍하거리 112.3m 지점에서 각각 201.4 ppm 및 3,021.7 ppm으로 산출되었다. 그러나 Britter-McQuaid 모델을 수행한 결과, 연속누출 및 순간누출시 1-시간 평균 최대 지표면 농도는 공히 풍속 1 m/s, 대기안정도가 가장 안정할 때 풍하거리 100 m 지점에서 공히 2,041 ppm으로 나타나고 있다. 결과로부터, 가압저장탱크의 압력방출장치로부터 누출되는 유해독성가스의 분산유형을 예측하는데는 RVD 모델이 Britter-McQuaid 모델보다 적절하다고 사료된다. 연속 및 순간누출에 대하여 RVD 모델을 적용하여 분산모델링을 수행하여 얻어진 풍하거리에서의 지표면 농도에 미치는 풍속의 영향을 Fig. 2에 나타내었다.

결과로부터, 풍속이 작을수록 대기안정도가 안정할수록 지표면 농도는 높게 나타남을 알 수 있다. 이는 풍속이 작을수록 대기안정도가 안정할수록 누출가스가 대기중에서 원할히 분산되지 못하여 충분히 희석되지 못하기 때문에 지표면 농도가 증가하고 있음을 알 수 있다. 결론적으로, 풍속이 낮을수록 대기안정도가 안정할수록 대기중 분산에 의한 희석효과가 적어 지표면 농도는 증가하고 있음을 알 수 있다. 본 분산모델링을 위한 스크리닝 절차에서 2상 흐름의 모든 누출원 특성 계산은 이상상태라고 가정하였기 때문에 공기보다 무거운 가스의 누출의 경우 누출후의 복잡한 열역학적 거동은 포함하고 있지 않아, 만약에 대기중에 분산된 누출물질의 밀도가 대기의 밀도에 근접함에 따라 공기보다 무거운 가스의 거동이 중요하지 않다고 예측되는 경우에는 정교한 해석 모델에 의한 수동적 대기분산모델링(Passive Atmospheric Dispersion Modeling)을 적용하여야 할 것이라 사료된다.본 스크리닝 모델은 최악의 경우의 농도를 야기시키는 기상조건들이 고정되어 있어 어떤 특정지역의 실제 기상조건에 의한 오염원 평가 영향을 독특하게 정의할 수는 없다. 최대 지표면 농도는 풍속과 대기안정도에 유관하므로, 결국 풍속이 빠를수록, 대기안정도가 불안정할수록 누출가스가 대기중에서 원할한 혼합으로 충분히 희석되어 낮은 대기질 농도를 나타낼 수 있으므로 본 스크리닝 모델의 특성상 최악의 경우의 농도를 야기 시키는 기상조건들은 지표면 농도를 과대 평가할 수 있음을 내포하고 있다고 본다.

4. 결 론

본 연구는 염소가스가 2상흐름으로 연속 및 순간누출될 때, 유해독성가스의 누출 예측 및 제어를 위한 분산모델링을 위하여 스크리닝 모델링 절차를 개발하였다. 유해독성가스의 누출시 풍하거리에 따른 최대 지표면 농도는 누출유형, 누출물의 상태 및 조건, 누출물의 물리□화학적 특성, 지형 및 기상조건에 따라 영향을 받고 있으며, 특히 공기보다 무거운 가스의 분산유형은 누출물의 초기밀도 및 초기 분산속도 뿐만 아니라 풍속에 큰 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 결국, 본 분산모델링을 위한 스크리닝 절차는 보다 다종·다양한 누출유형에 대하여 모델링을 수행하고 아울러 보편적으로 적용가능한 최적의 Sliding Scale 방법론을 개발함으로써 정교한 해석 모델에 의한 누출영향 평가시 예비 가이드라인으로 활용될 수 있으리라 본다.

참 고 문 헌

1.USEPA, "Workbook of Screening Technologies for Assessing Impacts  of     Toxic Air  Pollutants (Revised)", EPA-454/R-92-024, 1-1∼5-34,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.D. Bruce Turner : "Workbook of Atmospheric Dispersion Estimates -         Revised", Cincinnati, Ohio (1969).

4."Superchems, Professional Edition Version 2.0 - User Guide",           Arthur D. Little, Inc., Aug. (1996).

Fig. 1. Concentration Profile at Downwind Distances

Fig. 2. The Effect of Wind Speed on Concentration