Chapter 32. Process Safety and Instrumentation
원서의 개념·그림·예제 설명을 우선 번역하고, 질문·필기를 결합했다. 수식 중 원서에 없는 유도와 추가 사례는 「보충」으로 구분한다. 실제 법규·인증에 적용하기 전에 현행 기준을 별도로 확인한다.
1. 32.1 도입 — 위험을 다루는 관점
산업공정의 위험을 항상 원천적으로 제거할 수 있는 것은 아니다. 원서는 압력제어, 경보, 자동 정지, 압력방출장치, 취약한 파열지점 및 격리 배치를 중첩하는 예를 통하여 여러 보호수단을 함께 사용하면 하나의 수단보다 위험을 더 줄일 수 있다고 설명한다.
가연성 물질이 공기 중에 존재하여 폭발할 가능성이 있는 장소는 Hazardous/ Classified Location이다. 이 절의 ‘위험’은 주로 전기적 점화에 따른 폭발위험을 뜻하며 독성·부식성·방사선 위험까지 통칭하는 말은 아니다.
「계측기 → 폭발 방지 / 자동 정지(위험 상황)」, 「안전설계는 위험의 완전 제거가 어려우면 허용 가능한 수준으로 감소·관리」, 「다중 방호: 압력제어 → 경보 → 안전정지 → 압력방출밸브」라는 메모가 있다. 이는 32장 도입 내용을 이해하기 위한 학습자의 개념 정리다.
2. 32.1.1 Classified Area Taxonomy — 위험장소 분류
2.1 Class · Division · Zone은 서로 다른 질문에 답한다
NEC Article 500의 Class/Division 방식에서 Class는 폭발성 물질의 종류, Division은 폭발성 분위기의 존재 가능성을 나타낸다. NEC Article 505·506의 Zone 방식은 발생 빈도와 지속시간을 더 세분화한다.
| Class | 물질 | Division | 폭발성 분위기 발생조건 |
|---|---|---|---|
| I | 가연성 가스·증기 | 1 | 정상 운전 중 존재 또는 존재 가능 |
| II | 가연성 분진 | 2 | 드물게 또는 비정상 조건에서 존재 |
| III | 가연성 섬유 | — | 물질의 종류와 발생조건을 각각 구분해 적용 |
| 가스·증기 Zone | 폭발성 분위기의 상태 | 원서의 개념적 대응 |
|---|---|---|
| Zone 0 | 연속적 또는 장시간 존재 | Division 1을 세분화 |
| Zone 1 | 정상 운전 중 존재 가능 | |
| Zone 2 | 정상 운전 중 존재 가능성이 낮고, 발생해도 지속시간 짧음 | Division 2와 거의 대응 |
분진·섬유에는 유사한 의미의 Zone 20·21·22가 적용된다. 원서의 주유소 사례에서는 지하 휘발유 저장탱크 통기관 배출구 가까운 곳은 Division 1, 그보다 먼 주변은 Division 2로 설명한다. 이는 같은 물질이어도 누출원과의 위치에 따라 분류가 달라진다는 점을 보여준다.
원서의 주유소 거리(예: 통기관으로부터 3 ft 이내 Division 1, 3~5 ft Division 2)는 특정 NEC 설명 사례이며, 다른 설비에 그대로 적용하는 일반 설계 거리가 아니다.
2.2 Group — 물질의 점화·화염전파 특성 분류
Class I/II에서는 Group으로 위험물질을 다시 나눈다. 원서가 소개하는 대표적인 실험값은 MESG와 MICR이다.
MESG: Maximum Experimental Safe Gap
두 반구의 내부에서 폭발성 혼합물을 점화하였을 때, 발생한 화염이 외부로 전파되지 않는 최대 시험 틈새이다. MESG가 작을수록 더 좁은 틈을 통해서도 화염이 전파될 수 있으므로 엄격한 화염 차단구조가 필요하다.
왜 연료에 따라 다른가? 연료별 연소반응속도, 화염 구조, 벽면으로의 열전달 및 활성 라디칼 소멸 특성이 다르기 때문이다. 좁은 금속 틈을 통과하는 동안 벽에 열을 잃고 연소반응을 유지하지 못하면 화염이 소멸한다(Flame Quenching).
MICR: Minimum Ignition Current Ratio
시험 대상 연료·공기 혼합물의 최소점화전류를 기준 메탄·공기 혼합물의 최소점화전류로 나눈 비율이다. 작을수록 적은 전류로 점화되므로 위험한 물질이다.
| NEC Class/Division: Group | 대표 물질 | MESG | MICR |
|---|---|---|---|
| A | 아세틸렌 | 원서 표 별도 수치 미제시 | 별도 수치 미제시 |
| B | 수소 | ≤ 0.45 mm | ≤ 0.40 |
| C | 에틸렌 | 0.45~0.75 mm | 0.40~0.80 |
| D | 프로판 | > 0.75 mm | > 0.80 |
| NEC Class/Zone: Group | 대표 물질 | MESG | MICR |
|---|---|---|---|
| IIC | 아세틸렌·수소 | ≤ 0.50 mm | ≤ 0.45 |
| IIB | 에틸렌 | 0.50~0.90 mm | 0.45~0.80 |
| IIA | 아세톤·프로판 | > 0.90 mm | > 0.80 |
참고로 Class II 분진 Group은 E(금속 분진), F(탄소계 분진), G(기타 분진)이다. MIE 하나로 가스 Group을 직접 결정하는 것이 아니다. 원서는 MESG 및 MICR에 근거한 분류를 소개한다.
3. 32.1.2 Explosive Limits — 폭발한계
3.1 화재 삼각형: 정성적 조건
저자는 연소·폭발에 필요한 조건을 ① 적절한 연료/산화제 혼합비, ② 점화에너지, ③ 자기유지 화학반응으로 표현한다. 하나라도 제거하면 해당 방식의 연소가 지속될 수 없다. 단순한 연료·산화제·점화원 구성보다 화학반응의 지속 가능성을 명시한 점이 중요하다.
3.2 아세톤 예제로 본 Rich · Lean · 점화에너지 부족
| 아세톤 농도(원서 사례) | 상태 | 점화·폭발에 대한 저자의 설명 |
|---|---|---|
| 70 vol% | Rich mixture | 연료가 너무 많고 산소가 부족함. 스파크 근처에서 일부 반응하더라도 반응이 시험용기 전체로 확산·유지되지 못함 |
| 0.5 vol% | Lean mixture | 연료가 너무 적음. 일부 분자가 연소해도 전파 가능한 연소반응을 유지하기 어려움 |
| 약 9.5 vol% | 연소에 유리한 혼합비 | 혼합비가 적절해도 스파크 에너지가 임계값보다 작으면 점화되지 않음 |
연소반응에는 화학결합을 만들기 전에 넘어야 하는 활성화 장벽이 있다. 저자는 상온·대기압에서 많은 연소반응이 자발적으로 시작되지 않으므로 외부 점화에너지가 필요하다고 설명한다.
3.3 점화곡선: 연료 농도와 임계 점화에너지
점화곡선의 가로축은 연료 체적농도 C, 세로축은 점화에너지(mJ, 로그눈금)이다. LEL과 UEL은 폭발성 혼합비의 양쪽 경계이며 MIE는 농도별 임계 점화에너지 곡선의 최솟값이다.
연료가 너무 적으면 연쇄반응을 유지하기 어렵고, 연료가 너무 많으면 산화제가 부족해진다. 혼합비가 가장 점화에 유리한 지점에서 임계 에너지가 최저가 되어 곡선이 U자형을 이룬다.
3.4 왜 MIE를 별도의 지표로 관리하는가?
위 관계 때문에 농도 C를 정확히 모르더라도 점화원 에너지가 MIE 미만이면 해당 가스·산화제·시험조건 범위에서 보수적인 점화방지 판단이 가능하다. 반대로 Esource가 MIE보다 크다고 하여 모든 농도에서 반드시 점화되지는 않는다.
현장에서는 가스 종류별로 기준조건의 MIE 자료를 관리하는 것이 일반적인 출발점이다. 원서 역시 점화곡선의 통상 발표조건을 공기·상온·대기압·촉매 없음으로 설명한다. 그러나 이 값은 실제 온도·압력·산화제·촉매 등의 조건이 크게 달라져도 무조건 유효한 보편상수가 아니다.
MIE는 통상 전기 스파크에 의한 점화 위험을 평가하는 특성값이다. 고온 표면, 화염, 충격·마찰 등 다른 점화원을 모두 MIE 하나로 판정할 수는 없다. 또한 가스 농도 모니터링·환기·누출 방지를 대체하지 않는다.
3.5 폭발한계 비교표와 UEL 100%의 예외
다른 조건이 같다면 UEL−LEL이 클수록 폭발 가능한 혼합농도 범위가 넓다. 원서의 값은 다음과 같다.
| 물질 | LEL (vol%) | UEL (vol%) | 물질 | LEL (vol%) | UEL (vol%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 아세틸렌 | 2.5 | 100 | 아세톤 | 2.5 | 12.8 |
| 부탄 | 1.5 | 8.5 | 이황화탄소 | 1.3 | 50 |
| 일산화탄소 | 12.5 | 74 | 에테르 | 1.9 | 36 |
| 산화에틸렌 | 2.6 | 100 | 가솔린 | 1.4 | 7.6 |
| 등유 | 0.7 | 5 | 히드라진 | 2.9 | 98 |
| 수소 | 4.0 | 74.2 | 메탄 | 4.4 | 17 |
| 프로판 | 2.1 | 9.5 | — | — | — |
원서는 아세틸렌과 산화에틸렌의 UEL이 100%라는 점에 주목한다. 이러한 물질은 외부 산화제가 없는 조건에서도 분해반응 등에 의해 폭발 가능성이 있다. UEL 100% = 반드시 폭발하거나 제어할 수 없다는 의미는 아니다. 실제 발생 여부는 반응 개시조건과 상태에 따라 달라진다.
수소처럼 연소에 외부 산화제가 필요한 연료는 연료와 산화제를 별도로 공급한다. 반면 히드라진과 같이 외부 산소 없이 발열 분해가 가능한 추진제는 공급·촉매접촉·반응조건 등을 제어할 수 있다. 따라서 ‘외부 산소 없이 폭발 가능’과 ‘제어 불가능’은 같은 뜻이 아니다. 이는 원서의 설명을 확장한 비교 사례다.
4. 32.1.3 Protective Measures — 방폭 보호대책
4.1 화재 삼각형 조건을 없애는 네 가지 접근
| 원서 보호방식 | 메커니즘 | 외부 점화/혼합조건 관점 |
|---|---|---|
| Contain the explosion | 내압방폭 외함에서 내부 폭발을 견디고 외부로 화염 전파를 차단 | 외부 분위기에 점화원을 전달하지 않음 |
| Shield the device | 청정 공기·가스 퍼지/가압으로 폭발성 분위기가 내부에 형성되지 않게 함 | 적절한 연료/산화제 혼합비 제거 |
| Encapsulated design | 스파크 발생 부품을 기밀하게 밀봉 | 점화원과 폭발성 분위기 격리 |
| Limit total circuit energy | 고장 시에도 점화능력이 없도록 전기회로 에너지 제한 | 점화 가능한 전기 에너지원 제거 |
4.2 내압방폭 — 내부 폭발을 외부로 전파시키지 않음
폭발압력을 견디는 견고한 외함을 사용한다. 내부에서 폭발이 발생하더라도 고온가스가 좁은 금속 틈을 지나면서 냉각되어 외부 폭발성 가스를 점화하지 않도록 한다. 이 원리는 앞서 설명한 MESG와 같다.
모든 볼트를 체결하지 않으면 설계된 내압강도 및 화염경로가 보장되지 않을 수 있다. 원서에서는 일부 볼트만 남겨두는 잘못된 유지보수 사례를 강하게 경고한다.
4.3 퍼지·가압 — 폭발성 분위기의 유입 방지
전기함 내부를 청정 공기 또는 적절한 가스로 퍼지하고 양압을 유지하여 위험한 혼합물이 형성되지 않게 한다. 압축공기를 사용한다면 압축기가 위험장소의 가스를 흡입하지 않도록 해야 한다.
4.4 밀봉 — 내부 점화원과 외부 분위기 격리
원서는 기밀밀봉된 수은 스위치를 예로 든다. 스파크 자체를 없애는 방식이 아니라 스파크와 폭발성 가스가 접촉하지 못하도록 하는 방식이다.
4.5 본질안전 — 전기회로 자체의 점화능력 제한
본질안전(Intrinsic Safety, IS)은 정상 상태뿐 아니라 규정된 고장조건에서도 위험 분위기를 점화할 충분한 에너지가 발생하지 않도록 설계한다. 원서는 정상 운전에만 초점을 맞추는 Nonincendive(비점화)와 구분한다.
| 상황 | Nonincendive | Intrinsic Safety |
|---|---|---|
| 정상 운전 | 점화 방지 | 점화 방지 |
| 고장조건 | 일반적으로 동일 보호를 보장하지 않음 | 인증에서 규정한 고장조건까지 점화 방지 |
4.6 수동형 안전배리어 — 직렬저항·제너다이오드·퓨즈
직렬저항은 현장측 단락 시 전류를 제한한다. 제너다이오드는 비정상 과전압에서 도통하여 현장기기를 우회하는 경로를 만든다. 퓨즈는 고장전류가 지속될 때 회로를 차단할 수 있다. 제너형 배리어에는 안전접지가 중요한 보호경로다.
정상시 4–20 mA가 흐른다는 사실만으로는 본질안전이 아니다. 배리어와 전체 회로 구성이 고장조건에서 안전성을 유지해야 한다. 원서는 제너의 단선 고장에 대비해 실제 수동배리어가 여러 제너다이오드를 병렬로 사용하기도 한다고 설명한다.
4.7 절연형 능동 배리어 — DC 고장전류 경로 차단
변압기는 직류를 직접 통과시키지 못하므로 변환회로를 통해 DC 신호정보를 교류 성분으로 바꾸고, 절연장벽 반대쪽에서 다시 복원한다. 원서는 이 방식의 배리어가 제너형과 달리 배리어의 안전접지를 필요로 하지 않는다고 설명한다.
4.8 Simple Apparatus — 발전형과 수동형 단순기기
배리어는 안전장소의 전원에서 현장으로 전달되는 에너지를 제한한다. 그러나 현장기기 스스로 발생시키는 전기 에너지는 별도의 평가가 필요하다. 원서는 열전대·pH 전극·광전 검출기를 발전형 단순기기의 예로 제시한다.
이 세 수치는 동시에 지켜야 하는 서로 독립된 상한이다. 25 mW가 언제나 실제로 발생하는 고정 전력이라는 뜻은 아니다.
따라서 1.5 V가 실제 출력이라면 전력 상한을 지키기 위해 전류가 16.7 mA 이하여야 하며, 100 mA를 출력한다면 전압은 0.25 V 이하여야 한다(동시에 발생하는 단자 전압·전류의 단순 모델).
원서는 회전속도에 비례해 통상 0–10 V를 발생시키는 타코제너레이터를 단순기기 한계를 초과할 수 있는 예로 들고, 출력이 충분히 낮은 광학 엔코더를 대안으로 설명한다.
자체 발전을 하지 않는 스위치·LED 표시등·RTD와 같은 수동형 단순기기는 원서 기준으로 소비전력이 1.3 W 이하여야 한다. 또한 내부 정전용량·인덕턴스에 저장된 에너지도 위험하지 않아야 한다.
4.9 본질안전 배선의 분리
원서는 NEC Article 504의 배선 요건으로 본질안전(Field Side)과 비본질안전(Supply Side) 도체의 최소 50 mm 분리, 단자 이탈 시 접촉하지 않도록 고정하는 방법, 연한 파란색을 본질안전 배선 식별용으로 사용하는 방식을 설명한다.
위 수치·배선분리·인증 논의는 2019년 발행 원서의 NEC 설명이다. 1.5 V/100 mA/25 mW나 1.3 W의 기준만을 만족한다고 현장 회로의 본질안전 인증이 자동으로 성립하지 않는다. 실제 적용에는 현행 적용 법규, 인증기기 조합, 케이블 특성 및 설치조건의 검증이 필요하다.
5. 오늘 문답에서 확정한 이해와 수정 사항
MIE는 농도별 점화곡선의 전역 최솟값이다. Esource < MIE라면 농도를 몰라도 해당 실험조건의 전기 스파크 점화 가능성을 배제할 수 있다. 다만 그 역은 성립하지 않는다.
일반 누출가스/공기 혼합물의 출발 자료로는 타당하다. 그러나 특수한 온도·압력·산화제·촉매 조건에서는 표준값의 적용성을 확인해야 한다. 모든 현장에서 온도·압력을 별도 제어변수로 두어야 한다는 뜻은 아니다.
위험특성을 시험·분류하여 규격과 제품 선정에 연결한다는 구조는 타당하다. 다만 Group은 MIE 하나로 나누지 않으며 원서는 MESG와 MICR을 소개한다. Zone·Division은 물질 특성이 아니라 폭발성 분위기의 존재 가능성을 나타낸다.
가스의 분자 크기나 기계적인 침투거리가 아니라 좁은 틈에서 화염이 소멸하는 정도가 다르기 때문이다. 반응속도·열손실·화염구조 등이 다르므로 화염전파를 차단하는 최대 틈새폭도 달라진다.
아니다. 외부 산화제가 없어도 발열 분해 등으로 폭발할 수 있다는 뜻이지 항상 폭발한다는 뜻은 아니다. 점화·반응 개시조건, 물질공급, 반응기·보호구조 등으로 관리한다. 산화제 차단만으로 충분하다고 단정하지 않는 것이 핵심이다.
곱은 150 mW다. 1.5 V, 100 mA, 25 mW는 각각 독립적인 최대 허용치이며 모두 만족해야 한다. ‘25 mW 고정’이 아니라 ‘25 mW 이하’가 정확하다.
6. 기술사 답안용 핵심 수식과 논리
| 내용 | 수식 또는 관계 | 가정/단위 |
|---|---|---|
| MESG | dmax,safe | mm; 표준 시험의 최대 안전 틈새 |
| MICR | Iign,gas / Iign,methane | 무차원; 최소점화전류비 |
| 폭발 가능한 농도 | LEL < C < UEL | 체적농도 vol% |
| 점화곡선 | Esource ≥ Ecrit(C) | mJ; 가스/산화제·시험조건 고정 |
| 최소점화에너지 | MIE = minC Ecrit(C) | mJ; 보충 수학화 |
| 보수적 점화방지 판단 | Esource < MIE | 해당 점화원/시험조건 내 한정 |
| 폭발범위 폭 | ΔC = UEL − LEL | vol%-point; 폭발강도와 동일하지 않음 |
| 압력에 의한 힘 | F = ΔP·A | N; 내압외함 이해용 보충식 |
| 전력 | P = VI | W; 동시에 작용하는 단자 V·I |
| 저장 에너지 | EC=½CV², EL=½LI² | J; C [F], L [H] |
32.1.1~32.1.3까지 정리. Chapter 32.2(확률의 개념), 32.3(신뢰도), PFD/SIL 등은 아직 본 학습일의 번역 범위가 아니므로 이번 문서의 본문에 포함하지 않는다.
7. 스캔 필기 확인 · 원본 보존
손글씨 스캔 3쪽을 아래에 함께 보존하였다. 읽을 수 있는 내용은 해당 절에 반영했고, 첫 쪽 상단의 전 장(Chapter 31) 관련 메모는 별도 표시하여 Chapter 32와 혼동하지 않도록 했다.
스캔 1쪽 상단 — Chapter 31.7 복습 메모(이번 장의 본문 아님)
「COFF = f(PV)」, 「CO = COFF + COFB」, Limit Control, Selector, Override 등의 키워드가 기록되어 있다. 이는 Chapter 31의 제어전략 메모로 보고 Chapter 32.1 본문 설명에 혼합하지 않았다.
