폭발의 개념 종류, 물리적 폭발과 화학적 폭발

 폭발이란, 고압의 가스를 주위 환경으로 급속하게 방출하여 발생하는 과열 또는 연소 현상을 말하며, 급격히 기체가 발생하여 그 체적이 순간적으로 중대하고 열이나 빛, 소리, 압력, 충격 등을 일으키는 현상으로 급속히 진행되는 화학반응에서, 반응에 관여하는 물체가 급격히 또는 현저하게 그 용적을 증가하는 반응으로 화재와의 차이점은 일반적으로 에너지 방출 속도로 구분되며, 폭발은 높은 에너지 방출 속도를 가지고 큰 음향을 동반하면서 기계적 일(파열)을 생성하는 것

 

 (1) 폭발의 원인

 - 핵분열 : 방사성 물질의 핵분열은 급속한 에너지 방출로 핵폭발을 초래

 - 급격한 상변화 : 고압용기나 고온의 물체 등에서 급격한 상변화에 따른 체적팽창은 폭발을 초래, 고압 탱크의 파손, 고온 물체의 물 접촉에 의한 수증기 폭발, 증기 폭발 등이 이러한 원인으로 발생하며, 연소는 수반되지 않는 폭발

 - 화학적 반응열의 발생이나 축적 : 산화 열, 분해열, 중합 열, 등이 폭발적으로 발생하여 일어나는 폭발

 

 (2) 폭발의 종류

 원인별 분류

  - 핵폭발 : 1) 원자의 분열 또는 융합에 동반하여 발생하는 급격한 에너지의 방출로 인하여 발생하는 폭발
                  2) 원자핵의 분열 또는 융합에 동반되는 급격한 에너지의 방출로 인하여 발생하는 폭발

 

  - 핵융합 : 물질에 큰 에너지를 부여하여 질량이 증가
 

  - 물리적 폭발 : 물리적 변화를 주체로 한 폭발로서, 고압용기의 파열, 탱크의 감압 파손, 액체의 폭발적인 증발 등 눈에 보이는 물리적 변화로 파괴

  - 화학적 폭발 : 1) 화학 반응에 의한 폭발적인 연소, 중합, 분해, 반응 폭주 등에 의하여 발생하는 폭발
                          2) 연소를 동반하는 특징
                          3) 산화 폭발, 중합 폭발, 분해 폭주 등이 이에 해당          

 

 원인물질 상태의 분류
  - 기상폭발 : 기체 상태의 물질이 폭발을 발생시키는 것
 1) 화학적으로는 가연성가스 연소의 일종
 

 2) 지연성 가스(산소), 점화 에너지가 필요하며 화염을 동반( 단, 분해폭발은 산소가 불필요)
 

 3) 기상폭발의 종류
  ㄱ. 가스폭발 : 가연성가스와 지연성 가스의 혼합기체가 폭발적으로 연소하며 발생
  ㄴ. 분무 폭발 : 공기 중으로 분출된 가연성 액체의 미세화 액상이 무상화 되어 공기와 혼합되어 폭발
  ㄷ. 분진폭발 : 가연성 고체가 미분 상태로 공기 중에서 부유할 때, 발생하는 폭발
  ㄹ. 분해폭발 : 분해 시 발열하는 분해 폭발성 가스가 지연성 가스 없이 분해되며 발열, 압력 상승으로 폭발
 

 4) 분무, 분진 폭발이 기상폭발인 이유 : 액상이나 미분이 열분해, 증발 등을 통하여 폭발
  - 응상 폭발 : 응상이란, 고상 + 액상의 형태로 기상에 비해 밀도가 100~1,000배이며, 기상 폭발과 그 양상이 다름 

  응상 폭발의 종류
  ㄱ.  증기 폭발 : 액상에서 기상으로의 급격한 상변화에 따른 체적팽창으로 발생하는 폭발
  ㄴ. 고체와 액체상 전이 폭발 : 고상에서 또 다른 형태의 고상으로 전이되면서 발생하는 폭발로서, 무정형 안티몬이 고상의 안티몬으로 전이 시 발생
  ㄷ. 전선 폭발 : 알루미늄계 전선에 큰 전류가 흘러 순식간에 가열, 용융, 기화가 진행되면서 발생하는 폭발, 알루미늄은 동에 비해 저렴하고 경량이지만, 도전율이 67[%] 정도로 동의 97[%] 보다 낮아 열 축적이 쉬워 폭발할 우려가 비교적 큼 

 

 (3) 물리적 폭발과 화학적 폭발

  - 물리적 폭발
 

 1) 물리적 폭발의 개념 : 물리적 폭발은 물리적 변화를 주체로 한 것으로서, 고압용기의 파열 탱크의 감압 파손, 물질의 폭발적 증발이 주요 원인, 화학적 변화( 산화, 분해, 중합 등)를 수반하지 않는 고압 기체의 방출로서 대부분 급격한 기화 현상에 의해 발생

 2) 물리적 폭발의 종류 

  1. 보일러의 물리적 폭발
  ㄱ. 보일러는 밀폐용기 속에 물을 100℃ 이상으로 가열하여 고온, 고압의 수증기를 만드는 장치
  ㄴ. 용기의 부식, 피로, 균열 등에 의하여 내압이 감소하나, 보일러의 과열로 내부 수증기 압력이 상승하면 용기가 파손되면서 물리적 폭발 발생
  ㄷ. 내압 : 용기를 구성하는 재료가 견딜 수 있는 압력

  2. LPG 탱크의 물리적 폭발
  ㄱ. 탱크로리에서 LPG를 하차 시에 호스 커플링의 손상 등으로 인해 탱크가 폭발할 수 있음
  ㄴ. 탱크의 안전 변이 작동하여 가스가 분출되어 불붙여 화염이 발생, 안전 변이 방출 능력이 부족하면 탱크의 내부압력이 상승
  ㄷ. 탱크의 정상부는 외부 화염에 의해 가열되어 내압 강도가 저하되고, 결국 탱크가 파열되어 LPG의 증기 폭발이 발생
 

  3. 제철소에서의 수증기 폭발
  ㄱ. 고온의 용융 금속 등을 물속에 투입하거나 물을 접속하게 되면, 물이 급격하게 수증기가 됨
  ㄴ. 이러한 기화 팽창으로 폭발이 발생

 

 - 화학적 폭발
 

  1) 화학적 폭발의 개념 : 물질의 화학 반응으로 온도가 상승, 과열되어 단시간 내에 급격한 압력 상승이 발생하여 이 압력이 급격히 방출되면서 발생하는 폭발
  ㄱ. 흡열반응 : 외부에서 풍부하게 열이 공급되고, 그 반응으로 증기가 생성되는 특수한 경우에만 폭발이 발생
  ㄴ. 발열반응 : 반응으로 열이 발생하며, 다시 열에 의해 반응이 가속, 이에 따라 점점 가속된 반응이 제어 불능 상태로 폭

 

  2) 화학적 폭발의 종류 

  1. 산화 폭발
  ㄱ. 연소라는 산화 반응으로 발생하는 폭발, 가연성 가스나 증기 분진 증이 공기와 반응하여 폭발
  ㄴ. 가연성 가스의 누출, 인화성 액체 탱크 내부로의 공기 유입, 분진 운 형성 등과 같은 폭발성 혼합기체가 형성된 상태에서 점화원에 의해 점화, 폭발하는 것

 

  2. 분해 폭발
  ㄱ. 분해 반응이 발열 반응인 분해 폭발성 가스(아세틸렌, 에틸렌 등)가 압축 등 어떠한 원인에 의해 분해되어 발열, 점화, 압력상승 되어 폭발하는 것
  ㄴ. 아세틸렌의 분해 반응(발열 반응)
  C2H2 -> 2C + H2 + 54[㎉/mol]

 

  3. 중합 폭발
  ㄱ. 염화비닐, 초산비닐 등과 같은 중합물 질 모노머가 폭발적으로 중합되어, 발열하고 압력이 상승하여 폭발하는 것
  ㄴ. 분출되는 모노머가 가연성 증기 운을 형성하여 '개방형 증기 운 폭발'을 발생시킴
  ㄷ. 중합 반응은 적절한 냉각 설비를 반응 장치에 적용하여 이상 반응을 방지시켜야 함