회분식 반응기(Batch Reactor)의 위험성

회분식 반응기는 소규모 운전이나 완전히 개발되지 않은 새로운 공정의 시험, 고가의 생성물 제조, 그리고 연속 조작으로 전환하기가 용이하지 않은 공정들에 대해 사용된다.

발열반응에서의 잠재위험요인은 발생된 에너지의 제거가 정상 조건을 벗어나는 경우와 발생되는 에너지의 양이 정상 조건을 벗어나는 경우로 나눌 수 있다.

 

 

 

 

회분식 반응기(Batch Reactor)의 위험성 

회분식 반응기(Batch Reactor)

 

회분식 반응기의 장점은 반응물을 반응기에 장시간 놓아 둘 수 있음으로 해서 높은 전화율을 얻을 수 있다는 것이고, 단점은 한번 반응 완료 후 세척이나 준비를 위해 휴지기간을 가지기 때문에 단위 생산량당 인건비가 비싸고 대규모 생산이 어렵다는 것이다.

 

이에 더해 반회분식 반응기가 있는데, 회분식 반응기와 같은 단점을 지니고 있지만 온도 조절이 용이하다는 장점과 반응물 중의 성분의 농도를 낮게 유지 함으로써 원하지 않는 부반응을 최소화시킬 수 있는 특징을 지니고 있다.

 

액-액 반응이나, 기-액 반응 등에 주로 이용되며 기체가 액체 내부에서 분사되는 방식을 통해 이루어지는 2상 반응에서도 사용된다.

 

회분식 반응기 재해예방 매뉴얼.hwp

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발열반응에 대한 잠재위험요인

발열반응에서의 잠재위험요인은 발생된 에너지의 제거가 정상 조건을 벗어나는 경우와 발생되는 에너지의 양이 정상 조건을 벗어나는 경우로 나눌 수 있다.

 

반응열을 제거하여 원하는 온도로 제어하는 방법은 크게 반응기의 Jacket을 통한 냉각과 외부에 설치된 열교환기를 이용한 냉각이 있다. 2가지 방법 모두 반응기 내의 온도를 고르게 유지하기 위하여 교반기를 이용한다는 점은 동일하다.

 

Jacket을 통한 냉각은 열전달 면적이 적 은반면 외부에 설치된 열교환기를 통한 냉각은 반응기의 내부 물질을 냉각하여 다시 반응기 내부로 환류시킴으로써 냉각 효과를 크게 기대할 수 있는 방법이다. 대부분의 회분식 반응기에서는 2가지 방법 모두를 사용한다. 특히 반응과 무관한 용제를 첨가하여 용제의 증발 잠열을 이용한 냉각이 많이 이용된다.

 

발생되는 에너지의 양이 정상조건을 벗어나는 경우는 반응 원료나 촉매의 투입량 혹은 종류가 달라지는 경우에 초래될 수 있으며 이러한 경우에는 반응열 제거 설비가 정상적으로 작동하더라도 온도의 증가로 인한 최악의 가상사고를 초래할 수 있으므로 특히 관심을 가져야 하는 사항이다.

 

 

 

회분식 공정에서의 수동운전 특성

회분식 공정에서 작업자의 운전에 대한 기여도는 연속공정에 비하여 높다.

작업자에게 주어지는 다양한 작업을 유형별로 나열하면 다음과 같다.

 

▷ 일정관리 (Scheduling)

▷ Equipment setup

▷ 청소 (Cleaning)

▷ 원료 투입 (Charging)

▷ 작업 수행 (Executing and controlling procedure)

▷ 감시 (Monitoring)

▷ 수정 및 조치 (Fault diagnosis and corrective action)

▷ 시료 채취 (Sampling)

▷ 제품 처리 (Handling of finished and off-spec/partially finished products)

▷ 유지 관리 (Maintenance)

▷ 비상조치 (Emergency response)

▷ 기록 (Process logging)

▷ 소통 (Communication)

 

 

 

회분식 반응기에서의 가상사고 유형

회분식 반응기에 있어서 최악의 가상사고는 반응기의 압력 상승에 따른 파열이라고 할 수 있다. 따라서 회분식 반응기에 대한 정성적 위험성평가를 수행하여 반응기의 압력을 상승시키는 요인을 도출하여야 한다. 반응공정에서의 압력 상승 요인은 온도 제어가 실패하거나 장치 set-up시 vent block에 의해 초래될 수 있다.

 

(1) 압력 상승 원인

▷ Gas phase의 온도 증가

▷ 급격한 Gas evolution

▷ Decomposition side-reaction 등

▷ Vent blocking

▷ 압력제어기기의 고장

 

(2) 온도제어 실패의 원인

▷ 냉매 공급 실패

▷ 온도제어기기의 고장

▷ 반응제어의 실패

▷ 인적오류 (열매의 공급 혹은 냉매의 공급불량)

▷ 기타

 

(3) 반응제어 실패의 원인

▷ 너무 많거나 적은 양의 원료를 투입하는 경우.

▷ 너무 빠르거나 너무 천천히 원료를 투입하는 경우.

▷ 교반기가 고장나는 경우.

▷ 잘못된 원료를 투입하는 경우.

▷ 이상반응을 초래할 수 있는 불순물이 유입되는 경우.

 

이러한 압력상승의 요인 중 일부는 설비의 설계단계에서 고려되지 못하는 경우가 많으므로 압력방출 설비나 냉각설비가 갖추어져 있다고 하더라도 근본적인 원인 발생을 방지하지 않는 한 사고의 피해를 줄일 수 없다.

 

 

 

물질의 위험성

반응기 내의 물질은 투입되는 반응물과 생성되는 생성물로 나눌 수 있다.

이러한 모든 취급물질의 물리적 성질은 반응기의 운전조건에 따른 물리적 상태의 변화를 예측할 수 있도록 한다. 또한 화학적 성질은 반응기의 운전조건이 정상 조건을 벗어난 상황에서 분해되거나 또 다른 반응을 일으키는지에 대한 예측을 가능하게 한다.

정상반응에서의 반응물과 생성물의 물리적 화학적 특성을 완전히 파악한 후에 이러한 물질들이 분해되거나

side-reaction을 일으킬 수 없는 상태를 유지하는 것이 가장 중요하다고 할 수 있다. 

 

회분식 반응기 공정안전 점검 체크리스트

KOSHA에서 제공한 "회분식 반응기 공정안전 점검 체크리스트"를 첨부하였다.

 

회분식 반응기 공정안전 점검 체크리스트.hwp

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Reference : 1. KOSHA, 회분식 반응기의 사고예방모델 개발
                2. KOSHA, 회분식 반응기 재해예방 매뉴얼