발열/흡열 반응의 HAZOP 연관성 분석

공정 내에서 발생하는 발열 반응(Exothermic reaction)과 흡열 반응(Endothermic reaction)은 온도 변화를 통해 시스템의 압력(Pressure)에 직접적인 영향을 미친다. 

 

 

 

발열/흡열 반응의 HAZOP 연관성 분석

공정 내에서 발생하는 발열 반응(Exothermic reaction)과 흡열 반응(Endothermic reaction)은 온도 변화를 통해 시스템의 압력(Pressure)에 직접적인 영향을 미친다. 이는 기체의 상태 방정식에 따라 온도 (T)와 압력 (P)가 비례 관계에 있기 때문이다.

 

 

발열 반응(Exothermic reaction)과 압력 상승(Pressure High)

발열 반응은 화학 결합 형성 과정에서 에너지를 방출하며, 이는 공정 유체의 온도를 급격히 상승시킨다.

1. 원인 기전(Mechanism):

• 반응 속도론(Reaction Kinetics)에 의해 온도가 상승하면 반응 속도가 가속화되고, 이는 다시 더 많은 열을 방출하는 폭주 반응(Runaway reaction)으로 이어진다.
• 액체 성분의 기화(Vaporization)가 촉진되거나, 분해 반응에 의해 비응축성 가스(Non-condensable gas)가 생성되면서 밀폐된 용기 내의 압력이 급격히 상승한다.

2. HAZOP 이탈과의 연관성:

• Cause: 냉각수(Cooling Water) 공급 중단으로 인한 제어 실패, 촉매 과다 투입, 원료 혼합비 오류.
• Deviation: Pressure High.
• Consequence: 용기(Vessel)의 설계 압력(Design Pressure) 초과 및 물리적 파열(Rupture), 안전 밸브(PSV) 분출.

 

 

흡열 반응(Endothermic reaction)과 압력 저하(Pressure Low)

흡열 반응은 주변으로부터 에너지를 흡수하여 진행되므로, 외부에서 열에너지가 지속적으로 공급되지 않으면 계(System)의 온도가 하강한다.

1. 원인 기전(Mechanism):

• 가열로(Furnace)나 열교환기(Heat Exchanger)를 통한 열 공급이 중단될 경우, 반응에 필요한 에너지를 유체 자체의 현열(Sensible heat)에서 빼앗아 온도가 급격히 떨어진다.
• 기체의 경우 온도가 낮아지면 부피가 수축하거나, 증기압(Vapor pressure)이 감소하여 계 내부가 진공(Vacuum) 상태로 변할 수 있다.

2. HAZOP 이탈과의 연관성:

• Cause: 가열 매체(Heating Medium) 공급 중단, 가열로 연료 차단.
• Deviation: Pressure Low.
• Consequence: 장비의 압착(Implosion) 위험, 진공 형성으로 인한 외부 공기 유입(Air Inleakage), 하류(Downstream) 공정의 유량 부족.

 

 

반응 특성에 따른 이탈 분석 요약표

반응 유형	온도 변화	압력 이탈 (Deviation)	주요 위험 결과 (Consequences)
발열 반응 (Exothermic)	상승	Pressure High	과압에 의한 폭발, 물질 유출, 화재
흡열 반응 (Endothermic)	하강	Pressure Low	진공 형성, 장비 압착, 외부 산소 유입

 

 

보호 장치(Safeguards)의 역할

이탈 분석 시 다음과 같은 보호 장치의 작동 여부를 검토한다.

• 발열 반응 대응: 고압 인터록(High Pressure Interlock), 긴급 냉각 시스템(Emergency Cooling), 반응 억제제(Quench System) 투입.
• 흡열 반응 대응: 저압 인터록(Low Pressure Interlock), 진공 파괴 장치(Vacuum Breaker), 질소 퍼지(N₂ Purge)를 통한 압력 유지.

 

 

요약

결과(Consequences)를 기술할 때는 해당 반응이 일어나는 용기의 설계 사양인 MAWP(Maximum Allowable Working Pressure)와 Full Vacuum 견딤 여부를 반드시 확인해야 한다.