원료 염소(Crude Cl₂ gas) 저장 및 이송 HAZOP

원료 염소(Crude Cl₂ gas)는 반응성이 매우 높고 강한 부식성과 독성을 지니고 있어, 안전한 저장을 위해 주로 액화 상태로 관리한다.

 

 

 

원료 염소(Crude Cl₂ gas) 저장 및 이송 HAZOP

Cl₂ gas 저장

Cl₂ gas 대량 저장 시에는 압력과 온도를 조절하여 부피를 줄이고 누출 위험을 최소화하는 방식을 채택한다.

1. 액화 저장 방식 (Liquefaction Storage)

기체 상태의 염소는 부피가 커서 저장 효율이 낮으므로, 냉각 또는 가압을 통해 액체 염소(Liquid Chlorine)로 변환하여 저장한다.

• 상온 가압 저장 (Pressurized Storage): 상온(약 25°C)에서 약 0.8 MPa 이상의 압력을 가하여 액체 상태를 유지한다. 중소규모 저장소에서 주로 사용하며, 견고한 강철제 압력 용기가 필요하다.
• 저온 상압 저장 (Cryogenic Storage): 대규모 저장 시설에서는 염소의 비점인 -34.1°C 이하로 냉각하여 대기압에 가까운 상태로 저장한다. 압력에 의한 용기 파손 위험을 줄일 수 있으나, 지속적인 냉동 설비 가동이 필수적이다.

2. 저장 용기 및 재질 (Materials of Construction)

염소는 수분과 반응하면 강력한 염산(HCl)을 형성하여 금속을 격렬하게 부식시킨다.

• 건조 염소 (Dry Cl₂): 수분이 제거된 상태에서는 탄소강(Carbon Steel) 사용이 가능하며, 상온에서 안정적인 피막을 형성한다.
• 습윤 염소 (Wet Cl₂): 수분이 포함된 경우 탄소강을 순식간에 관통하므로, 티타늄(Titanium), 하스텔로이(Hastelloy) 또는 라이닝(Lining) 처리가 된 특수 재질을 사용한다.
• 패킹 및 가스켓: 염소에 내성이 있는 테플론(PTFE) 소재를 주로 사용한다.

3. 안전 설비 및 배치 (Safety Systems)

독성 가스 저장소로서 법규에 따른 엄격한 안전 장치를 구성한다.

• 이중 밸브 및 긴급 차단 장치 (ESD): 저장 탱크 인입 및 출구 배관에는 긴급 상황 시 원격으로 차단 가능한 자동 밸브를 설치한다.
• 중화 설비 (Scrubber): 누출 사고 발생 시 기화된 염소를 흡입하여 가성소다(NaOH) 수용액 등으로 세정 및 중화하는 스크러버 시스템을 상시 대기시킨다.
• 방호벽 및 감지기: 저장 구역 주위에 방호벽을 설치하고, 바닥면 근처(염소는 공기보다 무거움)에 가스 검지기를 배치하여 조기 경보 체계를 구축한다.

 

 

Cl₂ gas 이송 및 충전 (Loading and Unloading)

• 압축 가스 이송: 건조 공기나 질소(N₂)를 탱크 상부에 가압하여 액체 염소를 밀어내는 방식을 사용한다.
• 펌프 이송: 액체 염소 전용 캔드 펌프(Canned Motor Pump)를 사용하여 기밀을 유지하며 이송한다.

 

 

HAZOP 사례

염소는 독성이 강하고 공기보다 무거우며, 수분 존재 시 부식성이 급격히 증가하는 특성을 고려하여 위험을 분석한다.

1. 유량 (Flow) 이탈

(1) 과대 유량 (More Flow)

• 원인: 공급 펌프의 제어 실패, 상공정(전해 공정)의 부하 급증, 제어 밸브(FCV) 개방 고착.
• 결과:

       - 과충전(Overfilling): 탱크 내부 기상 공간(Ullage)이 사라져 급격한 압력 상승 유발.

       - 냉각 부하 초과: 액체 염소 정제/냉각 공정에서 설계 용량을 초과하여 미처 액화되지 않은 기체 염소가 탱크로 유입, 압력 상승 초래.

• 안전조치: 유량 고알람(FHA), 고액위 차단 연동(LSHH Interlock), 안전밸브(PSV) 설계치 검토.

(2) 과소/유량 없음 (Less/No Flow)

• 원인: 공급 펌프 고장, 배관 내 막힘(부식 생성물 등), 상공정 정지, 밸브 오조작(오폐쇄).
• 결과:

       - 펌프 손상: 유량 부족으로 인한 펌프 캐비테이션(Cavitation) 및 과열.

       - 공정 정지: 하공정(정제 공정)으로의 원료 공급 중단에 따른 생산 차질.

       - 진공 형성: 탱크 하부에서 액체를 인출할 때 공급이 끊기면 탱크 내부 진공 발생 위험(설계 압력이 진공에 견디지 못할 경우).

• 안전조치: 저유량 알람(FLA), 펌프 저유량 보호 회로(Minimum Flow Line), 탱크 진공 방지 장치(Vacuum Breaker - 단, 염소의 경우 외부 공기 유입 방지를 위해 질소 퍼지 등으로 대응).

(3)역류 (Reverse Flow)

• 원인: 이송 펌프 정지, 체크 밸브(Check Valve) 고장, 저장 탱크 내 압력 급증.
• 결과: 상공정(전해조 등)으로 액체 염소가 유입되어 설비 파손 및 대량 누출 사고 발생.
• 안전조치: 이송 배관에 신뢰성 높은 역지밸브 설치, 펌프 후단 자동 차단 밸브(XV)와 연동(Interlock) 구성.

 

 

2. 압력 (Pressure)

• 이탈: 고압 (High Pressure)
• 원인: 탱크 외부 화재에 의한 입열, 냉동 설비 고장으로 인한 액체 염소 기화, 과충전(Overfilling).
• 결과: 저장 탱크의 설계 압력(P₀) 초과로 인한 용기 파열 및 대량의 독성 가스 대기 확산.
• 안전조치: 압력 전송기(PT) 설치 및 고압 알람, 안전밸브(PSV) 설치 및 배출 가스를 중화 설비(Scrubber)로 연결.

3. 온도 (Temperature)

• 이탈: 고온 (High Temperature)
• 원인: 주위 온도 상승, 보냉재 파손, 냉각 매체 공급 중단.
• 결과: 탱크 내부 압력 상승 유발 및 탄소강 재질의 고온 부식 가속화.
• 안전조치: 온도 전송기(TT)에 의한 냉각 시스템 자동 기동, 탱크 외부 살수 장치(Water Spray) 설치.

4. 액위 (Level)

• 이탈: 고액위 (High Level)
• 원인: 유량 제어 밸브(LCV) 개방 고착, 액위 계측기(LT) 오류로 인한 지속 공급.
• 결과: 탱크 상부 공간(Ullage) 부족으로 인한 압력 급증 및 액체 염소의 안전밸브 전단 유입.
• 안전조치: 독립된 고액위 차단 스위치(LSHH) 설치 및 공급 배관 긴급 차단 밸브(EBV) 연동.

5. 성분 (Composition)

• 이탈: 불순물 유입 (Contamination - Moisture)
• 원인: 전처리 건조 공정(H₂SO₄) 효율 저하, 외부 공기(습기) 인입.
• 결과: 건조 염소가 습윤 염소로 변화하여 탄소강 배관 및 탱크의 격렬한 부식(Pitting)과 핀홀 발생.
• 안전조치: 공급 라인에 수분 분석기(AI) 설치, 노점(Dew Point, Tᵈₚ) 상시 모니터링, 부식 여유율 확보 및 주기적 비파괴 검사(RT/UT) 실시.

 

 

<표 1> HAZOP 분석 요약표

이탈 (Deviation)	원인 (Causes)	결과 (Consequences)	안전조치 (Safeguards)
과대 유량 (More Flow)	FCV 개방 고착, 펌프 오작동	과충전 및 탱크 가압	FHA, LSHH-EBV 연동
과소/유량 없음 (Less/No Flow)	필터 막힘, 펌프 고장	공정 중단, 펌프 소손	FLA, 저유량 펌프 정지 연동
역류 (Reverse Flow)	펌프 정지, 압력 역전	상공정 오염 및 파손	역지밸브, 자동 차단 밸브
고압 (High Pressure)	외부 화재, 기화	탱크 파열, 독성 가스 누출	안전밸브, 중화 설비 연결
고온 (High Temperature)	냉각 실패, 외부 입열	압력 상승, 부식 가속	온도 알람, 냉각기 연동
고액위 (High Level)	제어 밸브 고장	액체 오버플로우, 가압	LSHH 연동 차단 밸브
불순물 유입 (As Well As Contamination - Moisture)	건조기 효율 저하	설비 부식 및 관통	수분 분석기, 노점 관리