Batch EVA & Crystallizer HAZOP

일체형 설비(Integrated Evaporator-Crystallizer)를 회분식(Batch)으로 운전할 경우, 시간의 흐름에 따라 물리적 상태(액위, 농도, 점도)가 급격히 변하므로 공정 단계별(Step-by-step) 이탈 분석이 필수적이다.

 

 

 

Batch EVA & Crystallizer HAZOP

주요 작동 원리 및 공정 단계

일체형 반응기는 압력과 온도를 정밀하게 제어하여 농축 단계 (EVA), 결정화 단계 (CRYSTALLIZER) 순으로 작동한다.

1. 진공 증발 (Vacuum Evaporation): 시스템 내부 압력(Pₐ)을 낮추어 낮은 온도에서 용매를 증발시킨다. 이는 열에 민감한 물질의 변질을 방지하고 에너지 소비를 줄인다.
2. 과포화 유도 (Inducing Supersaturation): 증발에 의해 용매량이 감소하면 용액 내 용질의 농도(Cₐ)가 포화 농도(Cₛ)를 초과하게 된다. S = Cₐ / Cₛ(S: 과포화도 (Supersaturation Ratio), S > 1일 때 결정 생성 시작)
3. 결정 성장 및 배출: 생성된 핵(Nuclei)이 일정 크기 이상으로 성장하면 하부의 배출 밸브를 통해 슬러리 상태로 발출한다.

 

 

HAZOP 이탈 분석

1. 온도 (Temperature) - 이탈: 높음 (More Temp)

● 공정 단계: 농축(Evaporation) 및 결정 성장 단계

1) 원인 (Causes):

• 가열용 스팀 조절 밸브(TCV)의 수동 조작 오류 또는 개방 고착
• 진공 시스템 효율 저하로 인한 내부 압력 상승 및 비점(Boiling Point) 동반 상승
• 공급 원료의 조성 변화로 인한 비점 상승(BPE, Boiling Point Elevation) 현상 발생
• 결정 부착(Scaling)에 의한 온도계(TE) 감지 지연 (Time Lag)

 

2) 결과 (Consequences):

• 용액의 열분해 및 탄화(Coking)로 인한 제품 품질 저하
• 용매의 급격한 기화(Bumping)로 인한 비말 동반(Entrainment) 및 상부 라인 폐쇄
• 열민감성 물질의 분해 및 가스 발생에 따른 내부 가압

 

3) 안전장치 (Safeguards):

• 온도 지시 제어기(TIC)와 연동된 스팀 차단 밸브(XV) 
• 고온 알람(TAH) 및 비상 냉각수(Emergency Cooling Water) 주입 시스템

 

 

2. 압력 (Pressure) - 이탈: 높음 (More Pressure)
● 공정 단계: 진공 증발 단계

1) 원인 (Causes): 증발된 가스가 배출되는 벤트(Vent) 또는 응축기(Condenser) 라인의 폐쇄(Clogging)

• 응축기 냉각수 공급 중단으로 인한 증기 미응축
• 외부 공기 유입(Air Leak) 또는 불응축 가스 축적

2) 결과 (Consequences): 반응기 물리적 변형 및 파열

• 고온 증기 유출에 의한 화상 및 대기 오염
• 증발 속도 저하로 인한 공정 지연

3) 안전장치 (Safeguards): 압력 안전 밸브(PSV) 및 파열판(Rupture Disk)

• 압력 지시 제어기(PIC)와 연동된 가열원(Steam) 차단 인터록
• 응축기 냉각수 저유량 알람(FAL)

 

 

3. 압력 (Pressure) - 이탈: 낮음 (Less Pressure / High Vacuum)

● 공정 단계: 진공 증발 단계

1) 원인 (Causes):

• 진공 조절 밸브(VCV) 오작동으로 인한 과도한 진공 형성
• 용매 증발 속도 대비 응축기(Condenser) 용량 과다

2) 결과 (Consequences):

• 반응기 본체 및 내부 장치(Internal)의 압착(Implosion) 위험
• 낮은 온도에서 급격한 결정 석출로 인한 불균일한 입도 형성

3) 안전장치 (Safeguards):

• 진공 파괴 밸브(Vacuum Breaker) 및 질소(N₂) 보압 시스템
• 반응기 설계 압력 확인 (Full Vacuum 견딤 설계 여부)

 

 

4. 유량 (Flow) - 이탈: 적음/없음 (Less/No Flow - Coolant)
● 공정 단계:진공 증발 단계

1) 원인 (Causes): 응축기(Condenser)로 공급되는 냉각수 펌프 정지

• 냉각수 배관 내 스케일 부착으로 인한 유로 협소화

2) 결과 (Consequences): 증발된 용매가 응축되지 못해 시스템 압력 급상승

• 진공 펌프로 고온 증기가 유입되어 펌프 손상 및 진공 파괴

3) 안전장치 (Safeguards): 냉각수 유량계(FT) 설치 및 저유량 시 가열원 차단 연동

• 응축기 전후단 온도차(ΔT) 모니터링

 

 

5. 조성 (Composition) - 이탈: 높음 (More Concentration)
● 공정 단계: 진공 증발 단계

1) 원인 (Causes): 증발 단계의 과도한 지속 (회분식 운전 시 시간 관리 실패)

• 공급 원료 내의 불순물 함량 증가

2) 결과 (Consequences): 슬러리 농도 급증으로 인한 교반기 모터 과부하 및 정지

• 열전달 경계층에서 고형물 부착(Scaling) 가속화로 전열 효율 저하

3) 안전장치 (Safeguards): 교반기 모터 전류계(IT)를 통한 부하 실시간 감시

• 밀도계(DT) 또는 굴절계(Refractometer)를 이용한 농도 기반 자동 정지 로직

 

 

6. 교반/점도 (Agitation/Viscosity) - 이탈: 정지 (No Agitation)

● 공정 단계: 결정화 진행 및 슬러리 배출 단계

1) 원인 (Causes):

• 모터 전원 차단 또는 구동 벨트 파손
• 과도한 증발로 인한 고형분 농도 급증 및 점도 상승 (교반기 토크 초과)

2) 결과 (Consequences):

• 결정의 바닥 침전 및 고착(Caking)으로 인한 배출 불능
• 국부 과열(Hot Spot) 발생으로 인한 물질 분해 및 화재 위험

3) 안전장치 (Safeguards):

• 교반기 모터 전류(Amperage) 고저 알람 및 인터록
• 저속/고토크 사양의 교반기 선정 및 비상 수동 회전 장치
• 점도 실시간 모니터링을 통한 용매 추가 투입 로직

 

 

7. 시간 (Time) - 이탈: 김 (More Time)

● 공정 단계: 전체 회분식 사이클(Batch Cycle)

1) 원인 (Causes):

• 열교환기 표면 오염(Fouling)에 따른 전열 계수(U) 저하
• 유입 원료의 농도 저하로 인한 증발 필요량 증가

2) 결과 (Consequences):

• 제품의 열 이력(Heat History) 누적으로 인한 품질 저하
• 후속 공정 대기에 따른 전체 공정 효율 감소

3) 안전장치 (Safeguards):

• 공정 단계별 타이머 설정 및 지연 시 알람 발생
• 세정 주기(Cleaning Cycle, CIP) 최적화 및 전열 성능 모니터링

 

 

8. 레벨 (Level) - 이탈: 낮음 (Less Level)

● 공정 단계: 증발 마무리 및 결정화 초기 단계

1) 원인 (Causes):

• 예상보다 빠른 증발 속도로 인한 액위 급감
• 배출 밸브(Bottom Valve)의 미세 누설
• 액위 제어기(LIC) 고장으로 인한 배출 밸브 오개방

 

2) 결과 (Consequences):

• 가열 코일(Internal Coil) 노출에 의한 국부 과열 및 화재 위험 (Dry-up)
• 교반기 공회전으로 인한 기계적 진동 및 씰(Seal) 손상
• 고농축에 의한 조기 결정화로 설비 하부 폐쇄

 

3) 안전장치 (Safeguards):

• 저액위 지시 경보(LAL) 및 가열원 즉시 차단 연동
• 비상 용매 주입(Emergency Solvent)을 통한 액위 확보

 

 

PSM 측면에서의 주요 점검 항목

• 압력 관리: 진공 증발 시 압력 변동에 따른 급격한 비등(Bumping) 방지 조치를 확인한다.
• 스케일 형성 (Scaling): 열교환기 표면에 고체 침전물이 쌓여 전열 효율이 급감하거나 국부 과열이 발생하는지 모니터링한다.
• 안전밸브 (PSV): 증기 증발로 인한 과압 발생 시 적정 용량의 안전밸브가 작동하는지 설계 자료를 검토한다.

 

PSM 관점에서의 설비 관리 포인트

• 교반기 씰(Mechanical Seal) 건전성: 고농도 슬러리와 증기가 공존하므로 씰의 마모 및 누설 여부를 상시 확인한다.
• 스케일링 및 고착 (Fouling): 벽면에 결정이 달라붙어 전열 성능이 저하되거나 교반 날개에 간섭을 주는지 점검한다.
• 비상 냉각 시스템: 반응 폭주나 과압 발생 시 가열원을 즉시 차단하고 냉각수를 주입하는 인터록(Interlock)의 정상 작동 여부가 중요하다. Tₛₑₜ < T_decomposition(Tₛₑₜ: 안전 차단 설정 온도, T_decomposition: 물질의 분해 온도)