회분식 반응기 반응 단계 HAZOP

반응기 set(교반기 부착 자켓 반응기, 콘덴서, 리시버) 설비에서 톨루엔(Toluene) 및 THF(Tetrahydrofuran) 용매를 사용한 저온 반응(5°C, 10시간) 공정에 대한 HAZOP(Hazard and Operability Study) 분석 사례를 공유하고자 한다.

 

 

 

회분식 반응기 반응 단계 HAZOP

해당 공정은 인화성 액체를 취급하며 저온 유지가 핵심이므로, 냉각 실패에 따른 압력 상승 및 정전기 발생, 용매 누출 위험을 중점적으로 검토한다.

공정 개요 및 노드(Node) 설정

• 대상 노드: 원료 투입 후 반응기(R-01) 내 반응 및 환류(Reflux) 공정 구간
• 공정 조건: 온도 5°C (Brine 냉각), 압력 상압, 반응 시간 10시간
• 주요 물질: 톨루엔(인화점 4°C), THF(인화점 -14.5°C, 과산화물 형성 위험), 원료 및 촉매

 

 

원료 투입 및 반응 HAZOP 분석

1. HAZOP Worksheet

이탈 (Deviation)	원인 (Causes)	결과 (Consequences)	안전장치 (Safeguards)	개선권고사항 (Recommendations)
높은 온도 (More Temp)	1. 브라인(Brine) 공급 펌프 정지 2. 자켓 공급 밸브 오작동 3. 교반기 정지로 인한 국소 핫스팟(Hot-spot) 발생	1. 용매(THF, 톨루엔) 증발량 급증으로 인한 반응기 내압 상승 2. 급격한 반응(Exothermic) 시 폭발 위험	1. 반응기 온도 고알람(TAH) 2. 브라인 유량계 및 연동 밸브 3. 냉각수 비상 공급 라인	1. 온도 고고알람(TAHH) 시 냉각수 최대 공급 및 원료 투입 차단 인터록(Interlock) 설정
낮은 온도 (Less Temp)	1. 브라인 과다 공급 및 온도 조절계(TIC) 고장	1. 반응 속도 저하로 인한 미반응 원료 축적 2. 농도 불균형으로 인한 후속 공정 위험	1. 온도 저알람(TAL)	1. 저온 시 가열(Steam/Hot Water) 전환 방지 인터록 확인
높은 압력 (More Press)	1. 냉각 실패로 인한 대량 증발 2. 콘덴서(Condenser) 냉각수 차단 3. 리시버 벤트(Vent) 라인 폐쇄	1. 반응기 및 연결 부위 파손으로 인한 유증기 누출 2. 화재 및 폭발 위험	1. 압력 안전 밸브(PSV) 설치 2. 파열판(Rupture Disk) 적용 3. 응축기 전단 압력계	1. PSV 토출측을 안전한 지역(Flare Stack 또는 Scrubber)으로 연결 확인
높은 유량 (More Flow) - 투입	1. 원료/용매 투입 밸브 개방 고착 2. 투입량 계산 오류	1. 반응기 오버플로우(Overflow) 2. 과량 반응으로 인한 급격한 온도 상승	1. 하이레벨 알람(LAH) 2. 유량계(FT) 연동 자동 차단	1. 리시버 및 반응기 레벨 연동 투입 차단 로직(Logic) 검증
그외 (Others) - 정전기	1. 용매 투입 시 유속 과다 2. 접지(Earthing) 불량	1. 정전기 방전에 의한 톨루엔/THF 증기 화재	1. 설비 본딩 및 접지 2. 불활성 기체(N₂) 퍼지 유지	1. 투입 배관의 유속을 1 m/s 이하로 제한하고 딥 파이프(Dip Pipe) 설치 확인

 

 

2. 주요 위험 요소 및 기술적 근거

1) 인화성 증기 확산 방지 (KOSHA Guide P-107-2020)

톨루엔과 THF는 인화점이 매우 낮아 상온에서도 폭발 분위기를 형성하기 쉽다. 특히 리시버(Receiver) 벤트 라인을 통해 배출되는 증기는 반드시 응축 처리되거나 세정 설비로 유입되어야 한다.

2) THF의 과산화물(Peroxide) 형성 (MSDS 및 화학물질관리법)

THF는 장기간 공기 노출 시 폭발성 과산화물을 형성한다. 반응 종료 후 리시버에 잔류하는 THF에 대한 질소 밀봉(Nitrogen Blanketing) 상태를 상시 유지해야 한다.

3) 정전기 및 유속 제한 (KOSHA Guide D-45-2020)

비전도성 액체인 톨루엔 투입 시 정전기 축적을 방지하기 위해 다음 식을 참고하여 제한 유속을 준수해야 한다.

v ≤ 0.5 / d (단, v는 유속(m/s), d는 배관 내경(m)이며 v는 7 m/s를 초과할 수 없음)

4) 냉각 부하 계산

5°C 유지를 위한 브라인 부하는 반응열(Heat of Reaction)과 외부 입열을 합산하여 산정되었을 것으로 추측된다. 만약 반응열 데이터가 불충분하다면 산정된 냉각 용량의 적정성을 재검토해야 한다.

 

 

시간 및 교반 이탈 HAZOP 분석

1. HAZOP Worksheet

이탈 (Deviations)	원인 (Causes)	결과 (Consequences)	안전장치 (Safeguards)	개선권고사항 (Recommendations)
시간 초과 (Too Long / More Time)	1. 작업자 운전 미숙 및 종료 타이머 고장 2. 후속 공정(농축 등) 대기로 인한 방치	1. 과반응으로 인한 부산물(By-product) 생성 및 제품 품질 저하 2. THF의 장시간 노출에 의한 과산화물(Peroxide) 농도 증가	1. 반응 종료 알람 및 타이머 시스템 2. 공정 자동 제어(Batch Control) 시스템	1. 장시간 방치 시 용액 내 산소 유입 차단을 위한 질소(N₂) 블랭킷 압력 상시 모니터링 및 기록
시간 부족 (Too Short / Less Time)	1. 작업자의 성급한 공정 종료 2. 긴급 정지 상황 발생	1. 미반응 원료 잔류로 인한 수율 저하 2. 후속 농축 단계에서 미반응물의 급격한 반응 위험	1. 반응 진척도 확인을 위한 샘플 분석(IPC) 절차	1. 샘플링 분석 결과 승인 전에는 후속 공정(가열/진공) 진입을 방지하는 인터록(Interlock) 설정
교반 정지 (No Agitation)	1. 구동 모터(Motor) 소손 또는 정전 2. 교반기 축(Shaft) 파손 또는 커플링 이탈	1. 열전달 효율 저하로 인한 국소 핫스팟 발생 및 폭발 위험 2. 층분리(Phase Separation) 발생 후 교반 재개 시 급격한 반응(Exothermic)	1. 교반기 모터 전류계(Ammeter) 모니터링 2. 저전류/무부하 알람(LAL)	1. 교반기 정지 시 원료 투입 펌프 차단 및 냉각수 최대 공급(Fail-Safe) 인터록 구축
교반 부적절 (Less Agitation / High Speed)	1. VFD(인버터) 설정 오류로 인한 저속 회전 2. 고속 회전에 의한 와류 및 비산	1. (저속) 반응 속도 저하 및 불균일 반응 2. (고속) 정전기 축적 및 증기 운(Cloud) 형성으로 화재 위험	1. 교반 속도계(RPM Meter) 및 지시계 2. 방폭형 교반기 모터 적용

 

 

2. 주요 위험 분석 및 기술적 근거

1) 교반 정지 후 재가동의 위험 (KOSHA Guide P-135-2023)

교반이 정지된 상태에서 반응이 지속되면 온도 편차가 발생하고 미반응 원료가 축적된다. 이때 갑자기 교반을 재개하면 축적된 물질이 한꺼번에 반응하며 급격한 압력 상승을 초래할 수 있다.

• 대책: 교반 정지 시간이 일정 시간 이상 경과한 경우, 재가동 전 반드시 내부 온도를 확인하고 서서히 가동하는 SOP(Standard Operating Procedure)가 필요하다.

2) THF의 안전 운전 (MSDS 및 유해화학물질 취급기준)

THF는 시간 이탈(장시간 체류)에 매우 민감하다. 산소와 접촉한 상태로 시간이 경과하면 폭발성 과산화물이 생성되므로, 반응 10시간 동안 질소 농도(Oxygen < 1%) 유지가 핵심이다.

3) 정전기 발생량과 교반 속도 (KOSHA Guide D-45-2020)

톨루엔과 같은 비전도성 액체는 교반 날개와의 마찰, 액면의 파동(Turbulence)에 의해 정전기가 발생한다.

• 수치 표기: 정전기 방전 에너지가 용매의 최소 점화 에너지(MIE, 톨루엔 약 0.24 mJ)를 초과하지 않도록 교반 속도(RPM)를 설계치 내에서 엄격히 제한해야 한다.

4) 열 부하의 불균형

5°C의 저온 반응은 외부 열 유입(Ambient Heat Gain)에 취약하다. 교반이 불충분할 경우 자켓(Jacket) 접촉면은 과냉각되고 중심부는 반응열로 인해 온도가 상승하는 열 경사가 발생할 것으로 추측된다.

• 대책: 반응기 내부 온도계(Internal Temp)와 자켓 입/출구 온도차(ΔT)를 연동하여 관리해야 한다.

 

 

환류 구간 HAZOP 분석

1. 반응 단계에서의 환류(Reflux) 필요성

반응 단계에서 환류는 온도 제어와 용매 보존을 위해 필수적으로 사용된다.

• 정온 유지 (Temperature Control): 톨루엔(Toluene)이나 THF 같은 유기 용매의 비점(Boiling Point)에서 반응을 진행할 경우, 용매가 증발하며 기화열을 뺏어가므로 반응기 내부 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
• 용매 손실 방지: 증발된 용매를 다시 응축시켜 반응기로 돌려보냄으로써 시스템 내 용매의 양(Volume)을 일정하게 유지한다.

 

2. HAZOP Worksheet

이탈 (Deviations)	원인 (Causes)	결과 (Consequences)	비고
유량 없음 (No Flow) - 환류액	1. 환류 배관 폐쇄(밸브 오작동) 2. 응축기 냉각 불량	1. 반응기 내 액위 저하 및 농도 상승 2. 반응기 과열 및 폭발 위험	환류 라인 고착 확인 필요
역류 (Reverse Flow)	1. 반응기 내 압력 급증	1. 미응축 가스가 리시버 벤트로 분출 2. 유증기 외부 누출	벤트 라인 용량

 

3. 기술적 근거 및 주의사항

1) 응축기 부하 (Condenser Duty):

환류 시에는 반응열과 가열열을 모두 응축기가 감당해야 한다. (출처: API Standard 521)

2) 불활성 유지:

톨루엔/THF 환류 시 대기 중 산소가 유입되지 않도록 질소(N₂) 압력을 미세하게 양압으로 유지해야 한다. (출처: KOSHA Guide P-107-2020)

3) 기타:

현재 설비 구성상 환류 라인에 별도의 사이트 글라스(Sight Glass)가 설치되어 있지 않다면, 실제 환류가 원활히 일어나는지 육안 확인이 어려워 운전 미숙에 따른 위험이 있을 것으로 추측된다.

 

 

Others Leak HAZOP 분석

1. HAZOP Worksheet (기타 이탈: 누출)

이탈 (Deviations)	원인 (Causes)	결과 (Consequences)	안전장치 (Safeguards)	개선권고사항 (Recommendations)
기타 (Other) - 누출 (Leak)	1. 교반기 메카니컬 씰(Mechanical Seal) 마모 및 파손 2. 반응기 플랜지(Flange) 가스켓 노후화 3. 샘플링(Sampling) 밸브 미폐쇄 또는 오작동	1. 인화성 유증기(톨루엔, THF) 유출에 의한 화재/폭발 2. 작업자 유독성 증기 흡입(중독) 3. 산소 유입으로 인한 내부 폭발 분위기 형성	1. 가스 검지기(LFL Detector) 설치 및 알람 2. 메카니컬 씰 가압 시스템(Seal Pot) 레벨 모니터링 3. 반응기 주변 국소배기장치	1. 메카니컬 씰 손상 시 교반기 정지 및 질소(N₂) 긴급 퍼지 인터록 구성 2. 주요 연결부에 누출 방지용 스프레이 가드(Spray Guard) 설치
기타 (Other) - 자켓 누출 (Jacket Leak)	1. 자켓 내부 부식으로 인한 내부 관통(Pinhole) 2. 열팽창 차이에 의한 용접부 균열	1. 브라인(Brine)이 반응기 내부로 유입되어 이상 반응 유발 2. 냉매 유실로 인한 냉각 성능 저하 및 온도 상승	1. 브라인 팽창 탱크(Expansion Tank) 레벨 알람 2. 반응기 내부 성분 분석(전도도 등)	1. 주기적인 자켓 비파괴 검사(RT/UT) 및 내압 시험 실시

 

 

2. 주요 위험 분석 및 기술적 근거

1) 인화성 증기 누출 및 감지 (KOSHA Guide P-135-2023)

톨루엔과 THF는 공기보다 무거워 누출 시 바닥으로 가라앉는 특성이 있다.

• 설치 기준: 가스 검지기는 누출 우려 부위(교반기 씰, 펌프 등)로부터 수평 거리 10 m 이내, 바닥면으로부터 30 cm 이내에 설치해야 한다. (출처: KOSHA Guide RC-1-2011)

2) 메카니컬 씰(Mechanical Seal) 관리 (API Standard 682)

교반기가 달린 반응기에서 가장 빈번한 누출 지점은 회전축의 씰 부위이다.

• 보호 전략: 씰 유체(Buffer/Barrier Fluid)의 압력을 반응기 내부 압력보다 1.4 ~ 2.0 bar 높게 유지하여 내부 물질의 외부 유출을 원천적으로 차단해야 한다.

3) THF의 과산화물 및 외부 노출 (화학물질관리법)

THF는 외부 공기(산소)와 접촉하면 매우 불안정한 과산화물을 형성한다.

• 위험성: 누출된 THF가 밸브 스템이나 플랜지 틈새에서 농축될 경우, 작은 충격에도 폭발할 수 있는 고체 과산화물이 생성될 위험이 있다. (출처: MSDS 안전보건자료)

4) 진동에 의한 이완 (가정)

10시간의 장기 교반 공정에서 발생하는 미세 진동이 배관 연결부의 볼트 이완을 유발할 것으로 추측된다.

• 대책: 볼트 풀림 방지 와셔 적용 및 정기적인 토크 렌치 점검이 필요하다.

 

출처 및 참고 자료:

KOSHA Guide P-135-2023 (공정위험성평가 기법에 관한 지침)

KOSHA Guide D-45-2020 (정전기 재해예방에 관한 기술지침)

API Standard 521 (Pressure-relieving and Depressuring Systems)