세척작업 전, 후 불활성화 방안

일반적으로 인화성 액체를 사용하여 제품을 만들어 내는 회분식 반응 공정에서는 화재·폭발이 상존하여 그 대책이 요구된다.

금번에는 인화성 액체의 세척작업 전, 후 상시적 불활성화 방안에 대해 알아보고자 한다.

 

 

 

세척작업 전, 후 불활성화 방안 

 

회분식 반응기의 안전대책

 

제약, 도료, 수지를 생산하기 위한 회분식 공정에서는 인화성 액체를 사용하여 여러 단계의 반응과정을 거친 후 다른 성질의 물질(또는 제품)을 생산하게 된다.

이때 운전 중에 발생될 수 있는 사고를 예방하기 위하여 BPCS (Basic Process Control System) 및 ESD (Emergency Shutdown System)를 갖추고 있다. 또한 산업안전보건기준에 관한 규칙을 통해 발열반응이 일어나는 반응기의 경우 압력계 등 Local 계기의 설치, 경보 시스템, 긴급차단장치, 비상전원 공급 장치 등 다각도로 운전 시 이상반응에 대한 안전 대책을 확보하고 있다.

하지만, 최근의 사고사례를 살펴보면 정상 운전 시 발생할 수 있는 반응열 제어 실패, 폭주반응의 발생 보다는 작업 전 세척, 작업 전 물질투입, 작업 중 물질투입, 작업 후 세척 등 회분식 반응기의 준비단계 및 물질투입 단계에서 사고가 다수 발생하고 있음을 알 수 있다.

따라서 이상반응인 반응열 제거 실패로 인한 폭주반응 뿐 아니라 작업 전 준비, 물질투 입, 세척 단계에서도 충분한 안전대책이 필요하다고 할 수 있다.

 

 

사고개요 

 

2019년 00사업장에서 인화성 액체를 원료로 제품을 만드는 회분식 반응기(직경 약 2m, 높이 약 1.5m의 글라스 라이닝된 반응기)의 내부 벽면 등에 남아 있는 원료 및 부산물을 세척하기 위해 원료와 유사한 인화성 액체인 톨루엔(유사물질)을 투입하여 세척작업을 실시하던 도중 화재·폭발이 발생하여 건물 유리창이 깨지고 여러 층이 전소되는 사고가 발생하였다.

 

사고 원인 분석 

 

(1) 인화성 액체의 증기, 미스트 발생

사고발생 물질과 유사한 톨루엔은 인화점이 4 ℃인 물질로서 반응기 내부를 스플래쉬 필링 작업 방법으로 세척하면 인화성 액체의 증기 및 미스트가 발생하여 폭발한계 내에 존재할 가능성이 매우 크다. 

(2) 최소점화에너지 및 폭발하한계의 변화

RR-980에 따르면 미스트 크기가 10μm 에서 30μm 사이일 때 미스트 외면 화염의 주름이 충분히 생성될 수 있고 이에 따른 표면적 증가로 외부에서 에너지가 전달되었을 때 미스트를 빠르게 기화시킬 수 있기 때문에 점화에너지가 최소화된다고 기술되어 있다. 일반적으로 미스트를 기화하기 위해서는 인화성가스를 연소시키기 위한 에너지보다 큰 점화에너지가 필요하지만 다음 <그림>과 같이 미스트 크기와 공기와의 혼합비에 따라 점화에너지가 더 작아지는 경우도 존재한다. 사고 발생 물질과 유사한 톨루엔의 최소점화에너지는 0.24mJ 로서 인화성 액체 중에서도 특히 낮은데, 이는 세척 작업 시 작은 에너지로도 충분히 화재·폭발이 가능하다는 것을 의미한다.

 

<그림> MIE for monodisperse sprays on-heptane.

 

(3) 공기의 유입

회분식 반응기 세척 목적으로 인화성 액체인 톨루엔 등을 투입할 경우에는 맨홀을 개방해야 하므로 공기가 유입되어 화재의 3요소 중 하나인 산소가 반응기 내부에 존재할 수 있다.

(4) 반응기 내부 글라스 라이닝으로 인한 정전기 축적

제약, 반도체 중간재료 등을 만들어 내는 회분식 공정은 특성 상 반응기 내부를 스테인리스 또는 탄소강을 사용하는 경우 오염으로 인한 제품 불량 가능성이 있어 글라스 라이닝을 실시한다. 이러한 반응기 내부에서 스플래쉬 필링 방식으로 세척작업을 실시하면 발생된 정전기가 해소되지 못하고 계속 축적이 된다. 

(5) 스플래쉬 필링으로 인한 정전기 대전 및 방전

톨루엔과 같은 비도전성 유체가 세척을 목적으로 반응기 벽면에 부딪힐 때 작업자의 조작에 따라 유체가 이동되며, 배관의 노즐에서 빠른 속도로 분사될 때 소멸되는 정전기 보다 생성되는 속도가 빨라 정전기가 축적될 수 있다. 또한 벽과의 마찰 및 충돌, 입자간 충돌에 따라 정전기가 생성될 수 있다. NFPA 77에 의하면 스플래쉬 필링과 같이 미스트 형태로 인화성 액체가 분무하면 500,000개의 원자 각각 마다 정전기가 발생될 수 있는 것으로 기술되어 있다.

 

 

이렇게 대전되어 있는 정전기는 작업자가 설비 주변에 접촉되면서 방전이 되는 인체방전 또는 주변 금속 (예를 들면 맨홀)을 통해 대전된 정전기가 공기 절연을 깨고 자체 방전되어 화재·폭발이 발생될 수 있다.

 

예방 대책 

사고 원인 중에 반응기 내부 글라스 라이닝으로 인한 정전기 축적에 대해서는 Tantalum을 회분식 반응기 하부 또는 TE(Temperature element) 외부에 연결하여 정전기 발생 시 금속부를 따라 발생된 정전기가 해소될 수 있도록 접지를 하면 되는데 이에 대해서는 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조하면된다.

https://sec-9070.tistory.com/368

G/L 반응기 접지대책

 

근원적 안전대책 확보를 위하여 인화성 액체를 취급하는 세척 작업은 최대한 맨홀을 개방하지 않고 밀폐 상태에서 세척할 수 있도록 방법을 개선하되, 스프레이 볼(Spray Ball)등이 적용될 수 있는지 검토한다.

 

 

근원적 대책을 실시하였드라도 일어날 수도 있는 사고 원인 중 폭발성 분위기 가스 형성 방지에 대해서는 다음과 같이 세척작업 전, 후 상시적 불활성화하는 것도 필요하다.

 

세척작업 전, 후 상시적 불활성화

 

반응을 통하여 원료인 인화성 액체가 제품이 된 후 내부 퍼지를 실시하지 않으면, 톨루엔 등 유기용제로 세척할 시 내부에 존재하는 인화성 액체의 증기가 가연물이 되어 화재·폭발이 발생할 수 있다.

따라서 작업 전, 후에는 반응기 내부의 인화성 증기를 제거하기 위해 퍼지가 필수적이다.

직경 2m, 높이 1.5m 와 같이 작은 크기의 반응기를 불활성화 하는 일반적인 방법은 스위프 퍼지와 압력 퍼지가 있다.

 

(1) 스위프 퍼지는 한 개구부로부터 불활성 가스를 가하고, 다른 개구부로부터 혼합가스를 배출시키는 방법으로 불활성가스(N2) 배관과 배기 배관을 통해 이루어진다.

필요한 질소의 부피는 다음 <식>으로 나타낼 수 있는데, 예를 들어 반응기 내의 최종 산소농도를 0.1%로 가정하고, 반응기 내로 공급되는 산소 농도는 불활성 가스 100%로서 0으로 적용하게 되면, 결과적으로 25㎥ 의 계산 값이 도출된다.

 

 

(2) 압력퍼지는 반응기의 모든 밸브를 닫은 후 불성가스를 흘려 일정 압력이 되면 배기 배관 등으로 배출하여 해소하는 식으로 진행하는 것을 말하는데 퍼지시간이 짧다는 장점이 있다.

퍼지 횟수는 다음 <식>을 적용할 수 있다. 여기서, 질소를 0.1MPag 로 공급하는 것으로 가정하여 계산하였으며, 반응기 내의 최종 산소농도는 0.1%로 가정하였다. 계산식을 근거로 양변에 자연로그 ln 을 취해 Cycle 수 j 를 계산할 수 있는데, 결과적으로 6.9회의 Cycle 이 계산된다. 이는 최소 7회의 퍼지가 필요하다는 의미이므로 반응기 크기 (4.7㎥)를 고려하여 유량 및 시간을 선정해야 한다.

 

결론

 

인화성 액체를 취급하는 세척 작업 전, 후에는 상시적 불활성화를 실시하도록 하되 퍼지 시간 및 유량은 계산과 실험을 통해 사업장 현실에 맞도록 실시한다.

이를 사업장에 실제로 적용하기 위해서는 취급하는 반응기 등 화학설비에 질소 등 불활성화 배관이 연결되어 있는지 검토하고, 공급 유량은 Flowmeter 등으로 확인 가능하여 실제 공급하고자 하는 양 이상이 되도록 해야한다

 

Reference : 회분식 공정에서 스플래쉬 필링(Splash Filling) 작업으로 인한 화재·폭발 사고 예방대책에 관한 연구