릴리프 개념

 

릴리프 밸브란 시스템 내의 압력을 제한하기 위한 밸브이다. 특정 압력 이상이되면 유로를 개방하여 압력을 경감시키고 특정압력에서 자동으로 다시 닫히게 된다.

 

 

릴리프 개념

 

화학공장의 안전대책

 

화학 공장 내의 많은 안전 예방 조치에도 불구하고, 장비 고장 또는 작업자의 실수로 인해 공정 압력이 안전 수준을 초과할 수 있다. 만약 압력이 아주 높아 져서 공정내의 배관과 용기가 허용할 수 있는 최대 강도를 초과하게 되면, 공정설비들은 파열되어 독성 또는 인화성 화학 물질이 크게 방출될 수 있다.
이런 유형의 사고를 방지하기 위한 첫 번째 방어대책은 사고가 발생할 가능성이 있는 장소에서 사고를 예방하는 것이다. 이를 근원적 안전(inherent safety)이라 한다.

두 번째 방어대책은 더 나은 공정 제어로서, 이에 대한 중요한 노력 중의 하나는 항상 안전운전조건 하에서 공정을 제어하는 것으로, 특히 고압상태로 공정조건이 이탈하는 것을 방지하거나 최소화해야 한다.
과도한 압력에 대한 세번째 방어대책은 초과 압력이 발생하기 전에 액체나 가스를 완화하기 위한 릴리프 시스템(relief systems)을 설치하는 것이다. 릴리프 시스템은 방출된 물질을 안전하게 처리할 수 있도록 릴리프 장치 및 후속 공정설비(associated downstream process equipment)로 구성되어 있다.

 

 

릴리프시스템 설계방법

압력 릴리프시스템을 안전하게 설치할 수 있는 방법을 그림 1에 나타내었다.

 

<그림 1> Relief method(릴리프 설계방법)

 

절차의 첫 번째 단계는 릴리프장치를 설치해야 하는 위치를 정확한 지침서에 의해 지정하는 것이다.

둘째, 적절한 릴리프장치의 형태를 선택해야 합니다. 형태는 주로 방출되는 물질의 특성과 릴리프장치의 특성에 따라 달라진다.

셋째, 방출이 발생할 수 있는 다양한 방법들에 대한 시나리오를 작성하는 것으로, 이는 릴리프를 통한 방출 물질의 질량 유속과 물질의 물리적 상태(액체, 증기 또는 2상)를 결정하기 위함이다.

다음으로 방출되는 물질의 물리적 특성을 포함한 방출공정에 대한 데이터를 수집하고, 릴리프 크기를 결정하는 것이다.

마지막으로 최악의 시나리오를 선택하여 최종적인 릴리프 설계를 완성하는 것이다.
이 방법의 모든 단계는 안전 설계의 전개과정에서 매우 중요하다. 이 절차의 각 단계에서 하나의 오류는 치명적인 실패를 초래할 수 있다.

 

 

압력방출시스템 설치 이유

 

압력방출시스템을 설치해야 하는 이유는 다음과 같다.

- 설비의 과압 위험으로부터 직원을 보호하기 위해

- 압력 혼란(upsets)에 의한 화학물질 손실을 최소화하기 위해

- 설비 손상을 방지하기 위해

- 설비 주변에 있는 자산의 손상을 방지하기 위해

- 보험료를 줄이기 위해

- 정부의 법규 준수하기 위해

 

폭주반응 안전대책

 

폭주 반응(runaway reactions)에 대한 시간에 따른 압력변화의 전형적 관계를 그림 2에 나타내었다.

 

<그림2> Pressure versus time for runaway reactions:

(A) relieving vapor, (B) relieving froth (two-phase flow), and (C) closed reaction vessel.

 

반응기 내부에서 발열 반응이 진행되고 있다고 가정해 보자. 냉각수가 공급이 감소되거나, 밸브가 고장나거나, 또는 다른 시나리오로 인해 냉각기능이 저하되면 반응기의 온도가 상승하게 된다. 반응기의 온도가 상승하면 반응속도가 빠르게 되어 반응에 의한 열 발생량은 더욱 증가되고, 반응속도는 더 상승하게 될 것이다. 이와 같은 경우 반응속도는 자체 가속화(self-accelerating) 메커니즘을 보이는데, 이를 폭주 반응이라 한다.

반응기 내부의 압력은 액체성분의 증기압 증가, 또는 기체상태의 분해 생성물이 증가하는 등에 의해 증가하게 된다.

대형의 상업용 반응기의 경우 폭주반응은 분당 수백 도의 온도 증가 또는 분당 수백 psi의 압력 증가로 인해 몇 분 안에 발생할 수 있다.

그림 2의 곡선의 경우 t = 0에서 냉각시스템이 그 기능을 상실한 후 시간에 따른 반응기 내의 압력을 나타낸 것이다.

만약 이때 반응기에 릴리프시스템이 없는 경우, 곡선 C (그림 2)와 같이 반응물이 완전히 소모될 때까지 압력과 온도가 계속 상승한다. 반응물이 완전히 소모된 후, 반응열 생성은 중지되어 반응기는 냉각되며, 그 후 압력은 순차적으로 감소한다. 여기서 곡선 C는 반응기가 폭주반응에 의해 증가되는 압력을 모두 수용할  수 있는 경우를 가정한 것이다.

그러나, 만약 반응기에 압력방출장치가 설치되어 있으면, 압력은 릴리프장치를 통해 방출하게 되는데, 압력의 변화(response)는 릴리프장치의 특성과 방출되는 유체의 특성에 따라 달라진다. 이는 그림 2의 증기 방출에 관한 곡선 A와 2상 거품(two-phase froth, 증기 및 액체) 방출에 관한 곡선 B로 표시되는데, 반응기 내부의 압력은 설정된 압력에서 릴리프장치가 작동할 때까지 증가하게 된다.

포말 상태로 방출될 경우(그림 2의 곡선 B), 압력은 방출 밸브가 개방된다 할지라도 지속적으로 계속 상승한다.

증가된 압력은 초기 방출 압력보다 커지게 되는데 이를 과압(overpressure)이라고 한다.

곡선 A는 방출 밸브를 통해 방출되는 증기 또는 가스를 보여주고 있다. 릴리프장치가 개방되면 압력이 즉시 강하하는데, 이는 소량의 증기가 방출되어도 압력이 저하되기 때문이다. 그리고 이러한 압력강하는 릴리프 밸브가 닫힐 때까지 계속되는데, 이 압력 차이를 블로 다운(blowdown)이라고 한다.

증기와 액체로 된 2상 유체는 그 방출 특성이 증기 방출과는 현저하게 다르기 때문에 적절한 릴리프를 설계하기 위해서는 방출되는 물질의 성질을 파악해야 한다.

 

Reference : Daniel A. Crowl/Joseph F. Louvar, Chemical Process Safety Fundamentals with Applications