누체필터 사고예방

 

반응기에서 합성한 제품의 정제를 위해 누체필터에서 유기용매(예 톨루엔)로 불순물(예 활성탄 및 규조토 등)을 정제하는 과정에서 누체필터 상부의 맨홀로 규조토 혼합물을 투입할 경우 화재·폭발이 자주 발생하여 이에 대한 예방대책을 알아보고자 한다.

 

 

누체필터 사고예방

누체필터는 원료 및 용제의 혼합이나 반응 후 고체와 액체상태로 혼합된 물질을 분리하기 위해 사용하는 설비이다.

 

일반적으로 사용하는 누체필터의 사양은 다음 표와 같다.

 

<표 1> 누체필터 사양 (예)

 

 

누체필터 공정도

다음 그림은 누체필터를 사용하는 합성 및 정제공정의 P&ID 이다.

 

<그림 1> 누체필터 주변 P&ID

 

일반적으로 합성공정은 상기와 같이 여러 단계을 거쳐 제품을 생산하고 있어 회분식으로 운전함에 따라 반응기와 누체필터간, 누체필터와 후단 설비간의 연결을 Flexible hose로 하여 개방된 상태에서 작업자가 직접 수작업으로 하고 있어 여러 위험이 상존하고 있어 자동화를 요구하고 있지만 산업 현장에서는 어려움이 많다.

 

 

예상되는 유해위험요인

 

1. 유기용매(톨루엔 등) 이송방법의 개방된 상태에서 작업함에 따른 폭발분위기 형성

• 톨루엔의 경우 인화점(4℃)보다 높은 온도조건(현장온도 10℃)에서 누체필터 상부 맨홀로 인화성 액체를 이송함에 따라 공기 중에 노출된 상태로 이송하였기 때문에 산소공급이 충분한 상태로 가연성 증기가 발생하면서 폭발분위기가 형성될 위험이 있다.

 

<표 2> 톨루엔 주요 물성

 

2. 플렉시블 호스(플렉시블 호스 재질은 내부는 PTFE, 외부는 STS304로 플렉시블 호스 간 연결 시에는 PTFE 재질의 개스킷과 클램프를 이용하여 연결하는 방식)를 통해 이송하는 경우에 대전에 의한 정전기가 축적에 의한 점화 

• 인화성 액체를 빠른 속도로 분사하는 경우에 정전기가 축적될 수 있으며, Splash filling 방식으로 인화성 액체가 비산되도록 분출하는 경우 폭발분위기에서 사람과 주변 금속제를 통해 정전기가 방전 되고 이로 인한 스파크가 점화원이 되어 화재가 발생하였을 가능성이 있다.

스플래쉬 필링(Splash filling) : 인화성액체를 용기에 채울 때 액체가 튀기는 현상이 발생할 수 있는 충전방식을 말한다. 여기에는 정전기 대전 원인 중 유동대전과 분출대전이 포함된다.

3. 신규 공정에 대한 위험성 평가 부재

• 사고 발생 공정은 제품 개발을 목적으로 하는 신규 공정이나 해당 공정 운전에서 추가로 취급하는 물질이나 공정 특성에 대한 위험성 평가를 수행하지 않음에 따른 위험이 있다.

• 공정에 대한 위험성을 평가하지 않았기 때문에 인화성 액체 취급 및 정전기 예방 등에 대한 적절한 안전조치를 취할 수 없었다.

 

 

사고공정의 배관내 유속 추정

 

<그림 2>  반응기 및 누체필터의 플렉시블 호스 연결 개략도

 

- 반응기에서 누체필터로 혼합물 배출작업 시 톨루엔(Toluene)을 약 148kg을 5~10분 사이에 드럼으로 배출한 것 으로 추정한다. (잔액 약 42kg)

- 배출밸브를 50% 개방한 경우 Cv(유량계수)를 100%기준대비 약 20%로 산정하면 배출시간이 10분인 경우 유속(v)은 아래와 같다.

 

- 또는 토리첼리 정리에 의해 이론적인 계산을 하면 다음과 같은 유속이 나온다.(비압축성/비점성유체, 대기상태 개방, 수위하강속도를 무시할 정도의 작은 구멍으로 가정)

 

위에서 추정한 대로 배관 내 톨루엔 공급속도는 3.4~12.5m/sec 사이로 하부 배관에 설치된 밸브 조작에 따라 유속이 급격히 증가할 수 있는 조건이며, 이는 정전기 예방을 위한 초기 안전 공급속도 1m/sec를 초과하여 이송한 것이다.

 

 

Splash filling 형태에 의한 정전기 점화

 

• 반응기 하부 드레인 밸브에서 플렉시블호스를 연결하여 누체 필터 상부 맨홀을 개방한 상태로 톨루엔을 <그림 3>과 같은 Splash filling 형태로 이송하였다.

• Splash filling 형태로 인화성 액체가 대기 중에 낙하할 때 입자간의 충돌 등으로 정전기가 형성되며, 사람과 주변 금속제를 통해 정전기가 방전되고 이로 인한 스파크가 점화원이 되어 화재가 발생하였을 가능성이 있다.

 

<그림 3> Splash filling 형태

 

 

동종사고 예방대책

1. 톨루엔 혼합물 이송방법 개선

• 톨루엔 혼합물 등의 인화성 액체를 이송하는 경우 인화성 증기가 발생하므로 인화성 증기가 산소와 혼합되어 폭발분위기가 형성되지 않도록 밀폐형의 이송구조로 개선이 필요하다.

 

2. 누체필터 내 적절한 불활성화 조치 실시

• 반응기에서 누체필터로 이송 시 질소 등 불활성 가스를 이용하여 누체 필터 내부에 불활성 분위기를 형성할 수 있도록 적절하게 퍼지(Purge)하여야 한다.

• 누체필터 내 불활성 가스 퍼지 시에는 퍼지방법, 공급압력, 유지시간 등을 검토하여 안전운전 절차서에 반영하여야 한다.

 

3. 정전기 방지 조치 실시

• 인체 대전 방지를 위한 제전복, 제전화, 제전봉, 정전기 방지용 손목팔찌 등 사용

• 설비 대전 방지를 위한 접지 클램프 설치 및 정기적인 접지저항 측정

• Splash filling을 방지하기 위한 설비 내 Dip Pipe 설치 및 비산 방지 조치

• 배관 내 인화성 액체 이송 시 이송속도 1m/s 이하로 유지 등

 

4. 신규 물질이나 공정 추가 시 위험성평가 실시

• 신규 물질이나 공정이 추가되는 경우, 운전절차, 설비 및 물질 등에 대한 위험성평가를 실시하고 이에 대한 안전운전절차서를 작성하여 작업자에게 교육 후 신규 작업에 임해야 한다.

 

 

결론

1. 인화성 증기의 외부 노출이 화재의 근본원인이다.

• 상기 사고는 인화성 액체를 누체필터에 Splash filling 방식으로 이송하면서 발생한 사고이다.

• 인화성 증기는 가연물로 산소와 함께 혼합된 경우 폭발위험분위기가 형성되어 점화원이 있는 경우, 화재폭발이 발생할 수 있음에 따라 사업주는 공정에서 제조, 취급, 저장하는 모든 유해·위험물질 및 운전 중에 발생할 수 있는 유해·위험한 부산물의 위험성을 파악하고 있어야 하며 이에 대한 적절한 안전조치를 취해야 한다.

• 인화성 증기는 상압 상태에서 산소와 접촉하기 때문에 점화원에 의해 화재가 발생할 가능성이 높아 진다. 이에 정전기 예방에 적절한 도전성 재질 및 운전조건 등을 반영하여 하며, 인화성 액체가 외부로 노출되지 않도록 밀폐형 구조로 운전 및 이송하는 것이 적절하다.

 

2. 공정이 변경되는 경우 위험성평가는 필수이다.

• 위험성평가는 정상적인 공정 중에 발생 가능한 위험성을 도출해 내는 공정 위험성평가와 일상 작업과 정기보수작업 등 작업에 대한 위험성을 도출해 내는 작업 위험성평가로 구분할 수 있다.

• 특히 작업 위험성평가의 경우 작업 내용에 치중해 물질의 위험성에 대해서는 소홀히 하는 경우가 있을 수 있으므로 물질의 특성을 고려하여 다양한 관점에서 위험성을 검토하여야 한다.

 

Reference : KOSHA  2022년 화학사고 사례연구 7호