파일럿플랜트 (Pilot plant) 안전

“파일럿플랜트 (Pilot plant)"라 함은 상업용 공장 건설이나 제품 생산을 목적으로 공정 안전성 확보, 잠재적 위험성 발견 등 상업화에 필요한 데이터의 획득으로 소규모의 연구·실험용 설비로 이루어진 시제품 생산 공장을 말한다.

 

 

 

파일럿플랜트 (Pilot plant) 안전

 

파일럿플랜트의 위험성

(1) 상업용 생산설비보다 단위시간당 사용하는 위험물질의 양은 상대적으로 적으나, 고온 고압 하에서는 적은 량의 화학물질이라도 위험성이 높다.

(2) 사용되는 압력용기의 경우 관련법규 등에서 정하는 기준에 적합하지 않게 제작될 경우가 있어서 고장과 화재 폭발에 취약하다.

(3) 연구 실험시설의 특성상 좁은 공간에 많은 설비를 설치하기 때문에 높은 설비 집약도에 의한 위험성이 높다.

(4) 검증되지 않은 공정과 기술을 적용하고 그 위험의 확인이나 크기를 정확히 알 수 없가 때문에 사고발생 위험이 높다.

(5) 원부재료, 중간제품(생성물), 제품과 관련된 위험성이 파악되지 않을 수 있으므로, 비상상황에 대한 조치가 어렵다.

(6) 새로운 설비 및 공정 도입에 따른 공정의 변경이 발생될 수 있어 검정된 상업공정보다 위험성이 높다.

(7) 취급물질의 변경으로 인한 배관 및 반응기 등 공정설비의 부식 유발, 이상반응, 공정압력의 변화 및 안전밸브 등 안전설비의 기능 제한이나 저하를 유발시킬 수 있다.

(8) 사용되는 설비가 연구개발 대상이 될 수 있으므로, 비 규격화된 설비의 사용에 의한 잠재 위험성이 높다.

 

 

설계 시 고려사항

(1) 플랜트의 주요 설비에 대한 운전과 유지보수를 위한 데이터시트를 작성해야 한다. 이러한 데이터시트는 실험실 단위의 실험노트처럼 기초적인 내용부터 시작해서 플랜트의 설치를 위한 모든 데이터, 모든 배치, 세정과정, 모든 시험과 결과 및 유지보수작업이 포함될 수 있다.

(2) 생산된 모든 제품과 중간 생산물을 보관하고 유지하기 위한 방법을 수립해야 한다.

(3) 스케일 업 (Scale up)을 실시하기 전에 해당 공정을 정확하고 안정적으로 결정하는 것이 중요하며, 가능하면 공정개발이나 탐색과정의 초기단계부터 엔지니어를 투입함으로써 이후 발생될 수 있는 시간과 비용의 불필요한 소모를 감소시킬 수 있도록 해야 한다.

(4) 공장에 신규 공정이 건설되는 경우에는 반응과 관련된 신규공정 도입 시 가능한 공정위험성평가(HAZOP 등)를 실시하는 것이 바람직하며, 이를 위해서 성분의 안정성, 반응열, 분해반응 및 폭주반응성에 대한 열량계적 분석 결과를 미리 확보해야 한다.

(5) 파일럿플랜트에서 수행한 각 Batch에 대해서는 향후 이상여부 및 문제해결을 위하여 로그북을 작성하고. 주요한 기록은 책임자에 의해서 검토하거나 승인하여야 한다.

(6) 파일럿 테스트를 위해서 준비된 중간 생성물이나 원료물질을 사용한 Bench test를 수행하고, 그 결과를 목적하는 사양과 비교함으로써 향후 원료물질에 의한 문제여부를 제거 할 수 있게 한다.

(7) 각 Batch에서 가능한 많은 양의 샘플을 제조/보관하고 최종적으로 물질수지, 열수지 및 분석방법 등을 확인 하여야 한다.

(8) 고도로 특화된 장비가 요구되거나, 위험성이 알려지거나, 특별한 안전설비를 요구하는 반응은 가능한 피해야 한다.

(9) 모든 물질은 한 번에 투입하고 가열하는 방식을 피하여야 한다. 특히, 폭주반응, 격렬한 가스발생 및 분해반응의 발생 가능성이 예측되는 경우에는 한계반응 물질의 제한적인 투입방식을 고려해야 한다.

(10) 국부적으로 Hot-spot이 발생하는 경우 교반에 의한 급격한 끓음이 발생하기 때문에 교반 없이 반응기를 가열하지 말아야 한다.

 

 

(11) 반응기의 운전온도와 분해 또는 폭주반응의 개시온도의 차를 50 ℃ 이상이 되도록 운전해야 한다.

(12) 반응혼합물의 내부온도가 고온이거나 환류 (Reflux) 상태인 경우에는 분진폭발의 위험성이 증가하기 때문에 고체(분체)를 투입하는 것을 가급적 피해야 한다.

(13) 최소운전 용량을 고려하여 건조나 체적 감소를 위해서 증발에만 의존하는 공정을 개발하는 것을 피해야 한다.

(14) 만일 고려하는 공정이 커지게 되면 분리과정에 소요되는 시간이 24 시간 이상으로 소요될 가능성이 높기 때문에 이성질체처럼 즉각적인 분리가 요구되는 반응을 피해야 한다.

(15) 환경적 위험성을 고려해서 할로겐이 포함된 용제를 사용하는 것을 지양해야 한다.

(16) 포화용액의 고온 여과는 배관의 막힘을 유발하여 공정 중 의도하지 않은 고압발생에 의한 누출사고 발생 가능성이 높아 질 수 있기 때문에 가능한 피해야 한다.

(17) 역상 (Reverse phase)의 상분리 공정은 추가적인 용기의 설치에 따른 고정 및 운전비용의 상승을 유발하기 때문에 피해야 한다.

(18) 불순물의 영향 등을 고려하여 파일럿플랜트를 운전할 때에는 상업공정에서 사용하는 순도의 원료를 사용함으로써 추가 공정개발에 도움이 되도록 해야 한다.

(19) 스케일 업 대상 공정이 신규 공정일수록 실패의 확률이 높기 때문에 하나의 Batch로 모든 원료 및 중간산물에 대한 위험을 감수하는 설계나 운전을 피할 수 있도록 해야 한다.

(20) 파일럿플랜트 설계 시 안전성 확보를 위해 <부록 1>과 같은 안전 사항을 참조한다.

 

 

설계조건

(1) 반응기 등 용기의 설계온도는 일반적으로 최고 운전온도에 30 ℃를 더한 수치로 한다.

(2) 배관 또는 튜브의 설계온도는 직접 연결된 설비의 최대 설계온도로 한다.

(3) 최대 운전압력이 게이지 압력으로 7 MPa를 초과하는 용기의 설계압력은 최대 운전압력의 105 % 또는 최대 운전압력에 0.7 MPa를 더한 수치 중 큰 수치를 설계압력으로 한다.

(4) 최대 운전압력이 게이지 압력으로 7 MPa 이하인 용기의 설계압력은 최대 운전압력의 110 % 또는 최대운전압력에 0.18 MPa을 더한 수치 중 큰 수치를 설계압력으로 하되, 최소 0.35 MPa 이상으로 한다.

(5) 진공으로 운전되거나 진공 하에서 운전되지 않더라도 제어의 잘못 또는 열 공급원의 차단 등으로 인하여 진공상태의 가능성이 있는 경우에는 완전 진공에 견딜 수 있도록 설계한다.

(6) 자켓이 있는 반응기의 두께 계산 시에는 외압을 받는 경우를 반드시 고려하고, 내부에 코일이 있는 경우에는 코일 내부 유체의 압력을 고려하여 설계압력을 결정한다.

(7) 배관 또는 튜브의 설계압력은 직접 연결된 설비의 최대 설계압력으로 한다.

 

 

안전조치 사항

(1) 전기공급 중단, 냉각수공급 중단, 외부화재 또는 밸브차단 등과 같은 압력 상승요인에 의하여 압력상승의 우려가 있는 파일럿플랜트의 반응기, 증류탑, 드럼과 같은 용기 등에는 안전밸브 또는 파열판을 설치해야 한다.

(2) 반응폭주의 위험이 있는 반응기에는 반응기의 용량에 관계없이 파열판 등과 같은 압력방출장치를 설치하여 급격한 압력 상승에 대비하여야 한다.

(3) 반응기 등 압력용기의 온도 또는 압력제어 장치는 자동 및 수동조절이 가능하도록 하여야 한다.

(4) 반응기, 증류탑, 드럼과 같은 용기 등에는 현장 또는 제어실에서 각각 식별이 가능한 온도, 압력, 유량, 액위 등에 대한 계기를 설치하고, 중요계기에 대해서는 온도 또는 압력 등의 공정변수 상승시 1차 경보가 울리고, 계속하여 온도 또는 압력 등이 상승하는 때에는 2차로 경보가 울리도록 하여야 한다.

(5) 2차 경보가 울리는 경우에는 원료의 공급을 차단하고 운전이 정지되도록 연동하여야 한다. 특히, 반응폭주의 우려가 있는 반응기 하부에는 온도 또는 압력 2차 경보에 따라 반응기내의 반응물이 안전한 장소로 긴급 배출되도록 연동설비를 구성하여야 한다.

(6) 급격한 부반응이나 반응폭주가 발생할 위험성이 있는 반응기에는 반응억제제 주입 설비를 설치하고, 정전 시에도 주입설비는 가동할 수 있게 하여야 한다.

(7) 반응억제제 주입배관에 자동밸브를 설치하는 때에는 자동밸브 구동원 공급 중단시 열리는 구조로 하고, 수동밸브를 설치하는 경우에는 운전원의 접근이 용이한 위치에 쉽게 조작이 가능한 형태의 밸브를 선정하여 설치하여야 한다.

(8) 방호벽은 반응기 등이 폭발하는 경우에도 충분히 견딜 수 있는 강도를 유지해야 한다.

(9) 화재 발생 시에는 효과적인 소화를 위하여 취급물질과 설비의 규모에 적정한 소화 설비를 갖추어야 한다.

(10) 파일럿플랜트 설비가 건물 내에 설치되는 경우에는 설비에서 누출되거나 배출되는 유해물질이 축적되어 근로자들에게 피해를 주지 않도록 충분한 성능을 가진 환기 설비를 설치하여야 한다. 이때 환기설비의 배출부위는 근로자 및 타 설비 등에 영향을 미치지 않도록 안전한 장소로 연결되어야 한다.

(11) 폭주반응 등의 긴박한 상황에서 안전한 장소로 대피할 수 있도록 대피통로와 적정한 대피장소를 갖추어야 한다.

(12) 파일럿플랜트 설비가 지하 또는 2층 이상의 구조로 설치되는 경우에는 기본 접근 통로 외에 기본 접근통로와 반대되는 위치에 비상대피 통로를 설치하여야 한다. 또한 연구․실험용 공장이 단층으로 설치되는 경우라도 건물 내에 설치되면 주 출입구와 비상대피용 출입구를 각각 별도로 설치하여야 한다.

 

Reference : 1. KOSHA 연구보고서 화학산업 Pilot plant의 안전기준 개발

                    2. KOSHA GUIDE P - 164 - 2018 (연구실험용 파일럿플랜트(Pilot plant)의 안전에 관한 기술지침)