화학공장 특성 및 화학설비의 위험 예방

1. 반응기

1) 구조특성 : 반응장치는 반응하는 물질원료들이 그 안에서 목적하는 화합물로 전환하도록 제작된 용기로서 반응을 촉진·통제하여 반응조건을 유지할 수 있는 장치와 여러가지 계측장치가 부착된 장치이다.

반응장치는 반응에 관여하는 물질들을 목적하는 물질로 변환하도록 하는 장치이므로 화학공업에서는 중심적인 장치라고 할 수 있다.

반응장치는 반응하는 물질의 상(phase), 반응속도, 반응조건, 온도, 압력, 조성, 유량, 조작방법, 물질 및 열의 이동방법, 단위시간에 대한 생산량 등에 의하여 그 모양이나 크기가 결정되며, 소기의 성능은 물론이고 안정된 조업을 할 수 있도록 고려되어야 한다.

종류로는 조작장법에 의한 분류로 회분식, 반회분식, 연속식 반응장치가있고 구조에 의한 분류로 교반조형, 관형, 탑형, 유동충형 반응기가 있다.

 

 

 

2) 위험성과 안전대책

반응기 내의 반응물 온도가 정상이라 하더라도 오조작에 의해 예상하지 못한 물질이 혼입하게 되면 급격한 발열반응을 일으킬 위험이 있으므로 이러한 원인이 되는 물질을 사전에 조사하여 혼입을 방지하는 것이 중요하다.

- 연구개발 단계에서는 순도가 높은 시약을 사용하기 때문에 불순물의 존재는 큰 문제가 되지 않지만, 생산 설비에서는 순도가 낮은 공업제품을 사용하며 또한 미반응 모노머 및 용제 등을 재사용하는 경우가 많기 때문에 불순물의 혼입 가능성이 높아진다. 그러므로 생산설비로의 스케일 업을 계획하는 경우에는 불순물의 존재와 그에 따른 위험성등을 충분히 검토해야 한다.

- 반응기에 혼입될 우려가 있는 불순물의 종류와 이러한 분순물의 혼입에 따른 위험성을 사전에 조사하여 둔다.

- 원료 및 용제 속에 있는 미량 성분의 종류와 양을 파악하기 위하여 정기적인 분석을 실시한다.

- 회분식공정의 반응기에서는 원료 투입 전에 잔사 및 세정 시의 수분 그리고 세정제의 혼입을 방지하기 위하여 반응 개시 전에 반응기 내부의 점검을 실시한다.

- 장치 재료로부터 부식된 철, 열매유, 냉각수 등의 혼입을 방지하기 위하여 정기적으로 반응기 내부 및 냉각용 열교환기 등의 검사를 실시한다.

- 반응공정 운전 중에 생성 물질이 부착되거나 기기 개방 시에 배출 잔액과 세정 잔액 또는 잔류 공기 등이 있으면, 운전이 개시되거나 수리시에 이상반응이 일어나 화재폭발을 일으킬 수 있다.

- 설비 내에 탄화물이나 산화물과 같은 부생성물과 잔유물의 유무를 확인한다.

- 잔존 물질이 취급물질에 대한 촉매작용이 있는지를 확인하고 촉매물질로 될 수 있는 것은 이상반응 위험성이 있으므로 제거한다.

- 잔유물을 확인한 경우에는 스팀 세정과 화학 세정의 실시, 그리고 각 첨가제를 투입하여 물질의 변성 및 물질 치환을 통하여 제거하도록 한다. 이러한 방법을 사용할 수 없는 경우에는 에어펌프를 사용하고 가급적 탱크 내에 들어가지 않도록 한다.

- 중합물을 만들기 쉬운 물질을 취급하는 경우에는 시스템 내에 산소가 존재하면 계장기기 취출 노즐, 벤트 노즐, 안전밸브, 파열판과 같은 데드 스페이스(Dead space)에 고체 중합물이 생성되어 기기가 파괴될수 있다.

- 중합물은 산소와 접촉하면 발화할 수 있으므로 시스템 외부로부터 산소혼입을 방지하고 중합금지제를 사용하여 중합반응을 정지시키도록하며 녹(Corrosion)과 데드 스페이스를 제거한다.

 

2. 열교환기

1) 구조특성 : 고온 유체의 열이 저온 유체로 전달되게 하는 장치로, 서로 구분된 구역(동체, 관 등)으로 각각의 유체를 흐르게 하여 고온 유체의 열이 저온 유체로 전달되게 하는 열교환 현상을 이용하여 만든 장치이다. 고온 유체와 저온 유체가 반대 방향으로 흐르는 경우를 향류흐름, 같은 방향으로 흐르는 경우를 병류흐름이라 한다.

 

2) 위험성과 안전대책

- 열교환기의 조작에 있어서 나타날 수 있는 위험은 배관의 손상, 열교환기 본체 및 부속 배관에서의 액체의 누출 등이 있다. 그 중에서도 배관의 부식과 마모에 의한 균열, 진동에 의한 체결부의 헐거움은 화학물질의 누설로 이어지며 배관 내부 및 외부의 화학물질이 혼합하여 폭발성 혼합물을 형성하며, 또한 가연성 가스가 누설하게 되면 공기와 혼합하여 폭발성혼합기를 형성하여 폭발로 이어질 수 있다.

- 취급하는 물질의 반응성과 혼합위험에 대한 사전조사를 실시한다.

- 공기 및 물에 대한 미량 오염 위험성이 있는 공정에서는 정기적으로 미량 성분분석을 실시한다.

- 배관의 누설이 발생하여도 위험이 최소화되도록 배관과 열교환기 본체의 유체압력의 균형을 검토한다. 예를 들면 물(H2O)과 황산(H2SO4)을 취급하는 열교환기라면, 황산 측의 압력을 물 측의 압력보다 크게 해야 한다. 또한 이 경우에는 물 측의 출구를 대기 중에 개방하고 배압을 작게 하도록 한다.

- 화학물질의 누설 여부를 조기에 발견하기 위하여 열교환기의 배관 측과 본체 측의 압력, 온도, 유량을 가능한 한 상시 감시한다.

- 열교환기 출구의 냉각 또는 가열 유체 분위기의 가스농도를 연속분석계를 사용하거나 정기적 분석을 통하여 확인한다. 또한 열교환기 출구의 피 냉각 또는 피 가열 유체 분위기의 가스농도에 대해서도 동일한분석을 통하여 확인한다.

- 열교환기의 개방 시에 비파괴 검사법을 사용하여 균열 등을 체크한다.

- 누설 시의 대응방법으로서, 누설을 인지하였을 때에는 폭발성혼합물의 생성에 주의하고 고온 물체, 강산화제와의 접촉이 되지 않도록 한다.

- 누설이 발견되면 우선적으로 누설 지점에서 가장 가까운 밸브를 닫아 화학물질의 유출량을 적게 한다.

- 열교환기를 개방하였을 때에는 충분한 퍼지를 통하여 잔유물이 없도록 한다.

- 배관에 균열이 발생하면 고압 측의 유체가 저압 측 또는 다른 시스템으로 유입하게 되는데 이러한 과정에서 이상 반응이나 폭주반응 위험성이 없는지를 사전에 검토해 두어야 한다.

 

3. 증류설비

1) 구조특성 : 증류는 비등점의 차이가 있는 균일상 액체혼합물을 가열·기화시켜서 각 성분 또는 몇 가지의 유분으로 분리하는 조작이다. 원유를 가솔린, 등유, 연료유, 윤활유 등으로 분리하는 것은 증류의 대표적인 예이다. 원유를 상압 증류탑에서 가열하면 보다 휘발성이 큰 물질은 저온에서 기화하여 증기가 되며 이 증기를 모아서 응축하면 휘발성이 작은 물질과 분리된다.

증류탑은 기액의 접촉과 혼합을 크게하고 분리효율을 높이기 위하여 탑내부에 여러개의 다공판(perforated plate 또는 tray)을 장치하거나 충전물질을 채워 넣기도 한다. 전자의 형태를 단탑[platetower(column)]이라 하고 후자의 경우를 충전탑(packed tower)이라 한다.

 

 

2) 위험성과 안전대책

- 감압증류의 진공도가 낮아지면 증류온도가 상승하기 때문에 관리한계 온도 및 관리한계 진공도를 정하여 그 설정값 이하에서만 운전해야 한다.

- 감압증류 공정에서는 공기가 혼입하여 내용물이 산화반응을 일으키거나 폭발성혼합기를 형성할 위험성이 있다.

- 감압증류 시에는 정전에 의해 제어기기 및 진공펌프가 정지하지 않도록 비상용 발기를 설치한다. 만일 진공펌프가 정지한 경우에는 원료공급을 정지시키고 열원의 공급을 차단하는 등의 온도 상승을 방지하기 위한 대책을 강구한다.

- 감압증류 공정에서 기밀성 유지가 매우 중요하다. 공기가 혼입되는 것을 예방하지 못하게 되면, 증류잔류물에는 산화반응을 일으키기 쉬운물질이 많기 때문에 제품의 품질을 유지할 수 없을 뿐만 아니라, 기기가 파손할 정도의 이상반응이 일어나는 원인이 될 수 있다.

- 감압증류 공정에서 소량의 공기유입을 방지하고 유입 부분을 용이하게 발견하기 위한 방법으로서 플랜지 주변에 덕트 테이프(Duct tape)를 사용할 수 있다.

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