폴리스티렌 중합공정의 폭주반응 시 위험물 비상배출을 위한 안전설계기준에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

중소규모 화학공장에서 화장품 원료, 2차 전지 원료 및 각종 수지 등 화학제품 생산을 위한 대부분의 반응은 열에너지가 방출되는 발열반응으로 이와 같은 반응에 사용하는 반응기는 산업안전보건기준에 관한 규칙에 따라 특수화학설비로 분류되어 관리하고 있다. 이러한 특수화학설비의 경우, 이상 반응에 대비하여 계측기, 자동경보장치, 긴급차단장치 등을 설치하여 화재·폭발을 예방하도록 규정하고 있다. 화학 산업에서는 각종 화학제품 생산 중에 폭주반응으로 인해 화재·폭발이 끊임없이 발생하여 인적·물적 사고뿐 아니라 환경오염 등의 문제로 인해 사회적으로 큰 이슈가 발생하곤 하였다. 이에 따라 국내에서는 화학공정 이상 반응에 따른 폭주반응에 관한 많은 연구가 진행되었으며, 각 물질에 대한 폭주반응의 가능성을 검토하고 폭주 반응이 발생하지 않도록 이상 반응에 대비한 연동장치를 설치함으로써 화재·폭발이 발생하지 않도록 하고 있다. 그러나 폭주반응에 대비하여 많은 연동장치를 설치하였음에도 불구하고 설비결함이나 인적오류로 인해 폭주 반응이 발생하며 그에 따른 화재·폭발이 계속 발생하고 있다. 산업안전보건기준에 관한 규칙에서는 특수화학설비에 각종 계측기 등의 설치 이외에도 안전밸브, 파열판 등 과압에 대한 방호장치를 설치하도록 규정하고 있으며, 안전밸브 및 파열판으로부터 배출되는 위험물질에 대해서는 연소･흡수･세정･포집 또는 회수 등의 방법으로 처리하도록 규정하고 있다. 그러나 폭주반응 등 비정상 상태에서 배출되는 위험물을 처리하기 위해서는 흡착시설, 흡수시설 등이 비정상적으로 커져야 하는 문제점이 발생할 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 폴리스티렌 반응기 화재·폭발사고 사례연구를 바탕으로 폭주반응 시 위험물 배출용량을 검토하였고, 위험물을 안전하게 처리하는 방법에 대하여 제안하였다. 배출용량을 예측하는 방법으로 스티렌 모노머와 에틸벤젠 혼합물에 대하여 가속 속도 열량계를 이용하여 최대온도 상승속도를 파악한 뒤 도표를 활용하여 폭주반응 시 배출용량을 검토하였으며, 이때의 배출용량과 건물 전체의 외부화재 시 배출용량을 비교하여 폭주반응 시의 위험성이 훨씬 큰 것을 확인하였다. 계산된 배출 유량에 적합한 헤더 크기를 예측하기 위해 모사 프로그램을 활용하였다. 또한 녹아웃 드럼 크기 및 열교환기 크기 설계를 위하여 모사 프로그램을 활용하여 헤더 내 응축량을 확인하였으며 폭주반응 시 최저온도, 최대풍속에서 헤더 내 응축이 가장 큰 것을 확인할 수 있었다. 따라서 이와 관련된 녹아웃 드럼은 폭주반응 시 최저온도, 최대풍속에서의 응축량을 기준으로 크기를 결정하였다. 배출물이 응축되어 녹아웃 드럼으로 회수되지 않은 상태에서 처리 용량이 불충분한 처리설비를 거쳐 대기로 방출되면 증기운 폭발(Unconfined Vapor Cloud Explosion, UVCE)과 같은 화재·폭발 및 환경오염 문제가 발생 되므로 이를 완전 응축하는 것이 중요하며 완전 응축을 위해 열교환기 모사 프로그램으로 완전 응축을 위한 열교환기를 구현하였다. 또한 열교환기로 완전 응축을 하였다고 하더라도 응축된 위험물의 일부가 대기로 배출될 것을 감안하여 배출용량의 1%가 활성탄 흡착탑에서 처리 후 대기로 배출되도록 구현하였다. 본 연구 결과 공정의 정확한 배출용량산정, 헤더와 녹아웃 드럼 및 열교환기의 적정 크기를 선정하고 이들을 후단 처리설비로 연결되도록 검토함으로써 개선안을 도출하였으며, 이를 통하여 폭주반응과 같이 이상 반응으로 인해 배출되는 위험물을 완벽히 처리함으로써 근로자의 생명을 보호할 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the case of batch reactors used for the production of chemical products such as epoxy and acrylic in small and medium-sized businesses, most reactions are exothermic reactions in which heat energy is released, and these reactors are classified as special chemical facilities according to the rules on occupational safety and health standards. In the case of these special chemical facilities, it is regulated to promote the safety of workers through the installation of measuring instruments, automatic alarm devices, and emergency shut-off devices in case of abnormal reactions. In the chemical industry, fires and explosions constantly occur due to runaway reactions during the production of various chemical products, causing major social issues due to problems such as environmental pollution as well as major human and material accidents. Accordingly, much research has been conducted in Korea on runaway reactions due to adverse reactions, and various measuring instruments, etc. have been installed to prevent runaway reactions from occurring and the possibility of runaway reactions for each substance, and interlocking devices to prepare for adverse reactions have been installed. Prevent fire or explosion from occurring due to the reaction. However, even if many interlocking devices to prepare for runaway reactions have been installed, due to facility defects or human errors, runaway reactions occur, and resulting fires and explosions continue to occur. In the case of these special chemical facilities, it is stipulated that safety devices against overpressure, such as safety valves and rupture discs, be installed, and that the hazardous substances generated at this time be treated by methods such as combustion, absorption, cleaning, collection, or recovery. In order to process hazardous substances, there is a problem that adsorption and absorption facilities must be abnormally large. Therefore, in this study, based on case studies of fire and explosion accidents in polystyrene reactors, cases in which runaway reactions can occur were analyzed, the discharge capacity of hazardous substances during runaway reactions was reviewed, and additional methods for safely handling hazardous substances were proposed. As a method of predicting the discharge flow rate, the maximum temperature increase rate was identified using an acceleration rate calorimeter, and then the discharge capacity during reaction congestion was reviewed using a graph. Risks were identified. A simulation program was used to predict the header size suitable for the calculated discharge flow rate, and as a result, it was confirmed that condensation did not occur in the header except for the lowest temperature and maximum wind speed. Therefore, the related knock out drum size was determined based on the total condensation in the downstream heat exchanger. If the discharge is discharged into the atmosphere through a abatement system with insufficient processing capacity without being condensed and recovered into the knockout drum, fire, explosion, and environmental pollution problems such as vapor cloud explosion may occur, so it is important to completely condense it. A heat exchanger for complete condensation was implemented using a heat exchanger simulation program. In addition, considering that some of the condensed hazardous substances would be discharged into the atmosphere even if complete condensation was achieved through a heat exchanger, 1% of the discharge capacity was implemented to be discharged into the atmosphere after treatment in an activated carbon adsorption tower. In conclusion, the improvement plan derived by calculating the accurate emission capacity of the selected process, selecting the appropriate size of the header, determining the appropriate size of the knockout drum and determining the appropriate size of the heat exchanger, and reviewing it to connect to the downstream treatment facility. Through this, it is believed that the life of workers can be protected by completely treating dangerous substances discharged from abnormal reactions such as runaway reactions.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 · 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 · 1
• 1.2 연구범위 및 방법 4
• 1.2.1 연구범위 4
• 1.2.2 연구 방법 4
• 제 2 장 이론적 배경 및 선행연구 7
• 2.1 폴리스티렌 중합반응 7
• 2.2 화학 반응공정의 열 수지(Heat balance 수립) 이론 8
• 2.3 폭주반응 이론 · 15
• 2.3.1 냉각온도(ΔT) 부족으로 인한 폭주반응 발생 가능성 · 15
• 2.3.2 열교환 면적 및 총괄 열전달계수(UA)부족으로 인한 폭주반응 발생
• 가능성 17
• 2.3.3 폭주반응의 가능성과 피해 범위 추정 18
• 2.3.4 냉각 실패 시나리오(Cooling failure scenario) · 21
• 2.4 외부화재 및 압력방출장치 이론 23
• 2.4.1 외부화재 이론 23
• 2.4.2 외부화재 시 압력방출장치 이론 · 26
• 2.5 압력방출장치 크기 및 배출용량 계산 · 26
• 2.5.1 폭주반응 및 외부화재 시 파열판 크기 결정 27
• 2.5.2 외부화재 시 설비의 소요 배출용량 계산 29
• 2.6 위험물 배출 시 처리방안 32
• 2.6.1 배출 헤더 선정 이론 33
• 2.6.2 녹아웃 드럼 이론 34
• 2.6.3 열교환기 이론 39
• 2.6.4 국소배기장치 이론 · 44
• 2.7 폭주반응 사고사례 49
• 2.8 선행연구 고찰 · 52
• 제 3 장 연구 방법 55
• 3.1 연구 대상 사업장 모델 선정 55
• 3.1.1 사업장 공정조건 검토 · 55
• 3.1.2 사업장 공장설비 배치도 검토 56
• 3.2 연구 방법 56
• 제 4 장 연구 결과 61
• 4.1 압력방출장치 선정 및 배출용량 계산 결과 61
• 4.1.1 배출용량의 개요 61
• 4.1.2 공정 모사 프로그램의 선정 61
• 4.1.3 폭주반응 시 파열판 크기 및 배출용량 계산 62
• 4.1.4 외부화재의 증기 배출을 통한 배출용량 및 크기 계산 63
• 4.1.5 분석결과 · 66
• 4.2 배출 헤더(Header) 검토 및 결정 67
• 4.2.1 배출용량 선정 67
• 4.2.2 헤더 모사 프로그램의 선정 68
• 4.2.3 배출 헤더 선정 조건 검토 70
• 4.2.4 배출 헤더 결정 · 73
• 4.2.5 분석결과 · 91
• 4.3 녹아웃 드럼 크기 결정 92
• 4.3.1 녹아웃 드럼 기준 선정 92
• 4.3.2 외부화재 시 녹아웃 드럼 크기 결정 92
• 4.3.3 폭주반응 시 녹아웃 드럼 크기 결정 95
• 4.3.4 분석결과 · 97
• 4.4 열교환기 적정 크기 선정 결과 · 97
• 4.4.1 열교환기 조건 결정 97
• 4.4.2 열교환기 모사 프로그램의 선정 및 착안 사항 100
• 4.4.3 열교환기 모사 프로그램 결과 101
• 4.4.4 분석결과 103
• 4.5 공기정화장치의 선정 결과 · 104
• 4.5.1 활성탄 흡착탑의 크기 결정 · 104
• 4.5.2 분석결과 106
• 제 5 장 결론 및 향후 연구과제 107
• 5.1 결론 및 시사점 107
• 5.2 향후 연구과제 110
• 참고문헌 111