위험평가 프로그램을 활용한 수첨반응공정의 안전관리방안 제시

박교식, 김지윤

한국가스안전공사 가스안전기술시험연구원

A Proposal for Safety Management of Hydrogenation Process Using Risk Assessment Program(TRiMS)

Kyo-Shik Park, Ji-Yoon Kim

Institute of Gas Safety Technology, Korea Gas Safety Corporation

서론

기술의 발달과 함께 정유 및 석유화학 공정도 날로 대형화되고 복잡화됨에 따라 사고가 나면 그 영향도 매우 커서 부근의 공정은 물론 인근 거주지역까지 피해를 입게 된다[1]. 이러한 사고 후 유럽에서는 세베소 지침에 따라 각국이 해당시설에 대해 공정안전보고서(Safety Report)를 제도화하고 있다. 이중 영국은 90년대 들어 산업체에만 국한되던 종합적인 안전관리(CIMAH)를 국민의 모든 활동으로 넓혀(COMAH) 적용하고 있다[2].  미국도 인도 보팔사고 이후 공정안전관리제도(PSM)를 도입하고 이를 전면적으로 법제화하였으며(OSHA, 1992) 4연후 더욱 진보한 제도로 발전시켰다[3].

우리나라 가스산업체에 대해 종합적 가스안전관리체계 제도가 1995년 도입되어 5년째를 맞고 있다. 이 제도의 도입으로 인해 안전관리 패러다임이 바뀌어 종래의 설비위주의 안전관리에서 설비는 물론 그 운영을 포함한 전반적인 사항을 경영전략차원에서 관리하게 되었다. 이와 관련되어 최근의 관련 연구는 주로 가스 관련 장치 혹은 시설의 완결성, 누설시의 감지설비 및 경보시설, 이상시 긴급차단이나 긴급 배출, 안전 제어와 같은 가스관련 설비의 안전성이나 가스설비를 취급하는 인적 오류 등에 관한 연구가 주로 수행되어 왔다.

한편 일본은 규제위주의 고압가스취체법을 90년대 중반 일부 자원을 도입한 고압가스보안법으로 바꾸어서 운영하고 있다[4]. 바뀐 제도의 공통적인 골자를 보면 각국 정부는 종전의 획일적이고 일방적인 규제에서 벗어나 합리적이고 동반자적인 입장(Partnership)에서 안전관리를 시행하고 있다는 점이다.

본 연구에서는 수첨반응공정의 특성을 살펴보고 그 특성에 따른 위험성(Hazard)을 확인하고 이를 평가한다. 위험성평가(Hazard Evaluation)결과를 서열화하여 위험이 큰 것에 대해 위험평가(Risk Assessment)를 실시하여 그 피해 범위를 분석하고 이에 대한 대책을 세운다

평가프로그램 특성

한국가스안전공사에서는 광운대학교 신기술연구소와 함께 TRiMS(Total Risk Management System)라는 위험평가 프로그램을 3년여에 걸쳐 개발하였다. 프로그램의 호환성 및 응용성을 높이기 위하여 MS Visual C++ 5.0 Pro를 사용하여 개발하였으며 Pentium급 이상의 CPU와 Windows 95를 기본 운영시스템으로 채택하였다. 구조는 시나리오 입력 모듈, 누출/확산 모델의 계산 모듈, 화재/폭발/독성의 영향계산 모듈, 위험평가 모듈 및 위험평가의 결과 출력 모듈의 5가지 모듈로 이루어져 있다. 이중 누출/확산 모델의 계산모듈과 화재/폭발/독성의 영향계산모듈 및 위험평가 모듈들을 각각의 Component Object로 구축하였고, 시나리오의 입력 모듈과 출력모듈은 위의 세 가지 모듈로 시나리오의 입력사항을 보내고 계산결과를 보다 사용자에게 익숙하고 편리하게 전달하기 위해서 GUI로 설계하였다. 그리고 입력모듈과 출력모듈은 Component Object로 만들지 않고 이들은 연결시켜 Container에 포함시키도록 설계를 하였다.

입력환경을 보면 물질정보와 저장시설정보를 넣고 시나리오를 입력한다. 물질정보는 80여 가지의 화합물의 열역학적인 정보가 들어있고 필요시 물질을 추가할 수도 있으며 저장시설 정보에는 온도, 압력, 저장량 및 표면의 상태를 지정할 수 있다. 누출유형에 따라 완전파열, 파이프파열, 저장시설에서의 누출, 증기상누출 안전밸브를 통한 누출 등이 있으며 유출부의 상태도 입력할 수 있다.

독성 혹은 가연성물질의 누출에 따라 독성 사고 혹은 화재 및 폭발사고로 구분하여 그 영향을 나타낼 수 있으며 가연성물질의 경우 즉시 혹은 지연 점화에 따라 화구(BLEVE, Boiling Liquid Expanding Vapor Evaporation), 증기운 폭발(VCE, Vapor Cloud Explosion), Pool 화재, 제트화재, Flash 화재 등의 영향을 계산하여서 복사열 혹은 폭발과압에 따른 영향을 그림으로 나타내고 지도상에 표시할 수 있도록 하였다. 그림 1은 수첨반응시설에서 C4의 누출 후 지연점화로 인한 피해 반경을 TRiMS를 이용하여 나타낸 것이다.

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Fig 1. Overpressure by vapor cloud explosion at a C4 hydrogenation plant

공정 연구

이 공정은 Mixed C4 중의 1.3BD를 추출하고 남은 C4 Raffinate를 전량 수첨하여 C4 LPG를 생산한다. 원료는 혼합 C4유분(Mixed C4)으로써 Isobutylene, 1-Butene. 1.3 BD, 기타 C4화합물 등과 수소로 구성되어 있으며 주된 생산제품은 1.3 BD와 C4 LPG이다.

1) Butadiene 추출공정

Ethylene 공장에서 생산된 C4 유분은 제1Butadiene 추출탑으로 도입되어 Butadiene보다 용해성이 작은 Butene과 Butane이 대부분인 C4 Raffinate(Ⅰ)는 탑상부로 배출 제기되고, 용해성이 큰 Butadiene 및 고용해 성분은 용매에 흡수되어 탑저 추출된 후 제1Stripper로 이송된다. 제1Stripper 상부를 통하여 Butadiene과 고용해 성분의 혼합물이 제2 Butadiene 추출탑으로 보내지며, 탑저로는 용매가 분리 추출되어 제1Butadiene 추출탑으로 순환된다.

1단계 용매 추출공정으로부터 Butadiene과 고용해 성분은 제2Butadiene 추출탑으로 도입되어 대부분의 고용해 성분이 용매에 흡수되어 탑저로 제거되며 Butadiene이 대부분인 탐정물질은 정제공정으로 가게 된다. 고용해 성분을 함유한 탑저용매는 Butadiene 회수탑으로 보내져 탑정으로 Butadiene이 회수되며 제2 Stripper에서 잔여 탄화수소가 제거된 후 제1Butadiene 추출탑으로 순환된다. 제2Butadiene 추출탑 상부의 Butadiene은 제1정류탑으로 도입되어 저비점성분인 Methyl-Acetylene은 탑정으로 제거되며, 제2정류탑에서 고비점 성분인 C5 유분, cis-Butene 및 1, 2 Butadiene 등이 제거된 후 탑정으로 고순도의 Butadiene이 생산된다. 순환되는 용매는 혼합 C4 유분 중에 함유되어 있는 소량의 수분과 장치내에서 형성된 중합물을 동반하므로, 순환용매의 일부는 용매 정제공정으로 보내져 저비점성분 계기탑에서 물을 비롯한 저비점성분이 제거되고 고비점 성분제거 Drum에서 중합물을 비롯한 고비점 성분이 제거된 후 공정내로 재 순환된다.

2) C4 LPG 공정

Butene Unit에서 추출된 C4-Raffinate를 수소와 혼합하여 Fixed Bed Type인 Reactor로 Feed시킨다. Reactor에서는 Feed된 물질을 수첨반응시켜 Hydrogen Flash Drum으로 보내 Top으로 배출되는 Vapor Phase는 Off-Gas로 회수하고 Reactor Bottom에서 Stabilizer로 Feed 시킨다. Stabilizer에서는 C4 LPG에 용해되지 않는 Hydrogen과 Methane을 분리시켜 Off-Gas로 Flare회수시키고 Bottom에서 C4 LPG를 생산한다.

참고문헌

1. □박교식, 윤인섭, □공정안전공학□, 청문각, 1995

2. http//:www.open.gov.uk, "Control of Major Accident and Hazards", 1996

3. http//:www.osha.gov, "Occupational Safety and Health Act", 1996

4. 佐脇 幸男, □保安法令□ 世界的趨勢□, 高壓□□, 22-30, 34(1), 1997