회분식 공정 위험성

왜 배우는가: 회분식 공정은 한 설비에서 원료 투입, 반응, 저장, 건조 등 여러 단계가 시간 순서로 바뀌며 진행되므로, 정상 상태 공정보다 이상 조건이 발생하기 쉽다. 그래서 공정위험성평가에서 노드별 편차 분석이 필요하고, 시험에서는 HAZOP 가이드워드와 공정 단계별 위험성이 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제128회 1교시 10번, 제99회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

회분식 공정(Batch Process)은 원료를 한꺼번에 투입하고 정해진 순서로 처리한 뒤 생성물을 배출하는 불연속 공정으로, 시간에 따라 조건이 변하므로 단계별 위험성 평가가 필요하다.

• 회분식 공정(Batch Process)
• 위험과 운전분석(HAZOP)
• 가이드 워드(Guide Word)
• 편차(Deviation)
• 단계별 위험성
• 예비조사

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 회분식 공정은 큰 솥에 재료를 넣고 끓이거나 섞은 다음 꺼내는 방식의 공정이다. 한 번의 생산이 끝나야 다음 배치를 시작하므로 설비 하나가 여러 제품과 여러 단계를 번갈아 맡는다.

정식 정의는 다음과 같다. 회분식 공정은 원료 투입 → 반응·혼합·가열 → 저장 → 건조 → 배출과 같이 단위공정이 시간 순서로 진행되며, 매 배치마다 상태가 변하는 공정이다. 반응기 측면에서 보면 회분식 반응기는 정상 상태에 도달하지 않으므로 온도·압력·부피 조절이 자주 필요하다.

위험과 운전분석(HAZOP)은 공정을 노드로 나누고 설계 의도에서 벗어난 편차를 가이드 워드로 찾아 원인·결과·보호장치·권고사항을 정리하는 구조적 정성 기법이다. 가이드 워드는 '과다', '과소', '없음', '역방향', '기타' 같은 단어에 공정변수(유량, 온도, 압력, 농도, 조성, 시간 등)를 조합해 만든다.

편차(Deviation)는 설계 의도와 실제 운전 조건의 차이다. 회분식 공정에서는 투입 순서 오류, 투입량 과다, 반응 시간 초과가 대표적인 편차다.

예비조사는 상세 설계 전에 물질·공정·설비의 위험 요소를 대략 확인하는 단계다. 저장, 반응, 건조 등 단위공정별로 위험성과 점검 항목을 먼저 나열한다.

3. 등장 배경과 필요성

회분식 공정은 다품종 소량 생산에 적합해 정밀화학, 의약, 농약, 식품, 도료 등에서 널리 쓰인다. 같은 설비를 여러 제품에 돌려 쓰므로 제품마다 원료, 반응 조건, 배합 순서가 달라진다. 이 때문에 연속 공정에서 쓰던 고정된 정상 운전 가정이 맞지 않는다.

과거 사고는 배치 간 세척 불량, 투입 순서 오류, 반응 열 축적, 건조 중 분진 폭발 같은 시간 의존적 원인에서 많이 발생했다. 이러한 특성 때문에 회분식 공정의 위험성은 단위공정과 단계를 나누고, 각 단계의 편차를 체계적으로 찾는 방식으로 평가해야 한다.

공정위험성평가 기법은 공정 특성에 따라 선정한다. 「공정안전보고서의 제출·심사·확인 및 이행상태평가 등에 관한 규정」 제29조에 따르면 반응·분리·이송·전기계장 등 단위공정에는 위험과 운전분석기법을 포함한 다수의 기법이 제시되고, 저장탱크·유틸리티·고체 건조·분쇄 설비 같은 간단한 단위공정에는 체크리스트기법 등이 제시된다. 따라서 회분식 공정에서 반응단계는 HAZOP으로, 저장·건조단계는 체크리스트나 예비조사로 나눠 적용하는 것이 기준에 맞는 접근이다.

4. 구성요소·원리·절차

회분식 공정의 위험은 한 번에 많은 물질을 넣고 시간에 따라 반응이 진행되면서 온도·압력·조성이 계속 변하는 데서 나온다. 연속식 공정과 달리 정상 상태가 없으므로 위험성평가에서는 각 단계(투입, 승온, 반응, 냉각, 배출, 세정)를 따로 본다. 기본 구성은 다음과 같다.

회분식 공정의 핵심 원리는 반응열 축적이다. 반응 속도가 빨라지면 발열량이 냉각 능력을 넘어서고, 온도가 상승하면 반응 속도가 다시 빨라지는 양의 되먹임이 생긴다. 이 상태가 열폭주(Thermal Runaway)다. 또 회분식 반응기는 정상 상태에 도달하지 않으므로 반응 중간의 조성 변화, 부반응, 비정상 온도 상승을 놓치기 쉽다.

회분식 공정 위험의 본질은 반응열 축적과 시간에 따른 조성·온도 변화다.

절차는 다음 순서로 진행한다.

• 공정 단위를 나누고 단위공정별 위험 특성을 확인함
• 단위공정별 편차(온도·압력·유량·조성·순서)를 정함
• 편차마다 원인, 결과, 현재 보호장치를 기록함
• 위험도를 평가하고 권고사항을 정함
• 권고사항의 이행 여부를 추적하고 재평가 시점을 정함

위험성평가 기법 선정은 공정 특성에 맞춰 사업장이 스스로 정한다. 「공정안전보고서의 제출·심사·확인 및 이행상태평가 등에 관한 규정」 제29조는 반응·분리·이송·전기계장 등 제조공정의 단위공정에는 위험과 운전분석(HAZOP), 공정위험분석, 이상위험도분석, 원인결과분석, 결함수분석, 사건수분석, 공정안정성분석, 방호계층분석 기법을 쓰도록 정한다. 저장탱크·유틸리티·고체 건조·분쇄 설비 같은 간단한 단위공정에는 체크리스트, 작업자실수분석, 사고예상질문분석, HAZOP, 상대위험순위결정, 공정위험분석, 공정안정성분석 기법을 쓸 수 있다. 회분식 반응공정은 HAZOP과 사건수·결함수 분석을 함께 쓰는 것이 일반적이다.

5. 관련 법령·기준·표준

회분식 공정의 위험성평가는 공정안전보고서 제도 아래에서 이루어진다. 세부 기준은 「공정안전보고서의 제출·심사·확인 및 이행상태평가 등에 관한 규정」(고용노동부 고시)에 있다.

이 고시는 안전밸브와 파열판의 정밀도 오차범위를 정한다. 구체적인 기준값은 다음 표와 같다.

표의 값은 고시의 정밀도 오차범위 기준이다. 안전밸브의 설정압력 산출은 안전보건규칙 제264조와 제265조를 따른다. 보고서에는 설정압력과 배출용량을 이 조문에 따라 산출해 적는다.

보고서에서 공정 설명에 필요한 항목도 고시가 정한다. 유해·위험물질 목록에는 노출기준과 독성치, 이상반응 유무를 적는다. 공정개요에는 반응조건, 반응열, 이상반응과 그 대책, 인터록 작동조건을 적는다. 공정배관계장도(P&ID)에는 안전밸브 등의 크기와 설정압력, 인터록 및 조업 중지 여부를 표시한다.

회분식 공정에서 특히 중요한 것은 이상반응 정보다. 반응물 간 상호작용, 열 축적 조건, 부반응 생성물을 공정개요에 적고, 그 대책이 인터록과 안전밸브 용량에 반영되어야 한다.

안전밸브와 파열판의 오차범위는 고시의 설정압력 구간별 표로 판정한다.