반응기 안전설비 및 안전설계 고려사항

반응기 안전설비란

반응기 안전설비는 이상반응으로 생기는 온도와 압력 상승을 막는 설비와 장치다.

발열 반응에서 열이 식는 속도보다 빨리 열이 생기면 온도가 계속 올라간다. 이것이 반응폭주다.

반응폭주는 파열과 유해물질 누출로 이어지므로 안전설비가 미리 작동해야 한다.

열 수지와 폭주의 원리

반응열이 열 제거보다 크면 온도가 올라간다. 열 발생과 열 제거의 균형이 핵심이다.

발열 반응에서 발생률이 제거율을 넘는 상태가 이어지면 되먹임 고리가 생긴다.

이 되먹임이 열폭주다. 안전설비는 이 고리를 끊으며 비가역점에 닿기 전에 작동해야 한다.

반응폭주 방호 단계

안전설비는 반응 속도를 낮추는 1차 방호와 과압을 빼내는 2차 방호의 두 겹으로 이루어진다.

1차 방호는 인터록으로 원료 투입을 끊고, 냉각을 강화하고, 정지제를 넣어 반응을 멈춘다.

그래도 압력이 한계를 넘으면 2차 방호인 안전밸브나 파열판이 내용물을 빼낸다.

방출물은 플레어나 스크러버로 처리해야 한다. 방출 설비와 처리 설비는 함께 설계한다.

안전밸브와 파열판

과압 방출 장치는 안전밸브와 파열판이 대표적이다.

안전밸브는 설정압력에서 열리고 다시 닫히므로 재사용할 수 있다.

파열판은 설정압력에서 한 번 파열되며 응답이 빠르고 누설이 없다.

반응폭주처럼 배출량이 크고 순간적인 경우에는 파열판이나 둘의 조합을 검토해야 한다.

단열 온도 상승 계산

단열 온도 상승은 반응열과 농도, 전환율의 곱을 밀도와 비열의 곱으로 나눈 값이다.

가상의 값으로 반응열 200 kJ/mol, 초기 농도 2 mol/L, 전환율 1, 밀도 1 kg/L, 비열 4 kJ/kg·℃를 넣는다.

계산하면 단열 온도 상승은 100℃다. 이 값은 상식 범위의 가상 계산이다.

이 정도 상승이면 냉각이 실패할 때 비점을 넘어 과압이 생길 수 있다는 판단이 가능하다.

정리와 시험 포인트

반응기 안전설비는 속도 제어, 물질량 관리, 과압 방출의 세 부류로 정리된다.

속도 제어는 냉각과 급냉, 억제제 투입으로 하고 물질량은 투입 제한과 인터록으로 줄인다.

과압 방출은 안전밸브나 파열판이 맡고, 두 장치는 재사용 여부로 구분해 쓴다.

열폭주 원인으로 냉각 고장, 교반 실패, 촉매 과다, 농도 조절 실패를 빠뜨리지 않는다.