[논문]폭주반응에 의한 사고사례 고찰

안형환

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화학공장에서 발생되는 중대산업사고(major industrial accident)는 그 영향이 공장내부에만 국한되지 않고 인근 지역의 주민들과 환경에까지 치명적인 영향을 미친다. 이러한 중대산업사고의 원인은 여러 가지가 있을 수 있으나 발열화학 반응공정에서 발생될 수 있는 폭주반응도 그 중 하나이다. 폭주반응에 의한 중대산업사고(major industrial accident)의 대표적인 사례로는 인도의 보팔(Bhopal)에서 methylisocyanate 누출사고와 이탈리아의 세베소(Seveso) 폭발사고를 들 수 있으며 보팔 사고의 경우 사망자수가 2,000명 이상이었고, 20,000명 이상이 부상하였으며, 세베소 사고의 경우 막대한 환경피해를 입혔다.(중략)

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문제 정의

실정이다. 따라서 본 고찰에서는 외국의 폭주반응에 의한 사고사례를 중심으로 주요 발생 공정 및 원인을 파악하고 폭주반응에 미치는 변수를 고찰하고자 하였다.

제안 방법

1989년에 영국에서 보고되어진 폭주반응에 의한 사고분석 자료를 살펴보면 1962년부터 1987년까지 회분식 반응기에서 발생된 189건의 산업사고를 화학 공정, 주요 원인 그리고 산업별로 구분하여 폭주반응에 가장 민감한 화학공정과 주요 원인에 대하여 분석하였다.
폭주반응 사고의 원인을 화학반응 및 열화학적 원인, 원료물질 품질관리 실패, 온도제어 실패, 혼합 실패, 반응물 또는 촉매의 잘못 주입, 유지보수 실패 및 인적 오류로 분류하고 사고사례 169건에 대해서 분석하였다. 이 중에서 화학반응 및 열화학적 원인, 반응물 또는 촉매의 잘못 주입 또한 온도제어 실패에 의한 사고가 전체 사고의 약 60%를 차지하고 있으며 각각에 대한 발생 비율을 [그림 2]에 나타내었다.

성능/효과

파악되었다. 그 중에서 중합반응 공정에서 발생된 사고가 64건으로서 전체 사고의 약 48%로 가장 높은 비율을 차지하고 있으며, 니트로화 반응은 15건으로 11%, 술폰화 반응은 13건으로 10% 그리고 가수분해반응은 10건으로 7%의 순으로 발생되었다. 화학공장의 사고가 발생된 11개의 화학공정별 발생비율은 [그림 1]과 같다.
조사된 사고는 1956에서 1996년까지 84 건으로 사고의 형태가 폭주반응, 화재, 누출, 폭발로 발생되었으며 분석 보고한 자료에 의하면 폭주반응 사고가 가장 많았으며 화재, 누출, 폭발 순으로 나타났다. 또한 초기사고 원인으로 불순물, 교반 실패, mischarge, 냉각 실패, 온도제어 실패, 기술적 오류, 열화학적 지식 부족, 반응물 축적, 기타로 분류하였으며 이중에서 기술적 오류는 밸브 성능저하, 주입 라인 막힘, 반응기와 vent 라인, vent 시스템 오류, 제어 시스템 실패를 포함하는 것으로써 가장 많은 사고원인으로 나타났으며, mischarging는 원료가 과도하게 투입되거나 다른 원료가 투입되는 것으로써 폭주반응 또는 화재 및 누출사고의 원인이 되며 냉각 실패와 온도제어 실패가 26건으로 많은 사고를 나타내었다. 이와 같은 중합공정에서의 사고결과와 원인을 [그림 4]와 [그림 5]에 나타내었다.
온도제어 실패에 의해 발생된 사고는 32건으로 세부적인 사고 원인으로는 스팀 압력제어 실패 또는 스팀 가열지속, 반응온도를 모니터하는 probe의 위치 부적절, 온도제어 시스템 결함, 냉각수 부족, 온도계 또는 온도기록기기의 계측오류 등이 있으며 이 중에서 스팀 압력제어 실패 또는 스팀 가열지속, 반응온도를 모니터하는 probe의 위치 부적절, 온도제어 시스템 결함에 의한 사고가 19건이었다.
조사된 사고는 1956에서 1996년까지 84 건으로 사고의 형태가 폭주반응, 화재, 누출, 폭발로 발생되었으며 분석 보고한 자료에 의하면 폭주반응 사고가 가장 많았으며 화재, 누출, 폭발 순으로 나타났다. 또한 초기사고 원인으로 불순물, 교반 실패, mischarge, 냉각 실패, 온도제어 실패, 기술적 오류, 열화학적 지식 부족, 반응물 축적, 기타로 분류하였으며 이중에서 기술적 오류는 밸브 성능저하, 주입 라인 막힘, 반응기와 vent 라인, vent 시스템 오류, 제어 시스템 실패를 포함하는 것으로써 가장 많은 사고원인으로 나타났으며, mischarging는 원료가 과도하게 투입되거나 다른 원료가 투입되는 것으로써 폭주반응 또는 화재 및 누출사고의 원인이 되며 냉각 실패와 온도제어 실패가 26건으로 많은 사고를 나타내었다.
폭주반응에 의한 사고발생이 정밀, 중간체 유기화합물제조업과 플라스틱, 고무 및 수지제품제조업이 총 189건의 사고발생 중에서 92건이 발생하여 전체 47%를 차지하였다. 각각에 대한 발생 비율을 [그림 3]에 나타내었다.
이 중에서 화학반응 및 열화학적 원인, 반응물 또는 촉매의 잘못 주입 또한 온도제어 실패에 의한 사고가 전체 사고의 약 60%를 차지하고 있으며 각각에 대한 발생 비율을 [그림 2]에 나타내었다. 화학반응 및 열화학적 원인에 의해 발생된 사고는 34건으로 세부적인 사고 원인으로는 반응기의 냉각용량 및 반응열의 인식오류, 생성혼합물의 분해, 불안정하고 충격에 민감한 부산물의 생성, 모든 반응물을 반응초기에 동시 첨가, 의도되지 않은 Oxidation이 Nitration 대신에 발생, 반응물들이 너무 고농도에서 반응수행 등이 있으며 이중에서 반응기의 냉각용량 및 반응열의 인식오류, 생성혼합물의 분해, 불안정하고 충격에 민감한 부산물의 생성에 의한 사고가 21건이었다.

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