초고농도 과산화수소 제조를 위한 투과증발 공정의 정량적 위험성 분석을 수행하였다. 잠재적 주요 사고는 분해반응에 따른 폭발 및 화재이며 실험실 규모일 때 사고결과는 카테고리 3에 속하는 것으로 판단된다. 대상공정에서 분해반응이 일어나는 과정을 사건트리 형태로 모델링하고 사고원인들의 확률함수를 유사사건 발생빈도 자료를 근거로 설정하였다. 구축된 모델을 사용하여 사고율을 계산한 결과, 수용 가능한 위험수준, 즉 사고빈도가 $10^{-4}/yr$ 이하가 되려면 추가 안전장치가 필요한 것으로 파악되었다. 이를 위해 방호계층분석을 적용한 결과, 촉매반응을 막기 위한 본질적 안전설계, 과열을 막기 위한 SIF (safety instrumented function), 그리고 분해반응이 일어나더라도 폭발로 이어지지는 것을 막는 릴리프 시스템이 요구되었다. 제안된 방법은 과산화수소 농축을 포함한 다양한 화학공정의 안전관리시스템 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
초고농도 과산화수소 제조를 위한 투과증발 공정의 정량적 위험성 분석을 수행하였다. 잠재적 주요 사고는 분해반응에 따른 폭발 및 화재이며 실험실 규모일 때 사고결과는 카테고리 3에 속하는 것으로 판단된다. 대상공정에서 분해반응이 일어나는 과정을 사건트리 형태로 모델링하고 사고원인들의 확률함수를 유사사건 발생빈도 자료를 근거로 설정하였다. 구축된 모델을 사용하여 사고율을 계산한 결과, 수용 가능한 위험수준, 즉 사고빈도가 $10^{-4}/yr$ 이하가 되려면 추가 안전장치가 필요한 것으로 파악되었다. 이를 위해 방호계층분석을 적용한 결과, 촉매반응을 막기 위한 본질적 안전설계, 과열을 막기 위한 SIF (safety instrumented function), 그리고 분해반응이 일어나더라도 폭발로 이어지지는 것을 막는 릴리프 시스템이 요구되었다. 제안된 방법은 과산화수소 농축을 포함한 다양한 화학공정의 안전관리시스템 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
Quantitative risk analysis has been performed for a pervaporation process for production of high test peroxide. Potential main accidents are explosion and fire caused by a decomposition reaction. As the target process has a laboratory scale, the consequence is considered to belong to Category 3. An ...
Quantitative risk analysis has been performed for a pervaporation process for production of high test peroxide. Potential main accidents are explosion and fire caused by a decomposition reaction. As the target process has a laboratory scale, the consequence is considered to belong to Category 3. An event tree has been developed as a model for occurrence of a decomposition reaction in the target process. The probability functions of the accident causes have been established based on the frequency data of similar events. Using the constructed model, the failure rate has been calculated. The result indicates that additional safety devices are required in order to achieve an acceptable risk level, i.e. an accident frequency less than $10^{-4}/yr$. Therefore, a layer of protection analysis has been applied. As a result, it is suggested to introduce inherently safer design to avoid catalytic reaction, a safety instrumented function to prevent overheating, and a relief system that prevents explosion even if a decomposition reaction occurs. The proposed method is expected to contribute to developing safety management systems for various chemical processes including concentration of hydrogen peroxide.
Quantitative risk analysis has been performed for a pervaporation process for production of high test peroxide. Potential main accidents are explosion and fire caused by a decomposition reaction. As the target process has a laboratory scale, the consequence is considered to belong to Category 3. An event tree has been developed as a model for occurrence of a decomposition reaction in the target process. The probability functions of the accident causes have been established based on the frequency data of similar events. Using the constructed model, the failure rate has been calculated. The result indicates that additional safety devices are required in order to achieve an acceptable risk level, i.e. an accident frequency less than $10^{-4}/yr$. Therefore, a layer of protection analysis has been applied. As a result, it is suggested to introduce inherently safer design to avoid catalytic reaction, a safety instrumented function to prevent overheating, and a relief system that prevents explosion even if a decomposition reaction occurs. The proposed method is expected to contribute to developing safety management systems for various chemical processes including concentration of hydrogen peroxide.
그러나 현재 각 사건에 대한 고장함수의 상세 모델링을 위한 자료는 현저히 부족한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 모든 사건을 우연고장으로 가정하고 각 사건의 발생빈도를 유사사건 빈도자료[6]를 토대로 추정하여 Table 4에 표시하였다.
본 연구에서 수행한 정량적 위험성 분석은 각 초기사건이 우연히 발생한다고 가정하는 일정 고장률 사고빈도 분석기법에 기반을 두었다. 이는 이어진 방호계층분석에서도 마찬가지이다.
제안 방법
과산화수소 농축을 위한 투과증발공정의 분해반응 사고에 대한 정량적 위험성 분석을 실시하였다. 초고농도 과산화수소의 분해반응이 폭발로 이어지는 사고는 실험실 규모일 때 한 사람이 부상당하는 Category 3에 해당한다고 볼 수 있다.
본 연구에서는 이러한 안전관리기법을 실험실 규모부터 적용코자 한다[3]. 대상공정을 과산화수소 농축을 위한 투과증발공정으로 정하고 분해반응에 의한 폭발사고 빈도를 예측한 후, 이를 수용 가능한 위험수준이 되도록 낮추는데 필요한 추가 안전장치를 찾는다. 제안된 방법은 다른 과산화수소 농축공정의 안전성 향상에 기여할 수 있으며, 정량적 위험성 평가 시스템의 빈도분석 모듈[4] 및 통합 안전관리 시스템[5] 구축에 적용할 수 있다.
분해반응은 촉매접촉 또는 과열에 의해 발생하므로 이를 막기 위한 IPL로 각각 PFD가 10-2인 본질적 안전설계 및 SIL1의 SIF 설치를 제안하였다. 또한 분해반응이 일어나더라도 폭발로 이어지는 사고를 막기 위해서 feed tank와 membrane module 에 PFD가 10-2인 relief valve 또는 rupture disk의 설치를 제안하였다. 이를 적용하면 예상 사고율은 최대 5.
본 연구는 실험실 규모의 투과증발공정에 대해서 수행되었으나 제안된 방법은 산업현장의 상업용 규모 또는 다른 방식의 공정에도 적용할 수 있다. 감압증류나 분별결정 등 다른 방법을 사용하더라도 분해반응 발생요인(촉매 또는 열)은 같으므로 대상공정의 결함트리는 Fig.
53/yr로, 추가 안전장치가 필요하다. 분해반응은 촉매접촉 또는 과열에 의해 발생하므로 이를 막기 위한 IPL로 각각 PFD가 10-2인 본질적 안전설계 및 SIL1의 SIF 설치를 제안하였다. 또한 분해반응이 일어나더라도 폭발로 이어지는 사고를 막기 위해서 feed tank와 membrane module 에 PFD가 10-2인 relief valve 또는 rupture disk의 설치를 제안하였다.
이론/모형
다양한 원인이 복합적으로 관련된 사건은 본 논문의 사례연구에서 제안하는 모델에서와 같이 AND 게이트 및 OR 게이트로 연결된 트리구조로 표현하는 결함트리 분석(Fault Tree Analysis) 기법을 사용한다. 주어진 시간 내에 두 가지 실패가 모두 일어날 확률은 F(t) = F1(t)F2(t), 두 요소 중 하나 이상이 실패할 확률은 F(t) = 1-R1(t)R2(t)로 계산함으로써 최종사건의 발생빈도를 예측할 수 있다.
성능/효과
본 연구의 분석결과에 따르면 과산화수소 농축을 위한 투과증발 공정에서 분해반응이 일어나는 예상 사고율은 최대 0.53/yr이다. 이는 추가안전장치 없이 운전을 계속하면 약 2년에 한번 꼴로 분해반응이 발생할 수 있음을 의미한다.
대상공정을 과산화수소 농축을 위한 투과증발공정으로 정하고 분해반응에 의한 폭발사고 빈도를 예측한 후, 이를 수용 가능한 위험수준이 되도록 낮추는데 필요한 추가 안전장치를 찾는다. 제안된 방법은 다른 과산화수소 농축공정의 안전성 향상에 기여할 수 있으며, 정량적 위험성 평가 시스템의 빈도분석 모듈[4] 및 통합 안전관리 시스템[5] 구축에 적용할 수 있다.
후속연구
이를 반영하기 위해서는 각 장비의 마모고장 패턴을 보여주는 신뢰성함수 모델이 필수적이다. 이러한 자료가 구축되면 본 연구에서 제안한 방법을 적용함으로써 운전시간에 따른 사고율을 예측하여 적정시점에 안전조치를 취할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
로켓 등급으로의 과산화수소 농축 방법에는 어떤 것들이 있는가?
로켓 등급으로의 과산화수소 농축 방법으로는 감압증류(vacuum distillation), 분별결정(fractional crystallization), 막분리(membrane separation) 등이 있다. 감압증류는 효과적이나 고농도의 과산화수소 증기를 다루어야 하므로 본질적으로 위험하고, 분별결정은 안전하나 효율적이지 못하다.
초고농도 과산화수소란 무엇인가?
과산화수소(H2O2)는 친환경적이며 효과적인 산화제로 산업 전반에서 다양하게 사용되고 있다[1]. 초고농도 과산화수소(high test peroxide, HTP)는 일반적으로 85-98 wt% 과산화수소(hydrogen peroxide) 수용액을 의미하며, 촉매와 접촉하면 고온의 수증기와 산소로 급격히 분해되므로 로켓 추진제 겸 연료 산화제로 사용된다. 농도가 높을수록 고온의 기체를 배출하므로 추진력이 강해지지만 폭발 위험성 또한 증가한다.
로켓 추진제 겸 연료 산화제로 사용되는 초고농도 과산화수소는 농도가 높을수록 어떤 특성을 지니게 되는가?
초고농도 과산화수소(high test peroxide, HTP)는 일반적으로 85-98 wt% 과산화수소(hydrogen peroxide) 수용액을 의미하며, 촉매와 접촉하면 고온의 수증기와 산소로 급격히 분해되므로 로켓 추진제 겸 연료 산화제로 사용된다. 농도가 높을수록 고온의 기체를 배출하므로 추진력이 강해지지만 폭발 위험성 또한 증가한다.
참고문헌 (12)
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