[논문]K-PSR 기법을 활용한 회분식 폴리에스터 축합반응에서의 공정 위험성 평가 연구

박경민; 이동규; 이학일; 이준만; 안원술

doi:10.5762/kais.2019.20.3.35

K-PSR 기법을 활용한 회분식 폴리에스터 축합반응에서의 공정 위험성 평가 연구
Process Risk Assessment for a Batch Condensation Reaction of Polyester Resin using K-PSR Technique 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.3, 2019년, pp.35 - 42

박경민 (계명대학교 화학공학과) , 이동규 (계명대학교 화학공학과) , 이학일 (계명대학교 화학공학과) , 이준만 (영남이공대학교 화장품화공계열) , 안원술 (계명대학교 화학공학과)

초록
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회분식 축합반응에 의하여 폴리에스터 수지를 제조하는 중 소규모 화학 공장에 대하여 공정안전관리제도 (PSM)의 시행에 활용되는 위험성평가 방법들 중의 하나인 K-PSR 기법을 이용하여 위험성 평가 및 분석을 진행하였다. K-PSR 기법은 중 소규모 화학공장에 대한 위험성 재평가 시에 나타나는 인프라 부족에 의한 어려운 점을 보완하기 위하여 KOSHA에서 개발한 위험성 평가 기법이다. K-PSR 기법을 적용하기 위하여 선택된 화학 공장의 전체 공정을 축합반응공정과 희석/여과 공정의 2 개의 검토구간을 설정하고, 이에 대한 4가지 가이드워드(누출, 화재 폭발, 공정 트러블, 및 상해)를 기초로 하여 공정상의 잠재위험을 찾아내어 분류하였다. 연구의 결과로서, 위험도 등급을 고려한 안전조치로는 첫째, 누출 및 화재 폭발의 잠재 위험성을 예방하기 위한 구체적인 조치로서는 노후설비에 대한 비파괴 검사 및 전기설비의 LOTO 절차서의 마련이 반드시 필요한 것으로 확인되었다. 둘째, 열매체 공급 배관에는 압력계 및 온도계를 설치하여 공정 트러블을 최소화하고, 마지막으로 국소배기장치를 설치하여 잠재적인 상해를 예방해야 함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Risk assessment and analysis for a medium-to-small sized chemical plant that manufactures a polyester resin by the process of batch-type condensation reaction was conducted using K-PSR technique which is one of the risk assessment methods used to implement the Process Safety Management System (PSM). K-PSR is a risk assessment technique developed by KOSHA to compensate for difficulties caused by the lack of infrastructure of medium-to-small sized chemical plants in the re-evaluation. To apply the K-PSR technique, the entire process of a selected chemical palnt was classified in two review sections, i.e., the condensation reaction process and the dilution/filtration process, and the potential risks of the process about these review sections were identified and classified based on the four guide-words (release, fire.explosion, process trouble, and injury). As the results of the research, refer to recommend of risk rating has been confirmed that non-destructive testing of old facilities and the preparation of LOTO procedures for the electrical equipments are necessary as specific measures to prevent the risk of release and fire.explosion. It was also shown that pressure gauges and thermometers should be installed on the hot-oil supply piping to minimize the process trouble, and exhausting hood should be installed to prevent potential injury.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Typical condensation process flow diagram for polyester resin
그림 Fig. 2. Utility flow diagram of condensation reaction process for polyester resin
표 Table 1. Hazard guide words for K-PSR
표 Table 2. Likehood (L) Criteria
표 Table 3. Severity (S) Criteria
표 Table 4. Risk (Severity and frequency matrix) Criteria (R)
표 Table 5. Risk assessment results by using K-PSR

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이와 같은 점에 주목하여,경남지역의 중·소규모의 화학 공장 중에서 회분식 축합반응공정 (Batch Condensation Reaction Process)에 의하여 만들어지는 폴리에스터 (Polyester) 수지 제조 공장을 선정하여 위험성 평가를 진행하였다. 공장의 현실적 사항들을 고려하여 위험성 평가 시의 평가 인원, 시간,보고서 분량 및 교육 등을 줄일 수 있는 K-PSR 기법을 적용하기로 하고, 실제 사고와 연관될 수 있는 현장 조업 사항을 고려하여 설계적인 측면보다는 현실적인 측면에서의 잠재적 위험성을 평가하여 개선 계획을 제시하고자 하였다.
폴리에스터 수지 제조를 위하여 회분식 축합 반응공정을 이용하는 국내 중·소규모 화학 공장 중에서 잠재적인 사고 발생 위험성이 높은 반응공정을 선정하여, 공정 위험성 재평가 시에 발생할 수 있는 위험성을 최소화하기 위한 위험성 평가 연구를 진행하였다.

가설 설정

사고 발생 빈도(L)를 나타낸 Table 2와 위험강도(S)를 나타낸 Table 3을 조합하여 Table 4에서 나타낸 바와같이 5 단계의 위험도 등급으로 설정하였다. 위험등급 1 및 2 등급은 허용가능한 위험 등급으로서 특별한 완화 및 제거 조치가 필요 없는 것으로 가정한다. 위험등급 3과 4 등급은 As Low as Reasonably Practicable(ALARP) 원칙에 따라 운전 및 관리 측면에서의 위험을 완화하거나 제거하기 위한 권고 사항 내용 등으로 위험감소 활동을 실시하는 것으로 설정하였고, 위험 등급이 5등급인 경우 위험작업을 즉시 중단하는 허용 불가한 위험등급으로서 즉시 개선 활동을 실행하는 것으로 설정하였다.

제안 방법

1) 공장 내의 누출 방지 시설을 확보하고 노후 설비에 대한 비파괴검사를 시행하여 사전에 누출을 예방하고, 비상사태 시나리오를 보완하도록 하였다.
표에서 보듯이,Fig. 1에서 공정별로 나눈 2개의 검토구간에서 발생할 수 있는 사고 위험요소를 원인-결과로 도출하였고, 해당 잠재위험 및 원인-결과 사항에 대한 주요쟁점 사항을 관련 문제 사항으로 도출하였다. 또, 사고 예방을 위하여 공장에서 현재 설치된 안전장치 또는 안전장치 역할을 하는 안전조치 사항을 파악하여, HAZOP 평가 기법의 위험도 등급 분류방법을 별도로 적용하여, 3등급 이상으로 판정된 위험등급에 대하여서만 개선권고사항을 우선적으로 마련하였다.
K-PSR 기법을 적용함으로써 기존의 HAZOP 평가보다는 다른 시각에서 좀 더 용이하게 위험성 평가 및 개선 사항들을 도출할 수 있었으며, 연구의 결과로부터 다음의 사항들을 도출할 수 있었다.
Table 1에는 4가지 위험형태와 원인에 대하여 평가·분석한 잠재위험 요소를 분류한 것으로, 누출(Release)의 원인은 부식(Corrosion), 침식(Erosion), 누설(Leak) 등으로 , 화재·폭발(Fire & explosion)의 원인은 물리적 과압(physical overpressure), 취급제한 화학물질 사용과 분진(Handling limit chemical material and dust) 및 점화원(Ignition source) 등으로 분류하였다.
1에서 공정별로 나눈 2개의 검토구간에서 발생할 수 있는 사고 위험요소를 원인-결과로 도출하였고, 해당 잠재위험 및 원인-결과 사항에 대한 주요쟁점 사항을 관련 문제 사항으로 도출하였다. 또, 사고 예방을 위하여 공장에서 현재 설치된 안전장치 또는 안전장치 역할을 하는 안전조치 사항을 파악하여, HAZOP 평가 기법의 위험도 등급 분류방법을 별도로 적용하여, 3등급 이상으로 판정된 위험등급에 대하여서만 개선권고사항을 우선적으로 마련하였다.
Table 1에는 4가지 위험형태와 원인에 대하여 평가·분석한 잠재위험 요소를 분류한 것으로, 누출(Release)의 원인은 부식(Corrosion), 침식(Erosion), 누설(Leak) 등으로 , 화재·폭발(Fire & explosion)의 원인은 물리적 과압(physical overpressure), 취급제한 화학물질 사용과 분진(Handling limit chemical material and dust) 및 점화원(Ignition source) 등으로 분류하였다. 또한, 공정 트러블(Process trouble)은 조업상의 문제(Operation trouble),원료물질의 이상 (Raw material trouble) 등으로, 상해(Injury)는 물리적인 불안전한 상태 (Unsafety condition),사람의 불안전한 행동 (Unsafety behavior of human error) 등으로 분류하였다. 공정에서 일어날 수 있는 이들 각각의 잠재위험 요소들에 대한 세부 위험요소들도 표에 함께 나타내었다.
본 연구에서는 이와 같은 점에 주목하여,경남지역의 중·소규모의 화학 공장 중에서 회분식 축합반응공정 (Batch Condensation Reaction Process)에 의하여 만들어지는 폴리에스터 (Polyester) 수지 제조 공장을 선정하여 위험성 평가를 진행하였다.
사고 발생 빈도 (Likelihood)는 Table 2에서 나타낸 바와 같이 사고 발생 횟수와 기간을 기준으로 빈도 수준을 4등급으로 구분하였고, 위험강도(Severity)는 Table 3과 같이 인적, 물적, 조업 중지 등을 고려하여 ‘경미(Low)’, ‘보통 (Intermediate)’, ‘중대함 (Extremely)’ 및‘치명적 (Extremely High)’의 4등급으로 구분하였다.
위험등급 1 및 2 등급은 허용가능한 위험 등급으로서 특별한 완화 및 제거 조치가 필요 없는 것으로 가정한다. 위험등급 3과 4 등급은 As Low as Reasonably Practicable(ALARP) 원칙에 따라 운전 및 관리 측면에서의 위험을 완화하거나 제거하기 위한 권고 사항 내용 등으로 위험감소 활동을 실시하는 것으로 설정하였고, 위험 등급이 5등급인 경우 위험작업을 즉시 중단하는 허용 불가한 위험등급으로서 즉시 개선 활동을 실행하는 것으로 설정하였다. 따라서 Table 4의 위험 등급표에 따라 위험 등급이 3 ~ 5 등급으로 판정된 항목은 2등급 이하로 반드시 낮추어야 하며, 이러한 점을 고려하여 위험등급 3 이상의 항목들에 대해서만 우선적으로 위험성에 대한 개선권고사항을 제시하도록 하였다.
한편, 본 연구에서는 정성적 위험성평가에 대하여 정량적인 요소를 추가하고, 잠재적 사고에 대한 인식을 높이고 개선사항에 대한 빠른 검토가 이루어질 수 있도록 HAZOP 평가에서 사용되는 위험성 등급표를 활용하여 K-PSR 위험성 평가 결과표에 별도로 추가하였다. HAZOP 평가에서의 위험도등급(R) 분석을 위한 등급대조표 설정은 각 사업장의 실정에 맞도록 규정하고 있으므로[6], 여기서는 위험도 등급 기준은 KOSHA의 위험과 운전분석[7,8] 및 위험성평가 실시를 위한 우선순위 결정 기술지침[9]을 참고하여 위험도 순위를 결정하였다.

이론/모형

한편, 본 연구에서는 정성적 위험성평가에 대하여 정량적인 요소를 추가하고, 잠재적 사고에 대한 인식을 높이고 개선사항에 대한 빠른 검토가 이루어질 수 있도록 HAZOP 평가에서 사용되는 위험성 등급표를 활용하여 K-PSR 위험성 평가 결과표에 별도로 추가하였다. HAZOP 평가에서의 위험도등급(R) 분석을 위한 등급대조표 설정은 각 사업장의 실정에 맞도록 규정하고 있으므로[6], 여기서는 위험도 등급 기준은 KOSHA의 위험과 운전분석[7,8] 및 위험성평가 실시를 위한 우선순위 결정 기술지침[9]을 참고하여 위험도 순위를 결정하였다.

성능/효과

2) 반응기 및 저장 탱크 내부가 불활성화되지 않을 경우에는 화재·폭발에 대한 잠재적 사고가 발생할 수 있으므로 반드시 불활성화해야 하며, 용제 내에 대전방지제를 투입하고, 모든 설비는 접지가 잘 될 수 있도록 하는 것이 필요하다.
4) 밀폐 용기 출입 시에는 작업허가 절차서 및 지침을 강화하고, 포장 공정에 캐노피형 국소배기장치를 설치함으로써 작업자의 상해를 예방하도록 하였다.
4가지 위험형태에 대하여 원인- 결과로 도출된 각각의 사항에 대하여 개선권고사항, 안전조치사항을 도출할 수 있고, 위험등급에 따른 개선권고사항이 일목요연하게 정리되어 있음을 알 수 있다. 예를 들어 Node 1에서의 누출에 의한 위험요소들에 대한 원인-결과 항목은, ‘교반기 내의 기계적 씰 (Mechanical seal)의 파손 시에는 반응기 내부의 증기가 누출되어 환경오염 및 작업자 건강 장애가 발생할 수 있다’와 ‘반코일 재킷(half coil jacket)의 용접 부위 크랙으로 인한 고온의 오일 누출 시에는 작업장 오염의 위험이 발생할 수 있다’의 두 가지 항목이 도출되며, 이에 대한 각각의 개선권고사항, 안전조치사항, 및 위험도 등급 4에 따른 개선권고사항이 구분되어 도출되어 있다.

후속연구

K-PSR 기법은 화학 공장에서 발생 가능한 위험요소를 공정 단위별로 나누어 평가함으로써 현장 직원들의 경험요소들을 적절히 적용할 수 있는 방법이며 평가 시간을줄일 수 있으므로 국내 중·소규모 화학회사의 현재 실정에 맞춘 평가 기법이라 할 수 있다. 따라서 본 연구에서와 같이 향후 지속적으로 안전 설비 및 절차서를 연구하고 개선해 나아가면 잠재적 위험요소들로부터의 안전성 확보가 이루어질 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공정 안전 위험성을 평가하는 방법과 대표적인 예는?	이러한 공정 안전 위험성을 평가하는 방법으로서 대개의 화학 공장에서는 정성적 평가 방법을 사용하고 있으며, 대표적인 예로서 위험과 운전성 분석 (Hazard and Operability study, HAZOP) 기법이 있으며 기초 설계·설치 단계를 평가할 때나 재평가를 실시할 때에도 많이 활용되고 있다. 이 기법은 공정 배관 계장도(Pipe&Instrument diagram, P&ID)를 바탕으로 각 검토구간에 대한 공정 위험성에 대하여 평가자의 오랜 경험과 전문 지식을 바탕으로 분석하게 된다.
	K-PSR 기법이란?	K-PSR 기법은 정성적 위험성 평가 방법 중의 하나로서 영국 ICI사에서 제시한 PHR (Process Hazard Review) 기법을 기초로 하여 KOSHA의 주도하에 국내에서 2006년 자체 개발한 방법이다. 이 기법은 설치·가동 중인 기존 화학 공장의 공정 안정성을 재검토(Review) 시에 활용되며 위험성 분석의 결과를 간단한 워크시트의 형태로 나타낼 수 있는 장점이 있다.
	중소규모의 위험성 평가가 필요한 이유는?	한편, 국내의 많은 중·소규모 화학 공장에서는 소량·다품종 제품을 제조하는 회분식 반응공정 (Batch reaction process)을 적용하는 경우가 대부분이고, 이 반응공정은 동일한 반응기를 사용하여 취급 물질과 작업공정이 자주 변경되기 때문에 잠재적인 사고 발생 위험성이 높다[5]. 본 연구에서는 이와 같은 점에 주목하여,경남지역의 중·소규모의 화학 공장 중에서 회분식 축합반응공정 (Batch Condensation Reaction Process)에 의하여 만들어지는 폴리에스터 (Polyester) 수지 제조 공장을 선정하여 위험성 평가를 진행하였다.

참고문헌 (10)

H. S. Lee, W. T. Kim, "A Study on Settlement Planning of PSM system in the Small and Meduim Sites", Korean Journal of Hazardous Materials, Vol. 5, No.1, pp. 90-97, June, 2017.
J. M. Lee, J. H. Yoo, J. W. Ko, "A Study on Hazard Identification Method for Small and Medium Chemical Industries", Korea Chem. Eng. Res., Vol. 45, No.1, pp. 103-108, February, 2007.
Ministry of Employment and Labor (MOEL) & Korea Occupational Safety&Health Agency (KOSHA), "Distribution of PSM site's degree in 2016", 2016.
Korean Occupational Safety & Health Agency, "K-PSR Method Application", Technical Guide, pp, 111-2012, 2012.
CCPS, "Guideline for Process Safety in Batch Reaction System", AIChE, New York, 1999.
Korean Occupational Safety & Health Agency, "An Introduction to the Petrochemical Process Evaluation Technology", 2008.
Korean Occupational Safety & Health Agency, "Technical guidelines for Hazard and Operability (HAZOP) of batch process", KOSHA GUIDE, P-86-2017, 2017.
Korean Occupational Safety&Health Agency, "Technical guidelines for Hazard and Operability (HAZOP) of continuous process", 2012.
Korean Occupational Safety&Health Agency, "Technical guideline for priority decision on Risk assessment", 2012
J. M. Lee, J. H. Yoo, J. W. Ko, "Qualitative Hazard Analysis for LNG Gas Stations Using K-PSR Method", KIGAS, Vol. 45, No. 4, December, 2006.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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