화학사고 사례연구-생산절차 미준수로 인한 반응폭주 사고-KOSHA

사고개요

2020년 9월 ○○○사업장의 페놀알킬수지 제조공정에서 반응기에 원료(페놀, p-포름알데히드) 투입 후 반응 개시제(NaOH)를 투입하는 과정에서 이상 반응에 의한 과압으로 파열판 및 후단 열교환기가 파손된 사고이다.

폭발로 파손된 열교환기(좌)와 비산된 반응기 커버(우)

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사업장 현황

○○○사업장은 페놀과 포름알데히드를 합성하여 주물용 점결제를 생산하고 있다. 사고가 발생한 공정은 알카라인계 페놀-포름알데히드 레진을 생산하는 공정이다.

제품 생산 흐름도

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공정설명

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원료주입

페놀과 포름 알데히드를 반응기로 공급하면 염기성 촉매(NaOH) 존재 하에서 메틸올 페놀 중합체와 물을 형성한다.

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승온

희석열에 주의하며 단계적으로 60 ℃까지 승온한 후 90 ℃까지 승온한다.

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냉각 (사고발생)

경화제와 혼합하여 반응정도를 측정한 후 반응물을 45 ℃ 미만으로 냉각하여 반응을 종료한다.

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사고발생 물질

 

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사고발생 공정

레진 제조 흐름도

 

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페놀은 배관을 통해 반응기로 공급되며 파라포름알데히드는 고체 상태로 호퍼를 통해 반응기로 유입된다. 원료 투입 후 염기성 촉매인 50 % NaOH를 반응기로 투입하고 반응시킨다. 60 ℃까지 승온된 후 10분 유지 후 90 ℃ 까지 승온되어 일정시간 유지된다. 일정 시간 후 45 ℃로 냉각시킨 후 첨가제를 투입하여 포장, 출하한다. 반응기 Jacket에 147 ℃ 스팀을 공급하여 승온하고, Jacket 및 Coil에 냉각수를 공급하여 제품을 냉각한다.

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사고원인 분석

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작업 순서 미준수

정상적인 작업절차에 따른 반응 시 온도 변화를 보면 페놀과 파라포름알데히드가 투입된 후 공업 용수가 공급되어 반응물을 냉각시킨 후 촉매(50 % NaOH)가 투입되도록 운전절차가 구성되어 있었다. 하지만 사고 당일 CCTV를 통해 확인한 작업 사항과 DCS 온도 변화를 확인했을 때 첫 번째 공업 용수가 주입되어야 하는 시점에 작업이 이루어지지 않고 촉매가 우선적으로 투입된 후 공업용수가 투입된 것으로 확인된다

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생산 지시서 미작성

사고 당일 생산 지시서에 의거한 작업 순서 준수 여부를 확인하려 했으나 당일에는 생산 지시서를 작성하지 않은채 작업자의 판단으로 생산 절차가 진행되었다.

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결론

금번 사고의 경우, 사고 발생 형태, 사고 발생 공정, 생산 조건, 작업 절차 등을 검토한 결과 작업절차 미준수에 의한 반응 폭주인 것으로 분석된다

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사고발생 원인

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작업 절차 미준수

레진 생산 시 원료를 투입하고 승온, 냉각 과정을 거친 후 촉매를 주입하여야 하지만 냉각 과정을 거치지 않아서 정상 조건보다 고온의 상태에서 촉매로 인한 반응이 발생하여 폭주반응이 발생하였다

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공정설명서 미흡

공정설명서에는 공정에서 발생할 수 있는 이상반응 및 대책이 포함되어야 하지만 사고가 발생한 설비와 관련된 공정설명서에는 공정에서 발생할 수 있는 위험상황만 제시되어 있어 작업순서 오류 시 근로자가 이상반응 발생여부를 사전에 인지할 수 없었다. 또한 이상반응에 대한 대책으로 ‘냉각수를 공급한다’고만 되어있어 예상하지 못한 발열이 발생했을 때의 조치방안이 제시되어 있지 않았다.

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공정위험성 평가 미흡

위험성 평가는 해당 공정에서 발생할 수 있는 위험성을 검토하고 발생빈도와 피해크기를 줄이는데 목적이 있다. 사고 반응기에 대한 위험성 평가는 실시되었지만 작업 순서 변경으로 발생할 수 있는 “Part of step missed”에 따른 이상반응 발생에 대한 위험성을 발굴하지 못했다.

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압력방출장치 검토 부적절

반응기에 과압 해소를 위한 파열판이 설치되어 있었지만 이번 사고와 같은 순간적인 압력상승 및 대량의 반응 생성물 배출에 대한 검토가 진행되지 않은 채 타 반응기의 안전장치와 동일한 크기로 파열판이 설치 되어있었다.

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동종사고 예방대책

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공정 자동화 도입

운전절차가 누락되거나 순서가 잘못되어 운전범위(온도 제어범위)를 벗어나게 된 경우 근로자가 초기 대응에 실패했다면 설비가 순차적으로 작동하여 반응기가 냉각될 수 있도록 하여야 한다. 온도, 압력 등에 대한 연동제어를 통해 반응기 Coil 및 Jacket으로 냉각수의 자동공급 또는 냉각수 라인 추가 설치 등 설비적인 보완이 필요하다. 또한, 제품 생산을 위한 원료, 촉매 등의 투입에 자동화 설비를 적용하여 작업자 오류로 발생할 수 있는 공정사고를 방지하여야 한다.

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작업 절차 준수

작업 시 준수해야 하는 안전운전절차서가 있지만 사고 발생 시 해당 작업 절차를 준수하지 않았다. 또한, 평소 작업 시 생산지시서를 작성하고 있었지만 생산 지시서에 기록하는 절차가 마련되어 있지 않아서 작업자가 절차를 누락했음에도 인지가 불가능했다. 따라서 동종 사고 예방을 위해서 배합비, 이상반응 등 위험성을 인지할 수 있도록 생산 지시서를 보완하고 해당 생산 지시서를 작성하도록 문서화함과 동시에 운전원이 정확히 이행하도록 하여야 한다

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공정설명서 작성 철저

공정설명서에는 해당 설비에서 일어나는 화학반응 및 처리방법 등이 포함된 공정 운전조건, 반응 조건, 반응열, 이상반응 및 대책이 포함되어야 한다. 따라서, 공정에서 발생할 수 있는 반응에 대한 반응열, 이상반응 및 대책을 철저히 검토하여 공정 설명서를 상세히 작성할 필요가 있다. 작성된 공정설명서를 포함하여 해당 공정을 운영하는 근로자에게 교육을 실시하여 비상상황 시 적절히 대처할 수 있도록 하여야 한다.

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위험성 평가 철저

위험성 평가는 공정운전 전문가, 설계전문가를 포함하는 여러 분야의 전문가로 구성된 팀에 의해서 시행되어야 하며, 공정기술, 공정설계, 정상 및 이상 운전절차, 비상시 운전절차 등 관련 자료를 상호 교환하고 검토하여야 한다. 이번 사고가 발생한 공정과 같은 회분식 반응기에 대한 위험성 평가를 실시할 때는 설비의 설계를 결정하는 반응의 메커니즘, 폭주반응 예측을 통해 위험성을 사전에 정확히 인지하고, 이를 바탕으로 원료, 촉매 등 투입순서 등에 대한 가이드워드를 반영하여 회분식 반응기의 위험성 평가 결과를 도출하여야 한다.

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Lesson Learned

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반응 특성의 미인지가 사고의 원인이다!

이번 사고는 제품을 생산할 때 발생할 수 있는 발열 반응에 대해 정확히 인지하지 못하고 있어서 발생하였다. 사업주는 기본적으로 공정에서 제조, 취급, 저장하는 모든 유해·위험물질 및 운전 중에 발생할 수 있는 위험성을 파악하고 있어야 한다. 제품 생산 시 반응과정에서 발생할 수 있는 위험성을 파악한 후에 적절한 재질 및 운전조건 등을 반영하여 공장을 설계하여야 하며, 공장이 운전 중일 때에도 운전원을 포함한 공장의 모든 구성원이 물질의 위험성을 인지하는 것이 사고를 방지하고 피해를 줄이는 첫 번째 방법이라 할 수 있다.

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안전운전을 위해서 안전운전절차서를 준수하자!

안전운전절차서는 운전 중에 발생할 수 있는 사고를 방지하고 비상시 대책 수립을 위해 최초의 시운전, 정상운전, 비상 시 운전, 정상적인 운전정지, 비상정지, 정비 후 운전개시, 운전범위를 벗어난 경우를 포함하여야 한다. 운전범위를 벗어났을 때를 대비하며 비상시 운전절차에 따라 운전함으로써 사고의 발생을 방지 할 수 있다.

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반응 폭주에 대비한 안전장치를 검토하자

이번 사고는 반응기에 설치되어 있는 파열판이 과압으로 인해 찢어지며 압력 배출을 했지만 과압 해소가 충분하지 않아 급격한 압력 상승으로 설비가 파열되었다. 반응 폭주로 인한 순간적인 압력상승을 해소하기 위해 적절한 크기의 과압배출장치를 반응기에 설치하여야 한다. 또한 반응폭주는 순간적으로 다량의 내용물을 배출해야 때문에 안전밸브가 아닌 파열판을 설치하여 관리하여야 한다. 따라서 반응기에 설치되는 안전장치의 배출용량을 산정할 때는 반응 폭주를 포함하여 발생할 수 있는 모든 과압을 검토한 후 파열판의 크기를 산정함으로써 이상 과압이 발생하였을 때 관련 설비의 파열을 방지하여야 한다.

 

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