개념 한 쪽
공정에 담긴 에너지와 위험을 다루는 기초 문제다. 물이 수증기로 팽창하며 하는 일을 열량으로 환산하는 계산이 한 축이고, 고압가스 용기가 파열하는 원인의 갈래가 다른 축이며, 공정위험평가 기법 가운데 HAZOP의 특징이 세 번째 축이다.
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출제기준 단원 「공정안전의 개요」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 팽창일 열량 계산 | 1 | 수증기 팽창일을 열량으로 환산한 값을 고른다 |
| 내압 부족 원인 아님 판정 | 1 | 용기 내압력을 약하게 만들지 않는 원인을 고른다 |
| 위험평가 기법 선택 | 1 | 공정변수와 가이드워드를 쓰는 기법을 고른다 |
공정 안전은 물질이 지닌 에너지가 어떻게 밖으로 나오는지부터 본다. 대기압에서 100℃의 물 1kg이 수증기로 변할 때 팽창으로 외부에 하는 일은 압력에 체적 변화를 곱해 구한다. 체적 증가는 1.673에서 0.00104371를 빼면 약 1.672세제곱미터매킬로그램이고, 압력 1.03kg매세제곱센티미터를 곱해 일로 환산한 뒤 427로 나누면 약 40kcal이다. 물 한 킬로그램이 가진 잠열만으로도 이만한 일을 하므로 밀폐 용기에서의 팽창이 사고로 이어지는 이유가 여기에 있다.
고압가스 용기의 파열은 용기 스스로 압력을 견디지 못하는 경우와 운전 조건이 압력을 키우는 경우로 갈라 본다. 내압력 부족의 원인은 용기 내벽의 부식, 강재의 피로, 용접 불량처럼 용기 자체의 강도를 약하게 만드는 것이다. 과잉 충전은 용기를 약하게 만드는 원인이 아니라 내압을 넘는 압력을 만드는 운전상의 원인이라 구별된다.
위험을 미리 찾는 대표 기법이 HAZOP이다. 온도·압력·유량 같은 공정변수에 아니 없음, 더 많음, 더 적음 같은 가이드워드를 결합해 비정상상태가 생길 수 있는 원인을 찾고 결과를 예측하며 대책을 세운다. 같은 정성적 기법이라도 고장의 유형과 영향을 분석하는 FMEA, 사고를 거슬러 올라가는 FTA, 사고로부터 결과를 펼치는 ETA와 섞지 않도록 기법의 재료로 구분한다.
공정을 이루는 설비의 상식도 함께 물어온다. 국소배기장치의 외부식 후드는 발산원에 가장 가까이, 개구부는 작게 해서 포집속도를 유지한다. 운전압력이 3psig 이상인 설비 가운데 반응기와 탑류, 열교환기는 압력계 설치 대상이지만 밸브류는 설치하지 않아도 된다. 유량계는 오리피스와 벤추리가 차압식, 로터미터는 부표 높이를 읽는 가변면적식이다. 압력을 힘과의 직접 평형으로 재는 1차 압력계는 액주식과 자유피스톤형이고, 파열판의 파열압력은 인장강도에 두께를 곱하고 직경으로 나누는 식으로 구해 두께에 비례하고 직경에 반비례한다. 에틸렌과 염소가 만나면 C=C 이중결합에 붙는 부가반응이 먼저 일어나는 것도 공정 반응의 기초 상식이다.
학습목표: HAZOP 기법의 분석 근거를 설명할 수 있다.
위험과 운전분석은 위험성과 운전성을 정해진 규칙과 설계도면(P&ID)에 의하여 체계적으로 분석, 평가하는 방법이다.
NCS 학습모듈 2306010406 화학공정 정성적 위험성평가 · 1-1. 정성적 위험성평가 종류 및 특성 확인
계산 문제는 체적 차이에 압력을 곱하고 427로 나누는 순서만 지키면 40kcal로 떨어진다. 내압력 문제는 재질과 구조를 약하게 하는 보기가 원인이고, 과잉충전은 운전상 원인으로 걸러 낸다. 기법 선택은 공정변수와 가이드워드라는 낱말이 보이면 HAZOP로 즉답한다. 후드는 가장 먼 곳에 설치한다는 보기가, 밸브류의 압력계 면제, 로터미터의 형식 구분이 뒤따르는 잡은 보기들이다.
대기압하(1.03kg/cm² )에서 100℃의 물 1kg을 100℃ 수증기로 변화될 때 수증기의 체적팽창으로 외부에 할 수 있는 일을 열에너지로 계산하면 어느 정도인가?(단, 100℃의 포화수의 비체적은 0.00104371m³/kg, 건포화 증기의 비체적은 1.673000m³ /kg이며, 일의 열당량은 1/427kcal/kg⋅m이다.)
정답 ② · 물이 수증기로 팽창할 때 외부에 하는 일은 '압력 × 체적 변화량'으로 계산됩니다. 체적 증가량은 1.673 - 0.00104371 ≒ 1.672 m³/kg입니다.
고압가스 용기의 파열사고의 주요한 원인 중의 하나는 용기의 내압력(耐壓力) 부족이다. 내압력 부족의 원인이 아닌 것은?
정답 ③ · 용기의 내압력 부족을 일으키지 않는 원인을 고르는 문제이다. 내압력 부족은 용기 자체의 강도가 약해지는 재질·구조적 결함, 즉 내벽 부식, 강재의 피로, 용접 불량 등이 원인이 된다.
과잉충전은 내압력을 약화시키는 원인이 아니라 내압을 초과하는 압력을 만드는 운전상 원인이다.
화학공장의 공정위험평가기법에서 공정변수(processParameter)와 가이드 워드(guide word)를 사용하여 비정상상태(deviation)가 일어날 수 있는 원인을 찾고 결과를 예측함과 동시에 대책을 세워나가는 방법은?
정답 ② · 공정변수와 가이드워드를 결합하여 비정상상태를 찾아내는 위험평가기법을 묻는 문제이다. HAZOP는 온도, 압력, 유량 등의 공정변수에 No, More, Less 같은 가이드워드를 조합하여 편차(deviation)의 원인과 결과를 분석하고 대책을 수립하는 기법이다.
HAZOP은 공정변수에 가이드워드를 결합해 비정상상태(deviation)의 원인·결과·대책을 찾는 기법이다.
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