연구실 소개
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 39, No. 5, 2021 … 545 화학공정안전연구실은 화학물질로 인한 사고와
화학공정시설과 관련된 사고예방과 사고피해 예측 에 관한 연구를 수행하고 있다. 화학공정안전이란 인화성, 독성 등 유해 화학물질의 누출로 인한 확산, 인체에 미치는 독성, 그리고 화재와 폭발에 의한 인 명피해 및 재산손실을 예방하고 완화하는 모든 기법 를 다루고 있다. 특히 우리 연구실에서는 유출된 화 학물질의 대기 확산 모델링과 화재/폭발 모델링 기 법 등 사고 결과분석(Consequence Analysis)과 정량적 위험성 평가(Quantitative Risk Analysis) 분야의 연구 를 수행하고 있다. 또한, 우리연구실에서는 2020년부 터 산업자원통상부의 재원으로 「산업미세먼지 및 화 학안전관리 트랙」 특성화 대학원을 운영하고 있다.
주요 연구분야
1) Consequence Analysis
Consequence analysis는 화학공정에서 발생 가능 한 사고의 크기를 추정하는 방법 중 하나이다. 본 연 구실은 Consequence analysis 연구에 전산유체역학 시뮬레이션과 반 경험적 모델(Semi-empirical model) 을 이용하고 있다. 전산유체역학 시뮬레이션은 비선 형계 편미분 방정식인 나비에스톡스 방정식(Navier Stokes equation)에 유한체적법을 적용하여 유체의 거 동을 모사하는 것이다. 보다 현실적인 Consequence analysis가 가능하지만 많은 전산자원을 필요로 하는 방법론이다. 현재 보유중인 전산유체역학 시뮬레이 션 코드는 Gexcon의 FLACS와 Ansys의 Fluent가 있 다. 반 경험적 모델은 실험이란 경험적 실험 데이터
에서 얻어진 일부 매개변수를 이용하여 analysis를 실 시하는 도구이다. 계산이 단순화되어 적은 전산자원 만으로도 신속한 결과를 확인할 수 있으나, 제한된 영역에 한해 정확성이 보장되며 실제 상황을 세밀하 게 모사하는 것에는 제한되는 특징을 지니고 있다.
현재 보유중인 반경험적 모델 기반 프로그램은 DNV 의 Phast가 있다.
Consequence analysis는 사고영향범위 추정 뿐 아 니라, 사고 발생 시 인접 설비에 주는 영향을 계산함 으로써 설비 간의 간격을 적절히 조절하거나, 인화 성 기체 누출 시 방폭구역을 설정해야 하는 범위를 지정하는 등, 다양한 연구에 활용하고 있다.
2) Quantitative Risk Analysis
일반적으로 리스크는 사고발생빈도와 사고심각 도의 조합으로 정의된다. 이렇게 정의된 리스크를 평가하는 것이 Risk analysis이며 정성적 평가와 반 정량적 평가, 정량적 평가로 나뉜다. 본 연구실에 서는 이 방법론 중 정량적 위험성 평가(Quantitative Risk Analysis, QRA)를 주로 연구하고 있다. 정략적 위험성 평가에서 사고심각도는 Consequence analysis 로 평가되며, 사고발생빈도는 통계처리된 문헌값 에 기반한 고장수목분석 등을 통해 추정된다. 현대 사회는 위험사회이기 때문에 리스크를 제거할 수 는 없으며, 따라서 리스크를 수용 가능한 리스크 수 준(Acceptable Risk)까지 낮추는 것이 이상적이다.
정량적 위험성 평가는 특정 설비나 시나리오의 리 스크를 정량화하고, 이를 수용 가능한 리스크 수준 과 비교하여 대안을 마련하는 것에 특화되어 있다.
아주대학교 화학공정안전연구실
(Chemical Process Safety Laboratory, Ajou University)
이근원
아주대학교 환경안전공학과 [email protected]
연구실 소개
546 … NICE, 제39권 제5호, 2021
리스크 저감 방법의 적용 가능성이나 비용편익, 기 술 수준 등을 고려할 때 수용 가능한 리스크 수준까 지 저감이 불가능 할 경우, 합리적적으로 실행 가능 한 한 최대한 낮게(As Low As Reasonably Practicable, ALARP) 관리하게 된다. 본 연구실에서는 이 방법론 을 이용하여 개별 사업장의 안전대책 수립부터 국가 에서 시행중인 안전관리 제도의 기준 수립 연구에 이용하였으며, 관련 툴로는 DNV의 Safeti를 보유 중 이다.
우리 연구실에서 수행하고 있는 프로젝트
1) 머신러닝을 이용한 비상대피명령 연구
비상대피명령은 화학사고 발생 시 인근 주민들 을 사고영향 범위에서 이탈시켜 인명피해를 효과적 으로 줄일 수 있는 방법이다. 비상대피명령은 일반 적으로 센서와 직원들에 의해 수집된 사고상황을 알 려줌으로써 그 절차가 시작된다. 누출된 화학물질의 정보와 인근 지형 정보 등을 이용하여 Consequence analysis가 이루어지고 주민을 소산시킬 동선의 계획 등을 통해 비상대응 절차가 진행된다. 비상대피명령
의 발령 시 신속성과 정확성을 동시에 보장하는 것 이 필요하나, 이는 현실적으로 제한사항이 있다. 사 고 발생 시 수집된 데이터가 방대할수록 비상대응은 정확해지지만 정보의 수집이나 분석에 더 많은 시간 이 소요된다. 이러한 제한사항을 타개하고자 본 연 구실에서는 머신러닝을 활용하여 비상대피명령 발 령의 의사결정을 할 수 있는 모델을 개발하고 있다.
2) 이차 전지 리튬 이온 배터리의 위험성 평가 연구 리튬 이온 배터리는 에너지 저장 장치로 각광을 받고 있으며 꾸준한 개발로 현재 전기 자동차의 상 용화까지 가능할 수 있게 하였다. 리튬 이온 배터리 는 높은 에너지 밀도를 갖고 고효율을 내면서 소형 가전에서부터 ESS, 전기자동차까지 널리 쓰이고 있 다. 하지만 최근 배터리 충전 및 ESS 화재 및 폭발이 발생하는 사고들이 있었고 이에 리튬 이온 배터리에 대한 위험성 평가 연구의 중요성이 함께 대두 되었 다. 리튬 이온 배터리의 위험성과 관련하여 온도 상 승으로 인해 열 폭주 현상이 일어나고 이때 유독가 스들이 발생하는데 이중 불화수소가스에 대한 실험 과 시뮬레이션을 수행하고 있다.
그림 1. 전기버스에서 발생한 불화수소의 확산 시뮬레이션.
연구실 소개
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 39, No. 5, 2021 … 547 3) 연료용 액화석유가스(LPG)의 공정안전관리
(PSM) 규정량 조정에 관한 연구
LPG 취급에 관한 현행 규정량(5톤/일)과 개정시의 규정량(50톤/일)을 비교하여 위험성을 검토하였다.
현재 대부분의 사업장 내에 저장탱크를 통해 연료를 공급 받고 있는 현황을 고려하여 LNG처럼 저압으로 사업장 외부에서 들어오는 배관을 통해 공급되는 경 우와 비교 하였다. 본 연구를 수행하면서 해외사례 및 국내 관계법령 검토, 물질에 대한 물리적 위험성 비교를 하였고 취급 형태에 따른 영향평가 비교 및 위험성 평가는 DNV의 Safeti 프로그램을 통해서 비교 하였다. 이러한 종합적인 내용들을 근거로 하여 LPG 의 규정량을 LNG와 마찬가지로 완화로 조정하는 것 이 적절한지에 대한 연구를 수행하고 있다.
4) 반도체 산업 클린룸 내 폭발위험성 평가 연구 반도체는 다양한 단위공정을 통해 만들어지며 각 공정에는 많은 화학물질과 다양한 설비들이 사용된 다. 특히 인화성 가스인 H2, NH3, C4F6, CH4 등도 사 용되고, 이러한 가스 누출시 폭발위험성이 존재한 다. 이 연구에서는 gas box 내부에 폭발위험성과 관 련하여 안전성을 CFD해석을 통해 입증하고 있다.
유동해석은 Diffusion, Photh, Etch, CMP, CVD 5종의 가스박스에 대해 실시하였으며, 특정 가스의 누출이 지속적으로 일어나는 정상상태, 비상차단 밸브가 작 동한 이후의 비정상상태의 위험도 평가를 수행하고 있다.
5) 폭발 위험도 기반 플랜트 안전관리 기술 개발 플랜트 시설물은 기계설비의 종합시스템으로서 일반 건축물에 비해 화재/폭발, 지진 등 재난시 위험 도가 매우 크며, 재난 발생시 국가적 대형 사고로 확 대될 가능성이 높다. 대규모 기반 구조물 설계 및 설 비와 융·복합 건설 수요 증가, 극한조건에서의 시 설운용, 생산성 및 안전성 확보 등 기술적 난이도 가 높아짐에 따라 정부주도의 체계적인 플랜트 안 전 설계 기반 구축이 필수적이다. 본 연구는 국토교 통부의 한국건설기술연구원이 주관연구기관으로 국 내 대학, 기업 및 법인 등이 참여하는 대형 연구과제 로 약 5년간 진행되며, 아주대 화학공정안전연구실 은 경기과기대와 공동으로 플랜트 시설물 가스누출/
폭발의 정량적 평가 기술개발에 참여하고 있다. 정 량적 평가는 기존 연구실에 보유하고 있는 Gexcon의 FLACS와 CFD 시뮬레이션을 활용할 예정이며. 최 종목표는 폭압에 따른 정량적 평가 지침과 폭압해석 방법에 따른 해설 절차 및 해설서 개발에 대한 연구 를 진행할 예정이다.
6) 연구실 화학물질 안전관리 및 환경안전 분석 연구 연구개발 활동에 따라 실험실에서는 다양한 화 학물질을 사용하고 있다. 최근에 화학물질을 안전 하게 다루거나 취급하기 위해 화학물질관리시스템 (CMS)를 도입하고 있다. 그러나, 화학물질의 부적 절한 성상별 분리 보관으로 화학물질 안전관리에 대한 대책 마련과 연구자의 정확한 안전정보 제공 이 필요하다. 연구기관에서 보유하고 있는 chemical
그림 2. 반도체 산업 클린룸의 CFD 시뮬레이션.
연구실 소개
548 … NICE, 제39권 제5호, 2021
inventory 구축 후 화학물질의 안전관리가 핵심요소 이다. 따라서,화학물질의 보관 및 폐기 적절한 안전 정보를 제공하기 위한 화학물질의 성상별 보관과 DB 구축 연구를 하고 있다. 또한, 정부 출연연구기 관의 연구실안전환경을 분석을 통해 개선필요 연구 실을 도출하고 연구기관의 연구실 안전환경 최적화 계획과 개선방안 마련을 위한 연차별 소요 인력과 예산(안) 로드맵 연구를 수행하고 있다.
연구실 구성원과 실무형 인력 양성
화학공정안전연구실의 연구책임자인 정승호 교 수(Taxas A&M 연구년)와 현재 박사과정 3명, 석사과 정 10명으로 구성되어 있다. 화학물질 및 화공안전
연구분야 전문가인 이근원(전 산업안전보건연구원 소장) 교수가 2020년 9월부터 조인하여 본 연구실에 소속되어 산업통상자원부(생산기술연구원)의 지원 으로 「산업미세먼지 저감 및 화학안전관리 전문인력 양성」사업를 수행하고 있다. 본 특성화 대학원은 산 업현장 수요 맞춤형으로 융합 실무형 전문인력양성 을 목표로 아주대 대학원생 입학 전형시 매년 10명 의 석 박사과정 학생을 모집하고 있다. 이 사업의 한 축인 화학안전관리 분야는 우리 화학공정안전연구 실이 주도하고 있으며, 전기·전자산업, 발전산업, 화학산업 등 경기도 남부권 산업특성에 맞춰 화학물 질, 공정안전관리, 위험성평가 및 사고대응에 특화 된 연구를 수행하고 있다.
