황산 희석 중 거품 폭주 반응 즉시 대응 매뉴얼(산 희석 안전, 황산 거품, 폭주반응 대처)

이 글의 목적은 공정·실험실에서 황산(H₂SO₄) 희석 과정 중 발생하는 거품 동반 폭주 반응을 신속히 제어하고 재발을 방지하기 위한 실무 절차와 엔지니어링 대책을 체계적으로 정리하는 것이다.

1. 사고 시나리오 개요

황산 희석은 강발열 반응으로, 잘못된 주입 순서 또는 이물 반응으로 국소비등·급격한 거품·분무(drizzle)·미스트 발생으로 이어지기 쉽다. 표면활성제·유기물·탄산염·금속 분진이 있으면 기체발생·점도 상승·계면탄성 증가로 거품이 폭주할 수 있다. 냉각과 배출 통제가 미흡하면 액 비산, 화학화상, 부식성 에어로졸 흡입, 2차 화재·폭발 위험(수소 발생 시)이 뒤따른다.

2. 즉시 대응(First 5 minutes)

2.1 현장 조치 체크리스트

우선순위	조치	목적	담당
1	황산 주입을 즉시 정지한다(산 라인 차단밸브 Close)	발열·기포 발생원 차단	운전자
2	원격·국소 비상정지(E-Stop)로 교반기 저속 전환 또는 일시 정지	거품 전파 억제, 월류 방지	운전자
3	탑덮개·벤트를 통해 무압 유지, 미스트 엘리미네이터 확인	내압 상승·월류 방지	운전자
4	자켓·코일 냉각 증대(최대 유량, 최저 설정), 냉각수 입구온도 확인	발열 제거	설비
5	질식·부식성 분위기 경보 확인, 필요 구역 대피 및 출입통제	인명보호	안전
6	상부에 비반응성 소량의 냉수로 표면 퀜치(“산에 물” 원칙 준수)	표면 비등·거품 붕괴	운전자
7	하부 드레인 개방 금지(반응 지속 중 배출 금지)	배관 손상·2차사고 예방	운전자
8	인화성 금속 접촉 가능성 확인(Fe, Al, Zn 칩 등 제거)	수소 발생 억제	안전

주의 : 산 희석 중 탄산염, 차아염소산염, 반응성 금속, 유기용제, 세제·계면활성제 잔류물이 있으면 급격한 기체발생과 거품 폭주가 일어난다. 중화제(특히 탄산수소나트륨, 석회유)를 탱크 내에 직접 투입하여 즉시 중화하려는 시도는 금지한다. CO₂ 기체로 거품이 더 커지고 월류 위험이 증가한다.

2.2 개인보호구(PPE)·구역 통제

최소 보호구: 내화학 전면보호복, 내산 장갑(부틸·니트릴 더블), 고글+안면보호대, 고무 장화, 필요 시 양압식 공기호흡기 사용한다.
통제 반경: 폭주 규모에 따라 5~20 m 구역을 일시 격리한다.

3. 거품 붕괴·온도 제어 상세 절차

3.1 냉각·퀜치

자켓/코일 냉각수 유량을 최대화하고 차가운 냉열원을 우선 사용한다(빙축열, 브라인 등).
탱크 상부에서 미세분무 형태의 냉수를 표면에 분사한다. 직접 침전을 피하고 표면 퀜치로 기포를 무너뜨린다.
필요 시 외부 응급열교환 루프를 연결한다(바이패스+펌프·판형열교환기).

주의 : “항상 물에 산을 넣는다”(Add acid to water) 원칙을 역행하지 않는다. 폭주 상황에서도 산을 추가 투입하지 않는다. 표면 퀜치는 상부에서 물의 소량을 분사하는 행위이며, 탱크 내 산 비율을 증가시키는 조치는 금지한다.

3.2 거품 억제

공정 적합 defoamer를 사전 승인받아 비상소량 사용한다(실리콘 오일 비말 문제 시 비규산염계 사용).
교반은 고전단을 피하고 저속으로 유지한다. 임펠러가 거품층을 절단하도록 레벨을 조정한다.

4. 원인 규명(RCA) 프레임

4.1 반응성 이물 요인

오염원	반응	현상	확인 방법
탄산염(탄산나트륨, 석회)	H₂SO₄ + CO₃²⁻ → CO₂↑	폭기성 거품, pH 급강하	알칼리성 잔류, pH 스폿 테스트
금속 분진(Fe, Zn, Al)	산과 반응해 H₂↑	미세기포, 가연성 기체	자성체 스와브, 필터 분석
유기물/용제(알코올, 케톤)	황산과 탈수·설폰화	점도 상승, 발열 급증	GC 잔류용제, 탄소 총량
세제·계면활성제	계면탄성 증가	거품 안정화·지속	표면장력·FOG 분석

4.2 조작 오류 요인

산→물 주입 원칙 위반, 투입 속도 과다, 교반 고전단, 주입 지점 위치 오류(기포 포획).
냉각 용량 산정 미흡, 자켓 스케일링으로 열전달 저하.
레벨계·온도계 보정 불량, 농도 입력 오류.

중대재해처벌법 제조업 대응 매뉴얼: 2025 최신 체크리스트와 서식 모음 →

5. 엔지니어링 대책 설계

5.1 설비·계측

투입 순서 인터록: 산 주입은 “물 레벨 ≥ 최소치” 및 “온도 ≤ 설정치” 로직 만족 시에만 개시된다.
온도·전도도(농도) 이중 감시, dT/dt 및 d(conc)/dt 고속 트립 설정.
자켓/코일 이중계통과 비상 외부열교환 루프 연결 포트 상시 구비.
상부 미스트 엘리미네이터, 파열판+진공브레이커, 고점 배기덕트 내식 설계.
라인 세정(SIP) 후 잔류 알칼리 검증 시험을 표준화한다.

5.2 공정조건 기준

항목	권장 기준	비고
주입 순서	물 먼저, 산을 천천히	불변 원칙
산 주입 속도	냉각 용량의 70% 이하로 제한	여유율 확보
교반	저전단, 균일 혼합	거품 최소화
탱크 레벨	작업 전 60~70% 이하	팽창 여유 제공
온도 알람	T ≥ 40℃ 경보, T ≥ 50℃ 트립 예	공정별 조정

6. 발열·냉각 용량 산정법(표준 절차)

황산 희석은 강발열이다. 설계는 “최대 발열률 ≤ 유효 냉각 용량”을 만족해야 한다. 다음은 현장에서 바로 적용 가능한 계산 절차 예시이다.

6.1 입력 변수

산 농도 w_a,0, 투입 질량 m_a
물 질량 m_w, 초기 온도 T₀
목표 최종 농도 w_f
혼합 엔탈피 변화 ΔH_mix(w_a,0→w_f) [kJ/kg-산] 범위값
유효 비열 C_p,eff ≈ 3.0~3.6 kJ/(kg·K) (혼합액 기준, 농도·온도에 따라 조정)
냉각계수 U·A [kW/K], 냉각수 입구/출구 온도

6.2 에너지 수지와 온도상승

# 에너지 수지(단순화) Q_release = m_a * ΔH_mix # kJ M_total = m_a + m_w # kg ΔT_ad = Q_release / (C_p_eff * M_total) # K
냉각 용량
Q_cooling_max = U*A * LMTD * t # kJ, LMTD는 대수평균온도차, t는 시간(s) 환산

설계 조건
Q_cooling_max ≥ f_safety * Q_release # f_safety ≥ 1.3 권장

6.3 예시 계산(가정값)

# 조건(예) m_a = 50.0 # kg of 98% H2SO4 m_w = 200.0 # kg water ΔH_mix = 700.0 # kJ/kg-acid (98% → ~30~40% 범위 가정) C_p_eff = 3.3 # kJ/(kg·K)
Q_release = 50700 = 35,000 kJ
M_total = 250 kg
ΔT_ad = 35,000 / (3.3250) ≈ 42.4 K

냉각
UA = 2.5 kW/K, LMTD = 15 K, t = 1800 s(30분)
Q_cooling_max = 2.515*(1800/1) = 67,500 kJ

결과: 안전여유 충분(예시)

주의 : ΔH_mix 값은 농도 구간별로 크게 달라진다. 자체 시험 데이터나 공인 물성표 기반 범위값으로 설계하며, 상기 수치는 계산 예시일 뿐 현장 승인값으로 사용하지 않는다.

7. 표준운전절차(SOP) 핵심

7.1 준비

탱크·라인 청정도 확인(알칼리 잔류, 세제 잔류 불허), 스와브·pH 도포 시험 실시한다.
자켓 스케일 두께 측정·세정, 열교환기 차압 점검한다.
비상 외부열교환 루프 호스·커플링 적합성 점검한다.

주차장 안전 수칙 총정리: CCTV 구역 이용법과 사각지대 예방 팁 →

7.2 희석 조작

물 충전 후 교반 저속으로 가동한다.
산 주입은 하부로 천천히, 표면 접촉 최소화한다.
온도·전도도 추세 모니터링, dT/dt 상승 시 즉시 속도 감속한다.
최종 농도 확인 후 10~15분 안정화, 온도 하강 확인한다.

7.3 종료·청정

라인 내 산 잔류량을 공정물로 회수 후 물로 단계세정한다.
세정수 pH·전도도 기준 적합 시 배출한다.

8. 비상대응 절차(Emergency Response Plan)

8.1 경보·통보 매트릭스

레벨	징후	조치	통보
주의	거품층 < 10 cm, T 상승 느림	주입 감속, 냉각 증대	반장
경계	거품층 10~30 cm, T 상승 빠름	주입 정지, 표면 퀜치	반장+안전
비상	거품층 > 30 cm 또는 월류 임박	비상정지, 구역격리, 외부열교환 투입	팀장+소방

8.2 유출·비말 대응

중성 흡착재(산용)로 원형 둑을 만들고, 폴리에틸렌 수거용기에 이적한다.
바닥 탄산염 중화는 최소화하고, 수거 후 별도 중화조에서 단계 중화한다.

9. 분석·모니터링

농도: 전도도·밀도·굴절계 교차확인한다.
불순물: TOC, 금속(Fe/Zn/Al), 알칼리 잔류, 계면활성제 지표 분석한다.
가스: H₂·CO₂ 검지기 설치, 국소배기 성능 주기 점검한다.

응급 지혈 방법 완벽 가이드: 직접압박·지혈대 사용 기준·119 이송 판단 →

10. 변경관리(MOC)·LOPA

원액 농도, 용기 용량, 열교환기 사양, 세정제 변경은 모두 MOC 대상이다. LOPA에서는 “투입 순서 인터록 실패”, “냉각 상실”, “이물 혼입”을 대표 원인으로 가정하고 독립 보호층(IPL)로 온도 트립, 레벨 고경보, 파열판, 수동 개입 절차의 신뢰도를 검증한다.

11. 교육 포인트(작업자·신규 입문)

“물에 산” 원칙 시연 교육(실습) 실시한다.
거품 발생 영상·사진 사례로 오판단 포인트를 교육한다.
PPE 착탈 순서, 세척·응급세안 장비 위치를 반복 훈련한다.

12. 현장 포켓 체크리스트(프린트 권장)

항목	예/아니오	비고
물 레벨 최소치 확인	□/□
자켓 냉각 용량 이상 없음	□/□
라인 잔류 알칼리·세제 없음	□/□
산 주입 속도 제한 설정	□/□
defoamer 승인·비치	□/□
비상 외부열교환 루프 가용	□/□
PPE 착용 완료	□/□

13. 자주 하는 실수와 교정

실수: 거품이 생기니 곧바로 탄산수소나트륨을 던져 넣음 → 교정: 탱크 내 직접 중화 금지, 우선 냉각·정지·격리한다.
실수: 상부 덮개를 닫아 압력으로 거품을 누름 → 교정: 무압 유지, 벤트·미스트 제거 성능 확보한다.
실수: 교반을 더 세게 돌림 → 교정: 저전단으로 전환, 표면 퀜치·defoamer를 소량 사용한다.

14. 응급의료·노출 대응

피부 접촉: 즉시 다량의 물로 15분 이상 세척한다. 오염의복 제거한다.
눈: 즉시 세안대에서 15분 이상 세척한다. 렌즈 제거 후 의료기관 이송한다.
흡입: 신선한 공기, 필요 시 산소 공급한다.

15. 기록·재발방지

배치 기록: dT/dt, 주입속도, 냉각수 ΔT, 거품 높이, 경보 시각을 1분 간격으로 기록한다.
RCA 완료 전까지 동일 배치·조건 작업 재개 금지한다.
시정조치: 인터록 설정 강화, 세정 절차 수정, 교육 재실시한다.

FAQ

거품이 멈췄다. 바로 배출해도 되나?

탱크 내부 반응 안정화와 온도 하강을 확인한 뒤 배출한다. 미반응 산이 남아있을 수 있으므로 pH·전도도·온도 추세를 10~15분 모니터링 후 조치한다.

defoamer는 어떤 제품을 써야 하나?

공정 적합 승인품만 사용한다. 실리콘계는 다운스트림 오염 문제가 있을 수 있어 비규산염계, 폴리에테르계 등 대체제를 사전 검증한다.

냉각수만으로 부족하면 어떻게 하나?

외부열교환 루프를 투입하거나 빙축열/브라인을 사용한다. 그래도 부족하면 주입을 완전 정지하고 표면 퀜치·시간경과로 안정화한 후 재개한다.

왜 “물에 산” 원칙이 중요한가?

산을 물에 넣으면 국소비등을 억제하고 열이 빠르게 분산된다. 반대로 물을 산에 넣으면 소량의 물이 즉시 끓어 증기막을 만들고 산이 튀어 대형 사고로 이어진다.

라인 세정 후에도 거품이 반복된다. 무엇을 확인하나?

세정수 잔류 알칼리·세제, 금속 스케일, 탱크 코팅 손상, 배관 데드레그를 확인한다. TOC, 금속이온, 표면장력 시험으로 오염원을 찾는다.

Chemholic

이 블로그 검색