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1 2016 년화학물질위험성평가보고서 화학사고예방및원인규명을위한원료의약품분진의화재 폭발위험성평가

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3 원료의약품의화재 폭발위험성평가 원료의약품의화재 폭발위험성평가 요약문 2016년 1월 ( 주 )OO제약의원료의약품합성3공장에서원료의약품분말의반응기에투입중화재 폭발사고발생, 2016년 3월 OO화학 ( 주 ) 의가소제제조공정에서분말상태의원료를반응기맨홀을열고직접투입하던중화재 폭발사고발생등분말상태원료의반응기투입중화재 폭발사고가최근잇따라발생하였다. 본평가보고서에서는원료의약품분말의회분식반응기투입중화재 폭발의위험성을예방하기위해원료의약품시료 4종을선정하고이에대한분진특성시험과열분석시험을실시하였다. 또한주요점화원으로추정되는정전기에의한화재 폭발방지를위한안전보건제도개선 ( 안 ) 을제시하였다. 분진특성시험결과입도분포는록소프로펜산, 클로피도그렐캄포르술폰산염, 데메클로사이클린염산염및리팜피신의부피기준중간값의입자크기 (Medi an particle size) 가각각 5.31 μm, μm, μm, μm 로측정되었고, 수평균입자크기로계산하였을때분포가 10 μm 이하의범위에서집중되어분포되어있으며이는다량의미세입자가존재하고미세입자상호간의응집현상에의한것으로추정하였다. 최대폭발압력과분진폭발지수 ( 폭발압력상승속도 ) 는록소프로펜산은 8.4 bar, 284 bar m/s, 클로피도그렐캄포르술폰산염은 7.9 bar, 160 bar m/s, 데메클로사이클린염산염은 8.1 bar, 199 bar m/s, 리팜피신은 7.9 bar, 205 ba r m/s 측정되었고, 록소프로펜산은폭발압력및폭발압력상승속도가커서폭발위험성, 폭발강도및피해규모가크다는것을알수있다. 최소점화에너지는록소프로펜산은 1 mj < MIE < 3 mj, 클로피도그렐캄포르술폰염은 30 mj < MIE < 100 mj, 데메클로사이클린염산염은 100 mj 요약문 i

4 화학사고예방및원인규명을위한 < MIE < 300 mj, 리팜피신은 1 mj < MIE < 3 mj 로측정되었고, 이중에서록소프로펜산과리팜피신은상당히점화에민감한분진으로분류되어실질적인점화원제거, 불활성가스주입또는방폭설계등의안전조치가필요하다. 열분석시험의경우원료의약품시료의공기분위기와불활성분위기하에서승온속도에따른열거동과질량변화를확인하기위해시차주사열량계 (DSC) 와열중량분석기 (TGA) 를사용하였으며, 공기분위기및불활성분위기에서의차이가뚜렷한록소프로펜산에대하여산화분해로인한발열거동을 kinetic 분석프로그램을사용하여분석하였다. 시차주사열량계 (DSC) 와열중량분석시험결과, 공기분위기하에서록소프로펜산의경우 140 에서산화분해로인한발열반응이뚜렷하게나타났으며, 클로피도그렐캄포르술폰산염과리팜피신은 300 이상에서, 데메클로사이클린염산염은 220 부근에서산화분해로인한발열이시작되었다. 열중량분석결과, 질소분위기하에서 180 이상의온도부터질량감소가시작되고있으므로공정온도가 100 이하에서는분해나휘발로인한급격한가스발생에의한압력상승의가능성은낮은것으로나타났다. 중심어 : 원료의약품, 록소프로펜산, 클로피도그렐캄포르술폰산염, 데메클로사이클린염산염, 리팜피신, 최대폭발압력, 최대폭발압력상승속도, 최소점화에너지, 최소점화온도, 폭발지수 요약문 ii

5 원료의약품의화재 폭발위험성평가 차 례 요약문 ⅰ Ⅰ. 서론 1 1. 배경및목적 1 2. 위험성평가대상물질 2 3. 평가범위및내용 7 Ⅱ. 제약산업의화재 폭발사고사례분석 제약산업의개요 정전기에기인한분진의화재 폭발사고사례 시사점및교훈 20 Ⅲ. 시험장비및방법 입도분석 (Particle Size Analysis) 21 1) 시험장비 21 2) 시험방법 열분석시험 23 1) 시차주사열량계 (DSC ; Differential scanning calorimeter) 24 2) 열중량분석기 (TGA ; Thermo Gravimetric Analyzer) 분진폭발특성시험 27 1) Modified Hartmann Apparatus 28 2) Siwek 20-L Apparatus 29 차례 1

6 화학사고예방및원인규명을위한 4. 최소점화에너지측정시험 31 1) 시험장비 32 2) 시험방법 최소점화온도측정시험 34 Ⅳ. 결과및고찰 입도분석결과 열분석결과 44 1) 시차주사열량계 (DSC) 시험결과 44 2) Kinetic analysis 49 3) 열중량분석 (TGA) 결과 분진특성분석결과 58 1) 최대폭발압력 58 2) 최대폭발압력상승속도 ( 폭연지수 ) 63 3) 폭발하한농도 66 4) 최소점화에너지 68 5) 최소점화온도 분진의위험성평가 81 Ⅴ. 원료의약품의화재 폭발예방대책 분말취급작업중정전기에의한사고예방안전조치 정전기에의한화재 폭발방지를위한안전보건제도개선 ( 안 ) 96 Ⅵ. 요약및결론 100 Ⅶ. 참고문헌 103 참고자료 109 차례 2

7 원료의약품의화재 폭발위험성평가 표차례 < 표 1-1> 원료의약품시료 4종의물성값 3 < 표 2-1> 한국표준산업분류에의한제약산업의분류 10 < 표 2-2> 의약품및의약부외품제조업에서의최근 5년간발생형태별재해발생현황 11 < 표 2-3> 정전기로인한분진의화재 폭발사고사례 16 < 표 2-4> 일본에서의정전기로인한분진의화재 폭발사고사례 19 < 표 3-1> 입도의재현성 (Reproducibility) 최대허용편차 - 10 μm이상의시료 23 < 표 3-2> 입도의재현성 (Reproducibility) 최대허용편차 - 10 μm이하의시료 23 < 표 3-3> 열분석측정방법의종류 23 < 표 3-4> DSC measuring cell 사양 25 < 표 3-5> TGA 사양 27 < 표 3-6> 분진폭발특성시험에적용된시험규격 31 < 표 4-1> 입도분석시험결과 38 < 표 4-2> DSC 및 TGA 실험조건 44 < 표 4-3> 각온도에서전환율에도달하는시간 54 < 표 4-4> TGA 실험결과 54 < 표 4-5> 원료의약품시료의최대폭발압력과연소지속시간시험결과 60 차례 3

8 화학사고예방및원인규명을위한 < 표 4-6> 분진폭발등급 63 < 표 4-7> 원료의약품시료의폭발압력상승속도, Kst 및최대폭발압력시험결과 64 < 표 4-8> 원료의약품시료의폭발하한농도시험결과 66 < 표 4-9> 원료의약품시료의최소점화에너지시험결과 69 < 표 4-10> 공정온도변화에따른최소점화에너지의변화 71 < 표 4-11> 영국에서의분진의폭발성유무분류 81 < 표 4-12> NEC Division system에의한폭발위험장소구분 81 < 표 4-13> 피츠버그석탄분진의표준데이터 83 < 표 4-14> 상대적폭발위험등급 (Relative explosion hazard rating) 84 < 표 4-15> 분진의최소점화에너지에따른점화민감도 85 < 표 4-16> 분진의정전기예방지침 85 < 표 4-17> 원료의약품시료의분진폭발특성데이터 87 < 표 4-18> 원료의약품시료의상대적폭발등급 87 < 표 5-1> Case 별인체축적에너지 92 < 표 5-2> 정전기에관련된도체와비도체의구분 93 < 표 5-3> 물반응성물질및인화성고체 ( 산업안전보건기준에관한규칙별표 1의 2호 ) 97 < 표 5-4> 인화성고체의분류 97 < 표 5-5> 가연성분진의정전기로인한화재 폭발예방을위한관련법의개정 ( 안 ) 99 차례 4

9 원료의약품의화재 폭발위험성평가 그림차례 [ 그림 1-1] 록소프로펜나트륨제조반응메커니즘 3 [ 그림 1-2] 클로피도그렐황산수소염제조반응메커니즘 4 [ 그림 1-3] 데메클로사이클린염산염제조반응메커니즘 5 [ 그림 1-4] 데메클로사이클린염산염으로부터미노사이클린제조반응메커니즘 5 [ 그림 1-5] 리팜피신제조반응메커니즘 6 [ 그림 1-6] 리팜피신제조반응메커니즘 7 [ 그림 2-1] 총괄적의약품제조공정 13 [ 그림 2-2] 원료의약품제조공정 14 [ 그림 2-3] 원료의약품의제제화공정 15 [ 그림 2-4] 가소제제조공정에서의분진폭발사고 19 [ 그림 3-1] 입도분석장치 22 [ 그림 3-2] DSC(Differential Scanning Calorimeter) 24 [ 그림 3-3] TGA(Thermo gravimetric analysis) 26 [ 그림 3-4] Modified Hartmann Apparatus 28 [ 그림 3-5] Siwek 20-L Apparatus 30 [ 그림 3-6] 최소점화에너지측정장치 (MIKE 3) 33 [ 그림 3-7] 최소점화온도측정장치 34 [ 그림 4-1] 록소프로펜산부피기준입도분포측정 39 [ 그림 4-2] 록소프로펜산수밀도입도분포측정 39 차례 5

10 화학사고예방및원인규명을위한 [ 그림 4-3] 클로피도그렐캄포르술폰산염부피기준입도분포측정 40 [ 그림 4-4] 클로피도그렐캄포르술폰산염수밀도입도분포측정 40 [ 그림 4-5] 데메클로사이클린염산염부피기준입도분포측정 41 [ 그림 4-6] 데메클로사이클린염산염수밀도입도분포측정 41 [ 그림 4-7] 리팜피신부피기준입도분포측정 42 [ 그림 4-8] 리팜피신수밀도입도분포측정 42 [ 그림 4-9] SEM에의해관찰된원료의약품시료들의입자모양 43 [ 그림 4-10] DSC 그래프해석방법 45 [ 그림 4-11] 공기및질소분위기에서의 DSC curve 비교 46 [ 그림 4-12] 록소프로펜산 DSC curve 47 [ 그림 4-13] 클로피도그렐캄포르술폰산염 DSC curve 47 [ 그림 4-14] 데메클로사이클린염산염 DSC curve 48 [ 그림 4-15] 리팜피신 DSC curve 48 [ 그림 4-16] 록소프로펜산의공기분위기에서 DSC curve 51 [ 그림 4-17] 록소프로펜산발열반응의승온속도별 DSC curve 52 [ 그림 4-18] 록소프로펜산승온속도에따른전환율변화 52 [ 그림 4-19] 록소프로펜산의전환율에따른활성화에너지변화 53 [ 그림 4-20] 록소프로펜산의등온온도조건에서시간에따른전환율변화 53 [ 그림 4-21] 록소프로펜산 TGA curve 56 [ 그림 4-22] 클로피도그렐캄포르술폰산염 TGA curve 56 [ 그림 4-23] 데메클로사이클린염산염 TGA curve 57 [ 그림 4-24] 리팜피신 TGA curve 57 차례 6

11 원료의약품의화재 폭발위험성평가 [ 그림 4-25] 분진폭발장치로부터얻은압력자료 58 [ 그림 4-26] 록소프로펜산과클로피도그렐캄포르술폰산염의최대폭발압력측정결과 61 [ 그림 4-27] 데메클로사이클린염산염과리팜피신의최대폭발압력측정결과 61 [ 그림 4-28] 록소프로펜산과클로피도그렐캄포르술폰산염의최대폭발압력과연소지속시간 62 [ 그림 4-29] 데메클로사이클린염산염과리팜피신의최대폭발압력과연소지속시간 62 [ 그림 4-30] 록소프로펜산과클로피도그렐캄포르술폰산염의폭발압력상승속도측정결과 65 [ 그림 4-31] 데메클로사이클린염산염과리팜피신의폭발압력상승속도측정결과 65 [ 그림 4-32] 록소프로펜산과클로피도그렐캄포르술폰산염의폭발하한농도측정결과 67 [ 그림 4-33] 데메클로사이클린염산염과리팜피신의폭발하한농도측정결과 67 [ 그림 4-33] 데메클로사이클린염산염과리팜피신의폭발하한농도측정결과 68 [ 그림 4-34] 록소프로펜산의점화및화염전파모습 ( 조건 : 900g/m3, 3 mj, 120 ms) 68 [ 그림 4-35] 온도의영향에따른최소점화에너지의변화 70 차례 7

12 화학사고예방및원인규명을위한 [ 그림 4-36] 록소프로펜산분진의최소점화에너지 ( 지연시간 90 ms) 72 [ 그림 4-37] 록소프로펜산분진의최소점화에너지 ( 지연시간 120 ms) 72 [ 그림 4-38] 록소프로펜산분진의최소점화에너지 ( 지연시간 150 ms) 72 [ 그림 4-39] 클로피도그렐캄포르술폰산염분진의최소점화에너지 ( 지연시간 90 ms) 73 [ 그림 4-40] 클로피도그렐캄포르술폰산염분진의최소점화에너지 ( 지연시간 120 ms) 73 [ 그림 4-41] 클로피도그렐캄포르술폰산염분진의최소점화에너지 ( 지연시간 150 ms) 73 [ 그림 4-42] 데메클로사이클린염산염분진의최소점화에너지 ( 지연시간 90 ms) 74 [ 그림 4-43] 데메클로사이클린염산염분진의최소점화에너지 ( 지연시간 120 ms) 74 [ 그림 4-44] 데메클로사이클린염산염분진의최소점화에너지 ( 지연시간 150 ms) 74 [ 그림 4-45] 리팜피신분진의최소점화에너지 ( 지연시간 90 ms) 75 [ 그림 4-46] 리팜피신분진의최소점화에너지 ( 지연시간 120 ms) 75 [ 그림 4-47] 리팜피신분진의최소점화에너지 ( 지연시간 150 ms) 75 [ 그림 4-48] 록소프로펜산의 MIT 시험시점화및화염전파모습 77 [ 그림 4-49] 록소프로펜산의 MIT 시험시미점화모습 77 차례 8

13 원료의약품의화재 폭발위험성평가 [ 그림 4-50] 록소프로펜산부유분진의최소점화온도측정결과 79 [ 그림 4-51] 클로피도그렐캄포르술폰산염부유분진의 최소점화온도측정결과 79 [ 그림 4-52] 데메클로사이클린염산염부유분진의최소점화온도측정결과 80 [ 그림 4-53] 리팜피신부유분진의최소점화온도측정결과 80 [ 그림 5-1] 접촉에의한정전기발생과정 88 [ 그림 5-2] 물질별점화에너지와점화원의종류 90 [ 그림 5-3] 방전의종류에따른에너지와가연성물질의최소점화에너지비교 91 [ 그림 5-4] 불활성가스주입및드럼과용기등에접지실시 94 [ 그림 5-5] 수증기첨가에의한아세톤최소점화에너지의변화 (100 ) 95 [ 그림 5-6] 가습에의한정전기발생관리 96 차례 9

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15 원료의약품의화재 폭발위험성평가 Ⅰ. 서론 1. 배경및목적 최근에들어경제성장, 소득수준의향상과생활패턴의변화등으로인한삶의질향상과고령화추세로인하여건강증진과유지를위한의료분야의지출이크게확대되고있으며, 우리나라제약산업시장규모 ( 생산-수출 + 수입 ) 는 2014년의경우 19조 2,539억원으로전년대비 1.2% 증가하였으며, 2010년부터 2014년까지 5년동안연평균 0.5% 로시장규모가확대되고있다. 이에따라원료의약품의취급, 가공, 제조및연구등의활동은지속적으로증가하고있다. 그러나원료의약품의취급, 가공및제조중에화재 폭발등의화학사고를사전에예방하기위한연구는미흡하여계속적으로인명과재산에피해를주는사고가발생되고있다. 예를들면 ( 목 ) 22:40분경충남아산시소재 ( 주 )OO제약원료의약품합성3공장에서록소프로펜나트륨 ((Loxoprofen Sodium) 을제조하기위하여분말 1) 상태의원료인록소프로펜산 (Loxoprofen Acid) 를아세톤과정제수혼합물이들어있는반응기에투입중화재 폭발발생 ( 작업자 2명이부상및천장과반응기주변벽체일부파손 ) 및 ( 월 ) 08:20분경경기도화성시소재 OO약품 ( 주 ) 원료의약품제조공정에서클로피도그렐황산수소염 (C PS) 을제조하기위하여분말상태의클로피도그렐캄포르술폰산염 (CPC) 을아세트산에틸 (ethyl acetate) 담겨져있는반응기에투입중투입맨홀부위에서화 1) NFPA 77(2014) "Chapter 15 Powders and dusts" 에의하면분말 (Powder) 는일반적으로다음과같이정의된다. [Powders include pellets, granules, dust particles, and other particulate solids. Pellets have diameters greater than 2 mm, granules have diameters between 420 pm and 2 mm, and dusts have diameters of 420 pm or less. It should be noted that aggregates of pellets and granules often contain a significant amount of dust] Ι. 서론 1

16 화학사고예방및원인규명을위한 재 폭발이발생 ( 작업자 2명분출된화염에화상및투입맨홀주위의가연물소손 ) 등원료의약품제조공정중원료의약품분진으로인한화재 폭발사고가발생되었다. 사고의원인들을살펴보면회분식반응기상부맨홀을통해투입된원료가반응기안에서분진운을형성하고먼저투입된인화성액체의증기와혼합되어분진폭발분위기를형성한후, 정전기가점화원으로작용되어발생된사고로서질소등의불활성가스로충분히퍼지하여분진폭발분위기를제거하거나정전기의대전및방전방지조치를실시하여점화원을제거하였다면예방이가능하였다. 본위험성평가에서는사고발생원료의약품등원료의약품분말에대한열적위험성과최소점화에너지, 폭발하한농도등의분진폭발특성을분석하고, 이데이터를활용하여폭발강도와점화민감도의곱인폭발지수 (EI) 산출하였다. 그리고위의모든자료와시험결과를바탕으로화재 폭발위험성을평가하였다. 또한위험성평가에관련된기술자료를사업장, 고용노동부등유관기관및공단지역본부, 지사등에제공하여동종유사재해에의한화학사고예방에기여하고자한다. 2. 위험성평가대상물질 본위험성평가에서는원료의약품중에서사고원인물질이며화학합성공정에의하여록소프로펜나트륨제조시원료로사용되는록소프로펜산 (Loxoprofen Acid) 과클로피도그렐황산수소염제조시원료로사용되는클로피도그렐캄포르술폰산염 (Clopidogrel Camphorsulfonate) 및발효공정에의하여제조되는데메클로사이클린염산염 (Demeclocycline hydrochloride) 과리팜피신 (Rifampicin) 을평가대상물질로선정하였고, 4종의시료에대한분진특성시험과열분석시험에서는시료에대한건조나분쇄등의전처리는실시하지않고사업장에서제공된상태의조건에서시험평가를수행하였다. 2 안전보건공단산업안전보건연구원

17 원료의약품의화재 폭발위험성평가 4 종의원료의약품시료에대한기본물성값은 < 표 1-1> 과같다. < 표 1-1> 원료의약품시료 4 종의물성값 물질명 록소프로펜산 클로피도그렐캄포르술폰산염 데메클로사이클린염산염 리팜피신 CAS No 분자식 C 15H 18O 3 C 16H 16ClNO 2S.H 2SO 4 C 21H 21ClN 2O 8 HCl C 43 H 58 N 4 O 12 분자량 외관백색분말백색분말황색분말적색분말 선정된 4종의시료를사용하여제조된원료의약품중록소프로펜나트륨 (Lo xoprofen Sodium) 은록소프로펜산과수산화나트륨용액을 온도에서 30분정도반응시켜생산되고, 생산된록소프로펜나트륨은탈수, 여과, 건조등의공정을거쳐최종제품으로만들어진다. 이에대한간략한반응메커니즘은 [ 그림 1-1] 과같다. [ 그림 1-1] 록소프로펜나트륨제조반응메커니즘 록소프로펜나트륨은비스테로이드성소염진통제로서, 이약물은현저한진통, 해열작용을가지며상대적으로약한소화관궤양형성을나타낸다. 그러나록소프로펜그자체는프로스타글란딘의생합성을억제하지는못하고그대사 Ι. 서론 3

18 화학사고예방및원인규명을위한 체가약리활성을가지는프로드러그 (Prodrug) 이다. 이약물은분자내에두개의 chiral center 를가지며 4개의이성체를가지는 racemate로서판매된다. 각이성체의 cyclopentanone moiety 가입체선택적으로환원되어약리활성을가지는여덟개의대사체로된다. 그후 glucuronide 포합체로소실되는것이사람에서이약물의주된대사경로이다. 또한, 1986년이후일본에서시판되기시작하여체내에빠르게흡수되고높은활성을나타내며, 다른 NSAIDs 계열의약물보다위장관에상대적으로약한부작용이나타나서현재경구용제제로널리사용되고있다. 그리고흰색, 황색결정을나타내며물이나메탄올에잘녹고에테르에는불용성을나타낸다. 클로피도그렐황산수소염 (Clopidogrel bisulfate) 은클로피도그렐캄포르술폰산염을탄산수소나트륨용액등과반응시키고, 2-부탄올등으로정제하여제조한다. 이에대한간략한반응메커니즘은 [ 그림 1-2] 와같다. [ 그림 1-2] 클로피도그렐황산수소염제조반응메커니즘 클로피도그렐황산수소염은혈소판응집을방해하는약으로혈관내에혈전이생기는것을막아심근경색, 뇌졸중의재발을방지하기위해사용한다. 또한혈전의위험이있는질환에서아스피린만으로는충분한치료효과를얻지못하였을때단독또는추가하여처방하거나, 아스피린보다위장관에대한부작용이상대적으로적어아스피린을대처하여사용할수있다. 데메클로사이클린염산염 (DMCT, Demeclocycline hydrochloride) 은 Deme 4 안전보건공단산업안전보건연구원

19 원료의약품의화재 폭발위험성평가 clocycline 을HTAC( 계면활성제 ) 등과교반시키고 MIBK 등을투입하여추출, 여과, 석출, 건조등의공정을거쳐제조되고, DMCT와 Pd/C, 수소가스를 5 bar 10 bar, 0 25 에서반응시켜생산된미노사이클린을탈수 / 여과 / 건조과정을거쳐최종제품을생산한다. 이에대한간략한반응메커니즘은 [ 그림 1-3], [ 그림 1-4] 와같다. [ 그림 1-3] 데메클로사이클린염산염제조반응메커니즘 [ 그림 1-4] 데메클로사이클린염산염으로부터미노사이클린제조반응메커니즘 Ι. 서론 5

20 화학사고예방및원인규명을위한 데메클로사이클린염산염 (DMCT, Demeclocycline hydrochloride) 은테트라사이클린계의광범위항생제인미노사이클린 (Minocycline) 의원료로서항이뇨호르몬부적절분비증후군의치료약으로도사용되고있다. 테트라사이클린계약제는 1948년 Streptomyces aureofaciens 에서추출된클로르테트라사이클린 (chlortetracycline) 이처음소개되면서호기성그람양성균및그람음성균, 혐기균, 리케치아, 마이코플라스마, 클라미디아, 말라리아등여러종류의세균에우수한항균효과를보여 광범위항생제 로알려지게되었으며, 1950년에옥시테트라사이클린 (oxytetracycline), 1952년에테트라사이클린 (tetracyclin e), 1957년에디메틸클로르테트라사이클린 (demethylchlortetracycline), 1959 년에는메타사이클린 (methacycline), 1960년대에들어독시사이클린 (doxycycl ine) 과미노사이클린 (minocycline) 이개발되었다. 리팜피신 (Rifampicin) 은리파마이신 SV(Rifamycin SV) 를에틸아세테이트에용해시킨후 1-amino-4-methyl-piperazine 등과반응시키고석출, 탈수, 건조, 혼합등의과정을거쳐제조되고, 리팜피신제조시의중간체인리파마이신 O에 2-아미노-4-메틸피리딘과아스코르빈산을용매하에서반응시켜리팍시민을결정화하여여과 / 건조등의과정을거쳐최종제품을생산한다. 이에대한간략한반응메커니즘은 [ 그림 1-5], [ 그림 1-6] 과같다. HO CH 3 COO Me MeO Me OH Me Me Me OH OH Me O NH H 2 N N N CH 3 1-amino-4-methyl-piperazine CH 3 COO Me MeO HO Me Me Me OH OH Me OH Me O NH O O Me O OH CHO O O Me O OH C H N N N CH 3 3-Formyl rifamycin SV(C 38H 47NO 13) Rifampicin (C 43H 58N 4O 12) (M.W : ) (M.W.: ) [ 그림 1-5] 리팜피신제조반응메커니즘 6 안전보건공단산업안전보건연구원

21 원료의약품의화재 폭발위험성평가 [ 그림 1-6] 리팜피신제조반응메커니즘 리팜피신은리파마이신계열의살균성항생제로 Amycolatopsis rifamycini ca로부터얻어진반합성화합물이다. 1967년도입되어결핵과잠재성뇌막염을치료하는혼합약제인이소니아지드, 에탐부톨, 피라진아마이드, 스트렙토마이신에주요약제로더하여사용된다. 북미에서이약은처방전이필요하며, 수개월간매일규칙적으로중단없이복용해야한다. 그렇지못할경우, 결핵약에대한내성이크게증가한다. 리팜피신의내성은치료중에빠르게발전하는데, 이러한감염에는리팜피신만으로치료하면안되고다른항생제와함께사용해야한다. 가장심각한부작용은리팜피신의간독성과관련이있으며, 복용환자는간의손상을발견하기위해종종간기능검사를받는다. 3. 평가범위및내용분진 (Dust) 은가연성분진 (Combustible dust) 과가연성부유물 (Combustible flyings) 을포함하는포괄적인용어로서가연성분진은공기중부유할수있으며, 자중에의해침적될수있는공칭크기 500 μm이하의미세한고체입자로공기중연소및발염할수있고, 대기압및정상온도에서공기와폭발성혼합물을형성할수는있는것을뜻한다. 분진폭발은고체의미립자물질이공기중에부유하고있는상태에서충분한 Ι. 서론 7

22 화학사고예방및원인규명을위한 에너지의점화원이존재할때발생한다. 그피해결과가인적, 물질적및산업생산에영향을준다는측면에가스폭발과유사하다. 분진폭발과가스폭발을구별하는주요인자는폭발을일으키는연료의상이고체상과가스상이라는것이다. 그러므로분진폭발을예방하고피해결과를완화시키는지배적인인자는분진의입도라고할수있다. 분진의모양은구형, 구형에가까운형태, 플레이크 (Flakes), 섬유 (Fibers) 및면모 (Flocculent) 와같이다양하다. 그리고분진폭발은가스폭발보다특성화하기가어렵다. 왜나하면가스폭발의경우에는분자량이적고균일한크기이나분진폭발의경우에는입자들의크기와분자량이다양하고중력이입자의거동에영향을주기때문이다. 또한폭굉보다는폭연으로나타내는것이일반적이다. 분진폭발이발생되기위해서는분진이가연성이고, 대기중에부유되어있어야하고, 농도가폭발농도범위안에존재하여야하고, 화염전파를일으킬수있는입도의분포를가져야하고, 연소를지속할수있는충분한양의산화제가있어야하며, 화염전파를개시하기에충분한에너지의점화원이존재하여야한다. 분진폭발의첫번째기록은 1795년 Count Morozzo 에의하여기록된이탈리아토리노에위치한밀가루창고에서의폭발이다. 이와같이분진폭발은탄광이나식품가공산업에서만일어나는것이아니라목재및제지산업, 발전산업 ( 분쇄석탄, 이탄 ), 금속및금속가공산업 ( 금속분말및분진 ), 화학공정산업 ( 의약품, 염료, 농약 ), 고무산업및섬유산업 ( 면, 울 ) 등다양한산업분야에서발생되고있으며, 점화원으로는화염과직접가열, 고온작업, 백열물질, 고온표면, 정전기불꽃, 전기불꽃, 마찰불꽃, 충격불꽃, 자체발열또는자연발화, 정전기, 조명기구등이작용되고있다. 작업장내에서분진의폭발위험성을평가하고안전기준을수립하기위해서는취급되거나가공되고있는분진들의폭발특성을아는것이중요하다. 분진의폭발특성은일반적으로폭발강도 (Severity of explosion) 와폭발가능성 (Likelihood of explosion) 의두그룹으로분류할수있다. 최대폭발압력과최대폭발압력상승속도는폭발강도를추정하는주요인자로 8 안전보건공단산업안전보건연구원

23 원료의약품의화재 폭발위험성평가 서유럽이나미국의표준규격 (EN , EN , ASTM E 1226) 에따른 1 m3 Vessel 이나 20 L Sphere 형태의시험장치를사용하여테스트한다. 그리고폭발가능성을추정하는주요인자로서는폭발하한농도, 최소산소농도, 부유분진의최소점화온도, 퇴적분진의최소점화온도, 최소점화에너지, 정전기체적저항률, 정전기대전성등이있으며, 유럽이나미국의표준규격 (E N , ASTM E 1515, ASTM E 1491 등 ) 에따라서시험을실시한다. 또한폭발강도와폭발가능성을조합하여분진을취급하거나가공작업중에발생될수있는분진의폭발위험성을결정하고화재 폭발사고예방대책을수립에활용하고있다. 본위험성평가에서는원료의약품의물리 화학적특성에대한선행조사를바탕으로원료의약품분진에의해발생될수있는화재 폭발사고의위험성을시험결과를기초하여평가하였다. 먼저공정의반응온도증가에따른열분해위험성등열적거동의특성을조사하기위하여시차주사열량계 (DSC, Differential Scanning Calorimeter) 와열중량분석시험장치 (TGA, Thermo Gravimetric Analysis) 를활용하여승온속도변화에따른열안정성을관찰하고평가하였다. 다음으로최대폭발압력 (Pmax), 최대폭발압력상승속도 ((dp/dt)max), 부유상태에서의최소점화온도와최소점화에너지및폭발하한농도시험을실시하고, 분진폭발지수 (Kst) 와폭발강도 (Explosion Severity) 와점화민감도 (Ignition se nsitivity) 의조합으로구성된폭발지수 (Explosion index) 를산출하여화재 폭발위험성을고찰하였다. 그리고원료의약품분진에의한화재 폭발사고의점화원으로서정전기가작용했는지추정하기위해최소점화에너지와정전기방전에너지를비교하였다. 추가적으로정전기에기인한분진의화재 폭발사고사례를정리하여정전기방전에너지가충분히점화원으로작용할수있다는것을제시하였고, 또한정전기에의하여발생되는방전에너지의크기를조사하여정전기로인한화재 폭발사고의예방대책수립에도움이되도록하였다. Ι. 서론 9

24 화학사고예방및원인규명을위한 Ⅱ. 제약산업의화재 폭발사고사례분석 1. 제약산업의개요 제약산업은국민의건강관리및각종질병의진단, 치료및예방을위하여 의약품을연구개발 제조 가공 보관 유통하는것과관련된산업으로서, 고 령화와의료기술의발달등으로인하여지속적으로성장하고있으며의약품의 제조, 유통등전과정을국가가엄격하게통제하고있다. 또한, 제 9차한국표준산업분류 (KSIC) 상제조업, 도 소매업및서비스업분 류에각각포함되어있으며세부산업분류기준으로는 < 표 2-1> 과같이분류 할수있다. < 표 2-1> 한국표준산업분류에의한제약산업의분류 대분류 중분류 세세분류 비고 제조업 의료용물질및의약품제조업 의약용화합물및항생물질제조업 (C21101) 생물학적제제제조업 (C21102) 완제의약품제조업 (C21210) 한의약품제조업 (C21220) 제외 (C21) 동물용의약품제조업 (C21230) 제외 의료용품및기타의약관련제품제조업 (C21300) 제외 도매및소매업전문, 도매및상품중개업 (G46) 소매업 (G47) 의약품도매업 (M70113) 의약품및의료용품소매업 (M70113) 동물용제외의료용품제외 과학및기술 연구개발업 (M70) 의학및약학연구개발업 (M70113) 서비스업 10 안전보건공단산업안전보건연구원

25 원료의약품의화재 폭발위험성평가 그리고고용노동부고시제 호 고용보험및산업재해보상보험의보험료징수등에관한법률 에따라 2016년도에적용할사업종류별산재보험료율에의하면, 중분류의의약품및화장품향료제조업 (210) 에서의약품및의약부외품제조업 (21001) 으로나타난다. 최근 5년간의약품및의약부외품제조업에서발생한폭발 파열, 화재, 이상온도접촉, 화학물질누출 접촉등의발생형태별사고현황은 < 표 2-2> 와같으며전체산업재해율 ( 15년 0.50 %, 14년 0.53 %, 13년 0.59 %, 12년 0.59 %, 11년 0.65 %) 보다낮은경향을보이는것을알수있다. < 표 2-2> 의약품및의약부외품제조업에서의최근 5년간발생형태별재해발생현황 구분 화학근로재해이상절단재해폭발화물질떨어물체에율온도넘어짐부딪힘자수자수파열재누출짐맞음끼임기베임타 (%) 접촉찔림접촉 15년 42, 년 41, 년 37, 년 38, 년 35, 현재국내제약업계에서출시되는의약품은신약 (New drugs), 제네릭의약품 (Generic drugs), 개량신약 (IMD, Incrementally Modified Drug) 의세종류로구분할수있다. 신약은말그대로화학구조나본질조성이전혀새로운신물질의약품또는신물질을유효성분으로함유한복합제제의약품으로서의약품은효능, 독성시험을포함하여임상시험을해야하므로제품개발기간이길고, 천문학적인금액이소요된다. 제네릭의약품은기존에있던신약의특허가만료된후성분, 용법, 용량, 투여경로, 성능특성및사용용도가동일하고생물학적으로동등함을입증받은의약품으로서일반적으로특허로보호받는신약이특허가만료되어독점권을상실하면다수의제약사에서약효및품질등 Ⅱ. 제약산업의화재 폭발사고사례분석 11

26 화학사고예방및원인규명을위한 이동등하게제조된의약품을만든다. 사용구분에따라전문의약품과일반의약품으로분류된다. 다른표현으로복제약 (Copy Drugs) 이라고도하는데올바른표현은아니다. 개량신약은기존약물의구조나제제, 용도등을약간변형시켜서얻어지는약물을통칭하며, 구조를변형시켜얻어지는개량신약에는신규염, 용매화물, 이성체, 프로드러그 (Prodrug) 등이대표적인예이다. 원료의약품이란신약및제네릭완제의약품을제조하기위한원재료의총칭으로사람에게투여가용이하게제제하기바로전단계의의약을의미한다. 원료의약품은사용용도에따라약효의성분을갖는주성분 (API, Active Pharm aceutical Ingredients) 과약효를나타내지않는보조성분 (IPI, Inactive Phar maceutical Ingredient) 으로분류되며, 약효군별로는크게심혈관, 항균항생제, 위장관계, 호흡기관계, 항암제등으로분류된다. 원료의약품은일반적으로구조적으로복잡한유기화학물질로정밀한조건에서회분식반응기를사용하여여러단계의복잡한회분식반응과중간체를거쳐제조되고, 시장에서유통되어소비자사용조건을만족시킬수있는의약품이될때까지는몇일또는수개월이소요되어만들어진다. 이러한제조공정의후반부에도달해서야비로서다른의약품중간체나원료물질이생산된다. 원료의약품제조, 완제의약품제조등총괄적인의약품제조공정은 [ 그림 2-1] 과같으며, [ 연구 & 개발 (R & D)] [ 원료의약품제조공정 ] [ 의약품의제제화공정 ] [ 완제의약품의판매 ] 와같이분류할수있다. 이중에서원료의약품의제조공정을세분화하면 [ 그림 2-2] 와같이 3가지제조공정으로분류할수있으며, 원료의약품은화학합성 (Chemical synthesis), 발효 (Ferme ntation), 천연물이나생물로부터의추출 (Extraction) 공정또는 3 가지공정들의조합에의하여제조된다. 제조된다량의원료의약품을혼합, 분쇄, 증발등의조작을통하여약물의투여하기에적합한형체와성상으로만드는제제화공정은 [ 그림 2-3] 과같다. 12 안전보건공단산업안전보건연구원

27 원료의약품의화재 폭발위험성평가 [ 그림 2-1] 총괄적의약품제조공정 Ⅱ. 제약산업의화재 폭발사고사례분석 13

28 화학사고예방및원인규명을위한 (a) 화학합성공정 (b) 발효공정 (a) 화학합성공정 (c) 추출공정 [ 그림 2-2] 원료의약품제조공정 14 안전보건공단산업안전보건연구원

29 원료의약품의화재 폭발위험성평가 [ 그림 2-3] 원료의약품의제제화공정 2. 정전기에기인한분진의화재 폭발사고사례 분진폭발은산업현장에서증기운폭발 (VCE) 과비등액체팽창증기폭발 (BLEV E) 과함께가장심각하고광범위한폭발로서공기중에부유되어있는미세한고체입자의급격한연소결과에의하여발생되며, 고체입자가미세하면할수록더욱더빠르고급격하게진행된다. 또한연소속도나폭발압력은가스폭발과비교하여작으나연소시간이길고, 발생에너지가크기때문에파괴력과연소성이커서설비등의물적피해뿐만아니라작업자의부상또는사망의인적피해를일으킨다. 본연구에서는 2006년도부터 2016년 3월까지국내에서발생한분진폭발에의한중대재해및중대산업사고중에서분진취급작업또는가공작업중에정전기발생이점화원으로추정되는화재 폭발사고사례를 < 표 2-3> 과정리하였다. 사고사례를살펴보면 [ 그림 2-4] 과같이대부분이아세톤, 에탄올등의유기용제가들어있는반응기, 혼합기등의화학설비에원료의약품, 고무, 안료, 수지등의미세한고체입자원료를인력에의하여투입하다가고체입자와화학설비벽면간의충돌 마찰, 고체입자상호간의충돌 마찰, 고체입자와포 Ⅱ. 제약산업의화재 폭발사고사례분석 15

30 화학사고예방및원인규명을위한 장비닐과의마찰및고체입자와작업자의마찰등에의해서정전기가대전된후방전되면서발생한화재 폭발사고로서화학설비와포장용기등에대하여접지및본딩을실시하고작업자가정전기대전방지용안전화와제전복을착용하는등정전기발생제거조치를하였더라면사고의피해를감소시키거나예방이가능한사고였다. 일본에서의분진취급작업중에정전기로인한화재 폭발사고는 < 표 2-4> 와같은사례가있다. < 표 2-3> 정전기로인한분진의화재 폭발사고사례 발생일 2006년 8월 2007년 10월 2007년 11월 2007년 11월 2008년 2월 사고개요반응기작업장에서제품을만들기위해용제가들어있는반응기의뚜껑을열고가루원료를넣는중에반응기내부의용제가스가불출되면서마찰에의한정전기불꽃으로순간폭발이일어나화상을당함오후2시경당사작업장 2층수지생산공정에서부재료포대를인력투입하던중반응기에유증기가잔존상태에서정전기발생으로화재가발생하여근로자안면부에화상을당함사업장내 TTR 조액시에서잉크를제조하기위하여원료 ( 분말 ) 를투입 (160 kg, 20 kg 8bag) 하는과정에서 40 kg(2bag) 을투입완료하는시점에정전기로인한불꽃이발생되어얼굴및양팔에화상을당함 14:35분경에전남여수시소재 OOOOO화학 ( 주 ) 1공장큐멘제조공장에서 ( 유 )OO환경소속의 OOO이벤젠공급라인상에서벤젠의불순물을제거하는용기 (FD-1105A/B, Benzene Feed Guard Beds) 내부의충진물 ( 백토류 ) 교체작업과정에서충진물을하부맨홀에서천으로제작된호스를통해 3m 이하의프레콘백으로중력에의해이송하던중정전기 ( 충진물내부의벤젠을충분히제거하지못하고배출작업실시 ) 에의해프레콘백에서화재가발생하였고, 화염이호스를통해프레콘백상부의재해자에게전달되어화상을당함 13시경에김해시소재 OO기업 ( 주 ) 의교반실 ( 접착제배합수행 ) 에서접착제배합을위해유기용제가들어있는배합탱크에천연고무를투입하던중정전기에의한화재가발생되어작업자의얼굴에화상을당함 16 안전보건공단산업안전보건연구원

31 원료의약품의화재 폭발위험성평가 발생일 2008년 6월 2009년 12월 2011년 4월 2011년 4월 2011년 7월 2011년 8월 사고개요 15시 14분경전남익산시소재 ( 주 )OOOOO 익산공장소속의 OOO외 3명이 PL60동에서추출기 (NPT-101) 맨홀을통해원료 ( 버터유분말 ) 를투입하던중 (2명은교대로 20 kg의포대를투입하고있었으며 2명은주위에서보조 ) 추출기내부에체류하고있던용매 ( 에탄올 ) 증기가버터유분말을투입하면서발생된정전기 ( 추정 ) 에의하여폭발하면서 4명의근로자가부상을당함코팅1반열처리준비실의집진기흡입구앞에서열처리를완료하고상온에서냉각한제품을용기에서분리한후해당용기에담겨져있는 Powder를털어내는순간갑자기 Powder에서불꽃이점화되어 ( 정전기에의한스파크로추정 ) 착용하고있던작업복으로불꽃이전가되면서얼굴과상체일부부위에화상을당함성형2실배합공정의컴파운드믹싱을하는과정에서안료통에담긴종합안료를투입하고안료통에묻은컴파운드를 MMA를사용하여스프레이방식으로청소하던중정전기가발생하여안료통에붙은불이얼굴로올라오면서화상을당함 08:20분경경기도화성시소재 OO약품 ( 주 ) 원료의약품제조공정에서클로피도그렐황산수소염 (CPS) 을제조하기위하여분말상태의클로피도그렐캄포르술폰산염 (CPC) 을아세트산에틸 (ethyl acetate) 담겨져있는반응기에투입중투입맨홀부위에서화재 폭발이발생어작업자 2명분출된화염에화상을당하고투입맨홀주위의가연물이소손됨 09:00부터대표자 OOO와함께작업장내비산된분진을청소후, 볼밀기계및집진기의이상유무를확인하기위하여볼밀기계및집진기를가동하여육안점검중집진기내에포집된아연분진이정전기에의하여폭발이발생하여찢어진집진기사이로화염이분출되어원료투입구근처에있던재해자가전신의화상을입음 OO전자 M/A반 2층옥상분말집진기에서집진기내부에포집된 Mg/Al 분말을회수하기위하여집진기의분말배출구밸브를개방코자건물내부에설치되밸브를조작하였으나, 분말뭉침현상으로인하여밸브가개방되지않아, 임시로비닐포대와나무막대를이용하여막힌밸브를개방하는과정에서막혀있던분말이급속하게배출되어정전기로추정되는점화원에의해화재가발생하여작업자가화상을당함 Ⅱ. 제약산업의화재 폭발사고사례분석 17

32 화학사고예방및원인규명을위한 발생일 2012년 7월 2012년 10월 2014년 8월 2014년 12월 2015년 1월 2015년 1월 2015년 9월 2016년 1월 2016년 3월 사고개요대정비기간에응축기정비과정 ( 해체 ) 에서배관 cleaning 도중배관내잔류해있던미립자가다량의산소와접촉하고정전기등의발생으로인하여급격한산화연소반응이발생되어작업자가화상을당함오전11시 10분경 OO산업생산현장내 5호기 1.5ton 반응기의수지용해작업중폴리스틸렌수지투입시에정전기로발생으로인하여작업자가화상을당함제품정제과정에서조제품투입중정전기발생으로인하여용제 ( 메탄올 ) 이발화하여화상을당함오전 03시경야간작업중교반 2호기에서수지 3포대를투입한후송진과 BHT를투입하는과정에서정전기로인하여화재가발생하여작업자가화상을당함오후 2시 20분경덕산공장나동 2층작업장에서혼합기에고무를녹이는작업을하기위해고무를투입하던중주변에정전기가발생하여혼합기안에유증기와만나면서화염이발생되어얼굴과목, 팔부위에화상을당함 19시경미량의아세톤 ( 함유량 0.33 %) 을사용하는배합실 3호기 Ribbon Blender( 리본혼합기 ) 에 Resin 원료투입중정전기에의하여혼합기내부에서작은폭발이발생되었고이로인해원료투입중이던작업자가얼굴일부분에화상을당함 ( 미량의아세톤투입후배합기내부잔류하는유기용제증기의환기를위하여 Resin 투입전개폐기를열고충분히환기후 Resin 원료를투입했으나환기를시키지않은상태에서작업실시 ) 암로디핀베실산 ( 고혈압원료의약품 ) 생산을위해반응기에이소프로필알콜 (IPA) 를채운후암로디핀베이스 ( 고체상분말 ) 을투입하던과정중반응기내부에순간적으로화염이발생 ( 정전기로추정 ) 하면서, 투입물질 20~30 kg( 추정 ) 이반응기외부로누출되고, 작업자 3명이화상을당함 22:40분경충남아산시소재 ( 주 )OO제약원료의약품합성3공장에서록소프로펜나트륨 ((Loxoprofen Sodium) 을제조하기위하여분말상태의원료인록소프로펜산 (Loxoprofen Acid) 를아세톤과정제수혼합물이들어있는반응기에투입중화재 폭연이발생하여작업자 2명이부상을당하고천장과반응기주변벽체일부파손됨 16:48분경경기도연천군소재 OO화학 ( 주 ) 의가소제 ((DOTP, Dioctyl Terephthalate) 제조공정에서작업자 2명이분말상태의테레프탈산 (PTA, Purified Terephthalic Acid) 을옥탄올 (2-Octanol) 이들어있는반응기에직접투입하던중폭연 화재가발생하여작업자 1명사망하고 1명이부상을당함 18 안전보건공단산업안전보건연구원

33 원료의약품의화재 폭발위험성평가 < 표 2-4> 일본에서의정전기로인한분진의화재 폭발사고사례 발생일 1986년 4월 1990년 11월 2012년 사고개요치바현치바시화학공장에서제품인안트라센 (C 14 H 10 ) 의계량작업중 ( 상부호퍼 계량호퍼 하부호퍼 ) 에계량호퍼에부착되어있던제품이하부호퍼로내려가도록하기위해계량호퍼를때리고난후, 다음제품을상부호퍼에서계량호퍼로이송도중에계량호퍼내에가연성분진운이생성되고상부호퍼에서발생된정전기가점화원이되어분진폭발이발생되어 1명이부상을당함치바현이치하라시화학공장에서폴리카보네이트제조장치의원료호퍼에비스페놀 A 분말을투입하는작업에갑자기폭발이발생하여 1명이부상을당함 ( 호퍼내부연소방지를위해질소를흘려있었지만, 사고시에는비스페놀 A가담긴톤백과호퍼의간격이평소보다크고, 또한작업단계를잘못했기때문에호퍼내에공기가다량으로들어간것이원인로추정되며점화원은정전기로추정됨 ) 폴리프로필렌재질의유연벌크용기 ( 안에는폴리에틸렌재질의포장비닐백 ) 에담긴비소페놀 A를반응기안에투입하다가정전기에의한화재 폭발이발생하여 3명이부상을당함 [ 그림 2-4] 가소제제조공정에서의분진폭발사고 Ⅱ. 제약산업의화재 폭발사고사례분석 19

34 화학사고예방및원인규명을위한 3. 시사점및교훈 원료의약품제조시주요공정으로반응기에아세톤등과같은유기용제용매를넣은후원료의약품분말과기타원료를투입하여화학반응을진행하고있으나, 사고사례에서와같이작업자들에대하여원료분말들을인력으로반응기안으로투입시정전기로인한분말및미세하게쪼개진분말입자 ( 분진 ) 의화재 폭발위험성에대해충분한교육이실시되지않았고, 분진취급작업시발생되는위험성에대해서도정확히인식하지못하고있는것을알수있었다. 또한사고발생의중요한요소중하나인유기용제와분말의최소점화에너지에대한정보가사업장내에비치된물질안전보건자료에누락되어있거나잘못기록되어있어사고예방에도움이되지않았고, 화학설비에접지와본딩이적절하게설치되어있지않은것을알수있었다. 이와같은사고를예방하기위해서무엇보다도취급물질의화재 폭발특성자료의확보가필요하며, 이러한위험성자료에근거하여작업자에게작업공정과취급물질의위험성에대한사전교육이필요하다. 그리고접지등을통한정전기제거, 질소퍼지에의한분진폭발분위기및원료분말의인력투입방법등의개선이요구되어진다. 그리고화학설비안에유기용제와분말이공존시에는혼성혼합물 (Hybrid mixture) 을형성하여화재 폭발의위험성이증가되므로각별한주의가요구되어진다. 또한미세한고체입자원료를화학설비에투입하는유사한공정에도정전기에의한분진의화재 폭발위험성교육과사고예방대책의수립이필요하다. 20 안전보건공단산업안전보건연구원

35 원료의약품의화재 폭발위험성평가 Ⅲ. 시험장비및방법 1. 입도분석 (Particle Size Analysis) 입도분석장치 (Particle Size Analysis) 는일정한부피의에멀젼 (Emulsion) 이나분말 (Powder) 상태의시료에대하여입도및입도분포를측정하는분석장비이다. 상업적으로생산되어사용하고있는입도분석기는분석원리에따라크게현미경법, 침강법, 광산란법 (Laser scattering) 으로세분류로나눌수있다. 또한시료의분산상태에따라습식과건식으로나눌수있는데습식은물, 알코올과같은액상의매질에측정하고자하는물질을분산시켜분석하는방법이며건식은압축공기혹은진공으로분진형태의시료를부유시켜측정하는방법이다. 본시험에사용된시험장비 LS 13320은광산란법에적합하도록설계되어있으며건식방식으로시료를투입한다. 광산란법은시료입자들에의해산란된빛의패턴을측정하여입자크기및분포를측정하는방법이다. 시료를투입하여적정한농도의시료가순환하는 cell에레이저가투사되면이레이저는입자에의해표면에서산란되게되고, 수십개의검출기 ( 각각의검출기는고유의각도값을가짐 ) 가산란되는레이저의빛의각도를측정하게되며이를통해입자의크기및분포를측정하게된다. 1) 시험장비 본시험장비는 ISO 의 Laser Scattering Method 에적합하도록설계되었으며건식방법으로시료를투입하도록되어있다. (1) 장비명가 ) 장비명 : Beckman Coulter LS : Dry powder system 나 ) 제조사 : Beckman Counter Ⅲ. 시험장비및방법 21

36 화학사고예방및원인규명을위한 (2) 장비구성및사양가 ) 장비구성 : 렌즈, 검출기등이내부에장착된본체와습식시료투입부로구성되어있다. 나 ) 측정가능한입도범위 : (0.4 1,000) μm [ 그림 3-1] 입도분석장치 2) 시험방법 (1) 시험규격 : KS A ISO ( 입자크기분석-레이저회절법-제1부 : 일반원리 ) (2) 시험절차 : 진공으로분진형태의시료를부유시켜측정하는건식방식으로시료를투입하여측정하며, 시험결과는입자를구형으로가정하여평균입경을산출한다. (3) 결과평가 : 총 3회측정하여재현성최대허용편차에들어오는결과값에대하여통계적처리절차를거쳐최종입도값으로결정한다. 재현성허용편차는 < 표 3-1> 및 < 표 3-2> 와같다. 22 안전보건공단산업안전보건연구원

37 원료의약품의화재 폭발위험성평가 < 표 3-1> 입도의재현성 (Reproducibility) 최대허용편차 - 10 μm이상의시료 입도평균값 최대허용편차 D 10 5 % D 50 3 % D 90 5 % < 표 3-2> 입도의재현성 (Reproducibility) 최대허용편차 - 10 μm이하의시료 입도평균값 최대허용편차 D10 10 % D50 6 % D90 10 % 2. 열분석시험 열분석이란물질의물리적변수 (Physical parameter) 를온도의함수로나타내는분석방법이다. 즉물질의온도를일정하게변화시킴에따라나타나는열적특성변화를분석하는것이다. 이때어떤물리적변수의변화를볼것인가에따라여러가지방법들이있으며대표적인방법들은 < 표 3-3> 과같다. 본시험평가에서는 DSC와 TGA를이용한열분석을실시하였다. < 표 3-3> 열분석측정방법의종류 측정법 관측량 기호 단위 DTA(Differential thermal analysis) 온도차 ΔT K DSC(Differential scanning calorimeter) 열유속 Δq Joule/s=Wa tt TGA(Thermo gravimetric analysis) 중량 g(%) g TMA(Thermo mechanical analysis) 길이 ΔL(%) m Ⅲ. 시험장비및방법 23

38 화학사고예방및원인규명을위한 1) 시차주사열량계 (DSC ; Differential scanning calorimeter) DSC( 시차주사열량계 ) 는시료와불활성기준물질을동일한온도프로그램에따라변화시키면서온도와시간의함수로서측정된시료와기준물질의열유속차이 (Difference in heat flow) 를측정한다. 열유속 (Heat flow) 은와트 (W; W att) 나밀리와트 (mw) 단위로전달되는열에너지를말한다. 열유속을시간으로미분하면에너지량으로환산되며 mw s나 mj로나타낸다. 열에너지는시료의엔탈피 (Enthalpy) 변화에상당하며시료가에너지를흡수하면엔탈피변화는흡열 (Endothermic) 이며에너지를방출하면발열 (Exothermic) 이라한다. DSC 는엔탈피변화와전이에의해발생되는열적거동에대한다양한정보를제공하며비열, 열적효과, 유리전이 (Glass transition), 화학반응, 녹는점거동등과같은물리적변화량을구할수있다. (1) 시험장비가 ) 장비명및제작사 - 장비명 : DSC1 - 제작사 : METTLER TOLEDO( 스위스 ) [ 그림 3-2] DSC(Differential Scanning Calorimeter) 24 안전보건공단산업안전보건연구원

39 원료의약품의화재 폭발위험성평가 나 ) 장비구성및사양 - DSC는시료가담긴 pan과표준물질로사용되는빈 pan이들어가는 measuring cell, sample pan을자동으로 cell에투입해주는 sample r obot, (-90 30) 의작동범위를갖는 cooler 로구성되어있으며, measuring cell 의사양은 < 표 3-4> 와같다. < 표 3-4> DSC measuring cell 사양 항목 Spec. 온도범위 ( ) 온도정밀도 ± 0.2 K 가열속도 ( ) K/min Calorimetric resolution 0.04 μw (2) 시험방법가 ) 시험규격 : ASTM E (Standard test method for the ther mal stability of chemicals by Differential Scanning Calorimeter) 나 ) 적용대상 : 금속, 유무기화합물, 고분자등다 ) 시험조건 ( 변수 ) : 시료준비과정에서휘발될수있는끓는점이낮은물질은측정이불가하며, 또한측정가능한시료의양은 100 μl이하로매우소량이기때문에불균일혼합물의경우측정결과의재현성에영향을줄수있다. 라 ) 시험절차 : DSC의시료용기는알루미늄 (Al) 재질의 pan을사용하였으며, vented pan에시료를담은후, piercing kit를이용해 1 mm 가량의 pinhole을뚫은 lid로 sealing tool을이용하여밀봉하였다. 시료량은약 3 mg, 질소및공기분위기하 ( 유량 50 ml /min) 에서측정하였으며, (1 10) /min 의승온속도로 의온도범위에서측정하였다. Ⅲ. 시험장비및방법 25

40 화학사고예방및원인규명을위한 2) 열중량분석기 (TGA ; Thermo Gravimetric Analyzer) 열중량분석기 (TGA) 는일정한속도로온도를변화시켰을때의시료의질량변화를시간이나온도의함수로써측정한다. 시료의질량변화는증발 (vaporizati on) 이나가스를생성하는화학반응 (Chemical reaction) 등에의해발생하게되며, microbalance 에의해연속적으로측정된다. TGA에의한질량-온도곡선을이용해온도변화에따른질소, 산소, 공기등의분위기하에서분해거동을관찰할수있으며, 시료의열안정성및휘발성물질이나첨가제들의함량및조성비율등을알수있다. 또한 Mass spectrometer(ms) 와연결되어 T GA에서가스가발생하면 MS로주입되어이온화된후, Mass spectrum을통해질량을분석하여발생된가스를정성분석할수있다. (1) 시험장비가 ) 장비명및제작사 - 장비명 : TGA/DSC1 - 제작사 : METTLER TOLEDO( 스위스 ) 나 ) 장비구성및사양 - Furnace( 가열로 ), 저울, 시료의온도를측정할수있는 TGA sensor로구성된본체 module과 ( ) 의작동범위를갖는 circula tor, 휘발된가스를정성분석하는 Mass spectrometer 로구성되어있고사양은 < 표 3-5> 과같으며, 본시험에서가스분석은제외하였다. (a) TGA (b) Mass spectrometer(pfeiffer vacuum) [ 그림 3-3] TGA(Thermo gravimetric analysis) 26 안전보건공단산업안전보건연구원

41 원료의약품의화재 폭발위험성평가 < 표 3-5> TGA 사양 항목 사양 온도범위 ( 실온 1,100) 온도정밀도 ± 0.25 K 저울측정범위 1 g Balance resolution 0.1 μg Calorimetric resolution 0.5 mw Sample volume 100 μl (2) 시험방법가 ) 적용대상 : 산화나가스가방출되는열분해와같은온도증가에따라무게변화가일어나는물질나 ) 시험조건 ( 변수 ) : 시료준비과정에서휘발될수있는끓는점이낮은물질은측정이불가하며, 측정가능한시료의최대량은 100 μl로매우소량이기때문에불균일혼합물의경우측정결과의재현성에영향을줄수있다. 다 ) 시험절차 : 시료물질의양을약 5 mg을분취하여 alumina (Alumin um oxide) 재질의 open pan에시료를담아저울에올려놓은후, 공기분위기하 ( 유량 50 ml /min) 에서 10 /min 의승온속도로 의온도범위에서측정하였다. 3. 분진폭발특성시험 가연성분진 (Combustible dust) 을취급, 가공, 또는제조하는경우에는언제든지폭발위험성이존재한다. 분진폭발위험성의크고작음은분진의형태와가공, 제조등의방법에따라달라진다. 분진폭발의위험성평가와예방대책은아래와같은시험평가결과를기초로하여수립된다. 부유분진의폭발특성치는폭발성 (Explosibility), 최대폭발압력 (Pmax), 분 Ⅲ. 시험장비및방법 27

42 화학사고예방및원인규명을위한 진폭발지수 (Kst), 폭발하한농도 (LEL), 최소산소농도 (LOC) 등이있다. 분진폭발특성치측정을위한국제표준의실험장비는 1m 3 Vessel 과 20-L Sphere의두가지장비가있으며, 최근에는편리하고비용이적게드는 20 Litre Sphere test apparatus 를많이사용하고있다. 또한분진폭발특성값의일부를사전시험 (Screening Test) 할수있는장비로서 Modified Hartmann Apparatus가사용되고있다. 1) Modified Hartmann Apparatus 본장비는분진 / 공기혼합물의폭발성여부등을측정할수있는시험장비이다. 분진을원통형의유리튜브 (1.2 L) 에넣고약 10 J의연속적인전기적에너지를가한후압축공기 (7 bar) 로해당분진을부유시켜폭발성을관찰한다. (1) 장비명 : Modified Hartmann apparatus (2) 제작사 : Kuhner( 스위스 ) [ 그림 3-4] Modified Hartmann Apparatus 28 안전보건공단산업안전보건연구원

43 원료의약품의화재 폭발위험성평가 분진폭발성시험은 Modified Hartmann Apparatus 로측정되며, 대략적인분진폭발등급및폭발하한농도도측정할수있다. 분진을장비의원통형유리튜브바닥에넣고연속적인점화원 (Continuous spark source : 약 10 J) 을발생시킨후분진을압축공기를이용하여부유시키면서점화여부를관찰한다. 시험은넓은농도범위 (30 1,000 g/m 3 ) 에서반복적으로시행하여야한다. 시료분진이착화되거나시험장비에경첩으로구성되어있는커버가열리게되면분진폭발이가능한물질로분류되며, Indicating Instrument 가 1을지시하는분진폭발은실제 St l(dust explosion class) 분진으로간주된다. 하지만 St 0과 St 2의분진으로서판명하기위해서는추가적으로 20-L Apparatus 를활용한시험이수행되어야한다. 만약점화가이루어지지않았다면분진폭발가능성이없는것으로완전히간주되어서는안되며, 추가적으로 20-L Appar atus로추가시험을실시한후에최종판정하여야한다. 2) Siwek 20-L Apparatus 본시험장비는분진 / 공기혼합물의폭발파라미터를밀폐된 20 L의구형용기로측정하는장비이다. 장비에서측정할수있는폭발파라미터로는 Dust explosibility, Low explosion limit(lel), Maximum explosion overpressure (Pmax), Maximum explosion constant (Kmax), Dust explosion index (Kst), Limiting oxygen concentration(loc) 등이다. 분진분사압력, 점화지연시간 ( 일반적으로 60 ms로설정 ) 은시험항목에따라설정할수있으며, 분진폭발을위한점화원으로는화학점화기 (Chemical ignitor) 를사용한다. 용기내부의온도는폭발특성치에영향을주는인자이므로용기내부온도가시험조건을유지할수있도록별도의온도조절장치를사용하여야한다. (1) 장비명 : Siwek 20-L Apparatus (2) 제작사 : Kühner( 스위스 ) Ⅲ. 시험장비및방법 29

44 화학사고예방및원인규명을위한 (3) 운전압력 : (0 30) bar (4) 장비의구성 - 20-L-sphere - Control unit KSEP Measurement and Control System KSEP Pressure Measure System - Software program [ 그림 3-5] Siwek 20-L Apparatus 부유분진의최대폭발압력 (Pmax), 분진폭발지수 (Kst) 를산출하기위한최대압력상승속도 [(dp/dt)max], 폭발하한계 (LEL) 는 Siwek 20-L Apparatus 로측정한다. 일정농도의분진을 6 리터의분진저장컨테이너에넣고 20 bar의공기를불어넣어분진컨테이너에서혼합시키고, 밸브를순간적으로열어분진-공기혼합물을 20 리터의구형용기내에부유 분산시킨후에, 두전극사이로전압을인가하여화학점화기 (Chemical ignitors) 에의한해당농도에서의분진-공기혼합물의폭발여부및폭발시에발생하는압력을관찰하고분진폭발에따른최대압력상승속도와최대압력을측정하는것이다. 화학점화기는최대폭발압력및최대폭발압력상승속도측정시에는 10 kj을, 폭발하한계측정시에는 2 kj을사용하며, 점화지연시간은 60 ms로설정하여실험을실시한다. 다양한분진농도범위의반복실험을통하여폭발성, Pmax, (dp/dt)max, 30 안전보건공단산업안전보건연구원

45 원료의약품의화재 폭발위험성평가 LEL 등의폭발파라미터를측정한다. 분진폭발특성시험에적용된국제규격의시험방법은 < 표 3-6> 와같다. < 표 3-6> 분진폭발특성시험에적용된시험규격 시험항목 Pmax (dp/dt) max LEL 시험규격 EN Determination of explosion characteristics of dust clouds-part 1 : Determination of the maximum explosion pressure Pmax of dust clouds EN Determination of explosion characteristics of dust clouds-part 2 : Determination of the maximum rate of explosion pressure rise (dp/dt)max of dust clouds EN Determination of explosion characteristics of dust clouds-part 3 : Determination of the lower explosion limit LEL of dust clouds 4. 최소점화에너지측정시험 분진취급, 가공및저장등의공정에대한위험성평가를위해서는최소점화에너지에대한이해는필수적이다. 이값은분진폭발의위험성예방수단의범위와비용을결정할수있게해준다. 최소점화에너지 (MIE) 는상온상압에서분진 / 공기혼합물을점화시킬수있는가장낮은 Capacitor 방전에너지로설명할수있다. 부유분진의 MIE 를측정하기위한장비는전세계적으로다양한장비가사용되고있으나, 스위스의 Kühner 사에서제작된 MIKE 3으로측정하는것이표준화되어있다. MIE는일반적으로분진이점화되지않는가장높은에너지와점화시킬수있는가장낮은에너지의범위로서표현되어진다 (No ignition < MIE < Ignit ion). MIE 측정값에영향을주는인자는인덕턴스 (Inductance in the disch arge circuit), 난류의강도 (Turbulence, Ignition delay time), 입도분포, 농 Ⅲ. 시험장비및방법 31

46 화학사고예방및원인규명을위한 도, 온도, 수분함량등이있다. 일반적으로 MIE는인덕턴스존재하에서얻어지나정전기방전에의한위험성평가를위해서는인덕턴스가없는상태에서 M IE가측정되어져야한다. 즉, 최소점화에너지 MIE는인덕턴스가존재할때일반적으로더작다. 또한 MIE 측정은분진이점화될수있는최적의농도와난류의강도를고려하여야하기때문에각변수의변화를주면서반복시험을실시하여야한다. 1) 시험장비본시험장비는 [ 그림 3-6] 와같이부유분진 ( 분진 / 공기혼합물 ) 의점화에필요한최소의에너지를측정하는장비이다. 폭발용기는 1.2 L 용기의강화유리재질인 Hartmann 튜브를사용하고있으며, 튜브에서의분진분사시스템은시료가공기중에부유및분산되도록고안된버섯모양의형태를이루고있다. 7 bar의압축공기를사용하여분산된분진을폭발용기튜브의두전극사이의스파크를사용하여유리관실린더내부에서착화되는화염의전파모습을통하여폭발여부를판정할수가있다. 분진 / 공기혼합물은분진조건에따라서는 10 mj보다낮은값에서도 MIE값을갖는데, MIKE 3의측정범위는더낮은에너지값에서도측정가능하도록되어있다. 본 MIKE 3에서는 Hartmann 튜브와캐퍼시터방전기구를바로연결할수있게되어있으며, 고압유니트와폭발용기가같은장치내에구성되어있는일체형장치로구성되어있다. (1) 장비명 : MIKE 3 (2) 제작사 : Kuhner( 스위스 ) (3) Energy Range : 1 mj 1,000 mj (4) With an inductance in the discharge circuit : L = 1 mh 2 mh (5) Without an inductance in the discharge circuit : L mh 32 안전보건공단산업안전보건연구원

47 원료의약품의화재 폭발위험성평가 [ 그림 3-6] 최소점화에너지측정장치 (MIKE 3) 2) 시험방법일정농도의분진을튜브에넣고압축공기로분사시켜해당분진을점화시킬수있을정도의에너지를가하여점화를확인한후해당농도에서 10회이상점화가이루어지지않을때까지에너지를줄여주면서실험을반복한다. 이와같은실험을점화가일어나지않는최소농도와최대농도가관측될때까지반복하여해당물질의최소점화에너지범위를측정한다. 또한최소점화에너지는난류의강도에영향을받으므로다양한점화지연시간으로위와같은실험을실시하여야정확한최소점화에너지범위를측정할수있다. 부유분진에점화에너지제공을위한스파크 (spark) 발생방법은 1 mj 3 mj일경우에는 High-Volt age Relay로유발하며 10 mj 1,000 mj 경우에는 Moving electrode로유발시켜시험을실시한다. 최소점화에너지측정시험에적용된국제규격의시험방법은 EN 13821(2002) 이다. Ⅲ. 시험장비및방법 33

48 화학사고예방및원인규명을위한 5. 최소점화온도측정시험 본위험성평가에서사용한부유분진의최소발화온도측정장치는 KS C IEC 분진방폭전기기계 기구제2-1부 : 분진의최소점화온도시험방법 의표준시험규격에적합하도록제작되었으며 [ 그림 3-7] 과같이가열로, 분진운시료홀더, 온도조절장치, 압축공기제어장치등으로구성되어있다. [ 그림 3-7] 최소점화온도측정장치 분진운이존재하고있는튜브의온도를상승시키면분진운은발화하게되는데, 이때의분진운입자주위를둘러싸고있는분위기온도를최소점화온도 (Minimu m Ignition Temperature, MIT) 라고한다. 최소점화온도에는화염이연소반응을통하여전파한다는개념이포함되어있지않기때문에폭발하한농도이하에서도점화온도가존재할수있다. 분진폭발사고예방관점에서건조설비에서와같이일정크기이상의공간에다량의분진이분산되어부유하고있고, 이러한분진운을가열하는공정조건에서는최소점화온도가매우중요한폭발특성값이된다. 분진의점화온도정의는일 34 안전보건공단산업안전보건연구원

49 원료의약품의화재 폭발위험성평가 정온도장 (Temperature field) 에있어서분진입자가충분히긴시간동안체류하는경우의값이지만, 실제실험에서는충분한체류시간이어려우므로점화온도는분진농도, 측정장치, 측정방법에따라달라질수있다. 부유분진을대상으로점화온도를측정하는경우에는일정온도를유지한공간에부유분진운을분사시켜서점화되는최저온도를조사한다. 구체적인시험방법은분진시료를분진홀더 (Dust sample chamber) 에투입한후 0.1 bar, 0.3 bar의압축공기를노안으로 0.3 초동안흐르게하여일정온도로승온된가열로내부의세라믹튜브 (Cera mic tube) 내로분진을분사시킨다. 공기는압축된공기 (99.99 %) 봄베를사용하였으며수분과이물질제거필터를거쳐시험장치로공급되도록하였다. 분사된분진운이점화하여가열로하단부의개방구까지화염이전파하는지를비디오카메라등을사용하여관찰한다. 점화는화염분출이가열로하단부의개방구에서보일경우에발생한것으로보며, 화염이없는불꽃인경우에는점화로보지않는다. 최소점화온도는규정된절차에의하여점화가이루어진로의최저온도가 300 를넘는경우에는그온도에서 20 를뺀값, 300 또는그이하에서는로의온도에서 10 를뺀값을최소점화온도로기록한다. 부유분진의농도는분진홀더에장착된시료중량을가열로내부의세라믹튜브체적으로나누어서구한다. Ⅲ. 시험장비및방법 35

50 화학사고예방및원인규명을위한 Ⅳ 결과및고찰 원료의약품중에서사고원인물질이며화학합성공정에의하여록소프로펜나트륨제조시원료로사용되는록소프로펜산 (Loxoprofen Acid) 과클로피도그렐황산수소염제조시원료로사용되는클로피도그렐캄포르술폰산염 (Clopidogrel C amphorsulfonate) 및발효공정에의하여제조되는데메클로사이클린염산염 (Demeclocycline hydrochloride) 과리팜피신 (Rifampicin) 을평가대상물질로선정하였고, 선정된 4종의시료에대하여건조나분쇄등의전처리는실시하지않고사업장에서제공된상태의조건에서 (20 24) 실온조건으로시험평가를실시하였다 1. 입도분석결과 분진의입도분포는폭발강도나점화민감도등의분진폭발특성에큰영향을미치는주요인자로서분진의화재 폭발위험성평가에있어서기본적으로측정되어야한다. 입도분포에따른분진의특성을조사하기위하여레이저회절법원리를응용한입도분석장치 (Beckman Coulter LS 13320) 를사용하여건식방식으로입도분포를측정하였다. 부피 (Volume equivalent sphere diamet er) 와수밀도 (Number density) 에따른록소프로펜산, 클로피도그렐캄포르술폰산염, 데메클로사이클린염산염및리팜피신분진의측정결과는 [ 그림 4-1] [ 그림 4-8] 과같으며 < 표 4-1> 에요약하여나타내었다. 부피를기준으로분석한결과록소프로펜산분진은부피입자경 (Volume me dian diameter) 이 5.31 μm로가장작았으며, 입도분포범위도 ( ) μ m로서좁은분포특성을보였다. 클로피도그렐캄포르술폰산염은입자경이 μm로가장크고, 입도분포범위도 ( ) μm로상대적으로넓은분 36 안전보건공단산업안전보건연구원

51 원료의약품의화재 폭발위험성평가 포특성을나타냈다. 데메클로사이클린염산염은입자경이 μm, 입도분포범위가 ( ) μm의분포특성을보였다. 리팜피신은입자경이 μ m로다른원료의약품시료분진에비하여상대적으로컸으며, 입도분포범위는 ( μm로서가장넓은분포특성을보였다. 분진입자의입경에따른입자수의분포를나타내는수밀도분석결과수입자경 (Number median diameter) 이록소프로펜산 μm, 클로피도그렐캄포르술폰산염 μm, 데메클로사이클린염산염 μm, 리팜피신 μm 로모두비슷하게 0.5 μm 0.6 μm 의미세한입자가다량으로존재하는것으로나타났다. 부피입자경과수입자경의분포를비교하면모든시료에서다량의미세한입자가존재하여많은차이가나타나고있는것을알수있고, 이런현상은미세한입자간의응집현상에의한것으로추정된다. 미세한입자의비율이높을수록공기중의산소와접촉하는분진의표면적이증가하여연소성측면에서산화반응성에유리할수도있으나, 입자의크기가작더라도입자간의응집성이높으면응집으로인한산소와접촉하는분진의표면적이감소되어산화반응성은저하될가능성이있다. Ⅳ. 결과및고찰 37

52 화학사고예방및원인규명을위한 < 표 4-1> 입도분석시험결과 구분 Loxoprofen acid 시험결과 [ μm ] Mean Median S.D d10 d50 d90 부피 수밀도 입도범위 Clopidogrel cam phorsulfonate (CPC) Demeclocycline hydrochloride (DMCT) Rifampicin 부피 수밀도 부피 수밀도 부피 수밀도 참조 D 10 전체분포상에서 10 % 일때의입도 D 50 (Median) 전체분포상에서 50 % 일때의입도 D 90 전체분포상에서 90 % 일때의입도 38 안전보건공단산업안전보건연구원

53 원료의약품의화재 폭발위험성평가 [ 그림 4-1] 록소프로펜산부피기준입도분포측정 [ 그림 4-2] 록소프로펜산수밀도입도분포측정 Ⅳ. 결과및고찰 39

54 화학사고예방및원인규명을위한 [ 그림 4-3] 클로피도그렐캄포르술폰산염부피기준입도분포측정 [ 그림 4-4] 클로피도그렐캄포르술폰산염수밀도입도분포측정 40 안전보건공단산업안전보건연구원

55 원료의약품의화재 폭발위험성평가 [ 그림 4-5] 데메클로사이클린염산염부피기준입도분포측정 [ 그림 4-6] 데메클로사이클린염산염수밀도입도분포측정 Ⅳ. 결과및고찰 41

56 화학사고예방및원인규명을위한 [ 그림 4-7] 리팜피신부피기준입도분포측정 [ 그림 4-8] 리팜피신수밀도입도분포측정 42 안전보건공단산업안전보건연구원

57 원료의약품의화재 폭발위험성평가 또한, 선정된 4종의원료의약품시료의입자형태를관찰하기위하여집속된전자빔을시료표면에주사하면서전자빔과시료와의상호작용에의해발생되는이차전자 (secondary electron) 또는후방산란전자 (back scattered electron) 를검출하여시료표면을관찰하는주사전자현미경 (SEM, Scanning Electron Microscope) 을사용하였고, [ 그림 4-9] 와같은시료입자의모양이관찰되었다. 이를통하여입자들의형태가구형이아니라직사각형으로서서로응집되어있거나외부충격등에약하여쉽게부서져있는미세한입자로되어있는것을알수있다. a) 록소프로펜산 b) 클로피도그렐캄포르술폰산염 c) 데메클로사이클린염산염 d) 리팜피신 [ 그림 4-9] SEM에의해관찰된원료의약품시료들의입자모양 Ⅳ. 결과및고찰 43

58 화학사고예방및원인규명을위한 2. 열분석결과 공기와불활성분위기및승온속도에따른열거동을확인하기위하여 < 표 4-2> 와같은실험조건으로시차주사열량계 (DSC) 를사용하였으며, 공기및불활성분위기에서의차이가뚜렷한록소프로펜산에대하여산화분해로인한발열거동을 kinetic 분석프로그램을이용하여온도에따른반응시간, 활성화에너지 (E), 전환율등으로계산하였다. 또한온도에따른중량변화는열중량분석기 (TGA) 를이용하여관찰하였다. < 표 4-2> DSC 및 TGA 실험조건 시험장비분위기승온속도가열범위 Pan DSC air ( 록소프로펜산측정 ) N 2 5 /min (30 ~ 500) Vented pan 1, 2 5, 10 /min (30 ~ 500) ( 개방형 )* open pan TGA N 2 10 /min (30 ~ 800) ( 개방형 ) * piercing kit를이용하여 (50~100) μm 직경의구멍 (pinhole) 을낸후, sealing tool을이용하여 cover를덮음으로서내부압력과외부압력을평형화시킴. 1) 시차주사열량계 (DSC) 시험결과 DSC는시료와불활성기준물질을동일한온도프로그램에따라변화시키면서온도와시간의함수로서측정된시료와기준물질의열유속차이 (difference in heat flow) 를측정하게되는데열에너지는시료의엔탈피변화에상당하며, 시료가에너지를흡수하면엔탈피변화는흡열이며에너지를방출하면발열이된다. 44 안전보건공단산업안전보건연구원

59 원료의약품의화재 폭발위험성평가 Endothermicd ( 흡열 ) 시료가에너지를흡수할때, 엔탈피변화는흡열이며, 용융, 증발과같은변화가이에해당함. Exothermic ( 발열 ) 시료가에너지를방출할때, 엔탈피변화는발열이며, 산화, 산화분해, 결정화와같은변화가이에해당함. [ 그림 4-10] DSC 그래프해석방법 4개시료의공기및불활성 ( 질소 ) 분위기에따른열거동변화를비교하기위해개방형 pan에시료를투입하고공기및질소를 50 ml /min의속도로퍼지 (purge) 하면서시차주사열량계 (DSC) 를사용하여 (30 500) 의온도범위에서실험한결과를 [ 그림 4-11] 에나타내었다. 록소프로펜산의경우, 공기및질소분위기에서모두 (80 115) 범위에서결정형의용융으로인한흡열거동을보였으며, 공기분위기에서측정한결과 140 부근에서부터서서히산화분해로인한발열거동을보이나질소분위기의경우용융된록소프로펜산이 300 전후의끓는점에도달하면서증발되어흡열거동을보였다. 클로피도그렐캄포르술폰산염은 380 이전까지는공기및질소분위기의열거동이유사하며, 이후공기분위기에서산화분해로인한발열피크가관찰되었다. 데메클로사이클린염산염의경우 220 부근에서급격한발열이후, 공기분위기에서 2차분해로인한발열이더진행되었다. 리팜피신의경우, 370 이후공기분위기에서산화분해가시작되었다. Ⅳ. 결과및고찰 45

60 화학사고예방및원인규명을위한 a) 록소프로펜산 b) 클로피도그렐캄포르술폰산염 c) 데메클로사이클린염산염 d) 리팜피신 [ 그림 4-11] 공기및질소분위기에서의 DSC curve 비교 4개시료에대해불활성 ( 질소 ) 분위기에따른열거동변화에대해개시온도, 열량등을계산한실험결과를 [ 그림 4-12] [ 그림 4-15] 에나타내었다. [ 그림 4-12] 록소프로펜산의경우, 83 와 105 에서두개의용융점을보였으며, ( ) 의범위에서증발되었다. [ 그림 4-13] 클로피도그렐캄포르술폰산염의경우, 180 에서용융점을보였으며 [ 그림 4-14] 데메클로사이클린염산염의경우, 211 부근에서급격한발열에뒤이어흡열피크가관찰되었으며, [ 그림 4-15] 리팜피신에서 175 부근에서용융과동시에분해로인한발열피크가관찰되었다. 46 안전보건공단산업안전보건연구원

61 원료의약품의화재 폭발위험성평가 [ 그림 4-12] 록소프로펜산 DSC curve [ 그림 4-13] 클로피도그렐캄포르술폰산염 DSC curve Ⅳ. 결과및고찰 47

62 화학사고예방및원인규명을위한 [ 그림 4-14] 데메클로사이클린염산염 DSC curve [ 그림 4-15] 리팜피신 DSC curve 48 안전보건공단산업안전보건연구원

63 원료의약품의화재 폭발위험성평가 2) Kinetic analysis 화학반응의반응속도는전환율 (conversion, α), 온도 (T), 시간 (t) 의영향을받는다. 전환율함수 [function of conversion, f(α)] 로표현되는반응속도는각공정별로다른값을가지며, 실험결과로부터결정되어야한다. 단일반응 (s ingle reaction) 의경우, n차 (nth order) 로전환율함수를결정할수있으나고분자분해등과같은복잡한반응의전환율함수는복잡하며일반적으로잘알려지지않았다. 본위험성평가에서는전환율함수를모르는상태에서활성화에너지를계산하고자 model-free 방법을이용하였다. 이방법은활성화에지가전환율의함수로결정되며, 고분자블랜드와같이전환율함수에따라활성화에너지가급격하게변하는물질의분석에매우유용하다. Vyazovkin 은다수승온속도 (multiple h eating rate) 의결과를이용하여간단하거나복잡한반응모두에적용할수있는적분법 (integral kinetic method) 를개발하였으며본위험성평가에서는 DS C의제조사인 METTLER TOLEDO사에서 Vyazovkin 방법을적용하여제작한 model-free kinetic software 를이용하여온도에따른반응시간, 활성화에너지 (E), 전환율등을계산하였다. 3개의승온속도 (β) 로측정하였으며, 각각의 co nversion curve 는 DSC에의해측정된결과를이용하여계산하게된다. 전환율함수로나타낸반응속도식과이식을승온속도 로나누면다음식 (1) 과같다. : 반응속도 (s -1 ) (1) : 속도상수 (s -1 ) : 승온속도 (K s-1 ) 위식 (1) 에서 에 Arrhenius expression 를대입하여정리하 면식 (2) 와같이표현된다. Ⅳ. 결과및고찰 49

64 화학사고예방및원인규명을위한 (2) 온도 T 에서전환율 로적분하면식 (3) 으로나타낼수있다. (3) E/2T 1 이므로식 (4) 와같이표현된다. (4) 온도로적분하여로그화하면식 (5) 가얻어진다. ln ln (5) 각전환율에서의활성화에너지는 ln(β/tα 2 ) 와 1/Tα의관계를도시하여기울기로부터활성화에너지를구할수있다. [ 그림 4-16] 은록소프로펜산을공기분위기에서 5 /min의승온속도로수행한 DSC 실험결과이며적색의구간에대해 1, 2, 5, 10 /min의승온속도에따라시험하여나온발열구간을잘라 [ 그림 4-17] 에나타내었다. 승온속도가증가함에따라발열피크가고온축으로이동하였으며이는시료에열이가해지는시간이짧아지게되어시료의내부까지필요한열이충분히전달되지않기때문에최대발열온도가점차고온으로전이되는것으로이해할수있다. 승온속도에따라차이는있으나 ( ) 구간에서발열이관찰된다. 50 안전보건공단산업안전보건연구원

65 원료의약품의화재 폭발위험성평가 [ 그림 4-17] 의발열 curve 를이용하여 Tα vs α (α : 전환율 ) 로플롯하면전환율커브를얻을수있으며 [ 그림 4-18] 에나타내었다. 각전환율에서의활성화에너지는식 (5) 에서 ln(β/tα 2 ) 와 1/Tα의관계를도시한기울기로부터계산할수있으며 [ 그림 4-19] 에나타내었다. 활성화에너지는전환율변화에따라 (58 95) kj/mol의범위내에분포하고있으며전환율이증가함에따라활성화에너지가지속적으로증가하였다. [ 그림 4-20] 은 Advanced MFK(M odel Free Kinetic) software option을사용하여얻은커브로서각각의등온온도조건에서시간에따른전환율변화를예측할수있으며 < 표 2> 에값을나타내었다. [ 그림 4-16] 록소프로펜산의공기분위기에서 DSC curve Ⅳ. 결과및고찰 51

66 화학사고예방및원인규명을위한 [ 그림 4-17] 록소프로펜산발열반응의승온속도별 DSC curve [ 그림 4-18] 록소프로펜산승온속도에따른전환율변화 52 안전보건공단산업안전보건연구원

67 원료의약품의화재 폭발위험성평가 [ 그림 4-19] 록소프로펜산의전환율에따른활성화에너지변화 [ 그림 4-20] 록소프로펜산의등온온도조건에서시간에따른전환율변화 Ⅳ. 결과및고찰 53

68 화학사고예방및원인규명을위한 < 표 4-3> 는각각의등온온도조건에서록소프로펜산의산화분해반응이진행되면서각온도조건에서전환율이 10, 20, 30, 50, 75, 90 % 까지도달하는데걸리는시간을의미하며, 150 의등온조건에서전환율이 10 % 까지도달하는데약 25분의시간이소요되는것으로계산되었다. < 표 4-3> 각온도에서전환율에도달하는시간 Conversion (%) Temperature ( ) ) 열중량분석 (TGA) 결과 4 개시료에대해실시한 TGA 실험결과는 < 표 4-4> 과같다. < 표 4-4> TGA 실험결과 시료명순서온도범위 ( ) 질량감소율 (%) 록소프로펜산 ~ 클로피도그렐캄포르술폰산염데메클로사이클린염산염 ~ ~ ~ ~ 안전보건공단산업안전보건연구원

69 원료의약품의화재 폭발위험성평가 ~ 리팜피신 ~ ~ [ 그림 4-21] [ 그림 4-24] 의 TGA 결과에서상단의그래프는열중량변화 (TG A:Thermal Gravimetric Analysis) 그래프로가열에따른중량변화를나타내는데증발이나가스를생성하는화학반응, 분해등에의해중량변화가발생하며 microbalance( 저울 ) 에의해연속적으로무게가측정된다. 아래그래프는시차열분석 (SDTA:Single Differential Thermal Analysis) 그래프로가열에따른열거동을관찰할수있으며, DSC 결과와유사하나상대적으로감도가낮다. 열중량분석은불활성 ( 질소 ) 분위기에서 10 /min의승온속도로 ( ) 의온도범위에서시험한결과로서 4개시료에대한시험결과를 < 표 4-4> 에나타내었다. [ 그림 4-21] 록소프로펜산의경우, (50 170) 범위에서무게변화없이흡열피크가관찰되었으며이는결정형록소프로펜산의용융으로추정할수있으며, 용융된액상의록소프로펜산이 182 부근부터서서히증발하면서 ( ) 범위에서 99 % 가증발되었다. [ 그림 4-22] 클로피도그렐캄포르술폰산염의경우, ( ) 범위에서 83 % 의질량이감소되었고, [ 그림 4-23] 과 [ 그림 4-24] 는 TGA 커브의변곡점을기준으로 3 개의질량감소구간으로나눌수있으며결과는 < 표 4-4> 에나타냈다. Ⅳ. 결과및고찰 55

70 화학사고예방및원인규명을위한 [ 그림 4-21] 록소프로펜산 TGA curve [ 그림 4-22] 클로피도그렐캄포르술폰산염 TGA curve 56 안전보건공단산업안전보건연구원

71 원료의약품의화재 폭발위험성평가 [ 그림 4-23] 데메클로사이클린염산염 TGA curve [ 그림 4-24] 리팜피신 TGA curve Ⅳ. 결과및고찰 57

72 화학사고예방및원인규명을위한 3. 분진특성분석결과 1) 최대폭발압력원료의약품분진의최대폭발압력 (Pmax) 을측정하기위해, Siwek 20-L Appa ratus 를이용하여시험조건을용기내부온도 20, 초기압력대기압 (101.3 kp a) 및지연시간 60 ms로설정한후농도를변화시키면서폭발압력을측정하였다. 실험적인연구결과에의하면, 최대폭발압력은측정용기의부피가 20 L이상인경우폭발용기의부피에영향을받지않고일정한것으로밝혀졌다. 즉, 해당분진이폭발시발생시킬수있는최대압력은폭발이이루어지는용기의부피가 20 L이상이라면항상같은값이측정되어진다는것을의미한다. 분진폭발시험장치로부터발생되는폭발파형으로부터 [ 그림 4-25] 와같이최대폭발압력 (Pmax), 연소지속시간 (t c ), 최대압력상승속도 (dp/dt) 등의자료를얻을수있다. 연소지속시간 (duration of combustion) 은점화가시작된시점부터폭발압력이정점에도달할때까지의시간을의미한다. [ 그림 4-25] 분진폭발장치로부터얻은압력자료 58 안전보건공단산업안전보건연구원

73 원료의약품의화재 폭발위험성평가 점화지연시간을 60 ms로설정후 60 g/ m3 1,500 g/ m3까지의농도를변화시키면서 3 시리즈 (Series) 를측정한원료의약품시료의폭발최대압력과연소지속시간을 [ 그림 4-26] [ 그림 4-29] 에나타냈다. 최대폭발압력 (P max ) 의경우에록소프로펜산은 1 시리즈에서는부유분진농도 500 g/ m3에서 8.4 bar, 2 시리즈에서는 500 g/ m3에서 8.3 bar, 3 시리즈에서는 500 g/ m3에서 8.1 bar로측정되었으며, 교정성적서에의한교정결과를반영하여평균으로계산하면 500 g/ m3에서 8.4 bar로측정된다. 이것은원료의약품분진시료중가장높은최대폭발압력을나타낸다. 클로피도그렐캄포르술폰산염은 1 시리즈에서는부유분진농도 750 g/ m3에서 7.6 bar, 2 시리즈에서는 500 g/ m3에서 7.9 bar, 3 시리즈에서는 1,000 g/ m3에서 7.5 bar, 로측정되었고, 교정성적서에의한교정결과를반영하여평균으로계산하면 75 0 g/ m3에서 7.9 bar가되고, 데메클로사이클린염산염은 1 시리즈에서는부유분진농도 750 g/ m3에서 7.9 bar, 2 시리즈에서는 1,000 g/ m3에서 7.8 ba r, 3 시리즈에서는 750 g/ m3에서 7.8 bar로측정되었고, 교정성적서에의한교정결과를반영하여평균으로계산하면 833 g/ m3에서 8.1 bar가된다. 마지막으로리팜피신은 1 시리즈에서는부유분진농도 750 g/ m3에서 7.5 bar, 2 시리즈에서는 750 g/ m3에서 7.7 bar, 3 시리즈에서는 500 g/ m3에서 7.7 bar 로측정되어교정성적서에의한교정결과를반영하여평균으로계산하면 583 g/ m3에서 7.9 bar가된다. 이와같이최대폭발압력이같은시료라도동일한부유분진농도에서측정되지않는현상은폭발용기내부에분사된부유분진의불균일한분포와난류의영향에의해연소에관여하는분진의양차이에의한것으로추정된다. 폭발압력곡선의경향을살펴보면록소프로펜산을비롯한모든시료의폭발압력이부유분진의농도 125 g/ m3부터급격하게상승되고있는것을알수있다. 연소지속시간 (T c ) 의경우에록소프로펜산은 1 시리즈에서는 750 g/ m3에서 26 ms, 2 시리즈에서는 500 g/ m3에서 31 ms, 3 시리즈에서는 750 g/ m3에서 27 ms로측정되었으며, 이를평균으로계산하면 667 g/ m3에서 28 ms가된 Ⅳ. 결과및고찰 59

74 화학사고예방및원인규명을위한 다. 이것은원료의약품분진시료중가장빠른연소지속시간을나타낸다. 클로피도그렐캄포르술폰산염은 1 시리즈에서는 1,000 g/ m3에서 38 ms, 2 시리즈에서는 750 g/ m3에서 39 ms, 3 시리즈에서는 1,000 g/ m3에서 38 ms 로측정되었고이를평균으로계산하면 917 g/ m3에서 38 ms가된다. 데메클로사이클린염산염은 1 시리즈에서는 750 g/ m3에서 34 ms, 2 시리즈에서는 750 g/ m3에서 30 ms, 3 시리즈에서는 500 g/ m3에서 33 ms 로측정되었고이를평균으로계산하면 667 g/ m3에서 32 ms가된다. 마지막으로리팜피신은 1 시리즈에서는 1,000 g/ m3에서 27 ms, 2 시리즈에서는 750 g/ m3에서 31 ms, 3 시리즈에서는 1,000 g/ m3에서 30 ms 로측정되었고이를평균으로계산하면 917 g/ m3에서 29 ms가된다. 연소지속시간도최대폭발압력과마찬가지로같은시료라도동일한부유분진농도에서측정되지않는현상은폭발용기내부에분사된부유분진의불균일한분포와난류의영향에의해연소에관여하는분진의양차이에의한것으로추정된다. 최대폭발압력과연소지속시간을통해원료의약품시료중록소프로펜산의폭발이가장격렬하고급격한것을알수있다. 이를요약하면 < 표 4-5> 과같으며, 원료의약품분진은 Al 같은금속분진이나 PE 같은플라스틱분진처럼폭발이발생할경우최대폭발압력이크고피해규모및범위가넓으며, 연소지속시간도 30 ms 40 ms 짧아순식간에급격하게폭발이발생되고화염전파속도가빠르다는것을알수있다. < 표 4-5> 원료의약품시료의최대폭발압력과연소지속시간시험결과 시료명 최대폭발압력 [bar] 연소지속시간 [ms] 록소프로펜산 클로피도그렐캄포르술폰산염 데메클로사이클린염산염 리팜피신 안전보건공단산업안전보건연구원

75 원료의약품의화재 폭발위험성평가 a) 록소프로펜산 b) 클로피도그렐캄포르술폰산염 [ 그림 4-26] 록소프로펜산과클로피도그렐캄포르술폰산염의최대폭발압력측정결과 a) 데메클로사이클린염산염 b) 리팜피신 [ 그림 4-27] 데메클로사이클린염산염과리팜피신의최대폭발압력측정결과 Ⅳ. 결과및고찰 61

76 화학사고예방및원인규명을위한 a) 록소프로펜산 b) 클로피도그렐캄포르술폰산염 [ 그림 4-28] 록소프로펜산과클로피도그렐캄포르술폰산염의최대폭발압력과연소지속시간 a) 데메클로사이클린염산염 b) 리팜피신 [ 그림 4-29] 데메클로사이클린염산염과리팜피신의최대폭발압력과연소지속시간 62 안전보건공단산업안전보건연구원

77 원료의약품의화재 폭발위험성평가 2) 최대폭발압력상승속도 ( 폭연지수 ) 폭연지수 (Deflagration index) K st 는분진의폭발강도의척도로서, 각분진의폭발위험성은 K st 값으로표준화되어비교된다. K st 값은폭발용기부피에영향을받는실험값인최대폭발압력상승속도 [(dp/dt) max ] 에의하여 Cubic l aw인다음의식으로계산되어진다. K st = (dp/dt) max V 1/3 [bar m/s] 최대폭발압력 (Pmax) 은열효과 (Heat effect) 만무시할수있다면폭발용기의크기에관계없이일정하다. 그러나최대폭발압력상승속도 (dp/dt)max는폭발용기의크기와형상에따라값이달라진다. 일반적으로폭발용기의크기가증가할수록 (dp/dt)max 값은감소하며 V 1/3 반비례하고표면적 / 부피비에비례한다. Kst 값의주된용도는폭발압력의경감을위한폭발압력방산구, 폭발억제장치및폭발전파차단장치같은폭발보호장치설계에중요한데이터로활용되며 Kst 값에따라폭발등급은 < 표 4-6> 와같이네개의등급으로나눠진다. < 표 4-6> 분진폭발등급 폭발등급 Kst [bar m/s] 폭발의특징예 St 0 0 St 1 > 0 to 200 St 2 > 200 to 300 St 3 > 300 폭발이발생하지않음 (No explosion) 폭발에의한위험성이약한 / 보통분진 (Weak/Moderate explosion) 폭발에의한위험성이큰분진 (Strong explosion) 폭발에의한위험성이매우큰분진 (Very strong explosion) - 곡물분진 (Grain dust) 유기안료 / 에폭시수지 (Organic pigment/epoxy resine) 미세한금속분진 (Fine metal dust) Ⅳ. 결과및고찰 63

78 화학사고예방및원인규명을위한 [ 그림 4-30], [ 그림 4-31] 및 < 표 4-4> 에서와같이록소프로펜산의최대폭발압력상승속도는 580 g/ m3에서 1,047 bar/s로측정되었으며, 이값을 Cu bic law에따라계산하면 K st 는폭발등급 St 2에해당하는 284 bar m/s로측정되었다. 클로피도그렐캄포르술폰산염의최대폭발압력상승속도는 1083 g/m 3 에서 589 bar/s 로측정되었으며, 이값을 Cubic law에따라계산하면 K st 는폭발등급 St 1에해당하는 160 bar m/s로측정되었다. 데메클로사이클린염산염의최대폭발압력상승속도는 670 g/ m3에서 731 bar/s로측정되었으며, 이값을 Cubic law에따라계산하면 K st 는폭발등급 St 1 와 St 2의경계값에해당하는 199 bar m/s로측정되었다. 리팜피신의최대폭발압력상승속도는 920 g/ m3에서 755 bar/s로측정되었으며, 이값을 Cubic law에따라계산하면 K st 는폭발등급 St 2에해당하는 205 bar m/s로측정되었다. 이것을요약하면 < 표 4-7> 와같다. < 표 4-7> 원료의약품시료의폭발압력상승속도, Kst 및최대폭발압력시험결과 시료명 폭발압력상승속도 [bar/s] Kst [bar m/s] 최대폭발압력 [bar] 록소프로펜산 1, 클로피도그렐캄포르술폰산염 데메클로사이클린염산염 리팜피신 록소프로펜산과리팜피신의경우폭발등급이 St 2인폭발에의한위험이큰분진으로분류되고나머지클로피도그렐캄포르술폰산염과데메클로사이클린염산염도폭발에의한위험성이약한분진으로분류된다. [ 그림 4-26] [ 그림 4-31] 에서보는바와같이최대폭발압력을나타내는농도와최대폭발압력상승속도를나타내는농도의차이는폭발용기안의부유분 64 안전보건공단산업안전보건연구원

79 원료의약품의화재 폭발위험성평가 진의불균일한분포와난류의영향에의해연소에관여하는분진의양차이에의한것으로추정된다. a) 록소프로펜산 b) 클로피도그렐캄포르술폰산염 [ 그림 4-30] 록소프로펜산과클로피도그렐캄포르술폰산염의폭발압력상승속도측정결과 a) 데메클로사이클린염산염 b) 리팜피신 [ 그림 4-31] 데메클로사이클린염산염과리팜피신의폭발압력상승속도측정결과 Ⅳ. 결과및고찰 65

80 화학사고예방및원인규명을위한 3) 폭발하한농도폭발하한농도 (LEL, Lower Explosion Limit) 를측정하기위해 Siwek 20-L Apparatus 를사용하여다양한농도에서폭발유무시험을실시하였다. 시험규격 (EN ) 에따라폭발용기내에서부유분진의폭발유무판정은점화지연시간 60 ms에서 Chemical igniter(2 kj) 에의한폭발압력이 Pm(Chemical igniter에기인한냉각과압력효과를보정한폭발압력 ) 0.2 bar 이상또는 P ex( 보정되지않은폭발압력 ) 0.5 bar 이상인경우에해당농도에서분진폭발이일어났다고판정한다. 그리고실험값에의한폭발하한농도는 3회이상연속적으로폭발이발생하지않은가장높은농도를폭발하한농도로나타낸다. 원료의약품시료에대한폭발하한농도측정결과는 [ 그림 4-32], [ 그림 4-3 3] 과같고, 이중에서록소프로펜산은폭발하한농도가 40 g/ m3로가장낮았고 50 g/ m3에서 0.2 bar 가측정되었다. 클로피도그렐캄포르술폰산염은폭발하한농도가 60 g/ m3이고 70 g/ m3에서 0.7 bar 가측정되었다. 데메클로사이클린염산염폭발하한농도가 70 g/ m3로가장높았고 125 g/ m3까지 0.3 bar 이하의낮은폭발압력이측정되었다. 리팜피신은폭발하한농도가 50 g/ m3이고 60 g/ m3에서상대적으로높은 2.2 bar의폭발압력이측정되었다. < 표 4-8> 의시험결과에서보는바와같으며폭발하한농도는록소프로펜산 < 리팜피신 < 클로피도그렐캄포르술폰산염 < 데메클로사이클린염산염순으로높게측정되었다. < 표 4-8> 원료의약품시료의폭발하한농도시험결과 시료명 농도 [g/ m3 ] 록소프로펜산 40 클로피도그렐캄포르술폰산염 60 데메클로사이클린염산염 70 리팜피신 안전보건공단산업안전보건연구원

81 원료의약품의화재 폭발위험성평가 a) 록소프로펜산 b) 클로피도그렐캄포르술폰산염 [ 그림 4-32] 록소프로펜산과클로피도그렐캄포르술폰산염의폭발하한농도측정결과 a) 데메클로사이클린염산염 b) 리팜피신 [ 그림 4-33] 데메클로사이클린염산염과리팜피신의폭발하한농도측정결과 Ⅳ. 결과및고찰 67

82 화학사고예방및원인규명을위한 4) 최소점화에너지부유분진의일부분에일정크기의에너지를가하면분진운이착화또는폭발을일으키게되는데이때필요한가장작은크기의에너지를최소점화에너지 (MIE) 라고한다. 최소점화에너지는입도분포및분진분사후의지연시간에영향을받는데일반적으로분진의입도가작아질수록최소점화에너지도작아진다. 원료의약품시료의분진농도를변화시키면서각각의분산후점화지연시간 (tv) 을 90 ms, 120 ms, 150 ms로설정하여최소점화에너지 (MIE) 를측정하였다. 착화성향상을위해인덕턴스를 1 mh로설정하였다. [ 그림 4-34] 은 900 g/ m3의록소프로펜산분진을 3 mj의착화에너지를사용하여분진분사후 120 ms의지연시간을설정하였을때에분진착화에의한분진폭발모습을나타낸것이다. 부유및낙하점화화염전파소염종료 [ 그림 4-34] 록소프로펜산의점화및화염전파모습 ( 조건 : 900g/m3, 3 mj, 120 ms) [ 그림 4-36] [ 그림 4-38] 는록소프로펜산을 150 g/ m3 3,600 g/ m3의다양한농도에서점화지연시간을 90 ms, 120 ms, 150 ms로설정하여최소점화에너지를측정한그래프로모든점화지연시간에서 1 mj < MIE < 3 mj 로측정되었다. [ 그림 4-39] [ 그림 4-41] 는클로피도그렐캄포르술폰산염을 600 g/ m3 3,000 g/ m3의다양한농도에서점화지연시간을 90 ms, 120 ms, 150 ms로설정하여최소점화에너지를측정한그래프로 90 ms 점화지 68 안전보건공단산업안전보건연구원

83 원료의약품의화재 폭발위험성평가 연시간에서 100 mj < MIE < 300 mj, 120 ms와 150 ms의점화지연시간에서 30 mj < MIE < 100 mj, 로측정되었다. [ 그림 4-42] [ 그림 4-44] 은데메클로사이클린염산염을 600 g/ m3 2,400 g/ m3의다양한농도에서점화지연시간을 90 ms, 120 ms, 150 ms로설정하여최소점화에너지를측정한그래프로모든점화지연시간에서 100 mj < MIE < 300 mj 로측정되었다. [ 그림 4-45] [ 그림 4-47] 은리팜피신을 900 g/ m3 2,400 g/ m3의다양한농도에서점화지연시간을 90 ms, 120 ms, 150 ms로설정하여최소점화에너지를측정한그래프로모든점화지연시간에서 1 mj < MIE < 3 mj 로측정되었다. 원료의약품시료들의최소점화에너지를요약하면 < 표 4-9> 과같으며, 점화지연시간이길어짐에따라분진-공기혼합기의분산성이변동되고, 부유분진과공기와의접촉및혼합시간이늘어남에최소점화에너지가작아지는경향을볼수있다. 특히클로피도그렐캄포르술폰산염의경우최소점화에너지가 90 ms 에서 100 mj < MIE < 300 mj 이었으나 120 ms, 150 ms 에서는 30 mj < MIE < 100 mj 로낮아졌고, 통계적최소점화에너지 (Statics MIE) 추정값은 120 ms에서는 67 mj, 150 ms에서는 47 mj 까지낮아졌다. 또한록소프로펜산과리팜피신의경우에는최소점화에너지가상당히낮아브러시방전과같은 3 mj 이하의작은정전기방전에너지로도착화가가능함을알수있다. < 표 4-9> 원료의약품시료의최소점화에너지시험결과 시료명 최소점화에너지 [mj] 록소프로펜산 1 MIE 3 클로피도그렐캄포르술폰산염 30 MIE 100 데메클로사이클린염산염 100 MIE 300 리팜피신 1 MIE 3 Ⅳ. 결과및고찰 69

84 화학사고예방및원인규명을위한 또한부유부진의온도의변화에따른최소점화에너지변화는 Richard Siwe k 등이 [ 그림 4-35] 를기초로만든아래의실험식으로부터 의범위에서개략적으로추정할수있다. log log MIE : 최소점화에너지 (J) T : 부유분진의온도 ( ) 위의식을사용하여 사이의공정온도변화에따른최소점화에너지의변화는 < 표 4-10> 과같으며, 클로피도그렐캄포르술폰산염과데메크로사이클린염산염의경우공정온도가 100 일경우최소점화에너지가 10 mj 이하로추정된다. [ 그림 4-35] 온도의영향에따른최소점화에너지의변화 70 안전보건공단산업안전보건연구원

85 원료의약품의화재 폭발위험성평가 < 표 4-10> 공정온도변화에따른최소점화에너지의변화 공정온도 ( ) 록소프로펜산 클로피도그렐데메클로캄포르술폰산염사이클린염산염 리팜피신 비고 시험값 추정값 참고로 NFPA 77에의하면분진폭발의주요점화원인정전기방전에너지는 Corona discharge 0.1 mj 이하, Brush discharge 3 mj 이하, Bulking brush discharge 10 mj 이하, Propagating brush discharge 3 J 이하및 Spark s discharge 10 J 이상의방전에너지를갖는다. Ⅳ. 결과및고찰 71

86 화학사고예방및원인규명을위한 [ 그림 4-36] 록소프로펜산분진의최소점화에너지 ( 지연시간 90 ms) [ 그림 4-37] 록소프로펜산분진의최소점화에너지 ( 지연시간 120 ms) [ 그림 4-38] 록소프로펜산분진의최소점화에너지 ( 지연시간 150 ms) 72 안전보건공단산업안전보건연구원

87 원료의약품의화재 폭발위험성평가 [ 그림 4-39] 클로피도그렐캄포르술폰산염분진의최소점화에너지 ( 지연시간 90 ms) [ 그림 4-40] 클로피도그렐캄포르술폰산염분진의최소점화에너지 ( 지연시간 120 ms) [ 그림 4-41] 클로피도그렐캄포르술폰산염분진의최소점화에너지 ( 지연시간 150 ms) Ⅳ. 결과및고찰 73

88 화학사고예방및원인규명을위한 [ 그림 4-42] 데메클로사이클린염산염분진의최소점화에너지 ( 지연시간 90 ms) [ 그림 4-43] 데메클로사이클린염산염분진의최소점화에너지 ( 지연시간 120 ms) [ 그림 4-44] 데메클로사이클린염산염분진의최소점화에너지 ( 지연시간 150 ms) 74 안전보건공단산업안전보건연구원

89 원료의약품의화재 폭발위험성평가 [ 그림 4-45] 리팜피신분진의최소점화에너지 ( 지연시간 90 ms) [ 그림 4-46] 리팜피신분진의최소점화에너지 ( 지연시간 120 ms) [ 그림 4-47] 리팜피신분진의최소점화에너지 ( 지연시간 150 ms) Ⅳ. 결과및고찰 75

90 화학사고예방및원인규명을위한 5) 최소점화온도부유분진의최소점화온도 (MIT) 시험은 GG(Godbert-Greenwald) furnace 와 BAM furnace 형식으로분류할수있으며, 일반적으로시료가수직아래로낙하하는 GG furnace 에서측정된최소점화온도가시료를수평으로분사하는 BAM furnace에서측정한최소점화온도보다높게나타난다. 원료의약품시료 4종을 0.1 bar, 0.3 bar의압축공기로 0.3 초동안노안에부유시키고, 노내온도는 0 850, 농도는 100 g/ m3 1,500 g/ m3까지변화시키면서최소점화온도를측정한결과는 [ 그림 4-50] [ 그림 4-53] 과같으며, 부유분진시험시에점화와미점화에따른화염의거동을 [ 그림 4-48] 과 [ 그림 4-49] 에나타냈다. 분진운의최소점화온도는 KS C IEC 에의하여점화가이루어진노의최저온도가 300 를넘는경우에는그온도에서 20 K를뺀값, 300 또는그이하에서는노의온도에서 10 K를뺀값을최소점화온도로기록한다. 록소프로펜산은 0.1 bar 압축공기, 750 g/m3 1,500 g/m3의농도범위에서노내온도 570 에서점화되므로최소점화온도는 550 로계산된다. 클로피도그렐캄포르술폰산염은 0.1 bar 압축공기, 7 50 g/m3 1,500 g/m3의농도범위에서노내온도 530 에서점화되므로최소점화온도는 510 로계산되고, 데메클로사이클린염산염은 0.1 bar 압축공기, 1,000 g/m3 1,500 g/m3의농도범위에서로 (furnace) 의온도 850 이하에서는점화가이루어지지않았으므로최소점화온도가 830 를초과로계산된다. 리팜피신은 0.1 bar 압축공기, 1,000 g/m3 1,250 g/m3의농도범위에서노내온도 490 에서점화되므로최소점화온도는 470 로계산되고원료의약품시료중가장낮은최소점화에너지를갖는다. 76 안전보건공단산업안전보건연구원

91 원료의약품의화재 폭발위험성평가 낙하및노내부유점화화염전파소염종료 [ 그림 4-48] 록소프로펜산의 MIT 시험시점화및화염전파모습 (a) 흰연기 (b) 소염 [ 그림 4-49] 록소프로펜산의 MIT 시험시미점화모습 부유분진의발화온도는가열로내분진의체류시간과농도에의존하기때문에각각의변화에따라발화온도가달라진다. 가열로내의세라믹튜브를 0.1 bar의압축공기로흐르게했을경우에 0.3 bar로압축공기로흐르게했을경우보다가열로내의부유분진의체류시간이길어져발화온도는감소하는경향을나타내었다. 체류시간의경우농도가낮을경우에는가열로내의세라믹튜브를 0. 1bar 의압축공기로흐르게했을경우에 0.3 bar로압축공기로흐르게하였을때보다가열로내의부유분진의체류시간이길어져보다많은분진입자가연소반응에관여하고연소반응에의한열발생속도가방열에의한열손실속도보다커져서발화온도는감소하였으나, 농도가증가함에따라연소반응에관여하는 Ⅳ. 결과및고찰 77

92 화학사고예방및원인규명을위한 부유분진의양은일정하게되고열발생속도와방열속도는균형을이루어발화온도가비슷한경향을보이는것으로추정된다. 농도의경우농도가증가함에따라발화온도는감소하는경향을보이고있다. 이러한경향의원인은입자간의간격이화염전파를유지하기위한연소반응에영향을주기때문인것으로추정된다. 분진농도가감소하면발화온도가증가하는원인으로서는단위체적내의분진량이감소하면입자간의거리가증가하게되고이에따라방열속도가커지고연소반응의지속을위해많은열분해가스의양이필요하게되어주변으로부터더욱많은열에너지공급을요구하기때문이다. 반면에분진농도가증가하면입자간의거리가감소하여방열손실은적어지고화염전파를위한열전달이용이해지므로발화온도는감소한다. 그러나분진농도가더욱더증가하게되면입자간의거리가더욱더조밀해지고입자수가증가되므로입자간의연소반응에필요한산소공급이부족하게되고이에따른미연소입자의양이증가하므로발화온도가감소하는것으로추정된다. 78 안전보건공단산업안전보건연구원

93 원료의약품의화재 폭발위험성평가 a) 압축공기 0.1 bar, 0.3초 b) 압축공기 0.3 bar, 0.3초 [ 그림 4-50] 록소프로펜산부유분진의최소점화온도측정결과 a) 압축공기 0.1 bar, 0.3초 b) 압축공기 0.3 bar, 0.3초 [ 그림 4-51] 클로피도그렐캄포르술폰산염부유분진의최소점화온도측정결과 Ⅳ. 결과및고찰 79

94 화학사고예방및원인규명을위한 a) 압축공기 0.1 bar, 0.3초 b) 압축공기 0.3 bar, 0.3초 [ 그림 4-52] 데메클로사이클린염산염부유분진의최소점화온도측정결과 a) 압축공기 0.1 bar, 0.3초 b) 압축공기 0.3 bar, 0.3초 [ 그림 4-53] 리팜피신부유분진의최소점화온도측정결과 80 안전보건공단산업안전보건연구원

95 원료의약품의화재 폭발위험성평가 4. 분진의위험성평가 영국에서는분진의폭발성유무스크린테스트를위해 < 표 4-11> 과같이 G roup A와 Group B 로분류하고연직관시험장치 (Vertical tube), 수평관시험장치 (Horizontal tube) 및연소성시험장치 (Inflammator apparatuses) 를사용하여화염전파가하나의시험장치에서라도발생되는경우 Group A로분류한다. < 표 4-11> 영국에서의분진의폭발성유무분류 Group 내용비고 A B 점화되어화염전파가발생되는분진 화염의전파가발생되지않는분진 고온에서는 Group B의일부분진은폭발가능함비폭발성이지만화재의발생은가능함 미국 NFPA(National Fire Protection Association) 에서는위험물질 (Hazar dous materials) 을 < 표 4-12> 와같이 Class Ⅰ은인화성가스또는증기, Cl ass Ⅱ는가연성분진, Class Ⅲ는점화가능한섬유또는부유물로분류하고있으며, 이중에서가연성분진은다시그룹 E, 그룹 F, 그룹 G의 3 단계로세분화하여구분하고있다. < 표 4-12> NEC Division system 에의한폭발위험장소구분 Area Group 대표물질 Class Ⅰ, Division 1 & 2 (Flammable Gases or Vapors) A B C D Acetylene Hydrogen Ethylene Propane Ⅳ. 결과및고찰 81

96 화학사고예방및원인규명을위한 Area Group 대표물질 Class Ⅱ, Division 1 & 2 (Combustible Dusts) Class Ⅲ, Division 1 & 2 (Ignitable Fibers or Flyings) E F G - Metal dusts (Aluminum, Magnesium) Carbonaceous dusts (Coal, Carbon black, Charcoal) Other combustible/non-coductive dusts (flour, grain, wood, Plastic) Ignitable fibers or flyings (Cotton, Rayon, Flax) 미국광산국 (USBM, United States Bureau of Mines) 에서분진폭발위험성을피츠버그석탄분진의폭발위험성과비교하여상대등급으로예측하는폭발지수를개발하였다. 이폭발지수 (EI) 는점화민감도 (IS) 와폭발강도 (ES) 의곱으로다음과같이계산된다. 여기서, 점화민감도 (IS) 는해당분진의최소점화온도 (MIT), 최소점화에너지 (MIE), 폭발하한농도 (LEL) 의곱과 Pittsburgh seam coal의최소점화온도 (MI T), 최소점화에너지 (MIE), 폭발하한농도 (LEL) 의곱의비로아래와같이나타낼수있다. 82 안전보건공단산업안전보건연구원

97 원료의약품의화재 폭발위험성평가 폭발강도 (ES) 는해당분진의최대폭발압력 (P max ) 과최대폭발압력상승속도 [(dp/dt) max ] 의곱과 Pittsburgh coal dust의최대폭발압력 (P max ) 과최대폭발압력상승속도 [(dp/dt) max ] 의곱의비로아래와같이나타낼수있다. 피츠버그석탄분진의표준데이터값은 < 표 4-13> 과같다. < 표 4-13> 피츠버그석탄분진의표준데이터 MIT ( ) MIE (mj) LEL (g/ m3 ) Pmax (bar) (dp/dt)max (bar/s) 석탄분진농도 500 g/ m3에서측정 이폭발지수를이용한상대적폭발위험등급은 < 표 4-14> 과같으며, 예를들어점화민감도가 0.9, 폭발강도가 1.5 인분진의경우폭발지수는 1.35 로상대적폭발위험등급은 Strong 에해당되어폭발에의한위험성이큰분진이된다. 또한 NFPA 499에서는분진폭발위험장소구분시에위의폭발지수를사용하여점화민감도 (Ignition sensitivity) 가 0.2 미만이고폭발강도 (explosio n severity) 가 0.5 미만인분진의경우에는일반적으로 Class Ⅱ의그룹 E, 그룹 F, 그룹 G의가연성분진으로분류되지않으며분진폭발위험장소구분대상에서제외하고있다. Ⅳ. 결과및고찰 83

98 화학사고예방및원인규명을위한 < 표 4-14> 상대적폭발위험등급 (Relative explosion hazard rating) Relative explosion hazard rating Ignition sensitivity Explosion severity Index of explosibility Weak < 0.2 < 0.5 < 0.1 Moderate 0.2 ~ ~ ~ 1.0 Strong 1.0 ~ ~ ~ 10 Severe > 5.0 > 2.0 > 10 최소점화에너지는분진의위험성평가와예방대책에중요한요소로서 VDI Part 6에서는 < 표 4-15> 와같이최소점화에너지가 10 mj 이상이면 No rmal ignition sensitivity로분류한다. 따라서일반적인공정에서사용되는분진이 Normal ignition sensitivity 일경우분진폭발을방지하기위하여실질적인점화원제거 (Avoiding effective ign ition sources) 만으로도어느정도충분한효과가있으며, 만일공정온도등에따라점화민감도가 Extremely ignition sensitive 로분류되어진다면실질적인점화원제거와더불어이너팅 (Inerting) 또는방폭설계등의안전조치가필요하다. < 표 4-15> 은인덕턴스가없는상태에서측정된최소점화에너지를기준으로하여분류하였으나일반적으로인덕턴스가존재하는상태에서측정된최소점화에너지가더작기때문에안전을위한보수적관점에서볼때본기준을적용하여도무방하다고할수있다. BS 에서는 < 표 4-16> 과같이 MIE 가 1 mj 이하인경우에는점화에매우강한민감성을가진분진으로인화성액체나가스처럼예방대책을수립해야하고, MIE가 1 mj 초과 10 mj 이하인경우에는점화에높은민감성을가진분진으로예방대책을수립하고플라스틱과같은높은저항을가진재료의사용에대해제한을고려해야한다. MIE가 10 mj 초과 25 mj 이하인경우에는분진운으로부터의정전기방전의위험성을고려하여야하고, MI 84 안전보건공단산업안전보건연구원

99 원료의약품의화재 폭발위험성평가 E가 25 mj 초과 100 mj 이하인경우에는인체접지, MIE가 100 mj 초과 5 00 mj 이하인경우에는점화에낮은민감도를가진분진으로설비접지를하 도록하고있다. < 표 4-15> 분진의최소점화에너지에따른점화민감도 최소점화에너지 분류 비고 MIE 10 mj Normal ignition sensitivity 인덕턴스 (L) : 0 3 mj MIE < 10 mj Particularly ignition sensitive 인덕턴스 (L) : 0 MIE < 3 mj Extremely ignition sensitive 인덕턴스 (L) : 0 < 표 4-16> 분진의정전기예방지침 최소점화에너지 100 mj < MIE 500 mj 분류 Low sensitivity to ignition. Earth plant when ignition energy is at or below this level. 25 mj < MIE 100 mj Consider earthing personnel when ignition energy is at or below this level 10 mj < MIE 25 mj The majority of ignition is below this level. The hazard from electrostatic discharges from dust clouds should be considered. High sensitivity to ignition. Take above precautions and 1 mj < MIE 10 mj consider restrictions on the use of high resistivity materials(plastics). Electrostatic hazard from bulk powders of high resistivity should be considered. MIE 1 mj Extreme sensitivity to ignition. Precautions should be as for flammable liquids and gases Ⅳ. 결과및고찰 85

100 화학사고예방및원인규명을위한 원료의약품시료의최대폭발압력, 폭발하한농도, 분진폭발지수 (Kst), 최소점화에너지, 등의분진폭발특성데이터와상대적폭발등급을나타낸 < 표 4-1 7> 과 < 표 4-18> 를바탕으로화재 폭발위험성을판단해보면록소프로펜산은분진폭발지수 (Kst) St2, 폭발지수 (EI) Severe, 최소점화에너지 Extremely ignition sensitive 로분류되어폭발위험성이매우큰분진으로서이너팅 (Ine rting), 전기기계 기구의방폭화, 분진폭발위험장소구분및가스와증기에준하는예방대책수립이필요하다. 리팜피신도분진폭발지수 (Kst) St2, 폭발지수 (EI) Severe, 최소점화에너지 Extremely ignition sensitive 로분류되어록사프로펜산과마찬가지로폭발위험성이매우큰분진으로서이너팅 (Inerting), 전기기계 기구의방폭화, 분진폭발위험장소구분및가스와증기에준하는예방대책수립이필요하다. 클로피도그렐캄포르술폰산염은분진폭발지수 (Kst) St1, 폭발지수 (EI) Stron g, 최소점화에너지 Normal ignition sensitivity 로분류되고최소점화에너지는 30 mj MIE 100 mj 로높아 Brush discharge 같은작은정전기방전에너지로는점화가어려우나, 점화시에는강력한폭발현상을나타낸다. 데메클로사이클린염산염은분진폭발지수 (Kst) St1, 폭발지수 (EI) Strong, 최소점화에너지 Normal ignition sensitivity 로분류되고최소점화에너지가 100 mj MIE 300 mj 로높아점화민감도가 Moderate 해당되므로 Propa gating brush discharge 같은높은정전기방전에너지에의해점화가가능하며, 점화시에강한폭발현상을나타낸다. 특히, 록소프로펜산과리팜피신분말은취급, 가공또는제조공정에서발생되는분진에의한화재 폭발위험성과폭발강도가금속분진이나플라스틱분진처럼크므로이에준하는위험성평가와예방대책을수립하여야한다. 86 안전보건공단산업안전보건연구원

101 원료의약품의화재 폭발위험성평가 < 표 4-17> 원료의약품시료의분진폭발특성데이터 록소프로펜산 클로피도그렐캄포르술폰산염 데메클로사이클린염산염 리팜피신 입도 (D50) [ μm ] 최대폭발압력 [bar] 최대폭발압력상승속도 [bar/s] 분진폭발지수 [bar m/s] 폭발하한농도 [g/m 3 ] , (St2) 160 (St1) 199 (St1) 205 (St2) 최소점화에너지 1 MIE 3 30 MIE MIE MIE 3 [mj] ES = 1.1 ES = 47 ES = 120 ES = 1.2 최소점화온도 [ ] > < 표 4-18> 원료의약품시료의상대적폭발등급 Relative explosion Ignition Explosion Index of hazard rating sensitivity severity explosibility 록소프로펜산 Severe 클로피도그렐캄포르술폰산염데메클로사이클린염산염 Strong Strong 리팜피신 Severe Ⅳ. 결과및고찰 87

102 화학사고예방및원인규명을위한 Ⅴ. 원료의약품의화재 폭발예방대책 1. 분말취급작업중정전기에의한사고예방안전조치 정전기는전하가정지상태로있어전하의분포가시간적으로변화하지않는전기현상으로두물체의접촉으로인한정전기발생의과정은 [ 그림 5-1] 과같이두물체의접촉으로인한접촉면에서의전기이중층의형성과전기이중층의분리에의한전위상승및분리된전하소멸의 3단계로나누어지며, 이 3단계과정이연속적으로일어날때물체가양 (+) 전하또는음 (-) 전하를띠는대전현상이발생된다. 정전기발생의종류에는마찰에의한발생, 박리에의한발생, 유동에의한발생, 분출에의한발생, 충돌에의한발생, 파괴에의한발생, 및교반 ( 진동 ) 이나침강에의한발생등이있고물체의특성, 물체의표면상태, 물질의이력, 접촉면적및압력, 분리속도등이정전기발생에영향을준다. [ 그림 5-1] 접촉에의한정전기발생과정 정전기의발생으로두대전체사이에고전압이걸리게되면공기중이온들 88 안전보건공단산업안전보건연구원

103 원료의약품의화재 폭발위험성평가 이분리되며공기는도체와비슷한성질을갖게되며, 이때공기중으로방전을일으켜화재및폭발등의재해가발생한다. 정전기로인한물체표면에전계가발생하여기체의절연파괴 ( 공기의경우절연파괴전압은일반적으로평형판전극인경우 30 kv/ cm, 침대침전극인경우 5 kv/ cm ) 를초과하면방전이시작된다. 유전체중에서기체는액체나고체에비해유전율이작아전압이걸리기쉽고또한절연파괴전계의세기도액체나고체에비해매우작기때문에일반적으로방전은기체중에서일어난다. 정전기방전이일어나면대전물체에축적되어있는에너지가방전에너지로변하면서방전공간에방출되어열, 파괴음, 발광, 전자파등으로소비되어진다. 대전된물체가방전을일으킬때에너지 (E) 는다음의식으로주어진다. E : 정전기방전에너지 (J), C : 도체의정전용량 (F), V : 대전전위 (V), Q : 대전전하량 (C) 이에너지가방전시에주변에있는가연성물질의최소점화에너지이상인경우에는화재또는폭발, 또는화재 폭발이동시에발생된다. 대전물체가도체인경우에는방전이발생할때거의대부분의전하가모두방출되므로위의식을이용하여정전기에너지를계산할수있다. 그러나대전물체가부도체의경우에는방전이발생하더라도축적된모든에너지가전부방출되는것은아니다. 그러나 30 kv 정도로대전되어있는대전물체가기중방전을일으켰을때수백 μj의방전에너지가방출되어착화원이될수있다. 따라서이와같은결과를참고한폭발 화재의발생한계에는다음과같은대전상태가제시될수있다. - 최소착화에너지가수십 μj인가연성물질에대해서는대전전위가 1kV 이상이거나대전전하밀도가약 C/ m2이상인대전상태 - 최소착화에너지가수백 μj인가연성물질에대해서는대전전위가 5kV 이상이거나대전전하밀도가약 C/ m2이상인대전상태 Ⅴ. 원료의약품의화재 폭발예방대책 89

104 화학사고예방및원인규명을위한 - 대전하고있는물체에인체가접근했을때전격을느끼는정도의대전상태 - 대전하고있는물체에직경 30 mm 이상의접지된금속구를접근시켰을때파괴음및발광을동반하는방전을발생시키는대전상태최소점화에너지 (MIE) 는처음연소에필요한최소에너지로분진을포함한모든가연성물질은최소점화에너지를가지며특정화합물이나혼합물, 농도, 압력, 온도에영향을받는다. 즉, 압력이증가에따라감소하고질소농도의증가에따라증가되며일반적으로분진의최소점화에너지는가연성가스보다큰에너지준위를가진다. 방전의종류와점화원에따른물질별최소점화에너지는 [ 그림 5-2], [ 그림 5-3] 과같으며, 일반적으로가스는낮은값을가지며, 분진은가스보다높은값을가진다. [ 그림 5-2] 물질별점화에너지와점화원의종류 인용 : Avoiding Static Ignition Hazards in Chemical Operations(CCPS, p. 18) 90 안전보건공단산업안전보건연구원

105 원료의약품의화재 폭발위험성평가 [ 그림 5-3] 방전의종류에따른에너지와가연성물질의최소점화에너지비교 인용 : Recommended Practice on Static Electricity(NFPA 77(2007), p. 10) 최근들어산업현장에서정전기로인한화재 폭발사고가인화성액체가담겨진반응기등의화학설비에인력또는톤백을사용하여분체를투입하는공정에서발생되고있다. 특히원료의약품을제조공정중에는원료물질의용해및반응등의목적으로주로 EA(MIE 1.42 mj), 메탄올 (MIE 0.14 mj), 아세톤 (MIE 1.15 mj), IP A(MIE 0.65 mj) 등의용제를회분식반응기에넣은후맨홀을열고인력또는톤백등을사용하여원료의약품분말을투입하고있어작은에너지의점화원에도화재 폭발사고의위험성이매우높다. 이와같은유형을사고를예방하기위해서는분진폭발분위기 (Explosive du st atmosphere) 생성을방지하거나점화원을제거하는것이필요하다. 분진폭발분위기생성을방지하기위해서는개방된주입구를통해고체를일시에투입할수있는양은 25 kg이내로제한하며, 25 kg이상의투입은로터리밸브가설치된중간호퍼를통하여주입한다. 그리고 [ 그림 5-4] 와같이질소등의불활성가스를충분히공급하여반응기내부를한계산소농도이하로유지하고, 반응기안에담겨진유기용제가폭발하한농도에도달하지않도록한다. 또한 Ⅴ. 원료의약품의화재 폭발예방대책 91

106 화학사고예방및원인규명을위한 밀폐식분말이송시스템을설치하여외부의공기와접촉을피하도록한다. 점화원을제거하기위한방법으로인체의대전방지, 접지에의한대전방지, 가습에의한대전방지, 도전성재질사용등이있다. 인체는도체이기때문에인체에서의방전은거의모든전하가방전되는것으로간주되며정전용량은 100 pf 300 pf이다. 100 pf의정전용량을가진인체에 5 kv의대전전위가발생하면정전기의방전에너지는 1.25 mj 로서일반적인가연성가스최소점화에너지 0.2 mj보다커서화재 폭발이발생되므로제전복및정전기대전방지용안전화 ( 제전화 ) 착용, 도전성바닥의설치등이필요하다. 특히, 최소점화에너지가낮은분말의취급작업시에는단순히인체의안전과보건적측면에서작업복과작업방법을선정하는것이아니라화재 폭발의관점에서선정해야하고, < 표 5-1> 에보는것과같이제전복을착용하고있어도제전화를착용하지않을경우에는사고발생의위험이존재한다. Case 3부터 Case 6까지는일반적인유기용제 (Organic solvents) 에의해점화가가능한수준까지의에너지가인체에축적되는것을알수있다. < 표 5-1> Case 별인체축적에너지항목 Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5 Case 6 폴리우레탄 폴리우레탄 폴리우레탄 바닥 바닥 + 폴리우레탄바닥 + 바닥 + 폴리우레탄폴리우레탄도전성바닥도전성도전성바닥바닥 접지판 접지판 접지판 신발 제전화 제전화 제전화 슬리퍼 슬리퍼 슬리퍼 작업복 제전복 제전복 PP재질 PP재질 PP재질작업복작업복작업복 제전복 대전전위 (V) 인체정전용량 ( pf ) 인체축적에너지 (mj) 2.9E E 인용 : Evalustion and Prevention of Electrostatic Hazards in Chemical Plnats(SUMITOMO KAGAKU 2004-Ⅱ) 92 안전보건공단산업안전보건연구원

107 원료의약품의화재 폭발위험성평가 접지에의한대전방지는가장기본적인방법으로물체에발생한정전기를대지로누설하거나완화시켜물체에정전기가축적되거나대전되는것을방지하기위한것이다. 이외에도대전물체의근방이나또는그것과접촉되어있는물체에대전물체로부터정전유도에의한정전기의발생을방지하고, 대전물체의전위상승을억제하거나정전기방전을억제하기위한것이다. 접지의대상이되는것은 < 표 5-2> 와같이금속도체이며정전기발생범위내에있는부도체및표면저항이 Ω 이상인물체의표면은접지또는간접접지를해서는안된다. 정전기예방만을목적으로할때접지저항은어떠한환경하에서도 Ω 이하의저항이확보되도록표준환경조건 (20, 상대습도 50%) 에서 Ω 미만이어야하지만실제설비의적용은 100 Ω 이하로관리하는것이기본이다. < 표 5-2> 정전기에관련된도체와비도체의구분 저항율 (Ω m) 도체중간도체부도체 ( 절연체 ) 접지가능한물체 불완전하나접지가능한물체 접지불가능물체 표면저항 (Ω) 비대전성물체중간영역대전성물체 전하제거가가능 인용 : 전기안전공학, 동화기술 (2013) 불완전하나전하제거가가능한물체 전하제거가불가능 인화성액체가담겨진반응기에가연성분말투입시에 [ 그림 5-4] 와같이 Ⅴ. 원료의약품의화재 폭발예방대책 93

108 화학사고예방및원인규명을위한 반드시반응기등의화학설비및부속설비에접지를하고, 톤백, 유연벌크용기, 파이버드럼등의분말저장용기에도접지를해야하며도전성재질을사용하여야한다. 분말투입구에는금속깔대기를사용하여한번에대량으로들어가지않도록하고이것도접지를하여야한다. 또한, 유연벌크용기사용시에담긴분말의최소점화에너지가 3 mj 이하이면 C형또는 D형의유연벌크용기를사용하여야한다. [ 그림 5-4] 불활성가스주입및드럼과용기등에접지실시 가습에의한대전방지는수분자체가보유하고있는도전성으로인하여정전기발생방지대책으로일반적으로사용되고있다. 일반적으로 65 % 이상의상대습도에서대부분의물질표면은정전기축적을방지하기에충분한수분을흡착하고흡착된수분은주변전하입자들을전기적중성상태로만든다. 그러나습도가 30 % 이하인경우에는같은재료라도전하가축적될수있는절연체가될수있다. 또한플라스틱파이프, 용기, 및필름등과같은일부중합물질의오염되지않은표면은상대습도가 100 % 라도정전기전하가축적될수있다. 상대습도가증가하면전기저항값이저하되고이에따라대전성이저하한다. 즉, 견, 지, 목재, 피혁, 유리등과같이대전하는표면이대기중의수분과평 94 안전보건공단산업안전보건연구원

109 원료의약품의화재 폭발위험성평가 형상태가되는물질에한정하여상대습도증가에따른대전방지의효과있으며, 가열표면, 기름, 기타유체또는수분을흡착하지않는고체의경우상대습도가증가되더라도대전방지에는거의효과가없다. 수증기첨가에따른최소점화에너지의변화는 [ 그림 5-5] 와같이아세톤에수증기농도가증가함에따라최소점화에너지가증가하고폭발범위의축소되는경향을볼수있으며, 예로수증기미첨가시에는아세톤의 MIE가 0.23 mj 인데수증기농도 30 (vol. %) 에서 20 mj 이상으로 MIE가약 10 배정도증가한것을알수있다. [ 그림 5-5] 수증기첨가에의한아세톤최소점화에너지의변화 (100 ) 인용 : Explosible Atmosphere due to Spraying Processes-Ignition Prope rties of Flammable Vapor by Electrostatic Sparks JNIOSH-SRR -No.38 (2008) A 사업장의경우정전기발생으로인한화재 폭발을예방하기위해 [ 그림 5-6] 과같이각층마다가습하여회분식반응공정동전체의습도를관리하 Ⅴ. 원료의약품의화재 폭발예방대책 95

110 화학사고예방및원인규명을위한 고있으며, 물이들어가도위험성이나제품불량의문제가발생하지않은반응의경우에는각각의회분식반응기마다상부에서가습을실시하여톤백에담긴원료분말을회분식반응기안에주입시에발생되었던 7 kv 10 kv 정전기대전전압을 1 kv 이하로관리하고있다. [ 그림 5-6] 가습에의한정전기발생관리 2. 정전기에의한화재 폭발방지를위한안전보건제도개선 ( 안 ) 산업안전보건법산업안전보건기준에관한규칙제325조 ( 정전기로인한화재폭발등방지 ) 에서사업주는인화성고체를저장하거나취급하는설비또는유압, 압축공기또는고전위정전기등을이용하여인화성액체나인화성고체를이송하는설비를사용할때에정전기로의한화재또는폭발등의위험이발생할우려가있는경우에는해당설비에대하여확실한방법으로접지를하거나, 도전성재료를사용하거나가습및점화원이될우려가없는제전 ( 除電 ) 장치를사용하는등정전기의발생을억제하거나제거하기위하여필요한조치를하도록규정하고있다. 인화성고체를산업안전보건법시행규칙별표 11의2 유해인자의분류기준 에서는쉽게연소되거나마찰에의하여화재를일으키거나촉진할수있는물질로정의하고있으며, 산업안전보건기준에관한규칙별표 1 위험물질의종류에서는 < 표 5-3> 와같이물반응성물질및인화성고체의분류에포함시키고있다. 그리고고용노동부고시제 호 화학물질의분류 표시및물질안 96 안전보건공단산업안전보건연구원

111 원료의약품의화재 폭발위험성평가 전보건자료에관한기준 에서 < 표 5-4> 과같이분류하고있다. 또한위험물안전관리법시행령별표 1의 위험물및지정수량 에서는고체로서화염에의한발화의위험성또는인화의위험성을판단하기위하여고시로정하는시험에서고시로정하는성질과상태를나타내는것가연성고체로분류하고그분류안에서고형알코올그밖에 1기압에서인화점이섭씨 40도미만인고체를인화성고체로정의하고있다. < 표 5-3> 물반응성물질및인화성고체 ( 산업안전보건기준에관한규칙별표 1의 2호 ) 물반응성물질및인화성고체 가. 리튬나. 칼륨 나트륨다. 황라. 황린마. 황화인 적린바. 셀룰로이드류사. 알킬알루미늄 알킬리튬아. 마그네슘분말 자. 금속분말 ( 마그네슘분말은제외한다 ) 차. 알칼리금속 ( 리튬 칼륨및나트륨은제외한다 ) 카. 유기금속화합물 ( 알킬알루미늄및알킬리튬은제외한다 ) 타. 금속의수소화물파. 금속의인화물하. 칼슘탄화물, 알루미늄탄화물거. 그밖에가목부터하목까지의물질과같은정도의발화성또는인화성이있는물질너. 가목부터거목까지의물질을함유한물질 < 표 5-4> 인화성고체의분류 구분 1 2 구분기준연소속도시험결과다음어느하나에해당하는물질또는혼합물 1 금속분말이외의물질또는혼합물 : 습윤부분이연소를중지시키지못하고, 연소시간이 45초미만이거나연소속도가 2.2 mm/s를초과 2금속분말 : 연소시간이 5분이하연소속도시험결과다음어느하나에해당하는물질또는혼합물 1 금속분말이외의물질또는혼합물 : 습윤부분이 4분이상연소를중지시키고, 연소시간이 45초미만이거나연소속도가 2.2 mm/s를초과 2 금속분말 : 연소시간이 5분초과, 10분이하 Ⅴ. 원료의약품의화재 폭발예방대책 97

112 화학사고예방및원인규명을위한 정전기로인한화재 폭발사고를분석해보면가연성 ( 인화성 ) 고체분말이미세한고체입자로분쇄된후공기중에부유되어공기와폭발성혼합기체를형성한상태에서점화에충분한에너지의공급에의해발생된분진폭발사고가높은비중을차지하고있다. 분진폭발이발생될수있는분진폭발분위기구분대상을 IEC "Explosive atmospheres - Part 10-2 : Classifi cation of areas - Explosive dust atmospheres(2015), IEC/DIS "Explosive atmospheres - Part 20-2 : Material characteristics - Combustible dusts test methods(2014) 에서는공기중부유할수있으며, 자중에의해침적될수있는공칭크기 500 μm이하의미세한고체입자로공기중연소및발염할수있고, 대기압정상온도에서공기와폭발성혼합기체를형성할수있는분진인가연성분진으로정의하고있다. 또한 NFPA 499 " Recommended Practice for the Classification of Combustible Dusts an d of Hazardous(Classified) Locations for Electrical Installations in Che mical Process Areas(2013) 에서는가연성분진을공기중에분산되어점화되었을때분진화재또는폭발이발생될수있는미세하게쪼개진고체입자라고정의하고있다. 산업안전보건법에서는규정하고있는인화성고체의경우입자의크기에대한정의가미흡하고, 분진중퇴적분진의시험에적용되는방법으로부유분진의화재 폭발위험성을추정하기가어렵다. 또한덩어리나큰조각형태로존재하는인화성고체는가연성분진에포함되지않을수있으며, 만일포함이되더라도정전기발생에너지에의한폭발이발생되지않을수있다. 따라서산업현장에자주발생되고있는정전기로인한화재 폭발사고를방지하기위해서는인화성고체보다는실제산업현장에서많이사용되고있으며, 포괄적인의미의가연성분진이라는용어로개정하는것이바람직하다고사료되며, 실제사업장에적용하기위해서는 < 표 5-5> 과같이관련조항을개정할필요성이요구된다. 98 안전보건공단산업안전보건연구원

113 원료의약품의화재 폭발위험성평가 < 표 5-5> 가연성분진의정전기로인한화재 폭발예방을위한관련법의개정 ( 안 ) 현행개정 ( 안 ) 제 325 조 ( 정전기로인한화재폭발등방지 ) 제 325 조 ( 정전기로인한화재폭발등방지 ) 1 사업주는다음각호의설비를사용할때에정전기에의한화재또는폭발등의위험이발생할우려가있는경우에는해당설비에대하여확실한방법으로접지를하거나, 도전성재료를사용하거나가습및점화원이될우려가없는제전 ( 除電 ) 장치를사용하는등정전기의발생을억제하거나제거하기위하여필요한조치를하여야한다. 1. 위험물을탱크로리ㆍ탱크차및드럼등에주입하는설비 2. 탱크로리ㆍ탱크차및드럼등위험물저장설비 3. 인화성액체를함유하는도료및접착제등을제조ㆍ저장ㆍ취급또는도포 ( 塗布 ) 하는설비 4. 위험물건조설비또는그부속설비 5. 인화성고체를저장하거나취급하는설비 6. 드라이클리닝설비, 염색가공설비또는모피류등을씻는설비등인화성유기용제를사용하는설비 7. 유압, 압축공기또는고전위정전기등을이용하여인화성액체나인화성고체를분무하거나이송하는설비 8. 고압가스를이송하거나저장ㆍ취급하는설비 9. 화약류제조설비 10. 발파공에장전된화약류를점화시키는경우에사용하는발파기 ( 발파공을막는재료로물을사용하거나갱도발파를하는경우는제외한다 ) 1 사업주는다음각호의설비를사용할때에정전기에의한화재또는폭발등의위험이발생할우려가있는경우에는해당설비에대하여확실한방법으로접지를하거나, 도전성재료를사용하거나가습및점화원이될우려가없는제전 ( 除電 ) 장치를사용하는등정전기의발생을억제하거나제거하기위하여필요한조치를하여야한다. 1. 위험물을탱크로리ㆍ탱크차및드럼등에주입하는설비 2. 탱크로리ㆍ탱크차및드럼등위험물저장설비 3. 인화성액체를함유하는도료및접착제등을제조ㆍ저장ㆍ취급또는도포 ( 塗布 ) 하는설비 4. 위험물건조설비또는그부속설비 5. 가연성분진을저장하거나취급하는설비 6. 드라이클리닝설비, 염색가공설비또는모피류등을씻는설비등인화성유기용제를사용하는설비 7. 유압, 압축공기또는고전위정전기등을이용하여인화성액체나가연성분진을분무하거나이송하는설비 8. 고압가스를이송하거나저장ㆍ취급하는설비 9. 화약류제조설비 10. 발파공에장전된화약류를점화시키는경우에사용하는발파기 ( 발파공을막는재료로물을사용하거나갱도발파를하는경우는제외한다 ) Ⅴ. 원료의약품의화재 폭발예방대책 99

114 화학사고예방및원인규명을위한 Ⅵ 요약및결론 본위험성평가는원료의약품분진의최대폭발압력, 폭발압력상승속도, 폭발하한농도, 최소점화에너지, 최소점화온도등의폭발특성시험과시차주사열량계 (DSC) 와열중량분석기 (TGA) 를사용한열분석시험을통한화재 폭발위험성의종합적검토와예방대책수립목적으로수행되었다. 이와더불어분진에의한화재 폭발사고에서주요점화원으로추정되는정전기에의한화재 폭발방지를위하여안전보건제도개선 ( 안 ) 도제시하였다. 그결과를요약하면다음과같다. 1. 정전기에의한분진의화재 폭발사고조사를통하여유기용제가들어있는반응기, 혼합기등의화학설비에원료의약품, 수지, 고무등의원료를인력으로투입하다가정전기에의한분진폭발사고가자주발생되고있으며, 이러한사고를예방하기위해서는화학설비와부속설비의접지와본딩, 분진폭발분위기생성방지및인력투입방법의개선이필요하다는것을알수있었다. 2. 입도분석장치 (Beckman Coulter LS 13320) 를사용하여건식방식으로입도분포를측정한결과부피입자경 (Volume median diameter) 의경우에는록소프로펜산은 5.31 μm, 클로피도그렐캄포르술폰산염은 μm, 데메클로사이클린염산염은 μm, 리팜피신은 μm로측정되었고, 수입자경 (Number m edian diameter) 의경우에는이록소프로펜산 μm, 클로피도그렐캄포르술폰산염 μm, 데메클로사이클린염산염 μm, 리팜피신 μm로측정되었다. 부피입자경과수평균입자경의차이는다량의미세한입자가존재하고이입자간의응집현상이발생하여 2차입자의형성이있음을나타낸다. 100 안전보건공단산업안전보건연구원

115 원료의약품의화재 폭발위험성평가 3. 록소프로펜산은최대폭발압력 8.4 bar, 최대폭발압력상승속도 1,047 bar /s, 분진폭발지수 284 bar m/s 인폭발등급 St 2에해당하는폭발에의한위험성이큰원료의약품분말이다. 또한폭발하한농도 40 g/m3, 최소점화에너지 1 mj MIE 3 mj, 최소점화온도 550 로점화에매우민감하므로실질적인점화원제거뿐만아니라이너팅 (Inerting), 전기기계 기구의방폭설계등의안전대책이필요하다. 4. 클로피도그렐캄포르술폰산염은최대폭발압력 7.9 bar, 최대폭발압력상승속도 589 bar/s, 분진폭발지수 160 bar m/s 인폭발등급 St 1에해당하는폭발에의한위험성이보통인원료의약품분말이다. 또한폭발하한농도 60 g/ m3, 최소점화에너지 30 mj MIE 100 mj, 최소점화온도 510 로점화에부분적으로민감하고인체접지가필요하다. 4. 데메클로사이클린염산염은최대폭발압력 8.1 bar, 최대폭발압력상승속도 731 bar/s, 분진폭발지수 199 bar m/s 인폭발등급 St 1 에해당하는폭발에의한위험성이큰원료의약품분말이다. 또한폭발하한농도 70 g/m3, 최소점화에너지 100 mj MIE 300 mj, 최소점화온도 830 이상으로실질적인점화원제거만으로도분진폭발예방에효과가있다. 5. 리팜피신은최대폭발압력 7.9 bar, 최대폭발압력상승속도 755 bar/s, 분진폭발지수 205 bar m/s 인폭발등급 St 2에해당하는폭발에의한위험성이큰원료의약품분말이다. 또한폭발하한농도 50 g/m3, 최소점화에너지 1 mj MIE 3 mj, 최소점화온도 550 로점화에매우민감하므로실질적인점화원제거뿐만아니라이너팅 (Inerting), 전기기계 기구의방폭설계등의안전대책이필요하다. Ⅵ. 요약및결론 101

116 화학사고예방및원인규명을위한 6. 분진폭발지수 (Kst), 폭발지수 (EI) 및최소점화에너지등의기초로원료의약품분말의화재 폭발위험성을평가하면록소프로펜산과리팜피신은매우점화에민감하고폭발강도도매우커서금속분진이나플라스틱분진에준하는위험성평가와예방대책수립이필요하다. 7. 시차주사열량계 (DSC) 시험결과, 공기분위기하에서록소프로펜산의경우 140 에서산화분해로인한발열반응이뚜렷하게나타났으며, 클로피도그렐캄포르술폰산염과리팜피신은 300 이상에서, 데메클로사이클린염산염은 220 부근에서산화분해로인한발열이시작되었고, 열중량분석 (TGA) 결과, 질소분위기하에서 180 이상의온도부터질량감소가시작되고있으므로공정온도가 100 이하인경우에는분해나휘발에기인한급격한가스발생에의한압력상승의가능성은낮은것으로나타났다. 이상의같은위험성평가를통하여일반적으로원료의약품분말의취급, 가공또는제조공정에서발생되는분진의화재 폭발사고위험성과폭발강도가금속분진이나플라스틱분진과유사하게크므로이를예방하기위해서는이너팅 (In erting) 을이용한분진폭발분위기형성제거, 점화원제거, 화학설비및그부속설비에접지및본딩실시, 원료투입공정개선, 원료의약품분말의물질안전보건자료교육실시및화재 폭발위험성평가등의대책수립이필요하다는것을알수있었다. 102 안전보건공단산업안전보건연구원

117 원료의약품의화재 폭발위험성평가 Ⅶ. 참고문헌 1. Amyotte, P. R. and Eckhoff, R. K., Dust explosion causation, pre vention and mitigation:an overview, J. Chem. Health & Safety., 1 7(1), 15-28(2010). 2. Abbasi, Tasneem and Abbasi, S. A., Dust explosions-cases, cause s, consequences, and control, J. Hazardous Materials, 140, 7-44 (2007). 3. Ebadat, V., Dust explosion hazard assessment, J. Loss Preventio n in the Process Industries., 23, (2010). 4. Dyduch, Z. and Pekalski, A., Methods for more accurate determin ation of explosion severity parameters, J. Loss Prevention in the Process Industries., 26, (2013). 5. Sarli, V. Di, Russo, P., Sanchirico, R. and Benedetto, A. Di, CFD simulations of dust dispersion in the 20 L vessel: Effect of nomin al dust concentration, J. Loss Prevention in the Process Industrie s, 27, 8-12(2014). 6. Yuana, Z., Khakzada, N., Khan F. and Amyotte P., Dust explosio ns: A threat to the process industrieszhi, Process Safety and En vironmental Protection, 98, 57-71(2015). 7. Siwek, Richard Determination of technical safety indices and facto rs influencing hazard evaluation of dusts, J. Loss Prevention in t he Process Industries, Vol. 9. No. 1, 21-31(1996). 8. Eckhoff, R. K., Understanding dust explosions. The role of powde r science and technology, J. Loss Prevention in the Process Indus tries, 22, (2009). Ⅶ. 참고문헌 103

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123 원료의약품의화재 폭발위험성평가 참고자료 정전기방전의종류와특징 코로나방전 (Corona discharge) 끝이뾰족한도전성물체가대전체에접근한경우뾰족한끝에서만발생하는미약한방전으로정코로나방전과부코로나방전이있으며정코로나의방전에너지가더크다. 일반적으로방전에너지가작기때문에점화원으로작용할확률이적으나, 수소를점화시키기에충분한에너지를갖고있다. 산업현장에서는물체에대전을시켜정전기력을이용하는장치, 또는물체표면의전하를제거하는장치로써널리사용되고있다. 코로나방전 브러시방전 참고자료 109

124 화학사고예방및원인규명을위한 브러시방전 (Brush discharge) 일반적으로 10 kv 이상의대전체에곡률반경이 mm의접지도체가 10cm 정도까지접근한경우에발생하는방전이다. 코로나방전에비해방전에너지는크며인화성 ( 가연성 ) 가스와최소점화에너지가 3 mj 이하인분진의점화원으로작용할수있다. 벌크브러시방전 (Bulk brush discharge) 벌크브러시방전은원뿔형더미 (Conical pile) 방전, 콘 (Cone) 방전또는 Maurer 방전으로사용되기도한다. 분체를사일로에연속투입할때사일로에퇴적된분체더미의표면을따라간헐적으로발생하는방전이다. 방전에너지는 10 mj 25 mj 정도이며, 인화성가스뿐만일부미세한분진 (Fine dust) 의점화원으로작용할수있다. 전파브러시방전 (Propagating brush discharge) 전파브러시방전은연면방전으로사용되기도한다. 접지된도체판위에놓인얇은층형태의부도체의대전량이아주높아졌을때, 부도체의표면을따라발생되는별표마크를가지는나뭇가지형태의발광을수반하는방전이다. 실제로는글라스라이닝을실시한화학반응기, 분체의공기수송에사용되는플라스틱관의내부에서자주발생한다. 방전에너지가 1 J을초과할수있다. 불꽃방전과더불어인체의전격 (Electric Shock) 을일으킬수있으며, 가연성가스 증기및가연성분진의점화원으로작용할수있다. 110 안전보건공단산업안전보건연구원

125 원료의약품의화재 폭발위험성평가 벌크브러시방전 전파브러시방전 불꽃방전 (Spark discharge) 2개의금속성물질사이의방전으로두물질이전도성이있기때문에전자는방전된물질의단일지점에서누출되고, 일반적으로수 kv로대전시킨도체에접지도체가수 mm까지접근한경우에발생한다. 대전체에축적된정전에너지의거의대부분이방전에사용되므로 10 J 이상의강력한방전에너지가발생될수있으며, 많은종류의가연성가스 증기및가연성분진의점화원으로작용할수있다. 뇌상방전 (Lightning-like discharge) 분말상부공기중의대전운에서번개형의발광을수반하여발생하는방전으로체적이 60 m3이하인용기나지름이 3 m 이하의사일로에서는발생되지않는다. 참고자료 111

126 화학사고예방및원인규명을위한 사일로 (Silo) 에서발생될수있는방전의종류 112 안전보건공단산업안전보건연구원

127 원료의약품의화재 폭발위험성평가 대전전압 ( 위 ) 과정전용량를이용한방전에너지 (mj) 계산 대전전압 (V) 각종작업복을입고그위를아크릴섬유제의스웨터로 10회정도마찰했을때의인체대전과작업복을벗었을때의인체대전을측정 (25, 습도 38 %) 측정조건각종작업복테트론 65 레이용 35 ( 여름작업복 ) 폴리폴로 30 면 70 ( 파이텐면혼 ) 비닐 50 면 50 ( 크타보 ) 아크릴 30 폴리에스텔 25 레이용 45 ( 하시트론 ) 테트론 65 면 35 ( 뉴르크 ) 면 100 ( 중고작업복 ) 절연판위에섰을때의인체대전 (V) 정전화를신었을때의인체대전 (V) 마찰중 작업복을벗었을때 마찰중 작업복을벗었을때 -3,500-12, ,000-12, ,500-12, ,000-12, ,500-12, ,800-12, 인용 : 전기안전공학, 동화기술 (2013) 상대습도 (RH) 에따른대전전압 (kv) 의변화 Electrostatic Voltages(kV) Situation 상대습도 (10% 20%) 상대습도 (65% 90%) Walking across a carpet Walking across a vinyl floor Working at a bench Vinyl envelopes for work instructions Poly bag picked up from bench Work chair padded with polyurethane foam 인용 : NFPA 77 (2014) 참고자료 113

128 화학사고예방및원인규명을위한 정전용량 ( pf ) 물체정전용량 ( pf ) 방전에너지 (mj) ( 대전전압 10kV 일때 ) 비고 Small metal items (scoop, hose nozzle, etc) a) Small containers (bucket, 50l drum) Medium containers (250l 500l) Major plant items (reaction vessels) 100 1, Human body 작은삽, 맥주깡통, 공구 (Small scoop, beer can, tools) b) 양동이, 작은드럼통 (Buckets, small drums) 갤런용기 자동차 (Automobile) 탱크트럭 (Tank truck) 1, Single screw c) Bolt Flange (nominal size 100 mm ) Flange (nominal size 2 inch) 20 1 Shovel 20 1 Funnel( 깔대기 ) PE bag 인용 a) Electrostatic-Code of practice for the avoidance of hazards due to static electrici ty, CLC/TR (2003) b) 화학공정안전, 동화기술 (2004) c) 정전기방전에너지에의한화재 폭발의실험적규명연구, 산업안전보건연구원 (2006) 114 안전보건공단산업안전보건연구원

129 원료의약품의화재 폭발위험성평가 방전에너지계산 E : 정전기방전에너지 (J) C : 도체의정전용량 (F) V : 대전전위 (V) Q : 대전전하량 (C) [ 단위 : mj] 정전용량 (pf) 대전전위 (V) , , , , , , , , , , , , , , , 인체의정전용량 100 pf, 대전전위 10kV 일때방전에너지는 5 mj 참고자료 115

130 화학사고예방및원인규명을위한 유연벌크용기 (FIBC) FIBC(Flexible Intermediate Bulk Container) 는직물과수지시트로만들어진유연한주머니모양의용기이며, 분체의저장, 운송, 투입등에널리사용되고있다. 그러나편리한반면에특히분체를배출할때파우더와용기벽의마찰에의해정전기가발생하여발화위험성이있는정전기방전을발생할수있다. 이때가연성물질 ( 가스 증기또는분진 ) 이공기와적당한농도로혼합하여폭발성분위기를형성하고있으면점화되어화재 폭발의발생된다. 유연벌크용기는사용목적및정전기완화성능에따라 A 형, B 형, C 형및 D 형으로분류한다. A 형 A 형유연벌크용기는정전기축적에대하여특별한고려를하지않은직물또는플라스틱시트로제조되기때문에가연성물질을저장, 이송하거나가연성환경에서사용하지않는것이중요하다. 경험상 1,000 mj에해당되는전파브러시방전에너지가 A 형에서발생될수있으므로다음의기준이적용되어야한다. - A 형유연벌크용기는 1,000 mj 미만의 MIE를갖는분말 (Powder) 또는그래뉼 (Granular) 물질에사용되어서는안된다. - A 형유연벌크용기는가연성가스 증기가존재하는장소에사용되어서는안된다. - A 형유연벌크용기는도전성분말 (ρ v < 1 MΩ m) 에사용되어서는안된다. 116 안전보건공단산업안전보건연구원

131 원료의약품의화재 폭발위험성평가 B 형 B 형유연벌크용기는전기불꽃및전파브러시방전을방지하도록설계된직물또는플라스틱시트로제조된다. 정전기를방출하는메커니즘이없기때문에가연성가스 증기를점화시킬수있는브러시방전이발생될수있으므로다음의기준이적용되어야한다. - B 형유연벌크용기는파괴전압 (Breakdown voltage) 이 6 kv미만의재질로제조되어야한다. - B 형유연벌크용기는 3 mj 이하의 MIE를가진분말또는그래뉼물질에사용되어서는안된다. - B 형유연벌크용기는가연성가스 증기가존재하는장소에사용되어서는안된다. - B 형유연벌크용기는도전성분말 (ρ v < 1 MΩ m) 에사용되어서는안된다. C 형 C 형유연벌크용기는점화성불꽃, 브러시및전파브러시방전의발생을방지하도록설계된도전성직물또는플라스틱시트로제조하거나도전성실또는필라멘트실로섞어짜넣도록제조된다. C 형유연벌크용기는분말을채우거나배출할때접지하여야한다. 안전하게가연성분말을저장하거나이송하는데사용되며접지연결이없거나손상된경우사용하면안된다. 참고자료 117

132 화학사고예방및원인규명을위한 D 형 D 형유연벌크용기는점화성불꽃, 브러시및전파브러시방전의발생을방지하도록설계된정전기방지섬유로제조된다. D 형유연벌크용기는대지에접속할필요가없다. D 형유연벌크용기는 0.14 mj 이상의 MIE를가진가연성가스 증기또는 3 mj 이하의가연성분말을접지없이사용한다. C 형 FIBC D 형 FIBC 118 안전보건공단산업안전보건연구원