체계적인 화학공정 설계 (상) 독서노트 2

요약: 엔지니어의 목표는 인류에게 유용한 물품을 설계하고 생산하는 일이다. 화공 엔지니어인 우리는 화학 물품의 제조 공정을 창조하는 역할을 맡는다.

 

이 공정에서 가장 중요한 것은 예비 설계이다. 모든 공정 설계 문제는 개괄적 목표를 정교한 서술로 바꾸는 것으로 치환할 수 있으며, 이를 예비 설계라고 한다. 예를 들어 개괄적 목표가 과잉의 에틸렌을 에탄올로 정제하는 것이라면, 정교한 서술은 에탄올 생산 공정이며 이 설계를 제작하는 단계가 예비 설계이다. 예비설계가 중요한 이유는 무엇인가? 예비 설계 이후 모든 단계는 예비 설계를 실현하는 것에 불과하므로, 예비 설계가 잘못되면 이후 모든 단계도 잘못되기 때문이다.

 

대부분의 화학공정문제는 시작이 막막할 것이다. 이는 문제가 제대로 정의되지 않았기 때문이다. 따라서 다음 단계를 시도해볼 수 있다.

1.문제 정의: 이익, 안전성, 환경 등등을 고려하여 무엇을 할 것인지를 정확하게 정한다.

2.정보수집: 완전히 새로운 화학공학 문제는 없다.

3.대안 표현: 기본 case를 하나 개발하여 이를 기준점으로 잡고 대안을 만든다.

4.대안평가:

 

이후 하나의 기본 case에서 예비 설계를 시작하게 된다. 예비 설계는 대안제시, 가치분석, 대안창조 등으로 이루어진다. 여러가지 PFD 대안을 제시한 후 각각의 가치를 분석하여 최고의 공정도를 뽑거나, 나아가서 새로운 대안을 만들어낼 수도 있다.

 

이 예비 설계를 위해서는 다음 기초 단계가 있다.

1. 정보수집: 완전히 새로운 설계 문제는 없다. 대부분의 설계 문제는 선례를 찾아봄으로써 쉽게 해결할 수 있다.
2. 대안 표현: 대안을 공정도나 작업 단위 등으로 표현한다. McCabe-Thiele 선도 등 다양한 표현 방법이 있다.
3. 예비 설계를 평가하는 기준을 제시한다. (5장)

 

문제는 엄청난 수의 대안이 존재하는 것이다. 따라서 대안을 줄이기 위한 더글라스 결정 계층구조가 제시되었다. 이 단계를 따라 각각의 사항을 결정하면 대안을 쉽게 생성할 수 있다.

 

1단계: 회분 or 연속 공정 중 무엇을 택할 것인가?

2단계: 공정도의 입출력 구조를 정의하라

3단계: 공정도의 재순환 구조를 정의하라

4단계: 분리 체계 합성

4a:기체 회수

4b:액체 회수

5단계:열교환망 합성

 

1단계: 회분 or 연속 공정

:왠만하면 연속공정을 사용하지만, 다음에 한해서 회분공정을 고려해본다.

-몇 달 내로 제조 공정이 완성되어야 한다.

-연간 공급량이 단지 며칠간의 생성으로 만족

-설계 정보가 거의 없다

-총 수명 주기가 짧다

-생산물 가격이 제조가격을 압도한다.

 

2단계: 공정도의 입출력 구조

:원료물질의 수와 생산물 흐름, 공정과의 모든 관계를 고려한다. 부산물, 불순물의 존재여부와 이들이 반응에 어떻게 참여하는 지.

 

3단계: 공정도의 재순환 구조

:반응기 자체를 더 상세히 살펴본다. 공정도에서 반응기의 수와 재순환을 통한 반응기들간의 관계를 고려한다. 또한 공정도의 나머지에 대한 반응기 조건의 영향을 고려한다. (13장과 19장)

 

4단계: 분리 체계 합성

4a:기체 회수

4b:액체 회수

:원료물질은 더 순환되고, 제품 물질은 더 처리되고 부산물질은 제거되어야 한다. 따라서 분리 장치의 배치와 선택에 관심을 기울여야 한다. 기체 회수는 값이 더 비싼 단계이고 퍼지 흐름의 영향을 고려해야 한다. (11장과 14장)

 

5단계:열교환망 합성, 이는 3부에서 다루며 대학원 수준이다.

 

더글라스 계층 구조는 후보 공정도를 생산하는 좋은 방법이다.