제품 생산 및 원가/품질 관리 1. 열물질 수지검토

원하는 품질의 제품을 정해진 양만큼 생산하되, 원료와 에너지를 최소한으로 사용하여 원가를 낮추는 방법을 배우려고 한다.

 

한화솔루션 케미칼 부문의 대표 제품인 가성소다를 예시로 들겠다. 20%, 25%, 33%, 45%, 50% 등의 제품 농도가 있는데 그 중 다음 농도의 제품을 원한다.

 

-제품: 가성소다 수용액

-제품 농도: NaOH 50 wt%

-생산 목표: 1,000 kg/h

-목표: 품질을 만족하면서 생산원가 절감

 

가성소다는 염화나트륨(NaCl) 수용액인 염수를 전기분해해서 만들게 된다.

 

문제: 공장에서 농도 32%짜리 가성소다 수용액이 나오고 있다.

상사가 와서 얘기한다. "가성소다 50% 제품을 시간당 1톤 생산해야 합니다. 제품 규격은 만족시키면서 생산비도 관리하세요."

하려면 뭐가 필요할까?

1) 원료의 성질 파악하기 : 안전성, MSDS ,  회사의 안전운전절차, 설비 취급기준 , 부식성, 점도 등등 물성치(계산의 근거) 조사할 것이다.

2)구성요소와 구성비 확인하기: 원료의 성분 비율을 조사 ->유해물질이 존재하는지, 기계 기기장치의 타입 재질 결정. 안전설계 기준 적용

3) 원료와 생산량 확인하기 :  NaOH 1톤을 생산하려면 염수가 얼마나 필요한지, 배관으로 얼마나 이송해야 하는지, 전해조에서 부산물이 얼마나 나오는지 계산

4) 이렇게 생산하면 비용이 얼마나 드는가? : 전해조에는 전기가 필요하고, 가성소다를 농축할 때는 열에너지가 필요. 냉각수와 펌프 전력도 필요. 제품 1톤을 만들 때 소비하는 에너지를 계산한다.

 

1. 물리·화학적 특성 파악하기

가성소다의 위험성 / 끓는점, 밀도, 엔탈피 등등 물성치 / 끓는 점 정보

 

2. 구성요소와 구성비 확인하기

제품 규격에 영향을 줄 만한 불순물은 없다고 판단된다.

 

3. 얼마의 원료를 투입하고(물질수지), 그것을 어떻게 증발기까지 이송할 것인지(유체역학)

목표는 50% 가성소다 수용액 1,000kg/h였다. 최종 제품에 들어 있는 순수 NaOH는 500kg이다. 원료를 얼마나 투입해야 최종적으로 NaOH 500kg을 얻을 수 있을까?

즉, 32% 가성소다 수용액을 시간당 1,562.5kg 투입해야 한다. 물질수지를 세워서 다음처럼 풀 수 있다.

 

원료를 시간당 1,562.5kg 투입해야 한다는 걸 알았다. 실제 그만큼 전달을 위해서는 측정을 위한 유량계, 농도 분석계, 증발기 온도 압력계, 제품 유량계 확인이 필요하다. 이 데이터들을 바탕으로 운전상태를 판단하고 조절한다. 

 

실제 배관으로 충분한 양을 이송할 수 있을까? 펌프와 배관의 용량을 검토해야하며 밀도를 통해 부피를 계산한다. 

즉, 시간당 약 1.16m³의 원료가 배관으로 이동해야 한다. 배관의 직경과 펌프의 동력 등을 검토할 수 있게 되었다.

 

이제 펌프를 선정할건데, 2가지를 고려할 것이다. 유량과 양정(에너지 공급). 일단 베르누이 방정식을 보자.

처음 에너지 + 펌프 공급 = 나중 에너지 + 손실 

 

펌프가 필요한 압력을 얼마나 공급해야 하는지는 배관의 마찰손실hL과 관련된다. 이 마찰손실을 계산할 때 필요한 것이 바로 레이놀즈수다. Re= 밀도*유속*배관 직경/점도. 이걸 가지고 hL을 구해서 일단 Hp를 구한다. 이후 P를 구하면 얼마나 동력이 필요한지를 계산할 수 있다.

 

4. 에너지 사용량 확인하기

생산에 필요한 원료량도 알고, 증발시켜야 하는 물의 양도 알았다. 또 필요한 펌프 동력도 알았다. 

 

① 필요한 에너지가 얼마인가?

② 그 에너지를 얼마나 경제적으로 공급할 수 있는가?

 

1) 유틸리티 Summary 확인 ->각 설비가 전기, 스팀, 냉각수를 얼마나 쓰는지 확인한다.

2) 얼마나 필요한지 계산

3) 제품 생산량과 품질을 유지하면서 에너지 사용량을 줄일 방법을 찾아보기: 열회수

 

종합하면..

 

1. 물질의 성질 확인

원료의 밀도·점도·끓는점·위험성을 알아야 안전하게 운전하고 계산할 수 있다.

2. 구성성분과 농도 확인

원료에 NaOH가 얼마나 들어 있는지, 불순물은 있는지, 설비가 적합한지 확인.

3. 물질수지와 원료 이송

목표 생산량을 맞추기 위한 투입량·증발량을 계산하고 펌프·배관·계측을 검토한다.

4. 에너지수지와 비용관리

필요한 열과 스팀을 계산하고, 유틸리티 설비를 검토하고, 에너지 비용을 줄일 방법을 찾는다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. 열물질 수지검토

 

 

9-1. 물리·화학적 특성 파악하기

1. 공정안전을 위해 화학물질의 취급방법을 확인할 수 있다.
2. 공정설계를 위해 필요한 물성치를 계산할 수 있다.
3. 관 부속품 및 마찰에 관한 무차원수를 측정하여 기계·기기 장치, 배관, 설계 시에 적용할 수 있다.
4. 취급 물질의 물리·화학적 특성에 따라 환경오염을 예방할 수 있다.
5. 열역학적 원리를 화학공정에 적용하여 효율적인 공정설계, 제어 및 개선 등에 활용할 수 있다.

9-2. 구성요소와 구성비 확인하기

1. 구성요소와 구성비에 따라 유해·위험물질의 존재 여부를 확인할 수 있다.
2. 구성요소와 구성비에 따라 기계·기기 장치의 재질, 타입을 결정할 수 있다.
3. 구성요소와 구성비에 따라 안전설계 기준을 적용할 수 있다.

9-3. 원료와 생산량 확인하기

1. 물질수지에 따라 기계·기기 장치의 공정 데이터를 작성할 수 있다.
2. 물질수지에 따라 계측·제어기의 공정 데이터를 작성할 수 있다.
3. 물질수지에 따라 배관의 이송량을 확인할 수 있다.
4. 유체수송 장치를 이용하여 저장조로부터 유체를 수송할 수 있다.
5. 변수(유체의 속도, 점도, 밀도, 관의 직경)에 따라 유체의 레이놀즈 수를 구할 수 있다.

9-4. 에너지 사용량 확인하기

1. 유틸리티 Summary에 따라 프로세스를 구성하는 기계·기기 장치(열교환기)와 계측·제어기에서의 유틸리티 사용량을 파악할 수 있다.
2. 유틸리티 Summary에 따라 용도별 에너지 사용량을 예측할 수 있다.
3. 경제성을 고려하여 용도별 소요 열량에 따라 에너지 절감 방안을 수립할 수 있다.
4. 에너지 사용량을 기준으로 유틸리티 공정을 설계할 수 있다.