화학공장의 기본 구조와 계산 3. 화공장치 운전조작

14. 화공장치 운전조작
14-1. 공정 흐름도 파악하기

 

P&ID(배관계장도) : 공정을 구성하는 기기, 배관 혹은 계기등의 설치 위치와 기능 그리고 계기 상호간의 연계상태등을 나타내는 도면이다. 공정의 시운전, 정상운전, 운전정지, 및 비상운전시에 필요한 모든 공정 장치, 동력기계, 배관, 공정 제어 및 계기 등을 표시하고 이들 상호간의 연관 관계를 나타내줌 상세설계, 변경, 유지보수 및 운전등을 하는데 필요한 기술적 정보를 파악할 수 있는 도면

공정흐름도 PFD : 공정계통과 장치설계기준을 나타내는 도면이며, 주요장치, 장치간의 공정연관성, 운전조건, 운전변수, 물질수지, 에너지수지, 제어설비 및 연동장치 등의 기술적 정보를 파악할 수 있는 도면

 

PFD: 공정 전체 구조 이해

P&ID: 배관·밸브·계측기 연결 확인

TT — Temperature Transmitter

TIC — Temperature Indicating Controller

TCV — Temperature Control Valve

 

정리: PFD, P&ID 등 공정 도면 종류와 기호를 이해하고, 어떤 정보를 확인하는 도면인지 구분한다. PFD에서 원료 → 장치 → 제품의 흐름을 따라가며 유량, 온도, 압력, 조성과 물질·에너지수지를 확인한다. P&ID에서 배관번호, 밸브, 펌프, 계측기, 제어루프의 연결관계를 확인한다. 유틸리티 공정도를 통해 스팀·냉각수·압축공기 등의 공급원과 배관 연결, 공급조건, 회수·배출 경로를 확인한다.

14-2. 공정물질 특성 파악하기
공정물질의 밀도, 점도, 비열, 증기압 등의 물리·화학적 특성을 확인하고, SDS를 통해 인화성, 독성, 부식성 등의 위험·위해성을 파악한다.

14-3. 화공장치 운전조작하기

① 공정운전의 절차를 파악할 수 있다.	운전매뉴얼, P&ID, 설비의 허용조건을 확인하고 가동 전 점검, 기동, 정상운전, 정지 및 비상절차를 구분한다.
② 반응기를 조작할 수 있다.	반응기 종류(CSTR, PFR, 회분식)를 구분하고 원료 유량, 온도, 압력, 교반 및 냉각조건과 전환율을 파악한다.
③ 열교환기를 조작할 수 있다.	열교환기 형식과 병류·향류를 구분하고 유입·출구 온도, 유량, 열부하, 압력손실 및 열교환 성능을 검토한다.
④ 단증류 및 연속증류를 할 수 있다.	단증류와 연속증류의 차이, 기액평형, 증류탑의 환류비·재비기 열부하·압력·온도와 분리성능을 이해한다.
⑤ 추출, 흡수, 건조할 수 있다.	추출은 용매와 분배평형, 흡수는 기액 접촉과 물질전달, 건조는 수분함량과 건조속도를 이해한다.
⑥ 여과, 분쇄할 수 있다.	여과는 압력차·여과저항·여과매체를, 분쇄는 입자크기·장치 특성·소요에너지를 파악한다.
⑦ 계장 조절할 수 있다.	온도·압력·유량·액위 등의 계측기와 제어밸브를 이해하고, 설정값(SP), 측정값(PV), 조작값(MV)의 관계를 파악한다.

 

1. 공정운전의 절차를 파악할 수 있다.

PFD로 전체 흐름을 확인하고 P&ID로 설비, 배관, 계측기, 밸브의 연결관계를 파악한다. 가동 전 점검 - 가동 - 정상운전- 정상정지 - 비상대응의 절차를 운전 메뉴얼로 익힌다. DCS를 통해 운전이 잘 되고 있는지 확인한다. ( 현재 온도·압력·유량·액위가 목표값과 일치하는지 확인) 이상이 생기면 해당 공장의 승인된 운전절차에 따라 대응한다.

=> 도면, 메뉴얼, DCS

 

2. 반응기를 조작할 수 있다.

원료 조성 변화, 촉매 성능 저하, 체류시간 부족, 온도 분포나 혼합상태 문제 등을 검토 가능 

 

3. 열교환기를 조작할 수 있다.

열교환기에 들어가는 차가운 원료는 25°C인데 목표 출구온도가 60°C야. 그런데 실제로는 45°C밖에 안 나와.

그렇다면 다음을 검토해야 해.

-뜨거운 유체의 공급유량이나 온도가 부족한가?

-원료 유량이 증가했는가?

-열교환기 내부 오염 때문에 \(U\)가 감소했는가?

-열교환기 압력손실이 증가했는가?

-온도계의 측정값이 정확한가?

4. 단증류 및 연속증류를 할 수 있다.

물질수지로 제품량을 계산하고 환류비를 결정( 환류비를 높이면 분리성능을 개선할 수 있지만 재비기·응축기의 에너지 부담도 증가). 이후 압력과 온도가 분리에 미치는 영향을 이해하고 에너지 사용량 및 유틸리티를 계산.

 

5. 추출, 흡수, 건조할 수 있다. => (나중에 추출 흡수 증류 특강 따로 할 예정..)

추출	혼합물에서 특정 성분	용매에 대한 용해도·분배 차이
흡수	기체 혼합물 속 특정 성분	기체가 액체에 용해되는 성질
건조	고체 등의 수분·용매	열과 물질전달에 의한 증발

알아야 할 개념: 추제(추출용매), 추출상, 추잔상, 분배계수, 선택도, 추출률 / 기액평형, 헨리의 법칙, 물질전달계수, 흡수액 유량, 접촉면적·접촉시간/ 습량기준·건량기준 함수율, 평형함수율, 임계함수율, 항률건조기간, 감률건조기간.

 

-추출: 적절한 용매 선택 → 접촉 → 상분리 → 회수율 평가.

-흡수(Absorption): 흡수액 선정 → 기액평형 → 접촉·물질전달 → 제거율 검증.

-건조(Drying): 수분함량을 측정-> 건조공기의 온도·습도·유량을 확인 -> 건조속도 및 에너지 사용량을 검토

7. 계장 조절할 수 있다.

공장의 온도·압력·유량·액위 같은 변수를 측정하고 제어하는 장치와 시스템을 의미

용어	의미
SP (Set Point)	목표값
PV (Process Variable)	현재 측정값
CV (Controlled Variable)	제어하려는 변수
MV (Manipulated Variable)	목표를 맞추기 위해 조작하는 변수
외란(Disturbance)	공정에 영향을 주는 외부 변화

정리: P&ID에서 센서·제어기·제어밸브의 연결을 읽고 온도계(TT), 압력계(PT), 유량계(FT), 액위계(LT)가 각각 무엇을 측정하는지 이해한다. SP, PV, CV, MV와 외란을 구분하고 피드백 제어와 PID 제어기를 통해 CV를 MV를 통해 유지한다.

 

 

전체 정리: 공정도면 (PFD → P&ID → 유틸리티)을 통해 공정 흐름과 주요 설비, 운전 조건, 물질 에너지 수지 및 배관과 밸브, 제어기의 연결관계를 파악한다.(공주운물배밸제) 다루는 물질의 물성과 안전정보를 MSDS 등을 통해 확인한다. 이후 운전매뉴얼과 P&ID를 통해 가동 전 점검, 가동시 정상운전 조건 및 정지 절차를 파악한다. 이후 각 장치를 파악한다.

 

반응기에서는 회분식·CSTR·PFR의 특성을 구분하고 온도·압력·원료 유량·체류시간·교반·냉각조건과 전환율을 관리한다.

열교환기에서는 장치 형식과 병류·향류를 구분하고 유입·출구 온도 및 유량을 측정하여 열부하, 압력손실과 총괄전열계수 등을 검토한다.

증류공정에서는 단증류와 연속증류를 구분하고 기액평형을 바탕으로 환류비, 이론단수, 재비기 열부하, 온도·압력과 분리성능을 파악한다.

추출공정에서는 용매의 종류와 분배평형 및 추출률을, 흡수공정에서는 기액평형과 물질전달 및 제거율을, 건조공정에서는 수분함량과 건조속도를 검토한다. 

계장제어에서는 센서·제어기·제어밸브의 연결을 읽고 온도계(TT), 압력계(PT), 유량계(FT), 액위계(LT)가 각각 무엇을 측정하는지 이해한다. SP, PV, CV, MV와 외란을 구분하고 피드백 제어와 PID 제어기를 통해 CV를 MV를 통해 유지한다.