화학공학에서 공정 설계의 중요성과 최적화 방법 문의드립니다.

Question

공정 설계는 화학공학에서 매우 중요한 분야로, 화학 반응과 공정을 효율적으로 설계하고 운영하는 방법을 다룹니다. 공정 설계는 생산 효율성, 비용 절감, 안전성, 환경 영향을 최적화하는 데 중점을 두는데 이걸

최적화 하는 방법이 있는지 궁금합니다.

정우재 전문가 · Accepted Answer

공정설계에 대한 전반적인 것은 시뮬레이션으로 어느정도 가늠이 가능합니다. 그렇지만 현실하고는 차이가 있을 수 있으므로 한 반응 한반응 모니터링하는 것이 필요하다고 말씀드리고 싶어요. 가장 간단하게는 생산효율(Yield)를 먼저 계산하신 다음 최적화된 반응부터 구축하는 것이 먼저라고 설명드립니다. 그 이후 원재료와 부재료, 생산물까지 확인이되면 단가는 자동적으로 계산이 될것이고요. 그 이후 이론값과 실제값을 비교하기위한 Lab scale(혹은 Engineering Run) Run을 걸쳐 Pilot test까지 진행하게 될 것입니다. 그 경험과 모니터링 값을 수치화한다음 계속해서 환경적인 영향요소를 개선해가는 일련의 과정을 최적화라고 할 수 있을 것 같아요.

김석진 전문가 · Answer

화학공학에서 공정 설계는 매우 중요한 분야로, 화학 반응과 공정을 효율적으로 설계하고 운영하는 방법을 다룹니다. 공정 설계는 생산 효율성, 비용 절감, 안전성, 환경 영향을 최적화하는 데 중점을 두는데, 이를 최적화하는 방법에는 다양한 기술적 접근과 전략이 사용됩니다.먼저, 공정 설계의 중요성을 이해해야 합니다. 생산 효율성을 높이기 위해 공정을 최적화하면 최대 생산량을 확보하고, 생산 속도를 높이며, 자원의 효율적 사용을 가능하게 합니다. 이는 곧 비용 절감으로 이어지는데, 효율적인 공정 설계는 에너지, 원료, 노동 등의 비용을 최소화하고, 유지보수 비용을 줄이는 데 기여합니다. 또한, 안전성 측면에서 보면, 위험 물질의 취급과 공정 운영에서 발생할 수 있는 위험 요소를 최소화하여 작업자와 환경을 보호합니다. 마지막으로, 환경 영향을 줄이는 것이 중요한데, 공정에서 발생하는 폐기물, 배출 가스, 오염물질을 최소화하여 환경에 미치는 영향을 줄이고, 규제 준수를 보장할 수 있습니다.이를 최적화하기 위한 방법으로는 여러 가지가 있습니다. 첫째, 공정 시뮬레이션과 모델링을 활용하는 것입니다. 프로세스 시뮬레이션 소프트웨어인 Aspen Plus나 HYSYS 등을 사용하여 공정의 다양한 조건을 시뮬레이션하고 최적의 운영 조건을 찾습니다. 또한, 수학적 모델링을 통해 공정의 물리적, 화학적 현상을 정확하게 표현하고, 이를 통해 최적의 설계 조건을 도출합니다.둘째, 열 통합(Heat Integration)을 통해 에너지 효율성을 극대화할 수 있습니다. 공정 내에서 발생하는 열을 재사용하여 에너지 소비를 줄이고, 열 교환 네트워크를 최적화하는 것입니다.셋째, 최적화 기법을 사용하는 것입니다. 수학적 최적화 기법으로는 선형 및 비선형 프로그래밍, 동적 프로그래밍 등을 사용하여 비용, 생산량, 에너지 사용 등을 최적화할 수 있습니다. 메타휴리스틱 기법으로는 유전자 알고리즘, 시뮬레이티드 어닐링, 입자 군집 최적화 등이 있으며, 이러한 알고리즘을 활용하여 복잡한 최적화 문제를 해결합니다.넷째, 안전성 평가를 철저히 수행해야 합니다. HAZOP(Hazard and Operability Study), LOPA(Layer of Protection Analysis), FMEA(Failure Mode and Effects Analysis) 등의 방법을 통해 공정의 위험 요소를 식별하고, 이를 최소화할 수 있는 설계와 운영 방안을 도출합니다. 또한, 압력 릴리프 밸브, 긴급 차단 시스템 등 안전 장치를 설계에 포함하여 공정 안전성을 보장합니다.다섯째, 친환경 공정 설계를 지향해야 합니다. 폐기물 발생을 줄이고, 재활용 가능성을 높이는 설계를 채택하고, 저에너지 공정을 통해 에너지 소비를 최소화하며, 최신 청정 기술을 도입하여 오염 물질 배출을 줄이는 노력을 기울여야 합니다.여섯째, 공정 제어 및 자동화를 도입하는 것입니다. 자동화 시스템을 통해 실시간으로 공정을 모니터링하고 최적의 운영 조건을 유지하며, 모델 예측 제어(MPC), 적응 제어 등의 고급 제어 기법을 도입하여 공정의 안정성과 효율성을 높입니다.마지막으로, 지속 가능한 설계를 추구해야 합니다. 순환 경제 모델을 통해 공정 내에서 자원을 재사용하고, 폐기물을 원료로 활용하는 시스템을 설계에 반영하며, 제품의 생애 주기 전반에 걸쳐 환경 영향을 평가하는 LCA(Life Cycle Assessment)를 통해 설계 단계에서부터 환경에 미치는 영향을 줄여야 합니다.이러한 방법들을 종합적으로 적용하면 공정 설계의 효율성, 안전성, 환경적 지속 가능성을 높일 수 있습니다. 화학공정 설계는 단순히 기술적 문제를 해결하는 것을 넘어, 경제적, 환경적, 사회적 요소를 고려한 통합적인 접근이 필요합니다.

이정수 전문가 · Answer

공정 설계란 것이 반응에 따라 달라지는데 가장 먼저 해야할것은 원하는 물질의 수득량을 높이기 위해 어떤 반응경로를 택할것이며, 원료로 쓸 물질의 단가 등을 종합적으로 고려하여 공정설계를 합니다.