수업소개 공정전산의기초

2014.10.02 10:04

lee496 조회 수:5469

 

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공정전산의기초

글 | 화학생물공학부 2 김미소 편집 | 화학생물공학부 4 조성우

 


독자 여러분은 어떤 과목을 좋아하나요? 만약 화학과 수학을 좋아하고 실질적인 응용에 관심이 많다면 화학생물공학부에 진학하는 것을 적극 추천합니다!
화학생물공학부는 본래 화학공학과로 시작하여 화학공학과 공업화학이 합쳐져 있는 학부였습니다. 그런데 여기에 생물분야까지 추가되어 굉장히 다양한 분야를 아우르는 융합학문을 연구하는 학부로 발전했고, 전통적인 석유화학분야부터 반도체나 디스플레이 등의 전자재료분야, 그리고 최근에는 생명공학, 환경공학, 나노공학기술 등을 다루고 있습니다. 하지만 이렇게 여러 분야를 다루는 화학생물공학에서 가장 기본이 되는 것은 바로 화학공정(Chemical Process)이랍니다.  ‘공정 전산의 기초’는 이러한 화학공정에 관련하여 기초적인 개념과 실질적인 공학 문제의 해결에 대해 자세히 배울 수있는 화학생물공학부의 전공과목입니다.


화학공정이란 물질의 물리/화학적 성질을 변화시켜 원료물질을 원하는 유용한 제품으로 전환하는 것을 말합니다. 대부분의 산업(제지, 요식, 플라스틱, 섬유, 유리, 전자재료, 석유, 의약 등)이 화학공정과 관련이 있죠. 그렇다면 왜 화학공정을 조합하고 설계하며 운영할까요? 첫째로, 고유의 특성을 가진 제품을 만들기 위해서입니다. 두 번째로는 공정에서 나온 폐기물을 쓸모 있는 생산물로 재활용하고, 셋째로는 천연 물질의 성능을 향상시키기 위해서입니다. 마지막으로, 물질을 에너지로 전환하기 위해 화학공학자들은 새로운 공정을 개발합니다.


제품을 생산하려면 원료물질들에 변화를 일으킬 수 있는 시설인 화학공장(Chemical Process Plant)이 필요합니다. 이러한 화학공장에서 물질의 이동경로는 공정흐름도(Process Flow Sheet)상에 시각적으로 나타냅니다. 화학공정흐름도의한 형태인 블록흐름선도(Block Flow Diagram)에서는 단지 4가지 공정단위 즉, 혼합기(Mixer), 반응기(Reactor), 분할기(Splitter), 분리기(Separator)만을 포함시키기 때문에 매우 간략하게 공정을 나타낼 수 있습니다.

 

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공정의 흐름을 계산하려면 계의 물질수지 식(Material Balance Equation)을 고려할 필요가 있습니다. 물질수지 식의 일반적 형태는 다음과 같습니다.

 

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그렇다면 이러한 블록흐름선도와 물질수지 식을 이용하여 풀 수 있는 간단한 문제를 예로 들어볼까요? 한번 도전해보세요!

 

 

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여러분들은 이 문제를 어떻게 풀어보셨나요? 복잡해 보이는 문제 상황을 <그림2> 와 같이 간단한 블록흐름선도로 나타낼수 있습니다. 만약 처음에 공급된 공기가 100mol이라면 21%, 즉 21mol은 산소이며 이 중 80%가 회수되기 때문에 Product 1에서의 산소의 양은 21 × 0.80 = 16.8mol이 됩니다. 그런데 Product 1에서 산소 : 질소의 mol비율이 98 : 2 이기 때문에 질소의 양은 16.8 × (2/98) = 0.343mol입니다. 분리기에서 나머지 흐름은 모두 Product 2로 빠지기 때문에 여기에서 산소와 질소의 양은 각각 21 - 16.8 = 4.2mol, 79 - 0.343 = 78.657mol입니다. 이렇게 블록흐름선도와 물질수지 식을 이용하면 각각의 흐름에 대하여 성분 조성을 쉽게 계산할 수 있습니다.

 


지금까지 제가 배운 공정 전산의 기초 과목에서 초반에 배우는 단원에 대하여 간략히 소개해보았는데 독자 여러분은 어떻게 보셨나요? 비록 각각의 용어들은 생소하지만 화학공정이라고 들었을 때 느껴지는 막연함보다는 구체적이고, 복잡해 보이지만 차근차근 풀 수 있다는 사실이 흥미롭지 않았나요? 공정 전산 기초 과목에서는 진행될수록 초반에서 배운 지식에 덧붙여서, 물질수지뿐만 아니라 보다 더 엄밀하게 에너지수지나 공정에너지 계산 등을 포함한 수학적 계산을 하며, 각각의 공정 과정에 해당하는 반응기나 분리기에 대해 원리나 종류 등 더욱 자세히 배웁니다. 비록 물질에 대한 이해를 위하여 많은 배경지식이 필요하지만 훌륭한 화학공학자가 되기 위해서는 가장 기본이 되는 화학공정에 대하여 누구보다 잘알아야겠죠?

 


이번 전공과목 소개를 통하여 많은 독자 여러분들이 화학생물공학이라는 학문에 대해 더욱 관심을 가졌으면 좋겠습니다.

 

 

 

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