[화학공학개론] CH02. 화학공정의 역할

화학공정(Chemical Process)

원료 $\rightarrow$ desired product 전환을 촉진하기 위한 조건과 설비를 사용하는 여러 단계의 조합

✘ 화학 공정의 종류

• in the lab (수공공정)
  • Delivery - Heat Transfer - Chemical Reaction(in the reaction flask) - Mass Transfer
• in the factory (자동화 공정)
  • Delivery(Tank$\rightarrow$Pump) - Heat Transfer(Heat Exchanger) - Chemical Reaction(Reactor / T, P, Catalyst control) - Mass Transfer(Distillation Column)
    
    
• 회분공정 (Batch process)
  • 초기 할당 원료 공정 유입 후 동일 장치 내에서 순차적 처리단계를 거침
    ex. 의약품 등
• 연속공정 (Continuous process)
  • 반응 및 흐름 중단(X), 원료가 연속적으로 공정 내로 유입됨
    ex. commodity product
• 정상상태 (Steady state) $\longleftrightarrow$ 비정상상태 (Unsteady state) or 과도상태 (Transient state)
  • 정상상태: 공정변수(T, P, 유량, $\cdots$ ) 불변

공정도(Process Diagram)

✘ 공정도의 유용성

• 공정 파악 용이
• 공정 상 각 단계들의 순서 및 관계가 잘 드러남
• 공정 관련 온도, 유량, 조성 등의 주요 정보 제공
• 설계사양 - 실제조업 비교 용이

✘ 공정도의 종류

• 블록선도 (Block Diagrams)
  • 단일 or 여러 개의 결합된 장치들이 조합되어 실제 공정에서 하나의 주요한 처리단계를 이루는 것 $\rightarrow$ 화학공정 단순화 형태 표현
  • 초기 설계 단계에서 유용, 개요 제시
    Fig. 1. 저압 질산 제조공정의 블록선도
• 공정흐름도 (Process Flow Diagrams, PFD)
  • 블록선도에 비해 상세한 내용 기입, 공학 설계 문서화의 표준도구
  • 주요 장치, 흐름의 배열, 상호간 연결 상황을 심볼 또는 아이콘으로 나타냄
    Fig. 2. 공정흐름도와 배관계장도에 사용되는 전형적인 심볼들
  • 공정흐름도 구축 방법
    1) 공정 내로 유입되는 원료 흐름, 공정으로부터 빠져나오는 생산물 흐름 확인
    2) 공정에서 가장 중요한 처리단계 및 필요한 주요 장치 항목 확인
    3) 각 주요 장치에 사용할 심볼 결정
    4) 흐름도에 기호 표시, 적합한 흐름라인 및 심볼 연결 (선도 상의 전반적인 흐름 방향: 왼쪽$\rightarrow$오른쪽)
    5) 주요 장치 이름표(문자 or 숫자)
    $-$ex. 펌프 #2 = P-2, 열교환기 #15 = HX-15
    6) 번호, 문자 이용 각 흐름에 이름표 붙이기
    7) Stream Table(각 흐름에 대한 정보를 담고 있는 표) 첨부
  • 흐름표의 주요 정보
    • 흐름의 조성(각 화학종의 유량, 흐름 내의 각 종들의 분율)
    • 총 흐름 유량
    • 흐름 온도
    • 흐름의 정상 운전 압력
    • 표에 기재된 정보의 단위
    • 물리적 특성치, 조성 등의 필요한 추가 정보 기입

• 배관계장도 (Piping and Instrumentation Diagrams)
  • 블록선도보다 상세한 내용을 담을 수 있으며, 공학 설계를 위한 표준으로 이용
  • 공정흐름도와 동일한 번호 및 문자 사용
  • 장치 세부사항, 계장, 밸브와 배관규격, 물질사양, 공정계장, 제어라인, 유틸리티(수증기, 고압공기) 라인 포함

References

• 2023-2 DGIST 화학공학개론 수업자료, 화학공학개론_CH01-02화학공학 화학공정2023_Handout
• Fig. 1 from 화학공학개론 수업자료 p. 23
• Fig. 2 from https://www.engr.colostate.edu/CBE101/topics/process_fundamentals.html