화학 제조 공정 구조

화학공업(化學工業)은 원료의 화학 반응을 통해 형성된 물질을 가공해서 제품을 만드는 공업이다. 화학공업을 통해 제조된 제품은 화학제품(化學製品)이라고 부른다.

 

 

 

화학 제조 공정의 구조

화학 공정은 원자재를 가치 있는 제품으로 전환하기 위해 다양한 산업에서 사용되는 기본 기술이다. 이 기술에는 원하는 결과를 얻기 위한 화학 반응의 원리, 물질의 거동 및 변수 조작을 이해하는 것이 포함된다. 광범위한 응용 분야를 통해 화학 공정은 제약, 제조, 에너지 생산, 환경 관리 등과 같은 분야에서 중요한 역할을 한다.

 

 

화학 공정의 기본 구성 요소

일반적인 화학 공정의 기본 구성 요소는 다음 그림에 나와 있으며, 각 블록은 원재료로부터 제품을 생산하는 전체 공정의 한 단계를 나타낸다.

그림 1은 일반화된 프로세스를 나타내며, 특정 프로세스에 모든 단계가 필요한 것은 아니며 각 단계의 복잡성은 프로세스의 특성에 따라 달라진다.

화학공학 설계는 단계의 선택 및 배치와 각 단계의 기능을 수행하는 데 필요한 장비의 선택, 사양 및 설계와 관련이 있다.

 

<그림 1> Anatomy  of  a  chemical  process.

 

 

1단계. 원료 보관:

원자재(feed stocks or feeds라고도 함)가 인접한 공장에서 중간 제품(중간체)으로 공급되지 않는 한, 공급 변동과 중단을 완화하기 위해 며칠 또는 몇 주 분량의 재고를 보관할 수 있도록 일부 준비를 해야 한다. 인접한 공장에서 자재를 공급받는 경우에도 일반적으로 공정 분리를 위해 몇 시간 또는 며칠 분량의 재고를 보유하기 위해 일부 준비가 필요하다.

필요한 보관량은 원자재의 특성, 배송 방법, 공급의 연속성을 보장할 수 있는 정도에 따라 달라진다. 원자재가 선박(유조선 또는 벌크선)으로 배송되는 경우 몇 주 분량의 재고가 필요할 수 있지만, 도로 또는 철도를 통해 소량으로 배송되는 경우 더 적은 양을 보관해도 된다.

 

2단계. 원료 전처리:

일반적으로 원료가 반응 단계에 공급될 수 있을 만큼 충분히 순수하거나 올바른 형태가 되기 전에 일부 정제 및 준비가 필요하다. 예를 들어, 탄화물 공정에서 생성된 아세틸렌에는 비소와 황 화합물 및 기타 불순물이 포함되어 있으며, 이는 염산과 반응하여 디클로로에탄을 생성하기에 충분히 순수해지기 전에 농축 황산(또는 기타 공정)으로 스크러빙하여 제거해야 한다. 공정 촉매, 효소 또는 미생물을 오염시킬 수 있는 원료 오염 물질은 반드시 제거해야 한다. 액체 원료는 기체상 반응기에 공급하기 전에 기화시켜야 하며 고체는 분쇄, 분쇄 및 스크리닝이 필요할 수 있다.

 

 

3단계. 반응:

반응 단계는 화학 제조 공정의 핵심이다. 반응기에서 원료는 원하는 제품의 생산을 촉진하는 조건에서 결합되며, 거의 항상 반응 화학량론, 부반응 또는 원료에 존재하는 불순물의 반응으로 인해 일부 부산물이 형성된다.

 

4단계. 제품 분리:

반응기가 끝나면 제품과 부산물을 미반응 물질로부터 분리한다. 충분한 양이면 미반응 물질은 반응 단계 또는 사료 정제 및 준비 단계로 재활용된다. 부산물은 이 단계에서 제품에서 분리될 수도 있다. 하나의 화학 공정에는 종종 여러 반응 단계가 있으며, 각 단계마다 하나 이상의 분리 단계가 뒤따른다.

 

5단계. 정제:

판매 전에 주요 제품은 종종 제품 사양을 충족하기 위해 정제가 필요하다. 경제적인 수량으로 생산되는 경우 부산물도 판매를 위해 정제할 수 있다.

 

6단계. 제품 보관:

생산량과 판매량을 맞추기 위해 완제품의 재고를 일부 보유해야 한다. 제품의 특성에 따라 제품 포장 및 운송을 위한 준비도 필요하다. 액체는 일반적으로 드럼통과 벌크 탱커(도로, 철도, 해상)에, 고체는 자루(sack), 상자(carton) 또는 bale에 담아 배송한다.

 

 

보조 공정
그림 1에 표시된 주요 공정 단계 외에도 공정수, 냉각수, 압축 공기 및 증기와 같은 필요한 서비스(utilities)를 공급할 수 있는 시설이 마련되어야 한다.

유지보수, 소방, 사무실 및 기타 숙박시설, 실험실 등의 시설도 필요하다.

 

화학공정의 안전과 살계에 대한 세부 내용은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/580

화학공정 안전과 설계

 

 

연속 공정 vs. 회분 공정(batch process)

연속 공정은 연중 24시간, 주 7일 운영되도록 설계되었다. 그러나 유지보수 및 일부 프로세스의 경우 촉매 재생을 위해 일부 가동 중지 시간이 허용된다. 플랜트 달성률 또는 가동률은 플랜트가 1년 동안 가동되는 가용 시간의 백분율로, 일반적으로 90~95% 사이이다.

달성(가동)률 % = 가동 시간 / 8760 x 100

 

회분 공정은 간헐적으로 운전하도록 설계되어 공정 unit의 일부 또는 전부가 자주 중단되고 또 재가동된다. batch plant에서는 batch와 연속 가동을 함께 사용하는 것이 일반적이다. 예를 들어 batch 반응기는 연속 증류탑에 공급하는 데 사용될 수 있다.
연속 공정은 일반적으로 대규모 생산에 더 경제적이다. 회분 공정은 생산 속도 또는 제품 사양에서 약간의 유연성이 필요할 때 사용된다.

 

 

연속 생산과 batch 생산의 선택

batch  공정의 높은 고정 비용과 낮은 공장 가동률을 고려할 때, batch 처리는 일반적으로 가치가 높고 소량으로 생산되는 제품에만 적합하다. 
batch plant는 일반적으로 다음과 같은 경우에 사용됩니다.
- 식품
- 의약품, 백신, 호르몬 등 제약 제품 
- 퍼스널 케어 제품
- 정밀(특수) 화학 제품
그러나 이러한 분야에서도 공정이 잘 정립되고 생산량이 많으며 시장이 경쟁이 치열한 경우 연속 생산이 채택될 수 있다.

 

Reference : GAVIN  TOWLER & RAY  SINNOTT, CHEMICAL  ENGINEERING DESIGN Principles, Practice and Economics of Plant and Process Design