공정 설계(process design) 개요

 

화학 공학에서 공정 설계(process design)는 화학 물질을 물리적 및/또는 화학적 과정을 통하여 원하는 물질로의 변환(transformation)을 위해 여러 단위(units)를 선택하고 조합하는 것을 말한다.

 

 

공정 설계(process design) 개요

 

공정 설계는 화학 공학의 중심이며, 화공 분야의 모든 구성 요소를 한 데 모아주는 화공 분야의 핵심이라고 할 수 있다.

공정 설계는 새로운 설비의 설계일 수도 있고 기존 설비의 수정 또는 증설이 될 수도 있다. 설계는 개념적인 수준에서 시작하여 최종적으로 제작 및 시공 계획의 형태로 끝난다.

공정 설계는 장비 설계와 구별되며, 이는 단위 조작(unit operations) 설계에 더 가깝다. 프로세스에는 종종 많은 단위 조작이 포함된다.

 

공정 설계 문서

공정 설계 문서는 설계를 정의하는 역할을 하며 설계 구성요소가 서로 일치되도록 보장하여야 한다. 이 문서는 설계와 관련된 다른 엔지니어, 외부 규제 기관, 장비 공급업체 및 건설 도급업체에게 아이디어와 계획을 소통하는 데 유용하게 사용된다.

공정 설계 문서에는 다음과 같은 항목이 포함된다.

⊙ 블록 흐름도(BFD): 주요 물질 또는 에너지 흐름을 나타내는 직사각형과 선으로 구성된 매우 간단한 diagrams이다.
⊙ PFD(Process Flow Diagram): 주요 단위 장치 및 흐름 라인에 대한 BFD 보다는 복잡한 diagrams이다. 일반적으로 물질 수지(material balance), 때로는 에너지 수지(energy balance), 즉 운전 및 설계 유량, 물질 성분, 스트림(stream) 및 설비 압력과 온도를 보여준다.
⊙ Piping and instrumentation diagrams(P&ID): piping 등급(carbon steel or stainless steel), pipe 크기 (diameter)배관 등이 표현된 모든 pipeline을 보여주는 diagrams이다. 또한 instrument 위치 및 공정 제어 체계(process control schemes)와 함께 valves 등을 보여준다.
⊙ Specifications(사양): 모든 주요 설비 항목에 대한 문서화된 설계 요구사항.

공정 설계자는 일반적으로 시운전, 정상 및 비상시 운전, 정지 등 방법에 대한 운전 매뉴얼을 작성한다. 그들은 또한 사고를 예방하거나 피해를 줄이는 계획과 환경 규제에 대한 프로세스 운영도 포함하여 개발한다.

그리고 현장 운전 요원들이 참고할 수 있도록 설비 시공 후에도 문서를 유지 관리한다. 이 문서는 시설 유지 보수 시에도 유용하게 사용된다.

공정설계 OUTPUT 요약

 

⊙ PFD

PROCESS흐름, 중요기기, CONTROL, SCHEME, MASS/HEAT BALANCE 운전 압력 및 온도를 표시한 도면

⊙ P & ID

PROCESS전체에 대한 기계, 전기, 게장, 배관, 토건과 관련된 ENGINEERING INFORMATION을 각종기호, 숫자 및 그림으로 나타낸, PLANT 설게에 있어서 일종의 법전과 같은 도면

⊙ UFD

UTILITY SYSTEM에 대하여 PFD 및 P&ID개념을 모두 포함한 도면

⊙ EQUIPMENT DATA SHEET

각종기계 및 기기에 대한 PROCESS상의 최소한의 REQUIREMENT를 나타낸 SHEET

⊙ SAFETY PROCESS DATA

위험물질의 발생가능기기 및 이들 위험물질에 대한 특성(인화점, 발화점)을 나타낸 자료

⊙ PIPING PROCESS DATA

PIPE 내를 흐르는 유체 종류별로 운전조건(온도,압력)설계조건(온도,압력)및 기본 재질을 나타낸 자료

⊙ INSTRUMENT PROCESS DATA

   가) CONTROL VALVE

   나) SAFETY VALVE

   다) 압력계, 온도계, LEVEL측정기, 유량계 등에 대한 공정조건을 표시한 자료

⊙ LINE SCHEDULE

각각의 LINE에 대한 PROCESS CONDITION을 나타낸 자료

⊙ 기타

EQUIPMENT LIST, OPERATION MANUAL, BASIC INTERLOCK SCHEME 등

 

 

설계시 고려사항

화학 공정 units을 설계할 때 고려해야 할 몇 가지 사항은 다음과 같다.

공정 설계를 시작은 제일 먼저 설계 목표가 정의되고 나서, 여러 다른 검토를 할 수 있다.

설계 목표:
- 처리량(throughput rates)
- 공정수율(yields)
- 제품 순도(product purities)

제약 조건:
- 자본 비용: 프로세스를 구축하기 위한 예산 또는 투자의 금액
- 사용 가능한 공간: 공장을 지을 땅의 면적.
- 안전 문제: 산업 사고 또는 유해 화학물질에 대한 위험 분석에 대한 고려.
- 환경 영향 평가및 예상 유출 및 배출(방출)량
- 폐기물 처리/재활용 : 공정의 부산물로 생산된 폐기물이 주변에 피해를 주지 않도록 관리
- 운영 및 유지관리 비용: 공장 운영의 변동 비용

 

기타 포함 요소:
- 신뢰성(Reliability)
- 이중화(Redundancy)
- 유연성(Flexibility)
- 원료 재고의 예상 변동성(Anticipated variability) 및 제품의 허용 변동성(allowable variability)

 

 

설계 정보 출처

 

엔지니어는 종종 pilot plant data 또는 전체 양산 설비의 data를 사용할 수 있다. 다른 정보 출처로는 공정 licensors, 출판된 과학적 data, 실험실 실험, 원료 공급자 및 유틸리티 공급자가 제공하는 독점 설계 기준을 포함한다.

특히 복잡한 프로젝트의 경우 설계자는 일반적으로 처음부터 시작하지 않습니다. 

 

설계 공정(Design process)

 

설계(Design)는 목표 달성을 위해 어떤 기술을 채택할 지, 산업 단위(industrial units)의 조합인 공정 합성(process synthesis)으로 시작된다. 개념 설계(conceptual)에서부터 상세 설계(detailed design)까지의 각 단계에서 다른 엔지니어와 이해 관계자가 승인함에 따라 보다 상세한 설계가 진행된다.

Simulation software는 설계 엔지니어에 의해 자주 사용된다. Simulation을 통해 설계의 약점을 파악하고 엔지니어가 더 나은 대안을 선택할 수 있다. 그러나, 엔지니어들은 프로세스를 설계할 때 여전히 휴리스틱(heuristics)*, 직관, 경험에 의존한다. 인간의 창의성은 복잡한 디자인을 하는데 한 요소가 된다.

* 휴리스틱(heuristics) 또는 발견법(發見法)이란 불충분한 시간이나 정보로 인하여 합리적인 판단을 할 수 없거나, 체계적이면서 합리적인 판단이 굳이 필요하지 않은 상황에서 사람들이 빠르게 사용할 수 있게 보다 용이하게 구성된 간편추론의 방법이다.

 

 

 

 

Reference : https://en.wikipedia.org/wiki/Process_design