[윤현희의 화학공학 토크](5) 세부 분야: 공정시스템 및 설계

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👨🏻‍🏫 윤현희(현 가천대학교 화공생명공학과 명예교수)

연세대학교 학사, KAIST 석사, 미국 Auburn 대학교 공학박사. 가천대학교 화공생명공학과 교수로 재직하며, 공과대학장 및 대학원장을 역임하였다. 주요 연구 분야는 바이오에너지 및 전기화학에너지소재 분야이며, 신소재응용연구센터 소장으로 활동했다.

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이번 장에서는 공정 시스템 및 설계 분야를 살펴볼 것이다.
이 분야는 화학·바이오 산업의 생산 과정을 효율적이고 안전하게 설계·운영하는 기술을 다룬다. 주요 영역은 세 가지로, 첫째는 원료에서 제품까지의 흐름을 최적화하는 화학공정 설계, 둘째는 반응기·배관·제어 장치 등을 통합해 산업 플랜트를 구축하는 플랜트 엔지니어링, 셋째는 컴퓨터와 센서를 활용해 공정을 예측하고 안정성을 확보하는 공정 시뮬레이션 및 제어다.

이들은 산업 생산의 효율을 높이고 에너지와 원료를 절감하며, 안전사고를 예방하고 품질을 일정하게 유지하는 데 필수적이다. 최근에는 친환경 공정 설계와 자동화 기술이 결합되면서, 지속 가능한 산업 발전의 핵심 분야로 주목 받고 있다.

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세부 분야- 공정 시스템 및 설계

(2) 공정 시스템 및 설계
● 화학공정 설계: 원료부터 제품까지의 전체 공정을 설계하고 최적화하는 기술
● 플랜트 엔지니어링: 제조공장의 기계, 배관, 제어 시스템을 종합적으로 구축하는 기술
● 공정 시뮬레이션 및 제어: 공정의 성능을 예측하고 자동화 및 최적화를 구현하는 기술

🎓 공정 시스템 및 설계의 중요성

① 화학공정 설계 – 라면 공장의 비밀
우리가 먹는 라면도 하나의 화학공정 결과다. 라면을 만들기 위해 밀가루 분쇄·수송, 반죽, 튀김, 건조, 포장까지의 단계를 효율적으로 연결해야 한다. 이때 튀김 온도가 너무 높으면 라면이 타고, 너무 낮으면 바삭하지 않다. 이러한 복잡한 과정을 효율적으로 설계하는 것이 화학공정 설계다. 식품뿐 아니라 플라스틱, 의약품 생산도 마찬가지다.

② 플랜트 엔지니어링 – 정유공장은 거대한 퍼즐
자동차에 들어가는 휘발유는 석유를 끓이고 분리하는 거대한 공장에서 만들어진다. 이 공장은 원료와 제품의 수송을 위한 배관, 반응기, 증류탑, 열교환기 등 수천 개의 장비가 유기적으로 연결된 퍼즐처럼 구성돼 있다. 이러한 장치와 설비를 설계·설치·유지하는 것이 플랜트 엔지니어의 역할이다. 공장이 멈추면 사회 전체가 마비될 수도 있다.

③ 공정 시뮬레이션 및 제어 – 사고를 막는 컴퓨터 두뇌
영화에서 화학공장이 폭발하는 장면을 본 적이 있을 것이다. 실제로는 온도나 압력이 이상하면 컴퓨터가 자동으로 조절해 사고를 막는다. 이것이 바로 공정 제어 기술이다. 컴퓨터로 공정을 시뮬레이션하며 미리 최적 조건을 찾아낼 수도 있다. 앞으로는 이러한 디지털 기술을 잘 이해하고 활용하는 화학공학자의 역할이 더욱 중요해질 것이다.

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공정 시스템 및 설계분야를 미래 진로로 정할 경우, 사회시간에 할 수 있는 탐구활동

탐구활동 예시	장점 또는 효과
① 산업단지 설계와 지역사회 영향 분석실제 산업단지(예: 울산 석유화학단지, 여수산단 등)가 지역 경제·환경·주거에 끼치는 영향을 조사해 보고서 작성	산업 공정 설계가 지역사회에 어떤 영향을 주는지 파악할 수 있다.기술적 효율성뿐 아니라 경제, 고용, 환경 등 사회적 요소를 균형 있게 고려하는 사고력을 기를 수 있다.
② 대형 산업사고(예: 가스 누출, 폭발)의 사회적 영향 분석화학공장 사고의 원인과 그로 인한 사회적·경제적 파급효과를 조사하고 이를 예방하기 위한 공정 설계의 역할을 분석	공정 시스템이 제품 생산 외에 인명과 사회 안전에 직결된다는 사실을 인식하게 된다.사고를 통해 ‘예방적 설계’의 중요성과 사회적 책임의식을 키울 수 있다.
③ 친환경 공정 도입이 사회에 미치는 영향 분석탄소중립, 수소경제 등을 위해 친환경 공정기술이 사회에 미치는 경제·환경적 효과를 분석해 토론 또는 보고서 작성	공정 시스템이 기후위기 대응과 지속 가능한 사회 구축에 기여할 수 있다는 긍정적 시각을 갖게 된다.과학기술과 사회 변화를 연결하는 융합적 사고력이 길러진다.

○ 산업단지 설계와 지역사회 영향 분석의 한계점
구체적인 산업단지에 대한 정보 수집이 어려울 수 있으며, 일부 통계나 자료는 고등학생 수준에서 분석하기 어렵다.
또한 현장의 목소리나 실제 사례에 접근하기도 쉽지 않다.

○ 대형 산업사고의 사회적 영향 분석의 한계점
사고 자료가 과학적·법률적으로 복잡하거나 충격적일 수 있어 주제를 선정할 때 주의가 필요하다.
잘못된 원인 해석이나 편견을 가질 위험도 있다.

○ 친환경 공정 도입이 사회에 미치는 영향 분석의 한계점
탄소배출량이나 공정 개선 기술 등에 대한 배경지식이 부족하면 개념이 추상적으로 느껴질 수 있다.
또한 환경 기술의 실제 구현 비용 등 복잡한 경제적 논의는 어렵게 느껴질 수 있다.

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🎓 공정 시스템 및 설계분야에 대한 심화탐구 활동

① 화학공정 설계 분야

탐구 주제	방법	효과
1. 분별결정 공정 설계 실험	소금과 설탕이 섞인 혼합물을 물에 녹인 뒤, 온도 변화에 따라 순차적으로 결정화시키는 분리 과정을 실험한다. 결정 조건(온도, 시간)을 달리해 최적의 분리 조건을 찾고 공정도를 작성한다.	공정 설계의 핵심인 단위조작(결정화) 원리를 이해하고, 실험 변수를 조절해 최적 조건을 도출하는 과정에서 공정 최적화 사고력을 기를 수 있다.
2. 중화 반응 공정 설계 실험	식초(아세트산)와 베이킹소다(탄산수소나트륨)의 중화 반응을 실험하며, 반응물의 농도와 온도를 조절해 생성된 CO₂ 양을 측정하고 반응 속도를 계산한다. 이를 통해 반응 조건의 최적화를 시도한다.	반응 공정에서 농도, 온도, 반응 속도, 반응 효율의 개념을 체험할 수 있으며, 공정 설계 시 필요한 변수 조절과 모니터링의 중요성을 배울 수 있다.

○ 분별결정 공정 설계 실험의 한계점
단순한 분리 실험이기 때문에 실제 산업 공정의 복잡한 결정화 조건(핵 생성 속도, 불순물의 영향 등)을 반영하기 어렵다. 결정 순도 분석이 어려워 육안 판별에 의존하게 되며, 실험 결과가 정량적이지 않을 수 있다.
또한 공정 설계에서 변수 조절과 실험 반복을 통해 최적 조건을 도출하는 경험은 가능하지만, 산업 규모의 공정 설계와는 차이가 있다.

○ 중화 반응 공정 설계 실험의 한계점
단순한 산-염기 반응이므로 실제 산업 반응기 설계와는 차이가 크다. 기체 발생량을 정확히 측정하려면 밀폐 구조와 정밀한 계량 장비가 필요하며, 반응 시간이 짧고 제어할 수 있는 변수가 제한적이다. 다만 실험 자체는 간단하고 반복이 쉬워, 실험계획법이나 변수 최적화의 기초 연습에는 적합하다.

💡 💡 💡 생각을 확장하는 탐구 포인트

🌿 🌿 효율을 높이는 공정 설계는 결국 지속가능성과 마주한다
공정의 효율을 높이면 에너지는 절약되지만, 그 과정에서 더 많은 자원이 소모될 수도 있다. 효율이 환경에 미치는 영향을 고려하지 않으면, 짧은 성과가 오히려 긴 부담이 된다. 집에서 사용하는 세제나 식품의 원료가 어떤 과정을 거쳐 만들어지는지 추적해보자. 공정 설계의 방향 하나가 사회 전체의 지속가능성과 맞닿아 있음을 실감하게 될 것이다.

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② 플랜트 엔지니어링

탐구 주제	방법	효과
열교환기 원리 탐구 및 설계 실험	지름이 다른 두 개의 유리관을 이용해 이중관(동심원관) 형태의 열교환기 모형을 제작한다. 따뜻한 물과 찬물을 각각 내관과 환상 공간에 흘려보내며, 입구와 출구의 온도를 측정해 열전달 효율을 계산한다.	화학 플랜트의 주요 장치인 열교환기의 구조와 기본 원리를 이해할 수 있다. 온도 차, 열전달 면적, 흐름 방향에 따른 열전달 효율 변화를 관찰하며 열전달 현상을 체험한다.
간이 연속 혼합 시스템 설계: 색소 혼합 공정 실험	두 가지 색소 용액(예: 파란색과 노란색)을 각각 주사기 또는 병으로 연속적으로 흘려보내며, 일정한 속도로 섞이는 간이 연속혼합기(튜브, Y자 커넥터 등)를 제작한다. 유량에 따른 색 변화와 농도 균일성을 관찰하고 혼합 효과를 분석한다.	혼합(Mixing)은 플랜트 공정의 핵심 단위이다. 연속적으로 공급되는 물질이 유량, 농도, 혼합기 구조 등에 따라 얼마나 잘 혼합되는지 측정·관찰할 수 있다. 물질전달 개념과 장치 설계를 이해하는 데 도움이 되는 실험이다.

○ 열교환기 원리 탐구 및 설계 실험의 한계점
실험 장치에서 발생하는 열손실과 압력 손실 등의 영향을 조절하거나 정밀하게 분석하기 어렵다.
온도와 유량의 정밀 측정이 쉽지 않아 정확한 열전달 효율 계산에 한계가 있다.
또한 온도 변화가 크지 않아 측정값의 오차가 커질 수 있으며, 이를 보완하기 위해 반복 실험이 필요하다.
열전달 장치의 효율을 제대로 검토하려면 열전달 이론에 대한 충분한 이해가 요구된다.

○ 간이 연속 혼합 시스템 설계(색소 혼합 공정 실험)의 한계점
수동식 실험 장치에서는 유량을 일정하게 유지하기 어려워 실험 결과의 일관성이 떨어질 수 있다.
색 변화는 시각적이고 정성적인 수준에 머물기 쉬워, 정량적 농도 분석을 위해서는 색도계나 분광광도계 등 추가 장비가 필요하다.
또한 흐름의 난류·층류 전이, 점성 변화 등 유체역학적 요소를 반영하기 어렵다.

💡 💡 💡 생각을 확장하는 탐구 포인트

수많은 배관과 밸브, 반응기가 연결된 플랜트에서는 작은 조작 실수 하나가 전체 공정을 멈추게 할 수도 있다.
안전 설계는 장비를 설치하는 일이 아니라, 그 장비가 어떻게 운전되고 점검되는지를 설계하는 일이다. 산업단지의 사고 사례를 살펴보면, 완벽한 시스템보다 냉정한 판단이 사고를 막는 경우가 더 많다. 기술이 완벽해질수록, 사람의 역할은 어디까지 남게 될까?

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③ 공정 시뮬레이션 및 제어

탐구 주제	방법	효과
간이 온도제어 시스템 실험	전기히터, 온도센서(디지털 온도계), 아두이노 또는 타이머를 이용해 일정 온도 이상이 되면 히터 전원을 자동으로 차단하도록 설정한다. 냉각 후 재작동하도록 구성해 온도 제어 알고리즘을 체험한다.	제어의 기본 개념인 피드백 제어와 센서 기반 자동화를 직접 실습하면서 온도 안정화의 원리와 시스템 제어의 중요성을 이해할 수 있다.
시뮬레이션 프로그램(PhET 등) 활용 공정 제어 실습	PhET 등 과학교육용 시뮬레이터를 활용해 반응기의 온도와 압력 제어를 가상 실험으로 수행하고, 제어 결과를 예측한다. (예: 냉각 시스템, 압력 제어 등)	실제 실험이 어려운 공정을 가상 환경에서 체험하며, 반응 변수와 제어의 관계를 직관적으로 이해할 수 있다. 디지털 활용 능력 향상에도 도움이 된다.

○ 간이 온도제어 시스템 실험의 한계점
전자회로에 대한 기본 지식이 필요하며, 아두이노 프로그래밍에 익숙하지 않은 학생에게는 접근이 어려울 수 있다. 센서의 반응 속도나 히터의 과열 방지 등 안전 문제가 발생할 가능성이 있어 반드시 교사의 지도하에 수행해야 한다. 정밀한 제어는 어렵지만, 자동제어 원리를 실험적으로 배우고 간단한 코드 및 제어 알고리즘 설계 학습으로 확장할 수 있다.

○ 시뮬레이션 프로그램(PhET 등) 활용 공정 제어 실습의 한계점
시뮬레이션이 실제 공정의 복잡한 변수와 물리적 특성을 충분히 반영하지 못할 수 있다.
또한 고급 시뮬레이터의 경우 영어 기반 인터페이스가 많아 접근이 어렵거나 학습 동기가 떨어질 수 있다.
가상 실습이므로 실제 장비 조작이나 실험 현장의 감각을 체험하기 어렵다는 한계가 있다.

💡 💡 💡 생각을 확장하는 탐구 포인트

🧠 자동화가 완성될수록, 제어의 의미는 더 복잡해진다
데이터 기반 시스템이 스스로 판단할수록 인간의 개입은 줄어들지만, 그만큼 책임의 무게는 커진다.
AI 제어는 효율을 높이지만, 예측할 수 없는 상황에서는 여전히 인간의 판단이 결정적이다. 아두이노를 이용해 간이 온도제어 실험을 진행하며 변수 값을 일부러 바꾸어보자. 시스템이 예상과 다르게 반응할 때, 인간은 어떤 판단을 내려야 할까?

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