화학플랜트 chemical plant 화학반응을 제조원리의 중심으로 한 제조공정을 총칭하지만, 이는 꼭 엄밀한 것이 아니고 그 제품이 식품이면 식품 플랜트라고도 불리우며, 석유정제의 일부에서는 반응조작이 동반되지 않지만 화학플랜트라고 불린다. 화학원료는 완전하게 순수한.

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1 화학플랜트 chemical plant 화학반응을 제조원리의 중심으로 한 제조공정을 총칭하지만, 이는 꼭 엄밀한 것이 아니고 그 제품이 식품이면 식품 플랜트라고도 불리우며, 석유정제의 일부에서는 반응조작이 동반되지 않지만 화학플랜트라고 불린다. 화학원료는 완전하게 순수한 것이 아닌 다소의 차이는 있으나 불순물이 존재하며, 이것이 경우에 따라서는 반응의 저해요인 및 촉매 독이 되는 경우도 있고, 제품에 혼입되면 품질에 악영향을 파급시킬 우려도 있다. 따라서, 반응기에 공급하기 전에 원료중의 유해성분을 없애는 조작이 필요하게 되며, 이것이 ‘전처리’이다. 일반적으로 화학반응에는 화학평형이 존재하기 때문에 무한으로 시간을 걸어도 원료의 전량을 완전하게 제품으로 변화시키기는 불가능하다. 또, 소금을 전기분해해서 수산화나트륨(가성소다)를 제조하는 반응에서는 동시에 수소와 염기가 발생한다든지 이와 같은 부산물을 동반하는 경우가 많다. 목적물질을 제품으로서 만들어내기 위해서는 불순물 및 미반응물을 제거하는 ‘후처리’ 정제공정이 필요하게 된다. 이와같은 반응기의 전후에 설치되는 정제장치 또는 회수장치는 증류탑이 일반적이므로 화학 플랜트에서는 탑이 숲처럼 늘어서 있는 것처럼 보인다. 증류조작의 원리는 탑저에서 비등한 증기와 탑정에서 응축한 액이 탑 중의 각단에서 접촉하여 가벼운 성분을 증발시키고 무거운 성분을 응축시킴으로써 각각 응축하는 것이다. 원리는 합리적이고 범용성이 풍부하기 때문에 널리 이용되는 분리 조작이다. 화학 플랜트를 위한 공학이 화학공학으로서 시작된 기원은 미국 매사추세츠 공과대학에서 발전된 단위조작이라는 개념이다. 증류탑, 열교환기 등 화학 플랜트에서 사용되는 장치는 사용 물질 및 반응에 고유한 것이 아닌, 크기 및 성능은 달라도 각 기능, 즉 조작은 공통이란 점에서 주목하여 이것을 구성요소의 단위로 한 단위조작(unit operations)이라고 이름을 붙였다. 현재의 화학공학에서도 단위조작은 중요한 공학체계로 생각되고 있다. 단위조작으로서는 예를 들어 유동, 열전달, 증류, 추출, 건조, 흡수, 흡착, 분쇄 등 20 가지 이상을 꼽을 수 있다. 즉, 대략적으로 말해서 화학플랜트의 구조는 단위조작이 배관에 의해 결합되어 있다는 개념이 가능하다. 화학 플랜트의 구조에 대한 결정적인 또 하나의 조건은 연속조작인가, 회분조작인가이다. 연속조작은 원료가 연속으로 공급되어 제품이 다른 쪽에서 배출되는 방식이고, 기본적으로 모든 장치가 일년 내내 일정 조건으로 운전되는 경우가 적지않다.

2 화학플랜트 chemical plant 회분조작에서는 플라스틱 재료인 고분자 폴리머 제조처럼 다품종, 다제품을 동일한 장치로 제조하는 경우에 각 제품마다 투입, 제조, 산출이 반복된다. 화학공정(프로세스) 설계는 우선 조작의 흐름에 따른 기본적인 장치구성의 구조가 결정된 것으로부터 시작된다. 이것은 흐름도(플로우시트)라고 부르며 도면으로 표현되는데, 필요한 기기 및 구조적인 위치관계를 알 수 있다. 단지 프로세스의 구조를 결정하는 논리적인 방법론은 지금도 체계화되지 않으며, 과거의 같은 모습인 프로세스의 실 예를 정리한 경험법칙에 기본을 두고 결정되는 실정이다. 플로우시트는 따로 PID(piping & instrumentation diagram)라로 불리는 그림을 쓰는 것이 일반적이다. 이름이 말하듯 배관과 계장에 관한 정보가 상세히 플로우시트 위에 쓰여진 그림이고, 제어루프 및 계측점, 기록계 등의 구조가 구체적으로 표시되어 있으므로 실제의 플랜트를 운전하는 경우에 더욱 중요한 정보가 된다. 플랜트의 각 구조요소인 장치를 어떻게 배치하는가의 정보는 플로우시트나 PID 부터 읽어내기 어려우므로, 각 설비의 레이아웃을 평면도로서 나타낸 그림이 사용되어지고 있으며, 이것은 플롯플랜이라고 부른다. 각 장치간의 거리 및 위치관계는 작업성 등의 다른 보안거리, 기타 법규의 문제가 있으므로 엄밀을 기할 필요가 있고, 경우에 따라서는 3차원 축소모형을 작성하여 검토가 이루어지기도 한다. 플로우시트가 결정되면, 특히 연속 프로세스에서는 각 설비에 있어서 물질의 각 성분에 관한 균형(수지)계산이 이루어져, 프로세스 전체에 관한 정합성을 띤 물질의 흐름이 요구된다. 균형계산은 단위시간당 장치에의 유입량과 유출량과의 차가 장치 내 축적량과 반응 소실 양의 합과 같은 것을 말하는 보존 법칙이 성립되는 것이며, 일반적으로 적용 가능한 관계식에 기본을 두고 있다. 연속조작의 경우는 축적 속도가 0 이므로, 균형방정식은 로그방정식이 된다. 프로세스에 의한 평형관게로부터 반응이 충분히 진행되지 않기 때문에 반응후의 제품을 회수한 나머지의 미반응 성분을 또 다시 반응기에 공급하는 소위 리사이클링을 행하는 경우가 있고, 전형적인 예가 암모니아 합성 프로세스이나, 이 경우에는 복잡한 연립방정식을 풀 필요가 있다. 반응 및 증류 이외의 조작을 실시하기 위해서 물질 고유의 효율이 좋은 온도 및 압력조건을 유지하는 것이 필요하다.

3 화학플랜트 chemical plant 이 온도범위는 넓어서, 예를 들어 나프타의 열분해에 의한 에틸렌 제조 프로세스에사 나프타는 1000˚C 가까이에서 분해되고 생성된 저분자 탄화수소를 분리 정제하는데는 -103˚C 부터 -60˚C 라는 저온의 냉각 분리가 행해진다. 압력 범위가 넓고 저압 고온에서 분해되기 쉬운 물질 및 극고온 비등 물질 등의 증류는 진공에서 실시되며, 극고압의 예로서 에틸렌을 3000 기압으로 중합하는 프로세스가 있다. 처리 유체를 소정의 온도까지 가열하거나 냉각하는 조작에 더하여, 증발잠열 및 반응열 등 발열이나 흡열을 동반하는 경우에는 상당한 열량을 공급 또는 제거하여야 한다. 고온 가열하는 경우에 보일러와 같은 모습의 직화 구조의 가열로에 의하고, 증류처럼 비교적 저온 조작은 보통 가열에는 수증기, 냉각에는 공업용수 또는 해수가 사용된다. 냉각될 유체와 가열될 유체의 온도수준과 열량의 적당한 조합이 있으면, 이 사이에서 열교환이 이루어져 에너지절약이 이루어진다. 가압은 압축기로 하지만, 감압의 경우에는 감압밸브로 조절되어 아주 고온고압에 있으면, 예를 들어 터빈 등에 의해 동력회수가 행해진다든지, 비용의 제약으로부터 열회수 등은 채용되지 않는다. 화학 프로세스에서는 유체가 여러 종류의 장치를 복잡하게 흐르므로, 이 흐름의 상태를 감시하면서 운전하기 때문에 중앙제어실에서의 집중관리가 오래 전부터 실현되고 있다. 디지털 방식의 분산형 제어 시스템이 실현되고 다른 컴퓨터 시스템과의 교신이 가능하게 되어 단순히 루프 제어의 기능에 머물지 않고, 소위 CIM(computer integrated manufacturing)의 구축이 실현되고 있다. 화학 플랜트에서는 대량의 가연물을 다루기 때문에, 안전관리는 더욱 중요한 문제이다. 지금까지의 사고원인을 보면 설비에 기인하는 것과 인간의 실수(미스)에 기인하는 것이 약 반이며, 설비 결함의 검출에는 운전중검사기술(OSI, on stream inspection)의 도입이 발전되고 있고, 인간실수의 방지에는 위험예지훈련, 훈련용 플랜트 시뮬레이터를 채용하고 있는 곳이 많아지고 있다. 설비관리용어사전(김국, 박상돈)