화학공학
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1. 개요
화학공학은 단위 조작 개념의 발전과 함께 시작되어, 산업 혁명 시기 화학 제품 생산의 효율성을 높이기 위해 발전했다. 1920년대 단위 조작 개념이 정립되었고, 1940년대에는 반응 공학, 1960년대에는 이동 현상론과 분체 공학, 1970년대에는 공정 시스템 공학이 등장하며 학문적 기반을 다졌다. 주요 분야로는 이동 현상론, 반응 공학, 분리 공학, 공정 시스템 공학, 공정 제어 등이 있으며, 생물 화학 공학도 화학 공학의 중요한 분야로 다루어진다. 화학공학은 바이오, 환경, 재료, 의료 등 다양한 분야에 응용되며, 컴퓨터 과학 및 유전 공학의 발전과도 연관되어 미래에도 지속적인 발전을 이룰 것으로 기대된다.
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| 화학공학 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 학문 분야 | 공학 |
| 주요 개념 | 공업 엔지니어 과정 단위 조작 속도론 이동 현상 단위 공정 화학 플랜트 반응기 분리 공정 열 이동 물질 전달 유체 동역학 공정 설계 공정 제어 화학 열역학 반응 공학 |
| 관련 직업 | 화학 엔지니어 |
| 상세 정보 | |
| 연구 분야 | 화학 플랜트의 운영 및 설계 |
2. 역사
화학 공학은 단위 조작이라는 핵심 개념의 발전과 함께 등장했다. 조지 E. 데이비스는 1887년 맨체스터 기술 학교에서 단위 조작에 관한 일련의 강의를 했는데, 이는 화학 공학에 관한 초기 강의 중 하나로 여겨진다. 데이비스는 단위 조작의 개념을 만들었지만, 그 이전에 헨리 에드워드 암스트롱도 화학 공학 학위 과정을 가르쳤으나 실패했다.[1]
산업 혁명으로 영국에서는 화학 제품의 양과 질에 대한 요구가 급증했고, 생산 공정을 효율적이고 대규모로 만들 필요성이 생겼다. 1800년대 중반부터 공업 화학이 발전했지만, 대규모 화학 공정 제어에 공학적 방법이 유용하다는 생각은 1880년대에 이르러서야 나타났다.
미국에서는 제1차 세계 대전 전후 내연 기관 발달과 석유 화학 산업의 필요성으로 유기 화학 제품의 대량 생산이 요구되었다. 각 플랜트에서의 실제 처리는 경험이나 감에 의존했기 때문에, 최적의 플랜트를 설계하는 학문이 필요했다. 반응, 분리, 정제와 같은 물리적 처리를 정리하고, 프로세스를 합리적으로 구성하려는 시도가 이루어졌고, 단위 조작 개념이 제시되었다. 이를 통해 개별 제조 체계를 단위 조작의 조합으로 보고 같은 학문으로 연구하는 것이 가능해졌다.
1940년대에는 반응에 관한 연구가 중요해져 반응 공학이 생겨났고, 1960년대에는 각 단위 조작에 공통적인 문제를 연구하기 위해 이동 현상론과 분체 공학이 성립되었다. 1970년대에는 프로세스 전체를 다루는 공정 시스템 공학이 만들어지면서 화학 공학은 화학 공업의 프로세스를 종합적으로 연구하는 학문으로 확립되었다.
메이지 시대 일본에서는 독일을 모범으로 삼아 공업 화학 과목을 도입했다. 이 과목은 산업계 화학자 육성을 목표로 했기 때문에, 연구 중심은 산업계에서의 화학이었다. 제2차 세계 대전 직전 미국의 화학 공학 개념이 일본에 수입되었고, 교토 대학, 도호쿠 대학, 도쿄공업대학 등에서 화학 공학과(당시 화학 기계과)가 설치되었다. 전후 많은 대학에서 비슷한 학과가 설치되어 일본 석유 화학 산업 발전에 기여했다. 1990년 전후로 많은 대학의 화학 공학과가 개편되어, 현재는 화학 공학이라는 학과명은 줄어들고 다른 명칭을 사용하는 대학이 많다.
미국 화학 공학 교과서는 실용주의 영향으로 경제 계산, 특히 프로젝트 경제에 많은 부분을 할당한다. 그러나 일본 교과서에서는 이러한 내용이 거의 없는데, 이는 화학 공학이 일본에 전해질 때 아카데미즘의 영향을 받은 것으로 보인다.
2. 1. 화학공학의 태동과 발전
화학 공학은 화학 공학의 근본 개념인 단위 조작의 발전과 함께 나타났다. 영국의 컨설턴트였던 조지 E. 데이비스는 1887년에 맨체스터 기술 학교에서 단위 조작에 관한 일련의 강의를 했는데, 이는 화학 공학에 관한 초기 강의 중 하나로 여겨진다.[1] 1910년경에는 "화학 기술자"라는 직업이 이미 영국과 미국에서 널리 사용되었다.[2]
1940년대에는 단위 조작만으로는 화학 반응기 개발에 충분하지 않다는 것이 분명해졌다. 이에 수송 현상에 더 큰 초점이 맞춰지기 시작했고, 공정 시스템 공학 (PSE)과 같은 새로운 개념과 함께 "두 번째 패러다임"이 정의되었다. 수송 현상은 화학 공학에 시스템 분석 접근 방식을 제공했고, PSE는 제어 시스템 및 공정 설계와 같은 합성 요소에 중점을 두었다.
제2차 세계 대전 전후의 화학 공학 발전은 주로 석유 화학 산업에 의해 촉진되었지만, 다른 분야에서도 발전이 이루어졌다. 1940년대의 생화학 공학 발전은 제약 산업에 적용되어 페니실린과 스트렙토마이신을 포함한 다양한 항생제의 대량 생산을 가능하게 했다.[3] 1950년대의 고분자 과학의 진보는 "플라스틱 시대"를 열었다.[4]
화학 대규모 제조 시설의 안전 및 환경 영향에 대한 우려도 제기되었다. 1962년에 출판된 ''침묵의 봄''은 DDT의 유해한 영향에 대해 경고했다.[5] 1974년 플릭스보로 재해와 1984년 보팔 참사는 산업 안전과 환경 보호에 더 많은 초점을 맞추게 했다. IChemE는 1982년 이후 인증하는 모든 학위 과정에 안전을 포함하도록 요구했다. 1970년대까지 여러 국가에서 관련 법률 및 감시 기관이 설립되었다. 시간이 지남에 따라, 화학 및 기타 공정 제조 플랜트에 안전 원칙을 체계적으로 적용하는 것이 공정 안전 분야로 간주되기 시작했다.[6]
컴퓨터 과학의 발전은 공장 설계 및 관리에 적용되어 이전에는 수동으로 수행해야 했던 계산과 도면을 단순화했다. 인간 게놈 프로젝트의 완료 역시 유전 공학 및 유전체학뿐만 아니라 화학 공학의 발전을 이끈 주요 발전으로 여겨진다. 화학 공학 원리는 대량의 DNA 염기 서열을 생산하는 데 사용되었다.
영국의 산업 혁명에 따라 화학 제품의 양과 질에 대한 요구가 급증하면서 생산 공정의 효율화와 대규모화가 필요해졌다. 공업 화학은 1800년대 중반부터 발전했지만, 대규모 화학 공정 제어에 공학적 방법이 유용하다는 발상은 1880년대까지 나타나지 않았다. 1887년 조지 E. 데이비스가 맨체스터 기술 학교(후의 맨체스터 대학교)에서 화학 산업에 있어서 실용적인 방법에 대한 일련의 강의를 하였는데, 이때 화학 공학이 학문 분야로 성립되었다고 여겨진다.[10]
미국에서는 제1차 세계 대전 전후, 내연 기관의 발달과 석유 화학 산업의 필요성으로 유기 화학 제품의 대량 생산이 요구되었다. 단위 조작 개념이 제창되면서 개별 제조 체계를 단위 조작의 조합으로 간주하여 같은 학문으로 연구하는 것이 가능해졌다. 화학 공학의 최초의 텍스트는 W. H. Walker, W. K. Lewis, W. H. McAdams 등에 의한 「Principles of Chemical Engineering」(1923)으로 여겨진다.[11]
1940년대에는 프로세스의 중심이 되는 반응에 관한 연구가 불가피해져 반응 공학이 생겨났다. 1960년대에는 각 단위 조작에 공통적인 문제를 연구하기 위해 이동 현상론과 분체 공학이 성립되었다. 1970년대에 프로세스 전체를 다루는 공정 시스템 공학이 만들어지면서, 화학 공업의 프로세스를 종합적으로 연구하는 학문으로서 화학 공학은 확립되었다.
2. 2. 한국 화학공학의 역사
메이지 시대의 학제에서 제국대학 등은 그 모범을 주로 독일에 두었다. 그중 화학이라는 학문 중 하나로서, 공업 화학이라는 과목이 도입되었다.이 과목은 산업계의 화학자를 육성한다는 이념에 기초했기 때문에, 연구의 중심은 산업계에서의 화학이었다.
제2차 세계 대전 직전에 미국의 대학에서 화학공학의 개념이 일본에 수입되었고, 교토 대학, 도호쿠 대학, 도쿄공업대학 등에서 화학공학과 (당시에는 화학 기계과라고 불렸다)가 설치되었다. 게다가 전후 많은 대학에서도 비슷한 학과가 설치되어 특히 전후 일본의 석유 화학 산업 발전에 기여했다.
각 대학의 화학공학과는 1990년 전후로 개편된 곳이 많아, 현재 화학공학이라는 학과명은 줄어들고 있다. 화학 시스템 공학과 (도쿄 대학 등), 물질공학과, 프로세스 공학과, 생물 화학공학과, [https://tuat-chemphys.net/ 화학 물리 공학과] (도쿄 농공대학) 등을 명칭으로 하는 대학이 많다.
미국에서는 실용주의의 기풍이 강하여, 화학공학 교과서에서는 대개 전반부에 경제 계산, 특히 프로젝트 경제에 1장부터 여러 장이 할당되는 것이 보통이다. 그러나 이러한 장들은 일본의 화학공학 교과서에서는 거의 빠져 있으며, 화학공학이 일본에 전해질 때, 어떤 아카데미즘의 영향을 받은 것으로 추측된다.
3. 화학공학의 주요 분야
화학공학은 "어떻게 만들 것인가"라는 제조 방식을 조직하는 학문으로, 공업화학이 "무엇을 만들 것인가"를 다루는 것과 대비된다. 화학 공업에서 제품을 효율적이고 안전하게 생산하기 위해서는 화학적 지식 외에도 다양한 공학적 지식이 필요하다.[13]
화학공학은 다음과 같은 주요 분야를 기초로 하며, 바이오, 환경, 재료, 의료 등 다양한 분야에 응용되어 그 범위를 넓혀가고 있다.
| 분야 | 설명 |
|---|---|
| 이동 현상론 | 물질, 운동량, 에너지(열)의 수송에 대한 연구 |
| 반응 공학 | 반응기의 선정 및 반응의 최적 조건에 대한 연구 |
| 분리 공학 | 증류, 추출, 가스 흡수, 흡착, 막 분리, 건조, 정석 등 분리 방법, 장치, 조건에 대한 연구 |
| 공정 시스템 공학 | 공정의 설계 및 운전과 그 최적화에 관한 지식을 다루는 연구 |
| 공정 제어 공학 | 공정의 제어에 관한 연구 (공정 시스템 공학의 한 분야로 간주되기도 함) |
| 생물 화학 공학 | 발효를 이용하는 화학 공업에 대한 화학 공학 |
화학 공학자는 화학과 공학 지식을 활용하여 원자재를 유용한 제품으로 변환하는 대규모 산업 공정을 개발하고, 폐기물 관리 및 연구에도 참여한다. 이들은 프로젝트 엔지니어로서 공장 설계 및 건설에 참여하거나, 공장 운영 관리자로 참여하여 문제 해결 및 설비 개선 등의 역할을 수행한다.[9]
화학 플랜트 설계 및 안전 운전을 위해서는 기계공학 지식뿐만 아니라 화학 반응에서 발생하는 열, 반응 후 물질 분리 등의 화학 지식이 필수적이다. 화학공학은 실험실에서의 화학과 공업 플랜트에서의 기계공학을 연결하는 학문이라고 할 수 있다.
화학 공학의 주요 개념은 다음과 같다.
- 적절한 반응기 설계 및 원료 공급, 온도 관리, 반응 시간 조절
- 생성물 분리 및 정제, 미사용 원료 회수 및 재활용
- 공정 제어를 통한 안전 수치 유지 (온도, 압력, 내용량 등)
- 저비용 제조 및 판매
- 폐기물 배출 규제 준수 및 환경 보호
3. 1. 단위 조작 (Unit Operation)
단위 조작은 개별 화학 공정에서 수행되는 물리적 단계이다. 단위 조작(예: 결정화, 여과, 건조, 증발)은 반응물을 준비하고, 생성물을 정제 및 분리하며, 소모되지 않은 반응물을 재활용하고, 반응기 내의 에너지 전달을 제어하는 데 사용된다.[13] 반면에 단위 공정은 단위 조작에 해당하는 화학적 단계이다. 단위 조작과 함께 단위 공정은 공정 운영을 구성한다. 단위 공정(예: 질산화 반응, 수소화 반응, 산화 반응)은 생화학, 열화학 및 기타 수단을 통해 물질의 전환을 수반한다. 이러한 공정을 담당하는 화학 엔지니어를 공정 엔지니어라고 한다.3. 2. 반응 공학 (Reaction Engineering)
반응 공학은 반응기의 선정 및 반응의 최적 조건에 대한 연구를 다룬다.3. 3. 이동 현상론 (Transport Phenomena)
이동 현상을 설계하거나 분석하는 것은 여러 산업에 적용하는 데 필수적이다. 이동 현상은 각각 운동량 전달, 에너지 전달과 화학종의 수송에 의해 주로 좌우되는 유체 역학, 열·질량 전달을 포함한다.수송 현상의 모델링과 분석은 많은 산업 응용 분야에 필수적이다. 수송 현상은 주로 운동량 전달, 에너지 전달, 화학종의 수송에 의해 지배되는 유체 역학, 열전달, 물질 전달을 포함한다. 모델은 종종 거시적, 미시적, 분자 수준 현상에 대한 별도의 고려 사항을 포함한다. 따라서 수송 현상의 모델링에는 응용 수학에 대한 이해가 필요하다.
3. 4. 공정 시스템 공학 (Process Systems Engineering)
공정 시스템 공학은 공정의 설계, 운전 및 최적화에 관한 지식을 다루는 연구 분야이다.[13] 공정 제어 공학은 공정 시스템 공학의 한 분야로 간주되기도 한다.화학 공정 제어는 전문적으로는 기계 계통의 학문이지만, 화학공학 지식이 필수적인 경우가 많다. 예를 들어 온도에 따른 부피 변화가 큰 액체를 밀폐된 탱크에 일정량 저장하는 경우, 액체 레벨을 제어하기 위해 유입/유출량으로 제어해야 할지, 온도로 제어해야 할지는 화학공학 지식을 가진 사람이 아니면 판단하기 어렵다. 따라서 공정에 제어 시스템을 구현할 때, 실제로 설계하는 기계 분야 전문가와 화학 공정 사이에 들어가 보완하기 위한 지식을 배우는 것이 중요하다.
3. 5. 생물 화학 공학 (Biochemical Engineering)
1940년대 생화학 공학 발전은 제약 산업에 적용되었으며, 페니실린과 스트렙토마이신을 포함한 다양한 항생제의 대량 생산을 가능하게 했다.[8] 발효를 이용하는 화학 공업에 대한 화학 공학이 생물 화학 공학이다. 이것은 화학 공학의 성립 과정에서 생화학이 특수한 위치를 차지하고 있기 때문에 이렇게 전문적으로 다루어지고 있다.4. 화학공학과 관련된 주요 기관 및 학회
- 미국 화학 공학회(American Institute of Chemical Engineers)
- 캐나다 화학 협회(Chemical Institute of Canada)
- 유럽 화학 공학 연맹(European Federation of Chemical Engineering)
- 인도 화학 공학회(Indian Institute of Chemical Engineers)
- 화학 공학 기술자 협회(Institution of Chemical Engineers)
- 흑인 화학자 및 화학 공학자의 전문적 발전을 위한 전국 기구(National Organization for the Professional Advancement of Black Chemists and Chemical Engineers)
5. 한국 화학공학의 미래
- 생화학 공학
- 생물정보학
- 생명 공학
- 생체 공학
- 생체분자 공학
- 생물 공정 공학
- 촉매
- 세라믹
- 화학 공정 모델링
- 화학 반응기
- 화학 기술자
- 화학 무기
- 화학정보학
- 전산 유체 역학
- 부식 공학
- 원가 추정
- 지진 공학
- 전기화학
- 전기화학 공학
- 환경 공학
- 피셔-트롭쉬 합성
- 유체 역학
- 식품 공학
- 연료 전지
- 가스화
- 열전달
- 산업용 촉매
- 산업 화학
- 산업 가스
- 물질 전달
- 재료 과학
- 야금학
- 미세유체역학
- 광물 처리
- 분자 공학
- 나노기술
- 자연 환경
- 천연 가스 처리
- 핵 재처리
- 석유 탐사
- 정유 공장
- 제지 공학
- 석유 공학
- 제약 공학
- 플라스틱 공학
- 고분자
- 공정 제어
- 공정 설계
- 공정 개발
- 공정 공학
- 공정 소형화
- 공정 안전
- 반도체 소자 제조
- 분리 공정 (참고: 혼합물 분리)
- * 결정화 공정
- * 증류 공정
- * 막 공정
- 합성 가스 생산
- 섬유 공학
- 열역학
- 수송 현상
- 단위 조작
- 수처리 기술
참조
[1]
학술지
George E. Davis memorial lecture
1953
[2]
뉴스
Chemical Engineers Who Changed the World: Meet the Daddy
http://www.thechemic[...]
2012
[3]
학술지
In retrospect: Silent Spring
2012-05-31
[4]
학술지
Disasters as Heuristics? A Case Study
https://ajem.infoser[...]
1999-09-01
[5]
서적
Introduction to Process Safety for Undergraduates and Engineers
John Wiley & Sons
[6]
간행물
"Project Engineering: Interdisciplinary Coordination and Overall Engineering Quality Control"
American Society for Engineering Management
Oct. 19-22
[7]
웹사이트
What Do Chemical Engineers Do?
http://chemistry.abo[...]
[8]
학술지
On the design and operation of solar photo-Fenton open reactors for the removal of contaminants of emerging concern from WWTP effluents at neutral pH
https://www.scienced[...]
2019-11-05
[9]
학술지
Palladium-based Catalytic Membrane Reactor for the continuous flow hydrodechlorination of chlorinated micropollutants
https://www.scienced[...]
2021-09-15
[10]
학술지
Seventy-Five Years of Chemical Engineering
https://engineering.[...]
Purdue University
[11]
학술지
화학공학은 "절멸위기학과"인가
http://shop.jsme.or.[...]
일본기계학회
2024-04-05
[12]
웹인용
화학 공학
https://stdict.korea[...]
2024-04-18
[13]
서적
Annual International Conference of the American Society for Engineering Management 2011 (ASEM 2011) : Lubbock, Texas, USA, 19-22 October 2011.
https://www.worldcat[...]
American Society for Engineering Management
2011
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