공정공학
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1. 개요
공정 공학은 화학 기술을 기반으로 산업 공정을 설계, 분석, 개발, 구축 및 운영하는 학문 분야이다. 18세기 산업 혁명 시기에 다양한 제품 수요 증가에 따라 공정 최적화의 필요성이 대두되면서 발전했다. 주요 분야로는 공정 설계, 공정 제어, 공정 운영, 지원 도구, 공정 경제성, 공정 데이터 분석 등이 있으며, 화학 공학을 기반으로 금속 공학, 농업 공학, 제조 공학 등 다양한 분야로 확장되었다.
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- 공정공학 - 공정 설계
공정 설계는 제품 생산에 필요한 절차, 재료, 설비 등을 결정하는 작업으로, 투자액, 원가, 이익률 결정에 영향을 미치며, 목표와 제약 조건을 고려하여 설계하고 기술 경쟁력 강화 등의 노력이 필요한 산업이다. - 분야별 공학 - 경영공학
경영공학은 과학적 관리법에서 시작하여 공장 생산성 향상을 목표로 발전해왔으며, 현재는 인간공학, 생산공학, 시스템 공학, 경영학 등 다양한 분야를 포괄하는 학문이다. - 분야별 공학 - 원자력공학
핵분열 발견 이후 시작된 원자력공학은 핵반응로 설계 및 건설, 원자력 발전, 방사성 폐기물 관리, 방사선 이용 등 원자력 관련 기술과 학문을 연구하며 에너지 생산 외 의료, 환경 등 다양한 분야에 기여하는 학문이다. - 화학공학 공정 - 디카페인
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건조는 물질 속 수분을 증발시켜 고체나 반고체 상태로 만드는 과정으로, 식품 보존, 화학 실험, 산업 공정, 방송 공학, 생물학 연구 등 다양한 분야에서 활용되며 DNA 손상을 유발하거나 미생물의 저항성을 진화시키기도 한다.
| 공정공학 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 분야 | 화학 공학, 기계 공학, 토목 공학, 생물 공학 |
| 관련 학문 | 수학, 물리학, 화학, 생물학, 컴퓨터 과학 |
| 응용 분야 | 화학 물질, 석유, 에너지, 식품, 의약품, 생명 공학, 재료 공학 |
| 상세 내용 | |
| 목표 | 원료를 가치 있는 제품으로 변환하기 위한 공정 설계, 운영, 제어 |
| 관련 활동 | 공정 설계 공정 개발 공정 최적화 공정 제어 공정 안전 공정 경제성 분석 |
| 핵심 개념 | 물질 수지 에너지 수지 유체 역학 열 전달 물질 전달 화학 반응 공학 분리 공정 공정 제어 |
| 세부 분야 | |
| 주요 분야 | 화학 반응 공학 분리 공정 열 전달 유체 역학 공정 제어 공정 설계 공정 경제성 분석 공정 안전 |
| 관련 분야 | 시스템 공학 제어 공학 산업 공학 재료 공학 환경 공학 생물 공학 나노 기술 |
| 도구 및 기술 | |
| 시뮬레이션 소프트웨어 | Aspen HYSYS ChemCAD gPROMS ModelBuilder MATLAB Simulink |
| 최적화 도구 | GAMS AMPL |
| 프로그래밍 언어 | 파이썬 C++ 포트란 |
| 역사 | |
| 기원 | 화학 산업의 발전과 함께 시작 |
| 발전 | 20세기 초, 석유화학 산업의 성장과 함께 중요한 분야로 부상 |
| 현대 | 컴퓨터 기술 발전과 함께 공정 시뮬레이션 및 최적화 기술 발전 |
| 교육 및 자격 | |
| 학위 | 공학 학사, 공학 석사, 공학 박사 (공정 공학 전공) |
| 자격증 | 각 국가별 관련 기술사 자격증 |
| 주요 학회 및 기관 | |
| 학회 | 미국 화학 공학회 (AIChE) 유럽 화학 공학 연맹 (EFCE) 한국 화학공학회 (KIChE) |
| 기관 | 각 대학의 화학 공학/공정 공학 관련 연구소 정부 출연 연구 기관 |
2. 역사
다양한 화학 기술은 아주 오래 전부터 산업 공정에 사용되어 왔다. 그러나 1780년대에 열역학의 등장과 질량 보존 법칙이 확립된 이후에야 공정 공학이 자체적인 학문 분야로 제대로 발전하고 구현되었다. 현재 공정 공학으로 알려진 지식들은 산업 혁명 기간 동안 시행착오를 통해 만들어졌다.[15]
공정공학은 시스템 특성에 따라 수학 및 컴퓨터 과학을 활용한 시뮬레이션 및 모델링, 열역학 원리와 법칙을 이용한 에너지 및 효율 변화 분석, 유체 역학 및 수송 현상을 이용한 물질과 에너지 흐름 분석 등을 포함한다.[15] 재료 공학 원리도 관련이 있는 경우 적용된다.[15]
산업 및 생산과 관련된 용어 "공정"은 18세기로 거슬러 올라간다. 이 시기에 다양한 제품에 대한 수요가 급격히 증가하기 시작했고, 공정 엔지니어는 이러한 제품을 만드는 공정을 최적화해야 했다.[15]
1980년경에는 다양한 산업 분야에서 화학 공학 기술과 관행이 사용되고 있다는 사실에서 공정 공학의 개념이 등장했다. 이 무렵 공정 공학은 "재료 변화가 일어나는 공정을 최적의 방식으로 설계, 분석, 개발, 구축 및 운영하는 데 필요한 지식의 집합"으로 정의되었다.[15] 20세기 말까지 공정 공학은 화학 공학 기반 기술에서 금속 공학, 농업 공학 및 제조 공학을 포함한 다른 응용 분야로 확장되었다.
3. 주요 분야
공정 공학의 주요 활동 분야는 다음과 같다.[6]분야 설명 공정 설계 에너지 회수 네트워크 합성, 증류 시스템 (공비점) 합성, 반응기 네트워크 합성, 계층적 분해 공정 흐름도, 상부 구조 최적화, 다품종 배치 공장 설계, 플루토늄 생산을 위한 생산 반응기 설계, 핵잠수함 설계 등을 포함한다. 공정 제어 모델 예측 제어, 제어 가능성 측정, 강건 제어, 비선형 제어, 통계적 공정 제어, 공정 모니터링, 열역학 기반 제어 등을 포함한다. 공정 제어는 측정 데이터 모음, 측정 방법 및 원하는 측정을 제어하는 시스템의 세 가지 필수 항목으로 표시된다.[7] 공정 운영 공정 네트워크 스케줄링, 다기간 계획 및 최적화, 데이터 조정, 실시간 최적화, 유연성 측정, 고장 진단 등을 포함한다. 지원 도구 순차 모듈 시뮬레이션, 방정식 기반 공정 시뮬레이션, AI/전문가 시스템, 대규모 비선형 프로그래밍(NLP), 미분 대수 방정식(DAE) 최적화, 혼합 정수 비선형 프로그래밍(MINLP)[8], 전역 최적화, 불확실성 하에서의 최적화[9][10], 품질 기능 전개(QFD)[11] 등을 포함한다. 공정 경제성 ASPEN, Super-Pro와 같은 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 산업 플랜트의 손익분기점, 순현재가치, 한계 판매, 한계 비용, 투자 수익률을 찾는다.[12] 공정 데이터 분석 데이터 분석 및 기계 학습 방법을 공정 제조 문제에 적용한다.[13][14]
3. 1. 공정 설계
공정 공학 분야에서 제조는 공정 합성을 구현하는 단계를 포함한다.[1] 필요한 도구와 관계없이, 공정 공학은 공정 흐름도(PFD)를 사용하여 형식이 지정된다.[15] 공정 흐름도에는 물질 흐름 경로, 저장 장비 (탱크 및 사일로 등), 변환 (예: 증류탑, 리시버/헤드 탱크, 혼합, 분리, 펌핑 등) 및 유량이 지정되며, 모든 파이프 및 컨베이어 목록과 내용물, 밀도, 점도, 입도 분포, 유량, 압력, 온도, 배관 및 단위 조작의 구성 재료와 같은 재료 속성이 포함된다.[15]
공정 흐름도는 실제 발생 공정을 그래픽으로 표시하는 배관 및 계장 다이어그램(P&ID)을 개발하는 데 사용된다. P&ID는 PFD보다 더 복잡하고 구체적으로 설계되었다.[2] P&ID는 프로세스의 작동을 간략하게 설명하는 "시스템 작동 가이드" 또는 "기능 설계 명세"를 개발하기 위한 설계 기준으로 사용된다.[3] 이는 기계 작동, 설계 안전, 프로그래밍 및 엔지니어 간의 효과적인 의사 소통을 통해 공정을 안내한다.[4]
공정 공학 활동은 다음 분야로 나눌 수 있다.[6]3. 2. 공정 제어
공정 제어는 모델 예측 제어, 제어 가능성 측정, 강건 제어, 비선형 제어, 통계적 공정 제어, 공정 모니터링, 열역학 기반 제어를 포함한다. 또한 측정 데이터 모음, 측정 방법 및 원하는 측정을 제어하는 시스템의 세 가지 필수 항목으로 표시된다.[7]
3. 3. 공정 운영
공정 공학 분야에서 제조는 공정 합성을 구현하는 단계를 포함한다.[1] 공정 공학은 공정 흐름도 (PFD)를 사용하여 형식을 지정하며, 여기서 물질 흐름 경로, 저장 장비, 변환 (예: 증류탑, 혼합, 분리, 펌핑 등) 및 유량이 지정되고, 재료 속성이 지정된다.[15]
공정 흐름도는 실제 발생 공정을 그래픽으로 표시하는 배관 및 계장 다이어그램 (P&ID)을 개발하는 데 사용된다. P&ID는 PFD보다 더 복잡하고 구체적으로 설계된다.[2] 그런 다음 P&ID는 프로세스의 작동을 간략하게 설명하는 "시스템 작동 가이드" 또는 "기능 설계 명세"를 개발하기 위한 설계 기준으로 사용된다.[3]
P&ID에서 공정의 제안된 레이아웃은 상단 뷰 (부지 계획) 및 측면 뷰 (고도)로 표시될 수 있으며, 다른 엔지니어링 분야가 관여한다. 모든 이전 작업은 프로젝트 범위를 정의하고, 설계를 설치하기 위한 비용 추정치를 개발하고, 일정을 개발하는 데 목적이 있다.
필요한 비용 추정 및 일정의 정확도에 따라, 여러 차례의 설계 반복이 일반적으로 고객 또는 이해 관계자에게 제공되며, 고객 또는 이해 관계자는 요구 사항을 다시 제공한다. 자금 승인 후, 프로젝트는 프로젝트 관리를 통해 실행된다.[5]
공정 공학 활동은 다음 분야로 나눌 수 있다.[6]3. 4. 지원 도구
공정 공학은 여러 도구와 방법을 활용한다. 여기에는 다음이 포함된다.[6]3. 5. 공정 경제성
공정 경제성[12]은 시뮬레이션 소프트웨어(ASPEN, Super-Pro 등)를 사용하여 공장의 열 및 물질 전달을 분석한 후 산업 플랜트의 손익분기점, 순현재가치, 한계 판매, 한계 비용, 투자 수익률을 찾는 것을 포함한다.[12]
3. 6. 공정 데이터 분석
공정 데이터 분석은 데이터 분석 및 기계 학습 방법을 공정 제조 문제에 적용하는 것을 말한다.[13][14]
4. 관련 학회
- 화학공학회
- 계측자동제어학회
- 일본화학공학회
참조
[1]
논문
An Overview of Chemical Process Design Engineering
[2]
웹사이트
Learn How to Read P&ID Drawings - A Complete Guide
https://hardhatengin[...]
2017-11-03
[3]
뉴스
Functional Design Specification
https://scottmanning[...]
2006-04-02
[4]
웹사이트
Piping and Instrument Diagrams
https://www.aiche.or[...]
2019-09-11
[5]
서적
Modelling and management of engineering processes
Springer
2010
[6]
웹사이트
Research Challenges in Process Systems Engineering
http://egon.cheme.cm[...]
2023-11-17
[7]
서적
A-to-Z Guide to Thermodynamics, Heat and Mass Transfer, and Fluids Engineering
Thermopedia
2019-09-15
[8]
논문
Mixed-integer nonlinear programming 2018
[9]
논문
Optimization under uncertainty: State-of-the-art and opportunities
[10]
논문
Optimization under uncertainty in the era of big data and deep learning: When machine learning meets mathematical programming
[11]
웹사이트
Building a Better Delivery System: A New Engineering/Health Care Partnership
https://www.ncbi.nlm[...]
2019-09-15
[12]
서적
Process engineering economics
Marcel Dekker
2003
[13]
웹사이트
Topical Collection: Process Data Analytics
https://www.mdpi.com[...]
2023-11-17
[14]
논문
Data Analytics and Machine Learning for Smart Process Manufacturing: Recent Advances and Perspectives in the Big Data Era
[15]
서적
Process engineering and industrial management
ISTE
2012
[16]
간행물
Research Challenges in Process Systems Engineering
[17]
서적
Process engineering and industrial management
ISTE Ltd.
2012
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