단위 조작
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1. 개요
단위 조작은 화학 공학에서 다양한 화학 산업 공정을 동일한 물리 법칙으로 설명하고 분류하는 개념이다. 1916년 아서 드혼 리틀에 의해 처음 제시되었으며, 1923년 윌리엄 H. 워커, 워렌 K. 루이스, 윌리엄 H. 맥애덤스에 의해 《화학 공학의 원리》에서 구체화되었다. 단위 조작은 유체 흐름, 열전달, 물질 전달, 열역학적, 기계적 공정 등 다섯 가지 범주로 나뉘며, 혼합, 분리, 반응과 같은 여러 범주의 요소를 포함하기도 한다.
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| 단위 조작 | |
|---|---|
| 단위 조작 | |
 | |
| 유형 | 화학 공학 |
| 관련 주제 | 화학 공정, 화학 반응, 분리 공정 |
| 하위 분야 | 화학 공정 설계, 공정 제어 |
| 기본 정보 | |
| 정의 | 화학 공정에서 물리적 또는 화학적 변화를 일으키는 기본 단계 |
| 목적 | 원료를 원하는 제품으로 변환 |
| 특징 | 물질의 조성 변화는 없음 |
| 예시 | 증류 결정화 증발 여과 중합 |
| 분류 | |
| 유체 흐름 공정 | 펌프 압축 침강 여과 혼합 유체 이송 |
| 열 전달 공정 | 증발 응축 |
| 물질 전달 공정 | 기체 흡수 흡착 추출 습도 조절 결정화 막 분리 |
| 기계적 공정 | 고체 이송 분쇄 체질 분쇄 분리 |
| 응용 분야 | |
| 화학 공정 | 다양한 화학 제품 생산 공정 |
| 식품 산업 | 식품 가공 및 생산 공정 |
| 제약 산업 | 의약품 생산 공정 |
| 환경 공학 | 오염 물질 제거 및 정화 공정 |
2. 역사
과거에는 다양한 화학 산업이 서로 다른 산업 공정으로 간주되었으며 서로 다른 원칙을 따랐다. 아서 드혼 리틀은 1916년에 산업 화학 공정을 설명하기 위해 "단위 조작"이라는 개념을 개발했다.[1]
이 개념을 통해 제품 제조 과정(프로세스)을 재고하면서, 이전에는 더 나은 프로세스를 목표로 한 개선이 초점을 맞추기 어려웠고 기술자의 감각에 의존하는 부분이 컸다. 단위 조작은 그 프로세스를 반응, 그리고 각종 분리법의 조합으로 이해하고, 필요한 개선점을 명확히 하는 개념으로서 고안되었다.
더욱이, 알코올의 증류와 석유의 분류 등, 서로 다른 분야에서의 동일한 단위 조작이 같은 기초 방정식에 기초하여 정량화된다는 것이 밝혀지면서, 분야를 넘어선 특정 단위 조작에 대한 연구가 이루어지게 되었다.
2. 1. 단위 조작 개념의 등장
과거에는 다양한 화학 산업이 서로 다른 산업 공정으로 간주되었으며 서로 다른 원칙을 따랐다. 아서 드혼 리틀은 1916년에 산업 화학 공정을 설명하기 위해 "단위 조작"이라는 개념을 개발했다.[1] 1923년, 윌리엄 H. 워커, 워렌 K. 루이스, 윌리엄 H. 맥애덤스는 ''화학 공학의 원리''를 저술하며, 다양한 화학 산업에서 동일한 물리 법칙을 따르는 공정이 존재함을 설명했다.[2] 그들은 이러한 유사한 공정들을 단위 조작으로 묶었다. 각 단위 조작은 동일한 물리 법칙을 따르며 모든 관련 화학 산업에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 사용 목적, 시장 또는 제조업체가 매우 다르더라도, 네이팜탄이나 죽을 섞기 위한 믹서를 설계하는 데 동일한 공학 지식이 필요하다. 단위 조작은 화학 공학의 기본 원리를 형성한다.이 개념을 통해 제품 제조 과정(프로세스)을 재고하면서, 이전에는 더 나은 프로세스를 목표로 한 개선이 초점을 맞추기 어려웠고 기술자의 감각에 의존하는 부분이 컸다. 단위 조작은 그 프로세스를 반응, 그리고 각종 분리법의 조합으로 이해하고, 필요한 개선점을 명확히 하는 개념으로서 고안되었다.
더욱이, 알코올의 증류와 석유의 분류 등, 서로 다른 분야에서의 동일한 단위 조작이 같은 기초 방정식에 기초하여 정량화된다는 것이 밝혀지면서, 분야를 넘어선 특정 단위 조작에 대한 연구가 이루어지게 되었다.
2. 2. 화학 공학 원리의 확립
역사적으로, 각기 다른 화학산업들은 각기 다른 산업 공정으로 간주되었으며 각기 다른 원리가 수반되었다. 1916년 아서 드혼 리틀은 산업화학공정을 설명하기 위해 "단위 조작"이라는 개념을 개발했다.[3][1] 1923년, 윌리엄 H. 워커, 워렌 K. 루이스, 윌리엄 H. 맥애덤스는 《화학 공학의 원리》를 저술하며, 다양한 화학 산업에서 동일한 물리 법칙을 따르는 공정이 존재함을 설명했다.[2] 그들은 이러한 유사한 공정들을 단위 조작으로 묶었다. 각 단위 조작은 동일한 물리 법칙을 따르며 모든 관련 화학 산업에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 사용 목적, 시장 또는 제조업체가 매우 다르더라도, 네이팜탄이나 죽을 섞기 위한 믹서를 설계하는 데 동일한 공학 지식이 필요하다. 단위 조작은 화학 공학의 기본 원리를 형성한다.이 개념을 통해 제품 제조 과정(프로세스)을 다시 생각하면서, 이전에는 더 나은 프로세스를 목표로 한 개선이 초점을 맞추기 어려웠고 기술자의 감각에 의존하는 부분이 컸으나, 프로세스를 반응 및 각종 분리법의 조합으로 이해하고 필요한 개선점을 명확히 하는 개념으로서 단위 조작이 고안되었다.
더욱이, 알코올의 증류와 석유의 분류 등, 서로 다른 분야에서의 동일한 단위 조작이 같은 기초 방정식에 기초하여 정량화된다는 것이 밝혀지면서, 분야를 넘어선 특정 단위 조작에 대한 연구가 이루어지게 되었다.
3. 단위 조작의 종류
화학 공학에서 단위 조작은 크게 다섯 가지 범주로 나눌 수 있다.
| 종류 | 내용 |
|---|---|
| 유체 흐름 공정 | 유체 수송, 여과, 고체 유동층 등을 다룬다. |
| 열전달 공정 | 증발 및 열교환 등이 여기에 속한다. |
| 물질 전달 공정 | 가스 흡수, 증류, 추출, 흡착, 건조 등이 있다. |
| 열역학적 공정 | 가스 액화 및 냉동 등을 포함한다. |
| 기계적 공정 | 고체 수송, 파쇄 및 분쇄, 선별 및 체질 등을 다룬다. |
이 외에도 단위 조작은 결합(혼합), 분리(증류, 결정화), 반응(화학 반응)과 같은 범주에도 속한다.[1] 반응 증류나 교반 탱크 반응기처럼 여러 범주를 결합한 단위 조작도 존재한다.[1]
각 단위 조작은 독립적인 학문으로 성립되어 있기도 하다. 더 자세한 내용은 화학공학을 참고하면 된다.
3. 1. 유체 흐름 공정
유체 수송, 여과, 고체 유동층이 포함된다.[1]3. 2. 열전달 공정
증발 및 열교환은 열전달 공정에 포함된다.[1]3. 3. 물질 전달 공정
화학 공학의 물질 전달 공정에는 다음이 포함된다.[1]단위 조작은 반응과 여러 분리·생성, 증류, 추출, 가스 흡수, 흡착, 막 분리, 건조, 재결정 등으로 이루어진다.[1]
3. 4. 열역학적 공정
가스 액화 및 냉동이 열역학적 공정에 포함된다.[1]3. 5. 기계적 공정
화학 공학에서 단위 조작은 다음 다섯 가지 범주로 나뉜다.- 유체 흐름 공정: 유체 수송, 여과, 고체 유동층 등을 포함한다.
- 열전달 공정: 증발 및 열교환 등이 있다.
- 물질 전달 공정: 가스 흡수, 증류, 추출, 흡착, 건조 등이 있다.
- 열역학적 공정: 가스 액화 및 냉동 등이 있다.
- 기계적 공정: 고체 수송, 파쇄 및 분쇄, 선별 및 체질 등이 있다.
화학 공학 단위 조작은 다음 범주에도 속한다.
반응 증류 및 교반 탱크 반응기와 같이 여러 범주를 결합하는 단위 조작도 있다.
3. 6. 복합 단위 조작
화학 공학 단위 조작은 여러 범주의 요소를 포함하는 다음 범주에도 속한다.또한, 반응 증류 및 교반 탱크 반응기와 같이 이러한 범주를 결합하는 단위 조작도 있다. "순수" 단위 조작은 물리적 수송 공정인 반면, 혼합된 화학/물리적 공정은 확산과 같은 물리적 수송 ''및'' 화학 반응을 모델링해야 한다. 이는 일반적으로 촉매 반응 설계를 위해 필요하며, 화학 반응 공학이라고 하는 별도의 분야로 간주된다.[1]
4. 단위 조작의 설계
화학 공학 단위 조작 및 화학 공학 단위 공정은 모든 종류의 화학 산업의 주요 원리를 형성하며 화학 공장, 공장 및 사용되는 장비 설계를 위한 기초가 된다.
일반적으로 단위 조작은 각 기본 구성 요소(무한소일 수 있음)에 대해 수송된 양에 대한 평형을 방정식 형태로 작성하고 설계 매개변수에 대한 방정식을 푼 다음, 여러 가능한 솔루션 중에서 최적의 솔루션을 선택한 다음 물리적 장비를 설계하여 설계된다. 예를 들어, 플레이트 컬럼의 증류는 각 플레이트에 대한 질량 평형을 작성하여 분석되는데, 여기서 알려진 기액 평형 및 효율, 유출 및 유입은 각 구성 요소에 대한 하위 흐름과 함께 총 질량 흐름을 구성한다. 이것들을 쌓아 놓으면 전체 컬럼에 대한 방정식 시스템이 생성된다. 더 높은 환류비는 더 적은 플레이트를 가능하게 하고 그 반대도 마찬가지이므로 솔루션의 범위가 있다. 그런 다음 엔지니어는 허용 가능한 부피 유지, 컬럼 높이 및 건설 비용과 관련하여 최적의 솔루션을 찾아야 한다.[1]
참조
[1]
웹사이트
Arther Dehon Little
https://archivesspac[...]
MIT ArchivesSpace
2023-11-17
[2]
웹사이트
Arthur D. Little, William H. Walker, and Warren K. Lewis
https://www.scienceh[...]
2018-03-20
[3]
웹인용
Arther Dehon Little
http://libraries.mit[...]
MIT Libraries
2013-11-13
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