파일럿 플랜트
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1. 개요
파일럿 플랜트는 파일럿 라인과 유사하게, 화학 및 첨단 재료 생산 시스템에서 사용되는 소규모 생산 설비이다. 대규모 공정 플랜트 건설의 위험을 줄이기 위해 컴퓨터 시뮬레이션, 수학적 모델링, 파일럿 플랜트 데이터를 활용하며, 시스템이 잘 정의된 경우에는 사용되지 않을 수 있다. 파일럿 플랜트는 벤치, 파일럿, 데모 규모로 나뉘며, 제약 및 석유 산업 등에서 각기 다른 방식으로 활용된다. 또한, 맞춤형 파일럿 플랜트 구축은 사전 엔지니어링, 모델링, 제작, 테스트 단계를 거쳐 진행된다.
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| 파일럿 플랜트 |
|---|
2. 용어
파일럿 라인과 유사한 단어로는 "파일럿 플랜트"가 있다.[2] 기본적으로 파일럿 플랜트와 파일럿 라인은 동일한 기능을 수행하지만, '파일럿 플랜트'는 (생)화학 및 첨단 재료 생산 시스템의 맥락에서 사용되는 반면, '파일럿 라인'은 일반적으로 신기술에 사용된다. '킬로 랩(kilo lab)'이라는 용어는 예상되는 생산량을 의미하는 소규모 파일럿 플랜트를 지칭하는 데에도 사용된다.[3]
파일럿 플랜트는 대규모 공정 플랜트 건설과 관련된 위험을 줄이는 데 사용된다. 파일럿 플랜트를 통해 기업은 비효율적이거나 실현 불가능한 프로젝트에 많은 자본을 투입하지 않을 수 있다. 또한, 설계 변경은 파일럿 규모에서 더 저렴하게 할 수 있으며, 대규모 플랜트를 건설하기 전에 공정의 문제점을 해결할 수 있다.
3. 리스크 관리
3. 1. 위험 감소 방법
파일럿 플랜트는 대형 공정 플랜트 건설과 관련된 위험을 줄이는 데 사용된다. 파일럿 플랜트는 다음과 같은 방법으로 위험을 줄인다.
시스템이 잘 정의되어 있고 엔지니어링 변수가 알려진 경우 파일럿 플랜트는 사용되지 않는다. 예를 들어, 기존 플랜트와 동일한 작업을 수행하는 새로운 플랜트를 건설하여 생산 능력을 확장하려는 기업은 파일럿 플랜트를 사용하지 않기로 선택할 수 있다.
또한, 컴퓨터를 이용한 공정 시뮬레이션의 발전으로 공정 설계자의 신뢰도가 높아지고 파일럿 플랜트의 필요성이 줄어들었다. 그러나 최첨단 시뮬레이션조차 복잡한 시스템의 동작을 정확하게 예측할 수 없기 때문에 여전히 파일럿 플랜트가 사용된다.
3. 2. 파일럿 플랜트 활용의 예외
시스템이 잘 정의되어 있고 엔지니어링 변수가 알려진 경우 파일럿 플랜트는 사용되지 않는다. 예를 들어, 기존 플랜트와 동일한 작업을 수행하는 새로운 플랜트를 건설하여 생산 능력을 확장하려는 기업은 파일럿 플랜트를 사용하지 않기로 선택할 수 있다.
또한, 컴퓨터를 이용한 공정 시뮬레이션의 발전으로 공정 설계자의 신뢰도가 높아지고 파일럿 플랜트의 필요성이 줄어들었다. 그러나 최첨단 시뮬레이션조차 복잡한 시스템의 동작을 정확하게 예측할 수 없기 때문에 여전히 파일럿 플랜트가 사용된다.
3. 3. 컴퓨터 시뮬레이션의 발전과 파일럿 플랜트
컴퓨터 공정 시뮬레이션의 발전은 공정 설계자들의 신뢰도를 높여 파일럿 플랜트의 필요성을 감소시켰다. 그러나 최첨단 시뮬레이션조차도 복잡한 시스템의 동작을 정확하게 예측하는 것은 불가능하기 때문에, 여전히 파일럿 플랜트는 활용되고 있다.[1]
4. 규모에 따른 플랜트 특성 변화
화학 공정을 확대할 때, 시스템 크기 변화에 따라 여러 요인들이 비선형적으로 변한다. 이는 소규모 실험과 대규모 생산 간의 차이를 유발한다.
파일럿 플랜트 운영을 통해 얻은 데이터를 바탕으로, 더 큰 규모의 생산 시설을 건설할 수 있다. 또는, 상업적 타당성을 검증하기 위해 파일럿 플랜트와 완전 생산 플랜트 사이 규모의 데모 플랜트를 건설하기도 한다. 기업들은 새로운 제품, 원료, 운영 조건 등을 시험하기 위해 파일럿 플랜트를 계속 운영하거나, 주 공장의 생산량을 늘리기 위해 파일럿 플랜트를 생산 시설로 활용하기도 한다.[1]
4. 1. 표면적 대 액체 비율
시스템의 크기가 증가함에 따라 물질의 양에 따라 달라지는 시스템 특성(확장성 성질)이 변경될 수 있다. 화학 공장에서의 표면적 대 액체 비율은 이러한 특성의 좋은 예시이다. 작은 화학적 규모, 예를 들어 플라스크에서는 표면적 대 액체 비율이 비교적 크다. 그러나 문제의 반응이 500gal 탱크에 맞게 확대되면 표면적 대 액체 비율은 훨씬 작아진다. 이 표면적 대 액체 비율의 차이로 인해, 공정의 열역학 및 반응 속도론의 정확한 특성이 비선형 방식으로 변한다. 이것이 비커에서의 반응이 대규모 생산 공정에서의 동일한 반응과 크게 다르게 나타날 수 있는 이유이다.4. 2. 기타 요인
시스템의 크기가 증가함에 따라 물질의 양에 따라 달라지는 시스템 특성(확장성 성질)이 변경될 수 있다. 화학 공장에서의 표면적 대 액체 비율은 이러한 특성의 좋은 예시이다. 작은 화학적 규모, 예를 들어 플라스크에서는 표면적 대 액체 비율이 비교적 크다. 그러나 문제의 반응이 500gal 탱크에 맞게 확대되면 표면적 대 액체 비율은 훨씬 작아진다. 이 표면적 대 액체 비율의 차이로 인해, 공정의 열역학 및 반응 속도론의 정확한 특성이 비선형 방식으로 변한다. 이것이 비커에서의 반응이 대규모 생산 공정에서의 동일한 반응과 크게 다르게 나타날 수 있는 이유이다.생산 규모로의 전환 과정에서 변경될 수 있는 다른 요인들은 다음과 같다.
- 반응 속도
- 화학 평형
- 재료 특성
- 유체 역학
- 열역학
- 장비 선택
- 교반
- 균일성/균질성
5. 벤치 규모, 파일럿 규모, 데모 규모
벤치 규모, 파일럿 규모, 데모 규모 간의 차이는 산업과 응용 분야에 따라 크게 달라진다.[1] 일부 산업에서는 파일럿 플랜트와 데모 플랜트를 상호 교환적으로 사용하기도 한다.[1] 일부 파일럿 플랜트는 독립된 유닛으로 쉽게 운반할 수 있는 이동식 모듈로 제작된다.
| 구분 | 벤치 규모 | 파일럿 규모 | 데모 규모 |
|---|---|---|---|
| 배치 공정 (예: 제약 산업) | 1kg~20kg 이하의 샘플 | 20kg~100kg 샘플 | 장비를 장기간에 걸쳐 완전 상업적 공급 속도로 작동시켜 운영 안정성을 입증 |
| 연속 공정 (예: 석유 산업) | 1000ml 미만의 촉매를 사용하는 마이크로 반응기 또는 CSTR 시스템, 1회 통과 방식으로 반응 및/또는 분리 연구 | 1L~100L 사이의 촉매 부피를 가진 반응기, 질량 균형을 맞추기 위해 제품 분리 및 가스/액체 재순환 포함 | 상업화 전 규모에서 공정의 실행 가능성 연구, 일반적인 촉매 부피는 100L~1000L 범위. 상당량의 제품을 시장 테스트용으로 생산하면서 장기간에 걸쳐 촉매 성능 및 작동 수명 연구 |
새로운 공정 개발 과정에서 파일럿 및 데모 플랜트의 설계 및 운영은 미래 상업용 플랜트의 설계와 병행하여 진행되는 경우가 많으며, 파일럿 테스트 프로그램의 결과는 상업용 플랜트의 공정 흐름도를 최적화하는 데 핵심적인 역할을 한다. 공정 기술이 성공적으로 구현된 경우, 파일럿 테스트로 인한 상업 규모에서의 절감액이 파일럿 플랜트 자체의 비용보다 훨씬 큰 경우가 일반적이다.[1]
5. 1. 제약 산업 (배치 공정)
제약 산업에서 배치 공정의 경우, 벤치 규모는 일반적으로 1~20 kg 이하의 샘플로 수행되는 반면, 파일럿 규모 테스트는 20~100 kg의 샘플로 수행된다.[1] 데모 규모는 장비를 장기간에 걸쳐 완전 상업적 공급 속도로 작동시켜 운영 안정성을 입증하는 것이다.[1]5. 2. 석유 산업 (연속 공정)
연속 공정의 경우, 예를 들어 석유 산업에서는 벤치 규모 시스템은 일반적으로 1000ml 미만의 촉매를 사용하는 마이크로 반응기 또는 CSTR 시스템으로, 1회 통과 방식으로 반응 및/또는 분리를 연구한다. 파일럿 플랜트는 일반적으로 1~100 리터 사이의 촉매 부피를 가진 반응기를 가지고 있으며, 질량 균형을 맞추기 위해 제품 분리 및 가스/액체 재순환을 포함하는 경우가 많다. 데모 플랜트는 반제품 공장이라고도 하며, 상업화 전 규모에서 공정의 실행 가능성을 연구하며, 일반적인 촉매 부피는 100~1000 리터 범위이다. 연속 공정에 대한 데모 규모 플랜트의 설계는 훨씬 낮은 처리량으로 예상되는 미래 상업용 플랜트와 매우 유사하며, 그 목표는 상당량의 제품을 시장 테스트용으로 생산하면서 장기간에 걸쳐 촉매 성능 및 작동 수명을 연구하는 것이다.5. 3. 공정 개발에서의 역할
공정 개발에서 파일럿 플랜트와 데모 플랜트의 설계 및 운영은 미래 상업용 플랜트의 설계와 병행하여 진행되는 경우가 많다. 파일럿 테스트 프로그램의 결과는 상업용 플랜트의 공정 흐름도를 최적화하는 데 핵심적인 역할을 한다.[1] 공정 기술이 성공적으로 구현된 경우, 파일럿 테스트로 인한 상업 규모에서의 절감액이 파일럿 플랜트 자체의 비용보다 훨씬 큰 경우가 일반적이다.[1]벤치 규모, 파일럿 규모, 데모 규모 간의 차이는 산업과 응용 분야에 따라 크게 달라진다.[1] 일부 산업에서는 파일럿 플랜트와 데모 플랜트를 상호 교환적으로 사용하기도 한다.[1]
| 구분 | 벤치 규모 | 파일럿 규모 | 데모 규모 |
|---|---|---|---|
| 배치 공정 (예: 제약 산업) | 1kg~20kg 이하의 샘플 | 20kg~100kg 샘플 | 장비를 장기간에 걸쳐 완전 상업적 공급 속도로 작동시켜 운영 안정성을 입증 |
| 연속 공정 (예: 석유 산업) | 1000ml 미만의 촉매를 사용하는 마이크로 반응기 또는 CSTR 시스템, 1회 통과 방식으로 반응 및/또는 분리 연구 | 1L~100L 사이의 촉매 부피를 가진 반응기, 질량 균형을 맞추기 위해 제품 분리 및 가스/액체 재순환 포함 | 상업화 전 규모에서 공정의 실행 가능성 연구, 일반적인 촉매 부피는 100L~1000L 범위. 상당량의 제품을 시장 테스트용으로 생산하면서 장기간에 걸쳐 촉매 성능 및 작동 수명 연구 |
6. 맞춤형 파일럿 플랜트 구축 단계
맞춤형 파일럿 플랜트는 연구 또는 상업적 목적에 따라 설계되며, 그 크기는 다양하다. 자동화가 없고 유량이 적은 소규모 시스템부터 하루에 많은 양의 제품을 생산하는 고도로 자동화된 시스템까지 다양하다. 크기에 관계없이 작동하는 파일럿 플랜트를 설계하고 제작하는 단계는 동일하다.[1]
6. 1. 구축 단계
파일럿 플랜트를 설계하고 제작하는 단계는 다음과 같다.# 사전 엔지니어링 - 공정 흐름도(PFD), 기본 배관 및 계장도(P&ID) 및 초기 장비 레이아웃을 완성한다.
# 엔지니어링 모델링 및 최적화 - 공정 매개변수를 모델링하고 화학 공정을 확장하기 위해 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 2D 및 3D 모델을 생성한다. 이러한 모델링 소프트웨어는 시스템 제한, 비선형 화학적 및 물리적 변화, 잠재적인 장비 크기를 결정하는 데 도움이 된다. 질량 및 에너지 수지, 최종 P&ID 및 일반 배치 도면이 생성된다.
# 시스템 자동화 전략을 개발한다(필요한 경우). 제어 시스템 프로그래밍이 시작되어 제작 및 조립 과정에서 계속된다.
# 제작 및 조립 - 최적화된 설계가 결정된 후 맞춤형 파일럿을 제작 및 조립한다. 파일럿 플랜트는 현장에서 조립하거나 통제된 환경에서 제작 및 테스트할 모듈식 스키드로 현장 외에서 조립할 수 있다.
# 테스트 - 시스템 제어를 포함하여 완성된 시스템의 테스트를 수행하여 적절한 시스템 기능을 확인한다.
# 설치 및 시작 - 현장 외에서 제작된 경우 파일럿 스키드를 현장에 설치한다. 모든 장비가 설치된 후 시스템을 기존 플랜트 유틸리티 및 제어와 통합하여 전체 시스템 시작을 완료한다. 전체 작동을 테스트하고 확인한다.
# 교육 - 운영자 교육이 완료되고 전체 시스템 문서가 전달된다.
참조
[1]
논문
The role of pilot and demonstration plants in technology development and innovation policy
https://dx.doi.org/1[...]
2016-11
[2]
간행물
Pilot Production in Key Enabling Technologies; Crossing the Valley of Death and boosting the industrial deployment of Key Enabling Technologies in Europe
Netherlands Organisation for Applied Scientific Research TNO on behalf of the European Commission, DG GROW—Directorate General for Internal Market, Industry, Entrepreneurship and SME
2015
[3]
서적
Chemical Engineering in the Pharmaceutical Industry: Active Pharmaceutical Ingredients
https://books.google[...]
Wiley
2019-03-28
[4]
웹사이트
Industrial Process Scale Up Capabilities
https://www.epicmodu[...]
2022-07-23
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