화학공학

깁스 자유에너지

Gibbs Free Energy

엔탈피 (계가 품은 열)에서 온도와 엔트로피의 곱을 뺀 값으로, 일정한 온도·압력에서 반응이 외부 도움 없이 스스로 일어날지를 판단하는 열역학적 기준. 가 음수면 반응이 자발적으로 진행되고, 0이면 평형 상태, 양수면 역반응이 자발적임.

ex) 철이 공기 중에서 서서히 녹스는 것은 자발적($\Delta G<0$)이지만, 녹을 다시 철로 되돌리려면 외부 에너지(제련)가 필요한 이유.

화학 퍼텐셜

Chemical Potential

혼합물에서 성분 가 1몰 늘어날 때 계 전체의 자유에너지가 얼마나 변하는지를 나타내는 편미분값. 두 상(액체-기체 등) 사이에서 화학 퍼텐셜이 같아지는 지점이 곧 평형 상태이므로, 상평형·반응평형을 정량적으로 판단하는 공통 기준이 됨.

ex) 소금물에서 물 분자가 증발과 응축을 반복하다 결국 일정 습도에서 평형에 도달하는 것.

상평형과 라울의 법칙

Phase Equilibrium & Raoult's Law

이상 용액에서 각 성분의 증기압 가 그 성분의 액상 몰분율 과 순수 성분의 증기압 의 곱으로 정해진다는 법칙. 휘발성이 다른 성분들이 기상-액상 사이에서 어떻게 분배되는지를 예측할 수 있어 증류탑의 이론적 설계 기반이 됨.

ex) 소주(에탄올-물 혼합물)를 증류할 때 에탄올이 물보다 먼저 끓어나오는 이유를 정량적으로 설명.

퓨개시티

Fugacity

실제 기체는 분자 간 인력·부피 때문에 이상기체 법칙에서 벗어나는데, 이 벗어난 정도를 압력 대신 "유효 압력"처럼 보정해 이상기체 법칙의 형태를 그대로 유지한 채 계산할 수 있게 해주는 개념. 고압 공정처럼 이상기체 가정이 깨지는 상황의 상평형 계산에 필수적.

ex) 고압 천연가스 처리 공정에서 실제 기체 거동을 정확히 예측할 때.

공비혼합물

Azeotrope

이상 용액에서 벗어나는 실제 혼합물은 라울의 법칙만으로 설명되지 않는 비이상적 상호작용(성분끼리 서로 끌어당기거나 밀어내는 힘)을 가질 수 있는데, 그 결과 특정 조성에서는 액체와 기체의 조성이 완전히 같아져 아무리 증류해도 그 이상 순도를 높일 수 없는 지점(공비점)이 생김. 이런 혼합물은 일반 증류로는 분리 한계가 있어, 제3의 물질을 넣어 공비점을 없애는 공비증류 같은 특수 기법이 필요함.

ex) 에탄올-물 혼합물이 약 95.6% 농도에서 공비점을 만나 일반 증류로는 무수에탄올을 만들 수 없는 이유.

활동도계수와 비이상용액

Activity Coefficient & Non-Ideal Solutions

분자 종류가 다른 성분끼리 섞이면 서로 끌어당기거나 밀어내는 힘이 같은 종류 분자끼리의 힘과 달라 라울의 법칙에서 벗어나는데, 이 벗어난 정도를 보정하는 보정계수가 활동도계수 . 가 1보다 크면 분자들이 서로를 밀어내 예상보다 쉽게 증발하려는 경향(양의 편차)을, 1보다 작으면 서로 끌어당겨 잘 안 섞이려는 경향(음의 편차)을 나타내며 공비점 형성과 직결됨.

ex) 에탄올-물처럼 화학적으로 다른 성분이 섞이면 이상 용액 가정이 깨져 활동도계수 보정이 필수적인 것.

아레니우스 식

Arrhenius Equation

반응이 일어나려면 분자들이 활성화에너지 이상의 에너지를 갖고 충돌해야 하는데, 온도가 오르면 그런 고에너지 분자의 비율이 지수함수적으로 늘어나 반응속도상수 가 급격히 커짐. 가 클수록 온도 변화에 반응속도가 더 민감하게 반응함.

ex) 냉장고에 음식을 보관하면 부패 반응(화학반응)의 속도가 크게 느려지는 이유.

회분식 반응기

Batch Reactor

반응물을 한 번에 탱크에 투입하고 뚜껑을 닫은 채 반응이 원하는 지점까지 진행될 때까지 기다렸다가 한꺼번에 배출하는 반응기. 연속식보다 제어가 단순해 소량·다품종 생산이나 실험실 규모에 적합하지만, 매번 채우고 비우는 시간이 들어 대량 생산에는 비효율적.

ex) 제약회사가 소량의 신약 후보물질을 합성할 때 쓰는 반응기.

연속교반탱크반응기

Continuous Stirred-Tank Reactor (CSTR)

반응물을 계속 흘려넣고 임펠러로 완전히 섞어 반응기 내부 농도가 어디서나 균일하다고 가정하는 반응기로, 반응기를 나가는 유출물의 농도가 곧 반응기 내부 전체의 농도와 같음. 이 균일성 가정 덕분에 설계 계산이 대수식 하나로 단순해짐.

ex) 폐수처리장에서 미생물이 오염물질을 지속적으로 분해하는 생물반응조.

플러그흐름반응기

Plug Flow Reactor (PFR)

긴 관 속을 유체가 마치 여러 개의 얇은 원판(플러그)이 순서대로 밀려나가듯 흐르며, 앞뒤 플러그끼리는 섞이지 않는다고 가정하는 반응기. 입구에서 출구로 갈수록 반응물 농도가 연속적으로 감소하는 프로파일을 가지며, 같은 부피에서 CSTR보다 대체로 전환율이 더 높음.

ex) 정유공장의 긴 파이프형 반응기에서 원유를 연속적으로 크래킹하는 공정.

반응차수

Reaction Order

반응속도 이 반응물 농도 의 몇 제곱에 비례하는지를 나타내는 지수 . 반응식의 화학양론 계수와 반드시 같지는 않고 실제 반응 메커니즘(몇 단계로 진행되는지)에 따라 실험적으로 결정되며, 그 값으로부터 반응이 어떤 단계를 거쳐 일어나는지 추론할 수 있음.

ex) 반응 속도 데이터를 측정해 반응이 1차인지 2차인지 실험적으로 확인하는 것.

다중정상상태와 반응기 안정성

Multiple Steady States & Reactor Stability

발열 반응이 일어나는 CSTR에서는 반응속도가 올라가면 발열이 늘어 온도가 오르고, 온도가 오르면 반응속도가 더 빨라지는 양의 되먹임이 존재해, 열 생성곡선과 열 제거곡선이 한 지점이 아니라 여러 지점에서 교차하며 저온·중온·고온의 서로 다른 정상상태가 동시에 가능해지는 경우가 있음. 이 중 중간 정상상태는 작은 교란에도 다른 상태로 튀어버리는 불안정한 지점이라, 실제 운전 조건이 안정된 정상상태 근처에 있도록 설계·제어하는 게 중요함.

ex) 반응기 온도 제어가 조금만 흔들려도 저온의 저전환율 상태에서 갑자기 폭주 반응(고온 상태)으로 튀어버리는 위험을 사전에 설계로 방지하는 것.

전환율과 선택도

Conversion & Selectivity

투입한 반응물 중 실제로 반응한 비율이 전환율 이고, 여러 반응 경로가 동시에 가능할 때 원하는 목표 생성물이 부반응 생성물보다 얼마나 많이 만들어졌는지를 나타내는 게 선택도 . 전환율을 높이려고 반응을 오래 진행시키면 오히려 부반응이 늘어 선택도가 떨어지는 트레이드오프가 흔해, 두 지표를 동시에 최적화하는 게 반응기 설계의 핵심 목표.

ex) 석유화학 공정에서 원료를 100% 다 반응시키는 것보다, 원하는 제품만 선택적으로 많이 얻는 조건을 찾는 게 더 중요한 경우.

불균일 촉매

Heterogeneous Catalysis

반응물(기체·액체)과 다른 상(주로 고체) 표면에 반응물 분자가 흡착되어 결합이 약해진 상태에서 반응이 일어난 뒤 생성물이 탈착되는 촉매 작용. 반응이 끝난 뒤 촉매를 여과·분리하기 쉬워 대규모 연속 공정에 압도적으로 많이 쓰임.

ex) 자동차 배기가스 정화장치(촉매컨버터)의 백금·팔라듐 촉매.

촉매 피독

Catalyst Poisoning

반응물에 섞인 황, 중금속 같은 불순물이 촉매 표면의 활성 자리에 반응물보다 훨씬 강하게 흡착돼 눌러앉아버려, 그 자리가 더는 반응에 참여하지 못하게 되는 현상. 촉매 활성 자리가 하나둘 막힐수록 전체 반응 속도가 서서히 떨어져 결국 촉매를 교체해야 함.

ex) 황 함량이 높은 저품질 연료를 쓰면 자동차 촉매컨버터 수명이 짧아지는 이유.

흡착 등온선

Adsorption Isotherm (Langmuir)

촉매 표면의 흡착 자리 중 반응물이 차지한 비율 이 압력(농도) 에 따라 어떻게 변하는지를 나타낸 관계식. 랭뮤어 등온선은 표면이 흡착 자리 하나당 분자 하나만 붙을 수 있는 단분자층이라는 가정 아래, 압력이 낮으면 가 압력에 비례하다 압력이 충분히 높아지면 표면이 포화돼 가 1에 가까워지는 형태를 보임.

ex) 활성탄 필터가 낮은 농도에서는 오염물질을 잘 흡착하다가 포화되면 더는 흡착하지 못하는 것.

촉매 비활성화와 재생

Catalyst Deactivation & Regeneration

촉매는 피독 외에도, 표면에 탄소 찌꺼기(코크)가 쌓여 활성 자리를 물리적으로 덮어버리거나, 고온에서 활성 금속 입자들이 서로 뭉쳐 표면적이 줄어드는 소결 등 여러 경로로 서서히 성능이 떨어짐. 코크 침적형 비활성화는 공기 중에서 태워 제거하는 재생 공정으로 되살릴 수 있지만, 소결이나 피독은 대체로 비가역적이라 결국 촉매를 새로 교체해야 함.

ex) 정유공장 촉매크래킹 설비가 촉매 표면의 코크를 주기적으로 태워 제거하며 촉매 수명을 연장하는 재생 공정.

픽의 확산 법칙

Fick's Law of Diffusion

농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 물질이 저절로 퍼져나가는 확산 흐름 가 농도 기울기 에 비례한다는 법칙. 확산계수 가 클수록 같은 농도 기울기에서도 물질이 더 빨리 퍼지며, 분리공정에서 막을 통과하는 물질 이동 속도를 계산하는 기본 도구.

ex) 차 한 봉지를 뜨거운 물에 넣으면 색과 향이 물 전체로 서서히 퍼지는 현상.

푸리에 열전도 법칙

Fourier's Law of Heat Conduction

고체나 정지된 유체 내부에서 온도가 높은 곳의 분자 진동이 이웃 분자로 전달되며 열이 이동하는 속도 가 온도 기울기 에 비례한다는 법칙. 열전도율 가 클수록 같은 온도차에서도 열이 더 빨리 전달됨.

ex) 반응기 벽을 통해 내부 반응열이 냉각수 쪽으로 얼마나 빠르게 빠져나가는지 계산할 때.

뉴턴의 점성 법칙

Newton's Law of Viscosity

유체 층 사이에 속도 차이가 있으면 서로 끌어당기거나 미는 전단응력 이 발생하는데, 이 값이 속도 기울기 에 비례한다는 법칙. 점성계수 가 클수록(꿀처럼 끈적할수록) 같은 속도 기울기에서도 저항이 커짐 — 유체가 관 속을 흐를 때 겪는 압력 손실 계산의 기본.

ex) 파이프라인으로 원유를 수송할 때 필요한 펌프 동력을 계산하는 데 쓰임.

경계층 이론

Boundary Layer Theory

유체가 고체 표면 위를 흐를 때 표면에 바로 붙어있는 유체는 속도가 0이고 표면에서 멀어질수록 주류 속도에 가까워지는데, 이 속도 변화가 집중적으로 일어나는 표면 근처의 얇은 층. 열/물질 전달의 저항 대부분이 이 얇은 경계층에 집중되어 있어, 경계층 두께를 계산하는 게 열전달계수·물질전달계수 산정의 핵심.

ex) 비행기 날개 표면에 붙어 흐르는 얇은 공기층이 항력에 미치는 영향을 계산할 때.

무차원수와 상사성

Dimensionless Numbers & Similarity (Nusselt/Prandtl)

대류 열전달계수 를 매번 실험으로 구하기는 번거로운데, 대류 열전달과 전도 열전달의 비율인 누셀트수(), 운동량 확산과 열 확산의 비율인 프란틀수() 같은 무차원수들 사이의 상관식을 실험적으로 구해두면, 크기·유체 종류가 다른 장치에도 같은 상관식을 그대로 적용해 열전달계수를 예측할 수 있음. 이 "상사성" 원리 덕분에 실제 대형 장치 대신 축소 모형 실험만으로도 설계 데이터를 얻을 수 있음.

ex) 열교환기를 설계할 때 실물 크기 실험 없이 무차원수 상관식만으로 열전달 성능을 예측하는 것.

쉬미트수와 물질전달계수

Schmidt Number & Mass Transfer Coefficient

열전달의 누셀트·프란틀수에 대응하는 물질전달 버전의 무차원수로, 운동량 확산(점성)과 물질 확산의 비율을 나타내는 쉬미트수 . 이를 이용한 상관식으로 실험 없이도 흡수탑·추출탑 등에서 물질이 한 상에서 다른 상으로 이동하는 속도(물질전달계수)를 예측할 수 있어, 열전달 설계와 완전히 평행한 방식으로 분리공정 장치를 설계할 수 있게 해줌.

ex) 흡수탑에서 기체가 액체로 녹아드는 속도를 무차원수 상관식으로 예측해 탑 높이를 설계하는 것.

증류

Distillation

혼합물을 끓여 끓는점이 낮은 성분이 먼저 증발하게 한 뒤 그 증기를 냉각·응축해 분리하는 공정. 증류탑 안에서 증기와 액체가 여러 단(트레이)을 오르내리며 반복적으로 접촉하는데, McCabe-Thiele 도해법으로 원하는 순도를 얻는 데 필요한 이론단수를 그래프로 설계함.

ex) 원유를 끓는점별로 나눠 휘발유·경유·중유 등을 분리하는 정유공장의 상압증류탑.

흡수

Absorption

기체 혼합물을 액체 용매와 접촉시켜, 원하는 성분만 용매에 용해도 차이를 이용해 선택적으로 녹여내 나머지 기체와 분리하는 공정. 용매를 잘 고르면 특정 성분만 효율적으로 제거할 수 있어 공정 가스 정제나 오염물질 제거에 널리 쓰임.

ex) 천연가스에서 황화수소(H2S) 같은 불순물을 아민 용액으로 흡수해 제거하는 공정.

추출

Extraction

분리하려는 성분이 원래 있던 용매보다 다른 용매에 더 잘 녹는 성질(분배계수)을 이용해, 두 번째 용매를 넣고 흔들어 원하는 성분을 그쪽으로 옮겨 분리하는 공정. 끓는점 차이가 크지 않거나 열에 약한 물질을 분리할 때 증류보다 유리함.

ex) 커피에서 카페인만 이산화탄소 초임계 용매로 뽑아내는 디카페인 공정.

막분리

Membrane Separation

특정 크기·전하의 분자만 선택적으로 통과시키는 얇은 막을 이용해 혼합물을 분리하는 공정. 역삼투는 자연적인 삼투압 보다 더 큰 압력을 반대로 가해, 물 분자만 막을 통과시키고 염분 등 큰 입자는 걸러내는 원리.

ex) 바닷물을 역삼투막으로 걸러 마실 수 있는 민물로 바꾸는 해수담수화 플랜트.

결정화

Crystallization

용액의 온도를 낮추거나 용매를 증발시켜 용해도를 초과한(과포화) 상태로 만들면, 녹아있던 용질이 규칙적인 결정 구조로 석출되며 분리되는 공정. 냉각 속도가 빠르면 작은 결정이 많이 생기고 느리면 크고 순수한 결정이 자라나는데, 결정 크기와 순도가 최종 제품 품질(용해 속도, 여과성)에 직접 영향을 줘 냉각 속도 제어가 핵심 설계 변수.

ex) 설탕이나 의약품 원료를 용액에서 순도 높은 결정 형태로 분리해내는 정제 공정.

단위조작 개념

Unit Operations Concept

아무리 복잡한 화학 공정도 증류, 흡수, 열교환, 반응 같은 표준화된 물리적 처리 단계(단위조작) 몇 가지의 조합으로 분해할 수 있다는 화공 설계의 핵심 접근법. 각 단위조작을 독립적으로 설계·최적화한 뒤 전체를 연결해 공정을 완성함.

ex) 석유화학 플랜트를 반응기·증류탑·열교환기 등 개별 장치 블록으로 나눠 각각 설계하는 방식.

공정 시뮬레이션

Process Simulation

Aspen Plus 같은 소프트웨어에 물질수지·에너지수지·상평형 데이터를 입력해 화학 공정 전체를 컴퓨터 모델로 구현함으로써, 실제로 플랜트를 짓기 전에 온도·압력·유량 등 운전 조건에 따른 성능을 미리 예측하고 최적화하는 기법.

ex) 새 플랜트를 짓기 전 다양한 운전 조건을 컴퓨터로 미리 시험해 최적 설계를 찾는 것.

상태방정식과 물성 데이터베이스

Equations of State (EOS) & Property Databases

공정 시뮬레이터가 온도·압력·조성으로부터 밀도·증기압·엔탈피 같은 물성을 계산하려면, 압력-부피-온도 관계를 수식화한 상태방정식(Peng-Robinson 등)과 방대한 순물질·혼합물 물성 데이터베이스가 필요함. 시뮬레이션 결과의 정확도는 결국 이 물성 모델을 얼마나 그 물질계에 적합하게 선택했느냐에 달려있어, 상태방정식 선택 자체가 중요한 설계 판단.

ex) 천연가스 같은 탄화수소 혼합물의 거동은 Peng-Robinson, 극성 물질이 섞인 계는 다른 상태방정식을 선택하는 것.

물질수지와 에너지수지

Mass & Energy Balance

공정에 들어오고 나가는 물질의 질량과 에너지는 새로 생기거나 사라지지 않고 보존된다는 원리를 이용해, 공정 각 지점의 유량·조성·온도 같은 미지수를 계산해내는 화공 설계의 가장 기본적인 도구. 이 식 하나로 복잡한 플랜트의 모든 흐름을 수학적으로 연결해 풀 수 있음.

ex) 반응기에 들어간 원료가 얼마나 생성물로, 얼마나 미반응물로 나오는지 계산하는 설계의 첫 단계.

공정흐름도

Process Flow Diagram (PFD/P&ID)

공정을 구성하는 모든 장치(반응기, 탑, 펌프 등), 물질의 흐름 방향, 온도·압력 등의 운전조건, 그리고 계측·제어 요소까지 표준화된 기호로 나타낸 도면. 설계·시공·운영 단계 모두에서 관계자들이 공통으로 참조하는 플랜트의 "설계도".

ex) 플랜트 건설 현장에서 배관공·전기기술자·운전원이 모두 함께 보는 기준 도면.

공정통합과 핀치기법

Process Integration & Pinch Analysis

플랜트 안에는 냉각이 필요한 뜨거운 흐름과 가열이 필요한 차가운 흐름이 동시에 존재하는데, 이 흐름들을 온도 구간별로 정리해 서로 직접 열교환시킬 수 있는 최대치를 찾아내는 기법. 열교환이 이론적으로 불가능해지는 "핀치점"을 기준으로 그 이상은 외부 가열, 그 이하는 외부 냉각만 쓰도록 설계하면 전체 플랜트의 에너지 사용량을 최소화할 수 있음.

ex) 석유화학 플랜트가 폐열을 재활용하는 열교환망을 최적 설계해 냉각·가열 에너지 비용을 대폭 줄이는 것.

공정 안전성 평가(HAZOP)

Process Safety Analysis (HAZOP)

공정흐름도의 각 배관·장치마다 "유량이 없다", "온도가 너무 높다" 같은 표준화된 가이드워드를 체계적으로 적용해, 설계자가 미처 생각 못한 위험 시나리오(폭주 반응, 누출 등)를 팀 단위로 빠짐없이 찾아내고 그 원인·결과·안전장치를 검토하는 정성적 위험성 평가 기법. 대형 화학 플랜트는 가동 전 반드시 이 검토를 거쳐야 하는 산업 표준 절차.

ex) 새 화학 플랜트를 가동하기 전 설계팀이 모여 배관 하나하나의 잠재적 이상 상황을 체계적으로 검토하는 회의.

공정 제어 루프

Process Control Loop

센서가 실시간으로 측정한 온도·압력·유량 등의 변수를 목표값과 비교해, 그 오차만큼 제어기가 밸브 개도 등 조작 변수를 자동으로 조정하는 피드백 구조. 공정 하나에 보통 수십~수백 개의 이런 루프가 동시에 돌아가며 전체 플랜트를 안정적으로 운전함.

ex) 반응기 온도가 설정값보다 올라가면 냉각수 밸브가 자동으로 더 열리는 제어.

이상감지 및 경보시스템

Anomaly Detection & Alarm Management

공정 변수가 정상 운전 범위를 벗어나기 시작하면 운전원에게 미리 경보를 울려 사고로 번지기 전에 조치할 시간을 주는 안전 관리 시스템. 경보가 너무 자주 울리면 운전원이 무시하게 되는 "경보 피로" 문제를 관리하는 것도 실무의 중요한 과제.

ex) 화학 플랜트에서 압력이 위험 수준에 근접하면 자동으로 경보와 함께 안전밸브가 작동하는 것.

모델예측제어

Model Predictive Control (MPC)

PID 제어는 현재 오차에만 반응하는 반면, MPC는 공정의 수학적 모델을 이용해 앞으로 일정 시간 동안 여러 조작을 시도해봤을 때 결과가 어떻게 될지 미리 예측하고, 그중 미래 목표를 가장 잘 만족시키는 최적의 조작을 선택한 뒤 다음 시점에 다시 예측을 갱신하는 것을 반복하는 제어 기법. 여러 변수가 서로 얽혀 영향을 주는 다변수 공정이나, 온도·압력처럼 여러 제약조건을 동시에 지켜야 하는 상황에서 PID보다 훨씬 우수한 성능을 냄.

ex) 정유공장의 증류탑처럼 수십 개 변수가 서로 얽힌 대형 공정을 하나의 통합된 최적화 문제로 실시간 제어하는 것.

캐스케이드 제어

Cascade Control

외부 교란이 최종 목표변수에 도달하기 전에 거치는 중간 변수를 먼저 안정시키는 것이 유리한 경우, 바깥쪽 제어기가 목표값을 정하면 그 값이 안쪽 제어기의 목표값이 되어 두 제어기가 중첩되어 작동하는 구조. 안쪽 루프가 교란을 훨씬 빠르게 흡수해버려, 단일 제어 루프보다 외부 교란에 대한 응답성이 크게 개선됨.

ex) 반응기 온도를 직접 제어하는 대신, 냉각수 유량을 먼저 빠르게 안정시키고 그 냉각수 유량 목표치를 반응기 온도 제어기가 조정하는 2단 제어 구조.