Intro.
오랜만에 부산으로 강의를 하러 내려왔는데, 부산은 벌써 봄이 찾아온 느낌입니다. 따듯하네요.
첫 포스팅 이후로, 바로 포스팅을 이어가지 못한 아쉬움이 남아, 첫날 강의를 마치자마자 이렇게 글을 쓰고자 책상 앞에 앉았습니다. 오늘 강의를 하며 느낀 점을 여러분과 공유하면서 강의를 시작해 볼까 합니다.
최근 HYSYS라고 하는 공정설계 소프트웨어를 사용하고자 많은 분들께서 교육에 참여하고 계십니다. 하나라도 더 알려드리고자 모든 강의는 직전에 상당한 시간을 들여 준비하고 있습니다. 그런데 아쉬운 점이라면,
1. 학업을 마친 지 너무 오랜 시간이 흘렀기 때문에,
2. 전공이 화학공학이 아니기 때문에,
3. 복잡하게 공부하고 싶지는 않고 소프트웨어 사용법만 익혀 사용하고 싶기 때문에,
4. 강의 과정에 열역학 이론에 대한 내용이 포함되어 있지 않기 때문에,
등 다양한 이유로 가장 중요한 HYSYS의 계산 기준인 열역학 기초지식을 모르고 계신다는 것이었습니다.
블로그를 시작하는 지점에서 이 부분에 대해 필요성을 체감하면서, 앞으로 포스팅을 꾸준히 이어가야겠다는 다짐을 해봅니다. 계산기준을 모르고 계산기를 사용하면, 면허 없이 매스 잡는 의사와 같다는 교수님 이야기가 기억나네요.
지난 시간 큰 방향에 대해 설명을 드렸으니, 본격적으로 강의를 진행해 보겠습니다.
1강 열역학 기본 이론 Overview
Module 01인 '열역학의 기본 이론 이해'는 공정설계의 메인 성과품인 열 및 물질 수지(HMB, Heat & Material balance) 작성을 위해 열역학 0,1,2 법칙이 의미하는 동력기관에서의 ‘열(Q)’과 ‘일(W)’의 에너지(E) 전환과 효율(η)을 이해하고, 이들 간의 관계를 열역학 성질(Thermodynamic properties)인 '온도(T), 압력(P), 부피(V)' 값을 통해 계산할 수 있도록 하는 과정입니다. ‘열’의 관점에서 내부에너지(U), 엔탈피(H), 열용량(C) 그리고 엔트로피(S)가 지닌 물리적 의미를 이해하고, 계산할 수 있도록 과정을 잘 따라와 주시기 바랍니다.
열 및 물질 수지 (HMB, Heat and Material Balance)
모든 공정설계 그리고 HYSYS 계산 기준은 Balance입니다.
1. Mass and Material Balance
2. Energy Balance
Input = Output의 관점에서, 열 및 물질 수지란, 공정 시스템 내 열(Heat)과 물질(Material) 들의 출입을 도식화 또는 테이블 화하여 공정의 흐름을 한눈에 보여주는 성과품입니다. 그림 1과 같이, HYSYS 공정 시스템 구축을 완료한 후, 공정을 구성하는 각 Stream의 열역학적 성질을 Process Flow Diagram(PFD)와 Material Stream Table로 나타낼 수 있습니다.
열정산(Heat Balance)은 원하는 공정 조건을 충족시키기 위하여 열교환 장치를 활용한 가열 또는 냉각이나, 반응기를 사용한 화학 반응열 또는 흡수열 등 공정 진행 중 물질 계 상태 변화에 따른 일(W) 및 에너지(E) 변화량에 대한 수지(Balance)를 계산하여 공정 효율성과 손실량을 개선하는 기준으로 사용합니다.
다시 말해, 라면 끓이려고 장작 한 무더기를 태워 열을 필요 이상으로 주면 효율도 떨어지고 손실도 많이 발생하겠죠. 이런 열 손실량을 도식화 + 테이블로 수치화하여 보여준다면, 불필요 한 장작 공급을 줄이고, 최적화된 Operating Cost(장작수)을 계산하여, Energy 및 Cost Saving 할 수 있게 될 것입니다.
물질수지(Material Balance)는 질량 보존법칙에 의거하여, 시스템에 투입 및 회수되는 물질은 소멸하지 않으며, 단지 상 변화를 통해 시스템 내에 존재하므로, 공정 간 열역학 조건(Thermodynamic Conditions)에 따라 각 상의 물질량을 수량적으로 계산할 수 있습니다. 그림 1에서 각 Stream의 Mass Flow를 통해 질량 수지를 예를 들어 확인할 수 있습니다.
Feed와 R* Stream으로 들어가는 Mass의 총합은 152.4 lbmole/hr + 23.41 lbmole/hr = 175.8 lbmole/hr로 1번 Stream의 175.8 lbmole/hr 와 동일하게 전체 질량이 합쳐지는 것을 확인할 수 있습니다.
하나의 포스팅에 너무 많은 내용을 담지 않도록 노력하려고 합니다.
다음 포스팅에서는 Balance 계산의 기준이 되는 연속방정식의 이해를 바탕으로 질량보존법칙을 다뤄보고, 오일러 보존 방정식을 유도하는 시간을 가져보도록 하겠습니다.
연재를 따라와 주시는 방문자분들께 항상 감사드립니다.
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