프로세스 통합

Process integration

공정 통합은 화학 공학에서 두 가지 가능한 의미를 지닌 용어다.

  1. 공정의 통합을 강조하고 서로 다른 단위 작업 간의 상호작용을 개별적으로 최적화하기보다는 처음부터 고려하는 프로세스 설계에 대한 전체론적 접근방식. 이를 통합공정설계 또는 공정합성이라고도 할 수 있다. El-Halwagi(1997년과 2006년)와 Smith(2005년)는 접근법을 잘 설명한다. 중요한 첫 단계는 종종 제품 설계(Cussler 및 Moggridge 2003)로, 필요한 목적을 충족시키기 위한 제품의 규격을 개발한다.
  2. 핀치 분석은 열 통합, 에너지 통합 또는 핀치 기술이라고도 하며 에너지 소비를 최소화하고 열 회수를 극대화하는 프로세스를 설계하는 기법이다. 이 기법은 주어진 프로세스에 대해 열역학적으로 달성할 수 있는 에너지 목표를 계산하고 이를 달성하는 방법을 식별한다. 핵심 통찰력은 공정에서 가장 제약이 많은 핀치 온도다. 기법에 대한 가장 자세한 설명은 린호프 외 연구진(1982년), 셰노이(1995년), 켐프(2006년), 켐프·임(2020년)이며, 스미스(2005년)에도 강하게 등장한다. 이러한 정의는 프로세스 통합의 첫 번째 주요 성공이 에너지 문제를 다루고 린호프와 동료들이 개척한 열 핀치 분석이었다는 사실을 반영한다. 이후, 대량 교환 네트워크(El-Halwagi 및 Manoussiutakis, 1989), 물 최소화(Wang and Smith, 1994), 재료 재활용(El-Halwagi 등, 2003)과 같은 몇 가지 용도에 대해 다른 핀치 분석이 개발되었다. 매우 성공적인 연장은 "수소 핀치"로, 정제 수소 관리에 적용되었다(Nick Hallale et al., 2002, 2003). 이를 통해 정유사는 수소 공급의 자본과 운영 비용을 최소화하여 더욱 엄격한 환경 규제를 충족하고 또한 수력 발전기 수율을 증가시킬 수 있었다.

설명

화학공학의 맥락에서 프로세스 통합은 프로세스 설계와 최적화에 대한 전체론적 접근방식으로 정의될 수 있으며, 이는 자원을 효과적으로 사용하고 비용을 최소화하기 위해 서로 다른 단위들 간의 상호작용을 이용한다.

프로세스 통합은 신규 발전소 설계에 국한되지 않고, 레트로핏 설계(예: 오래된 발전소에 설치되는 새로운 단위)와 기존 시스템의 운용에 대해서도 다룬다. 공정 통합으로 산업계는 원자재와 자본자산으로 더 많은 돈을 벌면서도 더 깨끗하고 지속가능해지고 있다는 것이 닉 할레일(2001)의 설명이다.[1]

프로세스 통합의 주요 이점은 설계 및/또는 운영을 개선하기 위해 시스템 전체를 고려하는 것이다(즉, 통합 또는 전체론적 접근법). 이와는 대조적으로, 분석적 접근법은 공정 단위들 사이의 잠재적 상호작용을 반드시 이용하지 않고 개별적으로 개선하거나 최적화하려고 시도할 것이다.

예를 들어, 공정 통합 기법을 사용하면 공정이 다른 장치에 의해 거부된 열을 사용할 수 있고, 장치가 자체적으로 최적의 조건에서 실행되지 않더라도 전체 에너지 소비량을 줄일 수 있음을 식별할 수 있다. 이러한 기회는 분석적 접근방식으로 놓칠 수 있는데, 이는 각 단위를 최적화하려고 할 것이고, 그 이후에는 열을 내부적으로 재사용하는 것이 불가능할 것이기 때문이다.

일반적으로 공정 통합 기법은 공정 공장의 설계 및/또는 운영을 최적화하기 위한 유망한 선택사항을 선별하기 위해 프로젝트 시작 시 채택된다(예: 신규 공장 또는 기존 공장의 개량).

또한 시스템(신규 또는 기존)을 더 잘 통합하고 자본 및/또는 운영 비용을 줄이기 위해 기회를 식별하기 위해 시뮬레이션 및 수학 최적화 도구와 함께 종종 사용된다.

대부분의 프로세스 통합 기법은 여러 프로세스를 전체 시스템으로 평가하기 위해 핀치 분석 또는 핀치 도구를 사용한다. 따라서 엄밀히 말하면, 두 개념은 서로 교환하여 사용하더라도 동일하지 않다. 닉 할레일(2001)의 리뷰는 앞으로 현장에서 여러 트렌드가 예상된다는 설명이다. 향후, 대상과 설계의 경계가 모호해지고 공정 네트워크에 관한 보다 구조적인 정보에 기초할 가능성이 있어 보인다. 둘째, 프로세스 통합의 적용 범위가 훨씬 더 넓어질 것으로 보인다. 복잡한 증류계통뿐만 아니라 혼합형 분리계통에서도 아직 분리영역에서 수행해야 할 일이 많다. 여기에는 부양과 결정화와 같은 고형분을 포함하는 과정이 포함된다. 원자로 설계를 위한 공정 통합 기법의 사용은 급속한 진척을 보였지만 아직 초기 단계에 있다. 셋째, 새로운 세대의 소프트웨어 도구가 기대된다. 프로세스 통합을 위한 상용 소프트웨어의 출현은 프로세스 설계에서 그것의 광범위한 적용에 기본적이다.

참조

  1. ^ Hallale, Nick (July 2001). "Burning bright: Trends in process integration". Chemical Engineering Progress. Archived from the original on February 4, 2008.
  • 쿠슬러, E.L., 모그리지, G.D. (2001) 화학 제품 설계. 케임브리지 대학 출판부(화학공학 캠브리지 시리즈). ISBN 0-521-79183-9
  • 엘-할와기, M. M. (2006) "프로세스 통합", 엘스비에
  • 엘-할와기, M. M. (1997) "공정 통합을 통한 오염 방지", 학술지
  • 엘할와기, 엠엠, 에프 가브리엘, 디. Harrell, (2003) Ind. Eng, "자재 재활용/재사용 네트워크를 통한 자원 보존을 위한 고정 그래픽 타겟팅" 화학, 42, 4319-4328
  • M. M. 엘 할와기, V. (1989년) 마누시우타키스. 대량 교환 네트워크의 합성. AICHE J. 35(8), 1233-1244.
  • 할랄, 닉(2001) "버닝 브라이트: 공정통합 동향", 화학공학 발전, 2001년 7월
  • 할레일, N. 이안 무어, 데니스 바우크, "최소 투자시 수소 최적화", PTQ(Petrail Technology Quarterly), 봄(2003)
  • 켐프, 아이씨(2006년). 핀치 분석 및 프로세스 통합: 에너지 효율적 사용을 위한 프로세스 통합에 관한 사용자 가이드, 제2판 버터워스 하이네만 ISBN 0-7506-8260-4. 다운로드 가능한 스프레드시트 소프트웨어 포함.
  • 켐프, 아이씨, 임, J.S.(2020년) 에너지 및 탄소 배출량 감소를 위한 핀치 분석: 효율적인 에너지 사용을 위한 프로세스 통합에 관한 사용자 가이드, 제3판. 다운로드 가능한 스프레드시트 소프트웨어 포함. 버터워스 하이네만 ISBN 978-0-08-102536-9
  • 린호프, B, D.W. 타운젠드, D. 볼랜드, G.F. 휴이트, B.E.A. 토마스, A.R. 가이, R.H. Marsland, (1982) "에너지 효율적 사용을 위한 프로세스 통합에 관한 사용자 가이드," 영국 IChemE.
  • U.S.V. (1995년)의 Shenoy. "열 교환기 네트워크 합성: 에너지 및 자원 분석을 통한 프로세스 최적화". 컴퓨터 디스크 2개 포함. 미국 휴스턴의 걸프 출판사. ISBN 0-88415-391-6.
  • 스미스, R. (2005년) 화학적 공정 설계 및 통합. 존 와일리 앤 선즈 ISBN 0-471-48680-9
  • Vauck, Dennis (September 2002), "Hydrogen: Liability or Asset?", Chemical Engineering Progress, archived from the original on April 12, 2008
  • 왕, Y. P., R. 스미스(1994년). 폐수 최소화. Chem. Eng. Sci, 49, 981-1006