공정소형화
Process miniaturization화학적 공정 소형화란 공정 설계의 분야 내에서 '규모의 경제'나 '더 큰 것이 더 낫다'는 개념에 도전하는 철학적 개념을 말한다. 이러한 맥락에서, 공정 설계는 주로 화학 기술자들에게 가르치는 분야를 가리킨다. 그러나 공정 소형화의 새로운 분야에는 시스템 엔지니어링과 설계, 지능형 센서를 이용한 원격 측정과 제어, 생물학적 공정 시스템 엔지니어링, 첨단 제조 로봇 등 여러 분야에서 통합적인 지식이 포함될 것이다.
화학공학이 당면한 과제 중 하나는 화학실험실 규모 방법에 따라 공정을 설계하고, 경제적으로 저렴한 제품을 생산할 수 있도록 공정을 스케일업하는 것이었습니다.
공정이 커질수록 단위시간당 더 많은 제품을 생산할 수 있기 때문에 공정기술이 확립되거나 성숙해졌을 때 업셋이나 '다운타임' 없이 일관성 있게 운영될 때 스케일업으로 더 많은 경제적 효율을 얻을 수 있다. 공급 원료의 고정 가격(예: 원유 배럴당 가격)을 감안할 때 자본 투자 및 운용 비용은 일반적으로 규모에 따라 선형적으로 증가하지 않기 때문에 더 큰 규모의 공정을 사용하여 제품 비용을 줄일 수 있다. 예를 들어 제품을 생산하는 데 사용되는 원통형 용기의 용량이나 부피는 실린더 반지름의 제곱에 비례하여 증가하므로 단위 부피당 재료비가 감소한다. 그러나 선박의 설계와 제작 비용은 전통적으로 규모에 덜 민감했다. 즉, 소형 선박을 설계하여 대형 선박과 거의 동일한 비용으로 제작할 수 있다. 또한 공정(또는 공정 단위 구성요소)을 제어하고 운영하는 비용은 규모에 따라 크게 변하지 않는다. 예를 들어, 한 운영자가 작은 공정을 운영해야 한다면, 동일한 운영자가 아마도 더 큰 공정을 운영할 수 있을 것이다.
규모 개념의 경제는 화학 엔지니어들에게 가르친 바와 같이 공정 개발과 설계의 목표 중 하나가 가능한 최대 규모의 공정 공장으로 확장하여 "규모의 경제"를 달성하여 제품 비용을 경제적으로 감당할 수 있도록 하는 것이라는 개념으로 이어졌다. 이러한 징계 철학은 송유관, 대형 유조선, 철도에서 공급원이 액체로 운송된 석유 정제 및 석유화학 산업의 사례 설계에 의해 강화되었다.
유체는 정의에 따라 흐르며 펌프나 중력을 사용하여 전달될 수 있는 물질이다. 따라서 프로세스 산업에서 대량의 유체를 전달하기 위해 대형 펌프, 밸브, 파이프라인이 존재한다. 이와는 대조적으로 공정 소형화는 재생 가능한 바이오매스 자원의 대량의 고형물 처리를 수반할 것이므로 고형물 처리에 최적화된 공정 설계를 향한 새로운 사고가 요구될 것이다.
마이크로프로세스의 개념은 뉴저지 공과대학 교수 시절 S. S. Sofer에 의해 정의되었다. 마이크로프로세스는 다음과 같은 특성을 가지고 있다.[1]
- 1) 휴대성
- 2) 첨단로봇 제조방법으로 대량생산 가능
- 3) 전체 자동화 접근
- 4) 신기술
전자기기의 소형화
마이크로프로세서 설계 철학은 대체로 정보기술 산업에서 요소 소형화가 수행한 역할에 대한 역사적 분석에 의해 구상되어 왔다. 공정 소형화에 대한 생각을 가능하게 한 것은 화학공학 설계 맥락에서 컴퓨터 하드웨어의 소형화의 진화다. 하나의 중앙 집중식 대형 처리 공장(예: 메인프레임)에 대한 처리를 "스케일업"하는 전통적인 설계 목표보다는, "스케일 아웃" 철학(예: 다중 마이크로컴퓨터)을 사용하여 경제 목표를 달성하는 것을 상상할 수 있다.
전기 및 전자 장치는 화학 공정 공장 자동화에 항상 중요한 역할을 해왔다. 그러나, 초기에는 수은을 포함한 간단한 온도계와 자연에서 완전히 기계적인 압력계를 사용하여 공정 조건(화학 원자로의 온도, 압력 및 수위 등)을 감시하였다. 프로세스 조건은 주로 프로세스 행동에 대한 인간 운영자의 경험적 지식에 기초하여 조정되었다. 전자 자동화가 설치되더라도, 많은 프로세스는 여전히 상당한 운영자 상호작용이 필요하며, 특히 프로세스의 시작 단계 또는 새로운 기술의 전개 중에 그러하다.
미래의 프로세스 제어에는 지능형 센서의 광범위한 활용과, 작동기를 처리하기 위해 무선으로 통신하는 프로그램 가능한 로직 컨트롤러와 같은 대량 생산된 지능형 소형화 장치가 포함될 것이다. 이 장치들은 제조원가를 줄이기 위해 소형화되기 때문에, 이것은 장치를 구조물에 내장할 수 있게 하여 무심코 보는 사람에게 보이지 않게 한다. 그러한 센서의 비용은 그들이 "작동하거나 작동하지 않는" 지점으로 감소할 것이다. 비용 임계값에 도달하면 수리 절차는 센서를 비활성화하고 중복 작동 센서를 작동시키는 것이다. 다른 말로 하자면, 복잡한 제어 시스템 전체가 너무 낮은 비용이 될 것이고, 그래서 수리는 경제적으로 불가능할 것이다.
이 과정의 지능은 과학적 기초에 기반한 프로세스 시뮬레이션 모델을 사용하여 개발될 것이다. 휴리스틱스 규칙은 마이크로컨트롤러에 프로그래밍될 것이며, 이는 주로 프로세스 행동에 대한 휴리스틱스 지식에 의한 지속적인 모니터링의 필요성을 없앨 것이다. 마이크로프로세서 엔지니어가 개발한 고급 알고리즘을 통해 자동으로 최적화할 수 있는 프로세스가 내장되어 지식 소유자가 접근할 수 있어야 한다. 이것은 자동 마이크로프로세스의 대형 네트워크의 구축을 가능하게 할 것이다.
지식기반기업을 위한 공정소형화
프로세스 소형화를 위한 고급 프로세스 제어 시스템은 지식 기반 비즈니스에서 프로세스 인텔리전스의 보안과 소유권을 통제할 필요성을 증가시킬 것이다. 기존의 특허 방식을 통해 지식재산을 통제하는 것이 더욱 어려워질 것이므로, 상표권, 브랜드 인식, 저작권법은 향후 지식기반 사업의 가치보안에 더욱 중요한 역할을 하게 될 것이다.
전통적인 화학 공정 설계에서 가르친 것처럼 테크노-경제 분석 또한 역사적 추세 경제학의 활용과 현금 흐름 분석의 보수적인 관점에서 극적으로 변화할 것이다. 주어진 기업의 경제적 생존능력은 새로운 마이크로프로세서 개발 시스템의 규율에 의해 생성된 경험적 관찰에 기초하여 빠르게 변화할 수 있는 실시간 경제 정보의 획득과 더 연계될 것이다. 따라서 모델은 "과거가 무엇을 보여주었는가?"보다는 "무엇이 될 수 있는가?"에 기초할 것이다.
재생가능자재를 이용한 미래사회의 공정소형화 방안
해양 옆에 위치하면 석유 유조선 선적을 하역할 수 있는 정유공장과 같이 다량의 공급원료를 공급해야 하는 하나의 대형 중앙공장이 아니라 공정 소형화 규율에서는 공급원료가 대형 퀀티에서 쉽게 운송되지 않는 지역에 대한 공정기술의 보급을 구상하고 있다.es를 대형 중앙처리공장으로 보내라. 소형화된 공정 기술은 여러 개의 분산된 마이크로프로세스에서 고체 바이오매스 물질을 보다 쉽게 관리할 수 있는 유체로 변환하는 것을 포함할 수 있다. 그런 다음 기존의 유체 운반 기술을 사용하여 유체를 더 큰 규모의 지능형 처리 노드로 운송하거나 배포할 수 있다.
역사적으로 작은 프로세스나 se 당 마이크로프로세스가 항상 존재해왔다. 예를 들어, 소규모 포도원과 양조장은 석유화학 산업 모델을 기반으로 설계된 공정이나, 예를 들어 맥주의 대규모 생산과 비교할 때 "미크로프로세스"로 간주될 수 있는 공급 원료를 생산하고, 가공하고, 제품을 저장해 왔다. 인도와 세계의 다른 곳의 작은 마을들은 에너지 생산을 위한 작은 규모의 마이크로프로세스로 여겨질 수 있는 동물 배설물로부터 바이오가스를 생산하는 법을 배웠다. 그러나 설계 철학으로서의 마이크로프로세스와 프로세스 소형화는 총체적 자동화에 접근한다는 개념을 포함하고 있으며, 예를 들어 마이크로프로세서 같은 컴퓨터 하드웨어 소형화에 의해 가능해진 신기술이다. 대량 생산과 운송이 가능한 과정을 상상하는 것은 쉽다. 예를 들어 에어컨, 가정용 세탁기, 냉장고 같은 많은 가전제품은 마이크로프로세스로 간주될 수 있다.
공정 소형화의 설계 철학은 복수의 공정 단위 연산을 수반하는 복잡한 공정의 "스케일다운"을 달성할 수 있으며, 규모의 경제성은 분산된 자율 마이크로프로세스의 네트워크 크기와 더 관련이 있을 것이라는 것을 구상하고 있다. 하나의 자율적인 마이크로프로세스의 실패가 전체 네트워크의 정지를 야기하지 않기 때문에, 마이크로프로세스는 전통적으로 석유 기반 사회를 위해 생산되어 온 제품의 보다 경제적으로 효율적이고 견고하며 안정적인 생산으로 이어질 것이다.
정의상 화석연료가 소비되고 있고 재생가능하지 않기 때문에, 미래 연료와 재료는 재생 가능한 바이오매스를 기반으로 할 것이다.
미생물 연료전지의 공정소형화
바이오매스를 에너지로 전환하는 것은 아마도 화석 연료에서 나오는 에너지보다 기술자에게 더 어려운 일일 것이다. 물, 용해된 유기 화합물 및 무기 화합물, 다양한 크기의 고체 미립자가 바이오매스 공정에서 존재할 수 있다. 공정 소형화에 대한 철학적 사고가 더 큰 역할을 할 것은 아마도 미생물 연료전지의 개발일 것이다. 소형화된 장치를 통해 패셔너블하고 흥미로운 방식으로 지식의 유통은 저전력 소비 장치(스마트폰 등)에 의해 실질적으로 향상(가속)될 수 있다. "발전소란 무엇인가?"를 다시 생각해 보면, 최근의 건설 막 재료의 진보, 고정된 전체 세포 방법론, 대사 공학, 나노테크놀로지 등을 고려할 때 엄청난 혁신을 일으킬 수 있다.
미생물 연료전지의 과제는 주로 저비용 제조방법, 건설자재, 시스템 설계를 찾는 것과 관련이 있다. 펜 주립 대학의 브루스 로건은 여러 연구 기사에서 이러한 난제를 설명하고 있다.
그러나, 저전력을 발생시키는 기존의 설계에도 불구하고, 스마트 폰이 인터넷의 방대한 정보에 접근할 수 있고, 조명을 제공할 수 있는 아프리카의 외딴 지역에 전기 충전 시스템을 보급하는 응용 프로그램들이 있다. 이 시스템은 자연적으로 발생하는 박테리아를 이용하여 농업, 동물, 인간 폐기물 흐름에서 작동할 수 있다.
미니 원자로의 공정 소형화
원자력은 기존 천연가스나 석탄화력발전소처럼 온실가스인 이산화탄소를 배출하지 않는다는 점에서 '녹색기술'로 꼽힌다. 미니 원자로 배치의 경제성은 「이코노미스트」의 기사에서 논의되어 왔다.
미니 원자로의 장점은 스티븐 추 에너지 장관도 논의해 왔다.[2] 추 대표가 논의한 대로 원자로는 공장 같은 상황에서 제조된 뒤 철도나 배를 타고 나라나 세계의 다른 지역으로 온전하게 운송될 것이다. 크기별 규모의 경제는 수별 규모의 경제로 대체된다. 많은 기업들이 단일 대형 원자로에 8억 달러에서 9억 달러 규모의 투자를 하는 위험을 기꺼이 받아들이려 하지 않기 때문에 공정 소형화의 가장 매력적인 특징 중 하나는 자본 투자 위험의 감소와 기능성 턴키 마이크로프로세스를 새로운 소유자에게 재판매하고 이전함으로써 투자를 회수할 수 있는 가능성이다. 마이크로프로세스의 이식성이 갖는 주요한 경제적 이점
