1. 화학 공정 시뮬레이션이란 무엇인가?

화학 공정 시뮬레이션은 실제 화학 공장에서 일어나는 다양한 화학적, 물리적 현상을 컴퓨터 소프트웨어로 가상 재현하고 분석하는 기술이다. 화학공학 이론을 바탕으로 공정을 수학적으로 모델링하고, 컴퓨터에 온도, 압력, 유량, 물성치 등 여러 변수를 입력해 공정의 동작을 예측할 수 있다.

주요 특징과 장점

- 실제 공정을 가동하지 않아도 짧은 시간에 저렴한 비용으로 실제와 유사한 결과를 얻을 수 있다.

- 실험이나 실제 운전에서 테스트하기 어려운 다양한 조건을 시뮬레이션으로 쉽게 실험할 수 있다.

- 공정 설계, 최적화, 문제 진단, 에너지 절감, 환경 영향 평가 등 다양한 목적에 활용된다.

- 안전성과 경제성을 높이고 생산 효율을 극대화할 수 있다.

- 위험하거나 비용이 많이 드는 실험을 대신할 수 있어 산업 현장에서 필수적인 도구로 자리 잡았다.

활용 분야와 예시

- 정유, 석유화학, 반도체, 의약품, 환경공정 등 다양한 산업에서 공정 설계, 증설, 운전 최적화 등에 널리 사용된다.

- 대표적인 시뮬레이션 소프트웨어로는 Aspen HYSYS, Aspen Plus, AVEVA PRO/II, Honeywell Unisim 등이 있다. 

국내에서는 Aspen Hysis(아스펜 하이시스), Aspen Plus(아스펜 플러스), PRO/II(프로투) 순으로 주로 사용되고 있으며, 다른 소프트웨어는 거의 사용되지 않고 있다. 

- 예를 들어, 반도체 제조 공정에서는 시뮬레이션을 통해 화학물질 사용량을 최소화하고, 최적의 생산 조건을 찾을 수 있다.

공정 시뮬레이션의 원리

- 공정 시뮬레이션은 열역학, 유체역학, 반응공학 등 다양한 이론을 바탕으로 공정 내 각 장치(반응기, 열교환기, 분리기 등)의 동작을 수학적으로 모델링한다.

- 사용자가 공정에 투입되는 원료의 성분, 유량, 온도, 압력 등 조건을 입력하면, 소프트웨어가 물질 및 에너지 수지, 반응 속도, 장치별 성능 등을 계산해 전체 공정의 결과를 예측한다.

- 정상상태 시뮬레이션과 동적 시뮬레이션이 있으며, 각각 평상시 운전 조건과 시간에 따른 변화를 분석할 수 있다.

결론

화학 공정 시뮬레이션은 복잡한 공정을 효율적이고 안전하게 설계, 운영, 최적화하기 위한 필수 도구다. 실제 공정을 대신해 다양한 조건을 실험하고, 최적의 운전 조건을 찾으며, 비용과 시간을 절감할 수 있어 산업 전반에 널리 활용되고 있다.

2. 화학 공정 시뮬레이션과 플랜트 공정모사의 차이는?

화학 공정 시뮬레이션과 플랜트 공정모사는 실질적으로 같은 의미로 사용되는 경우가 많다. 두 용어 모두 컴퓨터 소프트웨어를 이용해 실제 공정의 물질 및 에너지 수지, 각 장치의 동작, 운전 조건 등을 수학적으로 모델링하고 가상으로 실험하는 것을 의미한다.

화학 공정 시뮬레이션은 주로 화학 반응이나 분리, 열교환 등 화학공정 내 단위조작의 해석과 최적화에 초점을 둔다. 반면 플랜트 공정모사는 플랜트 전체의 흐름, 장치 간 연계, 전체 시스템의 설계와 검증 등 좀 더 넓은 범위에서 공정 전체를 통합적으로 다루는 경향이 있다. 하지만 실제로는 두 용어가 구분 없이 혼용되며, 사용하는 소프트웨어(예: Aspen Plus, PRO/II, Unisim 등)와 적용 목적도 거의 동일하다.

즉, 목적과 범위에 따라 강조점만 다를 뿐, 실무에서는 화학 공정 시뮬레이션과 플랜트 공정모사를 구분하지 않고 사용해도 무방하다.

3. 화학 공정 시뮬레이션 소프트웨어
 

화학 공정 시뮬레이션을 위해 사용되는 다양한 소프트웨어 도구가 있다.

이러한 소프트웨어들은 화학 공정 모델링, 시뮬레이션, 최적화, 설계 등을 지원하여 공정 개발과 최적화를 돕는다. 

국내에서는 Aspen Hysis(아스펜 하이시스), Aspen Plus(아스펜 플러스), PRO/II(프로투) 순으로 주로 사용되고 있으며, 다른 소프트웨어는 거의 사용되지 않고 있다. 

일부 주요한 화학 공정 시뮬레이션 소프트웨어의 예는 다음과 같다:

Aspen Plus : 화학 공정 시뮬레이션과 최적화를 위한 강력한 도구로, 화학 엔지니어링 및 프로세스 설계 분야에서 널리 사용됩니다. 다양한 화학 공정의 모델링과 시뮬레이션, 열 균형, 기술 경제 분석 등을 지원한다.

ChemCAD: 화학 공정 시뮬레이션 및 프로세스 설계 도구로, 다양한 화학 공정의 모델링과 시뮬레이션, 열 및 질량 균형, 장비 디자인, 흐름표 작성 등을 제공한다.

COMSOL Multiphysics: 다목적 공학 시뮬레이션 소프트웨어로, 화학 공정을 포함한 다양한 엔지니어링 분야에서 사용됩니다. 다상 유동, 반응 역학, 열전달 등 다양한 물리적 현상을 모델링하고 시뮬레이션할 수 있다.

gPROMS: 고급 프로세스 모델링 및 시뮬레이션 소프트웨어로, 화학 공정 및 다상 시스템에 적합합니다. 반응 역학, 열 및 질량 균형, 최적 제어 등을 고려하여 복잡한 프로세스를 모델링하고 최적화할 수 있다.

HYSYS (Aspen HYSYS): 화학 공정 시뮬레이션 및 프로세스 설계 소프트웨어로, 다양한 공정 단위의 모델링과 시뮬레이션, 열 및 질량 균형, 프로세스 흐름도 작성 등을 지원한다.

AVEVA PRO/II Simulation : PRO/II(프로투)로 알려진 이 솔루션은 플랜트 성능을 최적화하는 종합 프로세스 시뮬레이션으로 프로세스 설계, 운영 분석 및 엔지니어링 연구 수행을 개선한다.

이 외에도 VMGSim, UniSim Design, CHEMCAD, MATLAB 등의 소프트웨어도 화학 공정 시뮬레이션에 사용된다.

각 소프트웨어는 기능, 사용자 인터페이스, 산업 분야 등에서 차이가 있으므로 선택 시 해당 요구사항과 용도에 맞는 소프트웨어를 고려해야 한다.

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