화학공학

화학공학(化學工學, Chemical Engineering)은 어떤 원료물질에 화학적 변화를 일으켜 사람이 살아가는 데에 사용되어온 각종 물질들을 대량으로 만드는 방법 및 그 이용에 관하여 연구하는 공학의 한 분야이다. 초기 화학공학은 석유와 고분자를 다루는데 집중했으나 현대 화학공학은 화장품, 제약, 의료기기, 반도체, 나노기술, 금속, 세라믹 등 다양한 물질을 다룬다. 화학공학자의 일은 나노물질과 나노기술의 활용에서부터 화학물질과 에너지, 원자재, 미생물 등을 유용한 형태로 전환시키는 대규모 산업에 이르기까지 다양하다.

화학공학자는 안전을 평가하거나 공정을 분석, 디자인하고 제어공학, 생명공학, 원자력 공학을 포함하는 플랜트 설계, 가동과 많은 측면에서 관련이 있다.

화학공학자는 일반적으로 화학 공학이나 공정 공학을 전공으로 한다. 실무 기술자는 전문적인 자격 또는 전문단체의 공인된 회원자격을 가질 수도 있다.

개념 및 정의[편집]

화학공학은 원료를 화학적·생물학적·물리적으로 처리하고 응용하여 부가가치가 높은 유용한 제품을 생산하는 공업이 화학공업이다.

원유를 분리 정제하여 나프타, 휘발유 등 각종 석유제품을 생산하는 정유공업,1) 나프타(naphtha)를 분해하여 에틸렌(ethylene)을 비롯한 모노머(monomer)를 생산하고 이로부터 각종 플라스틱, 합성고무, 합성섬유 등을 생산하는 석유화학공업을 비롯하여, 옥수수·사탕수수 등의 원료를 미생물로 발효시켜서 바이오에탄올(bio-ethanol)을 비롯한 각종 생물화학제품을 만드는 생물화학공업, 질소(nitrogen)와 수소(hydrogen)를 결합시켜서 암모니아(ammonia)를 만들고, 질소비료(nitrogenous manure)를 만드는 등 각종 비료를 만드는 비료공업이 모두 화학공업에 속한다. 화학공업은 우리 일상생활과 밀접한 관계가 있는 무수한 제품을 생산한다.

화학공업과 관련하여 공학적 측면을 다루는 분야가 화학공학(化學工學, chemical engineering)이다. 화학공학은 화학(化學, chemistry)과 물리학(物理學, physics)을 비롯한 자연과학(自然科學, natural science), 생물학(生物學, biology), 미생물학(微生物學, microbiology), 생화학(生化學, biochemistry)을 비롯한 생명과학(生命科學, life science)과 함께 수학(數學, mathematics)과 경제학(經濟學, economics) 등을 활용한다.

화학 공학은 여러 가지 원리를 적용하는 것을 포함한다.

플랜트 설계와 시공

화학 공학 설계는 실험용 플랜트, 새로운 플랜트 또는 플랜트 수정에 대한 계획, 규격 및 경제적인 분석을 만드는 것과 관련이 있다. 설계 공학자들은 자문 역할이나 고객의 요구에 맞는 플랜트를 설계한다. 설계는 자금과 정부의 규제, 그리고 안전 기준을 포함하는 몇몇의 요인에 의해 제한된다. 이런 제약은 공정과 물질, 장비와 같은 플랜트의 선택을 좌우한다.

플랜트 건설은 투자의 정도에 따라 프로젝트 공학자들과 프로젝트 매니저들에 의해 편성된다.[1] 화학 공학자는 프로젝트 공학자의 역할을 할 수도 있다. 하지만 그것은 추가적인 교육과 직무 기술이나, 프로젝트 그룹에서 컨설턴트의 역할을 하는 것을 요구한다.

공정 설계와 분석

단위 조작은 개별 화학 공학 과정의 물리적인 단계이다. 단위 조작은 반응물 제조, 생성물을 정화하거나 분리하고, 사용되지 않은 반응물을 재활용하며, 원자로 내의 에너지 변환을 제어한다.

이동 현상

이동 현상을 설계하거나 분석하는 것은 여러 산업에 적용하는 데에 필수적이다. 이동 현상은 각각 운동량 전달, 에너지 전달과 화학종의 수송에 의해 주로 좌우되는 유체 역학, 열·질량 전달을 포함한다.

학문적 특징[편집]

19~20세기 화학공학: 고전적인 화학공학은 "화학물질을 가공하는 기계장치"를 연구하는 학문으로, 기계공학과 공업화학의 학제간 연구로 발전했다. 화학물질을 가공하기 위해선 열역학과 유체역학이 가장 중요했다. 화공열역학은 기계열역학에 상평형, 열전달, 단위조작, 분리공정 등 훨씬 복잡한 분야들을 다루게 되었다. 여기서 더 발전하여 반응공학이라는 학문까지 태어났다. 화공유체역학도 기계유체역학보다 물질전달을 깊게 다루고 있다. 그리고 여기에 더해 화학공장의 통제를 위한 공정설계도 다루게 되었다.
21세기: 21세기부터 화학공장의 완전 기계화로 인한 기술적 실업이 가속화되었다. 21세기의 화학공장은 사람의 흔적을 찾기 힘든 기계 건물로 바뀌었다. 화학공학 역시 생존을 위해 변화를 시도했다. 그 결과 화학공학은 재료공학과 생명공학에 가까운 학문으로 바뀌었다.

기계공학[편집]

화학공학은 기계공학과 달리 화학반응을 다룬다. 기계공학적 제조과정에선 원료를 잘라내고 절단하고 파괴하여, 특정형태의 규격화된 부품을 만들고, 이 부품들을 조립한다. 흔히 자동차나 선박의 제조 과정을 생각하면 된다.

이 생산방식의 차이가 고용의 관점에서 대단히 중요한데 기계공학에서는 작업원이 사람이든 로봇이든 그 수가 생산능력과 비례하지만 화학공학 산업은 그러한 생산능력과 작업원의 수가 딱히 비례관계가 성립하지 않다는 점으로 이어지기 때문이다.

예를 들어 기계제조업의 경우에는 생산과정이 일부 로봇과 많은 수의 작업원에 의해 진행되기 때문에 생산을 늘리려면 생산이 진행되는 단위 즉, 라인을 증설해야 한다. 라인을 증설한다는 것은 각 생산단위에 필요한 작업원에 대한 고용도 그만큼 증가한다는 것이다.

반면 화학산업에서는 생산능력이 증가한다고 해서 딱히 작업원에 대한 고용이 늘어나지 않는다. 실험실 규모에서 500mL 비커에서 진행한 화학반응이 파일럿 단계를 거쳐서 20L단위로 큰 규모로 생산한다고 해서 기존 인원 대비 40배의 인원이 필요한가? 그렇지 않다. 마찬가지로 상업용 생산급의 몇톤단위로 혹은 몇 십톤단위로 반응의 규모가 커진다고 한들 새롭게 인원을 고용할 필요는 별로 없는 것이다.(채용이 그리 증가하지 않는다). 이는 화학산업에서는 스케일업이라는 개념이 중요하지만 기계제조업에서는 쓰일일이 거의 없다는 점에서도 알 수 있다.

반도체 혹은 이차전지 같은 곳에서 화학공학 인원을 적지 않게 채용하는 것은 그쪽 산업이 워낙 규모의 경제로 승부를 보는 점과 화학공학 기술 이외에 물리적인 생산기술(기계공학적 특성)이 많이 필요하다는 특징을 갖고 있기 때문이다.

화학공학에선 주로 유체상태의 재료(화학물질)를 파이프라인을 따라 수송하고 특정공간에서 여러 성분들과 반응시킨다. 이때 주로 사용되는 공정은 유체수송, 반응, 혼합, 분리, 여과, 증류 등이 있는데 모두 화학산업에서만 사용된다.

재료공학[편집]

20세기까지의 화학공학은 석유를 다루는 고분자공학 / 유기화학공학 중심의 학문이었다. 그러나 21세기 이후 반도체, 디스플레이, 나노소재 등 다양한 산업이 급속도로 발전하자 화학공학 역시 이에 발맞춰 변화하였다. 그 결과 현대 화학공학은 재료공학에 가깝게 변했다. 기존의 화학공학에선 유기화학과 고분자화학 위주로 배웠으나, 21세기 화학공학에선 물리화학, 나노화학, 생화학, 세라믹화학, 금속화학 등 다양한 화학 분야가 추가되고 있다.

생명공학[편집]

한국화학공학회에는 13개의 분과가 있는데, 그중 하나가 '생물화공'이다. 한국화학공학회 학술대회에서도 생물화공 관련 강연을 들을 수 있다. 미국화학공학회 역시 6개 정도의 주요 주제를 두고 있는데, 그중 하나가 'Biological Engieneering'이다. 미국 화학공학회는 Biological engineering의 세부 분야로 stem cell engineering, synthetic biology, protein engineering pharma engineering & drug delivery, metabolic enginering, bionanotechnology, biomedical engineering, biomaterials, bioenergy, bioprocessing; molecular, cellular and tissue engineer engineering 등을 다루고 있다. 일본화학공학회에도 14개 분과가 있는데, 그중 하나가 Biochemical engineering이다. 일본 화학공학회는 Biochemical engineering의 세부 분야로 Bioprocess Engineering, Bioseparation Engineering, Medical Bioengineering, Bioinformatics, Environmental Biotechnology, Food Engineering 등을 다루고 있다.

생물화공은 화학공학의 세부분야다. 생물화공은 화학 공학의 기본 원리를 생물 공정에 적용하여, 물질 생산 등에 관한 공정을 설계하고 운전하는 것과 관련된 연구를 하는 분야이다. 그렇다면 어디까지가 생물화공의 범위인가?

생물화학공학 Biochemical engineering 교과서들은 다음 주제를 생물화학공학의 범위로 보고 있다.

생물공정공학 Bioprocess Engineering: 열 및 물질 전달, 유체역학, 물질과 에너지 수지, 반응속도론 등의 지식을 생물에 적용.
생물반응공학: 효소, 미생물 발효 등을 이용한 생물반응기(Bioreactor)의 설계와 해석.
생물분리공정 Bioseparation Engineering: 분리 정제 기술. 원심분리, 세포 파쇄, 막분리, 여과, 투석, 흡착, 크로마토그래피, 초임계 유체 추출 등의 기술을 사용한다.

생물화학공학 관련 연구실이 있는 대학교에서는 화학공학과 학부 과정에 생물학/생명공학 관련 몇몇 과목들을 개설한다. 이 경우 일반생물학, 생화학, 생물화학공학 등의 과목이 개설된다. 생물화학공학을 대학원에서 전공할 사람은 생물학 지식을 몰라도 되는 경우도 있으나, 많은 불편을 겪기 때문에 되도록이면 익혀야 한다.

다만, 생물화학공학은 위에서 보듯 십수개의 화학공학 중요 분야 중 하나일 뿐이다. 나머지 분야인 화학공학을 대학원에서 전공할 사람들은 생물학을 하나도 듣지 않아도 될 정도로 연구에 지장을 받지 않는다. 기계공학의 베리에이션 쪽 분야를 공부하는 대부분의 화학공학도들은 오히려 물리학의 비중이 크다. 심지어 학문명에 '화학'이라는 단어가 들어가 있음에도 화학 지식도 의외로 많이 필요하지 않을 정도다. 이러다 보니 최근 들어선 학부제를 폐기하고 생명공학과를 화학공학과와 완전히 분리시키는 경우가 늘어나고 있고, 심지어 생명공학과를 공대에 두지 않고, 생명과학대라는 새로운 단과대학을 만들어 편제시키려는 흐름도 나타나고 있다.

김영삼 정부 말기에 교육당국은 각 대학에 학부제 도입을 권고하였고, 그에 따라 각 대학들은 여러 학과들을 묶어서 신입생을 선발하였는데, 화학공학과는 보통 생명공학과와 같이 하나의 학부로 묶였다. 그리하여 화공생명공학부, 화공생물공학부, 화학생명공학부, 화학생물공학부 등의 이름을 가진 학부가 마구잡이로 등장하였다. 다만 해외에서도 Chemical and Biological Engineering이라는 이름의 학부/학과가 많으므로 국내에만 특정된 현상은 아니다. 또한 해외에서는 Chemical and Biomolecular Engineering(화학 및 생체 분자 공학)이라는 이름의 학과도 많은데, 이 역시 주로 한국어로 번역된 명칭은 화공생명공학부이지만 엄밀히 말하면 이 경우는 정확한 표현은 아니다. 이 경우는 단어 그대로 가장 충실하게 번역된 명칭은 화학생체분자공학.[

보통 기계공학과, 전기전자공학과 등의 공과대학이 천연기념물 급으로 여자 보기 매우 힘들지만 사실 화학공학과는 원래부터 여자 비율이 공대치고 높은 편이었다. 거기에 생명공학 버프까지 받으면서 여자 비율이 30%까지도 육박하거나 넘어가는 기적을 간간이 볼 수 있다.

역사와 발전단계[편집]

화학공학(chemical engineering)이란 용어를 처음 도입한 사람은 1839년의 제임스 도넬리(James F. Donnelly)이다. 조지 에드워드 데이비스(George Edward Davis)는 화학공학의 기본 개념을 정립했다. 1908년에는 미국화학공학회(AIChE)가 창설되었다.2) 한국에서는 광복 이후 공업화학과가 먼저 만들어지고 뒤이어 화학공학과로 변경되었다. 최근에는 다른 분야와 융합하여, 화공생명공학과 등 학과 명칭이 다양해졌다. 한국화학공학회는 1962년 말 창설되었고, 한국공업화학회는 1989년에 설립되었다.

화학공학이 학문으로 정착되기 시작한 것은 제1차 세계대전(1914~1918) 전후이다. 당시 선진국에서 내연기관(internal combustion engine)이 개발되면서 정유제품의 수요와 함께 유기화학제품의 수요가 증가했다. 그러나 대부분의 생산시설은 주로 경험을 바탕으로 운전되었으므로, 최적 생산 공정을 설계하고 조작하는 학문이 필요하게 되었다.

화학공정은 주로 분리, 정제, 혼합, 가열, 냉각, 유체 수송 등의 물리적 조작과 화학반응 조작으로 이루어진다. 각각의 물리적 조작은 화학공정의 종류와 무관하게 동일한 기본 원리를 바탕으로 설계할 수 있음을 알게 되었다. 증류장치의 경우, 원유를 증류하거나 발효생성물 중의 에탄올을 증류하거나 그 기본 원리는 같다. 따라서 각각의 물리적 조작을 연구하는 단위조작(unit operation)이란 개념이 정착되었다.3)

역사적으로 단위조작을 처음 강의한 것은 1887년 영국 Manchester Technical School4)의 조지 에드워드 데이비스(George Edward Davis)였다.5) 단위조작이 화학공학의 중요한 측면으로 확립된 것은 1920년대 미국 MIT와 영국 Imperial College London에서다.

1940년대에는 화학공정의 중심 역할을 하는 반응공학(反應工學, chemical reaction engineering)이 탄생하였다. 물리적 단위조작과 반응조작을 합리적으로 조합하여 최적의 화학공정을 구성할 수 있다. 제2차 세계대전은 석유화학공업을 촉발했다. 생물화학공업도 1940년대에 발전하기 시작했고, 의약품 산업에 응용되었으며, 페니실린과 스트렙토마이신을 포함한 각종 항생물질의 대량생산에 기여했다. 1950년대에는 고분자과학(高分子科學, macromolecule science)이 발전하면서 ‘플라스틱 시대’가 열렸다.

1960년대에는 각 단위조작에 공통적인 해석적 측면을 연구하는 이동현상론, 분립체를 다루는 분체공학이 등장하고, 1970년대에 공정의 제어시스템과 공정설계 등 합성요소를 취급하는 공정시스템공학(工程-工學, process systems engineering)이 등장하였다. 비로소 화학공정을 종합적으로 연구하는 학문으로서의 화학공학의 기반이 확립되었다.

한국에서는 광복 후 정부의 중화학공업 육성 정책에 따라 1961년 충주비료, 1963년 호남비료가 설립되면서 화공기술자의 본격적 일자리가 만들어지기 시작했다. 1973년에는 충주비료와 호남비료가 설립되어 한국종합화학공업(1973~2001)이 출범했다. 1962년에는 대한석유공사 울산정유공장,6) 1967년에는 호남정유,7) 1976년 한이석유8)가 설립되었다. 이렇듯 정유공업과 석유화학공업이 발전하고 모든 분야의 화학공업이 눈부시게 발전하기 시작했다.

접근방법 및 주요 연구영역[편집]

화학공학은 크게 두 분야로 나눌 수 있다. 한 분야는 화학공정공학(化學工程工學, chemical process engineering) 분야로, 화학공정의 장치와 기계의 설계, 제작, 조작과 관련된 분야를 다룬다. 또 한 분야는 화학제품공학(化學製品工學, chemical product engineering) 분야로, 식량·음료·화장품에서 의약품에 이르기까지 신규 및 응용 물질을 개발하는 일을 한다. 현대 화학공학은 나노기술, 연료전지, 생명의료기술(biomedical engineering)과 같은 선구적 분야도 다룬다. 화학공학에서 다루는 핵심 분야는 다음과 같다.

유체역학[편집]

관내 유체의 흐름

유체역학(流體力學, fluid dynamics)에서는 모든 유체의 흐름 현상을 다룬다. 연속적으로 운전하는 화학장치에서는 유체가 흐른다. 유체 수송, 점도를 비롯한 유체의 성질, 층류와 난류, 유체 흐름의 물질 수지, 운동량 수지와 에너지 수지, 나비에 스토크 (Navier-Stokes)식, 압축성 유체와 비압축성 유체, 액체의 교반과 혼합, 유량 측정과 제어, 펌프와 압축기를 비롯한 유체수송기구, 배관의 설계 등을 다룬다. 기본적인 연속의 식(equation of continuity)과 베르누이(Bernoulli) 식은 다음과 같다.

① 연속의 식

w = v₁ρ₁A₁ = v₂ρ₂A₂

(w=질량유량)

② Bernoulli 식

h₁g + v₁²/2 + P₁/ρ=h₂g + v₂²/2 + P₂/ρ

(p=압력, A=단면적, h=높이, v=유속, t=시간, s=부피, g=중력가속도)

열전달[편집]

열전달(heat transfer)에서는 화학장치에서 열의 형태로 흐르는 에너지를 다룬다. 전도, 대류, 복사의 열전달 기본 메커니즘, 유체 중의 열전달, 비등과 응축 및 증발과 냉각 등 상변화와 관련한 열전달, 열교환기 및 관련 장치 설계와 조작 등을 다룬다.

Q = UAΔT

(Q=열전달량, U=총괄열전달계수, A=열전달 면적, ΔT=온도차)

물질전달[편집]

호수 표면에서의 수분 증발, 콩팥과 간에서 혈액의 정화, 발효 생성물로부터 알코올의 증류 등은 물질전달의 원리에 의해 이루어진다. 단위조작의 물질전달(mass transfer)에서는 물질의 확산 메커니즘, 상(phase) 사이의 물질전달, 기체 흡수, 습도 조절, 증류, 추출, 건조, 흡착, 막 분리, 건조, 결정화, 막 여과 등을 다룬다.

이동현상론[편집]

유체 수송, 열전달, 물질전달의 메커니즘은, 운동량 전달, 에너지 전달, 화학종 수송으로 해석할 수 있다. 이 세 가지 수송현상을 기술하는 기본 식은 아주 유사하므로, 이를 통합하여 이동현상론(transport phenomena)에서 다룬다. 기본법칙과 상관관계를 나타내는 무차원수를 각각 〈표 1〉과 〈표 2〉에 보였다.

<표 1> 확산 현상의 비교

<표 2> 운동량, 열, 질량 수송의 상관관계

분체공학(particle technology)[편집]

입자와 분체의 성질과 취급, 체 분리와 여과 등 입자의 기계적 분리, 관련 장치를 다룬다.

공정시스템공학(process systems engineering)[편집]

화학공정의 설계 및 운전과 최적화 등에 관해 연구한다.

반응공학(chemical reaction engineering)[편집]

화학반응이 수반되는 화학공정의 핵심은 화학반응조작이다.

생물화학공학(生物化學工學, biochemical engineering)[편집]

생화학반응을 공업적으로 이용하여 유용한 물질을 생산하는 화학기술을 다룬다. 효소반응, 미생물 배양, 고정화 생체촉매, 생물반응기의 설계, 조작 등을 다룬다.

환경화학공학(環境化學工學, environmental chemical engineering)[편집]

지구온난화 현상과 대책, 대기오염의 원인과 대책, 물의 오염과 정화, 각종 폐기물 처리 분야를 화학공학적 수법으로 다룬다.

화학공학은 일종의 방법론이다. 화학공학적 방법론은 아주 다양하고 광범한 분야에 응용할 수 있다. 최근 화학공학 분야에서 다루는 영역은 점점 확대되고 있다.

참고자료[편집]

〈화학공학〉, 《위키백과》
〈화학공학〉, 《나무위키》
〈화학공학〉, 《학문명백과 : 공학》

같이 보기[편집]

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