공직파(10) : 공정설계 실무의 중심, Equipment Design 제대로 이해하기

1. Equipment Design의 개념과 중요성

공정설계(Process Design) 직무에서 Equipment Design(장치 설계)은 공정을 실제로 구현하는 핵심 단계입니다. 공정 시뮬레이션과 물질·에너지 수지(Material & Energy Balance)를 통해 도출된 조건을 바탕으로, 반응기, 열교환기, 증류탑, 펌프, 배관 등 실제 설비를 설계하고 규격을 결정하는 업무를 의미합니다.

 

아무리 이론적으로 완벽한 공정이라도, 이를 구현할 장비가 적절히 설계되지 않으면 생산성 저하, 안전사고, 유지보수 비용 증가로 이어질 수 있습니다. 따라서 Equipment Design은 공정의 경제성, 안전성, 신뢰성을 좌우하는 매우 중요한 역할을 합니다.

 

플랜트 전경에 배치된 각종 장치는 공정설계 단계에서 수행된 장치설계(Equipment Design)의 결과물이자, 공정을 현실로 구현한 최종 형태입니다.

 

2. 공정설계에서 Equipment Design의 위치

공정설계 업무 흐름에서 Equipment Design은 보통 다음 단계에서 수행됩니다.

• 공정 개념 설계(Conceptual Design)
• 공정 시뮬레이션 및 물질·에너지 수지 계산
• Equipment Design 및 Sizing
• 배관 설계(Piping Design)
• 레이아웃(Layout) 및 3D 모델링
• 시공·시운전(Construction & Commissioning)

이 중 Equipment Design은 이론과 현장을 연결하는 가교 역할을 하며, 후속 단계인 배관·레이아웃 설계의 기준이 됩니다.

 

 

3. Equipment Design의 주요 업무 내용

3.1 장비 선정(Equipment Selection)

가장 먼저 수행되는 업무는 공정 조건에 적합한 장비 타입을 선정하는 것입니다.

• Batch vs Continuous 장비 선택
• Shell & Tube vs Plate Heat Exchanger
• Tray Column vs Packed Column
• 원심펌프 vs 용적식 펌프

이 과정에서는 공정 특성뿐만 아니라 운전 유연성, 유지보수성, 비용까지 종합적으로 고려합니다.

 

 

3.2 장비 용량 산정(Equipment Sizing)

장비의 크기와 용량을 결정하는 단계입니다.

• 반응기 체적 계산
• 열교환기 전열면적 산정
• 증류탑 직경 및 단수 계산
• 탱크 저장 용량 산정

※ 장비 용량 산정 시 마진(Margin) 부여 기준

Equipment Design에서 마진을 부여하는 주요 이유는 다음과 같습니다.

• 운전 조건 변동(Feed 조성 변화, 부하 변동)
• 공정 확장 가능성(Future Capacity)
• Fouling, 성능 저하, 노후화
• 계산 모델과 실제 운전 간의 오차

일반적으로 적용되는 마진 기준은 다음과 같습니다.

• 열교환기 전열면적: 계산값 대비 약 10~30%
  (Fouling factor, 운전 유연성 고려)
• 펌프 및 압축기 용량: 약 20~30%
  (운전 범위 확보 및 효율 저하 대비)
• 탱크 저장 용량: 약 10~20%
  (운전 여유 및 비상 상황 대비)
• 증류탑 처리량: 약 10~20%
  (Feed 변동 및 향후 증설 가능성 고려)
• 패키지(Package) 용량: 약 50~100%
  (Utility 사용량 증대 고려)

 

 

다만 마진을 과도하게 부여할 경우 초기 투자비(CAPEX)가 급격히 증가하므로, 공정 특성·운전 전략·프로젝트 단계(FEED / EPC)에 따라 합리적인 수준에서 결정하는 것이 중요합니다.

 

Sizing이 과소하면 병목(Bottleneck)이 발생하고, 과대하면 불필요한 비용 증가로 이어지기 때문에, Equipment Design에서는 계산 능력뿐만 아니라 엔지니어의 경험과 판단력이 가장 크게 드러나는 영역이라고 할 수 있습니다.

Equipment Design 업무를 처음 진행하신다면, 차라리 "과도한 마진"이 "적당한 마진보다 훨씬 낫습니다. 멀거나 짧은 미래에 공정의 가동률 증가에 의해 발생하는 병목현상 등의 문제점이 발생될 때, 과도한 마진이 병목현상을 개선할 수 있기 때문입니다. 또한, 병목현상으로 인한 장치를 신규로 놓을 필요가 없습니다. 만약 선배 엔지니어가 없거나, 장치 설계에 경험이 부족하다면, 마진을 넉넉하게 잡아가시는 것이 적정 마진보다 더 나은 선택이 될 수 있습니다.

 

 

3.3 설계 조건 정의(Design Condition)

Equipment Design에서는 정상 운전 조건뿐 아니라 다음과 같은 극한 조건도 고려합니다.

• 설계 압력(Design Pressure)
• 설계 온도(Design Temperature)
• Start-up / Shutdown 조건
• Abnormal Condition

이 과정은 장비 파손 및 사고를 방지하는 안전 설계의 핵심 요소입니다.

 

 

3.4 재질 선정(Material Selection)

공정 유체의 특성에 따라 장비 재질을 결정합니다.

• 부식성(Corrosion)
• 고온·고압 조건
• 마모(Wear)
• 화학 반응성

Carbon Steel, Stainless Steel, Alloy Steel, Special Alloy 등 다양한 재질 중 기술적·경제적으로 최적의 선택을 해야 합니다.

 

 

3.5 설계 기준 및 코드 적용

Equipment Design은 반드시 국제 및 국내 설계 기준을 준수해야 합니다.

• ASME Code
• API Standard
• TEMA
• ISO / KS 규격

이러한 코드 적용은 단순한 형식 요건이 아니라, 법적 책임과 직결되는 요소이기 때문에 매우 중요합니다.

 

 

4. Equipment Design에 필요한 핵심 역량

4.1 공정 이해도(Process Understanding)

단순 계산 능력보다 중요한 것은 공정을 전체적으로 이해하는 능력입니다. 공정 흐름을 이해하지 못하면 장비 간 상호작용을 고려한 설계가 어렵습니다.

 

 

4.2 열역학 및 유체역학 지식

• Heat Transfer
• Fluid Flow
• Phase Equilibrium

이론적 배경이 탄탄할수록 설계의 신뢰도가 높아집니다.

 

 

4.3 계산 및 설계 툴 활용 능력

• Aspen Plus / HYSYS
• Excel 기반 설계 계산
• HTRI 등 전문 툴

최근에는 자동화 도구 활용 능력도 점점 중요해지고 있습니다.

 

 

4.4 협업 및 커뮤니케이션 능력

Equipment Design은 기계, 배관, 전기, 계장, 시공 부서와 긴밀하게 협업해야 합니다. 따라서 기술적 내용을 명확히 설명하는 커뮤니케이션 능력이 필수적입니다.

 

 

5. Equipment Design과 안전(Safety)의 관계

Equipment Design은 공정 안전의 출발점입니다.

• PSV(안전밸브) 용량 검토
• Overpressure 방지 설계
• Hazard Analysis 결과 반영(HAZOP, What-if)

설계 단계에서의 작은 판단 하나가 현장 사고 여부를 결정짓는 경우도 많습니다.

 

 

6. Equipment Design 직무의 매력과 커리어 전망

Equipment Design은 단순 계산 업무가 아니라, 이론·경험·현장성을 모두 요구하는 고부가가치 업무입니다.

• EPC 기업에서의 핵심 기술 직무
• 생산기술, 설비기술 직무로 확장 가능
• 플랜트, 화공, 반도체, 에너지 산업 전반에서 수요 지속

특히 경험이 쌓일수록 개인의 판단력이 설계 품질에 직접 반영되기 때문에, 엔지니어로서의 전문성이 가장 잘 드러나는 분야라고 할 수 있습니다.

 

 

7. 마무리 정리

공정설계 직무에서 Equipment Design은 공정을 현실로 구현하는 핵심 단계이며, 안전과 경제성을 동시에 책임지는 중요한 역할을 수행합니다. 단순히 장비를 “그리는 일”이 아니라, 공정을 이해하고 미래의 문제를 예측하는 엔지니어의 판단력이 집약된 분야라고 할 수 있습니다.

 

Equipment Design에 대한 이해는 공정설계 엔지니어로 성장하기 위한 필수 요소이며, 장기적으로는 설계·운영·기술 리더로 나아가기 위한 탄탄한 기반이 됩니다.