Part 19. 무엇을 넣고 무엇을 만들 것인가 - Feed & Product Condition

공장을 설계하기 전에 먼저 정해야 하는 것이 있습니다.

“무엇을 넣을 것인가?”

그리고 그보다 더 중요한 질문이 하나 있습니다.

“그래서 무엇이 나와야 하는가?”

 

Beer to Zero Project가 이제 본격적인 설계 단계에 들어왔습니다.

 

앞선 Part 18에서는 Design Basis가 무엇인지 살펴봤습니다.

 

Design Basis는 단순히 설계에 필요한 자료를 모아놓은 문서가 아닙니다.

 

우리가 어떤 조건을 기준으로 공장을 설계할 것인지 결정하는 설계의 기준선(Baseline)입니다.

 

그렇다면 실제 Design Basis에는 무엇이 들어갈까요?

 

가장 먼저 정의해야 할 것이 있습니다.

 

바로 Feed와 Product입니다.

 

 

1. 공장을 설계하려면 먼저 입구와 출구를 알아야 한다

 

공장을 아주 단순하게 생각해 보겠습니다.

              ┌──────────────────┐
Feed ───────▶│                  │───────▶ Product
              │   PROCESS PLANT  │
              │                  │
              └──────────────────┘

 

 

왼쪽에서 원료가 들어옵니다. 공장 안에서 여러 가지 공정이 진행됩니다. 그리고 오른쪽으로 제품이 나옵니다.

 

굉장히 단순해 보입니다. 그런데 엔지니어 입장에서는 여기서부터 수많은 질문이 시작됩니다.

 

Feed는 무엇인가?

 

• 어떤 물질인가?
• 순도는 얼마인가?
• 시간당 얼마나 들어오는가?
• 온도는 얼마인가?
• 압력은 얼마인가?
• 불순물은 무엇이 들어 있는가?
• 공급 조건이 항상 동일한가?

그리고 Product는 또 어떨까요?

 

• 어떤 제품을 만들 것인가?
• 순도는 얼마여야 하는가?
• 시간당 또는 연간 얼마를 생산해야 하는가?
• 제품의 온도와 압력은 얼마인가?
• 어떤 형태로 저장 또는 출하할 것인가?

이 질문에 대한 답이 바로 Feed & Product Condition의 핵심입니다.

 

실제 공정설계에서도 Feed와 Product의 정의는 프로젝트 초기 설계의 핵심 출발점으로 다뤄지며, Design Basis에서 원료와 제품의 조건을 구체적으로 정의합니다.

 

 

2. Feed Condition — 무엇을 넣을 것인가

 

먼저 Feed부터 보겠습니다. 여기서 중요한 것은 단순히

"원료는 Beer입니다."

 

라고 적는 것이 아닙니다.

 

엔지니어에게는 이것만으로는 아무것도 설계할 수 없습니다.

 

예를 들어 Beer to Zero Project에서 폐기 또는 처리 대상이 되는 Beer가 Feed라고 가정해 보겠습니다.

 

그렇다면 최소한 다음과 같은 질문이 필요합니다.

 

항목	예시
Feed Name	Waste Beer
Flow Rate	10,000 kg/h
Temperature	25 ℃
Pressure	1.0 barg
Water	90 wt%
Ethanol	5 wt%
Extract / Solids	4 wt%
CO₂ 및 기타 성분	1 wt%

 

물론 위 숫자는 Beer to Zero Project를 설명하기 위한 가상의 설계값입니다.

 

중요한 것은 숫자 자체가 아니라 Feed를 숫자로 정의한다는 것입니다.

 

 

3. Feed의 핵심은 Composition

 

Feed를 정의할 때 가장 중요한 항목 중 하나가 Composition, 즉 조성입니다.

 

왜냐하면 공정은 원료의 조성에 따라 완전히 달라지기 때문입니다.

 

예를 들어 같은 10,000 kg/h의 액체가 들어온다고 해보겠습니다.

 

Case A

Water       90%
Ethanol      5%
Solids       5%

 

Case B

Water       70%
Ethanol     20%
Solids      10%

 

 

둘 다 Feed Flow는 10,000 kg/h입니다.

 

하지만 필요한 설비는 전혀 달라질 수 있습니다.

 

Ethanol을 제거해야 한다면 증류에 필요한 열량이 달라질 수 있고,

 

Solids가 많다면 여과나 고형물 처리 설비가 필요할 수도 있습니다. 즉,

Flow Rate가 같다고 같은 공장이 되는 것이 아닙니다.

 

Feed의 Composition이 설계를 결정합니다.

 

 

4. 순도만 보면 X — Impurity가 더 중요할 때가 있다

 

실제 산업용 원료에는 거의 항상 불순물이 존재합니다.

 

따라서 Design Basis에서는 원료의 Grade와 함께 주요 불순물을 정의하는 것이 중요합니다.

 

예를 들어 어떤 원료를

Purity = 99.9%

 

라고만 정의했다고 해보겠습니다. 그렇다면 엔지니어는 다시 질문해야 합니다.

 

• 나머지 0.1%는 무엇인가?
• Water인가?
• Oil인가?
• Salt인가?
• Metal인가?

또는 공정에 치명적인 특정 물질인가?

 

같은 0.1%라도 무엇이 포함되어 있는지에 따라 공정과 재질, 폐수 처리, 안전 설계가 모두 달라질 수 있습니다.

 

실제 Design Basis의 원료 정의에서도 Known Feed Impurities를 별도로 관리하며, 원료의 등급뿐 아니라 알려진 불순물과 농도를 정의하도록 합니다.

 

 

5. Feed는 하나의 숫자가 아니다

 

여기서 초보 엔지니어가 자주 놓치는 부분이 있습니다. Feed Condition을

Flow = 10,000 kg/h

 

하나로 끝내면 안 된다는 것입니다. 실제 공정에서는 Feed가 변할 수 있기 때문입니다.

 

예를 들어,

Normal Feed
10,000 kg/h

Minimum Feed
7,000 kg/h

Maximum Feed
12,000 kg/h

 

처럼 운전 범위를 정의할 수 있습니다.

 

또한 조성 역시 변할 수 있습니다.

Ethanol

Normal : 5 wt%
Minimum: 3 wt%
Maximum: 7 wt%

 

이렇게 되면 설계자는 단순히 평균값 하나만 가지고 설비를 설계할 수 없습니다.

 

Normal Case뿐 아니라 Design Case를 별도로 검토해야 합니다.

 

실무적으로 Design Basis에서는 Feed Rate와 Composition의 변동 가능성을 고려하고, 정상 운전뿐 아니라 설계에 필요한 운전 범위를 구분하는 것이 중요합니다.

 

 

6. 그렇다면 Product는 어떻게 정의해야 할까요?

 

이제 반대편으로 가보겠습니다. Feed가

“공장에 무엇을 넣을 것인가?”

 

였다면, Product는

“공장에서 무엇을 만들어야 하는가?”

 

입니다.

 

여기서 아주 중요한 차이가 있습니다. Product는 단순히 무엇이 나오는가가 아닙니다. 어떤 품질의 제품을 만들어야 하는가까지 정의해야 합니다. 예를 들어 우리가 Ethanol을 생산한다고 가정해 보겠습니다.

 

단순히

Product = Ethanol

 

이라고 하면 부족합니다. 다음과 같이 정의해야 합니다.

 

항목	Design Basis
Product	Ethanol
Production Rate	500 kg/h
Purity	≥ 95 wt%
Temperature	≤ 40 ℃
Pressure	1.0 barg
Water	≤ 5 wt%
Shipment	Tank Lorry

 

이제야 비로소 엔지니어가 제품을 설계 대상으로 인식할 수 있습니다.

 

 

7. Product Specification이 설비를 결정합니다

 

여기서 매우 중요한 설계 논리가 하나 나옵니다. 제품의 요구조건이 공정의 성능을 결정합니다.

 

예를 들어 Product Purity가

 

Case A

Ethanol ≥ 90 wt%

 

라고 한다면, 비교적 단순한 분리공정으로 목표를 달성할 수도 있습니다. 하지만

 

Case B

Ethanol ≥ 99.5 wt%

 

가 된다면 이야기가 달라집니다.

 

더 높은 분리 성능이 필요하고,

 

이에 따라 Column, Reboiler, Condenser 등의 설비 규모와 운전 조건이 달라질 수 있습니다.

 

즉,

“제품을 얼마나 깨끗하게 만들 것인가?”

 

라는 고객의 요구가 결국

“공장을 얼마나 복잡하게 만들어야 하는가?”

 

로 연결됩니다. 이것이 바로 Product Specification이 설계를 지배하는 이유입니다.

 

 

8. Product에는 제품만 있는 것이 아닙니다

 

여기서 한 가지 더 생각해야 합니다.

 

공정에서 나오는 것이 모두 Product인 것은 아닙니다.

 

공정을 돌리면 보통 여러 가지 Output이 발생합니다.

                          ┌──▶ Main Product
                          │
Feed ──▶ PROCESS ────────┼──▶ By-product
                          │
                          ├──▶ Waste
                          │
                          └──▶ Emission

 

예를 들어

 

• Main Product
• By-product
• Wastewater
• Solid Waste
• Off-gas
• Vent
• Purge

등이 발생할 수 있습니다.

 

따라서 Design Basis를 작성할 때는 판매 제품만 정의하는 것이 아니라 공정에서 발생하는 주요 Output을 함께 정의해야 합니다.

 

실제 공정설계 자료에서도 Primary Product뿐 아니라 주요 부산물과 중요한 Waste Stream까지 설계 대상의 Output으로 정의할 필요가 있다고 설명합니다.

 

 

9. Beer to Zero에서는 무엇을 정의해야 할까?

 

이제 우리의 Beer to Zero Project로 돌아와 보겠습니다.

 

앞선 단계에서 우리는 프로젝트의 목표와 Scope를 정의했습니다.

 

이제 Design Basis 단계에서는 다음 질문에 답해야 합니다.

 

Feed

공장에 무엇이 들어오는가? 예를 들면,

 

• Waste Beer
• 회수수
• Steam
• Cooling Water
• 전기
• 압축공기
• 기타 원료 및 보조약품

등입니다. 하지만 여기서 공정 Feed와 Utility Feed는 구분해서 생각하는 것이 좋습니다.

 

Process Feed라면

Beer
→ Flow
→ Composition
→ Temperature
→ Pressure
→ Variability

 

를 정의합니다. Utility라면

Cooling Water
→ Supply Temperature
→ Return Temperature
→ Supply Pressure
→ Available Flow

 

등을 정의해야 합니다.

 

 

10. 그리고 우리가 만들어야 하는 것을 정의합니다

 

Product 역시 마찬가지입니다.

 

Beer to Zero Project의 목표가 단순히 Beer를 처리하는 것이라면 Product를 하나만 정의해서는 안 될 수도 있습니다.

 

예를 들어 공정 결과가 다음과 같다고 가정해 보겠습니다.

                          ┌──▶ Recovered Ethanol
                          │
Waste Beer ─▶ PROCESS ───┼──▶ Treated Water
                          │
                          ├──▶ Solid Waste
                          │
                          └──▶ Off-gas

 

그러면 각각의 Output에 대해

 

• Flow
• Composition
• Purity
• Temperature
• Pressure
• Physical State
• Disposal / Shipment Method

등을 정의해야 합니다. 이렇게 해야 나중에 Mass Balance를 작성할 수 있습니다.

 

 

11. Feed와 Product를 정의하면 Mass Balance가 시작됩니다

 

여기서 Part 19가 다음 글들과 연결됩니다.

 

Feed와 Product를 정의하면 다음 단계로 자연스럽게 넘어갑니다.

Feed Condition
      ↓
Process
      ↓
Product Specification
      ↓
Mass Balance
      ↓
Energy Balance
      ↓
Equipment Sizing
      ↓
PFD / P&ID
      ↓
Detailed Engineering

 

이 흐름은 매우 중요합니다.

 

예를 들어 Feed가

10,000 kg/h

 

들어오고 Product가

8,000 kg/h

 

나온다면, 엔지니어는 바로 질문합니다.

 

“나머지 2,000 kg/h는 어디로 갔는가?”

• Water인가?
• Vapor인가?
• Waste인가?
• By-product인가?
• Loss인가?

이 질문에 답하는 것이 바로 Mass Balance입니다.

 

따라서 Feed와 Product Condition은 단순한 표 하나가 아니라 공정 계산의 출발점입니다.

 

 

12. 숫자 하나가 여러 설비를 움직인다

 

엔지니어링의 재미있는 부분이 바로 이것입니다.

 

Design Basis에 적은 숫자 하나가 뒤에서 여러 설비의 크기를 바꿉니다.

 

예를 들어 Feed Flow가

10,000 kg/h → 12,000 kg/h

 

로 증가했다고 가정해 보겠습니다.

 

단순히 20% 증가한 것처럼 보입니다.

 

하지만 실제로는

 

• Feed Flow 증가
• Mass Balance 변화
• Equipment Capacity 증가
• Pump Capacity 증가
• Pipe Size 검토
• Heat Exchanger Duty 증가
• Cooling Water Requirement 증가
• Utility Capacity 증가
• Electrical Load 증가
• CAPEX 증가

로 이어질 수 있습니다. 즉,

Design Basis의 숫자는 그 숫자로 끝나지 않습니다.

 

뒤에 있는 수많은 엔지니어링 결과를 움직입니다.

 

 

13. 그래서 Design Basis에서는 '숫자의 출처'도 중요합니다

 

그렇다면 Feed Flow 10,000 kg/h라는 숫자는 어디서 가져왔을까요?

 

이 질문도 중요합니다. 예를 들어 출처가

 

• 고객 제공 자료
• 기존 공장 운전 데이터
• Lab Test
• Pilot Test
• Vendor Data
• Process Simulation
• Engineering Assumption

중 무엇인지 구분해야 합니다.

 

왜냐하면 숫자의 신뢰도와 확정 수준이 다르기 때문입니다.

 

예를 들어 고객이

"향후 생산량은 12,000 kg/h가 될 것 같습니다."

 

라고 말했다면, 그 숫자를 바로 Design Flow = 12,000 kg/h로 확정하는 것은 위험합니다.

 

그것은 아직 Assumption일 수 있습니다.

 

따라서 Design Basis에서는 숫자 자체뿐만 아니라

Value + Unit + Source + Basis + Status

 

를 관리하는 것이 중요합니다.

 

이런 식으로 관리하면 설계가 진행되면서 어떤 값이 확정값이고 어떤 값이 가정값인지 추적할 수 있습니다. Design Basis가 프로젝트의 기준선 역할을 하려면 이러한 가정과 조건을 명확하게 관리하는 것이 중요합니다.

 

 

14. 엔지니어가 실제로 만드는 표

 

결국 Feed & Product Condition은 이런 형태로 정리할 수 있습니다.

Feed Specification

Parameter	Unit	Normal	Min.	Max.	Source
Flow	kg/h	10,000	7,000	12,000	Client
Temperature	℃	25	15	35	Site Data
Pressure	barg	1.0	0.8	1.2	Client
Water	wt%	90	88	92	Analysis
Ethanol	wt%	5	3	7	Analysis
Solids	wt%	5	3	7	Analysis

 

Product Specification

 

Parameter	Unit	Normal	Min.	Max.	Source
Production Rate	kg/h	500	-	600	Project Target
Purity	wt%	95	95	-	Client
Temperature	℃	30	-	40	Design Requirement
Pressure	barg	1.0	0.8	1.2	Downstream
Water	wt%	5	-	5	Product Spec

 

이 표가 완성되기 시작하면 공정 엔지니어는 비로소 다음 단계의 계산을 시작할 수 있습니다.

 

 

15. 여기서부터 '설계'가 시작된다

 

처음에는 단순한 질문이었습니다.

무엇을 넣을 것인가?

 

그리고

무엇을 만들 것인가?

 

하지만 엔지니어링에서는 이 질문을 숫자로 바꿔야 합니다.

무엇을 넣는다
      ↓
Feed Specification

얼마나 넣는다
      ↓
Flow Rate

어떤 상태로 넣는다
      ↓
T / P / Phase

무엇이 들어 있는가
      ↓
Composition

무엇을 만들어야 하는가
      ↓
Product Specification

얼마나 만들어야 하는가
      ↓
Production Rate

어느 수준으로 만들어야 하는가
      ↓
Purity / Quality

 

그리고 이 숫자들이 모이면 비로소 공정 계산이 가능합니다.

 

 

16. 결국 설계란 '조건을 맞추는 일'입니다

 

공정설계를 처음 접하면 설계란

"Pump를 고르고 Tank를 고르고 Column을 설계하는 것"

 

처럼 보일 수 있습니다.

 

하지만 실제로는 그보다 앞선 단계가 있습니다.

 

무엇을 처리할 것인지 결정하는 것. 그리고 어떤 결과를 만들어야 하는지 결정하는 것.

 

그 사이를 연결하는 것이 공정설계입니다.

                 DESIGN BASIS

        Feed                      Product
         │                           │
         │                           │
   Composition                 Composition
   Flow Rate                   Flow Rate
   Temperature                Purity
   Pressure                   Temperature
   Impurities                 Pressure
         │                           │
         └──────────┐   ┌────────────┘
                    ▼   ▼
                  PROCESS
                    │
                    ▼
              MASS BALANCE
                    │
                    ▼
             EQUIPMENT DESIGN

 

그래서 Feed와 Product를 제대로 정의하지 않은 상태에서 설계를 시작한다는 것은 목적지를 정하지 않고 자동차를 만드는 것과 비슷합니다.

 

 

17. Beer to Zero Project의 다음 단계

 

이제 Beer to Zero Project에서도 설계의 기준이 조금씩 구체화되고 있습니다.

 

Part 18에서

“무엇을 기준으로 설계할 것인가?”

 

를 정의했다면, Part 19에서는

“그 설계의 입구와 출구는 무엇인가?”

 

를 정의했습니다.

 

그리고 다음 단계에서는 자연스럽게 이런 질문으로 넘어갑니다.

 

“그렇다면 이 공정에서 물질은 얼마나 이동하는가?”

 

Feed가 들어오고, 공정에서 분리되고, 반응하고, 회수되고, 버려지고, 최종 Product가 만들어집니다.

 

이것을 숫자로 연결하는 작업이 바로 Mass Balance입니다.

 

결국 지금까지의 과정을 한 줄로 정리하면 다음과 같습니다.

Customer Requirement → Design Basis → Feed & Product Condition → Mass Balance

 

그리고 이 순간부터 Beer to Zero Project는 조금씩 '아이디어'에서 '설계 가능한 공장'으로 변하기 시작합니다.

 

 

마무리

 

공장을 설계할 때 가장 먼저 해야 할 일은 설비를 고르는 것이 아닙니다.

 

무엇을 넣을지 결정하고, 무엇을 만들지 결정하는 것입니다.

 

그리고 그 조건을 숫자로 바꾸는 순간부터 엔지니어링이 시작됩니다.

 

Feed의 조성이 조금만 달라져도 공정이 달라지고,

 

Product의 순도 요구가 조금만 높아져도 설비가 달라집니다.

 

결국 Feed Condition과 Product Condition은 Design Basis의 단순한 입력자료가 아니라, 뒤에서 이루어질 모든 공정설계의 출발점입니다.

 

다음 Part에서는 이 숫자들이 실제로 어떻게 연결되는지 살펴보겠습니다.

 

 

Beer to Zero Project 연재 순서

 

PART 3. Design Basis — 우리가 무엇을 설계하는가

 

• Part 18. 설계의 출발점 - Design Basis란 무엇인가
• Part 19. 무엇을 넣고 무엇을 만들 것인가 - Feed & Product Condition
• Part 20. 하루 100톤을 만들려면 - Design Capacity 결정
• Part 21. 몇 시간 동안 공장을 돌릴 것인가 - Operating Philosophy
• Part 22. 몇 도와 몇 압력에서 운전할 것인가 - Operating Condition
• Part 23. 설비는 얼마나 견뎌야 하는가 - Design Pressure & Temperature
• Part 24. 공장을 움직이는 에너지는 어디서 오는가 - Utility Condition
• Part 25. 무엇으로 설비를 만들 것인가 - Material of Construction
• Part 26. 어떤 기준으로 설계할 것인가 - Code & Standard
• Part 27. 설계의 기준을 하나의 문서로 묶다 - Design Basis 확정