Part 22. 몇 도와 몇 압력에서 운전할 것인가 - Operating Condition

앞선 글에서 우리는 공장의 설계 용량을 결정했습니다.

 

“하루에 맥주 100톤을 생산한다.”

 

그리고 그다음에는 또 하나의 질문이 필요합니다.

 

그 100톤을 어떤 조건에서 생산할 것인가?

 

공정을 설계한다고 해서 단순히 물질의 흐름과 장비의 종류만 정하면 되는 것은 아닙니다.

 

같은 유체라도 20℃에서 운전하는지, 80℃에서 운전하는지에 따라 밀도와 점도, 증기압이 달라집니다.

 

압력 역시 마찬가지입니다.

 

1 barg에서 운전하는 것과 10 barg에서 운전하는 것은 단순히 압력계의 숫자가 달라지는 문제가 아닙니다.

 

배관의 크기와 두께, 장비의 설계압력, 펌프의 NPSH, 압축기의 요구 동력, 안전밸브 설정, 플랜지 등급까지 달라질 수 있습니다.

 

그래서 이제 설계자는 공정의 각 지점에 대해 아주 구체적인 질문을 던져야 합니다.

“이 공정은 몇 도와 몇 압력에서 운전할 것인가?”

 

이 질문에 대한 답이 바로 Operating Condition입니다.

 

 

1. Operating Condition이란 무엇인가?

 

Operating Condition은 말 그대로 공정이 정상적으로 운전되는 조건을 의미합니다.

 

가장 기본적인 변수는 다음과 같습니다.

 

• Operating Temperature
• Operating Pressure
• Flow Rate
• Composition
• Phase
• Density
• Viscosity
• Vapor Fraction 등

이 중에서도 이번 글에서는 가장 기본이면서 중요한 온도와 압력에 집중해 보겠습니다.

 

예를 들어 Beer to Zero Project의 어떤 공정 배관이 다음과 같은 조건이라고 가정해 보겠습니다.

 

• Flow Rate: 10,000 kg/hr
• Temperature: 40℃
• Pressure: 5 barg
• Fluid: Liquid

이 숫자들은 단순한 운전정보가 아닙니다.

 

이 조건을 바탕으로 유체의 물성이 결정되고, 그 물성을 이용해 배관과 장비의 설계가 이어집니다.

 

실제로 Process Engineer가 작성하는 Heat & Mass Balance에는 각 공정 Stream의 정상 운전 온도와 압력뿐만 아니라 유량, 밀도, 점도, 기상분율 등의 정보가 함께 관리됩니다.

 

즉, Operating Condition은 공정을 계산할 수 있도록 현실의 공장을 숫자로 표현하는 방법이라고 생각하면 이해하기 쉽습니다.

 

 

2. 온도는 왜 그렇게 중요한가?

 

설계회의에서 이런 이야기가 나왔다고 가정해 보겠습니다.

“이 유체는 40℃ 정도로 운전하면 됩니다.”

 

누군가는 단순한 숫자 하나로 생각할 수 있습니다.

 

하지만 Process Engineer에게 40℃는 상당히 많은 정보를 포함하고 있습니다.

 

온도가 달라지면 유체의 물성이 달라지기 때문입니다.

 

대표적으로 다음과 같은 값들이 영향을 받습니다.

 

• Density
• Viscosity
• Vapor Pressure
• Enthalpy
• Heat Capacity
• Phase Condition

특히 액체를 펌프로 이송한다면 온도에 따른 증기압과 점도가 중요합니다.

 

예를 들어 온도가 올라가면서 유체의 증기압이 증가하면 펌프 흡입 측에서 Cavitation 가능성이 커질 수 있습니다.

 

NPSH 계산에서도 유체의 증기압은 중요한 변수이며, 실제 NPSH 계산은 해당 온도에서의 유체 물성을 기준으로 수행합니다.

 

따라서

“온도 40℃”

 

라는 한 줄은 사실

“40℃에서 이 유체는 어떤 밀도와 점도를 가지고 있으며, 증기압은 얼마이고, 이 조건에서 펌프와 배관은 어떻게 설계해야 하는가?”

 

라는 여러 가지 질문의 출발점입니다.

 

 

3. 압력은 단순한 숫자가 아니다

 

압력도 마찬가지입니다. 예를 들어 어떤 Vessel이 다음과 같은 조건으로 운전된다고 해보겠습니다.

 

• Operating Pressure: 5 barg
• Operating Temperature: 40℃

이때 “5 barg에서 운전한다”는 것은 단순히 압력계가 5를 가리킨다는 의미가 아닙니다.

 

이 압력은 공정의 흐름을 결정하고, 유체의 상태를 결정하며, 장비와 배관의 설계조건에도 영향을 줍니다.

 

특히 Gas 공정에서는 압력의 영향이 더욱 큽니다.

 

기체의 부피는 온도와 압력에 따라 크게 변하기 때문입니다.

 

이 때문에 실제 운전조건에서 측정한 Gas Flow와 Nm³/hr 또는 Sm³/hr와 같은 기준상태 유량은 서로 다를 수 있습니다.

 

이상기체를 단순화해서 생각하면 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

 

$$ \frac{P_1 V_1}{T_1} = \frac{P_2 V_2}{T_2} $$

 

따라서 온도와 압력이 달라지면 같은 양의 Gas라도 실제 체적은 달라집니다.

 

Gas Flow를 기준상태로 환산하는 이유도 여기에 있습니다. 실제 가스의 체적 유량은 온도와 압력의 영향을 받기 때문에 일정한 기준조건으로 환산해야 서로 다른 조건의 유량을 비교할 수 있습니다.

 

결국 Gas 공정에서 “몇 Nm³/hr인가?”라는 질문을 하기 전에 “어떤 온도와 압력에서 측정된 유량인가?”를 확인해야 합니다.

 

 

4. 그런데 Operating Condition과 Design Condition은 다르다

 

여기서 초보 엔지니어가 가장 많이 헷갈리는 부분이 있습니다.

 

바로 Operating Condition과 Design Condition은 같지 않다는 것입니다.

 

예를 들어 어떤 Vessel이 다음 조건에서 정상적으로 운전된다고 가정해 보겠습니다.

 

Normal Operating Condition

• Temperature: 40℃
• Pressure: 5 barg

그렇다고 해서 Vessel의 설계조건을

 

• Design Temperature: 40℃
• Design Pressure: 5 barg

로 단순하게 잡는 것은 아닙니다.

 

설계자는 정상 운전뿐만 아니라 공정에서 발생할 수 있는 비정상적인 조건과 예상 가능한 최대·최소 조건을 검토해야 합니다.

 

그래서 실제 설계에서는 다음과 같이 구분할 수 있습니다.

 

구분	의미
Operating Temperature	정상 운전 시의 온도
Operating Pressure	정상 운전 시의 압력
Design Temperature	장비가 견딜 수 있도록 설계에 적용하는 온도
Design Pressure	장비가 견딜 수 있도록 설계에 적용하는 압력

 

Process Equipment나 Instrument Datasheet에서도 Operating T/P와 Design T/P는 별도로 관리됩니다.

 

이 차이는 매우 중요합니다.

 

Operating Condition은 “평소에 어떻게 운전하는가”이고, Design Condition은 “설비가 어떤 조건까지 고려해서 설계되어야 하는가”에 가깝습니다.

 

 

 

5. 왜 정상 운전조건만으로 설계하면 안 되는가?

 

다시 Beer to Zero Project로 돌아가 보겠습니다. 공장이 정상적으로 운전될 때는 다음과 같다고 가정하겠습니다.

40℃ / 5 barg

 

그런데 운전 중 냉각수가 갑자기 끊겼다고 생각해 보겠습니다.

 

열교환기가 정상적으로 열을 제거하지 못하면서 공정 온도가 상승할 수 있습니다.

 

또 다른 경우를 생각해 볼 수 있습니다.

 

Valve가 닫혀 유체가 갇히거나, 다른 압력의 Gas가 유입되거나, 압축기가 예상보다 높은 압력까지 밀어 올리는 상황입니다.

 

정상 운전조건은 여전히 40℃ / 5 barg이지만,

 

실제 설비가 경험할 수 있는 최악의 조건은 그보다 높거나 낮을 수 있습니다.

 

그래서 설계에서는 정상 운전조건과 별도로 다양한 Operating Case와 Design Case를 검토합니다.

 

예를 들어,

 

• Normal Operation
• Maximum Operation
• Minimum Operation
• Start-up
• Shutdown
• Emergency
• Utility Failure
• Blocked Outlet
• Loss of Cooling
• Loss of Heating

등의 조건을 검토할 수 있습니다.

 

이러한 운전조건의 편차는 이후 HAZOP에서도 중요한 검토 대상이 됩니다. HAZOP에서는 정상적인 설계 의도에서 벗어나는 More, Less, No, Reverse, Other Than 등의 deviation을 검토하기 때문입니다.

 

 

6. 온도와 압력은 따로 결정되지 않는다

 

여기서 한 가지 더 중요한 사실이 있습니다.

 

Temperature와 Pressure는 서로 독립적인 숫자가 아닐 수 있습니다.

 

특히 Phase가 중요한 공정에서는 두 변수의 관계를 반드시 고려해야 합니다.

 

예를 들어 물을 생각해 보겠습니다.

 

대기압 부근에서는 물이 약 100℃에서 끓습니다. 하지만 압력을 높이면 끓는점도 올라갑니다.

 

반대로 압력을 낮추면 더 낮은 온도에서 끓을 수 있습니다. 따라서 공정에서 액체를 유지해야 한다면 단순히

“온도는 80℃로 하겠습니다.”

 

라고 결정할 수 없습니다.

 

그 온도에서 해당 압력이 액체 상태를 유지할 수 있는지 확인해야 합니다.

 

결국 설계자가 확인해야 하는 것은

Temperature + Pressure + Fluid Property + Phase

 

의 조합입니다. 이것이 Process Design의 기본적인 사고방식입니다.

 

 

7. Operating Condition을 정하면 무엇이 달라지는가?

 

여기서부터 Operating Condition의 중요성이 본격적으로 나타납니다.

 

공정의 온도와 압력이 결정되면 여러 엔지니어링 계산의 출발점이 됩니다.

 

① Pump

펌프에서는 밀도, 점도, 증기압 등이 중요합니다.

 

특히 흡입측 압력과 증기압의 관계는 NPSH 및 Cavitation 검토와 연결됩니다.

 

② Compressor

Gas의 압력과 온도는 압축비와 실제 Gas Volume, 압축기 동력 등에 영향을 줍니다.

 

③ Heat Exchanger

열교환기에서는 유체의 Inlet/Outlet Temperature와 Pressure가 Heat Duty와 설계조건을 결정하는 중요한 입력값이 됩니다.

 

실제 열교환기 설계에서도 Operating T/P와 Design T/P, Heat Duty, Allowable Pressure Drop 등이 핵심 Process Parameter로 사용됩니다.

 

④ Piping

배관에서는 온도와 압력에 따라 유체 물성이 달라지고, Flow Velocity와 Pressure Drop 계산에도 영향을 줍니다.

 

⑤ Vessel

Vessel의 Operating Pressure와 Temperature는 Mechanical Design의 중요한 기초자료가 됩니다.

 

⑥ Instrument

Control Valve, Flow Meter, Pressure Transmitter 등의 선정 역시 실제 운전조건과 물성값을 필요로 합니다.

 

즉, Operating Condition 하나를 바꾸면 Process만 바뀌는 것이 아닙니다.

 

Process → Equipment → Piping → Instrument → Control → Safety

 

전체에 영향을 줄 수 있습니다.

 

 

8. 그래서 Process Engineer는 무엇을 해야 하는가?

 

그렇다면 실제 프로젝트에서 Process Engineer는 Operating Condition을 어떻게 결정할까요?

 

처음부터 숫자를 임의로 정하는 것은 아닙니다.

 

일반적으로 다음과 같은 정보가 필요합니다.

 

① Feed Condition

원료가 어떤 온도와 압력으로 들어오는지 확인합니다.

 

② Product Requirement

제품이 어떤 조건으로 나가야 하는지 확인합니다.

 

③ Process Requirement

반응, 분리, 압축, 냉각, 가열 등 각 공정이 요구하는 조건을 확인합니다.

 

④ Equipment Limitation

Pump, Compressor, Heat Exchanger, Vessel 등의 운전 가능한 범위를 확인합니다.

 

⑤ Utility Availability

Cooling Water, Chilled Water, Steam, Hot Water, Nitrogen 등의 Utility 조건을 확인합니다.

 

⑥ Safety Requirement

Pressure Relief, Maximum Allowable Working Pressure, Temperature Limit 등의 안전 관련 조건을 확인합니다.

 

⑦ Process Simulation

필요한 경우 Aspen HYSYS, Aspen Plus 등의 Simulation을 이용하여 온도와 압력 변화에 따른 물성 및 공정 결과를 검토합니다.

 

결국 Operating Condition은 한 명의 엔지니어가 책상에서 임의로 정하는 숫자가 아니라, 공정 요구조건과 장비, Utility, 안전조건 사이에서 결정되는 설계 결과에 가깝습니다.

 

 

9. 한 번 결정한 Operating Condition은 끝이 아니다

 

실제 엔지니어링 프로젝트에서 Operating Condition은 계속 검토되고 수정될 수 있습니다.

 

예를 들어 처음에는 다음과 같이 설계했다고 해보겠습니다.

Reactor Outlet
80℃ / 10 barg

 

그런데 Heat Exchanger를 검토해 보니 Cooling Water만으로는 원하는 40℃까지 냉각하기 어렵다는 결과가 나올 수 있습니다.

 

그러면 Chilled Water가 필요할 수도 있습니다.

 

또는 압력 Drop을 계산했더니 Downstream Equipment에서 필요한 압력이 확보되지 않을 수도 있습니다.

 

그러면 Upstream Pressure를 높이거나 배관 Size를 변경하거나 Pump Head를 다시 검토해야 할 수 있습니다.

 

이 과정에서 Operating Condition은 다른 설계조건과 서로 영향을 주고받습니다.

 

실제 Heat Exchanger 설계도 하나의 조건만 놓고 끝나는 것이 아니라 여러 Operating Case를 비교하여 가장 demanding 한 Case를 설계에 반영하는 방식으로 진행될 수 있습니다.

 

따라서 Process Design은 한 방향으로 진행되는 작업이라기보다, 가정 → 계산 → 검토 → 수정 → 재계산을 반복하는 Iterative Process입니다.

 

 

10. 결국 Operating Condition은 무엇을 결정하는가?

 

이제 처음의 질문으로 돌아가 보겠습니다.

“공장은 몇 도와 몇 압력에서 운전할 것인가?”

 

겉보기에는 간단한 질문입니다. 하지만 실제로는 다음과 같은 질문이 모두 포함되어 있습니다.

이 유체는 어떤 상태로 존재해야 하는가?

원하는 생산량을 만족하려면 어떤 조건이 필요한가?

그 조건에서 유체의 물성은 어떻게 변하는가?

Pump와 Compressor는 운전 가능한가?

Heat Exchanger는 필요한 열을 제거하거나 공급할 수 있는가?

배관의 Pressure Drop은 허용범위 안에 있는가?

설비는 해당 압력과 온도를 견딜 수 있는가?

Start-up과 Shutdown에서는 어떻게 되는가?

Utility가 상실되면 어떻게 되는가?

정상 운전에서 벗어났을 때 안전한가?

 

이 질문에 대한 답을 하나씩 찾아가는 과정이 바로 Operating Condition을 정의하는 과정입니다.

 

 

11. Operating Condition은 공장의 ‘운전 좌표’다

 

공장을 하나의 지도라고 생각해 보겠습니다.

 

앞선 Part에서 정한 Design Capacity가

“어디까지 갈 것인가”

 

를 결정했다면, Operating Philosophy는

“어떻게 운전할 것인가”

 

를 결정합니다. 그리고 Operating Condition은

“그 운전이 실제로 어떤 온도와 압력, 유량에서 이루어지는가”

 

를 숫자로 정의합니다.

 

예를 들어 하나의 Process Stream을 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

 

Parameter	Normal Operating Condition
Fluid	Liquid
Flow Rate	10,000 kg/hr
Temperature	40℃
Pressure	5 barg
Phase	Liquid
Density	해당 조건에서 계산
Viscosity	해당 조건에서 계산

 

이제 이 숫자를 가지고 다음 단계의 엔지니어들이 일을 시작할 수 있습니다.

 

Mechanical Engineer는 Equipment Design을 검토하고, Piping Engineer는 Line Size와 Pressure Drop을 검토하고, Instrument Engineer는 계측기를 선정하고, Electrical Engineer는 필요한 동력과 전원을 검토하고, Safety Engineer는 Relief와 안전조건을 검토합니다.

 

결국 Process Engineer가 정의한 몇 개의 숫자가 여러 Discipline의 설계 입력값으로 전달되는 것입니다.

 

 

12. 설계의 숫자는 연결되어 있다

 

Beer to Zero Project에서 우리가 지금까지 결정한 것을 다시 연결해 보겠습니다.

 

• Part 18. Design Basis - 무엇을 만들 것인가?
• Part 19. Feed & Product Condition - 무엇을 넣고 무엇을 만들 것인가?
• Part 20. Design Capacity - 얼마나 만들 것인가?
• Part 21. Operating Philosophy - 몇 시간 동안, 어떤 방식으로 공장을 운전할 것인가?
• Part 22. Operating Condition - 몇 도와 몇 압력에서 운전할 것인가?

 

이제 공정은 점점 숫자로 구체화되고 있습니다.

 

그리고 이 숫자들이 모이면 드디어 다음 단계의 설계 계산을 수행할 수 있습니다.

 

배관을 계산하고, 펌프를 선정하고, 열교환기를 계산하고, Vessel을 설계하고, Control Valve를 선정하고, Relief System을 검토할 수 있습니다. 즉,

Operating Condition은 공정설계의 숫자를 실제 설비설계의 숫자로 연결하는 다리입니다.

 

 

마무리하며

 

처음 플랜트를 설계할 때는 모든 것이 막연해 보입니다.

 

“맥주를 만든다.”, “하루에 100톤을 만든다.”, “24시간 운전한다.”

 

하지만 이 정도로는 실제 공장을 설계할 수 없습니다.

 

공장은 결국 숫자로 만들어집니다.

 

얼마나 흘러가는지, 몇 도인지, 몇 압력인지, 얼마나 열을 제거해야 하는지, 얼마나 압력손실이 발생하는지, 그리고 설비가 그 조건을 견딜 수 있는지까지 숫자로 정의되어야 합니다.

 

그 시작점 중 하나가 바로 Operating Condition입니다.

 

그리고 여기서 중요한 것은 단순히 “40℃, 5 barg”라는 숫자를 적는 것이 아닙니다.

 

왜 40℃여야 하는지, 왜 5 barg여야 하는지를 설명할 수 있어야 합니다.

 

좋은 Process Engineer는 숫자를 많이 적는 사람이 아니라, 그 숫자가 왜 필요한지 설명할 수 있는 사람이기 때문입니다.

 

다음 단계에서는 이제 이 Operating Condition을 바탕으로 공정에서 사용되는 유체의 상태와 물성을 조금 더 구체적으로 들여다볼 필요가 있습니다.

 

온도와 압력이 정해졌다면 다음 질문은 자연스럽게 이어집니다.

“그 조건에서 유체는 어떤 성질을 가지고 있는가?”

 

그 질문이 바로 다음 설계의 출발점이 됩니다.

 

 

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