Part 29. 맥주는 공장에서 어떻게 이동하는가 - Process Flow

지난 글에서는 드디어 우리가 만들고자 하는 공장의 Process Concept를 정했습니다.

 

맥주를 원료로 받아 그대로 무알코올 맥주로 만드는 것이 아니라, 기존 맥주의 품질을 최대한 유지하면서 알코올을 제거하는 공정을 구성하기로 했습니다.

 

그런데 여기서 엔지니어에게 또 하나의 질문이 생깁니다.

 

“그래서 맥주는 공장 안에서 어디로 가는가?”

 

공정을 설계한다는 것은 장비의 이름을 나열하는 일이 아닙니다.

 

Beer Tank가 있고, Pump가 있고, Heat Exchanger가 있고, Separation Equipment가 있다고 해서 공장이 완성되는 것은 아닙니다.

 

중요한 것은 이 장비들이 어떤 순서로 연결되고, 물질이 어떤 경로를 따라 이동하는가입니다.

 

바로 이때 등장하는 것이 Process Flow입니다.

 

 

1. 공정 설계에서 '흐름'을 먼저 보는 이유

 

플랜트를 처음 설계할 때 엔지니어가 모든 배관을 처음부터 하나씩 그리는 것은 아닙니다.

 

먼저 공장에서 어떤 물질이 들어오고 나가며, 그 사이에서 어떤 변화가 일어나는지를 큰 흐름으로 정리합니다.

 

예를 들어 Beer to Zero Project라면 가장 단순하게 다음과 같이 생각할 수 있습니다.

 

Beer Feed → 전처리 → 탈알코올 → 품질 조정 → Carbonation → 제품 Tank → Filling

 

처음 보면 아주 단순합니다.

 

하지만 엔지니어 입장에서는 여기서부터 여러 가지 질문이 시작됩니다.

 

• 맥주는 어디에서 공급되는가?
• 고형물이나 불순물은 제거해야 하는가?
• 탈알코올 장치에 들어가기 전에 온도와 압력은 어떻게 조절해야 하는가?
• 알코올은 어디로 빠져나가는가?
• 탈알코올 과정에서 함께 빠져나간 물질은 없는가?
• 탄산은 언제 다시 넣는가?

최종 제품은 바로 Filling으로 보내는가, 아니면 Buffer Tank가 필요한가?

 

그리고 각 장치 사이의 유량은 어떻게 연결되는가?

 

이 질문에 답하면서 하나의 Process Flow가 만들어집니다.

 

 

2. Process Flow란 무엇인가?

 

Process Flow는 쉽게 말하면 공장 안에서 물질이 이동하는 큰길을 정리한 것입니다.

 

건물에 비유하면 Process Flow는 도로망과 비슷합니다.

 

아직 각 도로의 차선이나 신호등까지 결정한 단계는 아닙니다.

 

먼저

“어디에서 출발해서 어디를 거쳐 어디로 도착하는가?”

 

를 결정하는 것입니다.

 

엔지니어링에서는 이러한 공정의 큰 흐름을 표현하기 위해 Process Flow Diagram, PFD를 사용합니다.

 

PFD에서는 주요 장치와 Process Stream, 주요 운전조건 및 물질수지 등을 중심으로 공정의 전체적인 구조를 파악할 수 있습니다.

 

반면 P&ID 단계로 내려가면 배관, 밸브, 계측기, 제어 Loop, Drain, Vent 등 훨씬 더 상세한 정보가 들어갑니다.

 

즉, Process Concept → Process Flow / PFD → P&ID라는 식으로 설계의 해상도가 점점 높아진다고 이해하면 쉽습니다.

 

ISA 역시 PFD와 P&ID를 공정 및 계장 정보를 표현하는 주요 Engineering Diagram으로 구분하고 있으며, P&ID는 PFD보다 훨씬 상세한 공정·배관·계장 정보를 다루는 문서입니다.

 

 

3. 우리 공장의 출발점은 어디인가?

 

이제 Beer to Zero Project의 공정을 실제로 그려보겠습니다.

 

가장 먼저 정해야 하는 것은 Feed입니다.

 

우리 공장으로 들어오는 것은 이미 발효가 끝난 일반 맥주라고 가정하겠습니다.

 

즉, 원료를 처음부터 양조하는 것이 아니라 완성된 일반 맥주를 받아 알코올을 제거하여 무알코올 맥주를 생산하는 후처리 공정입니다. 이를 간단하게 표현하면 다음과 같습니다.

 

1. Normal Beer
2. Beer Feed Tank
3. Pre-treatment
4. Dealcoholization
5. Post-treatment
6. Carbonation
7. Product Tank
8. Filling

이제부터 중요한 것은 각각의 Block 사이에서 무엇이 이동하는가입니다.

 

 

4. 첫 번째 이동 - Beer Feed

 

트럭이나 기존 Brewery 공정에서 공급된 맥주는 먼저 Beer Feed Tank로 들어옵니다.

 

이 Tank는 단순히 맥주를 담아놓는 저장조처럼 보이지만 Process Design 관점에서는 상당히 중요한 역할을 합니다.

 

왜냐하면 앞단의 맥주 공급과 뒷단의 탈알코올 공정은 반드시 동일한 속도로 운전될 필요가 없기 때문입니다.

 

예를 들어 Brewery에서는 일정한 시간에 대량의 맥주를 생산할 수 있지만, 탈알코올 장치는 일정한 유량으로 연속 운전될 수 있습니다. 이때 Tank가 일종의 Buffer 역할을 합니다.

 

즉,

Brewery의 생산 속도와 Dealcoholization Unit의 처리 속도를 분리해 주는 것입니다.

 

따라서 Feed Tank의 용량을 결정할 때는 단순히 “몇 톤의 맥주를 저장할 것인가?”만 보는 것이 아닙니다.

 

생산량, 운전시간, Batch 운영 여부, Upstream/Downstream의 운전철학까지 함께 검토해야 합니다.

 

 

5. 두 번째 이동 - 전처리

 

Feed Tank에서 나온 맥주는 바로 탈알코올 장치로 보내지 않습니다.

 

탈알코올 장치의 종류에 따라 차이는 있지만 일반적으로 온도, 압력, 고형물, 탁도, 유량 등 Feed Condition을 적절하게 맞추는 과정이 필요합니다.

 

예를 들어 막분리 방식에서는 막의 오염과 Flux 저하를 방지하기 위한 전처리가 중요할 수 있습니다.

 

반대로 진공 증류 계열의 공정에서는 열교환기와 진공 시스템을 고려해야 합니다.

 

따라서 Process Flow에서는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

 

Beer Feed Tank → Feed Pump → Filter / Clarification → Heat Exchanger → Dealcoholization Unit

 

여기서 Pump는 단순히 맥주를 이동시키는 장치가 아닙니다.

 

탈알코올 장치가 요구하는 Feed Pressure를 만들어주는 역할까지 담당할 수 있습니다.

 

결국 Pump의 선정에는 유량뿐 아니라 필요한 Differential Pressure, NPSH, 맥주의 특성 등이 함께 고려되어야 합니다.

 

 

6. 세 번째 이동 - 가장 중요한 구간, Dealcoholization

 

이제 공정의 핵심으로 들어갑니다. 맥주에서 알코올을 제거하는 구간입니다.

 

여기서 중요한 점은 탈알코올 장치 하나만 설치한다고 끝나는 것이 아니라는 것입니다.

 

탈알코올은 기본적으로 맥주라는 복잡한 혼합물에서 Ethanol을 선택적으로 제거하는 공정입니다.

 

따라서 엔지니어는 최소한 두 가지 흐름을 생각해야 합니다.

 

1. 알코올을 제거한 Beer Stream
2. 제거된 Ethanol이 포함된 Stream

즉, 하나의 Feed가 들어가면 최소한 서로 다른 특성을 가진 두 개 이상의 Stream으로 나뉘게 됩니다.

 

개념적으로 표현하면 다음과 같습니다.

 

                           Beer Feed
                                   ↓
                    Dealcoholization Unit
                ↙　                                ↘
Dealcoholized Beer　　       Ethanol-rich Stream

 

이것이 바로 Process Flow에서 '분리'를 표현하는 기본적인 방법입니다.

 

 

7. 탈알코올 방식에 따라 Process Flow가 달라진다

 

여기서 한 가지 주의해야 합니다.

 

무알코올 맥주를 만드는 방법은 하나가 아닙니다.

 

대표적으로 Vacuum Distillation, Spinning Cone Column, Reverse Osmosis, Nanofiltration, Osmotic Distillation, Pervaporation 등 여러 가지 방법이 연구되고 실제 공정에 적용되어 왔습니다.

 

따라서 모든 무알코올 맥주 공장의 Process Flow가 똑같다고 생각하면 안 됩니다.

 

예를 들어 막분리 공정에서는 Beer가 막 모듈을 통과하면서 Permeate와 Retentate로 나뉘는 구조가 만들어질 수 있습니다.

 

실제 상용 막분리 시스템에서도 Beer를 고압으로 막에 공급하고, 작은 분자들이 막을 통과하는 Permeate와 상대적으로 큰 성분들이 남는 Retentate를 분리하는 방식이 사용됩니다.

 

반면 진공 증류 방식에서는 낮은 압력에서 Ethanol의 증발 온도를 낮춰 알코올을 제거하는 방식이 사용됩니다. 최근 문헌에서도 진공 증류, Thin-layer evaporation, Spinning Cone Column 등이 대표적인 열적 탈알코올 방법으로 분류됩니다.

 

우리 Beer to Zero Project에서는 이러한 여러 방법 중 하나의 가상 공정을 선정하고 그 공정을 끝까지 설계해보는 방식으로 진행하겠습니다.

 

 

8. 왜 단순히 '알코올만' 제거하면 안 되는가?

 

여기서 공정 엔지니어에게 중요한 문제가 하나 생깁니다.

 

맥주에는 Ethanol만 들어 있는 것이 아닙니다.

 

맥주의 향과 맛을 결정하는 다양한 휘발성 성분이 함께 존재합니다.

 

따라서 알코올을 제거하는 과정에서 다른 성분까지 함께 제거될 가능성을 고려해야 합니다.

 

실제로 진공 증류에서는 Ethanol뿐 아니라 일부 휘발성 향기 성분도 함께 증발할 수 있다는 문제가 보고되어 있습니다. 반대로 막 기반 공정은 상대적으로 낮은 온도에서 운전할 수 있어 향과 맛의 보존 측면에서 장점이 있을 수 있습니다.

 

그래서 Process Flow를 그릴 때도 단순히 Beer → Alcohol Removal → Zero Beer라고 그리는 것만으로는 부족합니다.

 

필요하다면 Aroma Recovery같은 별도의 Stream이나 Unit을 추가해야 합니다.

 

실제로 연구된 산업 공정에서는 탈알코올 전에 맥주의 향 성분을 별도로 회수하고, 탈알코올 후 다시 혼합하는 방식도 제안되었습니다.

 

즉, 좋은 Process Flow란 단순히 물질을 이동시키는 그림이 아니라 제품의 품질을 유지하기 위한 물질의 이동까지 표현한 그림입니다.

 

 

9. 탈알코올 이후에는 무엇을 하는가?

 

탈알코올 장치를 통과했다고 해서 바로 캔에 넣을 수 있는 것은 아닙니다.

 

탈알코올 과정에서 맥주의

 

• Ethanol
• Water
• CO₂
• Aroma
• Flavor Components

등의 조성이 변할 수 있기 때문입니다.

 

따라서 후단에서는 목표 제품 조건에 맞추기 위한 Post-treatment가 필요할 수 있습니다.

 

예를 들어 Dealcoholized Beer → Blending → Water / Product Adjustment → Carbonation → Final Product Tank와 같은 흐름을 구성할 수 있습니다. 특히 CO₂는 중요한 요소입니다.

 

막분리나 일부 탈알코올 공정에서는 CO₂가 손실될 수 있기 때문에 최종 제품의 Carbonation을 별도로 조정해야 할 수 있습니다.

 

결국 탈알코올 공정은 단순히 “알코올을 빼는 공정”이 아니라,

원래 맥주의 조성을 변화시키고, 이를 다시 목표 제품 조건으로 맞추는 공정

 

이라고 보는 것이 더 정확합니다.

 

 

10. 최종 제품은 Product Tank로 이동한다

 

모든 조정이 끝났다면 이제 최종 제품은 Product Tank로 이동합니다.

 

여기서 Product Tank는 다시 한번 중요한 Buffer 역할을 합니다.

 

공정은 연속적으로 움직이고 있지만 Filling Machine은 다른 운전 조건을 가질 수 있기 때문입니다.

 

따라서 Process → Product Tank → Filling이라는 구조를 통해 생산 공정과 포장 공정을 분리할 수 있습니다.

 

그리고 여기서 하나의 중요한 설계 철학이 등장합니다.

 

“공장은 하나의 장비가 아니라 여러 운전 영역이 연결된 시스템이다.”

 

Beer Feed Tank에서 시작한 맥주는 Pump를 타고 이동하고, Heat Exchanger에서 온도가 바뀌고, Dealcoholization Unit에서 조성이 변하고, 후단에서 다시 품질을 조정한 뒤 Product Tank에 도착합니다.

 

각 장비가 따로 존재하는 것이 아니라 하나의 물질 흐름으로 연결되어 있는 것입니다.

 

 

11. 우리의 Process Flow를 한 장으로 정리하면

 

지금까지의 내용을 아주 단순화하면 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

                      Normal Beer
                                ↓
                     Beer Feed Tank
                                ↓
                         Feed Pump
                                ↓
                       Pre-treatment
                                ↓
                     Heat Exchanger
                                ↓
                  Dealcoholization Unit
                 ↙　　　　　　　　　↘
Dealcoholized Beer　　    Ethanol-rich Stream
                 ↓
Post-treatment / Blending
                 ↓
        Carbonation
                 ↓
        Product Tank
                 ↓
             Filling

 

이 그림이 바로 우리가 앞으로 상세설계를 시작하기 위한 Process Flow의 뼈대입니다.

 

아직 Pipe Size도 정하지 않았습니다. Valve의 종류도 정하지 않았습니다. Control Valve의 위치도 정하지 않았습니다. Pump의 정확한 Head도 정하지 않았습니다. 하지만 중요한 것은 이미 하나 결정되었습니다.

 

“맥주가 공장 안에서 어떤 경로로 이동해야 하는가?”입니다.

 

 

12. Process Flow가 결정되면 무엇을 알 수 있는가?

 

Process Flow를 만들면 단순히 공정의 순서만 알 수 있는 것이 아닙니다.

 

여기서부터 엔지니어링 계산이 시작됩니다.

 

예를 들어 다음과 같은 질문에 답할 수 있습니다.

 

① 각 장비에 얼마만큼의 유량이 들어가는가?

Feed Flow가 결정되면 각 장치의 처리량을 계산할 수 있습니다.

 

② 각 Stream의 조성은 어떻게 변하는가?

Mass Balance를 통해 Feed와 Product, By-product의 관계를 계산할 수 있습니다.

 

③ 각 장비에서 필요한 Duty는 얼마인가?

Heat Exchanger의 열 부 하나 냉각부하 등을 계산할 수 있습니다.

 

④ Pump는 어느 정도의 압력을 만들어야 하는가?

배관 압력손실과 장비 요구압력을 통해 Pump의 Head를 결정할 수 있습니다.

 

⑤ 어떤 Utility가 필요한가?

Steam, Cooling Water, Chilled Water, Electricity, Instrument Air, Nitrogen, Vacuum 등이 필요한 위치를 찾을 수 있습니다.

 

결국 Process Flow는 뒤에서 수행할 Material Balance, Energy Balance, Equipment Sizing, Hydraulic Calculation, Utility Design의 출발점이 됩니다.

 

 

13. Process Flow는 '공장의 지도'다

 

여기까지 오면 Process Flow를 조금 다른 관점에서 볼 수 있습니다.

 

공장을 처음 방문한 사람이 있다고 생각해 보겠습니다.

 

그 사람에게 P&ID를 보여준다면 아마 수많은 배관과 Valve, Instrument 때문에 무엇을 봐야 할지 모를 것입니다.

 

하지만 Process Flow를 보여주면 이야기가 달라집니다.

 

• “여기에서 맥주가 들어옵니다.”
• “이쪽에서 전처리를 합니다.”
• “여기에서 알코올을 제거합니다.”
• “이 Stream은 알코올이 빠져나가는 쪽입니다.”
• “이쪽은 처리된 맥주가 이동하는 길입니다.”
• “마지막으로 탄산을 조정하고 제품 Tank로 갑니다.”

이렇게 공장의 전체적인 이야기를 설명할 수 있습니다.

 

그래서 Process Flow는 단순한 그림이 아닙니다. 공정의 이야기를 한 장으로 표현한 지도에 가깝습니다.

 

 

14. 그런데 아직 끝난 것이 아니다

 

이제 우리는 맥주가 어디에서 출발해서 어디로 이동하는지 결정했습니다.

 

하지만 엔지니어에게는 아직 해결해야 할 질문이 남아 있습니다.

 

“각 Stream에는 정확히 얼마만큼의 물질이 흐르는가?”

 

예를 들어 Feed Beer가 시간당 10,000 kg 들어온다고 가정한다면, 얼마나 많은 Beer가 Product로 나가고, 얼마나 많은 Ethanol이 제거되며, 얼마나 많은 Water가 함께 이동하고, 탈알코올 과정에서 손실되는 성분은 얼마나 되는지를 계산해야 합니다.

 

그리고 이 계산 결과가 각 장비의 Size와 Capacity를 결정합니다. 즉,

 

1. Process Concept
2. Process Flow
3. Material Balance
4. Equipment Sizing
5. PFD
6. P&ID

라는 설계의 흐름으로 점점 구체화됩니다.

 

지난 글에서 우리가 “어떤 방식으로 무알코올 맥주를 만들 것인가?”를 결정했다면,

 

이번 글에서는 그 방법을 실제 공장의 물질 흐름으로 연결했습니다.

 

이제 다음 단계에서는 이 흐름을 숫자로 바꿔야 합니다.

 

맥주가 얼마나 들어오고, 얼마나 나가며, 그 사이에서 무엇이 얼마나 변하는가. 바로 다음 설계 단계인 Material Balance입니다.

 

 

Beer to Zero Project 연재 순서

 

PART 4. Process Design — 맥주는 어떻게 무알콜이 되는가

 

• Part 28. 드디어 공정을 그리기 시작하다 - Process Concept
• Part 29. 맥주는 공장에서 어떻게 이동하는가 - Process Flow
• Part 30. 알코올을 어떻게 제거할 것인가 - Separation Process
• Part 31. 맥주의 성분은 어디로 이동하는가 - Material Balance
• Part 32. 열은 어디에서 들어오고 빠져나가는가 - Energy Balance
• Part 33. 실제 공정 조건을 계산하다 - Process Simulation
• Part 34. 장비의 크기는 어떻게 결정하는가 - Equipment Capacity
• Part 35. 열교환기는 얼마나 커야 하는가 - Heat Exchanger Sizing
• Part 36. 알코올 증기를 어떻게 회수할 것인가 - Condenser Design
• Part 37. 액체를 어떻게 이송할 것인가 - Pump Sizing
• Part 38. 진공은 어떻게 만들 것인가 - Vacuum System Design
• Part 39. 맥주를 어디에 저장할 것인가 - Tank Design
• Part 40. 공장을 세척하는 시스템 - CIP System
• Part 41. 공장에 필요한 Utility는 얼마나 되는가 - Utility Balance
• Part 42. 공정 전체를 한 장에 담다 - PFD 작성
• Part 43. Process Design을 하나의 공정도로 완성하다 - Design Review