Part 34. 장비의 크기는 어떻게 결정하는가 - Equipment Capacity

앞선 Part 33에서는 공정 조건을 계산했습니다.

 

원료가 얼마만큼 들어오고, 각 장비를 지나면서 온도와 압력이 어떻게 변하며, 최종적으로 얼마만큼의 제품이 나오는지를 Process Simulation을 통해 확인했습니다.

 

그런데 여기서 새로운 질문이 하나 생깁니다.

“그래서 이 공장을 실제로 만들려면 장비가 얼마나 커야 하는가?”

 

공정도면 위에 그려진 Tank 하나, Pump 하나, Heat Exchanger 하나가 실제 공장에서는 어느 정도 크기가 되어야 하는지를 결정해야 합니다.

 

예를 들어 하루 100 ton의 맥주를 처리해야 한다고 가정해 보겠습니다.

 

그렇다면 단순히 “100 ton/day이니까 100 ton짜리 탱크를 설치하면 되겠지.”라고 생각할 수 있습니다.

 

하지만 실제 Process Design에서는 그렇게 단순하지 않습니다.

 

100 ton/day라는 생산량만으로는 탱크의 크기를 결정할 수 없습니다.

 

운전시간, 체류시간, Batch 운전 여부, 탱크의 실제 충전율, 여유율, 유체의 밀도, 열교환에 필요한 면적, 펌프의 유량과 양정 등 여러 조건을 함께 검토해야 합니다.

 

결국 Equipment Capacity란 단순히 “큰 장비를 선택하는 것”이 아니라,

공정이 요구하는 Duty를 안정적으로 수행할 수 있도록 장비의 용량과 크기를 결정하는 과정

 

이라고 볼 수 있습니다.

 

 

1. Equipment Capacity는 무엇을 의미하는가?

 

Process Design에서 Equipment Capacity를 이야기할 때 모든 장비를 같은 방식으로 표현하지는 않습니다.

 

장비의 기능에 따라 필요한 Capacity의 정의가 달라지기 때문입니다.

 

대표적으로 다음과 같습니다.

 

Equipment	주요 Capacity 기준
Tank	Volume, Working Volume
Vessel	Volume, Residence Time
Pump	Flow Rate, Head
Compressor	Gas Flow, Pressure Ratio
Heat Exchanger	Heat Duty, Heat Transfer Area
Heater	Heat Duty
Cooler	Heat Duty
Column	Diameter, Height, Tray/Packing
Filter	Flow Rate, Filtration Area
Vaporizer	Heat Duty, Vaporization Capacity

따라서 Equipment Capacity = 단순한 용량이라고 생각하면 안 됩니다.

 

어떤 장비에서는 m³가 중요하고, 어떤 장비에서는 m³/h가 중요하며, 어떤 장비에서는 kW 또는 kcal/h가 중요합니다.

 

즉,

장비의 Capacity는 그 장비가 수행해야 하는 공정 기능을 수치로 표현한 것

 

이라고 이해하는 것이 가장 쉽습니다.

 

 

 

2. 먼저 공정이 장비에게 요구하는 것을 알아야 한다

 

Equipment Size를 결정하기 전에 먼저 해야 할 일이 있습니다.

 

바로 Process Requirement를 정리하는 것입니다.

 

앞선 Material Balance와 Energy Balance를 통해 우리는 각 Stream의 정보를 얻었습니다.

 

예를 들어 다음과 같은 결과가 나왔다고 가정해 보겠습니다.

 

• Feed : 100 ton/day
• Density : 1,000 kg/m³
• Continuous Operation : 20 hr/day
• Required Residence Time : 2 hr

이제 이 데이터를 가지고 Tank의 크기를 생각해 볼 수 있습니다.

 

먼저 평균 처리량을 계산합니다.

 

$$ Q_m = \frac{100,000}{20} = 5,000 \; kg/h $$

 

따라서,

 

$$ Q_v = \frac{5,000}{1,000} = 5 \; m^3/h $$

 

밀도가 1,000 kg/m³라면 체적 유량은 다음과 같습니다.

 

$$ Q_v = \frac {\dot {m}}{\rho} $$

 

따라서,

 

$$ Q_v = \frac {5,000}{1,000} = 5 \; m^3/h $$

 

그리고 필요한 체류시간이 2시간이라면 필요한 Working Volume은

 

$$ V_{working}=Q_v \times \tau $$

 

즉,

 

$$ V_{working}=5\times2=10\;m^3 $$

 

가 됩니다.

 

여기까지 계산하면 “이 공정에서는 최소 약 10 m³의 Working Volume이 필요하다.”라는 결론을 얻을 수 있습니다.

 

하지만 이것이 곧 10 m³ Tank를 선정한다는 의미는 아닙니다.

 

여기서부터가 Equipment Sizing의 시작입니다.

 

 

3. Working Volume과 Tank의 실제 크기는 다르다

 

Tank를 설계할 때 자주 발생하는 오해가 있습니다.

Working Volume = Tank Total Volume

 

이라고 생각하는 것입니다.

 

실제 탱크에는 항상 일정한 공간적 여유가 필요합니다.

 

예를 들어 10 m³의 액체를 안정적으로 운전해야 한다고 해서 Tank 전체를 10 m³로 만들면 문제가 발생할 수 있습니다.

 

탱크 상부에는 Vapor Space가 필요할 수 있고, 액체의 팽창이나 거품 발생, Level Control 등을 고려해야 하기 때문입니다.

 

따라서 일반적으로 다음과 같은 개념으로 접근합니다.

 

$$ V_{total} = \frac {V_{working}}{F} $$

 

여기서

 

• \(V_{total}\) : Tank Total Volume
• \(V_{working}\) : 필요한 Working Volume
• \(F\) : 허용되는 Working Volume Fraction

예를 들어 Working Volume이 10 m³이고 설계상 Tank의 80%까지만 정상적으로 사용한다고 가정하면,

 

$$ V_{total} = \frac {10}{0.8} = 12.5\;m^3 $$

 

가 됩니다.

 

따라서 실제 선정에서는 10 m³가 아니라 약 12.5 m³ 이상의 nominal volume을 갖는 Tank를 검토하게 됩니다.

 

여기서 중요한 점은 80%라는 숫자가 모든 Tank에 공통적으로 적용되는 고정 규칙은 아니라는 것입니다.

 

공정 특성, 운전 방식, 거품 발생, 유체 팽창, Level Instrumentation, 안전 및 Mechanical Design 요구사항 등에 따라 적절한 기준을 정해야 합니다.

 

즉,

Equipment Capacity에는 하나의 정답이 있는 것이 아니라 공정과 장비의 목적에 맞는 설계 기준이 필요합니다.

 

 

 

4. Capacity를 결정할 때는 정상 운전만 보면 안 된다

여기서 Process Engineer가 한 단계 더 생각해야 합니다.

 

공장은 항상 평균값으로만 운전되지 않습니다.

 

정상 운전이 5 m³/h라고 해도 실제 공정에서는 다음과 같은 상황이 발생할 수 있습니다.

 

• 생산량 증가
• Feed Flow 변동
• 온도 변화
• 밀도 변화
• Startup
• Shutdown
• Cleaning
• Batch 전환
• Upstream 공정의 순간적인 유량 증가

따라서 Equipment Capacity를 결정할 때는 Normal Condition뿐만 아니라 Maximum 또는 Design Condition을 검토해야 합니다.

 

예를 들어, Normal Flow가

 

$$ Q_{normal}=5\;m^3/h $$

 

이고 공정에서 최대 6 m³/h까지 처리해야 한다면 장비가 최소한 6 m³/h의 요구조건을 만족할 수 있어야 합니다.

 

여기에 다시 적절한 Design Margin을 검토할 수 있습니다.

 

다만 여기서 중요한 것이 있습니다.

 

“무조건 10% 여유를 둔다” 또는 “무조건 20% 크게 만든다”는 방식으로 접근해서는 안 됩니다.

 

Margin은 장비 종류와 공정 특성, 운전 변동성, 향후 생산능력, Vendor 기준, 적용 Code 및 Project Design Philosophy 등을 고려해 결정해야 합니다.

 

특히 Pump나 Compressor처럼 장비 성능이 운전점과 직접 연결되는 장비에서는 단순히 용량을 크게 만드는 것이 반드시 좋은 설계가 아닙니다.

 

 

5. Pump의 Capacity는 Tank와 다르다

 

Tank에서는 Volume이 핵심이었지만 Pump에서는 이야기가 달라집니다.

 

Pump의 대표적인 설계 변수는 Flow Rate와 Head입니다.

 

예를 들어 Process Simulation과 Hydraulic Calculation 결과 다음 조건이 필요하다고 해보겠습니다.

 

• Required Flow : 20 m³/h
• Required Differential Head : 35 m

 

그러면 Pump의 기본적인 요구조건은

20 m³/h @ 35 m Head

 

가 됩니다.

 

여기서 단순히 “20 m³/h Pump”를 선택하는 것으로 끝나지 않습니다.

 

실제 Pump Selection에서는 배관의 압력손실, Static Head, Equipment Pressure, Control Valve Pressure Drop, 유체의 밀도와 점도, NPSH 등의 조건을 함께 검토해야 합니다.

 

특히 Pump는 Flow와 Head의 조합으로 성능을 판단해야 합니다.

 

API 역시 Process Service에서 사용되는 Centrifugal Pump에 대해 별도의 API 610 표준을 두고 있으며, 현재 API의 표준 목록에는 API 610 13판이 등재되어 있습니다.

 

따라서 Process Engineer 입장에서는

“유량이 얼마인가?”

 

에서 끝나는 것이 아니라

“그 유량을 어떤 압력 조건까지 보내야 하는가?”

 

까지 계산해야 합니다.

 

 

6. Heat Exchanger는 “몇 m³인가?”로 결정하지 않는다

 

Heat Exchanger에서는 더욱 흥미로운 문제가 발생합니다.

 

Tank처럼 단순히 Volume으로 크기를 결정할 수 없기 때문입니다.

 

Heat Exchanger의 핵심은 Heat Duty입니다.

 

앞선 Energy Balance에서 필요한 열량이 계산되었다면 이를 기반으로 Heat Exchanger의 필요한 열전달 면적을 검토할 수 있습니다.

 

기본적인 열교환기 관계식은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

 

$$ Q=UA\Delta T_{lm} $$

 

여기서

 

• \(Q\) : Heat Duty
• \(U\) : Overall Heat Transfer Coefficient
• \(A\) : Heat Transfer Area
• \(\Delta T_{lm}\) : Log Mean Temperature Difference

 

따라서 필요한 열전달 면적은 개념적으로

 

$$ A= \frac {Q} {U\Delta T_{lm}} $$

 

와 같이 계산할 수 있습니다.

 

즉, Energy Balance에서 “10,000 kcal/h의 열을 제거해야 한다.”라는 결과가 나왔다면, Equipment Design에서는 다시 “그러면 Heat Exchanger의 면적이 얼마가 필요한가?”라는 문제로 변환됩니다.

 

이것이 바로 Process Design과 Equipment Design이 연결되는 지점입니다.

 

 

7. Residence Time이 필요한 장비는 시간으로부터 크기를 결정한다

 

모든 장비가 Flow Rate만으로 결정되는 것도 아닙니다.

 

반응기나 일부 Vessel, Separator, Hold-up Tank 등에서는 Residence Time이 중요합니다.

 

기본적으로

 

$$ \tau=\frac {V}{Q} $$

 

이므로,

 

$$ V=Q\tau $$

 

라는 관계를 사용할 수 있습니다.

 

예를 들어 8 m³/h의 유체가 장비 내부에서 30분 동안 머물러야 한다면,

 

$$ V=8\times0.5 $$

 

따라서 필요한 Working Volume은

 

$$ V=4\;m^3 $$

 

가 됩니다.

 

이렇게 보면 Equipment Sizing의 본질이 조금 더 명확해집니다. 공정이 요구하는 시간과 유량을 실제 공간으로 바꾸는 것입니다.

 

 

8. Separator는 단순히 Volume만 크게 만든다고 해결되지 않는다

 

Separator에서는 한 단계 더 복잡해집니다.

 

예를 들어 기체와 액체를 분리하는 Vessel이라면 단순히 “유체가 많이 들어오니까 큰 Vessel을 만들자.”라고 할 수 없습니다.

 

기체의 속도가 너무 빠르면 액적이 충분히 분리되지 않을 수 있고, 액체 체류시간이 부족하면 안정적인 Level Control이 어려워질 수 있습니다.

 

따라서 Separator에서는 다음과 같은 요소들이 함께 검토됩니다.

 

• Gas Flow
• Liquid Flow
• Gas Density
• Liquid Density
• Droplet Size
• Residence Time
• Allowable Velocity
• Vessel Diameter
• Vessel Length
• Internals

결국 Equipment Capacity는 단순한 하나의 숫자가 아니라 장비가 수행해야 하는 물리적 기능을 만족시키는 설계 변수들의 조합입니다.

 

 

9. 너무 큰 장비도 좋은 설계가 아니다

 

여기서 중요한 질문이 하나 생깁니다.

“그렇다면 장비는 크게 만들수록 안전한 것 아닌가?”

 

반드시 그렇지는 않습니다.

 

예를 들어 필요한 Tank Volume이 10 m³인데 50 m³ Tank를 설치한다고 생각해 보겠습니다.

 

Capacity만 보면 충분합니다.

 

하지만 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

 

① 초기 투자비 증가

장비 자체의 구매비뿐만 아니라 구조물, 배관, 기초, 운송 및 설치 비용도 증가할 수 있습니다.

 

② Utility 증가

대형 장비를 운전하기 위해 더 많은 Heating, Cooling 또는 Pumping Capacity가 필요할 수 있습니다.

 

③ 체류시간 증가

불필요하게 긴 체류시간이 발생하면 제품 품질이나 공정 조건에 영향을 줄 수 있습니다.

 

④ 운전 효율 저하

특히 Batch Equipment에서는 장비가 지나치게 크면 실제 생산량에 비해 비효율적인 운전이 될 수 있습니다.

 

⑤ Startup 및 Shutdown 시간 증가

Equipment 내부의 Hold-up이 증가하면서 초기 충전이나 Drain에 더 많은 시간이 필요할 수 있습니다.

 

따라서 좋은 Equipment Design은

“가장 큰 장비”가 아니라 “공정 요구사항을 만족하면서 목적에 맞는 적절한 크기의 장비”

 

를 찾는 과정입니다.

 

 

10. 그렇다면 Equipment Capacity는 어디에서 결정되는가?

 

실제 프로젝트에서는 한 번의 계산으로 Equipment Capacity가 확정되지 않습니다.

 

일반적으로 다음과 같은 흐름으로 발전합니다.

 

1. Design Basis
2. Process Concept
3. Process Flow Diagram
4. Material Balance
5. Energy Balance
6. Process Simulation
7. Equipment Duty
8. Equipment Sizing
9. Equipment Datasheet
10. Vendor Proposal
11. Vendor Data Review
12. Final Equipment Selection

앞선 Part 31에서 Material Balance를 계산하고, Part 32에서 Energy Balance를 계산했으며, Part 33에서 Process Simulation으로 공정 조건을 구체화했다면, 이번 Part 34에서는 그 계산 결과를 실제 Equipment의 요구조건으로 바꾸는 것입니다.

 

즉,

Process Calculation의 결과가 Equipment Datasheet의 숫자로 변환되는 순간

 

이라고 볼 수 있습니다.

 

 

11. Equipment Datasheet에 숫자를 적는 순간

 

실제 프로젝트에서는 최종적으로 이 정보가 Equipment Datasheet에 들어갑니다.

 

예를 들어 Tank라면 다음과 같은 정보가 필요할 수 있습니다.

 

항목	예시
Service	Product Buffer Tank
Normal Flow	5 m³/h
Working Volume	10 m³
Total Volume	12.5 m³
Design Pressure	0.5 barg
Design Temperature	80℃
Operating Temperature	60℃
Material	SS304
Agitator	Required
Design Code	Project Specification / Applicable Code

 

Pump라면

항목	예시
Service	Product Transfer Pump
Flow	20 m³/h
Differential Head	35 m
Fluid Density	1,000 kg/m³
Operating Temperature	60℃
NPSH Requirement	Process Calculation
Material	SS304

 

와 같은 방식으로 정리할 수 있습니다.

 

이렇게 만들어진 Datasheet가 Vendor에게 전달되면 Vendor는 이를 기반으로 실제 모델과 Mechanical Design을 제안하게 됩니다.

 

따라서 Equipment Datasheet에 적힌 숫자 하나하나는 단순히 임의로 정한 값이 아닙니다.

 

그 뒤에는 Design Basis → Material Balance → Energy Balance → Simulation → Hydraulic Calculation → Equipment Sizing이라는 일련의 Process Engineering 과정이 존재합니다.

 

 

12. 장비의 크기를 결정한다는 것은 공장을 결정하는 일이다

 

처음 프로젝트를 시작했을 때 우리가 가진 것은 비교적 추상적인 숫자였습니다.

 

“하루 100 ton의 맥주를 처리한다.”

 

하지만 Process Design을 진행하면서 이 숫자는 계속 구체화됩니다.

 

100 ton/day라는 생산량은 5,000 kg/h의 Mass Flow가 되고, 5 m³/h의 Volume Flow가 되고, 필요한 Residence Time을 적용해 Tank Volume이 되고, Energy Balance를 통해 Heat Duty가 되고, Heat Duty는 Heat Exchanger Area가 되며, Hydraulic Calculation을 통해 Pump Flow와 Head가 됩니다.

 

결국 하나의 생산능력이 수많은 Equipment Capacity로 분해됩니다.

 

이것이 Process Engineer가 하는 중요한 역할 중 하나입니다. 공장의 생산능력을 장비가 이해할 수 있는 숫자로 바꾸는 것입니다.

 

 

13. Equipment Capacity를 결정할 때 Process Engineer가 확인해야 할 것

 

실무에서는 다음 질문을 순서대로 확인하면 좋습니다.

 

① 이 장비가 수행해야 하는 기능은 무엇인가?

Storage인가, Mixing인가, Separation인가, Heating인가, Cooling인가?

 

② Normal Operating Condition은 무엇인가?

평균적으로 어느 정도의 Flow와 Load에서 운전되는가?

 

③ Maximum Operating Condition은 얼마인가?

생산량 증가나 공정 변동이 발생했을 때 어느 정도까지 올라가는가?

 

④ Design Condition은 무엇인가?

장비가 설계상 견뎌야 하는 압력, 온도, 유량 및 Duty는 무엇인가?

 

⑤ 어떤 Capacity Parameter가 중요한가?

• Volume인가?
• Flow인가?
• Head인가?
• Heat Duty인가?
• Area인가?
• Residence Time인가?

 

⑥ 적절한 Design Margin이 있는가?

단순히 크게 만드는 것이 아니라 실제 공정 변동성과 프로젝트 Design Philosophy를 반영했는가?

 

⑦ Downstream과 Upstream Capacity가 맞는가?

한 장비만 크게 만들어도 전체 공정 Capacity가 증가하지는 않습니다.

 

⑧ Vendor가 실제로 제작할 수 있는 사양인가?

계산상 가능한 장비와 실제 구매 가능한 장비는 다를 수 있습니다.

 

⑨ Code와 Standard를 만족하는가?

Pressure Vessel이라면 적용되는 설계 Code를 확인해야 합니다. 예를 들어 ASME BPVC Section VIII은 압력용기의 설계·제작·검사·시험 등에 대한 요구사항을 다루고 있습니다.

 

Pressure Relief와 관련된 Capacity라면 API 520과 API 521과 같은 별도의 기준이 적용될 수 있습니다. API는 API 520 Part I에서 Relief Device의 Sizing과 Selection을 다루며, Gas/Vapor, Steam, Liquid, Two-phase 등에 대한 sizing 절차를 포함하고 있습니다.

 

 

14. 다시 Beer to Zero Project로 돌아가 보자

 

이제 우리가 설계하고 있는 Beer to Zero Plant를 다시 바라보겠습니다.

 

고객은 단순히 말했습니다.

“하루 100 ton의 맥주를 처리해서 무알콜 제품을 생산해 주세요.”

 

처음에는 굉장히 단순한 요구사항처럼 보였습니다.

 

하지만 Process Design을 진행하면서 이 한 문장이 수많은 숫자로 바뀌었습니다.

 

Feed Flow가 결정되고, Product Flow가 결정되고, Alcohol Removal Duty가 결정되고, Heating Duty와 Cooling Duty가 결정되고, 각 장비의 Flow와 Pressure가 결정됩니다.

 

그리고 이제 그 숫자들이 다시 실제 장비로 변환됩니다.

 

• Tank는 몇 m³인가?
• Pump는 몇 m³/h를 보내야 하는가?
• Heat Exchanger는 몇 kcal/h를 처리해야 하는가?
• Separator는 어느 정도의 Gas와 Liquid Load를 처리해야 하는가?
• Column은 어느 정도의 Diameter와 Height가 필요한가?

이제 우리는 PFD 위에 그려진 기호를 실제 공장에 존재하는 장비로 바꾸기 시작합니다.

 

 

계산한 공정이 실제 장비가 되다

 

Process Design을 공부하다 보면 Material Balance, Energy Balance, Simulation과 같은 계산에 집중하기 쉽습니다.

 

하지만 계산 자체가 최종 목적은 아닙니다. 공장을 만드는 것이 목적입니다.

 

그리고 공장을 만들기 위해서는 결국 계산 결과를 실제 장비의 크기와 사양으로 변환해야 합니다.

 

그래서 Equipment Capacity는 Process Design에서 중요한 연결고리가 됩니다.

 

• Material Balance가 “얼마나 흐르는가”를 알려준다면,
• Energy Balance는 “얼마나 많은 열이 필요한가”를 알려주고,
• Process Simulation은 “어떤 조건에서 공정이 작동하는가”를 보여주며,
• Equipment Sizing은 “그래서 실제 장비를 얼마나 크게 만들어야 하는가”를 결정합니다.

결국 Process Engineer가 해야 하는 일은 단순히 숫자를 계산하는 것이 아닙니다.

공정의 요구사항을 실제 장비가 수행할 수 있는 설계 사양으로 바꾸는 것.

 

그것이 Equipment Capacity를 결정하는 과정입니다.

 

 

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