Part 42. 공정 전체를 한 장에 담다 - PFD(Process Flow Diagram) 작성

1. 수많은 설계 계산은 어떻게 하나의 공정이 되는가?

 

무알콜 맥주 생산 공장을 설계한다고 가정해 보겠습니다.

 

원료 맥주가 들어오면 알코올을 분리하고, 분리된 알코올은 별도로 회수합니다. 알코올이 제거된 맥주는 냉각 과정을 거쳐 저장 탱크로 이동합니다. 이 과정에서 펌프는 액체를 이송하고, 열교환기는 필요한 온도를 만들어 주며, 진공 시스템은 분리 공정에 필요한 압력 조건을 유지합니다.

 

지금까지 우리는 각 장비의 용량을 계산하고, 열교환 면적을 결정하고, 펌프의 양정을 검토하고, 공장에 필요한 Utility를 산정했습니다.

 

그렇다면 이 모든 장비는 어떤 순서로 연결되어야 할까요? 각 장비에 들어가는 물질의 유량과 온도는 얼마이며, 한 장비에서 나온 물질은 다음 장비에서 어떻게 변화할까요?

 

이 질문에 답하기 위해 작성하는 문서가 바로 PFD(Process Flow Diagram), 즉 공정흐름도입니다.

 

PFD는 공정의 주요 장비와 물질의 이동 경로, 주요 운전 조건, 에너지 흐름을 하나의 도면으로 표현한 문서입니다. 개별 장비의 설계 결과를 통합하여 공장 전체가 어떻게 작동하는지 보여주는 역할을 합니다.

 

미국 노스웨스턴대학교의 화학공학 교육 자료에서도 PFD를 공정설계의 핵심 문서로 설명하며, 주요 장비와 Stream의 연결 관계, 유량, 조성 및 운전 조건을 전달하는 수단으로 제시하고 있습니다.

 

 

2. PFD는 무엇을 보여주는 도면인가?

 

PFD의 목적은 공장의 모든 세부 사항을 표현하는 것이 아닙니다. 공정이 어떤 원리로 작동하며, 주요 장비 사이에서 물질과 에너지가 어떻게 이동하는지를 명확하게 전달하는 것입니다.

 

일반적으로 PFD에는 다음과 같은 정보가 포함됩니다.

 

첫째, 주요 공정 장비입니다. 탱크, 펌프, 압축기, 증류탑, 열교환기, 응축기, 분리기 등 공정의 핵심 장비를 표시하고 각 장비에 고유한 번호를 부여합니다.

 

둘째, 공정 흐름입니다. 원료가 어디에서 유입되고, 어떤 장비를 거치며, 최종 제품과 부산물이 어디로 배출되는지 표시합니다. 공정에 중요한 재순환 흐름과 우회 흐름도 필요에 따라 표현합니다.

 

셋째, Stream Data입니다. 각 흐름에 번호를 부여하고 유량, 온도, 압력, 조성 등의 정보를 연결합니다. 상세 데이터는 별도의 Stream Table 또는 Heat and Material Balance 문서에서 확인할 수 있습니다.

 

넷째, 주요 Utility 연결입니다. 스팀, 냉각수, 냉동매체, 질소 등 주요 장비의 운전에 필요한 유틸리티를 표현합니다. 다만 Utility의 표현 범위와 상세 수준은 프로젝트 설계 기준에 따라 달라질 수 있습니다.

 

다섯째, 주요 에너지 정보입니다. 열교환기와 응축기 등의 열부하, 압축기나 펌프의 주요 운전 정보 등 공정 이해에 필요한 데이터를 표시할 수 있습니다.

 

이 정보들을 통해 엔지니어는 공정의 전체 구조를 이해하고, 장비 사이의 연결 관계와 설계 조건이 서로 일관되는지 검토할 수 있습니다.

 

 

3. 무알콜 맥주 생산 공정으로 이해하는 PFD

 

이제 Beer to Zero Project의 가상 공정을 이용해 PFD를 작성해 보겠습니다.

 

여기서는 원료 맥주에서 알코올을 분리하고, 알코올을 응축·회수한 다음, 처리된 맥주를 냉각하여 저장하는 공정을 가정합니다. 실제 공정 구성과 장비 배열은 분리 기술, 제품 품질 목표, 운전 압력 및 제조사의 설계에 따라 달라질 수 있습니다.

 

3-1. 첫 번째 단계: 원료 공급

공정은 원료 맥주 저장 탱크에서 시작합니다.

 

원료 맥주는 공급 펌프를 통해 다음 공정으로 이송됩니다. 이때 Stream에는 원료의 유량, 온도, 압력 및 주요 성분 정보가 연결됩니다.

 

설계자는 앞서 작성한 Material Balance를 바탕으로 원료 공급량을 확인하고, Pump Sizing 결과를 이용해 필요한 이송 조건을 검토합니다.

 

이 단계에서 중요한 것은 단순히 탱크와 펌프를 그리는 것이 아닙니다. 탱크에서 배출되는 유량이 펌프의 설계 조건과 일치하는지, 펌프 토출 조건이 후단 장비의 요구 조건을 충족하는지 확인하는 것입니다.

 

3-2. 두 번째 단계: 알코올 분리

공급된 맥주는 알코올 분리 장비로 이동합니다.

 

이번 예시에서는 진공 증류 또는 이에 준하는 열적 분리 공정을 가정하겠습니다. 실제 무알콜 맥주 제조에는 진공 증류 외에도 막분리 등 다양한 기술이 사용될 수 있습니다.

 

분리 장비에서는 맥주에 포함된 에탄올과 물을 비롯한 휘발성 성분이 기상으로 이동하고, 알코올 함량이 낮아진 액상 맥주는 다음 공정으로 이동합니다.

 

이때 PFD에는 분리 장비의 명칭과 번호뿐만 아니라 주요 유입·유출 Stream, 운전 온도와 압력, 주요 유량 및 필요한 에너지 정보가 연결됩니다.

 

앞서 수행한 Process Simulation과 Material Balance의 결과가 실제 도면의 근거가 되는 지점입니다.

 

3-3. 세 번째 단계: 알코올 증기의 응축 및 회수

분리 장비에서 발생한 증기는 응축기로 이동합니다.

 

응축기는 냉각매체를 이용하여 증기의 열을 제거하고, 증기를 액체로 전환합니다. 회수된 액체는 별도 저장 계통으로 보내거나 후속 회수 공정으로 연결할 수 있습니다.

 

PFD에서는 증기 Stream이 응축기로 유입되고, 응축된 액체가 배출되는 흐름을 명확히 표시합니다. 냉각수 또는 냉동매체의 연결과 주요 열부하도 설계 범위에 따라 나타냅니다.

 

여기서 Condenser Design과 Utility Balance가 연결됩니다. 응축에 필요한 열부하가 결정되어야 적절한 열교환기와 냉각 유틸리티를 검토할 수 있기 때문입니다.

 

3-4. 네 번째 단계: 제품 냉각 및 저장

알코올 분리 공정을 거친 맥주는 필요한 후처리와 냉각을 거쳐 저장 탱크로 이동합니다.

 

이 과정에서는 제품의 유량과 온도, 저장 조건을 확인해야 합니다. 제품의 품질을 유지하기 위해 추가적인 여과, 탈기, 탄산 조정 또는 위생 관리 공정이 필요할 수도 있습니다.

 

다만 이러한 공정은 모든 설비에 반드시 적용되는 것은 아니며, 실제 제품 사양과 제조 공정에 따라 결정됩니다.

 

최종적으로 제품이 저장 탱크까지 이동하는 경로를 확인하면 주요 공정의 연결 관계가 완성됩니다.

 

 

4. PFD는 어떻게 작성하는가?

 

PFD는 일반적으로 공정의 개념을 정리한 뒤, 물질수지와 에너지수지, 주요 장비 정보를 통합하면서 구체화합니다.

 

Step 1. 공정의 시작점과 종료점을 결정합니다.

먼저 설계 범위를 정합니다. 원료가 공정에 들어오는 지점과 제품이 배출되는 지점, 외부 설비와 연결되는 경계점을 정의합니다.

 

이를 Process Battery Limit이라고 부르기도 합니다. 프로젝트 범위에 따라 원료 저장 탱크부터 제품 저장 탱크까지 포함할 수도 있고, 특정 공정 장치만 별도로 설계할 수도 있습니다.

 

Step 2. 주요 장비를 배치합니다.

공정 순서에 따라 주요 장비를 배치합니다.

 

예를 들어 원료 탱크, 공급 펌프, 분리 장비, 응축기, 제품 냉각기, 저장 탱크 순으로 구성할 수 있습니다.

 

이때 장비를 단순히 일렬로 나열하기보다는 실제 물질의 이동 방향과 공정의 기능적 관계를 고려합니다. 재순환 흐름이나 병렬 장비가 있다면 해당 관계도 함께 표현합니다.

 

Step 3. Stream을 연결하고 번호를 부여합니다.

장비 사이의 공정 흐름을 선으로 연결하고 각 Stream에 고유 번호를 부여합니다.

 

원료가 장비를 통과한 후 온도나 압력, 조성이 달라진다면 새로운 Stream으로 구분하여 데이터를 관리할 수 있습니다.

 

예를 들어 Stream 1은 원료 맥주, Stream 2는 분리 장비로 유입되는 맥주, Stream 3은 알코올 함량이 감소한 제품, Stream 4는 분리 과정에서 발생한 증기로 정의할 수 있습니다.

 

이 번호는 도면과 Stream Table을 연결하는 식별자입니다. 번호 자체에는 특별한 물리적 의미가 없으며, 프로젝트의 번호 부여 규칙을 일관되게 적용하는 것이 중요합니다.

 

Step 4. Stream Data를 입력합니다.

각 Stream의 유량, 온도, 압력 및 조성을 정리합니다. 필요한 경우 상(기체·액체·2상), 밀도, 엔탈피 등의 정보도 포함합니다.

 

데이터는 Material Balance, Energy Balance 및 Process Simulation 결과와 일치해야 합니다.

 

모든 변수를 도면에 직접 표시하면 도면이 지나치게 복잡해질 수 있으므로, 핵심 정보는 도면에 표시하고 상세 값은 별도의 Stream Table에 정리하는 방식이 유용합니다.

 

Step 5. 주요 Utility와 에너지 흐름을 표시합니다.

스팀, 냉각수, 냉동매체 등 주요 유틸리티가 필요한 장비를 확인하고 연결 관계를 표시합니다.

 

특히 열교환기와 응축기에서는 열부하 및 입·출구 온도가 중요합니다. 유틸리티의 공급 온도와 회수 조건은 장비의 열적 성능과 운전 가능성에 영향을 줍니다.

 

Step 6. 물질수지와 에너지수지를 검증합니다.

도면에 표현된 각 Stream의 유량과 조성이 물질수지에 부합하는지 확인합니다. 또한 주요 장비의 열부하와 에너지 흐름이 Energy Balance 및 장비 설계 결과와 일치하는지 검토합니다.

 

PFD는 단순히 그림을 완성하는 작업이 아닙니다. 서로 다른 설계 계산의 결과가 하나의 공정에서 논리적으로 연결되는지 확인하는 과정입니다.

 

Step 7. 장비 목록과 도면 정보를 대조합니다.

마지막으로 PFD의 장비 번호가 Equipment List와 일치하는지, Stream 번호가 Stream Table과 연결되는지, 공정 경계와 주요 연결점이 명확한지 확인합니다.

 

프로젝트 설계 기준에 따라 도면 번호, 개정 번호, 범례, 설계 조건 및 관련 문서도 함께 관리합니다.

 

 

5. PFD에 물질수지와 에너지수지를 반영하는 방법

 

PFD의 신뢰성은 도면에 연결된 데이터의 일관성에 달려 있습니다.

 

먼저 정상상태 공정의 전체 물질수지는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

 

질량 기준으로 유입량과 유출량의 관계를 표현하면 다음과 같습니다.

 

\[ \sum \dot {m}_{in} = \sum \dot {m}_{out} \]

 

여기서 \(\dot{m}_{in}\)은 유입 질량유량, \(\dot {m}_{out}\)은 유출 질량유량입니다. 이 식은 정상상태이며 공정 내 축적이 없는 경우에 적용합니다.

 

예를 들어 분리 장비로 맥주 1,000 kg/h가 유입되고, 제품 970 kg/h와 회수 계통으로 이동하는 물질 30 kg/h가 배출된다고 가정하면 다음과 같습니다.

\[ 1{,}000 = 970 + 30 \]

 

이 예시는 전체 질량수지가 맞는지 확인하기 위한 가상의 수치입니다. 실제 설계에서는 맥주에 포함된 물, 에탄올 및 기타 성분의 분배와 각 Stream의 조성을 함께 검토해야 합니다.

 

성분별 수지도 중요합니다. 에탄올이 분리 장비에서 얼마나 제거되고, 제품과 회수 Stream에 각각 얼마나 남는지 확인해야 제품의 알코올 함량 목표를 평가할 수 있습니다.

 

에너지수지 역시 같은 원리로 검토합니다. 정상상태에서 운동에너지와 위치에너지 변화가 무시 가능하고, 축일과 열전달을 고려하는 일반적인 개방계의 에너지수지는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

 

\[ \dot{Q} - \dot {W}_{s} + \sum_{in}\dot {m} h - \sum_{out}\dot {m} h = 0 \]

 

여기서 \(\dot{Q}\)는 시스템으로 전달되는 열, \(\dot {W}_{s}\)는 시스템이 외부로 하는 축일, \(\dot {m}\)은 질량유량, \(h\)는 비엔탈피입니다. 부호 규약은 열과 일의 방향을 어떻게 정의하는지에 따라 일관되게 적용해야 합니다.

 

이 식을 통해 분리 장비의 가열 부하, 응축기의 열 제거량, 펌프와 압축기의 에너지 투입 등을 하나의 에너지 흐름으로 검토할 수 있습니다.

 

단, 위 식은 일반적인 정상상태 에너지수지이며, 모든 장비에 동일한 단순식을 그대로 적용한다는 의미는 아닙니다. 장비별로 축적, 상변화, 반응열, 운동에너지 및 위치에너지 변화가 중요하다면 해당 항을 추가로 고려해야 합니다.

 

 

6. PFD와 P&ID는 무엇이 다른가?

 

PFD를 처음 접하는 엔지니어가 자주 혼동하는 문서가 P&ID(Piping and Instrumentation Diagram)입니다.

 

두 문서는 모두 공정 시스템을 표현하지만 목적과 상세 수준이 다릅니다.

 

PFD는 공정의 전체 흐름과 주요 설계 조건을 이해하기 위한 도면입니다. 반면 P&ID는 배관, 밸브, 계장, 제어 및 안전 관련 연결을 상세하게 표현하여 설계 검토와 시공, 운전 및 유지보수에 활용합니다.

 

예를 들어 PFD에서는 펌프가 탱크에서 분리 장비로 액체를 이송한다는 사실과 주요 유량 및 운전 조건을 보여줍니다.

 

P&ID에서는 여기에 더해 배관 규격과 번호, 차단 밸브, 계장 태그, 제어 루프, 배수 및 벤트 연결 등 프로젝트에서 요구하는 상세 정보를 나타냅니다.

 

따라서 PFD에 모든 배관과 계장 기호를 넣을 필요는 없습니다. 반대로 P&ID를 작성할 때는 PFD에서 정의한 공정 흐름과 설계 조건을 기반으로 상세한 시스템을 구체화해야 합니다.

 

실제 프로젝트에서는 두 문서가 서로 연결되어야 하며, 변경 사항이 발생하면 관련 도면과 설계 문서에도 적절히 반영해야 합니다.

 

 

7. 좋은 PFD를 작성하기 위한 실무 체크리스트

 

PFD의 품질은 얼마나 많은 정보를 넣었는지가 아니라, 필요한 정보를 얼마나 정확하고 일관되게 전달하는지에 달려 있습니다.

 

도면을 발행하기 전에 다음 항목을 확인하는 것이 좋습니다.

 

• 공정의 시작점과 종료점, Battery Limit이 명확한가?
• 모든 주요 장비에 고유한 번호와 명칭이 부여되었는가?
• 주요 공정 Stream의 흐름 방향과 연결 관계가 명확한가?
• Stream 번호가 Stream Table 및 물질수지 자료와 일치하는가?
• 주요 유량, 온도, 압력 및 조성이 설계 계산과 일치하는가?
• 재순환, 우회, 병렬 운전 등 중요한 공정 구성이 누락되지 않았는가?
• 주요 Utility 연결과 열부하가 적절히 반영되었는가?
• 물질수지와 에너지수지가 설계 기준에 부합하는가?
• 장비 목록과 도면의 장비 번호가 일치하는가?
• 도면이 지나치게 복잡하지 않고 공정의 흐름을 직관적으로 전달하는가?

이 항목들을 검토하면 단순한 도면 작성 오류뿐만 아니라, 설계 계산 사이의 불일치나 공정 연결상의 문제도 조기에 발견할 수 있습니다.

 

 

8. PFD는 공정설계의 결과이자 다음 설계의 출발점이다.

 

PFD를 완성했다고 해서 공장 설계가 끝난 것은 아닙니다.

 

PFD는 공정의 기본적인 구조와 주요 운전 조건을 정리한 문서이며, 이를 기반으로 P&ID 작성, 배관 설계, 계장 설계, 장비 상세 설계 및 안전성 검토가 구체화됩니다.

 

또한 설계가 진행되면서 장비 사양이나 운전 조건이 변경되면 PFD의 관련 데이터도 함께 검토하고 갱신해야 합니다.

 

Beer to Zero Project에서 PFD는 지금까지 작성한 개별 설계 항목을 하나의 공정 시스템으로 통합하는 단계입니다. 물질수지에서 시작한 계산은 장비 용량과 열교환기 설계, 펌프 선정, Utility Balance를 거쳐 공정흐름도로 연결됩니다.

 

각 장비가 개별적으로 적절하게 설계되었더라도 전체 공정에서 서로 연결되지 않거나 운전 조건이 맞지 않는다면 완성도 높은 플랜트라고 할 수 없습니다.

 

좋은 PFD는 공장을 단순하게 그린 도면이 아니라, 복잡한 공정을 누구나 논리적으로 이해하고 검증할 수 있도록 정리한 설계 문서입니다.

 

이제 공정의 큰 그림이 완성되었습니다. 다음 단계에서는 이 흐름을 실제 배관과 계장, 제어 및 안전 시스템으로 구체화하는 작업이 필요합니다.

 

 

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