화학공학자들은 사회에 나가 어떤 일을 하고, 어떤 연구를 하게 될까요? 잘 알려져 있는 반도체나 배터리, 디스플레이 등 여러 기업들에서 연구하는 첨단 기술의 개발에 있어 이들 화학공학자의 역할을 무시할 수 없게 됩니다. 실제로, 화학공학에는 반도체나 배터리 등에 대한 재료의 연구, 고분자나 유기물의 합성 및 이용에 대한 연구 등 다양한 세부 분야가 있습니다. 하지만, 그 중에서도 가장 화학공학만의 특별한 영역 중 하나는 공장에서 화학반응을 통해 제품을 생산하는 과정인 화학 공정의 설계라고 생각합니다. 화학생물공학부의 전공 수업 중에는 이런 화학 공정의 설계에 대해 배우는 '공정 및 제품설계’라는 수업이 있습니다.
1. 공정설계란?
그러면 먼저 전공 소개에 앞서서 예시를 통해 공정설계에 대해 간단히 알아보도록 하겠습니다. 잘 알려진 반도체 산업을 예시로 들면, 반도체를 구성하는 재료 설계 및 반도체의 회로 설계가 이뤄진 다음에는 실제 화학 반응을 통해서 반도체를 생산하는 공장의 설계 과정이 필요하게 됩니다. 이 과정에는 적절한 반응 조건의 설정, 반응이 일어나는 반응기 및 여러 기구들의 모양 설계, 화학 반응을 위한 물질의 양 조절 등이 필요하게 됩니다. 이러한 작업은 다른 공학과는 비교되는 화학공학만의 고유한 영역이라고 이야기할 수 있고, 화학공학 전공자로 여태까지 배워왔던 반응공학, 열역학, 이동현상, 제어공학 등 다양한 원리를 함께 적용해서 결과물을 만들어내는 과정이라고 할 수 있습니다.
2. 전공 과목 ‘공정 및 제품설계’
화학생물공학부의 공정 및 제품설계라는 전공은 이러한 공정설계의 원리 및 각 단계에 대해서 익히는 전공입니다. 화학 공장을 설계하는 전공의 이름에 걸맞게, 아래와 같은 순서로 공정설계를 어떻게 진행하는지 단계적으로 확인하게 됩니다.
- 화학 공장의 설계도를 보는 법 & 화학 공장의 구성 익히기
- 공장의 설계 비용 및 수익 예측하기
- 반응에 알맞게 공정을 가동하기 위한 세부적인 조건 설정 익히기
- 공정 시뮬레이션 프로그램을 통한 실습
공정 및 제품설계 강의를 수강하게 되면 한 학기 동안 이런 과정을 거치게 되면서 원하는 화학반응을 공장에 구현하고자 할 때 어떤 구성의 기기들이 필요한지, 반응 조건은 어떻게 설정해야 하는지, 그 결과를 통한 수익성은 어떻게 나타나는지, 나아가 상용 프로그램을 통해 이를 구현하는 단계를 밟아 나가게 됩니다.
3. 공정 및 제품설계와 다른 교과목 사이의 관계
공정 및 제품설계는 화학공학 학부에서 배우는 일종의 최종 테크에 해당하는 전공인 만큼, 앞선 교과목들과의 연관성 또한 깊습니다. 그렇기 때문에 이번 전공백서에서는 공정설계가 화학공학의 어떤 분야와 관계가 있는지를 짚어보고, 얼핏 보면 헷갈릴 수 있는 화학공학의 내용을 알아보려고 합니다.
이 그림은 공정 및 제품설계와 관련이 있는 교과목들의 연관을 나타낸 그림입니다. (제 주관적인 의견이고, 실제와 차이가 있을 수 있습니다. 자세한 부분은 화학생물공학부 공식 가이드라인을 참고해주세요 ㅎㅎ) 화학생물공학부의 교과목명을 기준으로 봤을 때, 가장 기본이 되는 단계는 물질 및 에너지 수지로부터 반응공학 1로 이어지는 수지식의 계산입니다. 물질이 얼마나 들어가고 나가는지를 계산하는 과정은 공정을 설계하는 데 있어 가장 기본이면서 동시에 핵심적인 부분이 됩니다. 또한 이 내용은 공정이 원활히 굴러갈 수 있도록 제어시스템을 설계하는 공정제어 및 설계의 내용과도 연관이 깊습니다. 수지식의 계산은 물질의 흐름을 익히는 공정유체역학과도 이어지고, 이 부분은 열의 전달이나 물질의 전달을 배우는 열 및 물질전달과 밀접한 관계를 가집니다. 여기서 배운 내용들이 세부적인 기기들의 작동과도 연결된다고 볼 수 있습니다.
물리화학 1 및 2의 내용은 추후에 배우는 여러 각론과 연결되는데요, 그중에서 물리화학 1의 열역학이나 기체-액체 사이의 평형은 화공열역학과 이어져서 증류탑 같은 여러 장치의 에너지 관계를 설계하는 것에 응용됩니다. 물리화학 2에서 주로 배우는 반응 속도는 반응공학 1, 촉매개론, 반응공학 2로 이어져서 반응기에서 물질이 소모되는 속도 및 촉매가 있는 반응기의 설계로 연결되어지고, 이 내용을 기반으로 실제 공정에서도 반응기의 설계가 이뤄집니다. 이처럼, 화학공학에서 배우는 다양한 내용들을 통해서 공정설계에 실제로 응용이 이뤄진다고 생각할 수 있습니다. 화학생물공학부에서는 여기서 나아가 화학생물공정실험이라는 교과목을 통해 이렇게 배운 공정 관련 내용들을 실습해보는 시간 역시 가지게 됩니다.
4. 전공 공부 팁 및 마무리
공정 및 제품설계 과목은 깊은 이론을 꾸준히 배운다고 하기보다는 각 단계에서의 테크닉을 위주로 학습하는 과목입니다. 이 때문에 공부하는 입장에서는 조금 산만할 수 있는 구조인데요, 공정설계의 흐름을 간단히 떠올리면서 흐름을 잡고, 실제 시험도 각 단원의 내용을 따로 묻는 만큼 각 단원을 하나의 과목 보듯이 공부하는 것이 좋지 않을까 생각합니다.
공정 및 제품설계는 공정설계 쪽으로 진로를 나아갈 학생들에게는 화학공학을 되짚으면서 실질적인 테크닉을 익힐 수 있는 전공인 만큼 다소 어려울 수 있지만, 나름대로 의미가 있을 수 있다고 생각합니다. 화이팅!
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