[참조]  이 게시판 번호 4348의 글; 그림 전재 실패 

 

 

 

화학공학이란 무엇인가?

What Is Chemical Engineering?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

경일대학교 화학공학과

목 차

 

▶소개와 개요 ------------------------------------------ 1

▶화학공학자란 무엇인가 --------------------------------- 2

▶화학공학의 과거와 현재 -------------------------------- 5

▷화학공학의 현재와 미래 ------------------------------ 5

▷화학공학과 그 기술의 역사 --------------------------- 5

▷생존을 위한 투쟁 ----------------------------------- 9

▷공헌의 세기 --------------------------------------- 13

▷정리 : 화학공학의 역사 ----------------------------- 17

▶Figure 1 : 황산공업의 성장 ---------------------------- 20

▶Figure 2 : 미국 화학공학의 성장과 미래 ----------------- 21

▶Figure 3 : 화학공학 교육 ------------------------------ 22

▶Figure 4 : 질소 : 식량과 폭탄 -------------------------- 25

▶Figure 5 : 석유 : 에너지와 석유화학 -------------------- 29

▶Figure 6 : 화공엔지니어의 대우 ------------------------ 32

▶사례연구 : 석유 -------------------------------------- 35

▶사례연구 : 석유 채굴 및 정제 -------------------------- 41

▶오늘날의 화학공학 ------------------------------------ 51

소개와 개요(Introduction & Overview)

 

화학공학 및 화학산업에 오신 것을 환영합니다!

 

우리가 추구하는 바는 대영제국에서 기원된 화학공학의 추상적 개념을 출발하여, 미국에서의 생존과정을 거쳐, 금세기에 이루어낸 "Cornucopia" 기여로 결론을 지어서 여러분들에게 화학공학의 역사를 이해시키고자 하는 것이 우리가 추구하는 바입니다.

 

경우에 따라서는 다양한 테이블과 도표 및 그림들이 화학산업의 성장과 변화, 화학공학자의 전문적인 활동, 및 화학공학의 교육적 하부구조를 이해하는데 도움이 될 것입니다.

 

몇 가지 질문을 던져 보면:

 

 

화학공학이란 무엇일까요?

어떻게 또 왜 화학공학이 발전되었을까요?

화학공학자들은 무슨 난관에 직면하였으며 어떻게 극복하였을까요?

화학공학자들은 사회에 어떤 기여를 하였을까?

지난 세기에 걸쳐 화학공학의 전문성은 어떻게 발전되고 변화되었을까요?

 

 

여기에 실린 글들이 그 의문의 실마리를 풀어주겠지만, 이 것은 여기서 다루지 않은 많은 중요한 사항들을 지나친 단순한 여행에 지나지 않다는 것을 명심하는 것이 아주 중요합니다. 유익하면서도 정보가 담긴 짧은 화학공학의 역사를 여행하고 싶으시다면, 다양한 주제 중에서 원하시는 항목을 끝까지 항해하시며 즐거운 시간이 되기를 기원합니다.

 

 

 

 

 

화학공학자란 무엇인가?

 

화학공학자란 어떤 사람이라고 생각하는가?

a) 화학 약품을 제조하는 공학자,

b) 공장에서 일하는 화학자, 혹은

c) 미화된 배관공?

 

정답은 d) "보기 중 답 없음"이다. (유체역학에서 "관을 통한 흐름"에 관한 예제에 혹독하게 시달린 화학 공학도라면 c)를 선택하고 싶을지도 모르겠다.)

처음의 두 오답은 단지 "화학공학자" 라는 이름 자체의 한정된 의미로만 본다면 그럴 듯 하다. 물론 말 그대로 "화학공학자"라면 "물건을 만드는 화학자"이거나 "화학약품을 만드는 공학자"임에 틀림없다. 그러나 언어란 항상 완전히 뜻이 통하지는 않는다. "화학공학자"가 그 적절한 예다.

 

그렇다면 화학공학자란?

화학 공학자가 화학과 친숙한 공학자인 것은 사실이지만 '화학에 대한 지식을 가지고 그들이 하는 일은 화학제품을 만드는 것이 고작'이라고 생각한다면 잘못이다. 명칭만 가지고 화학 공학자 들이 실제로 하는 일이 무엇인가를 판단하려고 하는 것은 매우 위험한 일이다. 화학공학자라는 말은 화학공학자가 하는 일의 유형을 설명하는 것이 아니라 이 분야가 어떤 면에서 다른 공학 부문과 다른가를 나타낸다.

모든 공학자들은 안전하고 경제적으로 기술적인 문제를 극복하기 위해 수학, 물리학, 공학기술을 사용한다. 그러나 문제를 해결하기 위해 방대하고도 강력한 과학인 화학을 이용하는 것은 화학공학뿐이다. 화학과 화학공학을 잇는 강력한 기술적, 사회적 연대는 공학의 다른 부문에서는 볼 수 없었던 것이다. 화학자와 화공학자의 이 결합은 관계자 모두에게 이로운 것이었고 당연히 다른 공학 분야의 부러움을 샀다.

직업고유의 광범위한 과학적, 기술적 지식 때문에 화학 공학자 들은 Universal Engineer라고도 불리워 진다. 바로 그렇다. 국한된 지식의 전문가를 연상하게 하는 직함에도 불구하고 화학 공학자는 넓은 범위의 기술적 문제를 다룰 수 있는 다재 다능한 고용인인 것이다.

 

"Universal Engineer"란 무엇을 뜻하는가?

지난 100여 년 동안 화학공학자 들은 우리의 생활수준을 높이는데 엄청난 공헌을 했다. 이 업적을 찬사하기 위해 미국 화학공학회(AIChE : American Institute of Chemical Engineers)는 화학 공학의 10대 업적이라는 목록을 작성했다. 그 업적들은 아래에 요약된 바와 같다.

원 자(Atom)

생물학, 의학, 야금학, 발전기술등은 원자분열과 동위원소 분리가 가능해짐에 따라 대변혁을 맞이했다. 이러한 성과를 가져오는데는 화학공학자 들이 두드러진 역할을 했으며 이들과 듀퐁사의 핸포드 화학공장과 같은 시설덕분으로 제2차 세계대전은 원자폭탄에 의한 돌발적인 결론으로 치닫게 되었다. 오늘날 이 기술들은 좀 더 평화적인 일에 사용되고 있다. 의사들은 신체기능을 모니터하고, 동맥과 혈관의 막힌 곳을 재빨리 찾아내기 위해 동위원소를 사용한다. 생물학자들은 이를 통해 생명의 기본적인 메카니즘에 대한 매우 귀중한 통찰을 할 수 있으며, 고고학자들은 유물의 정확한 연대를 파악할 수 있다.

 

합성물질의 시대

19세기에 고분자 화학은 크게 발전했다. 그러나 화학 공학자 들이 고분자물질을 경제적으로 생산가능 하게 만든 것은 20세기에 들어서였다. 1908년 베이클라이트(Bakelite)가 등장했을 때 그것은 합성물질 시대의 개막을 알렸으며, 곧 전기 절연, 플러그와 소켓, 시계 받침대, 철제 요리 기구의 손잡이, 유행을 따르는 보석 등에 사용되었다. 오늘날 플라스틱의 사용은 너무나 보편화되어서 그 가치를 느끼지 못할 정도다. 플라스틱은 현대의 삶의 모든 면에 영향을 끼치고 있다.

 

인간 반응기

화학공학자들은 오랫동안 복잡한 화학 공정들을 열교환기, 여과기, 화학 반응기 등등의 것으로 이루어지는 작은 "단위조작 (Unit Operations)" 들로 나누어서 연구해왔다. 인체 역시 같은 방식으로 분석되어 왔는데 그럼으로써 임상 치료를 향상시켰고, 진료와 치료 기구의 개선을 가져왔으며 , 인공 기관과 같은 놀라운 기계가 만들어질 수 있도록 하였다. 의사와 화학공학자는 우리가 한껏 더 오래 살 수 있도록 협력하여 연구하고 있다.

 

대중을 위한 놀라운 약품

화학공학자들은 아서 플레밍 (Arther Fleming)경 (1929년에 페니실린 발견)과 같은 사람들에 의해 개발된 항생 물질을 조금 얻어 변종과 특별한 발효기술을 통해 그 수율을 몇 천배 증가시킬 수 있었다. 화학 공학자 들의 작업 덕분에 낮은 가격, 풍부한 양의 약품이 가능했던 것이다. 이와 같이 화학 공학자 들은 종종 공업 생산성을 높임으로써 한때는 희귀했던 물질을 모든 사회 구성원이 누릴 수 있도록 하였다.

 

양들의 좋은 친구, 합성 섬유

담요와 옷에서부터 침대, 베게에 이르기까지, 합성 섬유는 우리에게 밤새 따뜻하고 편안한 휴식을 준다. 합성 섬유는 면과 모에 대한 동물 자원에의 부담을 완화시켜주었으며, 특별한 용도에 맞춰 여러 가지로 사용되었다. 나일론 스타킹은 다리를 젊고 매력적으로 보이게 만들었고, 케블라(Kevlar)로 만들어진 방탄 조끼는 경찰을 위험으로부터 보호해 주었다.

 

액화 기체

대부분이 질소와 산소로 이루어진 공기를 매우 낮은 온도 (영하 320oF 가량)로 냉각시키면 액화된다. 화학공학자 들은 기체를 냉각시켜 액화된 기체를 각각의 순수한 구성성분으로 분리하는 데에 저온학을 이용하였으며, 이 물질들을 운반하기 위해 진공 - 절연 탱크 트럭 (마치 커다란 보온병과 같은)을 개발하였다. 질소는 석유를 회수하고, 음식을 얼리고, 반도체를 생산하는 일에 쓰이고, 또한 불활성 기체로 사용되며, 산소는 강철을 만들고, 구리를 제련하고, 금속을 용접하고, 병원에서 생명을 지탱하는 데에 사용된다.

 

환경, 우리가 살아야 할 곳

화학공학자들은 어제의 쓰레기를 청소하고 내일의 오염을 방지하기 위한 경제적인 해답을 준다. 촉매 전환기와, 개질된 가솔린, 굴뚝 가스 세척탑 등은 모두 환경을 깨끗이 하는 데 도움이 된다. 화학 공학자 들은 합성 물질로의 대체, 더 효율적인 공정, 그리고 새로운 재생 기술 등을 통해 천연 자원에 대한 부담을 감소시키고 있다.

 

음식, "저녁식사로 무엇을 먹을 것인가?"

식물이 잘 자라기 위해서는 많은 양의 질소, 칼륨, 인이 필요하다. 화학비료는 작물에 영양을 공급하고 , 자라난 농작물은 우리에게 풍부하고 균형잡힌 영양을 제공한다. 또 비료는 중국이나 인도, 아프리카와 같은 나라의 사람들이 좀 더 나은 식량공급을 받을 수 있도록 해준다. 화학공학자들은 식품 가공의 최전방에 있으며, 생물 공학의 발달이 식량생산을 더욱 더 증가시킬 수 있다고 믿는다.

 

석유 화학 제품, "검은 황금, 텍사스의 차"

화학공학자들은 원유 속에 있던 복잡한 유기 화합물을 훨씬 단순한 종류의 화합물로 깨뜨려 만들기 위해 촉매 분해법을 개발했다. 반응 후 이 토막들은 가솔린, 윤활유, 플라스틱, 합성 고무, 합성 섬유 등을 포함한 많은 유용한 제품들을 만들어 내기 위해 분리되고 재결합된다. 이 때문에 석유 공정은 가능성을 주는 기술로 인식되며, 대부분의 현대적인 것들이 석유없이는 그 기능을 멈추게 될 것이다.

 

합성 고무를 기반으로

화학공학자 들은 합성 고무 개발에 있어 주도적인 역할을 했다. 제 2 차 세계대전 동안 합성 고무는 전쟁 수행에 있어 가장 중요하게 되었는데 이는 근대 사회가 고무를 기반으로 움직이기 때문이었다. 타이어, 가스켓, 호스, 콘베이어 벨트 (운동화는 차치하고 라도)등은 모두 고무로 만들어진다. 우리가 운전을 하든, 자전거를 타든, 롤러 블레이드를 타든, 달리든 간에, 확실한 점은 우리가 고무 위에서 움직이고 있다는 것이다.

 

화학공학의 과거와 현재(PAST & PRESENT)

화학공학의 현재와 미래

현대 사회에서 여러 분야의 공학자 들은 다양한 분야에서 활발하게 활동하고 있다. 이 중에 화학 공학자는 수적으로는 매우 적은 편이다. 그러나, 이 상대적으로 적은 수의 화학공학자들이 여러 산업에서 중요한 위치를 차지하고 있으며 평균적으로 상당히 높은 임금을 받는다. 게다가 많은 화학공학자들이 고위 경영직에서 자리를 잡고 있다. 예전에도 그랬듯이 화학공학자는 지금도 3M, Du Pont, Union Carbide, Dow Chemical, Exxon, BASF, Gulf Oil, Texaco, B.F.Goodrich 등에서 CEO(경영 최고 책임자: Chief Executive Officer)의 직위를 맡고 있다.

좀 더 일반적으로는, 화학공학자들은 가공하지 않은 상태의 물질을 값나가는 제품으로 만드는 화학 공정에 관여한다. 이는 설계, 시험, 규모 확장, 가동, 제어, 최적화 등의 모든 면을 포함하며, 증류, 혼합, 생물학적 공정과 같이 그러한 전환을 가능하게 해주는 "단위 조작"에 대한 정량적 이해를 요구한다. 화학공학에서는 이러한 "단위 조작"들을 개선하고 분석하기 위해 열역학, 화학 반응 속도론과 함께 물질, 운동량, 에너지 전달을 사용한다.

미국을 예로 들자면, 오늘날 미국에는 약 70000명 가량의 현직 화학공학자들이 있으며 (이 중에 57000명이 AICHE의 회원이다.) 과거부터 현재까지 (지금 생존하는 사람들을 포함하여) 화학공학자라는 직업을 가졌던 사람은 135000명 정도뿐이다. 이는 지금까지 있었던 모든 화학공학자들의 절반 이상이 바로 지금 살아서 사회에 기여하고 있다는 것을 뜻한다. 화학 공학은 과거의 성과에 안착하여 있는 직업이 아니다. 화학 공학의 위업달성은 아직도 진행중인 것이다.

 

 

 

 

화학공학과 그 기술의 역사

 

자리잡기 - 1888년의 화학공학

사실상 화학공학에 관련된 직업은 1888년에 나타났다. "화학공학자"라는 용어자체는 1880년대에 기술업계에서 떠돌았었으나 그에 대한 정식 교육이 없었던 것이다. 그 시대의 "화학공학자"란 화학 장치에 대한 약간의 지식을 가진 기계공학자들이나 평생동안의 화학 공학적 경험을 가지고 있으나 거의 교육을 못 받은 화학 공장의 직공장, 혹은 대규모 공업화학에 대한 지식을 가진 응용화학자 등을 일컫는 말이었다.

1880년, "화학공학 협회"를 통해 이런 다양한 전문 직업인들을 결속 시키려던 조지 데이비스 (George Davis)의 시도는 성공적이지 못했으나 이런 혼란한 사태는 1888년, 매사츄세츠 공과대학 (Massachusetts Institute of Technology, MIT)의 루이스 노턴 (Lewis Norton)교수가 "Course X(ten)"을 도입하여 공식적인 학위를 통해 화학공학자들을 결속시킴으로써 변화했다. 펜실바니아 대학(University of Pennsylvania) 이나 툴레인 대학(Tulane University)과 같은 다른 학교들도 각각 1892년, 1894년에 4년제 화학 공학 학과 과정을 첨가함으로써 재빨리 선례를 따랐다.

 

 

질문사항

 

이 새로운 직업을 형성하는데 어떤 일이 전개되었나?

실제로 이 새로운 직업은 필요하였는가?

왜 19세기 말에 생겨났는가?

왜 영국은화공기술자를 필요로 했는가?

미국은 어떻게 이 새로운 직업의 요람이 되었는가?

 

 

 

초기의 공업화학(Early Industrial Chemistry)

영국에서 필요로 한 화학공학

산업 혁명(18세기부터 오늘에 이르기까지)이 매우 빠르게 진척됨에 따라 성장을 유지하기 위해 몇 가지 기본적인 화학약품들이 급히 필요하게 되었다. "산업용 화학약품"이라 불리는 이들 중 첫 번째는 황산이었다. 한 국가의 산업은 그 나라의 황산 산업이 얼마나 활성화되어 있는가에 의해 평가될 수 있다고 할 정도다. 이렇다고 볼 때, 영국의 생산업자들이 황산 제조 공정을 개선하는데 수많은 시간, 돈, 노력을 쏟아 부은 것도 그리 놀랍지 않은 일이다. 공업에 의해 소비되는 거대한 양의 황산을 생각한다면, 제조시의 약간의 절감으로도 커다란 이득을 볼 수 있었을 것이기 때문이다.

 

황산의 제조

연실법 (Lead-Chamber Method)은 1749년 이후로 오랫동안 사용되었으면서도 거의 이해되지 않은 황산 제조 방법이었다. 이 방법은 공기, 물, 이산화황, 질산염, 매우 큰 납 컨테이너를 필요로 하였는데 이 중 질산염은 대개 가장 비싼 재료이기 마련이었다. 이는 공정의 마지막 단계동안 산화질소의 형태를 띤 질산염이 대기 중으로 영구 소실되어 새로이 질산염을 공급해주어야 하고 질산 나트륨의 형태로 공급되는 이 질산염은 칠레에서 수입되어야만 했기 때문이다. 1859년에 존 글로버 (John Glover)는 질산염의 일부를 회수하기 위해 물질 전달 탑을 도입함으로써 이 문제를 해결하는데 도움을 주었다. 그가 제안한 탑에서 질산염을 포함한 황산은 연소 가스와 반대방향으로 - 아래로 - 천천히 흐르고, 위로 올라오는 가스는 산화 질소의 일부를 흡수한 후 다시 연실로 회수되어 산화 질소를 재사용할 수 있도록 해 준다.

글로버 탑은 19세기 근간의 화학 공업의 경향을 대표하는 것이었다. 생산비의 절감은 화학 공장의 급속한 발전과 근대화를 가져왔으며 화학 산업의 치열한 경쟁 속에서 글로버 탑과 같이 혁신적인 조작법을 이용하는, 잘 설계된 공장의 유무는 곧 성공과 실패의 차이를 의미하는 것이었다.

 

알칼리와 르 블랑 (Le Blanc) 법

화학 산업에 있어 또 다른 경쟁적인 분야는 소다회 (soda ash : Na2CO3)와 가성 칼리 (potash : K2CO3)의 제조 분야였다. 이러한 알칼리 화합물들은 유리, 비누, 직물 등을 포함한 다양한 제품을 생산하는 데 사용되었으며, 그로 인해 막대한 양이 요구되었다. 1700년 말엽, 영국의 나무가 거의 사라짐에 따라 영국 내 소다회의 천연 자원은 해변에서 볼 수 있는 켈프 (해초의 일종)뿐이었다. 알칼리는 미국에서는 나무 재 (potash)의 형태로, 스페인에서는 바릴라 (알칼리를 25% 포함한 식물)의 형태로, 이집트에서는 채굴된 소다의 형태로 수입되었는데 그 수송 비용 때문에 매우 비싸게 팔릴 수 밖에 없었다.

그러나 니꼴라 르 블랑이라는 한 프랑스인이 보통의 소금을 소다회로 바꾸는 공정을 개발함으로써 영국은 더 이상 수입 소다에 의존하지 않아도 되게 되었다. 르 블랑 법은 영국에서 1810 년까지 사용되었으며 이 후 80여 년에 걸친 공학적 노력을 통해 꾸준히 개선되었다. 이 시도의 대부분은 공정에 의해 만들어지는 염산, 산화 질소, 황, 망간, 염소 기체 등을 재생하는데 초점이 맞추어졌다.

 

소다회와 솔베이법

1873년, 기다려 마지않던 새로운 알칼리 생산 공정이 순식간에 르 블랑법을 대체하며 영국을 휩쓸었다. 새로운 이 솔베이법 (Solvay Process)은 화학적 원리에 있어서는 르 블랑법보다 훨씬 명백하였으나, 요구되는 기술은 몇 배 더 복잡하였다. 솔베이법의 간단한 화학은 일찌기 1811년에 A.J.Fresnel에 의해 발견되었으나, 60년 후 솔베이가 성공할 때까지는 규모를 확장하려는 시도자체가 무익하다고 여겨져 왔다. 이것이 바로 이 공정이 Fresnel법이 아닌 솔베이법으로 알려지게 된 이유이다.

솔베이법의 핵심은 80 피트 높이의 고효율 탄화 탑이다. 이산화탄소 기체가 탑의 바닥으로부터 위쪽으로 올라오는 동안 꼭대기에서는 암모니아화 브린을 쏟아 붓고 이 화학약품들은 탑 속에서 반응하여 탄산나트륨을 생성한다. 솔베이법의 기술은 유독한 부산물이 없으며 정제가 용이한 제품을 만들어 낼 수 있는 연속 조작법에 기반을 둔다. 1880년까지 솔베이법은 르 블랑법을 확실히, 급속히 대신하였다.

 

조지 데이비스(George Davis)

조지 데이비스는 영국의 "중부지방"에서온 평범한 알칼리 검사관이었다. 그의 매일 일과는 그 지역 안에 있는 많은 화학공장들을 둘러보는 것이었으며 그의 담당 구역에는 당연히 연실법, 솔베이법, 르 블랑법을 사용하는, 공학적 노력에 의해 혁명적 변화를 겪은 공장들이 포함되어 있었다. 조작에 있어서의 이러한 혁명은 응용 화학과 전통적인 공학 둘 다를 어우를 수 있는 새로운 공학 분야의 필요성을 명백히 해 주는 것이었다. 이와 같은 생각에 따라 1880년 조지 데이비스는 "화학 공학 협회"를 만들 것을 제안하였다. 비록 시도는 성공적이지 못했으나, 그는 꺾이지 않고 지속적으로 화학 공학의 증진에 힘썼다.

1884년 데이비스는 그가 수년 동안 얻은 화학 지식을 종합하고 응용하는 독립적인 콘설턴트가 되었으며, 1887년에는 이러한 지식들을 가지고 맨체스터 기술 학교에서 화학 공학에 관해 잇달아 12개의 강좌를 열었다. 이 화학 공학 과정은 각각의 화학 조작들을 중심으로 짜여진 것이었고, 후에 "단위 조작 (Unit Operation)"이라고 이름 붙여졌다. 그는 실험을 통하여 이 조작들을 탐구했으며 영국의 화학 공업이 수년간 시행착오를 통해 배우게 된 기술적인 문제를 다루었다. 어떤 사람들은 그의 강좌가 단지 영국 업계의 비밀을 다른 나라에 알리는 것일 뿐이라고 생각했으나, 이 같은 노력의 성과로 다른 이들은 화학공학의 시대가 왔다고 확신하게 되었다. 이 들중 일부는 화학공학에의 요구가 영국에서와 같이 절실하고 시급한 대서양 건너편에 살고 있는 사람들이었다.

 

미국의 화학공학

1888년 미국인들은 대서양 건너편의 소식을 전해주던 한 지방 신문에 의해 큰 충격을 받았다. 사람들을 흥분시키고 놀라게 한 것은 화학 공학의 출현이 아니었다. 대신 머릿기사를 차지한 것은 안개 속에서 6명의 여자들을 살해함으로써 런던 거리를 뒤흔든 "살인광 잭"에 관한 이 야 기였다. 세계 최초의 연쇄 살인범을 둘러싼 거짓 소문과 센세이셔널리즘, 과장된 보도 등으로 화학 공학의 출현은 주목받지 못한 채 지나가 버리는 듯 했다. 그러나 몇몇은 조지 데이비스가 제시한 화학 공학에 대한 청사진의 진가를 인정하였다.

 

MIT의 "Course X"

데이비스가 강연을 한 지 몇 달 지나지 않아 매사추세츠 공과 대학 (MIT)의 화학 교수인 루이스 노턴 (Lewis Norton)은 "Course X (ten)" 이라고 하는 최초의 4년제 화학 공학 교과 과정을 만들었다. 곧 펜실바니아 대학이나 툴레인 대학과 같은 다른 대학들도 MIT의 뒤를 이어 4년제 과정을 시작하였다. 이러한 초기의 교과과정은 지난 100여년 동안 축적되어 온 화학 지식을 응용하는 일을 할 직업에 대한 필요성을 느낀 화학 부문으로부터 시작되었으며 또한 산업의 요구를 충족시키는 데에도 힘을 쏟았다. 위와 같은 취지로, 그들은 데이비스의 청사진을 따라 - 대담하게도 공학 측에 중점을 두고- 기계 공학과 공업 화학을 배합하여 학생들을 가르쳤다.

처음에는 화학 공학은 화학 산업의 필요를 충족시키기 위한 마춤옷일 뿐이었다. 19세기 말 경, 이러한 필요성은 영국에서 그랬던 것처럼 미국에서도 크게 대두되었다. 제조업자들간의 경쟁은 몹시 치열했으며, 모두 "생산원가를 절감"하려고 애쓰고 있었다. 그런 상황 속에서 몇몇의 지각없는 사람들은 화물 발송계 직원을 매수하여 몰래 화학 오염 물질을 넣어 경쟁 회사의 제품을 떨쳐내려고 하는 등의 추태를 보이기도 했다. 그러나 실제로 다른 업자들 보다 앞서기 위해서는 화학 공장 내부의 최적화가 요구되었는데 그러려면 연속 조작 반응기 (회분식 반응기에 반대 되는 것), 미반응물의 회수와 순환, 생성물의 비용 효과적인 정제 등이 필수 불가결하였다. 이는 다시금 배관 시스템(전통적 화학자들이 할 수 없었던)과 자세한 물리 화학적 지식(기계 공학자 들이 알지 못했던)을 필요로 하였다. 새롭게 등장한 화학공학자 들은 빠르게 등장하며 점차 더 복잡해지는 화학적 조작의 설계와 운전을 모두 할 수 있었다.

생존을 위한 투쟁

(The Struggle for Survival)

1888년 이후 화학공학자 들이 정식 교육을 받기는 했지만 그렇다고 해서 성공이 확실히 보장되는 것은 아니었다. 게다가 공업에 있어서 화학 공학자의 역할이 무엇인지조차도 불분명한 상태였다.

살아남기 위해서 화학공학자 들은 자신들의 직업에 대해 규정짓고 그들의 특성과 가치를 알림으로써 공업에 있어서의 영역을 천명해야만 했고, 1908년 6월, 미국 화학 공학회 (AICHE)는 이러한 목적으로 설립되었다. 그러나 화학 공학이라는 직업자체와 마찬가지로 학회 또한 그 영역을 규정지음에 있어 어려움에 직면하게 되었다. 오랜 역사를 가진 (1876 설립) 강력한 (5000여명의 회원) 미국화학회 (ACS)가 이미 미국의 순수, 응용 화학 두 부문 모두를 그들의 영역으로 내세우고 있었기 때문이다.

AICHE가 설립된지 몇 주 지나지 않아, ACS는 내부에 "공업 화학과 화학 공학 부문"을 발족시킴으로써 새로운 분야의 공학자 들을 끌어들이기 위해 AICHE와의 노골적인 경쟁에 뛰어들었다. 미국내 화학공학의 확립은 생존을 위한 격렬한 투쟁을 수반하고 있었던 것이다.

 

질문사항

 

화학공학이 왜 독일에서 개발되지 못했는가?

새로이 형성된 화학공학은 어떤 도전에 직면하였는가?

미국화학공학회(AIChE)는 왜 생겨났는가?

미국화학공학회(AIChE)는 미국화학회(ACS)와의 가능한 충돌을 어떻게 다루었는가?

미국화학공학회(AIChE)는 화공기술 직업을 위해 상위 신분을 얻고 성립시키는데

어떻게 도움을 주었는가?

 

미국 화학공학의 확립

독일의 화학공학자? "'Nein'! 이라고 말하다"

(German Chemical Engineers? "Just say 'Nein' ")

20세기 초반경 미국의 화학 공업의 빠른 성장은 실험실의 공정과 실제 크기의 공업적 제조 사이의 간격을 메울 것을 요구했다. 독일의 유명 대학에서 교육받은 많은 저명한 화학자들이 이미 이의 해결방법을 찾고자 하는 시도와 실험을 해왔다. 독일인들은 19세기에 급속한 성장의 시기(세계 최대의 화학 강국이 되게 한)를 겪었는데, 공업적 규모확장을 위한 독일인의 해결책은 화학자와 기계 공학자의 협력 연구를 통해 실험대에서 공장까지의 전반적 상황에 대처하는 것이었다. 그들은 이 방법이 연구 전문 화학자를 공학적 실무라는 고된 일에 묶어두지 않음으로써 창조적인 일을 계속할 수 있도록 해 준다고 생각했다. 이러한 규모 확장의 방법 때문에 독일에서 화학공학자는 화학자와 기계공학자로 대치되어 전혀 필요가 없었다.

그러나 미국의 화학공업은 몇 가지 면에서 독일의 공업과 기본적으로 달랐다. 독일의 공업이 정밀 화학 약품이나 복잡한 색소 (화학자들에게 친숙한 회분식 반응기에서 만들어짐)에 정통한 반면, 미국의 공업은 황산이나 알칼리 (둘 다 화학자들이 거의 사용해보지 않은 연속식 반응기에서 만들어 짐)와 같이 단순하지만 널리 사용되는 몇 가지의 화학 약품만을 생산하고 있었다. 이런 화학 약품들은 간단한 화학적 원리을 이용하여 제조되었으나 매우 큰 규모의 복잡한 공학적 기술을 요하였다. 미국의 화학 반응기는 이제 더 이상 단순히 큰 그릇이 아니었으며 화학과 공학이 불가분하게 작업해야 하는 복잡한 배관 시스템을 가지게 되었다. 이 때문에 생산면에 있어서 화학과 공학은 독일에서 처럼 쉽게 따로 나눌 수가 없었다. 그리하여 화학공학자는 독일에는 그 존재가 없음에도 불구하고(1960년까지 없었다) 미국에서 자리를 잡을 수 있었던 것이다.

 

미국의 화학공학자에 대한 강력한 원 조

초기에는 독일의 예를 따랐던 미국의 화학산업은 - 후에 화학 공학자의 고유 영역이 된 기능을 수행하기 위해 - 화학자와 기계 공학자를 고용하였다. 그러나 이 두 나라의 화학자들은 전적으로 특성이 달랐다. 독일에서 고용되었던 것과 같은 저명한 연구 전문 화학자들은 미국에는 1차 세계 대전 이후까지는 거의 존재하지 않았다. 대신 미국의 화학 산업에는 재료 시험과 품질 관리 등의 일을 하던 분석 화학자들과 공학적 설계, 건설, 고장 발견 수리 등의 일을 하던 공장 관리자, 화학 고문들로 이루어진 몇몇의 생산 화학자들이 종사하고 있었다. 또한 독일의 화학자가 높이 칭송 받았던 것과는 달리 미국의 화학자들은 그들이 종사하던 화학 산업에서 거의 존경을 받지 못했다. 이들은 "분석 화학자들은 기계공, 도안공, 혹은 요리사와 같은 등급으로 취급받는다" 는 것을 알고 있었으며 이러한 낮은 평가는 1905년 미국 분석 화학자들의 주급이 숙련된 기술공의 절반밖에 되지 않았다는 점으로 드러난다.

20세기 초에 화학자로 자칭하는 것은 그다지 환영받지 못하는 일이었다. 그러기는 커녕 - 관리와 공학에 좀 더 근접하게 종사하던 - 많은 생산 화학자들은 그들의 직함에서 "화학자"라는 단어를 떨쳐 버리기를 열렬히 원했다. 비록 생산 화학자들이 분석화학자 들보다는 더 존중을 받았고 임금도 많긴 했지만 그들은 전체적으로 화학자들의 위상이 낮아지는 것에 대해 큰 우려를 했던 것이다. 어떻게 제조업자와의 관계에서 그들의 - 상대적으로 - 높은 위상을 계속 유지할 수 있을 것인가? 이 점이 그들에게 닥친 가장 큰 문제 - 임금 - 이었다. 대책에 대한 요구가 시급한 때였다. 그 해결책으로 생산 화학자들은 그들 자신을 화학 공학자라고 부르기 시작했으며 (교육에 있어서는 그렇지 않다고 하더라도 실제적으로 그들이 하고 있는 일이 그러했으므로) 그들의 새로운 직업에 대한 인식을 높이기 위해 협회를 결성하는 일에 착수했다.

 

AICHE의 태동

화학 공학 협회의 설립은 정규 교육을 하게 되기 꼭 10년 전인 1880년, 조지 데이비스(George Davis)에 의해 처음 제안되었으며 리차드 K. 미드 (Richard K. Meade)가 1905년의 사설에서 미국 화학 공학회에 대해 최초로 진지하게 제안하였다. 그는 학회가 화학 공학자에 대한 인식을 높이고 화학 산업에 있어 기계 공학자들 대신 화학 공학자 들이 공장을 설계하고 운전하는 것이 마땅하다는 것을 납득시키는 데 도움이 될 것이라고 주장하였다. 이 의견은 그럴 듯하게 들렸음에 틀림없다. 1908년 그러한 기구가 생겼기 때문이다. 이리하여 미국 화학공학회(AICHE)의 태동이 시작되었다. 강력하고 영향력 있던 미국 화학회는 AICHE가 설립되던 1908년에 30주년을 맞이했으며, 거의 5000 명의 회원을 자랑하고 있었다. 게다가 이 학계의 거인은 이후로는 학회로 부터 더 이상의 분파가 생겨나는 것을 막겠다고 최근 들어 공표한 상태였다. ACS는 각각 1902년과 1904년에 ACS에서 떨어져나간 전기화학자들과 피혁 화학자(leather chemists)들에 의한 연속되는 문제로 인해 민감해져 있었다. 이 두 그룹은 각자 자신들만의 독립적인 학회를 설립함으로써 ACS를 난감하게 했었다. 이 때문에 화학 공학자들 역시 도약을 준비하려는 듯이 보였을 때 (더구나 많은 수의 응용 화학자들이 함께 할 가능성이 있어 보였으므로) ACS는 재빨리 "공업 화학과 화학 공학 부문"을 만들어 대응을 했던 것이다.

 

"조심스러운 말소리"로 충돌을 피함

ACS와의 직접적인 충돌의 가능성에 당면하여 AICHE는 경쟁을 최소화하고 가능한한 좋은 관계를 유지하는 방향으로 행동 노선을 결정했다. 이는 다음의 세가지 방법으로 이행되었다.

1) ACS의 회원수를 위협하는 듯이 보이지 않기 위해서 매우 제한적인 회원자격 기준을 세운다. 이 배타적인 기준에는 만 10년의 (이학사 학위가 있다면 5년) 공장 근무 경험 을 요구하는 사항이 있었는데 그럼으로써 대부분의 학계의 화학자가 정회원으로부터 배제되었다. 이러한 입회 기준은 회원 자격이 있는 사람들의 관심을 끌었으며, 많은 사 람들이 AICHE의 입회하는 것을 Men's Club에 가입하는 데 비교했다.

2) AICHE의 회원 자격은 ACS의 회원 자격과 경쟁하는 것이 아니라 보충하는 역할을 함 을 강조한다. 공장 근무 경험을 요구함으로써 초기의 AICHE회원에는 화학 약품 제조 업자, 공장 관리자 및 고문 등이 포함되었다.(앞의 둘은 생산 화학자라 불렸다.) 이는 필시 학계와 연관되어 있는 전형적인 ACS회원과는 구별되는 출발을 보여 준다.

3) 마지막으로, AICHE는 항상 최선의 신중을 기해 가능성있는 문제만을 다룸으로써 충 돌을 피하였다. 그것이 회원 자격 기준이었든 학회의 정책적 활동이었든 간에 AICHE 는 언제나 조직적이고 보수적인 방식으로 행동하였다.

 

AICHE가 취했던 보수적인 행동 방침은 회원수의 증가는 더디게 했을지 몰라도 화학 공학자와 화학자가 경쟁보다는 협동을 하도록 하는데 확실한 도움을 주었다.

 

직업적 경계를 어떻게 규정지을 것인가?

화학공학자 들이 직면하게된 또 다른 난제는 화학공학자는 어떻게 정의되며 어떤 면에서 유일한가 하는 것이었다. AICHE가 이 질문들에 어떻게 대답할 것인가는 화학공학자 들이 소유권을 주장할 수 있는 공업적 영역에 막대한 영향을 끼칠 것이었다.

화학공학이라는 분야를 규정지을 수 있는 확실한 한가지 방식은 그 구성원이 받은 정규 교육에 의하는 것이었다. 이 때문에 AICHE는 교육 사업을 평가하고 향상시키는 데 많은 시간과 노력을 들였다.

그들은 제각각이고 가변적이던 화학 공학 교육을 표준화하는 데 노력했다. 그들은 어떻게 교육을 개선했을까? 화학공학자 들이 각각의 오래되고 다양한 제조 역사를 가진 수많은 공업용 화학 약품에 대한 공업 화학을 배우던 그 시대에 어떤 주제를 중심으로 화학 공학 교육을 집중시킬 수 있었을까?

해답은 1915년, MIT의 학장에게 보내는 편지에서 아서 리틀(Arthur Little)이 다른 모든 분야와 화학 공학을 구별하고 화학 공학 교과 과정에 공통적인 초점을 맞춤에 있어서 "단위 조작(Unit Operations)"의 중요성을 강조하면서 드러나게 되었다.

 

단위 조작, 화학 공학의 "핵심"

값싼 원료를 고가 생산품으로 바꾸는 동안 화학 공학은 이 변형을 위해 필수적인 물리적, 화학적 조작에 매우 익숙하게 되었다. 이 조작의 예로는 : 여과, 건조, 증류, 결정화, 분쇄, 침강, 연소, 촉매 작용, 열교환, 압출, 피복 등등이 있다. 이 "단위 조작"들은 공업 화학의 실제에 있어 반복적으로 사용되고 있었으며, 화학공학적 지식을 체계화하는 데 편리한 방식을 제공하였다. 게다가 어떤 단위 조작이 일련의 물질을 제어하는데 관련하여 얻어진 지식은 다른 물질에도 쉽게 응용될 수 있었다. 그 단위 조작이 알콜을 독한 술로 증류하는 것이든 석유를 가솔린으로 증류하는 것이든 기본 원리는 같은 것이다!

"단위 조작"이라는 개념은 조지 데이비스가 여러 주제에 관한 그의 12개의 강의원본을 체계화하기까지는 화학 공학 분야에서 알려지지 않은 상태였다. 화학 공학자를 유사한 직업과 구별해 주는 "단위 조작"의 잠재력을 처음 깨달은 사람은 아서 리틀이었다. 기계 공학자가 기계 장치에 주의를 기울이고, 공업화학자가 제품에 관심을 갖고, 응용 화학자가 개별적인 반응을 연구할 동안 아무도, 화학 공학자가 그러기 전까지는, 화학 제품, 반응, 기계 장치 모두와 연관되는 공정에는 주의를 집중하지 않았다. 단위 조작이라는 개념적인 도구를 이용하는 화학 공학자는 이제 미국의 화학 제조업자들에게 그들의 특성과 가치를 증명함으로써 산업에 있어서의 영역을 천명할 수 있게 되었다.

 

교육의 표준화와 승인

"단위 조작"이라는 개념이 화학 공학의 교과 과정을 표준화하는데 큰 역할을 하기는 했지만 그렇다고 해서 모든 문제가 다 해결된 것은 아니었다. 1922년의 한 AICHE 보고서는 ("단위 조작" 개념의 "창시자"인 아서 리틀이 필두에 있는) 표준화가 지속적으로 필요함을 지적하고 있다. 이는 명명법, 교과 과정의 배치, 그 가치 등에 대한 만성적인 불일치때문이었다. 다시금 AICHE는 교과 과목의 일치와 질을 확실히 하기 위해 단체중에서는 최초로 Accreditation을 이용하였다. AICHE의 대의원들은 여러 지역을 여행하면서 화학 공학과들을 평가하였으며 1925년에 이 노력은 최고조에 달해 14개 학교가 최초로 accreditation을 얻게 되었다. 이는 화학공학 교육을 통합 정리하고 증진시키는데 매우 효과가 커서 다른 공학 분야들도 서둘러 이에 동참하였으며(1932년 까지) 이는 후에 공학과 기술을 위한 Accreditation Board (ABET)가 되었다.

 

공헌의 세기

(A Century of Contributions)

백여년 전 화학 공학이 처음 뚜렷한 개념으로 정리된 것은 영국에서였으나 교육적으로나 산업적으로 가장 두드러진 발전은 미국에서 이루어졌다. 초기의 생존을 위한 투쟁이후에 화학 공학은 공업 화학의 유산을 바탕으로 단위 조작 개념에 힘입어 모습을 드러내었다.

그러나 화학 공학의 변화는 거기에서 그치지 않았다. 물질 및 에너지 수지, 열역학, 화학 반응 속도론 등을 도입함으로써 현대의 화학 공학에 근접하게 되었고 화학 반응기 모형화와 이동 현상에 대한 더 세부적인 조사를 하게됨에 따라 수학적 능력이 강조되면서 계속적으로 그 영역을 넓혀 갔다. 또한 공정 제어에 필요한 컴퓨터 능력은 오늘날 화학공학자 들이 더욱 더 시간을 효율적으로 쓸 수 있도록 해 준다.

이러한 교육적 강조사항의 변화는 화학 공학자가 변화하는 산업적 요구를 충족시키고 그리하여 사회에 기여하는데 도움을 주었다. 화학 공학의 광범위한 학문적 배경은 오늘날 촉매 작용, 콜로이드 과학, 연소, 전기 화학 공학, 고분자 기술, 생물 공학 등과 같은 많은 분야간 영역에 기회를 제공하였다. 화학 공학의 미래는 다양성을 추구하는 지속적인 추세에 따르는 듯하다.

 

질문사항

지난 세기에 기술발전에 화공기술자는 어떤 역할을 하였는가?

지난 세기에 화학공학의 교육발전을 위해 어떻게 하였는가?

21 세기에 화공기술자는 어떤 일을 하여야 할 것인가?

 

 

화학공학의 발전 (Chemical Engineering Evolution)

 

제 1 차 세계대전

전쟁의 발발 (Outbreak of Hostilities)

1914년 6월 28일 보스니아(그 당시에는 오스트리아-헝가리의 한 지방)의 수도, 사라예보의 거리에는 프란시스 페르디난드(Francis Ferdinand) 대공과 그 부인 소피아(Sofia)를 보기 위해 수많은 사람들이 줄지어 서 있었다. 그 때 가브릴로 프린시프(Gavrilo Princip)라는 한 젊은 학생이 군중속에서 뛰쳐 나와 대공과 그의 아내를 암살하였고, 이를 세르비아에 의한 흉계라고 짐작한 오스트리아-헝가리는 (보스니아를 포함) 전쟁을 선포하였다. 1914년 말엽, 유럽은 1차 세계 대전이라 불리는 무시무시한 전투 속에 휩쓸리고 있었다.

 

미국의 상황 (The American Situation)

전쟁이 시작되기 전, 독일은 유기 화학과 화학 기술에서 최고의 자리에 군림하였다. 1905년 당시 미국은 유기 화학 공정에 있어 독일에 50년 가량 뒤져있다고들 하였다. 심지어 미국의 화학과 화학 공학 교수들은 대부분 독일의 대학에서 교육받았으며, 최근의 화학적 진보를 따라 잡기 위해서는 활용중인 지식에 독일어를 사용하는 것이 필수적일 정도였다. 모든 미국 화학 공업은 황산과 같은 몇몇의 고체적(High volume) 화학 제품들에만 집중되어 매우 한정적이었다.

 

미국의 기회 (America's Opportunity)

유럽에 전쟁이 휘몰아침에 따라, 미국은 독일로부터 고립되고 있었다. 영국의 봉쇄선으로 인해 독일에서만 생산되는 값비싼 염료와 약품들이 미국에 상륙할 수 없게 된 것이다. 갑작스레 미국의 화학 공업은 외국과의 경쟁없이 화학 약품 시장에 들어서는 기회를 갖게 되었다.

 

문제점 (The Problem)

그러나 화학 공학자들이 새로운 상황에 대해 전적으로 준비가 된 것은 아니었다. 그들이 받은 교육은 주로 공학적 실례와 공업 화학에 관한 지침들이었다. 현존하는 화학 공정에 대한 이러한 암기는 이미 지어진 화학 공장들을 감독하는 데는 좋지만 완전히 새로운 문제가 닥쳤을 때는 매우 불리했다. 이런 문제거리에 직면하여 일련의 화학 약품에 관한 기술적인 지식을 어떻게 다른 공정에 적용시킬 수 있었을까? 그 해답은 1915년 아서 리틀(Arthur Little)이 "단위 조작"이라는 개념을 강조하면서 드러난다. 이 개념을 가지고 화학 공학자들은 화학 공정에 대해 좀 더 추상적인 방식으로 배우게 된다. 그들의 전문 지식이 점차 복잡한 실제 화학 약품들로부터 독립되면서 새로운 산업은 급속히 조직되어 갔다. 교육이 산업의 요구에 응답한 것이다.

 

전쟁산업 (The Industry of War)

1917년, 몇 척의 배와 수많은 목숨을 잃고 난 후에 미국은 독일과 그 동맹국에 전쟁을 선포하였다. 미국 정부가 취한 첫번째 조처는 화학자와 화학 공학자들이 - 많은 유럽 국가에서처럼 - 참호 속에서 죽는 것을 막는 것이었다. 그들은 전쟁에 나가는 대신 군수 물자 생산을 위한 병적에 편입되었다. 공동의 적에 의해 갑자기 단결하게 된 미국의 화학 산업계는 경쟁 대신 협력을 시작했고 이 협업을 통해 전쟁에 승리하는데 기여한 폭약(과 비료)을 생산하는 암모니아 공장을 세웠다.

 

제 2 차 세계대전

전쟁의 재재 (Hostilities Re-Ignite)

1931년 9월 18일, 일본은 만주를 침략했다. 8년 후인 1938년 9월 1일에 독일은 폴란드를 침략함으로써 전쟁은 다시 유럽 대륙을 뒤덮었다. 1941년 12월 7일 일본의 악명높은 진주만 폭격으로 인해 미국은 다시 한 번 세계 대전에 휘말리게 되었다.

 

합성고무 (Synthetic Rubber)

전쟁에 있어서 고무의 중요성은 1차 세계 대전, 독일에 의해 입증되었다. 독일인들은 영국의 봉쇄로 인해 외국으로부터의 고무 공급을 차단당했었다. 고무가 없었기 때문에 트럭의 타이어는 바닥이 났으며, 군대는 군화의 부족을 겪었다. 독일은 이러한 상황을 극복하기위해 합성 고무에 관한 실험을 시작하였으나 만족스럽게 제 기능을 하거나 충분한 양을 생산할 만한 구조의 것을 찾을 수가 없었다.

2차 세계 대전시에, 일본은 재빨리 극동쪽의 고무 생산국들을 점령하였고 이로 인해 미국은 천연 고무 출처의 90%를 잃었다. 졸지에 미국은 40여년전 독일이 처했던 것과 같은 달갑지 않은 상황에 놓이게 된 것이었다.

그러나 그들이 받았던 새로운 교육 덕분에 미국의 화학 공학자들은 합성 고무 개발에 큰 기여를 할 수 있었다. 물질과 에너지 수지, 열역학(30년대에 강조되었던)과 결합된 단위 조작의 개념은 합성 고무 공장의 빠른 설계, 건설, 가동을 가능하게 해 주었다. 이제 화학 공학자들은 산업을 일으키는 훈련을 철저히 받은 것이다. 정부의 지원금으로 화학 산업은 합성 고무의 생산을 100배 이상 증가시킬 수 있었다. 이 합성 고무는 타이어, 가스켓, 호스, 부츠 등 전쟁에 기여하는 모든 물품에 사용되었다.

 

고옥탄가 가솔린 (High Octane Gasoline)

독일의 탱크와 폭격기가 Blitzkrieg작전을 써서 유럽을 휩쓸었을 때, 2차 세계 대전이 고도로 기계화된 전쟁이 되리라는 것은 명백해졌다. 연합군은 고품질의 가솔린을 다량 공급해야 하는 탱크, 전투기, 폭격기 등을 필요로 했고 이 연료를 공급하느라 미국의 석유 산업은 한계에 도달하였다.

그러나 1940년 Standard Oil Company (Indiana)에 의한 접촉 개질 (Catalytic Reforming)법의 개발로 연합군은 유리해졌다.. 이 개질 공정은 저급 석유로부터 고옥탄가의 연료를 만들어 냈다.(톨루엔으로 TNT를 만드는 데 사용되기도 했다.) 더 좋은 연료로 인한 우세한 성능으로 연합군기는 설계면에서 앞선 독일 폭격기와 겨룰 수가 있었다.

 

원자폭탄 (The Atomic Bomb)

1900년대 초기에 과학자들은 원자에 대해 탐구하느라 분주했다. 아 인 슈 타 인의 질량-에너지 등가 이론( E = MC2 )은 물질이 엄청난 에너지를 갖고 있다는 것을 보여주었다. 1939년까지 많은 과학자들은 우라늄 원자를 분열시키는 데 성공했으며, 몇몇은 연쇄반응의 가능성을 예견하였다. 1942년 페르미(Fermi)와 그의 동료들은 시카고 대학에서 최초로 인위적인 연쇄 반응을 일으켰다. 이 성공은 핵무기가 가능하다는 것을 증명하는 것이었으며 곧 맨하튼 계획이 실행에 옮겨졌다. 그러나 일찍은 성공에도 불구하고 엄청난 양의 기술적인 문제가 여전히 앞을 가로막고 있었다.

1942년 말, 레슬리 R.그로브스(Leslie R. Groves)장군은 듀폰(Du Pont)사에 접근하여 플루토늄 제조 공장을 짓고 가동시켜줄 것을 부탁했고 회사는 도전을 받아들였으나 이는 일급 비밀이었으므로 최고위직에 있는 사람들조차도 일의 전모는 알지 못했다. 이후 3년에 걸쳐 "핸포드 엔지니어링 회사(Hanford Engineering Works)"가 화학 공학자 들에 의해 설계되고 건설되어 가동되었다. 이전에는 생각도 못했던 장비들을 매우 서둘러서 설계하고, 제작하고, 시험해야 했다. 플루토늄 원자로를 원격 조정 처리하고 제어하는 것은 필수적이었으며 심지어는 고장난 장비가 방사능을 띤 경우 그것을 고치기 위한 원격 조정 수리 장치도 필요로 했다. 핸포드 공장은 크고, 복잡하였으며 지구상에서 가장 위험한 물질을 다루어야만 하는 곳이었다. 이 공장은 사람들이 화학 공학자 들에게 어떤 기대를 걸고 있었는가를 보여준다. 겉으로는 불가능하게 보이는 문제라 할지라도 화학과 공학적 지식을 이용하여 신속하고, 정확하고, 경제적이고, 안전하게 해결해야만 했다.

 

전후성장 (Post-War Growth)

2차 세계 대전 동안 미국의 화학 공학자 들은 새로운 시설을 짓고 운전해 달라는 요청을 많이 받았다. 전쟁 이후 미국의 화학 산업은 변함없이 생산에 박차를 가했으나, 독일의 육중한 화학 산업은 황폐해져 있었다. 그럼에도 불구하고 미국 정부는 독일의 화학 단지를 여전히 경계하여 히틀러의 거대한 I.G.Farben을 BASF, Bayer, Hoechst등의 새로운 세 회사로 분할해 버렸다.

외국과의 경쟁은 거의 없이 미국의 화학 산업은 화려한 도약을 계속하였고, 석유는 산업의 기반이 되어갔다. 연료와 플라스틱에서부터 정밀 화학 약품에 이르기까지, 석유는 그 중심부에 있었다. 심지어 어떤 사람들은 1,2차 세계 대전은 석유 자원을 차지하기 위한 싸움일 뿐이었다고 주장하기도 했다. 석유 산업의 성공은 화학 공학업에 크게 도움을 주었다.

미국이 세계 화학 기술을 확고히 주도해감에 따라 화학 공학 교육은 변화하기 시작했다. 어느새 화학 기술의 최신 정보를 얻는 가장 좋은 방법은 독일의 기술 잡지를 입수하는 것이 아니라 스스로 그러한 정보를 만드는 것이 되었다. 화학공학은 공학적 전통보다는 과학에 점차 촛점을 맞추어 가고 있었다.

 

오늘날의 여러 전문 분야 협력 (Today's Multi-discipline)

최근 화학 산업에는 커다란 변화가 일어났다. 석유 가공의 주된 공학적 문제점들이 대부분 극복되었고, 석유는 일용품이 되어 갔다. 이는 석유 산업에 있어서 공학자 들의 고용 기회가 극히 드물어지고 있음을 뜻한다.

경쟁 또한 치열해졌다. 오늘날 세계에서 가장 규모가 큰 화학 회사 셋은 BASF, Bayer, Hoechst이다. (미국 정부의 경계는 괜한 것이 아니었던 셈이다.) 그러나 화학 공학 교육의 강력한 과학적, 수학적, 기술적 바탕은 여러 분야들 간의 새로운 영역을 개척할 수 있게 해 준다. 커다란 가능성을 보이고 있는 분야는 생물 공학, 전자 공학, 식품 가공, 제약, 환경 정화, 생의학적 이식 등이며 이들 모두 화학공학자 들에게 기회를 제공한다. 최근의 화학 공학 교육의 중심은 이러한 기회를 실현하는 일을 돕는 데에 맞추어져 있다. 다시 한번, 화학 공학 교육은 공업적 현실에 영향을 끼치고 응답을 한 것이다.

정 리 : 화학공학의 역사

기억되는 사람들

George E. Davis (1850 - 1906)

영국의 맨체스타에서 알칼리의 검사요원으로 일하던 중 1880년 런던에서 화공엔지니어의 모임을 처음으로 시도하였으며, 현재 ‘단위조작’으로 불리는 화학공정의 운영에 관하여 1887년 맨체스터 공업학교에서 12개의 강좌를 개설하였다. 1901년에는 ‘화공핸드북’을 발행하여 1904년에 2차 편집 판이 나올 정도로 각광을 받았다. 핸드북에서 파일롯 플랜트(pilot plant)라 할 수 있는 큰 규모의 실험과 안전 수칙의 준수 및 단위조작의 중요성을 역설하였다. 아울러, 새롭게 떠오르는 직업의 정의로서 화학공학이라는 용어를 사용하는데 가장 크게 기여하였으며, 다방면에서 현대 화학공학의 역할을 정의하였다.

 

Lewis Mills Norton (1855 - 1893)

MIT에서 유기공업화학의 교수로 있으면서 Course X라 명명된 화학공학에 관한 최초의 4년 과정의 강좌를 개설하였으나, 38세에 별세하였다.

 

William Page Bryant

1891년 Course X를 수강한 7명의 학생 중 하나로 체계적인 교육을 통해 배출된 최초의 화공엔지니어가 되었다. 직업으로는 보스톤의 화재보험회사에서 보험업무에 대한 평가감사관으로 재직하였다.

 

 

화학공학 관련 주요 장소(Places of Interest)

 

Manchester England 1887년 George E. Davis에 의해 화학공학에 관련된 12개의 강좌가 처 음으로 개설된 곳

 

Massachusetts Institute of Technology(MIT) 1888년 Lewis M. Norton은 Course X라는 강좌를 개설하고, 4년의 과정을 필요로 하는 화학공학 학위를 처음으로 수여하였음. 학과의 프 로그램은 기계공학과 공업화학이 혼합된 형태를 띠었으나, 공학에 초점을 두어 운용되었다. 1920년에 독립된 학과로서 인정되었으며, 명성을 통해 알려진 바와 같이 약 5000명의 학사를 배출하였으며, 현재 미네소타 주립대의 화공과를 이어 최고의 화학공학과를 소유하고 있다.

 

University of Pennsylvania 4년 과정의 화학공학과를 개설한 두 번째 대학으로서, 1892년에 화학공학과를 개설하였다. MIT에서와 같이, 학위가 화학과로부터 파생되었지만, 강좌는 기계공 학에 무게가 두어졌다.

 

Tulane University 뉴올리언즈에 소재한 대학으로서, 1894년 세 번째로 화학공학이라는 명칭 을 지닌 학과를 개설하였으며, 남부 지역의 학교 중 처음으로 화학공학과를 개설하였다.

 

 

공업화학제품과 공정(Industrial Chemicals & Processing)

 

황산(Sulfuric Acid) 19세기 당시 가장 중요한 산업이었던 알칼리 염과 염료 생산에 필요하 였으며, 현재는 비료의 제조에 가장 많이 사용되고 있다. 또한, 석유 정제, 철강 생산, 전기 도 금, 자동차용 배터리의 제조 등에 널리 사용되고 있다. TNT(트리니트로톨루엔), 니트로글리세 린, 피크린산 및 무기염 등의 제조 산업에도 황산을 필요로 한다. 발연이란 이름은 공기에 노 출되었을 때 과다한 양의 삼산화황과 증기가 생성되므로 이를 나타내기 위해 지어졌다.

 

연실법(Lead-Chamber Method) 1749년 황산을 제조하기 위해 영국에서 개발된 방법이다. 이산화황(SO2), 공기, 물과 칼륨, 나트륨 또는 칼슘 등을 포함하는 질산염을 납이 내부에 도포 된 반응로에서 반응시켜 황산을 제조하는 방법을 일컫는다.

 

질산칼륨(Potassium Nitrate, KNO3) 주로 인도에서 생산되었으며, 성냥, 폭발물, 비료 등을 만들기 위해 사용되었다. 질산염의 대체 물질로는 칠레초석을 들 수 있는데, 이는 수 천년 동 안 많은 새 떼들이 집중적으로 둥지를 틀었던 칠레 지방의 태평양 연안에서 쉽게 발견되었으 며, 불순물을 포함한 질산나트륨(NaNO3)으로 구성되어 있다. 또한 노르웨이 지방에서는 칼슘 을 주성분으로 하는 질산염(CaNO3)의 초석이 생산되고 있다.

 

탄산소다(Sodium Carbonate 또는 Soda ash, Na2CO3) & 중탄산소다(Sodium

Bicarbonate, NaHCO3) 유리, 비누, 직물, 종이의 제조와 소독제, 세척제, 연화제 등의 제조에 사용됨.

 

탄산칼륨(Potassium Carbonate, K2CO3) 나무를 태운 재를 통해 물을 통과시키고, 이를 모 아 끓여서 얻어지며, 유리 또는 비누를 제조할 때 소듐카보네이트 대용으로 사용될 수 있다.

 

알카리 수산화물(Alkali Hydroxides) 유리, 종이, 비누, 직물의 염색제, 석유 정제의 보조제, 표백제, 가죽 제조시 보조제 등의 제조에 사용된다. 가성소다(NaOH)와 수산화칼륨(KOH)는 알카리 수산화물 중에서 가장 일반적이며 중요한 물질이다. 1863년 영국에서는 ‘알칼리 사용 규제법을 만들어 공표하였는데, 이는 약 150년 동안 알칼리의 과도한 사용으로 인해 영국의 중 부 지방이 크게 훼손됨에 따라 오염을 줄이고자 시도되었다.

 

르 블랑법(Le Blanc Process) 일반적인 염을 황산, 석회석, 석탄을 이용하여 가성소다를 제 조하거나, 부산물로서 염산을 제조하는 공정을 말함. 1789년 프랑스 공업화학자인 니콜라스 르 블랑(1742-1806)에 의해 발명된 공법으로 프랑스혁명의 바로 전인 1794년 프랑스 정부는 블랑 의 공정과 공장을 강제로 빼앗았다. 그의 공정을 이용하여 많은 돈을 벌었지만 블랑은 가난하 게 생을 마쳤다. 르 블랑법은 현대 화학 산업의 시초라고 불렸으나, 거의 100년 동안 공정에서 이루어지는 화학적 현상을 규명하지 못하였으며, 그 후 연구를 통해 몇 단계로 이루어진 공정 이 확인되었다.

a) 2NaCl (salt)+H2SO4 (sulfuric acid) => Na2SO4 (saltcake, intermediate)

+2HCl (hydrochloric acid gas, a horrible waste product)

 

b) Na2SO4 (saltcake)+Ca2CO3 (calcium carbonate, limestone)+4 C(s) (coal) =>

Na2CO3 (soda ash extracted from black ash)+CaS (dirty calcium sulfide waste)

+4CO (carbon monoxide)

 

솔베이법(Solvay Process) 1863년 벨기에 화학자인 어니스트 솔베이에 의해 완성된 공정으 로 이론적 배경은 1811년 프레스넬이 발견한 화학적 방법-소듐바이카보네이트는 암모니움 바 이카보네이트를 포함하는 용액으로부터 침전시켜 얻어질 수 있음-을 바탕으로 한다. 이러한 공정은 블랑에 의해 고안된 공정 보다 훨씬 간단하나, 산업적인 규모에 적용하기 위해서는 여 러 가지 공학적인 어려움이 해결되어야 했다. 솔베이법이 산업적인 규모로 성공하기까지 약 60 년 동안 scale-up 과정에서 수 많은 실패를 거듭하였는데, 이러한 솔베이법의 적용 과정은 화 학공학의 전형적인 모습을 보여주는 것이다. 솔베이의 공정 디자인에 있어 결정적인 특징은, 암모니아화한 소금물이 반응로의 위로부터 내려오고 이상화탄소는 밑으로부터 분출될 수 있는, 높이 80 피트의 높은 효율을 지니는 카본화 반응탑을 만드는 것이다. 반응탑에 프레이트와 기 포캡들을 집어넣어 큰 표면적을 생성시키고, 이렇게 이루어진 표면에서 두 물질이 반응하여 소 듐바이카보네이트를 형성하게 된다. 솔베이법은 블랑법에 비해 몇 가지 장점을 지니고 있다. 연속 공정이 가능하며, 생산품의 정제가 손쉬우며, 부산물을 제거하기가 용이하다는 것이다.

 

 

 

 

Figure 1 : 황산공업의 성장(Sulfuric Acid Growth)

황산 생산(Sulfuric Acid Production)

산업에서 차지하는 중요성에 기인하여, 황산은 한 국가의 산업 안정성을 나타내는 척도로 사용되곤 하였다. Figure 1-1에서 보여지는 바와 같이, 1900년대에 있어 미국에서의 황산 생산량의 변화는 미국의 경제를 나타내는 지표들과 거의 일치하게 나타남을 알 수 있다. 황산의 생산은 미국이 1차 세계대전(1917-1919)에 참여한 후 감소하였으며, 국제 무역의 증가로 다시 회복되었다. 1929년 증권 시장의 붕괴로 다시 감소하며 정체하던 중, 2차 세계대전(1938)의 발발로 회복세로 돌아섰으며, 미국이 전쟁에 개입한 1941년 이후 경제는 급속하게 증가하기 시작했다. 전쟁 이후(1940-1965) 미국 역사상 가장 급속한 경제 성장을 이루었으며, 이는 황산의 생산 변화량에 그대로 반영되고 있다. 또한, 60년대 후반의 극심한 인플레이션과 70년대 초반의 에너지 위기와 경제 침체 역시 황산의 생산과 연계되었음을 보여준다. 황산 다음으로 중요한 가성소다와 암모니아 역시 기본적으로 황산과 비슷한 추이를 나타내면서 황산 생산과 밀접한 양상을 보여주고 있다.

 

 

Figure 1-1. 미국의 황산 생산량 추이

 

Figure 2 : 미국화학공학회의 성장과 미래

(AICHE Growth & The Future)

미국화학공학회원

미국에서 화학공학회가 어느 학회보다도 왕성하게 활동하고 있는 것은 지적산업에서 화학공학이 차지하는 비중을 반영한다. 그러나, 1908년 조직된 후 그림에서 보여지는 바와 같이 초기 약 30년 동안 화학공학회는 아주 배타적인 기관으로 존재하였는데, 이는 당시 강력한 힘을 지녔던 미국화학협회 (ACS)와 직접적인 충돌을 배제하면서 원하는 사람만을 선택적으로 받아들였기 때문이다. 20세기 후반기에는 화학공학회가 화학공정을 필요로 하는 분야를 대표하는 기관으로 자리잡기 시작했다. 크게 제한적이던 회원제도도 개선되었고, 학생 회원도 크게 환영을 받았다. 1990년대 이르러서는 자신을 화학공학 엔지니어로 칭할 수 있는 사람의 약 70% 이상이 등록하게 되었다. 화학공학회가 실질적으로 미국 화공 엔지니어를 대표하는 기관이 되었음에 비추어 1985년 부근에서 급격한 회원의 감소는 화학공학의 중요성을 고려할 때 위험신호로 간주되어야 할 것이다.

 

 

화학공학의 미래

미국에서는 매년 약 5,000명의 화학공학도가 졸업하게 되며, 약 1,000명이 은퇴하고 있다. 1945년부터 1970년대까지 급속하게 증가하던 추세가 감소하면서, 화학산업에서의 고용은 예전 같지는 않다. 현재 새롭게 졸업하는 화학공학도의 약 2/3는 졸업 후 6개월 이내에 평생 직장을 잡게되는데, 이는 어떤 다른 공학 분야의 고용율 보다 높은 비율을 보여주는 것이다. 덧붙여서, 화학공학을 졸업하는 사람은 평생 동안 평균적으로 약 6-8번 직장을 옮기게 되는데, 이는 평생 한번 또는 두 번 정도 직장을 옮겼던 20년 전과 비교하면 고용 환경이 크게 변화하였음을 보여준다. 간략하게 말해서, 미래의 전망은 아직도 밝으나, 예전 같지는 않음을 나타낸다.

Figure 3 : 화학공학 교육(Chemical Engineering Education)

 

발생과 성장(Emergence & Growth )

화학공학 교육은 20세기에 들어서면서부터 화학공업에 있어 새로운 미국식 전통을 생성하면서 등장하였다. 화학공학과 초기의 강좌들은 내용 면에서나 중점을 두었던 부분에서 다양한 형태를 지녔다. 기계공학 엔지니어와 화학자들의 차이를 연결시키고자 하였던 본래의 목적을 고려할 때, 다양한 형태를 지닐 수 밖에 없었다.

1925년 이러한 상황을 개선하고자 공학인증 제도를 도입한 최초의 기관이 되었다. 이러한 개념은 따른 공학 분야로 급속히 퍼졌으며, 현재 ABET이라는 인증 감사제도는 고등 교육의 질을 더욱 높이고자 시도할 때 가장 엄격하고 신경써야 할 대상으로 여겨지고 있다. Figure 3-1은 이러한 세밀한 조사를 필요로 하는 대학의 수를 보여주고 있다.

화학공학 교육은 제2차 세계대전을 전후로 각각 약 10년 정도에 걸쳐 크게 발전하였음을 볼 수 있다. 오늘 날 이러한 발전은 정체 상태에 있으며, 1992년 이후 새롭게 인증되어진 기관은 보이지 않는다. 정체에도 불구하고, 매년 약5,000명의 화학공학 엔지니어가 배출되는 것은 많다고 평가되고 있으므로 새로운 대학이 화학공학을 인증하고자 시도할 것으로 보이지는 않는다.

 

 

Figure 3-1. 미국의 화학공학과 대학의 성장

 

초기 화학공학이 개설된 기관 (1925)

Carnegie-Mellon University (Pittsburgh, PA)

Case Western Reserve University (Cleveland, OH)

Columbia University (New York, NY)

Illinois Institute of Technology (Chicago, IL)

Iowa State University (Ames, IA)

Massachusetts Institute of Technology (Cambridge, MA)

Ohio State University (Columbus, OH)

Polytechnic University (Brooklyn, NY)

Renssalaer Polytechnic Institute (Troy, NY)

University of Cincinnati (Cincinnati, OH)

University of Michigan (Ann Arbor, MI)

University of Minnesota (Minneapolis, MN)

University of Wisconsin at Madison (Madison, WI)

Yale University (New Haven, CT)

 

 

미국의 화학공학과 발전 추이(1925부터 현재까지)

Figure 3-2. 1925년

 

Figure 3-3. 1940 년대

 

Figure 3-4. 1955 년대

 

Figure 3-5. 1970 년대

 

Figure 3-6. 1995년대

 

 

 

 

Figure 4 : 질소 : 식량과 폭탄(Nitrogen: Food or Flames)

 

질소 가스는 대기의 78%를 차지할 정도로 우리를 둘러싸고 있으나 존재 여부를 거의 느끼지 못하는 것이 일반적이다. 그러나, 다른 요소들과 화합되었을 때, 질소는 아주 색다른 특성을 지닐 수 있는 특이한 성질을 지니고 있다. 질소 화합물은 비교적 손쉽게 음식물로 사용되거나 죽음을 초래하는 물질로 사용될 수 있다. 이러한 질소의 아이러닉한 특성은 비료가 폭발물로 둔갑하여 수백 명의 생명을 앗아간 ‘오클라호마 폭탄 테러사건’에서 극명하게 입증되었다.

 

화학적 고찰(A Little Chemistry)

모든 살아있는 생물은 생존하기 위해서 질소를 필요로 한다. 즉, 생물의 주요 구성원인 DNA, RNA와 단백질은 질소를 포함하는 아미노산으로 되어있으나, 생물들이 주위에 있는 질소를 직접 이용하는 것은 아니다. 이는 질소 분자를 구성하는 두 개의 질소 원자들이 서로 삼중결합에 의해 강력하게 결합되어 있어, 이들을 분리시키는 것은 엄청나게 어렵기 때문이다.

이러한 결합력 때문에 질소 가스는 대기 온도 또는 작은 불꽃에 의한 비교적 높은 온도에서도 어떤 반응을 일으키지 않으며, 이에 따라 불활성이라는 이름이 붙여지게 되었다. 따라서, 질소 가스를 여기상태에 도달시켜 잠시 동안이라도 반응성을 지니도록 하기 위해서는, 번개 또는 자동차 엔진에서나 얻어질 수 있는 엄청나게 높은 온도를 통하거나, 열 대신에 효소들과 신비스럽게 반응하는 특정 박테리아를 이용하는 방법을 택해야만 한다.

이러한 여기 상태의 분자는 대기에 존재하는 산소 분자와 결합하여 일산화질소(NO)가 만들어진다. 일산화질소는 이산화질소(NO2)로 쉽게 산화하며, LA에서 많이 나타나듯이 갈색 스모그를 일으키는 주된 요인으로 작용한다.

한편, 여기상태의 질소 가스가 수소와 결합하면 암모니아를 형성하게 된다. 스모그와는 달리 암모니아는 아주 유용하고 중요한 화합물로서, 비료, 폭발물, 질산, 세척제 등을 제조하는데 원료로 사용된다.

 

질소의 순환(The Nitrogen Cycle)

질소 가스를 암모니아와 같이 더욱 반응성이 강한 질소 화합물로 바꾸는 것이 질소 순환에서의 첫 단계라고 할 수 있다. 일단 가스 상태로부터 변형되면, 고착된 질소 화합물들은 식물들이 크게 건강하게 자라도록 도움을 준다. 동물들은 식물들을 먹이로 하여 이러한 질소 화합물을 섭취하게 되며, 그들의 분비물을 통해 과도한 질소를 배출하게 된다. 식물과 동물이 죽었을 때 고착된 질소 화합물은 다시 흙으로 돌아가게 되며, 박테리아는 다시 이들 유기물질을 암모니아로 분해시키며, 아질산칼륨(KNO2)와 같은 아질산 염을 거쳐 질산칼륨(KNO3)과 같은 질산염으로 변화시킨다. 이렇게 생성된 질산염은 다시 식물의 성장을 돕게 된다. 또 다른 박테리아는 고착된 질소의 일부를 질소 가스의 형태로 다시 변형시켜 대기로 분출시킴으로써 전반적인 질소의 순환을 조절하게 된다.

1913년의 사건

인간은 수 천년 동안 대기에서의 질소 순환에 거의 영향을 미치지 않았다. 질소 가스에 형성된 강한 결합은 다른 물질로의 전환을 쉽게 허용하지 않았다. 그런고로, 질소의 고착화를 위해 초기에는 거의 박테리아에 의존하였으며, 일단 순환 과정에서 고착된 질소 화합물들을 수집할 수 있었다.

이러한 고착된 질소의 가장 우수하고 집중적인 자원은 칠레에서 발견되었다. 이러한 수확은 해변을 따라 둥지를 틀고 배설하는 수많은 바 다 새들에 의해 형성된 것이었다. 수 천년에 걸친 분비물의 자연 적체물들은 Guano라 불렸으며 1-2 m의 두께를 지니게 되었다. 이러한 칠레의 칠레초석을 세계에 공급하기 위한 것은 커다란 산업 중의 하나였다.

합성에 의한 질소화합물의 생산이 거의 존재하지 않은 상태에서, 비료와 폭발물의 제조를 위해서 세계는 칠레초석에 의존할 수밖에 없었다. 이러한 현상은 군사지도자들이 간과할 수 없는 일이었다. 만일 전쟁이 일어났을 때 독일과 같이 칠레초석을 획득하기 어렵게 된다면 그 국가는 무기 재고가 급격히 고갈될 가능성이 커지게 되었다.

1913년의 경우, 한 국가가 국민의 식생활을 염려하거나 전쟁을 통해 강제로 적을 정복하려면 가능한 한 많은 양의 칠레초석을 확보하는 것이 필요하였다. 다시 말해서, 세계의 운명은 어떻게 많은 양의 새의 배설물을 확보하느냐에 달렸었다. 그런고로, 제1차 세계대전의 중요한 해전이 칠레 해안에서 발발한 것은 결코 우연이 아니었다.

 

 

 

Figure 4-1. 1913년 고정화 질소의 생산 추이

 

합성 암모니아 생산

1차 세계대전의 발발 직후, 두 명의 독일 애국자가 합성 암모니아의 생산을 위한 방법을 개발하였다. 이러한 ‘Harber-Bosch법’을 이용한 공장들은 전쟁 발발 직후 건설되었다. Harber와 Bosch는 암모니아가 고압 챔버에서 질소 가스와 수소 가스를 반응시켜서 만들 수 있음을 발견하였다. 적절한 촉매를 첨가시키고, 반응을 촉진시키기 위해 약간의 열을 가함으로써 고착 질소화합물이 대량으로 제조될 수 있었다. Harber-Bosch 공법이 없었다면 독일은 1916년에 탄약 고갈에 의해 전쟁을 더이상 치를 수 없었을 것이다.

이러한 공정과 경쟁하기 위해, 다른 국가들은 그 공정을 모방하여 그들 자신의 암모니아 합성 공장을 급격히 건설하였다. 전쟁이 끝났을 때, 고착 질소화합물은 비료로서의 사용 때문에 대규모로 생산이 지속되었다. 세계 시장에서, 1913년에 56%에 달했던 칠레의 고착 질소화합물에 대한 점유율은 1934년 단지 7%만을 차지할 정도로 크게 감소되었으며, 합성암모니아 생산은 최고조에 달하게 되었다.

합성 암모니아의 생산은 칠레초석에 대한 의존에서 벗어나게 하였으며, 이를 현실화하기 위해서는 암모니아 공장을 디자인하고, 건설함과 아울러 이를 운영할 수 있는 화공엔지니어들의 역할이 절대적이었다. 1934년의 경우 한 국가가 국민의 식생활을 만족시키거나, 전쟁을 치르기 위해서는 화공엔지니어에 의존할 수밖에 없었다. 이러한 사실은 암모니아 공장을 건설하도록 요청 받은 화공엔지니어에게 도덕적 딜레마에 빠지게 하는 역할을 하였다.

 

 

 

Figure 4-2. 1934년 고정화 질소 생산 추이

 

 

Figure 4-3. 고정화 질소 생산량 비교

 

중요한 질소화합물

 

아미노산은 생물체의 몸을 형성한다. 모든 살아있는 생물은 가장 일반적인 아미노그룹(NH2)을 포함한 20개의 화합물로 구성된다.

일산화이질소(N2O)는 웃음 유발 가스로 알려져 있으며, 대기 온도와 압력 하에서 무색의 상태를 지닌다.

일산화질소(NO)는 대기의 질소와 산소가 고온 고압 하에서 혼합되는 내부 연소기관에서 부산물로 생성되는 색이 없는 물질이다.

이산화질소(NO2)는 일반적으로 스모그로 알려져 있으며, 갈색을 띄는데 일산화질소와 같이 대기에서 자발적으로 산화된다.

질산칼륨(KNO3)은 종종 초석으로 불리는데, 비료로서 흙에 직접 투기되거나 황이나 석탄과 혼합되어 화약으로 제조될 수 있다. 따라서, 농부나 장군은 초석을 소중히 여긴다.

트리니트로톨루엔(TNT, CH3C6H2(NO)3)은 포탄이나 탄약의 작약으로 쓰이는 고폭약이다.

니트로글리세린(C3H5(ONO2)3)은 다이나마이트에 주요 구성원으로 쓰이며 강력한 힘을 발휘할 수 있다. 같은 양의 화약과 비교해 약 3배의 화력을 지니며, 연기를 내뿜지 않고, 폭발 충격파는 약 25배 정도 빠르다. 다양한 용도와 수요 때문에, 다이나마이트 생산업자들은 커다란 부를 축적할 수 있었다. 알프레드 노벨은 초기 생산업자 중 한사람으로서, 오늘 날 까지 노벨상을 수여할 수 있을 정도의 부를 쌓았다.

Figure 5 : 석유:에너지와 석유화학

(Oil: Energy or Petrochemicals )

 

에너지 보유 노력

1776년 미국의 경우, 에너지는 주로 집을 가열하거나 요리에 소요되는 정도였으며, 나무나 석탄을 이용하는 것이 대부분이었다. 동물을 논밭의 경작이나 운송수단으로 이용하는 한편 수력의 경우 곡물을 빻거나 옷감을 제조하는데 사용하는 것이 전부였다. 그러나, 18세기 이후 산업혁명이 진행됨에 따라, 많은 양의 기계에너지가 필요하게 되었으며, 이러한 에너지 소요를 충족시킬 수 있을 중요한 발명들이 등장하였으나, 대부분 많은 양의 화석 연료를 소모하게 되었다.

 

Steam Engines: Savery, Newcomen, Watts 같은 사람들에 의해 개발되었으며, 스팀엔진은 석탄을 태워 기관차, 기선, 공장들에서 소요되는 에너지를 공급하였다.

Gasoline Engines: 내부 연소기관의 발명과 1885년 Karl Benz에 의한 가솔린 자동차의 발명 은 석유를 강력한 에너지원으로 등장하게 하였다.

Electricity: 1879년 전등의 발명을 완성시킴으로써 Thomas Edison은 새롭게 에너지원을 필 요로 하는 발명을 하였다. 원자력의 위험성 때문에 전기 발전은 여전히 많은 양의 석탄을 필 요로 한다.

 

 

Figure 5-1. 미국의 에너지 소비량 추이

 

현대의 가정에서는 삶을 풍요롭고 편리하도록 고안된 기구들이 많은 양의 에너지를 필요로 하고 있다. 난방 시스템, 에어콘디셔너, 선풍기, 전등, 오븐, 마이크로웨이브 오븐, 세탁기, 드라이어, 식기 세척기, 냉장고, 냉동기, 텔레비젼, 컴퓨터, 자동차등 셀 수 없이 많은 기구들이 에너지를 소모하고 있다. 미국의 경우, 세계 인구의 약 5%를 차지하고 있으나, 에너지 소모는 전체의 약 30%를 차지할 정도로 많은 양을 쓰고 있다. 이러한 에너지를 공급하는 연료를 종류별로 비교하면 그림과 같다.

 

 

Figure 5-2. 미국의 에너지 종류별 소비량 추이

 

 

 

 

석유 : 연료 및 플라스틱

석유는 종종 ‘검은 금’(Black Gold)이라 불릴 정도로 우리의 삶에서 중요한 위치를 차지하고 있다. 에너지를 공급하기 위한 용도로 쓰기 위해서, 석유는 가솔린, 기름, 윤활제, 등유, 제트유 등으로 변형될 수 있으며, 다른 용도로 사용되었을 때 플라스틱, 왁스, 아스팔트, 다양한 유기화합물의 제조에 원료로 쓰인다. 현재 미국의 화학공학 엔지니어의 약 1/2 정도는 석유관련 회사에 고용되어 있을 정도로 화학공학에서 석유의 비중은 크다. 즉, 석유 산업이 화학공학의 발전에 기여한 바가 크다.

 

 

Figure 5-3. 각국의 석유(원유)의 소비량

 

Figure 5-4. 각국의 원유 소비량 추이

 

Figure 6 : 화공엔지니어의 대우

(Engineering & Technical Wages)

 

학사 학위를 가진 화공엔지니어의 경우 공대 졸업자 중 가장 대우를 잘 받는 것으로 되어있다. 이러한 이유 중의 하나는 화공엔지니어는 과학과 엔지니어링 분야에서 폭넓게 지식을 습득했다는 것과 화공엔지니어를 고용하는 산업의 특성이 복합적으로 작용한 것으로 볼 수 있다. 오늘 날 많은 화공엔지니어들이 석유화학산업에 종사하는데, 이러한 산업들은 커다란 자본 집약의 특성을 지니고 있기 때문에 직원들의 봉급이 전체 사업 비중에서 적은 부분을 차지하는 것이 일반적이다. 따라서, 일에 적합한 사람을 선택하기 위해 비용에 크게 구애받지 않는 경향이 있다. 한가지 흥미로운 현상은 더 높은 학위를 받았을 때 화공엔지니어는 상대적으로 적은 봉급을 받는 경향이 있는데, 이는 학위의 상승에 따라 봉급 차이가 크게 나는 순수 화학전공과 비교가 된다.

 

 

 

Figure 6-1. 여러 직종별 급여 추이

 

 

Figure 6-2. 1993년 학위별, 직종별 급여 추이

지난 30년 동안 몇몇 분야에서 수여된 학위의 수량을 살펴보면, 1980년대 개인 컴퓨터의 엄청난 보급과 함께 컴퓨터 관련 학과에서의 학위 배출은 급격히 증가하였다. 이와 관련하여 전기공학 졸업생들의 숫자도 급격히 증가하였다. 화학과의 경우 특히 많은 학생들이 박사 학위를 얻었는데 이는 그들의 봉급 체계와 밀접한 관련이 있다. 이는 화공과에서 많은 학생들이 박사 과정을 이수하는 것과 같은 맥락으로 해석할 수 있다.

 

 

 

 

Figure 6-3. 분야별 학사 학위 이수자 수

 

 

 

 

Figure 6-4. 분야별 석사학위 이수자 수

 

 

Figure 6-5. 분야별 박사학위 이수자 수

 

 

 

 

Figure 6-6. 각 분야별 석-박사 학위 취득자 분포

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

사례연구 : 석 유(Petroleum)

산업의 태동Origins of the Industry

미국의 경우 화학공학엔지니어와 석유 산업은 지난 세기 동안 나란히 발전하여 왔다. 석유 산업은 Edwin L. Drake가 1859년 펜실바니아에 있는 Titusville에서 석유시추를 성공적으로 수행함으로써 시작되었다. 많은 사람들이 그를 뒤이어 유정 개발에 참여하였으며, 오래지 않아 유정들이 곳곳에 생겨났다. 캘리포니아에서의 ‘Gold Rush’ 이후 약 10년만에 펜실바니아는 그 자체의 ‘gold fever'를 겪게 되었다. Drake 같은 이는 파산한 채로 죽음을 맞이한 반면 John D. Rockefeller 같은 사람은 이러한 ’검은 금‘으로부터 엄청난 부를 축적할 정도로, 성공과 실패는 종이 한 장 차이라 할 수 있었다.

 

고대와 중세(Ancient, and Less Ancient, Times)

역사 상 약간의 석유가 사용된 적은 있었다. 이집트에서는 피치를 사용하여 피라미드를 밀폐시키거나 미이라를 도포하는데 사용하였다. 바빌론, 아시리아, 그리고 페르시아 사람들은 길을 포장하거나, 벽과 건물을 고정시키기 위해 피치를 사용하였다. 유프라테스에서는 갈대를 엮고 이를 피치로 마감해서 보트를 제조하였다. 중국에서의 기록을 보면, 소금물을 얻기 위해 구멍을 파던 중 피치를 발견하게 되어 이를 연료로 사용하였음을 보여주고 있다. 성경 역시 노아가 방주를 항해에 적합하도록 하기 위해 피치를 사용했다고 주장하고 있다.

미국 인디안들은 석유를 페인트, 연료 및 약품으로 사용하였다. 사막의 유목민들은 낙타에 생기는 옴을 치료하기 위해 석유를 사용하였으며, 로마 제국의 Charles V세는 자신의 통풍을 치료하고자 석유를 이용하였다. 고대 페르시아와 수마트라에서는 석유가 약효를 지니고 있다고 믿었다. 이러한 생각은 아주 일반적이어서, 19세기에 이르기까지 석유단지가 모든 병을 고칠 수 있는 신비의 강장제로 팔렸었다. 이러한 ‘snake oil'을 마신 사람들은 석유가 맛이 좋지 않음을 알게 되었다.

 

석유 탐사(The Search for Oil)

유용성에도 불구하고, 석유는 수 천년 동안 아주 희귀했다. 사람들은 지표로 분출되거나, 유정으로 흘러 들어간 석유를 채취하는 것이 전부였다. 마실 물을 얻기 위해 우물을 파는 사람들에게 석유는 성가신 존재였다. 그러나, 몇몇 사람은 그 기름이 엄청난 가치가 있을 것이라고 생각했다. 변호사인 George Bissel은 석유가 램프에 사용되는 등유로 바뀔 수 있다고 가정하였고, 당시 예일대학의 수학 및 지리학 교수였던 Benjamin Silliman, Jr.는 이러한 예감이 맞다는 것을 증명하였다.

1854년 Bissel은 친구와 함께 펜실바니아 Rock Oil 회사를 차려 실패하였으나, 쉽게 포기하지 않는 성격의 Bissel은 다시 여러 명의 사업가와 손잡고 Seneca Oil 회사를 설립하였다. 그들은 전에 기찻길을 관리하였던 Edwin Drake을 고용하고 펜실바니아 Titusville에 있는 외딴 시내를 따라 석유를 위한 시추를 하였다. 그들은 그 지방 사람들에게 인상을 심어주기 위해 Drake를 ‘Colonel'이라 칭하였다. Drake는 도움이 필요함을 느끼고, 소금 우물은 판 경험이 있는 Uncle Billy Smith와 그의 두 아들을 고용하였다. 1859년 이 혼성의 작업자들은 69.5 ft의 깊이에서 석유를 발견하는데 성공했다.

 

펜실바니아의 검은 금(Pennsylvania's "Black Gold")

Drake의 유정은 하루에 단지 35 배럴을 생산하였으며, 배럴당 20 달러에 판매되었다. 그 유정에 관한 뉴스는 급속하게 퍼졌으며, 많은 사람들이 부를 얻기 위해 몰려들었다. 곧 부근에는 어디에 시추를 할 것인가를 모색하는 투기꾼들로 가득하게 되었다. 어떤 사람들은 유정을 찾기 위해 Y자형 막대기를 이용하는 가 하면, 어떤 이들은 Drake의 방법을 따라 물에 가까운 쪽에서 시추를 하였는데, 이를 ‘Creekology'라 불렀다. 많은 사람들이 기름을 발견하였으나, 보통 지상으로부터 4-500 ft를 파야만 했다. Drake가 지표에 가까운 곳에서 기름을 발견한 것은 아주 운이 따랐기 때문이었다.

유정을 파기 위해서는 6인치 폭의 주물 파이프를 암상(岩床)에 도달하도록 집어넣은 후, 드릴과 같은 스크류를 이용하여 파이프 중앙에 있는 흙먼지나 암석을 빼내야 한다. 많은 사람들은 일단 기름에 도달하였을 때 기름을 모두 거둘 수 없다는데 당황할 수밖에 없었다. 특수 캡슐과 같은 것이 유정을 막기 전에는 많은 양의 기름이 기름천(oil creek)을 형성하면서 흘러내릴 수밖에 없었다.

 

최초의 파이프라인(The First Pipeline)

성공적으로 퍼낸 기름의 수송 또한 문제였다. 1865년 석유구매자였던 Samuel Van Syckel은 유정으로부터 5마일 떨어진 기차역으로 기름을 수송하기 위해 2인치 폭의 파이프를 이용하여 파이프라인을 건설하였다. 기존에 기름을 문제없이 수송하였던 사람들은 Syckel의 계획을 싫어하여 도끼를 사용하여 라인을 부숴버리곤 하였다. 결국 Syckel은 무장 경호인들을 고용하여 파이프라인의 건설을 마침으로써 엄청난 돈을 벌 수 있었다. 1865년 나무로 만든 유정탑을 통해 얻어진 기름은 1년 당 350만 배럴에 이르렀으며, 이러한 대규모 생산은 원유가격을 배럴 당 10센트에 이를 정도로 하락시켰다.

 

석유의 매장량(How Much Oil?)

Andrew Carnegie는 콜럼비아 기름 회사의 대주주였는데, 그는 수 많은 시추에 의하여 기름이 빨리 고갈될 것이라고 믿었다. 그는 모든 유정이 고갈되었을 때 되팔 수 있도록 10만 배럴을 저장할 수 있는 큰 저장고를 만들도록 콜럼비아 회사를 설득하였다. 그러나, 그들이 예측하였던 것보다 많은 양의 기름이 매장되어 있었다. Carnegie는 실패에 좌절하지 않고 철강산업에 참여하여 엄청난 부를 이루는 길을 택하였다.

이와 대조적으로, “Colonel' Drake는 기름 산업에만 매달려 그의 원유를 사기를 바라는 고객을 찾아서 전국을 헤매었다. 그러나, 냄새가 지독하고, 진흙같이 검정색을 띄며, 크게 휘발하는 이러한 나프타를 팔기는 어려웠다. 즉, 시장성을 가지기 위해서는 기름의 정제가 요구되었다.

 

초기의 정제(Early Refining)

1860년 15개의 정유 공장이 운영 중이었다. 정류기는 ‘Tea kettle'이라 불렸으며 커다란 철제 드럼에 농축기로 작용하는 큰 튜브를 붙인 형태였다. 이러한 정류기의 생산량은 하루에 1에서 100 배럴 정도였다. 석탄을 이용하여 드럼을 가열한 증류 과정에서 세 가지의 물질이 얻어졌다. 끓어 나오는 첫 번째는 휘발성이 큰 납사(Naphtha)였다. 다음에 ’lamp oil'로 불리는 등유가 나오고, 마지막으로 중유와 함께 드럼 밑바닥에 남는 타르가 얻어졌다. 초기의 정유 공장들은 높은 가격에 팔 수 있는 등유 생산을 약 75% 정도 유지하였다.

등유는 과도한 사냥에 의해 1845년부터 심각해지기 시작된 고래의 감소에 의해 아주 비싸게 평가되었다. 고래 기름은 고래 산업의 주요 생산물이었으며, 램프를 밝히는데 사용되었다. 양초는 ‘spermaceti'라 불리는 또 다른 고래의 부산물로 만들어졌다. 이러한 자연 자원의 감소는 등유의 수요를 급격히 증가시켰다. 미국 내 가정의 대부분은 집을 밝히기 위해 등유를 사용하기 시작했다. 그러나, 납사와 타르는 상품적 가치가 없는 것으로 평가되어 Oil Creek에 버려졌다. 한편, 이러한 과정에서 초기 정유 공장들은 화학공학 엔지니어에 의해 운용되지는 않았다.

이렇게 버려지던 것들이 나중에 아주 귀중한 생산품으로 변형되어 졌다. 1869년 Robert Chesebrough는 석유 젤리를 만드는 방법을 발견하고, 이 새로운 제품을 바셀린(Vaseline)이라 불렀다. 이러한 고점도 물질은 윤활제로 사용되거나, 양초나 씹는 검의 제조에 왁스로서 사용되었다. 타르는 지붕용 재료로 이용되었다. 그러나, 휘발성이 강한 부분은 여전히 사용처가 많지 않았다. 국부 마취제에 가솔린을 이용하거나, 얼음을 만들기 위한 압축 순환에 액체석유가스(LPG)를 이용하는 것이 거의 전부였다. 정제 석유 제품의 성공으로 정제 기술은 급속하게 퍼졌으며, 1865년에는 194개의 정유 공장이 운용되었다.

 

John D. Rockefeller

1862년 John D. Rockefeller는 부업으로 정유공장에 출자를 하였다. 그는 곧 석유 산업에 매력을 느끼고 전력을 기울이기 시작했다. 젊은 회계 사원이었던 그는 사업이 잘 정리되고 조직적이기를 바랬다. 그러나, 석유 산업의 무질서와 불안정성에 대해 놀랐다. 누구나 유정을 찾아 시추할 수 있었고, 과잉 생산은 초기의 석유 산업을 병들게 했다. 때때로 과잉 생산에 의해 원유 값은 물 값 보다 하락하기도 했다. Rockefeller는 일찍이 원유의 생산보다는 정제와 수송이 석유산업을 통제하는데 더욱 중요하다는 것을 깨닫고, 이를 제어하기 시작했다.

1870년 당시 미국의 정제 능력의 10%를 통제하는 Standard Oil 회사를 설립하였다. 수송비용이 전체 생산비용의 20%를 차지하는 것을 깨닫고, 철도회사들과 협상을 통해 낮은 가격으로 수송될 수 있도록 하였다. 이러한 저 수송비용은 Standard Oil이 다른 경쟁 회사들을 물리치고 급속히 팽창하면서 여러 경쟁사들을 사들이는데 기여했다. 곧 Standard는 미국 동부 전역에 석유를 공급하는 ‘철동맥 ‘(iron arteries)의 배급망을 구축할 수 있었다. 이러한 파이프라인 시스템은 Standard의 철로에 대한 의존을 경감시킴으로써 수송비용의 절감을 이룰 수 있었다. 1880년 Standard는 미국의 정제 능력의 약 90%를 차지하며 큰 기업을 형성함으로써 계속적인 수 익의 증대와 함께 석유 산업의 안정성를 증대시켰다. Standard Oil에 의해 Rockefeller는 세계에서 가장 부유한 사람이 되었다.

 

석유산업의 정리

 

석유 산업의 초기상태를 간략히 정리하면,

등유를 통해 등불의 혁명을 가져왔고,

윤활유를 통해 당시 기계시대(machine age)에 기계 기능유지를 가능케 했으며,

미국의 부에 새로운 자원을 추가시켰으며, (1865년 6번째로 큰 수출품목이었다)

경제력 향상을 통해 남북전쟁에서 북군을 도왔다. 또한, 석유는 Gettysburg 전쟁에서

부상당한 병사들의 치료에도 사용되었다.

 

 

용어 해설

다른 화학산업에서와 같이, 석유산업에서도 내용을 알고자 하는 사람들이 쉽게 알아들을 수 없는 용어들이 많이 존재한다. 따라서, 화학이나 화학공학을 전공하는 학생들이 해야 할 일 중의 하나는 전문용어를 익히는 것이다. 일반적으로 널리 사용되는 용어들의 예를 들면 다음과 같다. 하지만, 석유산업에 관련된 복잡한 화합물들을 고려하면 이들 용어 중 몇몇은 아주 모호한 의미를 지닌다.

 

탄화수소(Hydrocarbons) 주로 카본과 수소로 이루어진 화합물을 말하며, 석유와 석탄은 각 기 다른 탄화수소를 포함하고 있다. 탄화수소의 예로서는 메탄, 에타놀, 벤젠 등이 있으며, 이외에도 무수히 많은 종류들이 있다.

역청(Bitumen) 탄화수소의 또 다른 이름이며, 석유와 석탄은 역청질로(Bitumous) 불리기도 한다.

유기 화합물(Organic compounds) 카본으로 이루어진 화학물질의 총체적인 이름이나, 이산화탄소와 같이 어떤 탄소화합물은 유기물질로 분류되지 않는다. 탄화수소(Hydrocarbons)는 일반적으로 유기화합물로 분류되므로, 이들 용어를 동일한 것으로 간주해도 좋다. 탄수화물(carbohydrates), 단백질, 소변에서 발견되는 요소(urea)는 탄화수소이면서 유기화합물인 대표적인 물질이다. 한때, 유기화합물은 단지 유기물질로부터 생성될 수 있다고 간주된 적이 있다. 유기화합물의 유용성에 기인하여 19세기 내내 대규모 화학 산업에서는 유기화합물을 생산하고자 노력하였다. 염료와 약품들이 이러한 산업의 노력에 의해 생산되었다. 화학자들이 기술을 개발한 결과, 유기화합물이 무기물을 이용하여 합성될 수도 있음을 발견하였다. 그러나, 지금까지도 유기물에 대한 분류는 화학산업이나 학교에 의해 뿌리깊은 역사를 지니고 있으며 오늘날까지 쉽게 변하지 않고 있다.

무기화합물(Inorganic compounds) 유기화합물이 아닌 모든 물질은 무기물로 분류된다.

방향족 화합물(Aromatic compounds) 구조 내부에 벤젠 고리를 포함하는 유기화합물을 칭한다. 벤젠 고리 때문에 반응성이 강하며, 흥미로운 성질을 지니고 있다. 염료와 약제 산업에서 특히 방향족 물질을 많이 이용하고 있다.

지방족 화합물(Aliphatic compounds) 방향족이 아닌 모든 유기화합물을 가리키며, cyclic이나 벤젠고리가 아닌 구조(사이클로펜탄, 사이클로부탄)를 포함하거나, 단결합(에탄, 프로판, 부탄 등), 이중 결합(에텐 또는 에틸렌, 프로펜, 부텐) 및 삼중 결합 (에틴 또는 아세틸렌, 프로핀, 부틴) 의 직선 탄화수소화합물을 가리킨다.

배럴(Barrel, bbl.) 1배럴은 42 갤론 또는 158.8 리터의 원유를 나타낸다. 실제로 배럴은 소량을 나타내므로, 더 이상 배럴 단위로 원유를 수송하지는 않지만 용어는 특정 부피를 나타내기 위해 계속 사용되고 있다.

석유(Petroleum) 본래 글자의 뜻은 ‘rock oil’이다. 현재는 땅으로부터 얻어질 수 있는 모든 액체 상태의 탄화수소 화합물을 포함하는 폭넓은 의미로 사용되고 있다. 아울러, 천연 가스나 고체의 탄화수소물도 석유로 불리기도 한다. 석유가 처음 땅으로부터 나왔을 때는 원유(crude oil)로 불리는데, 요즘은 그냥 기름(oil)으로 불린다. 석유는 물처럼 흐를 수도 있고, 땅콩버터처럼 점도가 높을 수도 있다. 또한, 노랑, 빨강, 녹색, 갈색 또는 검정 등 다양한 색깔을 지닐 수 있다.

분별분급(Fractions) 유사한 비등점을 지닌 화합물들이 복잡하게 혼합되어진 물질을 의미한다. 저(light) 및 중(heavy) 분급물은 화합물의 비등점을 나타내는 용어로, 그들의 실제적인 밀도를 나타내지는 않는다. 저분급물이 아주 무거울 수 있고, 고분급물이 아주 가벼울 수 있다.

이성질체(Isomers) 원자의 수와 형태가 같으나, 다른 방식으로 배열된 화학물질을 말한다. 메탄(CH4), 에탄(C2H6)과 프로판(C3H8)은 탄소들이 달리 배열할 방법이 없으므로 이성질체를 지니지 않는다. 부탄(C4H10)은 두 개의 이성질체(n-부탄과 이소부탄)를 가지며, 데칸(C10H22)은 75개의 이성질체를 지니고, 20개의 탄소원자를 가진 분자(C20H42)는 십 만개 이상의 이성질체를 지닌다. 원유는 하나부터 약 100개가 넘는 탄소원자를 지니는 물질들로 되어 있으므로, 이들 화합물을 통상적인 화학용어를 사용하여 이름짓기란 엄청 어렵다. 수많은 가능한 배열 때문에 사람들은 화학용어를 사용하는 대신 분급물이란 용어를 사용하게 되었다.

천연가스(Natural Gas) 비등점이 아주 낮은 탄화수소들의 혼합물로서, 아주 고압 및 저온에서 액체로 변형될 수 있다. 메탄이 주성분일 경우 ‘dry'로 부리며, 높은 비등점을 지니는 탄화수소가 주성분일 경우 ’wet'으로 불린다. 황 화합물을 포함하여 냄새가 심할 경우 ‘sour'로 불리나, 다른 경우는 ’sweet'으로 불린다.

액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas (LPG)) 석유의 아주 가벼운 부분을 칭하며, 주로 프로판과 부탄을 포함하는 상대적으로 간단한 분별물질(fraction)이다. 통상의 대기 압력 하에서 액체로 존재하는 가솔린(종종 ‘가스’로 불림)과는 달리 LPG는 실제 가스로 존재한다. 그러나, 약간의 압력을 통해 액체로 바뀔 수 있다. 이를 액체로 저장함으로써, 저장 용기를 백 배 이상 줄일 수 있는데, 이것이 프로판 난로가 인기 있는 이유다. 분별 증류 방법이 발전하면서, LPG는 정제공장에서 생산될 수 있게 되었다.

휘발유(Gasoline) 아주 휘발성이 강하며 쉽게 태울 수 있는 석유의 가벼운 부분이다. 직류가솔린(straight run gasoline)은 차이가 거의 없기는 하지만, 분별증류 대신 직접 증류에 의해 생산된 가솔린을 말한다. 가솔린은 대기압에서 액체이긴 하지만, 일반적으로 ‘가스’로 불린다. 이렇게 혼돈스럽게 된 이면에는, 최초로 개발된 내부연소기관들이 가스인 일산화탄소와 수소의 혼합물인 도시가스를 사용하였기 때문이다. 이러한 엔진들은 가스엔진이라 불렸다. 가솔린이 도시가스를 대체하여 사용되었으나, 사람들은 여전히 모터들을 가스엔진이라 부르고 가솔린을 가스로 불렀다. 현재 미국에서는 매년 1인당 약450 갤론의 가솔린을 사용하고 있다.

옥탄가(Octane Number) 연료가 녹킹이라 불리는 조기 연소를 피할 수 있는 능력을 말한다. 조기 연소는 엔진의 힘을 감소시키고 마모를 촉진시킨다. 옥탄가는 임의적으로 n-헵탄을 0으로 하고 이소옥탄(2,2,4-trimetyl pentane)의 값을 100으로 한다. 연료의 옥탄가를 측정할 때, 헵탄에 이소옥탄을 첨가한 혼합물의 녹킹 성질이 연료의 녹킹 성질과 일치할 때까지 헵탄에 이소옥탄을 조금씩 첨가하여 두 혼합물의 녹킹 성질이 일치되는 점을 찾고 이때의 이소옥탄의 함량을 연료의 옥탄가로 한다. Tetraehyl lead는 연료의 옥탄가를 증대시킬 수 있는 녹킹방지제로 사용되어 진다. 높은 옥탄가의 연료는 높은 압축비를 지니는 엔진에 사용됨으로써 힘을 증대시키는 역할을 한다. 그러나, 녹킹방지제는 납의 오염에 대한 염려 때문에 더 이상 사용되지 않는다.

납사(Naphtha) 가솔린을 만들기 위해 사용되는 석유의 가벼운 부분을 칭하며, 용매들의 제조와 석유산업의 원료로 사용되고 있다.

등유(Kerosene) 수 백년 동안 램프의 불을 밝히는데 사용되었던 고래 기금을 대체하는데 사용되었던, 최초의 정제된 석유 제품이다. 몇몇의 악덕 정유공장들은 최종 등유 제품의 양을 증대시키기 위해 등유 안에 있던 납사 부분을 완전히 증류 제거시키지 않음으로써, 램프가 폭발하거나 화재가 발생하는 일이 종종 있었다.

디젤유(Diesel fuels) 물류 수송을 담당하는 트럭에서와 같이 큰 힘을 필요로 하는 장비에 디젤 엔진을 사용하고 있는데, 가솔린 엔진보다 더 큰 압축비를 이용한다. 따라서, 효율이 더 높다. 디젤 엔진들은 스파크 플러그에 의해 점화되는 것이 아니라, 압축에 의한 온도와 압력의 상승에 의해 연기와 공기의 혼합물이 점화되게 된다.

연료유(Gas Oil (or fuel oils)) 가정의 난방을 위해 사용된다. 겨울 동안, 정유공장들은 연료유의 생산을 증대시키고, 반대로 자동차의 운행이 증대되는 여름동안에는 가솔린의 생산을 높인다.

중유(Heavy Fuel Oil) 산업에서 사용이 편리하도록 연료유에 혼합되는 석유이다. 배들이 주로 사용하며 벙커유라고도 불린다.

상압잔유물(Atmospheric Residual) 대기압에서 증발되지 않는 모든 물질을 말한다. 잔유를 저압 하에서 재차 증류하면, 약간의 가벼운 물질이 분류되는데, 여기에는 윤활제와 왁스들이 여기에 포함된다.

진공잔유물(Vacuum Residual) 원유의 밑바닥에 있는 물질로 아스팔트와 코크스가 있다.

피치(Pitch) 검은색의 점도가 높으며 끈적끈적한 물질이다. 코올타르 또는 석유의 가벼운 물질들이 증류를 통해 날아간 후에 남겨진 물질로 아스팔트의 자연적인 형태를 말한다.

아스팔트(Asphalt) 원유에 있는 고비등점의 물질을 칭하는 말로, 석유가 증류된 후에 원유의 밑바닥에 남게된다.

타르(Tars) 코크스가 석탄으로부터 만들어지거나, 숯이 나무로부터 만들어질 때 생기는 부산물을 지칭하며, 고점도의 끈적끈적한 검은 유기 화합물질로, 원료는 다를지라도 피치나 아스팔트에 아주 유사한 성질을 지닌다.

사례연구 : 석유 채굴 및 정제

 

원유와 기술자(Oil & Engineers)

 

석유산업의 시작 이래로 오래되지 않아서 미국 대륙에 새로운 직업이 생겨났다. 1888년에 MIT와 같은 기술학교가 공학에 관하여 가장 명확히 강조하면서 기계공학과 화학 사이의 교차점을 가르치기 시작하였다. 이것이 화학공학의 태동이었고, 석유산업의 성장에 따라 강력한 결합을 형성하였다.

오늘날 모든 화공기술자(chemical engineer)의 절반이 석유산업에 종사하고 있다. 20세기에 이들 기술자는 이들 산업에 대해 아주 중요한 공헌을 하고 있다. 그러므로 석유산업은 화공기술자 직업에 대해 은혜를 입고 있다. 그러나 화공기술자는 이 직업을 얻음으로써 높은 명성과 임금에 대해 석유산업에 감사해야 한다.

 

 

 

 

현대의 정유기술(Modern Refining)

 

석유 정제기술은 현대 기술의 경이이다. 그 중에서도 배관의 미로(迷路), 증류탑(distillation column) 및 화학반응기는 원유(crude oil)를 부가가치가 높은 제품으로 전환시킨다. 대규모 정유공장은 수십억 달라가 소요되고, 수천명의 작업자를 채용하며, 24시간 내내 공장을 가동하고, 수백개의 축구 경기장 정도의 면적을 소요한다. 미국에는 일일 40에서 400,000 배럴(barrel)을 처리할 수 있는 정유공장이 약 300개가 있다. 이들 정유공장은 휘발유와 화학원료를 전국으로 내보내고 있다.

 

 

석유의 생산-정제의 진행과정

탐사(The Search) ⇒ 시추(Drilling)

⇙

수송(Transportation) ⇒ 저장(Reserves)

⇙

증류(Distillation)

 

 

원유의 증류(Distillation)

원유는 탄화수소(hydrocarbon)의 복합 혼합물이다. 이들 복합 혼합물에서 가치 창 출을 위한 첫 번째 단계는 탈염(脫鹽, de-salt)과 탈수(脫水, de-water)이다. 이때 원유는 가열되고, 대기압에서 작동되는 거대한 증류탑(상압 증류탑)으로 보내진다. 열은 재비기(reboiler)에서 얻게되고, 응축기(condenser)에서 제거되어 비점(boiling point)에서 분별되어 기름을 분리시키게 된다. 전형적인 상압 증류탑은 1일 약 4,000 m3(25,000 barrel)의 원유를 분리할 수 있다. 하부 생성물(bottom fraction)은 약 75 mmHg에서 작동되는 다른 탑(진공탑)으로 이송된다. 이 탑은 열분해 없이 가장 무거운 성분(heavy fraction)을 분리할 수 있다. 상압탑은 높이가 높은데 반하여 진공탑은 탑 내의 압력 변화를 최소화하기 위하여 짧고 두껍다. 진공탑은 직경이 40 ft(약 12 m) 이상도 될 수 있다.

 

 

어떤 성분을 만드는가? (Which Fraction to Make?)

여러 가지 성분이 연중 각기 다른 시점에서 더욱 중요하다. 여름철의 교통량이 많은 시기에는 휘발유가 더 소요되는 반면에 겨울철에는 연료유(등유 등)의 소비가 많다. 또한 이들 수요도 인구 분포에 따라 변할 수 있다. 현대의 정유공장은 이윤을 최대한 보장할 수 있도록 수요에 맞추어 생산 성분의 구성비를 조절할 수 있다.

 

 

 

 

정유공정의 주요 분리공정(The Five Pillars of Refining)

증류는 원유를 여러 가지 성분으로 분리할 수 있지만 화학반응기는 수요가 큰 제품을 더 많이 생산할 필요가 있다. 정유공장은 서로 다른 성분의 비로 변경할 수 있도록 4개의 주요 처리 단계에 따른다. 그 처리 공정은 접촉개질(Catalytic Reforming), 알킬화(Alkylation), 접촉분해(Catalytic Cracking), 및 수소화(Hydroprocessing) 이다. 이들 방법은 부분적으로 제품을 전화시킬 수 있는 반응기에 공급 반응물을 수반한다. 미반응된 원료는 증류탑에서 생산 제품과 분리시킨다. 미반응물은 다른 공정으로 회수되어 원료로 다시 공급된다. 이 과정에서 반응물은 완전히 전화될 수 있고, 반응물의 일부는 반응기를 통하여 다른 공정에서 전화된다. 증류공정과 함께 이 4개의 처리 공정이 석유 정제의 주축이 된다.

 

 

접촉개질공정(Catalytic Reforming)

이 공정은 자동차용 연료로 사용되는 고옥탄가 휘발유(high octane gasoline)을 생산한다. 가솔린과 나프타(naphtha) 원료를 500℃까지 가열하여 고정층 접촉반응기로 주입시킨다. 더 높은 옥탄가 성분(이 경우에는 주로 지방족 유기물)을 생성시키기 위해서 흡열반응으로 진행되기 때문에 온도 유지를 위한 가열기의 장착이 필요하다. 사용되는 촉매는 알루미나(Al2O3)를 기본으로 하는 백금(Pt) 금속이다. 촉매는 화학반응에 의해 소비되지 않으나 시간 경과에 따라 오염이 되거나 효율이 저하될 수 있다. 그래서 접촉개질 공정에 사용되는 반응기는 촉매의 재생 및 교체가 용이하도록 여러 개를 연속적으로 연결하여 사용한다.

 

알킬화 공정(Alkylation)

이 공정은 고옥탄가 가솔린을 생산하는 다른 한 공정이다. 이 반응은 저온(1～40℃), 저압(1～10기압)에서 산촉매(황산(H2SO4) 또는 불산(HF))를 필요로 한다. 산 함량은 고부식성의 혼합물을 만들도록 약 50%를 유지시킨다.

 

 

유동화접촉분해공정(Fluidized Catalytic Cracking)

접촉분해는 장쇄 분자를 포집하여 작은 분자로 끊어지도록 한다. 분해반응(cracking reaction)은 흡열반응으로 많은 열을 필요로 한다. 이 공정의 문제점은 반응이 촉매 표면에 탄체(coke)를 형성시켜 실리카(SiO2)와 알루미나(Al2O3) 촉매를 빠르게 오염시키는 것이다. 그러나 유동층(fluidized bed)을 사용하므로서 촉매가 서서히 상향으로 이동되고 이때 탄체가 연소되어 촉매는 연속적으로 재생되는 효과를 얻게 된다. 이 계는 분해반응기(cracking reactor)를 가열하는 발열 재생반응에 작용되어 많은 양의 열을 이용하는 부가적 이점이 있다. FCC 법은 정유산업에서 가열과 촉매 오염에 대한 부정적 요소를 극복한 아주 경제적 공정의 하나이다.

 

수소화공정(Hydroprocessing)

이 공정은 수소분해(hydro- cracking)와 수소첨가(hydrotreating) 기술을 포함한다. Hydrotreating은 원료를 작은 분자로 분해시키지 않고 분자에 수소를 첨가하는 공정이다. Hydrotreating은 325℃, 50 기압에서 진행된다. 많은 촉매가 사용되는데, 닉켈, 백금, 팔라디움(Pd), 코발트, 철 등의 금속이다. Hydrocracking은 350℃, 200 기압 이상에서 진행된다. 두 경우 모두 반응이 대단히 느리게 진행되기 때문에 긴 체류시간(residence times, 약 1시간)을 필요로 한다.

 

 

증류(Distillation)의 이해

화공기술자는 흔히 복합적인 화학 혼합물에 직면하게 된다. 이들 혼합물 속에는 몇몇 가지는 별로 값어치가 없고 독성이 있는 반면에 어떤 것은 상당한 가치를 지닌다. 방법에 따라서는 많은 돈을 들이지 않고 유효한 부분을 분리시키는 것이 중요하다. 이 중요한 분리 방법 중의 하나가 증류(distillation)이다. 증류는 고순도의 제품을 비교적 저비용으로 제조할 수 있다. 이와 같이 저비용으로 처리할 수 있는 장점 때문에 석유산업에서 분리 방법으로 채택되고 있다. 정유공장에서 하늘을 향한 탑들이 증류탑이다.

증류탑은 어떻게 작동되는가? 이것을 답하기 위해서는 먼저 세계가 어떻게 움직이나를 관찰하여야 할 것이고, 그때 왜 작동되어야 하는가를 알 수 있도록 하여야 한다. 최종적으로는 이윤을 추구하기 위한 지식을 어떻게 사용할 것인가를 생각해야 한다. 다음에 증류에 관하여 물리적 원리를 설명하는 2개의 실험을 제시하였다.

 

순수 성분의 증발(Vaporization of pure components)

물을 가득 채운 플라스크(1 kg 또는 2.2 파운드)를 전열기 위에 올려 놓았다고 가정하자. 물이 끓을 수 있도록 스위치를 넣고(약 5 kW의 전력), 물을 가열시키기 시작한다. 여기에 온도계를 꽂고 온도 변화를 관찰하도록 하자.

① Point A :

물이 전열기 위에 놓여 있다. 이때는 상온(70℉, 약 21℃)의 상태에 있다. 가열되기 시작하면서 이 상태는 오래 지속되지 못할 것이다. 온도가 비점(boiling point) 이하의 상태에 있으므로 이 액체를 sub-cooled 라고 한다.

② Point B :	물이 서서히 가열되기 시작한다. 물은 분명히 열을 흡수하는 능력을 가지고 있고, 그 열을 흡수하는 동안에 온도가 증가한다. (물의 열용량 4.2 kJ/kg℃)
③ Point C :	첫 번째 기포(수증기)가 바닥에 나타나기 시작하고 수표면으로 상승한다. 수증기가 물보다 밀도가 낮아서 기포가 상승하게 된다. 이것은 증기의 주어진 부피가 동량의 액체의 부피보다 항상 가벼운 것이라고 한다. 중력은 더 무거운 유체가 더 가벼운 유체를 치환한다는 것을 확인시키고 있다. 이것은 물을 가득 채운 유리잔으로도 같은 현상을 시험할 수 있다.
④ Point D:	계속적으로 끓이면 물이 수증기로 전환된다. 놀랄 일은 아니지만 온도계에 어떤 현상이 나타난다. 온도가 더 이상 상승하지 않고 멈추는 현상을 볼 수 있다. 즉 이 온도가 220℉(100℃)이다. 또한 끓는 수증기의 온도도 220℉ 이다. 아마도 전열기는 계속 작동되고 있고, 물보다는 훨씬 뜨거우며 열이 물 쪽으로 계속 흘러간다. 이것은 흡수된 열이 액체에서 증기로 이송되어 가는 것처럼 보인다. 이 열은 온도는 상승시키지 못하고 물을 수증기로 변환시키는 역할을 한다. 1765년에 Joseph Black이 이 현상을 관찰하였고, 이것을 숨은 열(hidden heat) 이라 불렀으나, 오늘날에는 같은 열을 잠열(latent heat) 이라 한다. 물을 수증기로 전환하기 위해서는 사실상 비등을 종료하기까지 많은 양의 시간과 열을 필요로 한다 (2257 kJ/kg). 동시에 수증기를 물로 전환시키는 경우도 동량의 열을 수증기에서 제거시켜야 한다.
⑤ Point E :	최종 마지막 한 방울의 물이 증발하고 나면 플라스크 속에는 수증기와 공기로 가득 찬다. 지금 온도는 다시 상승하기 시작하고 이때의 수증기는 과열(super-heated)되기 시작한다. 수증기는 물보다 열용량이 낮아서 온도는 급속히 상승하게 되어 대부분의 수증기는 플라스크을 빠져나가게 된다.
⑥ Point F :	플라스크 내의 증기의 온도는 계속 상승한다. 플라스크 내부의 증기와 통이 최종적으로 전열기와 같은 온도에 도달할 때까지 온도는 증가할 것이다. 이 점에서 더 이상 열은 흐르지 않고 온도도 일정상태를 유지하게 될 것이다.

 

 

관찰 정리 :

 

순수 성분은 열을 흡수하는 능력을 가지고 있고, 공정 중에 가열된다.

순수 성분은 비점(boiling point) 온도까지 이르러 끓는다. 이때는 열이 계속 가해져도 액체가 완전히 끓어 없어질 때까지 온도가 일정하게 유지된다.

끓는 동안에 열을 흡수하지만 액체나 수증기에서 온도증가는 없다. 이 숨겨진 열을 잠열 (latent heat) 이라 한다.

액체가 모두 끓어 없어지면 열원과 수증기가 같은 온도가 될 때까지 수증기의 온도는 다시 상승한다.

 

 

혼합물의 증발(Vaporization of mixtures)

이번에는 플라스크에 액체 혼합물을 넣고 앞서의 실험을 반복하여 보자. 이 혼합물 중의 하나는 술(위스키)을 선택하고, 한 병을 플라스크에 넣고 끓이도록 하자. 위스키는 약 50% 가량이 에탄올(ethanol), 나머지는 물로 구성되어 있다. 순수 에탄올은 173℉(78.3℃)에서 끓게 되지만 순수한 물과 같이 212℉에서 끓는 것이 아니기 때문에 혼합물을 가열하면 무엇이 어떻게 일어나는가는 명확하지 않다. 혼합물이 끓는 동안에 온도는 일정하게 유지될 것인가? 이 질문을 염두에 두고 혼합물을 가열하고 온도계를 관찰해 보도록 하자. 관찰 결과는 다음과 같이 정리할 수 있다.

 

 

 

① Point A :	에탄올과 물의 혼합물이 가열기 위에 놓여 있다. 액체는 아직 차가운 상태에 있고, 잠시동안 실험을 멈춘다고 가정하자.
② Point B :	혼합물은 순수를 가열했을 때보다 빨리 따뜻해진다. 이것은 순수 에탄올이 순수한 물보다 더 빨리 따뜻해지는 것으로 알고 있는 것같이 그렇게 놀랄만한 것은 아니다. 에탄올의 열용량(2.8 kJ/kg℃)이 물보다는 작으며, 순수 성분이 가지는 특성보다 혼합물의 특성이 다른 것으로 기대된다.
③ Point C :	첫 번째 기포가 플라스크의 바닥에서 나타나기 시작하고 표면으로 상승한다. 이 기포를 잡을 수 있다면 에탄올이 풍부해지는 것을 알 수 있다. 액체가 50%에탄올과 50%물로 되어 있어서 증기의 첫 번째 기포는 65% 이상의 에탄올이다. 이는 놀랄만한 일이고 무엇인가를 알 수 있다. 에탄올의 끓는점(비점)이 더 낮기 때문에 먼저 끓게 된다. 첫 번째 기포를 형성하는 온도이기 때문에 이 온도(약 176℉, 약 80℃)를 비점이라 한다.

 

④ Point D:	에탄올과 물이 계속적으로 끓는다. 그러나 온도는 일정하게 유지되지 않는다. 반면에 천천히 상승하게 된다. 아직도 잠열(latent heat)이 존재하고, 온도 증가가 천천히 일어나고 있으나 이 현상은 순수 물만 일 때처럼 분명하지는 않다. 액상(liquid phase)은 더 높은 비점을 가지는 물이 많아지기 때문에 온도는 상승한다. 첫 번째 기포가 주로 에탄올이었기 때문에 이 액체 풍부화(豊富化)가 일어났고, 그래서 물의 대부분은 이면으로 들어간다.
⑤ Point E :	액체의 마지막 한 방울이 완전히 물로 되고, 최종적으로 끓어 없어지게 된다. 액체를 끓이는 대신에 증기를 응축시킨다면 액체의 첫 번째 방울을 형성하는 온도가 되므로 이 온도를 이슬점(노점, dew point, 약 185℉, 약 85℃)이라 한다. 응축되는 액체의 첫 번째 방울은 대부분(84%)이 물이다.
⑥ Point F :	플라스크 내의 증기의 온도는 가열기와 같은 상태까지 계속 상승한다.

 

 

관찰 정리 :

 

혼합물은 열을 흡수하는 능력을 가지고 있어서 공정에서 서서히 가열된다.

혼합물은 끓는점(비점)의 온도에 도달할 때 끓는다. 이슬점에서 마지막 한 방울의 액체가 증 발할 때까지, 또한 잠열이 아직도 있는 한 온도는 서서히 상승한다.

비점에서 생성된 증기는 더 낮은 비점을 가지는 성분(여기서는 에탄올)이 주류를 이룬다.

액체의 마지막 부분은 높은 비점을 가지는 성분(여기서는 물)이 주류를 이룬다.

액체가 모두 끓어 없어지면 증기 혼합물의 온도는 다시 증가한다..

 

회분증류(Batch distillation)

 

플라스크와 가열기를 회분증류 장치로 옮겨보자. 증기를 액체로 쉽게 포집할 수 있는 응축기(condenser)가 필요하다. 증기가 제일 위쪽에 도달하기 전에 고비점 성분은 응축되어 분리가 촉진될 수 있도록 긴 탑(column)dmd 이용하는 것이 바람직하다. 그래서 긴 탑을 통과하는 저비점 증기는 응축기에서 액체로 응축하게 된다. 최종적으로 다른 분별 용기(vessel)를 사용하여 원래의 혼합물은 각기 다른 성분으로 분리된다. 다른 방법으로 나타내어도 열을 이용하는 증류탑은 비점을 기초로 혼합물 중에서 각각의 성분을 분리시키는 원리는 같다.

 

 

 

연속증류(Continuous Distillation)

산업혁명(Industrial Revolution)의 특성 중의 하나는 소규모의 회분조작(또는 수공업)으로부터 대규모의 연속적인 대량생산(공장규모)으로 전이된 것이다. Ford 자동차 생산라인을 대량생산(mass production)의 대표적인 예로 꼽을 수 있다. 그러나 이와 같은 변화는 화학산업에서도 일어났다. 노동집약적인 회분증류는 더 많은 화학제품을 생산하는 연속증류 방식으로 개체되었다. 대량생산으로 인해 기술은 “Model T" 자동차의 가격을 획기적으로 저하시켰던 것처럼 기계를 작동시키는 가솔린의 가격도 획기적으로 저하시켰다.

 

연속 증류탑에는 2 가지 주요 형태가 있는데, 이들의 기본적인 조작 방법은 동일하다. 두 방법 모두 액체가 연속적으로 탑에 공급되고, 전체 재료의 일정량을 서로 함유하는 두 흐름[탑상생성물 또는 증류물, 유출물(distillate)과 탑저생성물 또는 잔류물(bottom)]이 연속적으로 제거된다. 열은 재비기(또는 재가열기, reboiler)에서 가해지고 응축기(condenser)에서 제거된다. 재비기는 액체의 일부를 증발시키고, 이때 탑의 상부에서 재응축된 액체는 유도되는 길을 따라 하부로 흐르게 된다. 따라서 고비점 성분은 남아 있게 되고, 증류물(또는 탑상생성물, distillate)은 아주 순수하게 된다. 분리공정을 더욱 촉진시킬 수 있도록 액체 증류물의 일부눈을 다시 탑으로 되돌려 보내기도 한다. 이것을 환류(reflux)라고 하고 증류물의 순도를 높이기 위하여 공정에 이용된다. 탑의 두 가지 형태는 다음과 같다.

 

단 탑 Tray Columns

위의 그림에 나타낸 탑의 종류이다. 이 탑은 증기와 친밀하게 접촉될 수 있도록 물리적으로 분리된 액체 pool을 가지고 있다. 증기는 이 pool의 상향으로, 액체는 하향으로 흐르도록 기포탑에 주로 사용된다. 각 단(tray)은 모두 평형상태로 조작된다.

충전탑 Packed Columns

이 탑은 말발굽 또는 원통 모양의 충진물을 탑 속에 채워 액체와 증기의 접촉이 원활하도록 만든 탑이다.

 

 

회분증류에서 증류물과 잔류물의 조성은 시간에 따라 변하는데 반하여 연속 증류탑은 정해진 위치에서의 조성은 시간에 따라 변하지 않는 정상 조 건하에서 조작된다. 이 정상상태 조작은 거의 모든 연속 장치 조작에 적용된다. 조성이 탑의 위치에 따라 다르므로 정해진 위치에서 제품을 얻을 수 있고, 각 단은 서로 다른 성분의 조성을 가지게 된다. 그러므로 탑의 최상단은 저비점의 성분, 최하단은 고비점의 성분이 주요 조성이 된다.

 

오늘날의 화학공학

(Todays in Chemical Engineering)

 

◉ 화학공학이란?

화학공학은 물질이 화학적 또는 물리적으로 변화하는 공정을 포함하는 산업과 그 외 다른 부문들을 다루는 기본적인 학문 분야다. 화학공학의 특성은 생산 수준의 화학 반응에 관한 업무라는 것이다. 어떤 때는 하루에 수천 톤에 이르기도 한다. 화학공학에 컴퓨터, 생물 공학, 온도와 압력의 극한 조 건, 전자 제어 시스템, 고급의 재료 등이 어떻게 사용될 것인지는 그리 상상하기 어렵지 않다.

화학 공학은 대체로 원료를 알맞은 상태로 준비하고, 반응이 일어날 수 있도록 하고, 증류나 그와 유사한 공정을 이용하여 생성물을 분리, 정제하고, 폐기물을 처리하는, 결국 사람들에게 필요한 무엇인가를 만들어 냄으로써 원료에 가치를 더하는 일을 한다.

 

◉ 화학 공학자가 하는 일

졸업 후 화학공학자 들은 종종 공정 산업의 "의사" 역할을 하게 된다. 다시 말하면 그들은 문제점을 진단하고, 더 나은 실행 방법을 추천하고, 공정의 질을 높이는 데 관련한다. 이는 졸업생들이 빠른 시간 내에 공정에 대해 아주 값진 경험을 쌓게 해 준다. 그들은 대형 공장의 건설을 감독하고 그러한 공장의 가동과 제어를 담당한다.

그들은 때로는 완전히 새로운 무언가를 만들기 위해, 때로는 작업을 개선하기 위해 공장을 설계한다. 그들은 다양한 유형의 사람들과 같이 일하게 되며 종종 고위 경영직으로도 근무하게 된다. 주된 활동은 아니라 하더라도 때로는 연구 개발에 참여하기도 하고 또한 자주 해외로 여행을 하기도 한다. 그리고 모든 활동에 있어서 화학공학자들은 지출 비용, 생성물의 가치에 비한 원료와 인적 자원의 가치를 고려해야만 한다.

 

 

◉화학 공학자가 종사하는 산업

대부분의 화학공학자는 자동 제어하의 연속적인 흐름 공정에 의해 제품을 만드는 산업에 종사하게 된다. '화학' 공학자라는 이름은 이런 유형의 공학이 처음 나타난 것이 화학 산업이었기 때문에 붙은 것이다.

 

화학 약품과 의약품 : 비료의 생산은 일주일에 수천 톤에 이르는 대규모 화학 생산의 한 예이다. 반면 생명을 구하는 데 쓰이는 몇몇의 의약품은 한 번에 몇 킬로그램씩밖에 만들어지지 않는다.

 

음식물 : 냉동 건조는 화학 공학자가 식품의 보존에 기여한 것 중 일부에 지나지 않는다. 제빵과 양조는 화학 공학적 원리가 그 핵심이 되는 제조 공정들이다. 동물 사료와 사람의 건강 보충식으로 쓰이는 합성 단백질은 이제 석유를 주성분으로 하여 만들어지고 있다.

 

석유, 석유 화학 제품과 플라스틱 : 화학 공학적 공정에 의해 정제된 연료와 윤활유는 오늘날의 운송에 있어 기초가 되며 인조 섬유, 이에 색을 입히는 염료, 합성 세제, 광범위의 플라스틱 등도 석유 관련 산업에 의해 제조된다.

 

금속 : 화학공학자 들은 철과 같이 전통적인 금속이나 티타늄과 같이 새로운 금속을 얻는 새로운 방법을 개발하였다. 선철을 강철로 바꾸고, 보오크사이트로부터 알루미늄을 얻고, 구리를 정제하는, 이 모든 일들은 화학 공학 공정에 의해 이루어진다.

 

에너지 : 지금 우리가 당연한 것으로 여기는 석유는 미래의 어느 때엔가 희박해질 것이고 그 때 화학공학자 들은 대체 연료와 에너지 자원 (곡물에서 알콜을, 이암과 석탄에서 기름을, 폐기물에서 가스를 얻고, 태양 에너지를 효율적으로 이용하는 방법 등)을 개발해야 할 것이다.

 

공장 설계와 건설 : 어떤 화학공학자 들은 다른 화학공학자 들이 조작을 할 수 있도록 전세계적으로 공장을 설계하고 건설하는 국제 계약자를 위해 일한다. 이런 영역에서 일하는 공학자 들은 개발 도상국과 선진국들을 직접적으로 도울 수 있다.

 

일반 부문

 

설계 공학자(Design Engineer)들은 규모와 작업 온도, 압력, 설비의 각 단위에 따른 유속 등을 결정하고, 완벽한 공장을 만들어 내기 위해 대체로 컴퓨터 모델을 이용하여 위의 사항들의 상호 관련을 연구한다.

 

기획,설계 공학자(Project Engineer)들은 새로운 공장의 건설을 시작부터 끝까지 관리한다. - 약 2년 가량 걸린다. 그들은 과학자, 제도공, 다른 공학자, 공급자, 회계사들과 대등하게 일한다.

 

생산 관리자(Production Manager)들은 필요로 하는 제품을 안전하고 효율적으로 만드는 데 책임이 있다. 그들은 원료와 인적 자원, 에너지 사용, 설비 보수, 노사 관계 등을 조정한다.

 

제어 공학자(Control Engineer)는 설계와 기계 설치, 공장 제어 시스템을 전문으로 다루며 컴퓨터와 마이크로프로세서를 다루기도 한다. 이들은 디자인, 프로젝트, 플랜트 엔지니어들과 밀접하게 관련되어 일한다.

 

플랜트 엔지니어(Plant Engineer)는 생산 관리자에게 기술적인 지원을 해 준다. 이들은 문제 해결과 개선, 수정 등의 일을 한다.

 

연구 개발(Research and Development) 공학자 들은 더 싸고, 더 효율적으로 원료와 에너지를 더 적절히 사용하여 제품을 만드는 방법을 찾는다. R & D 공학자는 대부분 대학원 과정을 마친 사람들이다.

 

화학 공학이 도전하는 새로운 분야

즐겁고 만족스러운 직업을 가지기 위해 삶의 도전을 받아들인다는 것은 가치 있는 일이다. 화학 공학이 맞고 있는 몇 가지 도전 분야는 다음과 같다.

 

식품을 생산하기 위해서는 토양을 위한 영양분과 농작물의 손실을 감소시켜줄 제초제, 살충제가 필요하다. 세계적으로 여전히 남아있는 식량 자원의 심각한 불균형은 합성 식품으로 원 조는 받을 수 있으며 전 세계의 단백질 요구 또한 생물 화학 공학의 기술을 이용한 합성으로 충족될 수 있다.

에너지는 1970년대에는 보존을 강조하던 몇몇 국가의 합의된 행동에 의해 국제 석유 가격은 1100%나 올랐다. 화학공학자 들은 산업의 여러 영역에서 에너지 절약 프로그램을 개발하는데 책임이 있었다.

 

환경은 보호되어야만 한다. 미래 세대의 환경은 우리의 행동에 달려 있는 것이다. 화학공학자는 환경을 오염시키지 않는 깨끗한 기기를 설계하고 조작하여 우리가 살고 있는 이 세계를 보호하는 데 일조한다. 무연 (lead free)연료로 동작되는 자동차에 설치된 무공해 기기는 화학 반응기이며 화학공학자들은 더 좋은 촉매 반응기를 개발하기 위한 선두에 있다는 것을 기억하자.

 

컴퓨터는 거의 모든 공장, 상점, 사무실에서 사용된다. 아마도 여러분은 학교에서나 비디오 게 임의 일종에서 컴퓨터를 사용하고 있을 것이다. 화학공학자 들은 컴퓨터를 만드는 일과는 상관이 없지만 다가오는 많은 도전들에 잘 대응하기 위해서는 컴퓨터를 어느 정도 사용할 줄 알아야 한다. 대부분의 공장이 화학 공학자의 교육, 경험과 더불어 다양한 컴퓨터 프로그램의 도움을 받아 설계되고 그리하여 효율을 높이게 된다.

 

그 외의 분야 화학공학 교육의 다재다능함은 비전문 분야에서의 화학공학자에 대한 수요를 보면 알 수 있다.

 

재정 (Finance). 화학 공학 교육은 경제적 분석 능력을 발달시켜준다. 다양한 공정산업에의 확실한 이해와 함께 이 능력은 머천트 뱅크(주 : Merchant Bank - 환어음 인수, 사채 발행을 주업무로 하는 금융 기관), 보험 회사 또는 다른 재계 기구에 화학 공학자가 프로젝트 분석가로써 고용될 수 있도록 해준다.

경영 업무 (Management Services). 경영에 있어서의 결정은 종종 기술적인 문제, 시장의 상황, 최적화 등을 포함한 불확실성 때문에 복잡하다. 화학공학자 들은 그들의 분석적 능력을 사용하여 논리적이고 복합적인 방식으로 이러한 불확실성에 달려드는 데 적격이다.

인사 (Personnel). 많은 회사의 인사 담당계는 여러 분야의 사람들과 같이 일해본 경험이 있을 뿐 아니라 기술적인 배경도 갖추고 있는 화학공학자 들이 맡고 있다.

판매 (Marketing). 공정 산업으로부터 생산된 제품은 국내외 모두에서 판매되어야 한다. 마찬가지로 공장의 기계나 컴퓨터의 소프트웨어도 판매를 필요로 한다.

약품 (Medicine). 생물 의학 산업은 규모는 작지만 반드시 필요한 것이다. 인간의 몸은 복잡한 화학적, 물리적 공정을 포함한 공장과도 같으며 화학공학자들은 인공기관, 혈액 순환의 문제, 소화 시스템, 그리고 - 당연히 - 의약품 생산에 대한 연구개발 작업에 참여하고 있다.