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화공양론
국준원 교수
연세대학교 화공생명공학 박사졸업
연세대학교 화공생명공학 박사졸업
현) 유니와이즈 전임교수
전공 및 연구분야) 식품 또는 천연물 소재를 활용하여
core-shell 구조의 고분자(또는 lipid) 나노입자 합성 및 특성
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총 8개 챕터, 27강으로 구성되어 있습니다.
| 제목 | 강의시간 | 상세내용 |
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| 오리엔테이션 | ||
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[1강] OT
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14:
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화공양론 오리엔테이션: 정의, 물질수지, 커리큘럼
• 화공양론: 화학공학의 기본 원리와 계산을 다루는 학문으로, 공정 설계를 위한 물질 및 에너지 수지 분석을 목표. • 물질수지(Material Balance): 공정 투입(Input)과 산출(Output) 관계를 분석하여 비반응·반응 시스템의 양적 관계를 계산하는 기본 원리. • 에너지수지(Energy Balance): 생성열·반응열을 포함한 에너지 변화를 계산하고, 정상·비정상상태, 다상계 평형 등 복합 공정 조건을 해석. |
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| 1장. 서론 | ||
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[2강] 화학공학과 생물공학의 개요
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화학공학과 생물공학의 역사, 분야 및 미래 기여
• 화학공학 및 생물공학 발전사: 소다회·발효 등 전통 산업에서 시작하여 나노기술, 유전자 조작 등 첨단 분야로 확장 • 화학·생물공학 엔지니어 역할: 공정 설계 및 운영을 중심으로 타 분야와 협업하며, 두 학문 분야의 융합 추세 반영 • CO2 포집 및 저감 기술: 액화·석출·아민 흡착 방식을 활용한 지구온난화 문제 해결 핵심 기여 |
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[3강] 기초 개념(단위 시스템, 단위 환산, 차원 일관성, 유효숫자)
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화공학 기초: 단위계, 단위 환산, 차원 일관성
• 단위와 차원: 물리량 표현을 위한 SI, AE 단위계의 기본 및 유도 단위 체계 정의 • 단위 환산: 환산 계수(conversion factor)를 이용한 단위계 간 변환 절차 • 차원 일관성: 수식 항들의 차원 동일성 원리 및 레이놀즈 수 등 무차원군 개념 |
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[4강] 기초 개념(결과 검증, 물과 분자량, 계산 기준 선택, 밀도와 비중)
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화공학 기초 개념: 몰, 분자량, 밀도, 비중
• 화공학 기본 단위: 몰(mole)과 분자량(MW)을 정의하고, 이를 바탕으로 질량·몰분율을 계산하는 원리. • 밀도와 비중: 질량과 부피의 관계를 나타내는 밀도(ρ)·비용·비중(sp.gr.)의 개념과 단위 정리. • 화공학 계산 기준: 문제 풀이 효율을 위한 계산 기준(basis) 설정법과 단위 환산(SI, AE) 적용 방법. |
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[5강] 기초 개념(농도, 온도, 압력과 정수두, 유속) 및 물질수지 입문
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농도, 온도, 압력 단위 변환 및 물질수지 기초
• 농도·온도·압력 단위: 혼합물 비율(질량/몰분율), 열역학적 상태(상대/절대온도), 단위면적당 힘(압력)의 정의 및 상호 변환 체계 • 물질수지 원리: 질량 보존 법칙에 기반하며 '유입량 + 축적량 = 유출량'을 기본 방정식으로 사용한 공정 분석 기법 • 공정 시스템 분석: 분석 대상(계)을 물질 이동(개방/폐쇄계)과 시간 변화(정상/비정상상태)에 따라 분류하여 물질수지식 적용 |
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| 2장. 물질수지 | ||
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[6강] 물질수지 문제의 일반 해법(1), (2)
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물질수지 문제의 일반 해법 및 자유도 분석
• 물질수지 문제 해결법: 공정도 작성, 계산 기준 설정, 변수 식별, 자유도 분석을 포함하는 체계적인 문제 접근 절차 • 자유도 분석: 미지 변수 수(NU)와 독립 방정식 수(NE)를 비교(ND = NU - NE)하여 문제의 해결 가능성을 판단하는 핵심 도구 • 정상상태 물질수지식: '도입량 = 배출량' 원칙에 따라 총괄 수지 및 각 성분 수지를 수립하여 연립 방정식을 구성하는 기본 원리 |
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[7강] 비반응 물질수지
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비반응계 물질수지: 정상 및 비정상상태 공정 예제 풀이
• 비반응계 물질수지: 정상상태(유입=유출)와 비정상상태(축적=유입-유출)로 구분하여 공정의 기본 원리를 적용. • 문제 해결 절차: 분석할 계(System)와 계산 기준(Basis)을 설정한 뒤, 전체 및 성분별 수지식을 구성하는 과정. • 성분 수지식 계산: 미지 유량이나 조성(질량/몰 분율)을 구하기 위해 각 화학 성분에 대한 방정식을 세워 연립 풀이. |
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[8강] 반응을 포함하는 물질수지(1)
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반응 포함 물질수지: 화학량론과 반응진행도
• 화학량론: 반응식의 양론계수를 이용해 반응물과 생성물의 양적 관계를 계산하는 원리 • 반응진행도(ξ): 반응 전후 물질의 몰수 변화를 양론계수로 정규화하여 반응 진행 정도를 나타내는 척도 • 한계반응물: 최대반응진행도(ξmax) 값이 가장 작아 먼저 소모되며, 반응의 이론적 최대 수율을 결정하는 물질 |
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[9강] 반응을 포함하는 물질수지(2)
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반응 포함 물질수지: 전화율, 선택도, 수율, 반응진행도 계산
• 전화율·선택도·수율: 한계반응물 기준으로 반응 효율과 생성물 분포를 평가하는 핵심 지표. • 반응진행도(ξ): 반응에 참여하는 모든 화학종의 몰수 변화를 양론계수와 단일 변수로 표현하는 계산 도구. • 화학종 몰수지 계산: 주어진 전화율로 반응진행도를 산출하고, 이를 몰수지 식에 적용하여 생성물 조성을 예측하는 절차. |
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[10강] 반응을 포함하는 물질수지(3)
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반응 포함 물질수지: 원소수지와 연소계산
• 원소 물질수지: 반응식이 불명확한 공정에서 원자 보존 원리를 이용, 각 원소 단위로 물질수지를 계산하는 방법. • 연소계 물질수지: 완전연소·이론공기·과잉공기 등 핵심 개념을 바탕으로 연소 반응의 입출력 관계를 분석. • 과잉공기: 실제 연소 반응과 무관하게 완전연소를 기준으로, 이론공기량 대비 초과 공급된 공기의 비율을 계산하는 핵심 지표. |
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[11강] 복합장치 계에 대한 물질수지(1)
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복합장치계 물질수지: 반응 유무에 따른 정상상태 공정 분석
• 복합장치계 물질수지 설정: 총괄 또는 부분계 경계를 설정하여 독립적인 수지식을 수립하는 절차. • 반응 없는 공정 물질수지: 각 장치별 성분수지를 통해 미지 흐름을 계산하는 분석법. • 반응 있는 공정 물질수지: 복잡한 화학 반응계에서 화학종 대신 원소수지를 적용하는 문제 해결 방식. |
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[12강] 복합장치 계에 대한 물질수지(2)
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복합장치계 물질수지: 순환, 우회, 퍼지 흐름
• 순환 흐름 (Recycle): 미반응물의 이용률 향상을 위해 공정 흐름을 재주입하는 절차로, 총괄전화율과 1회 통과 전화율로 효율을 분석. • 우회 흐름 (Bypass): 최종 생성물의 조성을 조절하기 위해 일부 흐름이 특정 단위를 건너뛰고 후속 흐름과 합류하는 공정. • 퍼지 배출 흐름 (Purge): 순환 흐름 내 불활성 물질 축적을 방지하고 공정 효율 저하를 막기 위해 흐름의 일부를 외부로 배출하는 절차. |
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| 중간고사 대비 특강 | ||
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[13강] 중간고사 대비 개념정리 및 실전문제풀이(1)
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화공양론 물질수지 개념 및 문제 풀이
• 물질수지 기본 원리: '유입량 + 축적량 = 유출량' 방정식을 통해 특정 계(System) 내 물질의 흐름을 정량화하는 핵심 개념. • 정상상태와 비정상상태: 계 내부 축적량(Accumulation)의 유무를 기준으로 공정 상태를 구분하고 'Input = Output' 등 적용할 수지식을 결정하는 기준. • 자유도 해석: 미지 변수와 독립 방정식의 수를 비교하여 문제 풀이의 가능 여부를 사전에 판단하는 체계적 분석 절차. |
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[14강] 중간고사 대비 개념정리 및 실전문제풀이(2)
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화학량론: 반응진행도, 물질수지 및 공정 계산
• 화학량론과 물질수지: 반응진행도를 이용해 화학 반응의 양적 관계를 계산하는 기본 원리 • 전화율·선택도·수율: 한계반응물을 기준으로 화학 공정의 효율을 평가하는 핵심 지표 • 복합 및 순환 공정: 총괄 전화율과 1회 통과 전화율을 구분하여 시스템 전체의 물질수지를 분석 |
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| 3장. 기체, 액체, 증기 | ||
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[15강] 이상기체 및 실제기체 상태방정식
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이상기체 및 실제기체 상태방정식과 물질수지
• 이상기체 상태방정식: 압력(p), 부피(V), 몰수(n), 절대온도(T)의 관계($pV=nRT$)를 정의하며 물질수지 계산의 기초로 활용. • 압축인자(z): 실제기체의 비이상성을 보정하는 계수로, 실제기체 상태방정식($pV=znRT$)에 도입하여 계산 정확도를 향상. • Kay의 방법: 실제기체 혼합물의 유사임계물성(p'c, T'c)을 계산하여 혼합물 전체의 압축인자를 결정하는 절차. |
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[16강] 다상계 평형(1)
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다상계 평형: 상도표, 상률 및 증기압
• Gibbs 상률: 화학 반응 없는 평형계의 자유도(F=2-P+C)를 계산하는 규칙. • 상도표: 온도와 압력에 따른 물질의 상 변화를 삼중점, 임계점 등으로 시각화한 도표. • 증기압 추산: 수증기표의 선형 보간법 또는 Cox 선도를 이용해 특정 조건의 평형 압력을 계산하는 방법. |
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[17강] 다상계 평형(2)
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다상계 평형: 증기압, 이슬점 및 이상용액
• Raoult의 법칙: 이상용액에서 성분의 분압을 액상 몰분율과 순수 증기압의 곱으로 정의하는 기액 평형의 기본 원리. • 기액 평형비(K값): 특정 성분의 기상 몰분율과 액상 몰분율의 비($y_i/x_i$)로, 분배계수 역할을 하는 핵심 평형 파라미터. • 기포점 및 이슬점 계산: K값을 이용해 주어진 액상($\sum K_i x_i = 1$) 또는 기상($\sum y_i / K_i = 1$) 조성에서 상변화 온도를 결정하는 절차. |
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| 4장. 에너지 | ||
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[18강] 에너지 수지식에 포함되는 에너지의 형태(1)
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에너지수지식의 구성 요소: 열, 일, 각종 에너지
• 에너지 함수의 종류: 경로에 의존하는 열(Q)·일(W)과 상태에만 의존하는 내부에너지(U)·엔탈피(H)로 구분. • 열(Q)과 일(W): 온도차 또는 힘에 의한 에너지 전달 형태로, 부호 규약과 경로별(정압, 등온) 계산식 적용. • 내부에너지(U)와 엔탈피(H): 각각 정용열용량(Cv)과 정압열용량(Cp)을 이용해 온도 변화에 따른 변화량 산출. |
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[19강] 에너지 수지식에 포함되는 에너지의 형태(2)
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반응 없는 계의 에너지 수지식: 폐쇄계와 개방계
• 폐쇄계 에너지 수지: 물질 이동이 없는 계의 에너지 변화를 내부에너지($\Delta U$) 변화 중심으로 분석하는 수지식. • 개방계 에너지 수지: 물질 흐름을 포함하는 계의 에너지 변화를 엔탈피($\Delta H$) 변화 중심으로 분석하는 수지식. • 에너지 수지식 단순화: 정상·비정상상태, 단열 등 계의 조건에 따라 일반식을 변형하여 문제에 적용하는 핵심 원리. |
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[20강] 반응이 있는 공정의 에너지수지
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반응 공정의 에너지 수지: 표준생성열, 반응열, 발열량
• 표준생성열과 표준반응열: 표준상태(25℃, 1 atm)에서 화합물 생성 및 반응 시의 엔탈피 변화량 정의 및 Hess 법칙을 이용한 계산 • 비표준 온도 반응열 계산: 기준 온도 반응열에 반응물 냉각 및 생성물 가열에 필요한 현열 변화를 합산하여 총 엔탈피 변화 계산 • 연소열과 발열량: 연료의 완전 연소 시 엔탈피 변화 정의 및 생성물인 물의 상태(액체/기체)에 따른 고발열량(HHV)과 저발열량(LHV) 구분 |
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[21강] 습도선도와 이용
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습도선도의 이해와 물질 및 에너지 수지 적용
• 습공기 상태 변수: 건구온도, 습구온도, 상대습도, 이슬점 등 습공기의 열역학적 상태를 정의하는 핵심 지표. • 습도선도(Psychrometric Chart): 습공기 상태 변수 간 관계를 도식화하여 가열, 단열 냉각 등 공정 변화를 해석하는 도구. • 물질 및 에너지 수지: 습도선도에서 파악한 비엔탈피와 습도를 이용해 냉각탑과 같은 공정의 열량 및 유량을 계산. |
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| 기말고사 대비 특강 | ||
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[22강] 기말고사 대비 개념정리 및 실전문제풀이(1)
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이상기체, 물질수지, 상평형의 원리와 응용
• 이상기체 법칙과 물질수지: 기체의 상태(p,V,n,T) 관계식($pV=nRT$)을 활용하여 연소 공정의 원소 수지를 계산하는 원리 • 실제기체 보정과 공정 흐름: 압축인자(z)와 Kay의 규칙을 통한 비이상성 보정 및 우회(Bypass)·퍼지(Purge) 흐름의 기능 • Gibbs 상률: 자유도($F=2-P+C$) 계산을 통해 계의 상(Phase)과 성분(Component) 수에 따른 평형 상태를 규정하는 원리 |
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[23강] 기말고사 대비 개념정리 및 실전문제풀이(2)
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에너지 수지의 기본 원리와 정상/비정상상태계 적용
• 에너지 수지 기본 개념: 열(Q)과 일(W) 등 경로 함수, 내부에너지(U)와 엔탈피(H) 등 상태 함수의 정의 및 구분 • 폐쇄계 에너지 수지: 물질 이동이 없는 계의 에너지 보존 원리로, 내부에너지 변화(ΔU)를 중심으로 Q+W 관계를 분석 • 개방계 에너지 수지: 물질 흐름이 있는 계의 에너지 보존 원리로, 정상상태에서 엔탈피 변화(ΔH)를 중심으로 Q+W 관계를 분석 |
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[24강] 기말고사 대비 개념정리 및 실전문제풀이(3)
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반응열 계산: 표준생성열, 반응진행도, 습도선도 활용
• 표준반응열 계산: 표준생성열 데이터 기반으로 생성물과 반응물의 엔탈피 차이를 계산하고, 반응진행도로 불완전 반응 정량화. • 비등온 공정 에너지 수지: 표준반응열과 각 물질의 현열 변화를 통합하여 입출구 온도가 다른 공정의 총 엔탈피 변화 계산. • 습도선도 활용: 습공기의 열역학적 특성(습구온도, 엔탈피 등)을 도표로 파악하여 냉각탑과 같은 공정의 물질 및 에너지 수지 해석. |
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| 5장. 보충 | ||
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[25강] 정상상태 프로세스의 자유도 해석, 용해열과 혼합열
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정상상태 자유도 해석과 용해열 및 혼합열 계산
• 정상상태 자유도 해석: 공정 변수(Nv)와 독립식(Ne) 수를 비교하여 시스템의 수학적 규정 가능성을 분석하는 방법론. • 용해열 및 혼합열: 용질과 용매 혼합 시 발생하는 엔탈피 변화로, 비반응 공정의 에너지 수지를 계산하는 핵심 변수. • 혼합 공정 에너지 수지: 입출력 흐름의 엔탈피 계산 시, 표준 생성열, 용해열, 현열 변화를 모두 고려하여 총 열량(Q=ΔH)을 산출. |
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[26강] 기계적 에너지수지
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기계적 에너지 수지: 가역/비가역 과정과 일의 계산
• 가역/비가역 과정: 미소 변화로 상태 복원이 가능한 이상적(가역) 과정과 에너지 소산으로 복원이 불가한 실제(비가역) 과정의 개념적 구분 • 정상상태 기계적 에너지 수지: 운동·위치에너지, 일, 마찰 손실을 통합한 개방계 에너지 보존 법칙 및 베르누이 방정식과의 관계 정의 • 폐쇄계와 개방계의 일: 폐쇄계(회분)는 부피 변화(-∫pdV)로, 개방계(흐름)는 압력 변화(∫Vdp)로 가역적 일을 계산하는 방식의 차이 요약 |
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[27강] 고체에 대한 기체와 액체의 흡착평형, 비정상상태의 물질수지&에너지 수지식
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흡착 평형과 비정상상태 물질/에너지 수지
• 흡착등온선: 고체 표면의 기체/액체 흡착 평형을 정량화하는 Freundlich(경험식) 및 Langmuir(이론식) 모델. • 비정상상태 거시적 수지식: 시간에 따라 변하는 시스템의 물질/에너지 변화를 '축적 = 유입 - 유출 + 생성 - 소모' 원리로 정의. • 물질 및 에너지 수지 미분방정식: 비정상상태 공정을 해석하기 위해 수지식을 미분방정식으로 유도하고 변수분리를 통해 해를 구하는 절차. |
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국준원 교수님
화공양론
