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Plant Design Professor Zhoh 7장 컴퓨터를 활용하는 설계 7.1 컴퓨터 프로그램 7.2 민감도 7.3 컴퓨터 프로그램의 평가 7.4 스프레드 쉬트 7.5 공정장치 설계 프로그램 7.6 물성자료 프로그램 7.7 흐름도작성 프로그램 Plant Design 7장 공정개발과 설계 7.1 컴퓨터 프로그램 1. 시행착오 문제 계산비용은 초기 시작점, 최적화 하는 과정, 원하는 정확도에 따라 갈라진다. 2. 빈번하게 사용되는 문제 반복계산은 컴퓨터를 써야 한다. 동일한 데이터로부터 자본회수기간과 총자본회수율을 구할 수 있다. 3. 시간에 따라 변하는 정보 구입하는 장치의 개수와 형태에 따라 가격이 달라지며, 주어진 시점에서 장치의 각 부분에 대한 구입비는 표준형, 표준치수로 저장 할 수 있다. 변화가 있을 때마다 프로그램을 점검하여야 한다. 4. 시뮬레이션 많은 제약 조건들을 가지고 수행되는 수학적인 근사 5. 정상상태 공장 시뮬레이션 여러가지 변화에 대한 화학공장의 응답을 근사화 하는데 필요한 방정식 대부분 정상상태 시뮬레이션 6. 동적 공장 시뮬레이션 정상상태 설계는 운전중 교란에 대한 상황들을 고려하지 않는다 7. 공정설계 장치가 명시되지 않고 어떤 특정 관점에서 주어지는 제약 조건하에서 장치의 설계조건들을 구해야 한다. Plant Design 7장 공정개발과 설계 7.2 민감도 모든 프로그램에서 어떻게 각 변수들이 최종 결과에 영향을 주는가를 결정 최적 설계를 얻기 위해 가장 철저히 조사되어져야 할 변수 Plant Design 7장 공정개발과 설계 7.3 컴퓨터 프로그램의 평가 1. 프로그램을 컴퓨터에 맞게 작성해야 한다 2. 프로그램 설명서를 자세히 검토 3. 프로그램 구성 시에 논리적 과정을 자세하게 설명(가정, 최적화 등) 4. 설명서에서 입력과 출력 형태를 알려준다 5. 평가자는 제약조건들, 답의 정확성, 해를 얻기까지의 시간등을 점검 Plant Design 7장 공정개발과 설계 7.4 스프래드-쉬트 소프트웨어의 입력과 출력이 행과 열의 구조적 형태를 가지는 것 특징 : 수학적 함수 사용자 정의 함수 식, 데이터의 복제 ASCII데이터 파일 반복계산 여러 개의 버퍼 마이크로실행 가능 통계, 재무, 데이터 회귀, 행렬조작, 데이터베이스 등의 함수들 그래프 출력 Plant Design 7장 공정개발과 설계 7.5 공정장치설계 프로그램 CACHE : 파이프에서 슬러리 흐름, 초임계 유체 추출, 화학반응을 동반한 기체흡수, 플래시 용기와 증류탑 설계, 비균일 반응속도, CSTR의 안정성 Plant Design 7장 공정개발과 설계 7.6 물성자료 프로그램 DIPPR : 766가지의 공업용 화학품의 물성값 제공 Plant Design 7장 공정개발과 설계 7.7 흐름도작성 프로그램 어떤 화학공정에 대하여 정상상태 열전달, 물질수지, 크기결정, 비용계산을 하는 프로그램 정상상태 조건에 적용(운전개시, 정지, 교란등의 비정상상태는 별도분석) 화학공정계산의 특징 : 난해성, 복잡성, 도전성 Plant Design 8장 최적설계와 설계기법 가장 적당한 조건에 기본을 두며 궁극적으로 경비나 이윤을 고려하는데 귀결된다. Plant Design 8장 최적설계와 설계기법 8.1 최적조건을 결정하는 일반적인 절차 단위시간에 드는 전경비, 이윤, 단위시간당 최종생산량과 전화율 이런 과정들을 도해적 및 해석적으로 결합하여 최적조건을 구한다. • 변수가 한 개일 때 : 한가지 변수가 모든 경비에 미치는 관계식 개발 • 변수가 두 개 이상일 때 Plant Design 8장 최적설계와 설계기법 8.2 도해적 방법과 해석적 방법의 비교 • 해석적인 함수의 개발과 이것을 간략화 하는데 매우 복잡한 수학적 조작이 필요하다면 도해적 해 법을 사용(실제의 상태가 해석의 기본) • 도해적 방법의 장점 : 곡선의 모양을 보면 최적조건이나 그 근방에서 조작해야 하는 중요성을 알 수 있다. Plant Design 8장 최적설계와 설계기법 8.3 생산계획을 위한 손익 분기도표와 최적 분석에 대한 의의 • 생산량의 증가에 따라 고정비용은 일정한데 비해 총 생산비와 이윤은 증가함을 보인다. Plant Design 8장 최적설계와 설계기법 8.4 공장운전에서 최적 생산속도 • 단위시간당 생산량 : 최적생산속도에 영향받음 • 단위시간당 총생산비용 : 운전비(생산량에 비례), 비운전비(제품의 생산량과 무관한 것, 서비스등) • 조업비용 : (a) 원료, 노동 및 동력비 등에 대한 최소비용과 같이 생산량의 다소에 상관 없이 단위생산량당 필수적인 일정한 비용 (b) 생산속도가 증가함에 따라 증가하는 추가비용 Plant Design 8장 최적설계와 설계기법 8.5 주기적 조작에서 최적조건 • 많은 조작들은 배출, 청소, 재활성 등을 위하여 주기적으로 조업중단을 수행 • 가동을 중지할 때는 생산품을 얻지 못하기 때문에 한 사이클에 필요한 총시간의 변수 고려 1. 반연속 주기적 조작 가. 증발에서의 관석의 생성 : 증발기의 조작중 고체가 침전되어 관석을 생성 관석에 의해 열전달속도 감소->증발속도 감소 관석제거 조작시간중 순간 전열속도는 변하지만 전열면적이나 온도차에 의한 열전달 추진력은 일정하므로 조작시간동안의 총열량은 적분을 통해 구할 수 있다. Plant Design 8장 최적설계와 설계기법 8.5 주기적 조작에서 최적조건 나. 최대 열전달량을 위한 싸이클시간 Plant Design 8장 최적설계와 설계기법 8.5 주기적 조작에서 최적조건 나. 최대 열전달량을 위한 싸이클시간 Plant Design 8장 최적설계와 설계기법 8.5 주기적 조작에서 최적조건 다. 단위 열전달당 최소비용이 되는 싸이클시간 총비용 1. 장치 및 경상비 등 고정비용(고정) 2. 원료와 증발량에 비례하는 수증기, 재료 및 보관비(고정) 3. 실재 증발 조작중 노동비 4. 청소비용 Plant Design 8장 최적설계와 설계기법 8.6 결과의 정확도와 민감도 정확도를 위해 최종 조건에 넣어야 하는 인자들 : 세금, 돈의 시간적 가치, 자본, 조작의 효율과 비효율 및 특별유지에 관련된 경비 이런 인자의 포함 유무를 알 수 있는 실질적인 지식이 필요 Plant Design 8장 최적설계와 설계기법 8.7 유체역학(가장 경제적인 관의 직경) 1. 펌핑 또는 송풍비용 : 직경이 일정한 관을 통하여 비 압축성 유체가 흐를 때 조작조건에 관한 수지식 2. 배관계에 대한 고정비용 : 대부분의 관들은 피트당 구입비용과 관의 직경을 양대수 그림표에 그리면 실질적으로 직선을 나타낸다. 3. 경제적으로 최적인 관의 직경 : 배관계와 펌핑에 관한 식에서 유일한 변수는 관의 직경 최적관의 직경에 포함해야하는 인자들 (투자에 대한 반환, 자본의 비용, 펌핑장치비용, 세금, 시간에 따른 돈의 가치 등) 현장기사들은 근사식을 써서 구하기 때문에 그값에 대한 가치판단 필요 Plant Design 8장 최적설계와 설계기법 8.8 열전달(응축기에서 응축수의 최적 유동속도) 물의 온도는 온도차에 의한 열전달 추진력에 영향을 주기 때문에 비용에 관여한다. Plant Design 8장 최적설계와 설계기법 8.9 물질전달(최적 환류비) 환류비가 증가할수록 분리하는데 요구되는 이론단수는 감소한다. 그러므로 환류비의 증가는 증류탑에 대한 고정비용을 감소시키는 반면, 재비기의 열공급과 응축기 냉각액의 증가를 가져올 것이다. 최적환류비는 고정비용과 운전비가 최소가 되는 점에서 발생. Plant Design 8장 최적설계와 설계기법 8.10 최적화 분석을 위한 선형화 방법 1. 최적 조건들을 얻기 위한 선형 프로그래밍 프로그래밍 문제를 간단하게 하는 방법은 제한요소와 목적을 선형식으로 나타내는 것 최적조건을 구하기 위한 수학적 기술 자원의 대체적 사용 방법이나 대체적 목표를 찾기 위한 분석에 유용 2. 선형 프로그래밍이 관계되는 문제의 해법 가. 한계와 제약 요소들의 조직적 묘사(제약요소 등) 나. 목적에 대한 조직적 설명(각 구성물의 경비를 최소) 다. 여러가지 가능한 값들로부터 최선의 결과를 구하기 위한 제한조건들과 목적함수들의 결합 (최선의 결과를 얻기 위하여 모든 타당한 방법을 고려해보는 직관적 방법을 시도) 3. 최적조건을 찾기 위한 다른 수학적 방법 가. 랑그랑즈 승수의 적용(최적화 상황에서 변수에 대한 제한조건의 동등성이 성립될 때 효과적) ->최적화 할 목적함수에 랑그랑즈 승수와 제한조건을 곱한다. 나. 최대상승 및 최대하강법(두개이상의 독립변수가 관계되는 최적화 문제에서 변수간의 관계를 보여주기 위해 대응표면을 만들어 활용, 그림8-10) Plant Design 8장 최적설계와 설계기법 8.11 인플레이션 고려한 설계비 산정 1. 미래의 연간소득이 일정할 경우 수익과 인플레이션을 다 고려할 때 향후 투자금에 대한 현재의 가치는 얼마인가 2. 미래의 연간 생산성이 일정한 경우 일반적으로 소득세를 제외하면 인플레이션에 대한 문제는 없다 그러나 소득세를 고려할 경우 인플레이션의 영향을 받는다. ->회계과정에서 감가상각비는 인플레이션의 영향을 받지 않기 때문 Plant Design