다단 분리막 공정은 압력변환, 열교환, 수분제거등을 위한 공정 설비들과 연계 운영된다. 또한 sweeping 가스를 도입하기도 하고, 분리막 연결 형태를 변경 하기도 하며, 압력비등을 조절하기도 한다. 따라서, 분리막 공정설계는 막 면적 및 운전 압력을 결정을 포함하여 다단 분리막의 configuration 선정, 분리막 소 재의 선택, 공정의 시스템적 구성, 부가 설비와의 통합 설계 등 여러 설계 요소 들을 통합적으로 분석하며 최적 공정을 구성하게 된다. 본 발표에서는 컴퓨터를 활용한 모델링, 전산 모사 및 최적화를 통해 최적의 분리막 공정 및 운전 조건 을 도출하는 기법들을 설명하며, 이러한 전산적 설계 기법들을 분리막 공정 스케일업과 신공정 개발에 활용하는 방안에 대하여 소개하고자 한다.

다분야 통합 시스템의 설계문제는 다량의 설계변수와 구속조건으로 구성되며 다수의 공학적 현상으로 연관되어 있다. 다분야 통합 최적설계 문제를 효과적으로 다루기 위해서는 다양한 해석분야의 공학적 설계원리를 동시에 고려하여 균형 있고 유기적인 방법으로 최적의 설계를 결정하는 체계적인 설계자동화기술이 요구된다. 다분야 통합 설계문제를 위한 효율적인 설계방법론으로 분리기반 최적화 기법이 적용되는데 이 방법은 한 단위의 대규모 설계문제를 여러 개의 하부시스템으로 분리하여 독립적으로 최적화를 수행하고 각 하부 시스템으로부터의 설계해 사이의 중재 및 통합화를 거쳐 최종적으로 수렴된 최적설계를 찾는 방법이다. 본 논문에서는 분리기반 최적화기법을 다분야 통합최적 설계문제에 적용하는데 필요한 시스템분리기법을 유전알고리즘 및 다층 역전 파 신경회로망을 이용하여 정립하였다. 시스템분리기법을 검증하기 위해 최근 미국 Boeing사에서 개발중인 고속 민간항공기인 HSCT의 시뮬레이션기반 설계문제를 이용하였다. 대규모 설계시스템의 분리결과는 전체 설계문제의 특성을 파악하기 위한 자료로 활용되며 향후, 분리기반 최적화과정에서 최종적으로 통합된 최적설계를 탐색하는데 필요한 기반구조를 제공한다.

바이오매스는 지속가능한 에너지원의 일종으로 다양한 공정에 따라 바이오 에탄올, 바이오 디젤, 바이오 가스 등으로 회수하여 석유자원의 대체제로 사용 가능하다. 그 중 목질계 바이오매스는 주로 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌으로 이루어져 있으며, 셀룰로오스는 바이오 에탄올 등의 연료화를 통해 이용되고 있으나, 리그닌의 경우 펄프 공정 내 부산물로 여겨져 단순 연소를 통한 열에너지원으로서의 역할을 하고 있다. 하지만 리그닌은 자연에서 가장 많이 존재하는 페놀성 고분자 화합물의 일종으로, 이를 이용한 페놀 수지, 에폭시 수지, 접착제 등의 화학약품화 및 탄소섬유로 소재화하는 등의 리그닌 부가가치화 연구사례가 많아지고 있다. 본 연구 대상인 폐목재는 2015년 기준 연간 약 170만 톤이 발생하고 있으며 약 70%가 재활용되어지고 있으나, 3등급 폐목재의 경우 가공과정에서 페인트, 기름, 방부제, 접착제 등 다량의 불순물이 함유되어 재활용 시 많은 제약을 두고 있다. 이러한 폐목재의 특성을 고려한 재활용 방안에 대한 연구의 필요성이 존재한다. 본 연구는 3등급 폐목재를 대상으로 organosolv 전처리법을 이용한 최적 리그닌 분해 조건 도출 및 UF/NF 멤브레인 시스템 적용을 통한 폐목재 내 목적으로 하는 분자량을 가진 리그닌의 고순도 분리 추출을 목적으로 하고 있다. 또한 분리된 리그닌의 FT-IR, NMR, TGA 분석을 통해 폐목재 리그닌의 재활용 가능성을 검토해보고자 한다.

본 연구에서는 반도체 공정에서 배출되는 유해가스를 선택적으로 분리하여 처리하기 위한 최적화된 막 모듈처리시스템을 구성하고자 한다. 이에 유해가스 처리를 위한 막 모듈 처리시스템의 운전 최적화를 위해서는 막 모듈로 유입되는 유해가스의 유량과 압력이 동일해야 한다. 따라서 분배관에서 분리막 모듈이 연결되는 시점에 특별한 유량계 등에 장치들을 설치하지 않고 오직 배관의 관경과 배치만으로 분리막에 유입 유량을 동일하게할 수 있다면 분리막 모듈 처리 시스템의 배관 구성을 최적화함으로 비용 절감 등에 효과를 동시에 가질 수 있다. 이에 본 연구에서는 실제 현장 여건을 고려한 기준 배치와 변수별 연구를 통해 최적화된 상용급 분리막 모듈 시스템을 구성하고자 한다. 따라서 3차원 수치해석적 연구를 통하여 막 모듈 설비의 유입 배관 내에 가스의 유동 특성을 파악하여 배관 직경 및 배치를 최적화하여 현장 설계에 반영하고자 한다. 배관내 유동 해석을 위해 k-ε 난류 모델을 적용하였고, 배관 벽면부에 형성되는 층류저층을 해석하기 위하여 벽함수를 적용하였다. 이때 상용급 분리막 모듈 시스템에서 처리하는 가스 유량은 3,000ℓ/min이다. 기준 조건으로 제안된 상용급 분리막 모듈 시스템의 배관 구성 최적화를 위한 배관 내의 3차원 유동을 해석한 결과, 배관 내 가스 속도 벡타를 보면 관경이 큰 250A 주배관에서는 유속이 약 1.4m/sec에서 x축 방향으로 유체는 진행되면서 유속은 0.4m/sec 까지 점차적으로 감소하지만 분배관에서는 약 3m/sec 정도의 빠른 유속 특성을 보이고 있다. 이처럼 분배관에서 유속은 빠르게 형성되지만 분배관 30기에 전체적인 유속은 유사한 특성을 보이고 있다. 그리고 속도벡타에서 설명한 바와 같이 곡관에서 속도변화가 크게 형성되고 있지만 xy평면에서 주배관 유체 진행방향으로 속도분포를 보면 중심축을 기점으로 좌우 대칭을 이루고 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 좌우 축대칭으로 설치된 분배관에 유속이 대칭 방향으로 유속은 고르게 형성될 수 있음 유추할 수 있다. 또한 주배관에서 유효동점도를 보면 강한 난류유동을 나타내는 주배관 상부부에서 높은 유효동점도를 나타내고 있고, 유속이 약해 층류적 흐름이 형성되는 주배관의 끝단부분에서 가장 높은 혼합길이 값을 보이고 있다.