소개글
"단위조작이론"에 대한 내용입니다.
목차
1. 실험 목적
1.1. 단증류 실험 장치의 조작법 이해
1.2. 이성분계 단증류 실험을 통한 유출액 조성 측정
1.3. 단증류 원리의 이해와 실험 결과 분석
2. 단증류 이론
2.1. 증류의 개념과 원리
2.2. 이성분계 단증류의 특징
2.3. 라울의 법칙
2.4. 달튼의 법칙
2.5. Rayleigh 식
3. 실험 기구 및 시약
3.1. 증류 플라스크
3.2. 가열 장치
3.3. 냉각기
3.4. 밀도 측정 기구
3.5. 실험에 사용된 물질
4. 실험 방법
4.1. 에탄올-물 혼합용액 제조 및 밀도 측정
4.2. 단증류 실험 장치 조립 및 가열
4.3. 유출액 수집 및 시간-온도 데이터 측정
4.4. 잔류액과 유출액의 농도 및 양 측정
4.5. 실험 데이터를 이용한 이론값 계산
5. 결과 분석
5.1. 실험값과 이론값의 비교
5.2. 평균 조성 유출액의 계산
5.3. 비휘발도 분석
6. 결론
6.1. 실험 목적 달성 여부
6.2. 실험 결과의 의의
6.3. 향후 연구 방향
7. 참고 문헌
본문내용
1. 실험 목적
1.1. 단증류 실험 장치의 조작법 이해
증류란 어떠한 혼합물을 가열시켜 발생한 증기를 다시 응축시키는 방법으로, 비등점 차이를 이용하여 혼합물의 성분을 분리하는 것이다. 이때 비등점이 낮은 물질이 먼저 기화되어 증기가 되고, 비등점이 높은 물질은 여전히 액체로 남아있게 된다. 기화된 증기를 응축시켜 액체로 만들면 두 액체를 분리할 수 있다.
단증류는 증류 과정을 한 번만 거치는 것을 말하며, 재증류와 달리 효율이 낮지만 소규모 증류에 주로 사용된다. 이번 실험에서는 에탄올과 물의 혼합물을 단증류하여 비등점이 낮은 에탄올을 얻어내는 것이 목적이다.
단증류 실험 장치는 증류 플라스크, 가열 장치, 냉각기, 밀도 측정 기구 등으로 구성된다. 실험 절차는 다음과 같다. 먼저 에탄올-물 혼합용액을 제조하고 밀도를 측정한다. 이후 단증류 실험 장치를 조립하고 가열하여 유출액을 수집하면서 시간-온도 데이터를 측정한다. 그리고 잔류액과 유출액의 농도 및 양을 측정하고, 실험 데이터를 이용하여 이론값을 계산한다. 이를 통해 실험값과 이론값을 비교하고, 평균 조성 유출액과 비휘발도를 분석할 수 있다.
단증류 실험 장치의 조작법을 정확히 이해하고 실험을 체계적으로 수행하면 단증류 원리를 효과적으로 학습할 수 있다. 이를 통해 비등점 차이를 활용한 혼합물의 분리 기작을 깊이 있게 이해할 수 있을 것이다.
1.2. 이성분계 단증류 실험을 통한 유출액 조성 측정
이번 실험은 에탄올-물 혼합물의 단증류 실험을 통해 시간 변화에 따른 유출액의 조성을 측정하는 것이다. 이를 통해 회분조작으로 단증류 원리를 이해하고 실험 결과와 Rayleigh식에 의해 계산된 값을 서로 비교 분석하고자 한다.
먼저 20%와 40% 에탄올 수용액을 제조하고 비중병을 이용해 밀도를 측정한다. 그 후 에탄올 수용액 200ml와 비등석을 증류 플라스크에 넣고 가열하며 냉각수를 흘려보낸다. 시간 간격으로 유출액의 양과 온도를 측정하여 기록한다. 원액의 절반 정도가 증발되었다면 가열을 중지하고 증류 플라스크에 남은 용액의 온도가 상온에 도달할 때까지 기다린 뒤 잔류액과 유출액의 농도와 양을 측정한다. 밀도와 조성 관계로부터 잔류액과 유출액의 농도를 구하고 그 결과를 표로 작성한다.
다음으로 잔류액의 양과 조성으로부터 Rayleigh식을 이용하여 유출액의 평균 조성을 계산하고 실험값과 비교한다. 이를 통해 단증류 과정에서 시간에 따른 유출액 조성의 변화를 확인할 수 있다.
실험을 통해 얻은 데이터와 이론값을 비교 분석함으로써 단증류 원리와 이성분계 증류의 특성을 이해할 수 있다. 또한 Rayleigh식을 활용하여 유출액의 평균 조성을 예측할 수 있었으며, 비휘발도 분석을 통해 에탄올과 물의 상대적인 증기압 차이를 확인할 수 있었다. 이번 실험은 단증류 원리의 이해와 실험 결과 분석에 유용한 데이터를 제공하여 향후 연구에 활용될 것으로 기대된다.
1.3. 단증류 원리의 이해와 실험 결과 분석
이번 실험은 단증류 실험 장치의 조작법을 이해하고, 이성분계 단증류 실험을 통하여 시간 변화에 따른 유출액의 조성을 측정하는 실험이다. 이를 통해 회분조작으로 단증류 원리를 이해해보고 실험을 통해 얻은 결과와 Rayleigh식에 의해 계산된 값을 서로 비교하여 분석해 본다.
단증류는 증류를 한 번만 진행하기 때문에 증류를 여러번 진행한 재증류보다 효율이 좋지 않다. 그러나 소규모 증류에 주로 쓰인다는 장점이 있다. 재증류는 단증류에 비해 처리량은 조금씩 줄어들지만 훨씬 순수한 상태의 비등점이 낮은 물질을 얻어낼 수 있다. 이번 실험에서는 에탄올과 증류수의 혼합물을 분리하여 비등점이 더 낮은 에탄올을 액체로 얻어내는 단증류 실험이다. 단증류이기 때문에 재증류보다 순수한 에탄올을 얻어내는 것은 쉽지 않을 것이다.
이번 실험에서는 실험 장치를 조립하고 에탄올-물 혼합용액을 가열하여 단증류를 진행한다. 유출액의 양과 온도를 측정하여 이를 통해 유출액의 조성을 분석할 수 있다. 특히 Rayleigh 식을 활용하여 이론값을 계산하고 실험값과 비교하여 단증류 원리에 대한 이해를 높일 수 있다. 또한 평균 조성 유출액의 계산과 비휘발도 분석을 통해 실험 결과를 종합적으로 분석할 수 있다.
Rayleigh 식은 단증류를 하는 과정에서 증류분과 잔류분의 조성 변화를 나타내는 식이다. 단증류 실험에서 유출액의 조성과 잔류액의 조성은 계속 변하기 때문에 Rayleigh 식을 활용하여 이들 간의 관계를 파악할 수 있다. Rayleigh 식을 유도하는 과정에서 물질 수지식을 세우고 적분하여 최종적으로 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
ln(W1/W2) = ∫(dx/(y-x))
여기서 W1, W2는 각각 초기 혼합물의 양과 나중 잔류액의 양이며, x와 y는 각각 액상과 기상의 조성을 나타낸다. 이 식을 통해 단증류 과정에서 유출액과 잔류액의 조성 변화를 분석할 수 있다.
실험에서는 에탄올-물 혼합용액을 가열하여 단증류를 진행하면서 시간에 따른 유출액의 양과 온도를 측정한다. 이를 통해 유출액의 조성을 분석할 수 있으며, Rayleigh 식을 활용하여 이론값을 계산하고 실험값과 비교할 수 있다. 또한 평균 조성 유출액을 구하는 식을 이용하여 실험 과정 전반에 걸친 유출액의 평균 조성을 계산할 수 있다.
한편, 비휘발도 분석을 통해 에탄올과 물의 상대적인 휘발성을 비교할 수 있다. 비휘발도는 A 성분과 B 성분의 증기압 비를 나타내는 것으로, 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.
αAB = (yA/(1-yA)) / (xA/(1-xA))
여기서 yA와 xA는 각각 기상과 액상의 A 성분 조성이다. 비휘발도 분석을 통해 에탄올이 물에 비해 얼마나 더 휘발성이 좋은지 알 수 있다.
이처럼 단증류 실험을 통해 얻은 결과와 Rayleigh 식, 평균 조성 유출액 계산, 비휘발도 분석 등을 종합적으로 고려하여 단증류 원리를 심도 있게 이해할 수 있다. 또한 실험값과 이론값을 비교함으로써 실험 결과의 타당성을 검토할 수 있...
참고 자료
2022년도 3학년 2학기 단위 조작 이론 및 실험2 실험 노트
안전보건공단 화학물질정보, http://msds.kosha.or.kr/MSDSInfo ,에탄올
William L. Masterton, 일반화학, p296-297
화공단위조작, 대웅출판사, p710~712
2022 3학년 1학기 단위조작이론및실험1 실험노트
Cengel Cimbala, 유체역학 4th, p11, p300, p345~p346
James O.Wilkes, Fluid Mechanics for Chemical Engineers, 2nd , p13~p15
노오현, 점섬유체역학기초, p11~p13
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