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1. 실험 개요
1.1. 실험 목적
에탄올과 아세톤 혼합물의 증류를 위해 VLE 실험을 수행하여 T-P-x 3차원 그래프를 작성하고 온도에 따른 혼합물의 변화를 측정하며, 기-액 분리장치를 이용한 후 굴절계로 분석하는 것이다.
Gibbs phase rule을 바탕으로 VLE 평형 상태와 T-P-x 3차원 그래프의 상관관계를 분석한다. 단순 증류와 Flash 증류 기술을 이용하여 에탄올과 아세톤 혼합물의 분리 및 정제 과정을 이해한다. 실험 데이터 분석을 통해 VLE 거동을 이론값과 비교하고, LLE 실험으로 물-아세톤-MIBK 혼합물의 상거동과 조성을 확인한다. 실험 결과를 종합적으로 고찰하여 오차 원인을 분석하고 개선 방안을 제시한다.
실험 수행과 결과 분석 과정에서 Gibbs phase rule, VLE, T-P-x 3차원 그래프, 단순 증류, Flash 증류 등의 이론적 개념을 깊이 있게 이해할 수 있다. 이를 통해 혼합물의 분리와 정제를 위한 공정 설계 능력을 향상시킬 수 있다.
1.2. 이론적 배경
1.2.1. Gibbs phase rule
Gibbs phase rule이란, 계의 변수들을 다 구하기 위해 고정해야 할 독립변수의 수를 의미한다. 여기서 C는 컴포넌트의 수, P는 상의 수 F는 자유도라고 한다. F만큼의 식이 주어진다면, 계의 필요한 모든 정보들을 구할 수 있다. 이는 수식으로 표현하면 F = C - P + 2이다. 따라서 Gibbs phase rule에 따르면, 계의 컴포넌트 수와 상의 수를 알면 계의 자유도를 계산할 수 있다.
1.2.2. VLE(Vapor-Liquid Equilibrium)
VLE(Vapor-Liquid Equilibrium)은 2가지 이상의 액체 물질을 일정 압력과 온도에서 일정 기간 동안 유지시켰을 때, 액체와 증기가 공존하여 이루는 평형상태를 의미한다. 혼합물의 증기압은 Raoult의 법칙에 따라 각 성분의 몰분율에 비례하며, 이를 통해 기액 평형 관계를 나타낼 수 있다. 그리고 기상과 액상의 화학포텐셜이 같아지는 구간에서 평형에 있게 된다. 실제로는 이상기체와 이상용액의 가정이 성립하지 않아 실제 포화증기압과의 차이가 발생하므로, 이를 보정하기 위해 activity coefficient를 고려한 Modified Raoult's law를 사용한다. Activity coefficient는 Margules equation, Van Laar equation, Wilson equation, NRTL equation 등의 열역학적 모델을 통해 구할 수 있다. 이러한 VLE 관계를 이해하고 실험을 통해 확인하는 것은 혼합물의 증류 및 상평형 거동을 예측하는데 매우 중요하다.
1.2.3. T-P-x 3차원 그래프
VLE 실험에서 관찰되는 T-P-x 3차원 그래프는 기압과 온도, 그리고 액상의 조성 관계를 보여준다.
2성분계 시스템에서 화학성분은 2가지이므로(C=2) 자유도 F의 값은 4-P가 된다. 상의 수 P가 1보다 크거나 같으므로 F는 3 이하가 된다. 따라서 3차원 T-P-x 그래프가 그려질 수 있다.
이 그래프는 온도와 기압에 따른 액상과 기상의 조성 변화를 보여준다. 상의 영역을 보면 위쪽은 기상, 아래쪽은 액상, 중간은 기-액 공존 영역이다.
이를 통해 증류 공정에서 온도와 압력 변화에 따른 기-액 평형 상태를 확인할 수 있다. 증류에서는 휘발성이 더 높은 성분이 기상에 더 많이 존재하므로, 이 정보를 활용하면 순수한 성분을 분리할 수 있다.
따라서 T-P-x 3차원 그래프는 VLE 실험에서 중요한 역할을 하며, 증류 공정의 설계와 운전에 필수적인 데이터를 제공한다.
1.2.4. 단순 증류
아래 그림에서 어느 점에서 온도를 높이게 되면 bubble point에 도달한다. Bubble point를 유지하면 액체는 증기가 되어 조성이 바뀌게 된다. 증기에는 휘발성 물질인 ethanol이 더 많이 들어있기 때문에 (이번 실험으로 예시) 그 증기를 뽑아내고 온도를 낮추어 바뀐 조성에서의 bubble point로 온도를 조정해주면 혼합물의 응축이 이전보다 더 낮은 온도에서 이루어진다. 이와 같은 방법을 반복해서 하면 ethanol mole fraction이 1인 지점에 도달하게 되어 순수한 ethanol을 구할 수 있다.
이 과정을 통해 순도 높은 에탄올을 생산할 수 있다. 먼저 에탄올-아세톤 혼합물의 온도와 압력, 조성 관계를 나타내는 T-P-x 그래프를 얻는다. 이를 통해 특정 온도와 압력에서 액상과 기상의 조성을 알 수 있다. 이후 에탄올이 더 많이 포함되어 있는 기상을 선택적으로 추출하여 냉각시키면 에탄올의 순도를 높일 수 있다. 이러한 단순 증류를 반복하면 최종적으로 순수한 에탄올을 얻을 수 있다.
단순 증류는 비점 차이가 큰 혼합물을 분리하는 데 효과적이다. 휘발성이 높은 성분이 기상에 더 많이 포함되므로, 기상을 선택적으로 추출하면 순도 높은 성분을 얻을 수 있다. 이 방법은 에탄올 생산 외에...
