다단식 연속 증류 실험: 이론 및 방법

본 내용은 " 다단식연속증류_이론+결론+대본 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.11.15

문서 내 토픽

• 1. 증류 원리 및 정류

  증류는 상대 휘발도와 끓는점의 차이를 이용하여 액체 상태의 혼합물을 분리하는 방법입니다. 화학 반응 없이 물리적 분리가 이루어지며, 석유 정제, 공기 액화 등 광범위하게 사용됩니다. 증류탑은 여러 개의 트레이로 구성된 단과 응축기, 재비기로 이루어져 있으며, 각 단이 증발기 역할을 수행합니다. 단의 개수가 많을수록 보다 순수한 물질로 분리가 가능합니다.

• 2. 환류비와 전환류

  환류비(R)는 유출 물량에 대한 환류 액량의 비로, R=L/D로 표현됩니다. 탑정에서 상승유량을 모두 환류로 재순환시킬 때 환류비는 무한대가 되며, 이를 전환류라 합니다. 전환류 상태에서 필요한 단수를 최소이론단수라 부르고, 정류 효과가 최대가 됩니다. 대부분의 증류탑은 환류와 최소 환류의 비가 1.1~1.5 사이가 되도록 최적화됩니다.

• 3. McCabe-Thiele 법

  이론 단수를 구하기 위한 도식적 계산법으로, 조작선과 평형선을 교대로 이용하여 계단을 그려나갑니다. 기액 평형조성 데이터에서 x=y 선을 그리고, 원료조작선, 농축부 조작선, 회수부 조작선을 순차적으로 그어 이론 단수를 결정합니다. 관벽의 열손실이 없고 각 성분의 분자증발 잠열이 일정하다고 가정합니다.

• 4. 단효율과 Murphree 효율

  이론 단수는 각 단에서의 증기와 액상의 완전 평형을 가정하지만, 실제는 그렇지 않으므로 단효율을 구해야 합니다. 단효율은 (이론 단수)/(실제 필요한 단수)이며, Murphree 효율이 주로 사용됩니다. Murphree 효율은 한 단과 다음 단 사이의 증기조성 변화를 그 단을 나가는 증기가 액체와 평형을 이룬다고 가정할 때의 증기조성 변화로 나눈 값입니다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 증류 원리 및 정류

  증류는 액체 혼합물을 끓는점의 차이를 이용하여 분리하는 기본적이면서도 매우 중요한 화학공학 단위조작입니다. 증류 원리는 열을 가하여 혼합물을 부분적으로 기화시킨 후, 생성된 증기와 액체 사이의 조성 차이를 이용하는 것입니다. 정류(rectification)는 이러한 기본 원리를 여러 단계에서 반복함으로써 분리 효율을 극대화하는 과정입니다. 이론적 단(theoretical stage)의 개념을 통해 각 단계에서의 평형 상태를 분석할 수 있으며, 이는 실제 증류탑 설계의 기초가 됩니다. 증류는 석유화학, 제약, 음료 산업 등 다양한 분야에서 필수적인 기술이므로 그 원리를 정확히 이해하는 것이 매우 중요합니다.

• 2. 환류비와 전환류

  환류비(reflux ratio)는 증류탑 운전의 가장 중요한 변수 중 하나로, 응축된 증기 중 탑으로 돌아오는 양과 제품으로 나가는 양의 비율을 나타냅니다. 환류비가 높을수록 분리 효율이 증가하지만 에너지 소비와 운전비용도 증가합니다. 반대로 환류비가 낮으면 경제성은 좋지만 분리 효율이 감소합니다. 전환류(boilup rate)는 재비기에서 공급되는 열량으로, 환류비와 함께 탑의 성능을 결정하는 핵심 요소입니다. 최적의 환류비를 결정하는 것은 분리 성능과 경제성 사이의 균형을 맞추는 중요한 설계 문제이며, 실제 산업 운전에서는 이 두 변수를 정밀하게 제어하여 최적 조건을 유지합니다.

• 3. McCabe-Thiele 법

  McCabe-Thiele 법은 이진 혼합물의 증류 설계에 사용되는 그래픽 방법으로, 매우 직관적이고 실용적인 도구입니다. 이 방법은 x-y 평형 곡선과 운전선(operating line)을 이용하여 필요한 이론적 단의 개수를 결정합니다. 운전선은 환류비에 따라 결정되며, 평형 곡선과의 계단식 교점을 통해 각 단계의 조성 변화를 추적할 수 있습니다. McCabe-Thiele 법의 장점은 복잡한 계산 없이 시각적으로 증류 과정을 이해할 수 있다는 점이며, 설계 초기 단계에서 빠른 평가가 가능합니다. 다만 이진 혼합물에만 적용되고 비이상적 혼합물의 경우 정확도가 감소하는 한계가 있지만, 여전히 증류 설계의 기본 개념을 학습하고 실무에서 빠른 추정을 위해 매우 유용한 방법입니다.

• 4. 단효율과 Murphree 효율

  단효율(stage efficiency)은 실제 증류탑의 성능을 평가하는 중요한 지표로, 이론적 단과 실제 단 사이의 차이를 정량화합니다. 전체 단효율(overall stage efficiency)은 탑 전체의 평균 효율을 나타내며, 일반적으로 50~90% 범위에서 변합니다. Murphree 효율은 각 단계에서의 국소적 효율을 나타내는 더 정밀한 개념으로, 실제 액체 조성과 이론적 평형 조성 사이의 관계를 정의합니다. Murphree 효율은 기상 효율과 액상 효율로 구분되며, 이들은 물질 전달 속도, 접촉 시간, 혼합 정도 등 여러 인자에 영향을 받습니다. 실제 증류탑 설계에서는 이론적 단의 개수를 단효율로 나누어 실제 필요한 단의 개수를 결정합니다. 단효율을 정확히 예측하는 것은 경제적이고 효율적인 증류탑 설계의 핵심입니다.