수원대학교 화공시스템및실험 시험 정리본

문서 내 토픽

1. 고체 열전도도

시험편을 장치에 설치하고 냉각수를 흘려보낸 후 온도조절계로 일정온도로 올려 정상상태를 만든다. 패널의 온도지시계 온도를 읽고 3번 반복 실험한다. 재질이 다른 시험편으로도 반복한다. 실험값을 통해 온도차를 구하고 열전도도 계산식을 이용하여 고체 시험편의 실제 열전도도 k를 구할 수 있다.
2. 강제 대류 및 자연대류

강제 대류에서 송풍기의 유속이 증가할수록 대류 열전달계수도 비례하여 상승하고 온도 감소폭이 커진다. 온도가 감소할수록 감소폭은 작아지는 양상을 보인다. 자연대류 및 복사열 실험은 vacuum 스위치, vent 벨브, pressure 벨브, 지시계, amperemeter 등의 장치 구성 요소를 사용한다.
3. 이중관 열교환기

유체의 온도와 관계없이 유체의 유량이 증가하면 전열량이 증가하고 총괄전열계수도 증가하는 양상을 보인다. 총괄 전열 계수는 실험을 통해 구할 수 있으며, 열교환기의 성능을 평가하는 중요한 지표이다.
4. 탱크로부터의 증발손실

액체가 자유표면으로부터 공기 중으로 증발될 때 열 수지와 물질수지로부터 이론식과 실험식에 의하여 액체의 냉각속도를 구한다. 온도가 감소하면 증발속도가 감소하며 열손실이 작아진다. 열손실의 가장 큰 원인은 용기 벽면에 의한 대류이다.
5. 흡착실험 및 회분식 반응기

흡착실험에서 교반기 미사용, 저농도 NaOH 용액 사용, 아세트산의 휘발성으로 인한 오차가 발생할 수 있다. 회분식 반응기에서 흡착 시간과 온도가 증가할수록 NaOH의 적정량이 늘어나고 반응속도 정수도 증가하는 양상을 보인다.
6. 단증류 및 연속 증류

단증류에서 혼합 용액을 증류 용기에 주입하고 냉각수를 공급한 후 전원을 공급한다. 평형상태에서 증류 용기 속의 용액과 응축액을 채취하여 몰분율을 측정한다. 연속 증류에서는 환류비를 환류액 유량을 응축액 유량으로 나누어 구한다.
7. 흡수탑

충전물을 가득 채운 흡수탑 내에 기체(CO2)와 액체(H2O)를 향류로 흘려보내 기체 흡수를 일으킨다. 물질전달계수(총괄물질전달계수 KLa)를 구하고 흡수탑 설계를 이해한다. 충전탑을 통과한 시료에 수산화바륨과 페놀프탈레인을 떨어뜨린 후 염산으로 적정하여 기록한다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 고체 열전도도

고체 열전도도는 열전달 공학의 기초가 되는 중요한 물성치입니다. 재료의 열전도도는 원자 구조와 전자의 이동성에 의해 결정되며, 온도와 압력에 따라 변합니다. 금속은 높은 열전도도를 가지고 있어 열 방출이 필요한 응용에 적합하며, 반도체와 절연체는 낮은 열전도도로 단열재로 활용됩니다. 정확한 열전도도 측정과 이해는 열교환기 설계, 전자기기 냉각, 건축 단열 등 다양한 산업 분야에서 필수적입니다. 특히 신소재 개발 시 열전도도 개선은 에너지 효율성 향상에 직결되므로 지속적인 연구가 중요합니다.
2. 강제 대류 및 자연대류

강제 대류와 자연대류는 열전달의 주요 메커니즘으로, 각각의 특성을 이해하는 것이 효율적인 열관리에 필수적입니다. 강제 대류는 펌프나 팬 같은 외부 동력으로 유체를 강제 순환시켜 높은 열전달 계수를 얻을 수 있으며, 자연대류는 밀도 차이로 인한 부력으로 작동하여 에너지 소비가 적습니다. 실제 응용에서는 비용, 에너지 효율, 공간 제약 등을 고려하여 두 방식을 선택하거나 조합합니다. 난류와 층류 흐름의 특성도 열전달 성능에 큰 영향을 미치므로, 레이놀즈 수와 그래시오프 수 등의 무차원 수를 활용한 정량적 분석이 중요합니다.
3. 이중관 열교환기

이중관 열교환기는 구조가 간단하고 제작이 용이하여 소규모 산업에서 널리 사용되는 효율적인 열전달 장치입니다. 내관과 외관 사이에서 두 유체가 향류 또는 병류로 흐르며 열을 교환하는데, 향류 배치가 더 높은 열전달 효율을 제공합니다. 로그평균온도차(LMTD)와 열전달 계수를 이용한 설계 계산이 필수적이며, 오염 계수를 고려하여 안전 마진을 확보해야 합니다. 다양한 유체 조합과 온도 범위에 적응할 수 있으며, 유지보수가 상대적으로 간단한 장점이 있습니다. 다만 높은 압력이나 대용량 처리가 필요한 경우에는 판형 또는 쉘-튜브 열교환기가 더 적합할 수 있습니다.
4. 탱크로부터의 증발손실

탱크로부터의 증발손실은 저장 효율성과 경제성에 직접적인 영향을 미치는 중요한 현상입니다. 증발 속도는 액체의 증기압, 주변 온도, 습도, 표면적, 공기 흐름 등 여러 요인에 의해 결정됩니다. 특히 휘발성 물질의 경우 증발손실이 상당하므로, 밀폐형 탱크, 단열재 적용, 냉각 시스템 등으로 손실을 최소화해야 합니다. 산업 현장에서는 증발손실을 정량화하여 재고 관리와 비용 계산에 반영합니다. 환경 규제 측면에서도 휘발성 유기화합물(VOC)의 증발을 제어하는 것이 중요하므로, 적절한 저장 조건 설정과 모니터링이 필수적입니다.
5. 흡착실험 및 회분식 반응기

흡착실험과 회분식 반응기는 물질 분리와 화학 반응 연구의 기본적인 도구로, 반응 메커니즘과 동역학을 이해하는 데 매우 유용합니다. 회분식 반응기에서는 시간에 따른 농도 변화를 측정하여 반응 속도식과 활성화 에너지를 결정할 수 있습니다. 흡착 실험을 통해 흡착제의 성능, 흡착 등온선, 흡착 속도 등을 평가하며, 이는 수처리, 공기 정화, 가스 분리 등에 응용됩니다. 실험 설계 시 온도, 초기 농도, 교반 속도 등의 변수를 체계적으로 제어하여 신뢰성 있는 데이터를 얻어야 합니다. 얻어진 결과는 연속식 공정 설계의 기초가 되므로 정확한 실험과 분석이 중요합니다.
6. 단증류 및 연속 증류

단증류와 연속 증류는 액체 혼합물을 분리하는 가장 중요한 단위 조작으로, 산업 규모와 경제성에 따라 선택됩니다. 단증류는 배치식으로 운영되어 소량의 고순도 제품 생산에 적합하며, 연속 증류는 대량 생산에 효율적입니다. 라울의 법칙과 상평형 데이터를 이용한 설계가 필수적이며, 이론단수와 실제단수의 차이를 고려해야 합니다. 에너지 효율 측면에서 열통합과 압력 변화를 활용한 최적화가 중요합니다. 현대 산업에서는 에너지 비용 절감을 위해 반응 증류, 막 증류 등 새로운 기술이 개발되고 있으며, 환경 규제에 대응하기 위해 용매 회수 증류의 중요성도 증가하고 있습니다.
7. 흡수탑

흡수탑은 기체와 액체 사이의 물질 전달을 이용하여 가스 정제, 오염 제거, 화학 제품 생산 등에 광범위하게 사용되는 중요한 장치입니다. 충전탑과 단판탑의 두 가지 주요 형태가 있으며, 각각 장단점이 있어 응용에 따라 선택됩니다. 설계 시 기액 접촉 면적, 물질 전달 계수, 평형 관계식 등을 고려하여 필요한 탑의 높이와 직경을 결정합니다. 운전 조건인 가스 및 액체 유량, 온도, 압력은 흡수 효율과 에너지 소비에 직접 영향을 미칩니다. 산업 현장에서는 부식성 가스 처리, 휘발성 유기화합물 제거, 이산화탄소 포집 등 다양한 환경 및 화학 공정에서 흡수탑의 역할이 점점 중요해지고 있습니다.