분별증류 예비보고서

본 내용은 " [화학공학실험II] 분별증류 예비보고서 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.10.30

문서 내 토픽

• 1. 증류의 종류 및 원리

  증류는 물질을 기체로 전환한 뒤 다시 액체 형태로 응축시키는 과정이다. 단증류는 끓는점 차이가 큰 혼합물을 분리하는 가장 간단한 방법이며, 분별증류는 끓는점 차이가 작은 혼합물을 분리하는 데 적합하다. 분별증류에서는 증기가 절연된 수직 기둥에서 반복적으로 응축되고 재기화되며, 이러한 기체와 액체의 역류 접촉을 통해 휘발성 성분을 정제하는 과정을 정류 또는 농축이라고 한다. 다중효과 증류, 감압 증류, 증기 증류 등 다양한 방식이 있다.

• 2. 열역학 법칙 및 물질수지

  Dalton's Law는 혼합기체의 총압력이 각 성분의 부분압력의 합이라는 원리이며, Rault's Law는 액체 혼합물에서 각 성분의 증기압이 그 성분의 순수 증기압과 몰분율의 곱으로 주어진다는 법칙이다. 물질수지식은 input - output + generation - decomposition = accumulation이며, 본 실험에서는 화학반응이 없으므로 input = output이다. 총괄 물질수지, 저장소 물질수지, 액체 환류, 증기 흐름 등을 계산할 수 있다.

• 3. McCabe-Thiele Method

  원하는 top product와 bottom product의 조성을 얻기 위해 필요한 최적의 이상단수를 구하는 그래픽 해석 방법이다. EtOH-Water x-y 평형곡선과 x=y의 대각선을 바탕으로, 원료 공급선, 정류부 조작선, 탈거부 조작선을 작도하여 이상적인 원료공급단의 위치와 이상 단수를 시각적으로 구할 수 있다. 완전응축기, 일정몰넘침 가정, Sub-cooled liquid feed라는 3가지 이상적인 조건을 전제로 한다.

• 4. 분별증류 장치의 구성 및 작동원리

  분별증류 장치는 혼합액을 가열하여 가장 휘발성이 높은 성분이 먼저 증발하도록 한다. 증기는 분별탑을 통과하면서 상승 중 액체와 반복적으로 평형을 이루며, 휘발성이 높은 성분은 상부로 농축되고 휘발성이 낮은 성분은 하부로 남는다. 응축기에서 냉각된 증기는 액체로 변하여 distillate reservoir에 들어가며, Solenoid를 작동하여 reflux의 일부는 증류탑으로 되돌아가고 나머지는 top product로 수거된다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 증류의 종류 및 원리

  증류는 액체 혼합물을 끓는점의 차이를 이용하여 분리하는 중요한 화학공학 단위조작입니다. 단순증류, 분별증류, 감압증류, 수증기증류 등 다양한 종류가 있으며, 각각의 원리는 휘발성 성분이 기상으로 더 쉽게 전환되는 특성을 활용합니다. 특히 분별증류는 끓는점이 비슷한 성분들을 효과적으로 분리할 수 있어 산업적으로 광범위하게 사용됩니다. 증류의 효율성은 상평형, 열전달, 물질전달 등 여러 물리화학적 현상에 의존하며, 이를 이해하는 것이 공정 최적화의 핵심입니다.

• 2. 열역학 법칙 및 물질수지

  열역학 법칙과 물질수지는 증류 공정 설계의 기초를 이루는 필수 개념입니다. 제1법칙은 에너지 보존을, 제2법칙은 엔트로피 증가를 나타내며, 이들은 증류탑의 열효율과 가능성을 결정합니다. 물질수지는 각 성분의 입출량을 추적하여 분리 효율을 정량화하는 데 필수적입니다. 이 두 원리를 결합하면 증류탑의 최소 이론단수, 최소 환류비, 실제 운전 조건 등을 계산할 수 있습니다. 정확한 열역학 데이터와 물질수지 계산 없이는 신뢰할 수 있는 공정 설계가 불가능합니다.

• 3. McCabe-Thiele Method

  McCabe-Thiele 방법은 이진 혼합물의 분별증류 설계를 위한 그래픽적 해석 방법으로, 상당히 직관적이고 실용적입니다. 이 방법은 상평형곡선과 운전선을 이용하여 필요한 이론단수를 결정하고 최소 환류비를 구할 수 있게 해줍니다. 특히 정상상태 공정에서 매우 효과적이며, 복잡한 수치계산 없이도 빠르게 설계 변수를 파악할 수 있다는 장점이 있습니다. 다만 이진 혼합물에만 적용되고 비이상 혼합물의 경우 정확도가 떨어질 수 있다는 한계가 있습니다.

• 4. 분별증류 장치의 구성 및 작동원리

  분별증류탑은 재보일러, 탑 본체, 응축기로 구성되며, 각 부분이 조화롭게 작동하여 효율적인 분리를 달성합니다. 재보일러에서 가열된 액체는 기상으로 상승하면서 각 단에서 액체와 기체가 접촉하여 물질과 열을 교환합니다. 응축기에서는 상부 기체를 액화시키고, 일부는 환류로 돌려보내 분리 효율을 높입니다. 이러한 역류 접촉 방식은 높은 분리 효율을 가능하게 하며, 단의 개수, 환류비, 공급 위치 등의 변수를 조절하여 원하는 분리 성능을 얻을 수 있습니다.