다단식 연속증류예비보고서실험 목적연속 증류의 기본 원리와 McCabe-Thiele법을 이용한 이론단수 계산 방법을 습득하고, 최소 환류비 및 단효율을 통한 실제 조업 조건을 이해한다.실험 이론연속 증류(Continuous Distillation)증류라고 하는 것은 분리하고자 하는 성분들간의 끓는점 차이, 즉 상대휘발도차를 이용하여 혼합물 중에서 원하는 성분의 순도를 높이는 분리조작이다. 일반적인 증류에는 환류가 없는 평형 증류(Flash Distillation)와 환류가 있는 연속 증류(Continuous Distillation), 회분 증류(Batch Distillation) 등이 있다. 평형 증류는 대부분 넓은 온도 범위에서 끓는 성분들을 분리하는데 이용된다.그림 1-1. 정류부와 회수부를 가진 연속 증류탑2성분으로 이루어진 혼합 원료를 증류탑의 Top과 Bottom에서 거의 순수한 생성물로 생산하기 위해서는 원료는 탑의 중간 부위에 있는 단에 넣는다. 원료가 액체이면 보일러(Reboiler)까지 탑을 흘러 내려가서 보일러에서 올라오는 증기에 의해 한 개의 성분이 회수된다. 이런 방법으로 아래생성물 또는 탑밑 생산물(Bottom Product)는 거의 순수한 또 하나의 성분이 생산될 수 있다. 정류(Rectifying)부와 회수(Stripping)부 가 있고 필요한 보조장치를 갖춘 전형적인 연속증류탑은 그림 1-1과 같다.탑 A의 중앙부 근처에서 일정한 농도의 원료가 일정한 유속으로 공급된다. 원료가 들어가는 단을 급액단(Feed Plate)이라고 한다. 공급단 위에 있는 모든 단들은 정류부에 속하며, 공급단 그 자체를 포함한 공급단 이하의 모든 단들은 회수부에 속한다.공급 원료는 회수부 아래로 흘러 탑 아래까지 내려간 뒤 여기서 액체는 일정한 액위로 유지된다. 액체는 중력에 의해 보일러 B로 흘러간다. 보일러는 증기를 만들어서 이것을 탑 아래로 되돌려 보내는 일종의 수증기로 가열되는 기화장치이다. 증기는 탑 전체를 통과한다. 보일러의 한쪽 끝에는 물넘이둑 선도분리하고자 하는 성분 간의 상대휘발도를 도입하기 전에 증류탑에서 임의의 성분 에 대한 K-value를 액상과 기상의 조성을 활용하여 다음과 같이 정의한다.식 (1-1)라울의 법칙(Raoult's Law)으로부터 성분 의 K-value는 다음과 같이 표현할 수 있다.식 (1-2)이제 A 성분과 B 성분 간의 상대휘발도, 를 도입하면 다음과 같다.식 (1-3)여기서 성분 A 가 성분 B 보다 좀 더 휘발성이 큰 성분으로 정의한다. 그리고, 식 (1-3)을 다시 정리하면 최종적으로 다음의 식 (1-4)를 얻는다.식 (1-4)증류탑의 계산에서 위의 식 (1-4)를 평형선의 방정식이라고 부른다. 식 (1-3)에 의하면 상대휘발도는 각성분의 증기압의 비와 같다.에탄올(A)과 물(B)의 증기압에 대한 Antoine 표현식을 쓰면 다음과 같다.식 (1-5)식 (1-6)80℃에서 각 성분의 증기압을 구하면, , 이다.이로부터 두 성분 사이의 상대휘발도는 가 된다. 이 경우에 대해서 액상과 기상의 에탄올의 조성 사이의 관계식을 그래프로 나타내면 다음 그림 1-2와 같아진다.그림 1-2. Raoult의 법칙을 활용한 물-에탄올계의 기-액 평형 선도실제 기-액 평형 선도에서는 물-에탄올 계에서 공비점이 형성되지만, Raoult의 법칙을 활용한 기-액 평형 선도는 공비점이 형성되지 않는다. 실제 기-액 평형 선도와의 오차를 줄이기 위한 여러 가지 열역학 식들을 활용한 방법이 있지만 이번 실험에서는 포함하지 않도록 한다.원료 공급선다섯가지 유형의 공급 원료를 라고 하는 단일 인자를 사용해서 표시할 수 있다. 는 공급원료 1몰을 원료 공급단에 넣었을 때 그 중에 회수부로 내려가는 액체의 몰 수로 정의된다. 는 여러 가지 공급원료 조건들에 대하여 다음 그림 1-3과 같이 수치 한계를 갖는다.1)차가운 공급원료2)기포점에 있는 공급원료(포화액체)3)액체와 증기의 혼합원료4)이슬점에 있는 공급원료(포화증기)5)과열증기 상태의 공급원료그림 1-3. 원료 공급선 상의 원료 조건의 영향증류탑에서 사용되는 연속 증류장치에서는 원료액의 상태가 포화액체로 주입되며, 이 경우 원료액의 온도는 포화액체 상태로써 기포점 상태가 된다. 따라서 원료액이 증류탑의 공급단에 주입되면 원료액은 모두가 그림 1-4와 같이 증류탑의 아래인 회수부로 향한다.그림 1-4. Saturated liquid feed포화액체 상태의 경우 증기가 하나도 없으므로 로 볼 수 있으며, 공급선의 기울기는 가 된다.그림 1-5. 물-에탄올 계의 평형선과 원료 공급선에탄올과 물의 2성분의 분리에 활용되는 원료공급선은 그림 1-5와 같이 나타낼 수 있다.정류부에 대한 조작선의 방정식평형선과 공급선을 결정했으므로 다음 단계는 정류부에 대한 조작선의 방정식을 유도하는 것이다. 정류부(Rectifying section)는 증류탑에서 공급단의 상단에 해당한다. 이를 그림으로 도시하면 그림 1-5와 같다.그림 1-5. 증류탑의 정류부에 대한 모식도그림 1-5에서 큰 점선으로 표시한 부분에 대한 성분 물질 수지식을 취해보면 식 (1-8)과 같아진다.식 (1-8)여기에서 MaCable-Thiele법의 가장 기본적인 가정은 “각 성분의 몰당 증발잠열이 서로 같다.”라는 것이다. 이 가정에 의하면 각 단을 흐르는 증기와 액의 몰유량은 일정하다. 따라서 하첨자를 생략하고 에 대해서 정리하면 식 (1-9)와 같이 쓸 수 있다.식 (1-9)또한 그림 1-5에서 파란 점선으로 표시한 부분에 대해서 총괄 물질수지를 취해 보면 식 (1-10)과 같아진다.식 (1-10)여기에서 환류비(Reflux ratio)를 다음과 같이 정의해 보자.식 (1-11)위의 (1-10)식과 (1-11)식을 (1-9)식에 대입해서 정리하면 다음과 같이 정류부에 대한 조작선의 방정식을 얻는다.식 (1-12): 환류비, : 탑상 생산물의 조성조작선의 기울기는 이다. 이 선의 절편은 이다. 농도 는 설계조건으로 정해지며, 환류비 는 환류와 탑위 생산물을 분리할 때 그 유량을 조정하거나 탑위 생산물의 유량을 일정하게 놓고, 보일러에서 생성된 증기량)식 (1-16)을 식 (1-15)에 대입하면 최종적으로 회수부에 대한 조작선의 방정식인 식 (1-17)을 얻는다.식 (1-17)위의 식 (1-17)에서 을 로 놓으면 이 가 되어, 회수부에 대한 조작선은 대각선과 점(, )에서 교차한다. 조작선은 점(, )과 기울기 를 이용해서 그릴 수 있다. 아래단과 보일러에 대한 물질수지 선도는 그림 1-8과 같다. 탑 자체에 대한 조작선 상의 가장 낮은 점은 아래단의 점(, )으로서, 와 은 각각 아래단을 나가는 액체와 보일러에서 나오는 증기의 농도이다. 하지만 조작선은 연장되어 점(, )에서 대각선을 교차할 수 있다.그림 1-8. 정류부와 회수부의 조작선과 계단작도를 이용한 이론단수의 결정그림 1-9. 전환류 조건하에서 구한 최소 이론단수의 결정계단 작도를 활용한 이론 단수계단 작도를 하는 과정은 그림 1-8에 나타내었다. 우선 탑상생산물의 조성인 점(, )에서 시작하여 수평으로 직선을 그어서 평형선과 만나는 점에서 수직으로 내려 그어서 정류부의 조작선과 만나는 점에서 다시 수평으로 직선을 긋는 작업을 반복한다. 계단작도를 계속해 나가다가 공급선과 정류부의 조작선이 만나는 점의 좌표를 넘어서면 수직으로 내려 그어서 이번에는 회수부의 조작선과 만나는 점에서 다시 수평으로 긋는다. 이렇게 해서 계단작도를 통해 얻는 계단의 개수가 이론단수이다. 그림 1-9에는 전환류 조건하에서 최소 이론단수를 구한 것을 나타내었다.단효율이상단을 실제단으로 해석하기 위해서는 단효율에 대한 보정을 이용해야 한다. 단효율에 영향을 주는 요인들은 단의 형태, 단에 있는 구멍들의 크기와 모양, 하강 유로의 크기, 단의 간격, 물넘이둑의 높이, 각 단에서의 허용 증기유량과 압력손실, 및 탑의 직경 등이 포함된다. 단효율에 영향을 주는 많은 변수들은 단 개개의 설계와 관련되며 그 유형에는 변수를 활용하는 범위에 따라 탑 전체에 관련되는 총괄 효율, 단 한 개에 관계되는 Murphree 효율, 한 단의 특정 지역에 관계되는 국부 효율 등이 있다. 총괄 소됨에 따라 두 조작선들의 교차점은 원료공급선을 따라 평형곡선 쪽으로 움직여 계단을 그릴 수 있는 면적이 줄어들게 되어 단수가 증가한다. 조작선들 중의 하나 또는 둘 다 모두 평형곡선과 만나면, 접촉점을 지나가는데 필요한 단수는 무한대가 된다. 이런 상태에 해당하는 환류비는 정의에 따라 최소 환류비이다.평형 곡선 전체가 아래쪽으로 오목한 정상형 평형곡선인 경우, 최소 환류시, 조작선과 평형곡선의 접촉점은 및 선에서 보는 바와 같이 원료공급선과 평형 곡선의 교차점 상에 있다. 환류를 좀 더 줄이면 및 선들과 같이 평형곡선 밖에서 조작선들이 교차하게 된다. 그러면 아무리 무한대의 단이 있어도 점 를 지날 수 없고, 이 조건에서의 환류비는 최소 환류비보다 작다.조작선 ad의 기울기는 점(, )과 (, )를 지나는 직선으로, 과 은 각각 원료공급선과 평형곡선의 교차점 좌표이다. 최소 환류비를 이라고 하며, 식 (1-20)과 같이 나타낼 수 있다.식 (1-20)장치 구조 및 명칭그림 1-11. 연속증류 실험장치냉각수 입구냉각수 유량계응축기공급액 탱크보일러탑하부 생성물 탱크탑상부 생성물 탱크환류펌프공급액 예열기응축액 받이환류 공급선탑하부 생성물 응축기Manometer공급용액 펌프환류액 예열기액면계공급용액 분배기공급펌프 연결라인실험기구 및 시약매스실린더 100ml삼각플라스크 100ml비중병에탄올초시계실험방법장치의 모든 밸브가 잠겨 있고 모든 스위치가 OFF로 되어 있는지 확인한다.장치의 Main S/W를 ON으로 하고 각 지시계가 정상적으로 작동되는지 확인한다.공급액 탱크에 50 mol% 에탄올을 충분히 만들어 넣는다(공급탱크의 펌프 공급 높이 이상).보일러에 10 mol% 에탄올을 3ℓ정도 만들어 넣는다(전체높이의 2/3 정도)냉각수의 연결부위를 확인하고 이상 없을 시 응축기로 냉각수를 보낸다.공급용액 펌프를 작동하고 공급용액의 유량 및 조성을 측정한다.보일러의 가열을 시작한 후 장치가 끓기 시작하여 응축액 받이에 응축액이 모이는 것을 확인하고 이 때부터 유량과 조성을
