소개글
"화학공학실험 에탄올 단증류"에 대한 내용입니다.
목차
1. 실험 개요
1.1. 실험 목적
1.2. 실험 대상 물질
2. 실험 이론
2.1. 증류의 개념
2.2. 증류의 종류
2.2.1. 단증류
2.2.2. 평형증류
2.2.3. 분별증류
2.2.4. 감압증류
2.3. Rayleigh 식
2.4. Raoult의 법칙
2.5. Henry의 법칙
3. 실험 방법
3.1. 실험 기구
3.2. 실험 절차
4. 실험 결과
4.1. 용액의 밀도 및 조성 측정
4.2. Rayleigh 식에 의한 이론값 계산
4.3. 유출액의 평균 조성 계산
4.4. 오차 분석
5. 실험 고찰
6. 참고 문헌
본문내용
1. 실험 개요
1.1. 실험 목적
실험 목적은 다음과 같다.
(1) 2성분계 시료로 단증류를 행하고 원리를 이해한다.
단증류는 액체 혼합물을 가열하여 생긴 증기를 냉각기로 보내어 저비점 성분이 풍부한 액체를 얻는 가장 간단한 분리 방법이다. 비점 차이가 크게 나는 혼합물에 적용되며, 효율은 좋지 않지만 실험실 및 소규모 공업에 널리 사용된다. 이번 실험에서는 에탄올과 물의 2성분계 시료로 단증류를 수행하고 그 원리를 이해하고자 한다.
(2) 실험결과를 Rayleigh의 식에 의해 계산한다.
단증류 과정에서 증기와 잔류액의 조성 변화는 Rayleigh 식을 통해 이론적으로 설명할 수 있다. 실험을 통해 얻은 데이터를 Rayleigh 식에 대입하여 잔류액의 양과 조성을 계산하고, 이를 실험 결과와 비교함으로써 단증류 원리를 이해하고자 한다.
(3) 단증류 실험장치의 조작법을 이해한다.
단증류 실험에 사용되는 장치의 구조와 원리, 온도 및 압력 조절 등 조작 방법을 이해하고자 한다.
1.2. 실험 대상 물질
실험 대상 물질로는 에탄올(C2H5OH)과 증류수가 사용되었다. 에탄올은 분자식 C2H5OH를 가지며, 분자량은 46.069g/mol이다. 에탄올은 무색의 휘발성 액체로, 비중은 0.789g/mL이다. 물과 잘 섞이며, 끓는점은 78℃이다. 증류수는 순수한 물로 구성된 액체이다. 물의 밀도는 온도 20℃에서 0.9982g/mL이다.
이번 실험에서는 에탄올과 물의 혼합 용액을 대상 물질로 사용한다. 특히 에탄올 35% 수용액 1L를 제조하여 실험에 사용하였다. 에탄올과 물의 혼합 용액은 낮은 불변 끓음 혼합물을 형성하여 78.17℃의 끓는점을 가진다. 이러한 끓는점 차이를 이용하여 단증류 실험을 진행하였다.
2. 실험 이론
2.1. 증류의 개념
2성분계 액체 혼합물을 가열하면 그 증기의 조성은 액체일 때보다 휘발성이 높은 성분의 함량이 훨씬 많다. 이와 같이 휘발성의 차이를 이용하여 액체 혼합물로부터 각 성분을 분리하는 조작을 증류라고 한다. 증류는 한 성분은 휘발성을 가지고 응축된 액체 중에는 휘발성 이외의 것은 포함되어 있지 않는 증발과는 구별된다. 즉 혼합물을 가열하면 휘발성이 낮은 것부터 기화하여 증기가 되고 이 증기를 응축시켜 액화하여 분리해내는 조작이다. 따라서 각 성분의 증기압이 증류에 있어 분리의 척도가 된다."
2.2. 증류의 종류
2.2.1. 단증류
단증류란 일정량의 액체 혼합물을 가열하여 생긴 증기를 냉각기로 보내어 응축시켜 저비점 성분이 풍부한 액체를 얻는 방법이다. 비점 차이가 비교적 클 때 사용되며, 간단한 증류방법으로 널리 이용되고 있다. 그러나 분리 효율이 좋지 않아 실험실 또는 소규모 공업에 이용된다.
단증류를 하는 동안 증기의 조성이 계속 변하며, 이때 유출액의 양과 농도의 관계를 Rayleigh가 다음과 같이 구하였다. 단증류를 시작한 후의 어떤 순간에 증류기내의 액량을 W(kg·mol), 저비점 성분의 몰분율을 x라 하면 증류기 내에는 Wx의 저비점 성분이 있다. 이때 액과 평형상태에 있는 증기 중의 저비점 성분의 몰분율을 y라고 한다. dW만큼 증류되었다고 하면 유출액의 저비점 성분의 양은 y·dW이며 증류기 내에 남은 액량은 (W-dW)(kg·mol) 이며, 이것은 몰분율 (x-dx)가 되므로 증류기 내에 남은 저비점성분의 양은 (W-dW)(x-dx)(kg·mol)이 된다. 따라서 다음의 물질 수지가 성립한다.
Wx=ydW + (W-dW)(x-dx)
여기서 2차 미분항인 dW·dx는 작으므로 무시하고 정리하면 최초의 증발기내 액량 W1으로부터 단증류 후의 증발기내 액량 W2까지 또한 액의 조성변화 x1으로부터 x2까지 적분하면 다음의 Rayleigh 식이 얻어진다.
ln(W2/W1) = ln(x1/x2) - ∫(dx/(y-x))
이 식에서 우변의 적분항은 x와 y사이의 관계를 나타내는 평형도표로부터 도식적으로 구할 수 있다.
단증류는 간단한 분리 방법이지만 분리 효율이 좋지 않아 대규모 공정에는 적합하지 않다. 그러나 실험실이나 소규모 공정에서는 여전히 널리 사용되고 있다.
2.2.2. 평형증류
평형증류(Flash Distillation)는 발생된 증기가 액체와 평형을 이루는 방법으로, 액체의 일정 비율을 기화시킨 후 증기를 액체로부터 분리하여 응축시키는 과정이다.
평형증류는 단순히 가열하기만 하면 증기와 액체 상태가 평형을 이루게 되는 특성을 이용하는 방식이다. 액체 혼합물을 일정 압력 하에서 가열하면 각 성분의 증기압에 따라 일정 비율로 기화되어 증기상이 생성된다. 이렇게 생성된 증기상은 액체상과 평형을 이루게 되며, 증기상과 액체상의 조성비는 온도, 압력, 성분의 종류에 따라 달라진다.
평형증류에서는 액체 혼합물을 가압상태로 유지하면서 일정 온도까지 가열하여 증기와 액체가 평형상태에 도달하도록 한다. 그 후 증기...
참고 자료
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