화학공학실험 단증류 예비보고서

문서 내 토픽

1. 증류

증류(distillation)는 끓는점의 차이를 이용하여 액체 상태의 혼합물을 분리하는 방법이다. 두 혼합물의 화학 반응 없이 물리적인 분리가 이루어지는 경우를 말한다. 증류할 때 처음 증발해 나오는 것이 끓는점이 낮은 물질이고, 나중에 나오는 것일수록 끓는점이 높은 물질이다. 증류에 의해서 얻는 액체를 유출액, 또는 유분이라 하고, 남은 액체를 잔류물이라 한다. 유출액을 다시 증류하였을 때, 새로 생긴 유출액은 다앞서 얻는 유출액보다 휘발성이 더 크고 끓는점도 낮다. 이와 같이 증류를 되풀이 하는 것을 재증류라고 하며, 이에 대하여 한번만 증류하는 것을 단증류(simple distillation)라고 한다.
2. 조성

화학에서 조성은 특정한 화합물을 구성하는 원소의 비율과 함유랑을 두루 일컫는 용어이다. 조성은 혼합물의 상태를 결정짓는 중요한 요소가 되기도 하는데 혼합물의 평형도 역시 특정 온도, 압력, 그리고 각 상의 특정한 조성으로 유지된다. 즉, 같은 압력과 온도라도 혼합된 조성에 따라 끓는 점과 어는 점이 바뀔 수 있다는 것이다. 물과 에탄올을 섞는 경우를 예시로 생각해본다면 끓는 점이 낮은 에탄올이 먼저 기화되어 날아가기 시작하고 기체상에는 에탄올이 액체상에는 물이 더 많아지게 되는 즉, 조성이 변함에 따라서 끓는 점이 계속 바뀌면서 그 온도가 물의 끓는 점인 100℃에 다가가게 된다.
3. 기-액 평형

두가지 종류 이상의 성분으로 이루어진 액체를 일정한 온도와 압력 하에서 충분히 오래 방치하면 액체와 그 액체의 증기가 평형상태를 이루게 되는데, 이러한 상평형 상태가 기-액 평형이다. 즉 기-액 평형이란 어떤 물질의 기상과 역상이 평형을 이루는 상태로 두 가지의 상태가 모두 존재하면서 더 이상 어떠한 한쪽으로 흘러가지 않는 상태를 말한다. 이때 증기에는 액체보다 끓는점이 낮은 성분이 많이 존재한다.
4. 단증류

단증류(simple distillation)란 가장 간단한 증류 방법으로, 한 종류의 액체만 끓는점 이상으로 끓인 후 냉각시켜 불순물을 제거하여 분리하는 방법이다. 초기에 일정한 양의 다성분 물질을 증류장치에 장입한 후 열부하와 환류량을 적절히 조절함으로써 원하는 조성의 물질들로 분리하는 공정이다. 장입한 원료물질은 가열됨에 따라 기상이 형성되어 연속적으로 제거 및 응축된다. 단증류에는 정상상태가 존재하지 않으며 초기 원료 물질의 조성은 시간에 따라 변화한다. 결국 탑저의 온도는 상승하고 휘발성이 강한 물질의 탑저 잔류물이 점차 줄어든다.
5. 불변 끓음 혼합물

공비혼합물이라고도 불리는 불변 끓음 혼합물은 혼합물이지만 물질의 끓는 점이 하나로 일정한 혼합물을 의미한다. 불변 끓음 혼합물이 생성되면 혼합물을 증류를 통해서는 완전하게 분리해 낼 수 없다. 예를 들어 물 4%, 에탄올 96%인 혼합물은 78.17℃에서 일정한 끓는 점을 가지며, 이 상태에서 증류를 통해서 더 이상의 물을분리해 내는 것은 불가능하다. 즉 끓는 점에서 액체의 조성과 증기의 조성이 같아 끓을 때 남아 있는 액체의 조성이 변하지 않는 액체 혼합물질을 말한다.
6. 결과 계산

이번 실험의 결과를 처리하는 과정에서 비중병의 부피, 평균조성 값을 계산해야 한다. 비중병의 부피는 {질량} over {부피}의 식에서 알 수 있듯이 식으로 구할 수 있으므로 {(증류수+비중병의``무게)-중병의``무게} over {측정한`온도에서의``물의``밀도}과 같이 정리해줄 수 있다. 유출액의 평균 조성 값 계산은 선형 보간법, 즉 내삽으로 계산을 하는데 여기서 선형 보간법은 끝점의 값이 주어졌을 때 그 사이에 위치한 값을 추정하기 위하여 직선 거리에 따라 선형적으로 계산하는 방법이다. 유출액의 평균 조성값 계산식은 X _{Dav} = {W _{1} x _{1} -W _{2} x _{2}} over {W _{1} -W _{2}}로 나타낼 수 있다.

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1. 증류

증류는 화학 공정에서 매우 중요한 단위 조작 중 하나입니다. 증류 공정을 통해 혼합물의 성분을 분리하고 순수한 물질을 얻을 수 있습니다. 증류 공정은 물질의 끓는점 차이를 이용하여 이루어지며, 이를 통해 에탄올, 아세톤, 아세트산 등 다양한 화학 물질을 생산할 수 있습니다. 증류 공정은 화학 공정, 정유 산업, 제약 산업 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 공정 효율 향상과 에너지 절감을 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있습니다.
2. 조성

화학 공정에서 조성은 매우 중요한 개념입니다. 조성은 물질의 성분 비율을 나타내며, 이는 공정의 효율, 생산성, 제품의 품질 등에 직접적인 영향을 미칩니다. 조성 분석을 통해 공정의 문제점을 파악하고 개선할 수 있으며, 최적의 조성을 찾아 공정을 최적화할 수 있습니다. 또한 조성 데이터는 공정 모델링, 시뮬레이션, 제어 등에 활용되어 공정 운전의 안정성과 효율성을 높일 수 있습니다. 따라서 화학 공정에서 조성 관리는 매우 중요한 과제라고 할 수 있습니다.
3. 기-액 평형

기-액 평형은 화학 공정에서 매우 중요한 개념입니다. 기-액 평형은 기상과 액상 사이의 물질 분배 관계를 나타내며, 이는 증류, 흡수, 추출 등 다양한 분리 공정의 설계와 운전에 필수적입니다. 기-액 평형 데이터는 공정 모델링, 시뮬레이션, 최적화 등에 활용되어 공정 효율을 높일 수 있습니다. 또한 기-액 평형은 화학 반응 평형, 상평형 등 다른 화학 평형 현상과도 밀접한 관련이 있어 화학 공정 전반에 걸쳐 중요한 역할을 합니다. 따라서 기-액 평형에 대한 이해와 데이터 확보는 화학 공정 설계와 운전에 필수적이라고 할 수 있습니다.
4. 단증류

단증류는 화학 공정에서 가장 기본적인 분리 공정 중 하나입니다. 단증류는 혼합물의 성분을 끓는점 차이를 이용하여 분리하는 공정으로, 증류탑 내에서 이루어집니다. 단증류 공정은 간단한 구조와 운전 방법으로 인해 많은 화학 공정에서 활용되고 있습니다. 단증류 공정의 설계와 운전에는 기-액 평형, 열역학적 물성, 전달 현상 등 다양한 화학 공학 지식이 필요하며, 이를 통해 공정 효율을 높일 수 있습니다. 또한 단증류 공정은 다단증류, 역류증류 등 다양한 변형 공정의 기반이 되어 화학 공정 설계에 중요한 역할을 합니다.
5. 불변 끓음 혼합물

불변 끓음 혼합물은 화학 공정에서 매우 중요한 개념입니다. 불변 끓음 혼합물은 일정한 조성을 유지하며 일정한 온도에서 끓는 혼합물로, 이러한 특성으로 인해 증류, 추출 등 분리 공정에서 활용될 수 있습니다. 불변 끓음 혼합물은 공정 설계와 운전에 있어 중요한 기준점이 되며, 이를 통해 공정 효율을 높일 수 있습니다. 또한 불변 끓음 혼합물은 화학 반응 평형, 상평형 등 다른 화학 평형 현상과도 밀접한 관련이 있어 화학 공정 전반에 걸쳐 중요한 역할을 합니다. 따라서 불변 끓음 혼합물에 대한 이해와 데이터 확보는 화학 공정 설계와 운전에 필수적이라고 할 수 있습니다.
6. 결과 계산

화학 공정에서 결과 계산은 매우 중요한 과정입니다. 결과 계산은 공정 운전 데이터, 실험 데이터, 모델링 결과 등을 바탕으로 공정의 성능, 효율, 수율 등을 계산하는 것을 의미합니다. 이를 통해 공정의 문제점을 파악하고 개선 방안을 도출할 수 있습니다. 또한 결과 계산은 공정 최적화, 경제성 분석, 환경성 평가 등에 활용되어 공정 전반의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 따라서 화학 공정에서 결과 계산은 매우 중요한 역할을 하며, 이를 위해서는 공정 데이터 관리, 모델링 기법, 최적화 기법 등 다양한 화학 공학 지식이 필요합니다.

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