연속식 증류탑 실험: 원리 및 McCabe-Thiele 법

본 내용은 " 화학공학과 연속식 증류탑 실험 프리레포트 (실험 원리) " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.07.26

문서 내 토픽

• 1. 연속식 증류탑의 구조 및 작동 원리

  연속식 증류탑은 reboiler, condenser, reflux drum, tray/packing으로 구성된다. Reboiler에서 가열된 액체가 증기로 변환되어 탑 내 하강하는 액체와 맞흐름으로 접촉한다. 탑은 원료공급단을 기준으로 상부의 정류부(rectifying section)와 하부의 탈거부(stripping section)로 나뉜다. 정류부에서는 낮은 끓는점 물질의 농도가 증가하고, 탈거부에서는 높은 끓는점 물질의 농도가 증가한다. Condenser에서 응축된 액체의 일부를 환류(reflux)로 탑에 되돌려 보낸다.

• 2. McCabe-Thiele 법

  McCabe-Thiele 법은 VLE(Vapor-Liquid Equilibrium) 그래프를 활용하여 2성분계 혼합물 분리에 필요한 이론 단수를 예측하는 도식적 방법이다. 액체상과 증기상이 평형상태를 유지하며 접촉한다고 가정하고, 일정몰 넘침(constant molar overflow) 가정을 적용한다. 정류부와 탈거부의 조작선, 원료공급선을 그려 계단식 작도법으로 이상단 수를 구한다.

• 3. 물질수지 및 조작선

  총괄 물질수지는 F=D+B이고, A성분 물질수지는 FxF=DxD+BxB이다. 정류부 조작선은 yn+1=(L/V)xn+xD(1-L/V)이고, 탈거부 조작선은 ym+1=(L/V)xm-xB(L/V-1)이다. 환류비 RD=L/D로 정의되며, 원료공급선은 q값으로 표현된다. 조작선의 교점이 원료공급단의 위치를 결정한다.

• 4. 단효율 및 최적 환류비

  단효율은 세 가지로 분류된다: 탑 전체의 총괄 효율, 한 개 단의 Murphree 효율, 한 단 특정 지역의 국부 효율이다. 총괄 효율은 이상단 수를 실제 단 수로 나눈 값이다. 최적 환류비는 환류비 증가로 감소하는 설비비용과 증가하는 reboiler/condenser 운영비용을 고려하여 총 비용이 최소인 경제적 환류비이다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 주제1 연속식 증류탑의 구조 및 작동 원리

  연속식 증류탑은 화학공학에서 가장 중요한 분리 장치 중 하나입니다. 탑의 상단에서 저비점 성분이 증기로 올라가고, 하단에서 고비점 성분이 액체로 내려오는 원리는 매우 효율적입니다. 실제 산업 현장에서 석유 정제, 화학 물질 분리 등에 광범위하게 사용되고 있습니다. 구조적으로 트레이나 충전물을 통해 기액 접촉을 극대화하는 설계는 분리 효율을 크게 향상시킵니다. 다만 에너지 소비가 많다는 점과 초기 설치 비용이 높다는 단점이 있습니다. 현대에는 에너지 효율을 개선하기 위한 다양한 혁신적 설계들이 개발되고 있으며, 이는 산업의 지속가능성을 높이는 데 기여하고 있습니다.

• 2. 주제2 McCabe-Thiele 법

  McCabe-Thiele 법은 증류 설계의 기초가 되는 그래픽 해석 방법으로, 매우 직관적이고 실용적입니다. 평형선과 조작선의 교점을 통해 필요한 이론단 수를 쉽게 결정할 수 있다는 점이 큰 장점입니다. 특히 학생들이 증류 원리를 이해하는 데 매우 효과적인 교육 도구입니다. 그러나 이 방법은 이상용액에만 적용되며, 비이상용액이나 복잡한 혼합물의 경우 정확도가 떨어집니다. 현대에는 컴퓨터 시뮬레이션이 발전하면서 더 정확한 계산이 가능해졌지만, McCabe-Thiele 법의 기본 개념은 여전히 중요하며 엔지니어들의 기초 이해를 돕는 데 필수적입니다.

• 3. 주제3 물질수지 및 조작선

  물질수지는 증류탑 설계의 가장 기본이 되는 원칙으로, 에너지 보존 법칙과 함께 모든 계산의 토대입니다. 조작선은 물질수지로부터 유도되며, 이를 통해 실제 분리 과정을 정량적으로 분석할 수 있습니다. 정확한 물질수지 계산은 환류비, 재비, 제품 조성 등을 결정하는 데 필수적입니다. 이론적으로는 간단하지만 실제 산업 공정에서는 누출, 손실, 부반응 등 여러 변수를 고려해야 하므로 복잡할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 물질수지의 원칙을 정확히 이해하고 적용하는 것은 효율적이고 경제적인 공정 설계의 핵심입니다.

• 4. 주제4 단효율 및 최적 환류비

  단효율은 이론단과 실제단의 차이를 나타내는 중요한 지표로, 실제 증류탑 설계에서 필수적인 개념입니다. 단효율이 낮을수록 더 많은 실제 트레이가 필요하므로 탑의 높이와 비용이 증가합니다. 최적 환류비는 에너지 비용과 자본 비용의 균형을 맞추는 중요한 변수입니다. 환류비가 너무 낮으면 필요한 단 수가 증가하고, 너무 높으면 에너지 소비가 과도해집니다. 실제 산업에서는 경제성을 고려하여 최소 환류비의 1.2~1.5배 정도에서 운전하는 것이 일반적입니다. 이러한 최적화는 공정의 효율성과 수익성을 크게 향상시키므로 매우 중요합니다.