단증류와 분별증류의 원리 및 McCabe-Thiele 방법

문서 내 토픽

1. 증류(Distillation)

증류는 화학적 성질을 변화시키지 않고 물리적 성질인 끓는점을 이용하여 액체 혼합물을 분리하는 방법이다. 단순증류는 액체 혼합물을 끓는점까지 가열한 뒤 증발한 물질을 냉각하여 액체로 만드는 과정이고, 분별증류는 단순증류로 얻은 액체를 여러 번 증류시켜 분리도를 높이는 방법이다. 분별증류에서는 혼합 증기의 응축-기화 과정을 반복하여 순도 높은 기체를 얻어낸다.
2. McCabe-Thiele 방법

정류탑의 단수를 산출하기 위해 사용하는 방법으로 물질 수지식을 기본으로 탑 내부의 2성분간 복잡한 현상을 간단한 직선식으로 표현한다. 정류부와 탈거부의 조작선 방정식과 원료공급선을 그려 계단식 작도법을 이용하여 이상단수와 원료공급단의 위치를 구한다. 이 방법에서는 관벽의 열손실이 없고 혼합열을 무시하며 각 성분의 분자 증발 잠열은 탑 내에서 같다고 가정한다.
3. Raoult 법칙

비휘발성, 비전해질인 용질이 녹아 있는 용액의 증기압 내림은 용질의 몰분율에 비례한다는 법칙이다. 이상용액에서 용액의 증기압은 각 성분의 몰분율과 순수 물질의 증기압의 곱의 합으로 표현된다. Dalton의 분압법칙과 함께 사용하여 기체-액체 평형관계를 나타낸다.
4. 단효율(Stage Efficiency)

한 단의 효율이 다른 단에서의 물리적 성질 변화의 영향에 의해 변한다는 개념이다. 분별증류 실험에서 Murphree 단효율을 주로 사용하며, 이는 한 단과 다음 단 사이의 증기조성 변화를 그 단을 나가는 증기가 그 단을 나가는 액체와 평형을 이룬다고 할 때 생기는 증기조성의 변화로 나눈 값이다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 증류(Distillation)

증류는 화학공학에서 가장 중요한 분리 공정 중 하나로, 끓는점 차이를 이용하여 액체 혼합물을 분리하는 기술입니다. 산업적으로 석유 정제, 알코올 생산, 의약품 제조 등 광범위하게 활용되고 있습니다. 증류 공정의 효율성은 에너지 소비와 직결되므로, 최적화된 운전 조건 설정이 경제성에 큰 영향을 미칩니다. 특히 현대에는 에너지 절감과 환경 보호의 중요성이 증대되면서, 더욱 효율적인 증류 기술 개발이 필요합니다. 다양한 증류 방식(회분식, 연속식, 진공 증류 등)의 이해와 적절한 선택이 공정 설계의 핵심입니다.
2. McCabe-Thiele 방법

McCabe-Thiele 방법은 이진 혼합물의 증류 설계를 위한 그래픽적 해석 방법으로, 직관적이고 이해하기 쉬운 장점이 있습니다. 이 방법을 통해 필요한 이론단(theoretical stage)의 개수와 환류비(reflux ratio)를 신속하게 결정할 수 있어, 초기 설계 단계에서 매우 유용합니다. 다만 이진 혼합물에만 적용 가능하고, 비이상적 혼합물이나 복잡한 시스템에는 제한이 있습니다. 현대에는 컴퓨터 시뮬레이션이 발전하면서 더 정교한 계산이 가능해졌지만, McCabe-Thiele 방법의 기본 원리는 여전히 공학 교육과 실무에서 중요한 기초 개념으로 인정받고 있습니다.
3. Raoult 법칙

Raoult 법칙은 이상적 액체 혼합물의 증기압을 예측하는 기본 원리로, 각 성분의 부분압이 그 성분의 몰분율과 순수 성분의 증기압의 곱으로 표현됩니다. 이 법칙은 이상적 혼합물에 대해 매우 정확하지만, 실제 산업 시스템의 대부분은 비이상적 거동을 보입니다. 따라서 활동도 계수(activity coefficient)를 도입하여 Raoult 법칙을 수정한 형태가 실무에서 더 널리 사용됩니다. Raoult 법칙의 이해는 상평형 계산의 기초이며, 증류 공정 설계에서 정확한 상평형 데이터 없이는 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 없습니다.
4. 단효율(Stage Efficiency)

단효율은 실제 증류탑의 성능을 평가하는 중요한 지표로, 이론단과 실제단의 차이를 정량화합니다. 100% 미만의 단효율은 물질 전달의 불완전성, 혼합 불충분, 접촉 시간 부족 등 여러 요인에 의해 발생합니다. 단효율을 정확히 예측하는 것은 경제적인 증류탑 설계에 필수적이며, 과도한 이론단 수를 요구하는 설계는 자본 비용 증가로 이어집니다. 단효율은 운전 조건, 유체 물성, 트레이 설계 등에 따라 변하므로, 실험 데이터와 경험적 상관식을 활용한 신중한 평가가 필요합니다. 현대 공정에서는 고효율 트레이 개발을 통해 단효율을 향상시키려는 노력이 계속되고 있습니다.

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