단증류와 분별증류 실험: McCabe-Thiele 분석

본 내용은 " [A+] 단증류와 분별증류, McCabe-Thiele으로 증류효율,이상단수 구하기 결과보고서 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.12.30

문서 내 토픽

• 1. 단증류(Simple Distillation)

  액체 혼합물을 끓는점까지 가열한 후 증발한 물질을 냉각하여 액체로 만드는 증류 방법입니다. 증발-응축 과정이 한 번만 일어나며, 끓는점이 낮은 성분은 top product에, 높은 성분은 bottom product에 분포합니다. 보드카, 위스키 등 알코올성 음료 생성과 휘발성 불순물 제거에 응용됩니다. 본 실험에서 50 mol% 에탄올-물 혼합물을 사용하여 단증류를 수행했으며, 첫 번째 실험에서 overhead product의 에탄올 몰분율은 70.26%였습니다.

• 2. 분별증류(Fractional Distillation)

  단순 증류로 얻은 액체를 여러 번 증류하여 분리도를 높이는 방법입니다. 환류를 통해 응축-기화 과정을 반복하므로 단증류보다 순도 높은 기체를 얻을 수 있습니다. 정유 공장에서 탄화수소를 끓는점 차이에 따라 분리할 때 주로 사용됩니다. 본 실험에서 feed flow rate 1 mL/min, reflux flow rate 3 mL/min으로 설정하여 수행했으며, 첫 번째 실험에서 overhead product의 에탄올 몰분율은 75.36%로 단증류보다 높은 순도를 보였습니다.

• 3. McCabe-Thiele 방법

  증류탑 설계에 사용되는 그래프 작도법으로, x-y diagram에 원료공급선, 정류부 조작선, 탈거부 조작선을 그려 이상적 이론단수와 원료공급단 위치를 결정합니다. 본 실험에서 q값 1.0343을 구하여 원료공급선을 작도했으며, 이상적 원료공급단 위치는 3단, 이상적 이론단수는 4단으로 계산되었습니다. 이를 통해 총괄 단효율을 구할 수 있습니다.

• 4. 아제오트로프(Azeotrope)와 증류 한계

  에탄올과 물의 혼합물은 불변 끓음 혼합물(azeotrope)로, 일정 온도에서 용액의 성분비와 증기의 성분비가 같아집니다. 이로 인해 증류 방법으로 100% 에탄올을 얻는 것은 불가능합니다. 압력이 변하면 증기의 조성이 변화되므로 순수 물질과 다르게 작동합니다. 본 실험에서도 이 현상을 확인할 수 있었으며, 이는 증류 효율의 이론적 한계를 나타냅니다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 단증류(Simple Distillation)

  단증류는 가장 기본적인 분리 기술로서, 끓는점이 크게 다른 액체 혼합물을 분리하는 데 효과적입니다. 이 방법은 원리가 단순하고 장비 구성이 간단하여 실험실에서 널리 사용됩니다. 그러나 끓는점이 비슷한 성분들을 분리할 때는 효율이 낮다는 한계가 있습니다. 산업 규모에서는 에너지 효율성 문제로 인해 제한적으로 사용되며, 주로 정제 또는 소규모 분리 작업에 적합합니다. 단증류의 성공 여부는 혼합물의 휘발성 차이에 크게 의존하므로, 사전에 성분의 물리화학적 성질을 충분히 파악하는 것이 중요합니다.

• 2. 분별증류(Fractional Distillation)

  분별증류는 단증류의 한계를 극복하기 위해 개발된 기술로, 분별탑(fractionating column)을 통해 여러 단계의 증발과 응축을 반복함으로써 분리 효율을 크게 향상시킵니다. 이 방법은 끓는점이 유사한 성분들도 효과적으로 분리할 수 있어 석유 정제, 공기 액화 등 산업 현장에서 광범위하게 활용됩니다. 다만 높은 에너지 소비, 복잡한 장비 운영, 그리고 초기 투자 비용이 상당하다는 단점이 있습니다. 분별증류의 효율성은 탑의 설계, 환류비, 그리고 운영 조건에 따라 크게 달라지므로 최적화가 필수적입니다.

• 3. McCabe-Thiele 방법

  McCabe-Thiele 방법은 이진 혼합물의 증류 과정을 그래프적으로 분석하는 강력한 도구로, 필요한 이론단(theoretical stage)의 개수와 환류비를 결정하는 데 매우 유용합니다. 이 방법은 직관적이고 이해하기 쉬우며, 손으로 계산할 수 있어 설계 초기 단계에서 빠른 평가가 가능합니다. 그러나 이진 혼합물에만 적용되고, 비이상적 혼합물이나 복잡한 시스템에는 제한이 있습니다. 현대에는 컴퓨터 시뮬레이션이 주로 사용되지만, McCabe-Thiele 방법은 기본 원리를 이해하고 검증하는 데 여전히 중요한 역할을 합니다.

• 4. 아제오트로프(Azeotrope)와 증류 한계

  아제오트로프는 일정한 조성에서 순수 물질처럼 일정한 온도에서 증발하는 혼합물로, 증류 공정에 심각한 제약을 가합니다. 아제오트로프 조성에 도달하면 추가 증류로도 성분 분리가 불가능하므로, 이를 극복하기 위해 압력 변화, 용매 첨가, 또는 반응 증류 등의 특수 기술이 필요합니다. 이는 산업 공정 설계에서 중요한 고려사항이며, 특히 에탄올-물 혼합물 같은 일반적인 시스템에서도 문제가 됩니다. 아제오트로프의 존재는 순수 물질 분리의 열역학적 한계를 보여주며, 이를 이해하는 것은 효율적인 분리 공정 개발에 필수적입니다.