단증류 실험을 통한 에탄올-물 혼합용액 분리

본 내용은 " (A+레포트)[화공생물공학단위조작실험2] 2.단증류(결과) " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.06.25

문서 내 토픽

• 1. 단증류(Simple Distillation)

  단증류는 끓는점 차이를 이용하여 액체 혼합물을 분리하는 미분 증류법입니다. 본 실험에서는 30wt% 에탄올 수용액을 가열하여 에탄올(끓는점 78.3℃)을 증류수(끓는점 100℃)로부터 분리했습니다. 발생한 증기는 냉각관을 통해 응축되어 유출액으로 수집됩니다. 실험 결과 73.37wt%의 에탄올을 분리했으나 22.22%의 오차율을 보였습니다. 오차 원인은 에탄올의 유출 및 증발, 비중병 부피 오차, 온도 측정 미흡 등으로 분석되었습니다.

• 2. 공비 혼합물(Azeotropic Mixture)

  공비 혼합물은 끓는점에서 액체와 증기의 조성이 같아져 더 이상 증류되지 않는 혼합물입니다. 물과 에탄올 혼합물의 공비점은 78.15℃, 1atm에서 95.5wt%입니다. 단증류는 공비점 때문에 100% 순수한 물질로 분리할 수 없으며, 이를 개선하기 위해 분별 증류 장치 사용이 권장됩니다. 분별 증류는 탑 형태 또는 glass bead가 있는 증류관을 사용하여 더 높은 순도의 물질을 획득할 수 있습니다.

• 3. Rayleigh 식과 상대휘발도

  Rayleigh 식은 미분 증류에서 저비점 성분의 조성 변화를 나타내는 식으로, 본 실험에서 잔류액과 유출액의 조성을 계산하는 데 사용되었습니다. 상대휘발도는 액상과 기상 평형에서 성분 간 휘발도의 비를 의미하며, 비휘발도가 클수록 증류에 의해 쉽게 분리됩니다. Antoine 식을 통해 특정 온도 범위에서 상대휘발도의 평균값을 구할 수 있으며, 이를 이용하면 그래프 대신 대수적으로 조성을 계산할 수 있습니다.

• 4. 질량 농도와 비이상용액

  본 실험에서는 몰농도 대신 질량 농도(wt%)를 사용했습니다. 질량 농도는 온도에 의존하지 않아 농도 계산이 용이하며, 에탄올과 물 혼합 시 부피 수축 현상을 고려할 수 있습니다. 에탄올-물 혼합물은 분자 간 수소 결합 등 강한 상호작용이 있는 비이상용액으로, 라울의 법칙 적용 시 활동도 계수를 고려한 보정이 필요합니다. 활동도 계수는 용액의 비이상성을 나타내는 척도로 1에 가까울수록 이상용액에 가깝습니다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 단증류(Simple Distillation)

  단증류는 화학공학에서 가장 기본적이고 중요한 분리 공정입니다. 끓는점이 다른 액체 혼합물을 효과적으로 분리할 수 있는 방법으로, 실험실과 산업 현장에서 널리 사용됩니다. 특히 휘발성 성분과 비휘발성 성분의 분리에 탁월합니다. 다만 끓는점이 비슷한 성분들의 분리에는 한계가 있으며, 이 경우 분별증류 같은 고급 기술이 필요합니다. 단증류의 원리를 정확히 이해하는 것은 더 복잡한 증류 공정을 학습하기 위한 필수 기초입니다. 온도, 압력, 혼합물의 조성 등 여러 변수를 고려해야 하므로 체계적인 접근이 중요합니다.

• 2. 공비 혼합물(Azeotropic Mixture)

  공비 혼합물은 증류 공정에서 매우 흥미로운 현상입니다. 특정 조성에서 액체와 기체의 조성이 동일해지는 특성으로 인해 일반적인 증류로는 완전한 분리가 불가능합니다. 이는 화학공학자들에게 중요한 도전 과제이며, 이를 극복하기 위해 공비증류, 추출증류, 압력 스윙 등 다양한 기술이 개발되었습니다. 공비 혼합물의 존재는 산업 공정 설계에 실질적인 영향을 미치므로, 각 혼합물의 공비점을 정확히 파악하는 것이 필수적입니다. 이론적 이해와 실험적 데이터의 결합이 효율적인 분리 공정 개발에 중요합니다.

• 3. Rayleigh 식과 상대휘발도

  Rayleigh 식은 배치 증류에서 액체 조성의 변화를 정량적으로 나타내는 매우 유용한 도구입니다. 상대휘발도와 함께 사용되면 증류 과정에서의 성분 분리 정도를 예측할 수 있습니다. 상대휘발도가 1에 가까울수록 분리가 어려워지는 반면, 값이 클수록 분리가 용이합니다. Rayleigh 식의 적분을 통해 필요한 증류량을 계산할 수 있어 공정 설계에 직접 적용됩니다. 다만 이상용액을 가정하므로 실제 비이상 혼합물에는 활동도 계수를 고려한 수정이 필요합니다. 이 식을 정확히 이해하면 증류 공정의 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

• 4. 질량 농도와 비이상용액

  질량 농도는 용액의 조성을 나타내는 기본적인 방법이지만, 비이상용액의 거동을 정확히 예측하기 위해서는 활동도 개념이 필수적입니다. 비이상용액에서는 분자 간 상호작용이 이상용액의 가정을 벗어나므로, 단순한 질량 농도만으로는 부족합니다. 활동도 계수를 포함한 열역학적 모델(예: NRTL, Wilson 모델)을 사용해야 정확한 예측이 가능합니다. 산업 공정에서 대부분의 실제 혼합물은 비이상 거동을 보이므로, 이를 올바르게 이해하고 적용하는 것이 공정 설계의 신뢰성을 결정합니다. 질량 농도와 활동도의 관계를 체계적으로 학습하는 것이 중요합니다.