다단식 연속증류 실험 예비 보고서

문서 내 토픽

1. McCabe-Thiele 법

McCabe-Thiele 법은 증류탑을 사용하여 두 성분을 분리하는 것을 모델링하는 도해식 방법이다. 이 방법을 적용하기 위해서는 각 단에서 기-액 평형이 이루어지며, 기체와 액체의 몰당 증발잠열이 동일하고, 증기와 액체의 유량이 일정해야 한다. 계단작도를 통해 이론단수를 결정할 수 있으며, 정류부와 탈거부의 조작선을 그려 평형선과의 교점을 찾아 단수를 계산한다. 그러나 3성분 이상의 다성분 혼합물에는 적용하기 어렵고, 실제 공정에서는 기-액 접촉 효율이 100%가 아니므로 단효율 개념을 도입해야 한다.
2. 연속증류의 원리 및 조작선

연속증류는 분리하고자 하는 성분들 간의 끓는점 차이와 상대휘발도를 이용하여 혼합물에서 원하는 성분의 순도를 높이는 분리조작이다. 정류부와 탈거부로 구성되며, 정류부의 조작선 방정식은 환류비와 탑상 제품의 조성으로 표현된다. 탈거부의 조작선은 되끓이개에서의 물질수지로부터 유도되며, 두 조작선은 원료공급선과 만나는 점에서 연결된다. 조작선의 기울기와 절편은 환류비와 제품 조성에 의해 결정된다.
3. 환류비와 최소 환류비

환류비는 환류와 탑위 제품의 비 또는 환류와 증기의 비로 정의되며, 증류탑 설계에서 중요한 공정 변수이다. 환류비가 작아질수록 필요한 단수는 증가하며, 최소 환류비에서 단수가 무한대로 된다. 높은 순도의 제품을 얻으려면 높은 환류비가 필요하고, 에너지 효율을 최적화하려면 낮은 환류비로 설계하는 것이 좋다. 실제 탑은 최소 환류와 무한 환류 사이의 환류비로 운전해야 한다.
4. 에탄올-물 혼합물의 기-액 평형

에탄올과 물의 혼합물은 비이상 혼합물로, 성분 간의 분자 간 힘 차이로 인해 화학적 상호작용이 발생하며 라울의 법칙에서 벗어난 거동을 보인다. 특정 조성에서 끓는점이 일정한 공비혼합물(Azeotrope)을 형성한다. 상대휘발도는 각 성분의 증기압의 비로 정의되며, 80℃에서 에탄올과 물의 상대휘발도는 약 1.63이다. 기-액 평형선도는 증류 계산에서 필수적인 도구이다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. McCabe-Thiele 법

McCabe-Thiele 법은 이상적인 혼합물의 연속증류 설계에 있어 매우 실용적이고 효율적인 그래픽 방법입니다. 이 방법은 x-y 평형도와 조작선을 이용하여 필요한 이론단의 수를 직관적으로 결정할 수 있게 해줍니다. 특히 공학 실무에서 복잡한 수치 계산 없이도 빠르게 설계 변수를 파악할 수 있다는 점이 장점입니다. 다만 이상적 혼합물에만 적용 가능하고 비이상적 혼합물에는 제한이 있으며, 현대에는 컴퓨터 시뮬레이션으로 대체되는 경향이 있습니다. 그럼에도 불구하고 기본 원리를 이해하고 설계 개념을 파악하는 데 있어 교육적 가치가 매우 높은 방법이라고 평가합니다.
2. 연속증류의 원리 및 조작선

연속증류의 원리는 기-액 평형과 물질수지를 기반으로 하는 기본적이면서도 중요한 개념입니다. 조작선은 실제 증류탑 내에서 일어나는 물질 이동을 수학적으로 표현하는 도구로서, 평형선과의 교점을 통해 단계적 분리 효율을 평가할 수 있습니다. 조작선의 기울기는 환류비에 의해 결정되며, 이는 에너지 소비와 직결되므로 경제성 분석에 필수적입니다. 조작선 개념의 이해는 증류탑 설계의 핵심이며, 실제 산업 공정에서 최적 운영 조건을 결정하는 데 매우 중요한 역할을 합니다.
3. 환류비와 최소 환류비

환류비는 연속증류 공정의 경제성과 효율성을 결정하는 가장 중요한 변수 중 하나입니다. 최소 환류비는 이론적으로 무한한 단의 수가 필요한 경계 조건으로, 이보다 낮은 환류비에서는 원하는 분리가 불가능합니다. 실제 운영에서는 최소 환류비보다 높은 값을 사용하여 합리적인 단의 수와 에너지 소비 사이의 균형을 맞춥니다. 환류비가 높을수록 더 적은 단으로 분리가 가능하지만 에너지 비용이 증가하므로, 경제적 최적 환류비를 찾는 것이 중요합니다. 이는 증류탑 설계에서 가장 핵심적인 최적화 문제입니다.
4. 에탄올-물 혼합물의 기-액 평형

에탄올-물 혼합물은 비이상적 거동을 보이는 대표적인 시스템으로, 기-액 평형 데이터가 잘 알려져 있어 증류 공정 연구에 자주 사용됩니다. 이 혼합물은 최소 끓는점 공비를 형성하여 특정 조성에서 기-액 조성이 같아지는 특성이 있습니다. 이러한 비이상성은 활동도 계수 모델을 필요로 하며, 정확한 평형 데이터 없이는 신뢰할 수 있는 설계가 불가능합니다. 에탄올-물 시스템의 기-액 평형 이해는 실제 산업 공정, 특히 바이오에탄올 생산이나 주류 제조 등에서 매우 실용적인 가치를 가집니다.

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