에탄올-물 혼합물의 단증류와 분별증류 실험

본 내용은 " 화학공학실험2,화공신소재기초실험2 분별증류 결과보고서 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.09.20

문서 내 토픽

• 1. 분별증류(Fractional Distillation)

  분별증류는 액체 혼합물을 끓는점 차이를 이용하여 분리하는 방법으로, 혼합물을 가열하여 끓는점이 낮은 물질부터 기화시킨다. 증기가 분별증류관을 통해 이동하면서 여러 단계의 응축과 재기화를 거쳐 상부로 향할수록 더 순수한 상태가 된다. 환류(reflux) 과정을 거치며 증류탑에서 환류액체가 위로 올라오는 증기와 향류 접촉하고 응축열에 의해 정류 과정을 통해 농축효율을 높인다. 본 실험에서 에탄올-물 혼합물(50:50 몰비)을 분별증류한 결과, top product의 에탄올 몰비가 75.05%, bottom product의 물 몰비가 77.71%로 나타났다.

• 2. 단증류(Simple Distillation)

  단증류는 냉각기에서 응축된 액체를 바로 받아내므로 단 한 번의 분리만 이루어지며, 장치 구성이 간단하고 비용이 적게 든다. 바닷물 정제와 같은 간단한 분리에 사용된다. 본 실험에서 에탄올-물 혼합물을 단증류한 결과, top product의 에탄올 몰비는 71.19~71.50%, bottom product의 물 몰비는 76.11~82.69%로 나타났으며, 분별증류보다 분리 효율이 낮았다.

• 3. McCabe-Thiele 방법

  McCabe-Thiele 방법은 증류탑 설계에 사용되는 그래프 해석법으로, 이상적인 원료공급단의 위치, 이상단수, 총괄 단효율을 계산한다. 본 실험에서 원료공급선과 정류부 조작선의 교차점을 통해 이상적인 원료공급단 위치는 3단으로 도출되었고, 원하는 순도의 제품을 얻는데 필요한 이상단수는 4단으로 계산되었다. 총괄 단효율은 4/7 = 57.14%로 나타났다.

• 4. 증류 효율에 영향을 미치는 인자

  분별증류 효율에 영향을 미치는 주요 인자들은 feed 조건(점성, 온도, 조성), reflux 조건(환류비), 증기 흐름 조건(foaming, entrainment, weeping, flooding), column 직경, tray 상태, 압력, 온도 등이다. 환류비가 증가하면 분리 효율이 개선되고 필요한 이론단수가 줄어들지만, 열 공급량과 비용이 증가한다. 본 실험에서 계산된 환류비는 5.713이며, 최적 환류비는 최소환류비의 약 1.1배인 0.6636으로 도출되었다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 분별증류(Fractional Distillation)

  분별증류는 끓는점이 비슷한 액체 혼합물을 분리하는 데 매우 효과적인 방법입니다. 분별 증류탑의 여러 단계를 통해 증기와 액체가 반복적으로 접촉하면서 열교환이 일어나므로, 단순 증류보다 훨씬 높은 분리 효율을 달성할 수 있습니다. 특히 석유 정제 산업에서 원유를 다양한 제품으로 분리할 때 필수적인 공정입니다. 다만 에너지 소비가 많고 장비가 복잡하다는 단점이 있으며, 공정 최적화를 위해서는 정확한 열역학 계산과 운영 조건 조절이 중요합니다.

• 2. 단증류(Simple Distillation)

  단증류는 끓는점이 크게 다른 액체 혼합물을 분리하는 가장 기본적이고 간단한 방법입니다. 장비가 단순하고 비용이 저렴하며 운영이 용이하다는 장점이 있어 실험실이나 소규모 공정에 적합합니다. 그러나 분리 효율이 낮아서 끓는점이 비슷한 성분들을 분리하기 어렵고, 한 번의 증발과 응축 과정만 거치므로 순도 높은 제품을 얻기 어렵습니다. 따라서 단증류는 초기 분리 단계나 끓는점 차이가 큰 경우에만 실용적이며, 고순도 제품이 필요한 경우에는 분별증류 같은 고급 기술이 필요합니다.

• 3. McCabe-Thiele 방법

  McCabe-Thiele 방법은 이진 혼합물의 증류 공정을 그래프적으로 분석하는 고전적이면서도 매우 유용한 도구입니다. 평형 곡선과 운영선을 이용하여 필요한 이론단(theoretical stage)의 수를 직관적으로 결정할 수 있어 공정 설계에 매우 효과적입니다. 특히 손으로 계산할 수 있어 빠른 개념 이해와 초기 설계에 유리합니다. 다만 이진 혼합물에만 적용 가능하고, 다성분 혼합물이나 복잡한 공정에는 컴퓨터 시뮬레이션이 필요합니다. 현대에는 소프트웨어가 주로 사용되지만, McCabe-Thiele 방법의 원리를 이해하는 것은 증류 공정의 기본 개념 습득에 여전히 중요합니다.

• 4. 증류 효율에 영향을 미치는 인자

  증류 효율은 온도, 압력, 공급액의 조성, 환류비, 증류탑의 높이와 직경, 충전재의 종류 등 다양한 인자에 의해 영향을 받습니다. 환류비가 높을수록 분리 효율이 증가하지만 에너지 소비도 증가하므로 경제성과의 균형이 필요합니다. 온도와 압력은 액체-증기 평형에 직접 영향을 미치므로 신중한 제어가 필수적입니다. 또한 충전재의 표면적과 접촉 효율, 증류탑 내 액체와 증기의 흐름 패턴도 중요한 역할을 합니다. 이러한 인자들을 최적화하려면 열역학, 물질전달, 유체역학 등 다양한 분야의 지식이 필요하며, 실제 공정에서는 이들 인자 간의 상호작용을 고려한 종합적인 접근이 필요합니다.