유기공업화학실험 분별증류 결과보고서

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1. 분별증류

본 실험에서는 환류가 있는 증류방법인 분별증류를 이용하여 메탄올과 증류수의 혼합물에서 고순도의 메탄올을 분리하는데 중점을 두었다. 실험결과 응축액의 양이 늘어나면서 가열되는 혼합용액의 끓는점이 점차 높아졌으며 메탄올의 끓는점과 비슷한 65 ℃에서는 99 mol%에 가까운 고순도 메탄올을 얻을 수 있었고 100 ℃에 가까워질 때 고순도의 증류수를 얻을 수 있었다. 이는 기-액 평형의 문헌값을 통해서도 실험값과 문헌값이 대체로 일치함을 확인할 수 있었으며 각 구간별 혼합용액의 조성이 다름을 확인하였다. 또한 계단작도를 통해 최소이론단수가 4단임을 예측할 수 있었다.
2. 기-액 평형

메탄올과 증류수가 혼합된 용액의 증기는 각각의 조성에 따라 기-액 평형상태가 성립된다. 문헌 값으로부터 그린 곡선을 통하여 측정된 증기온도에서의 조성을 예측해보았다. 응축액이 5 ml가 될 때까지의 증기 온도가 약 65℃이었던 것을 통해 처음 5 ml의 응축액은 거의 순수한 메탄올에 가까운 것이라 예측할 수 있었다.
3. 최소이론단수

계단작도를 통해 최소이론단수가 4단임을 예측할 수 있었다. 따라서 분별증류를 통해 고순도의 메탄올을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
4. 단순증류와 분별증류의 차이

분별증류에서 응축되는 속도가 일정하고 온도의 변화가 선형으로 나타난다고 가정하여 계산하면, 60 ml의 응축액이 모였을 때 메탄올의 조성은 대략 75 mol%가 된다. 처음 농도인 30.84 mol%와 비교하였을 때 한 번의 증류만으로도 순도가 크게 높아진 것을 알 수 있었다. 만약 단순증류로 실험하였다면 가장 순수한 용액의 조성이 68 mol%로, 분별증류하여 얻은 용액보다도 순도가 낮다는 계산이 나온다.
5. 공비점의 영향

메탄올은 에탄올과 다르게 증류수와의 공비점이 존재하지 않는다. 따라서 메탄올과 증류수가 혼합된 혼합용액에서 분별증류를 통해 99 mol%에 가까운 고순도 메탄올을 얻어낼 수 있었다. 만약 공비점이 존재했다면 고순도 메탄올을 얻지 못하였을 것이고 에탄올과 마찬가지로 제 3의 물질을 혼합하여 공비점을 없애는 과정이 필요해질 것이다.

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1. 분별증류

분별증류는 혼합물을 구성하는 성분들의 끓는점 차이를 이용하여 이들을 분리하는 공정이다. 이 공정은 화학공정, 정유산업, 알코올 생산 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 분별증류는 단순증류에 비해 더 높은 순도의 성분을 얻을 수 있지만, 공정이 복잡하고 에너지 소비가 크다는 단점이 있다. 따라서 공정 설계 및 최적화를 통해 에너지 효율을 높이고 운전 비용을 절감하는 것이 중요하다. 또한 분별증류 공정에서 발생하는 환경오염 문제도 고려해야 할 것이다.
2. 기-액 평형

기-액 평형은 혼합물의 상평형 관계를 나타내는 것으로, 분별증류 공정 설계 및 운전에 필수적인 정보를 제공한다. 기-액 평형 데이터는 온도, 압력, 조성 등의 변화에 따른 상평형 관계를 보여주며, 이를 통해 최적의 공정 조건을 선정할 수 있다. 또한 기-액 평형 모델링 및 실험적 측정 기술의 발전으로 다양한 혼합물 시스템에 대한 정확한 기-액 평형 데이터를 확보할 수 있게 되었다. 이러한 기-액 평형 데이터는 분별증류 공정의 설계, 운전, 최적화에 중요한 역할을 한다.
3. 최소이론단수

최소이론단수는 분별증류 공정에서 목표로 하는 분리 성능을 달성하기 위해 필요한 최소한의 이론단수를 의미한다. 이론단수는 실제 증류탑의 단수보다 작은데, 이는 실제 공정에서 발생하는 열 및 물질 전달 효율 저하, 혼합 등의 비이상적인 요인들을 고려하지 않기 때문이다. 최소이론단수를 계산하기 위해서는 기-액 평형 데이터, 물질 및 열 전달 특성, 공정 운전 조건 등 다양한 요인들을 고려해야 한다. 이를 통해 최소의 에너지 소비와 운전 비용으로 목표 분리 성능을 달성할 수 있는 최적의 증류탑 설계가 가능해진다.
4. 단순증류와 분별증류의 차이

단순증류와 분별증류는 혼합물의 분리 원리와 공정 구성에서 차이가 있다. 단순증류는 혼합물의 끓는점 차이만을 이용하여 성분을 분리하는 반면, 분별증류는 성분들의 상대적인 휘발성 차이를 이용한다. 따라서 분별증류는 단순증류에 비해 더 높은 순도의 성분을 얻을 수 있다. 또한 분별증류 공정에는 증류탑, 재비기, 응축기 등의 추가적인 장치가 필요하여 공정이 복잡하고 에너지 소비가 크다. 그러나 분별증류는 다양한 혼합물 시스템에 적용 가능하며, 정유, 화학, 제약 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다.
5. 공비점의 영향

공비점은 혼합물의 기-액 평형에서 특정 조성에서 액체와 기체의 조성이 같아지는 점을 의미한다. 공비점 근처에서는 단순증류로는 성분을 효과적으로 분리할 수 없으며, 분별증류 공정이 필요하다. 공비점의 존재는 분별증류 공정 설계 및 운전에 큰 영향을 미친다. 공비점 근처에서는 증류탑의 단수가 크게 증가하여 에너지 소비가 증가하고, 분리 성능이 저하될 수 있다. 따라서 공비점 특성을 정확히 파악하고, 이를 고려한 공정 설계 및 운전이 필요하다. 또한 공비점을 회피하거나 제거하기 위한 다양한 기술들이 개발되고 있다.

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