[화공실험]기액평형 실험 결과레포트

문서 내 토픽

1. 기-액 평형 관계

메탄올과 물은 서로 임의의 비율로 혼합하여도 균일한 용액이 된다. 메탄올-물 용액에 있어서 각각의 성분의 혼합증기와 평형에 있는 계에서 Gibbs의 상률을 적용해 보면, 계의 성분 수는 메탄올과 물의 두 가지이고, 상(Phase)의 수는 기상과 액상의 두 가지이다. 그러므로 상률에 따라서 이 계의 자유도는 2-2+2=2가 된다. 즉 온도, 압력. 기상. 액상의 조성 등의 상태량 중, 2개까지 임의로 대신하는 것이 가능하다.
2. 라울(Raoult)의 법칙

1887년 F.M 라울이 유기용매에 유기화합물을 용해한 경우에 실험적으로 발견한 법칙이다. 이상용액의 경우, 혼합물 중 각 성분이 나타내는 분압은 그 성분이 단독으로 존재할 때 나타내는 증기압과, 용액 중 그 성분의 몰분율과의 곱으로 표시된다는 법칙이다.
3. 상대휘발도(비휘발도)

액상과 평형상태에 있는 증기상에 대하여, 성분 B에 대한 성분 A의 상태휘발도(비휘발도)는 다음과 같이 정의된다. 만약 액상이 라울의 법칙에 따르고 증기상이 돌턴의 법칙에 따른다고 하면, 그러므로, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다. 기액 평형치와 비휘발도 와의 관계는 다음과 같다. 비휘발도 값이 큰 계일수록 증류에 의하여 두 성분을 분리하기 쉽다.
4. 기-액 평형(vapor-liquid equilibrium)

기체 상과 액체 상과의 2상 간의 상평형을 의미한다. 1성분계에서는 상률에 의해 자유도는 1이므로 온도 또는 압력을 정하면 평형상태를 완전히 결정할 수 있다. 증기압과 온도와의 관계는 가장 중요한 기-액 평형 관계이다. 이를 Clapeyron-Clausius의 식으로 표현할 수 있다. 2성분 이상의 다성분계에서는 액체를 일정 온도와 압력 하에서 충분한 시간 방치해두면, 액체와 그 액체의 증기 사이에 평형이 성립되는 상태를 의미한다.
5. 라울의 법칙과 헨리의 법칙

기상은 이상기체, 액상은 이상용액이어야 한다는 두가지의 가정이 필요하다. 즉, 혼합물 내 물질에 대한 분압은 용액 내의 몰분율과 임계온도 이하에서 순수할 때 증기압에 비례한다는 것을 의미한다. 라울의 법칙을 이용하면, 실험을 하지 않고도 결과를 예측하는 모델식을 만들 수 있다. 그러나, 초임계 성분이 상당한 양으로 존재할 경우에는 문제가 발생할 수 있다. 즉, 임계 온도가 적용온도보다 낮은 경우로 즉, saturation 온도를 구할 수 없는 경우에는 헨리상수에 비례하는 헨리법칙을 사용한다.
6. 평형증류(equilibrium distillation)

혼합액의 일부만 증발시킨 후 잔액과 증기를 충분히 접촉시켜 평형에 도달하게 함으로써 기체상과 액체상으로 나누어 성분을 분리하는 방법이다. 원유의 성분을 대략적으로 분리하는 경우, 가압상태에서 원유를 가열하여 일부를 휘발 시킨 후, 감압실로 유도하여 기체를 분리시킨다.
7. 이상용액(ideal solution)

액체 혼합물에서 물질의 몰분율( xA)과 부분 증기압(PA) 사이 관계식에서 라울 법칙, PA = xA PA*이 모든 몰분율에서 성립되는 용액을 말한다. 즉, 두 성분의 화학적 조성이 비슷하며 순수한 성분으로 점근하고 있으며 분자의 particle size가 비슷한 경우를 의미한다.
8. 실험장치 및 방법

본 실험장치는 혼합 시료를 증류시켜 주는 용기로서 혼합 시료 1.5리터 종도를 넣을 수 있다. 증류 열원은 용기 외벽을 감싸고 있는 Tape type의 Heater 로 되어 있으며, 온도 조절은 좌측의 전기조작 판넬의 전압 Power 조절기로 열원을 일정하게 공급하여 주도록 제작하였다. 증기관을 통하여 올라온 증기를 응축시켜주는 냉각장치로 냉각된 응축수를 받는 용기와 다시 이 응축액을 증류 용기로 보내주는 환류관으로 구성되어 있다.
9. 실험 결과 및 고찰

실험 결과를 분석해보면, 온도가 증가함에 따라 액상과 기상의 몰분율은 감소하고, 밀도는 증가하는 경향을 보였다. 이론적 값과 실험값이 똑같은 경향을 보이는 것으로 미루어보아 실험이 제대로 진행되었음을 알 수 있었다. 실험 처음에는 환류 코크를 1번과 5번만 열었으나, 시간이 지남에 따라 2번에서 5번까지 순차적으로 코크를 개방하고 그 변화를 기록하였다. 평형온도는 일정 온도에 도달하면 변하지 않다가, 코크를 개방하는 등 조건을 변화해주면 다시 새로운 평형온도까지 상승하고 다시 일정해지는 과정이 반복되었다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 기-액 평형 관계

기-액 평형 관계는 화학공정에서 매우 중요한 개념입니다. 기체와 액체 상태의 물질이 평형을 이루는 과정을 이해하는 것은 증류, 흡수, 추출 등의 분리공정 설계에 필수적입니다. 기-액 평형 관계를 정확히 파악하면 공정 효율을 높일 수 있고, 에너지 소비를 줄일 수 있습니다. 따라서 기-액 평형 관계에 대한 깊이 있는 이해가 필요합니다.
2. 라울(Raoult)의 법칙

라울의 법칙은 이상용액에서 성분의 증기압과 몰분율 사이의 관계를 설명하는 중요한 법칙입니다. 이 법칙을 통해 용액의 성분 조성과 증기압 사이의 상관관계를 파악할 수 있습니다. 라울의 법칙은 증류, 흡수, 추출 등의 공정 설계에 널리 활용되며, 실제 공정에서도 유용하게 적용됩니다. 따라서 라울의 법칙에 대한 이해와 활용은 화학공학 분야에서 매우 중요합니다.
3. 상대휘발도(비휘발도)

상대휘발도(비휘발도)는 증류 공정에서 중요한 개념입니다. 상대휘발도는 두 성분의 증기압 차이를 나타내는 지표로, 증류 분리 효율을 결정하는 핵심 요소입니다. 상대휘발도가 클수록 두 성분의 분리가 용이하며, 증류 공정의 설계와 운전에 활용됩니다. 따라서 상대휘발도에 대한 이해와 활용은 증류 공정 최적화를 위해 필수적입니다.
4. 기-액 평형(vapor-liquid equilibrium)

기-액 평형은 화학공정에서 매우 중요한 개념입니다. 기체와 액체 상태의 물질이 평형을 이루는 과정을 이해하는 것은 증류, 흡수, 추출 등의 분리공정 설계에 필수적입니다. 기-액 평형 관계를 정확히 파악하면 공정 효율을 높일 수 있고, 에너지 소비를 줄일 수 있습니다. 따라서 기-액 평형에 대한 깊이 있는 이해가 필요합니다.
5. 라울의 법칙과 헨리의 법칙

라울의 법칙과 헨리의 법칙은 용액의 증기압 관계를 설명하는 중요한 법칙입니다. 라울의 법칙은 이상용액에서 성분의 증기압과 몰분율 사이의 관계를 설명하며, 헨리의 법칙은 비이상용액에서 성분의 증기압과 몰분율 사이의 관계를 설명합니다. 이 두 법칙은 증류, 흡수, 추출 등의 공정 설계에 널리 활용되며, 실제 공정에서도 유용하게 적용됩니다. 따라서 라울의 법칙과 헨리의 법칙에 대한 이해와 활용은 화학공학 분야에서 매우 중요합니다.
6. 평형증류(equilibrium distillation)

평형증류는 기-액 평형 관계를 활용하여 혼합물을 분리하는 공정입니다. 이 공정에서는 기-액 평형 관계를 정확히 파악하는 것이 매우 중요합니다. 평형증류 공정의 설계와 운전에는 기-액 평형 데이터, 상대휘발도, 열역학적 모델링 등이 필요합니다. 따라서 평형증류에 대한 깊이 있는 이해와 실험적 검증이 필요합니다.
7. 이상용액(ideal solution)

이상용액은 용액 내 성분 간 상호작용이 없는 이상적인 상태를 나타내는 개념입니다. 이상용액에서는 라울의 법칙이 성립하며, 용액의 성질을 예측하기 쉽습니다. 하지만 실제 용액은 이상적이지 않으며, 성분 간 상호작용으로 인해 복잡한 거동을 보입니다. 따라서 이상용액 개념을 바탕으로 실제 용액의 거동을 이해하고 모델링하는 것이 중요합니다.
8. 실험장치 및 방법

실험장치 및 방법은 기-액 평형 관계 연구에서 매우 중요합니다. 정확한 실험 데이터를 얻기 위해서는 실험 장치의 설계와 운전 조건이 적절해야 합니다. 실험 방법에는 평형 도달 시간, 샘플링 방법, 분석 기법 등이 포함됩니다. 이러한 실험 요소들을 체계적으로 고려하여 신뢰할 수 있는 실험 데이터를 확보하는 것이 중요합니다.
9. 실험 결과 및 고찰

실험 결과 및 고찰 부분은 기-액 평형 관계 연구에서 매우 중요합니다. 실험 데이터를 바탕으로 기-액 평형 거동을 분석하고, 이를 이론적 모델과 비교하여 평가하는 것이 필요합니다. 실험 결과에 대한 깊이 있는 고찰을 통해 기-액 평형 관계에 대한 이해를 높일 수 있으며, 공정 설계와 운전에 활용할 수 있는 유용한 정보를 얻을 수 있습니다.

주제 연관 리포트도 확인해 보세요!