[화공실험]기액평형 실험 예비레포트

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 2가 된다. 즉 온도, 압력, 기상, 액상의 조성 등의 상태량 중, 2개까지 임의로 대신하는 것이 가능하다. 일반적으로 대기압 하에서 실험을 진행한다고 할 때, 실제 자유도는 1이 된다.

• 2. 라울의 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, 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 구성

  본 장치는 혼합 시료를 증류시켜 주는 용기로서 혼합 시료 1.5리터 종도를 넣을 수 있다. 증류 열원은 용기 외벽을 감싸고 있는 Tape type의 Heater로 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 방법

  60wt% 메탄올 수용액 1,000ml를 제작한다. 평형증류장치의 모든 콕을 점검하고, 배출콕을 닫은 다음 나머지 다른 콕은 모두 개방한다. 제작된 용액 중 800ml를 시료주입구를 통하여 넣은 다음 투입구 콕을 닫는다. 응축기로 냉각수를 흘려보내면서 보일러의 스위치를 작동한 후 온도조절기의 설정온도(약 90°C)를 설정한 다음 보일러용 전력조절기를 Max.로 설정한다. 투입된 시료 용액이 끓어서 응축된 용액이 나오는 가를 수집기(환류용기) 수위관에서 확인한다. 유출액 환류콕을 열어 응축액이 환류관을 통해 보일러(증류용기)로 환류 되게 하고 온도를 5분마다 읽고 DATA sheet에 기록한다. 온도계를 읽어 각각 3번 이상 같은 온도(환류 후)가 되는 것을 보아 평형상태에 도달한 것을 확인한다. 이 때, 보일러 배출 콕과 수집기 배출콕을 열고 보일러 속의 액(액상)과 수집기의 유출액(중기상)을 적당량(비중병 부피 이상) 채취한다. 시료를 20°C(상온)로 냉각 시킨 후 미리 검정한 비중병에 담고 밀도를 측정한 다음, 비중-농도 관계표에 의하여 메탄올의 농도를 구하고 기록한다.

• 10. 참고문헌

  1. McGraw-Hil, warren L.MCCABE, 이화영 역, '단위조작' 제 7판, 2005 2. J.RICHARD ELLIOTT, 강춘형 외 5명 옮김, '화공열역학', 제 2판, 카오스북 3. 세화 편집부, '화학대사전', 기액 평형, 2001 4. 사이언스올, '과학백과사전' , 평형증류 equilibrium distillation

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 기-액 평형 관계

  기-액 평형 관계는 화학공정 설계와 운전에 있어 매우 중요한 개념이다. 이는 액체와 기체 상태 간의 물질 전달 및 상평형 특성을 이해하는 데 필수적이다. 기-액 평형 관계를 통해 온도, 압력, 조성 등의 변화에 따른 상평형 변화를 예측할 수 있으며, 이는 증류, 흡수, 추출 등의 분리공정 설계와 운전에 활용된다. 또한 상평형 데이터는 열역학적 모델 개발과 검증에도 중요한 역할을 한다. 따라서 기-액 평형 관계에 대한 깊이 있는 이해와 정확한 실험 데이터 확보는 화학공정 분야에서 매우 중요하다.

• 2. 라울의 법칙

  라울의 법칙은 이상용액에서 액체 상태의 화학 퍼텐셜과 기체 상태의 화학 퍼텐셜 간의 관계를 설명하는 중요한 열역학 원리이다. 이 법칙에 따르면 용액의 증기압은 용질의 몰분율에 비례하며, 용질의 증기압 저하는 용질의 몰분율에 비례한다. 라울의 법칙은 이상용액에서 성립하지만, 실제 용액에서는 용질-용매 간 상호작용으로 인해 이상적인 거동과 차이가 나타난다. 따라서 실제 공정에서는 라울의 법칙을 보정할 수 있는 열역학 모델이 필요하다. 라울의 법칙에 대한 이해와 함께 실제 용액의 비이상성을 고려할 수 있는 모델링 기법 습득이 중요하다.

• 3. 상대휘발도(비휘발도)

  상대휘발도(비휘발도)는 증류공정 설계와 운전에 있어 매우 중요한 개념이다. 상대휘발도는 두 성분 간의 증기압 차이를 나타내는 지표로, 이를 통해 증류 분리 효율을 예측할 수 있다. 상대휘발도가 클수록 두 성분의 분리가 용이하며, 증류탑 설계 시 이를 고려하여 최적의 운전 조건을 선정할 수 있다. 또한 상대휘발도는 공정 운전 중 발생할 수 있는 문제를 진단하는 데에도 활용된다. 따라서 상대휘발도에 대한 이해와 함께 이를 활용한 공정 설계 및 운전 기술 습득이 필요하다.

• 4. 기-액 평형(vapor-liquid equilibrium)

  기-액 평형은 화학공정에서 매우 중요한 열역학적 개념이다. 기-액 평형은 액체와 기체 상태 간의 물질 전달 및 상평형 특성을 나타내며, 이는 증류, 흡수, 추출 등의 분리공정 설계와 운전에 필수적이다. 기-액 평형 관계를 통해 온도, 압력, 조성 등의 변화에 따른 상평형 변화를 예측할 수 있으며, 이는 공정 최적화와 안정적인 운전에 활용된다. 또한 기-액 평형 데이터는 열역학 모델 개발과 검증에도 중요한 역할을 한다. 따라서 기-액 평형에 대한 깊이 있는 이해와 정확한 실험 데이터 확보가 필요하다.

• 5. 라울의 법칙과 헨리의 법칙

  라울의 법칙과 헨리의 법칙은 이상용액과 비이상용액에서의 기-액 평형 관계를 설명하는 중요한 열역학 원리이다. 라울의 법칙은 이상용액에서 성립하며, 용액의 증기압이 용질의 몰분율에 비례한다고 설명한다. 반면 헨리의 법칙은 비이상용액에서 성립하며, 용질의 증기압이 용질의 몰분율에 비례한다고 설명한다. 이 두 법칙은 용질-용매 간 상호작용을 고려하여 실제 용액의 기-액 평형 거동을 예측하는 데 활용된다. 따라서 라울의 법칙과 헨리의 법칙에 대한 이해와 함께 이를 활용한 열역학 모델링 기법 습득이 중요하다.

• 6. 평형증류(equilibrium distillation)

  평형증류는 기-액 평형 관계를 활용하여 혼합물을 분리하는 대표적인 분리공정이다. 평형증류에서는 기-액 평형 관계에 따라 기상과 액상 간의 조성 차이를 이용하여 혼합물을 분리한다. 이를 위해서는 혼합물의 기-액 평형 데이터와 열역학 모델이 필요하며, 이를 바탕으로 증류탑 설계와 운전 조건을 최적화할 수 있다. 평형증류는 화학, 석유화학, 정유 등 다양한 산업 분야에서 활용되며, 이에 대한 깊이 있는 이해와 실무 능력 향상이 중요하다.

• 7. 이상용액(ideal solution)

  이상용액은 용질-용매 간 상호작용이 없는 이상적인 용액 상태를 나타내는 개념이다. 이상용액에서는 라울의 법칙이 성립하며, 용액의 증기압이 용질의 몰분율에 비례한다. 하지만 실제 용액에서는 용질-용매 간 상호작용으로 인해 이상적인 거동과 차이가 나타난다. 따라서 실제 공정에서는 이상용액 모델을 보정할 수 있는 열역학 모델이 필요하다. 이상용액 개념에 대한 이해와 함께 실제 용액의 비이상성을 고려할 수 있는 모델링 기법 습득이 중요하다.

• 8. 실험장치 구성

  기-액 평형 실험을 위한 장치 구성은 매우 중요하다. 실험장치는 온도, 압력, 조성 등의 변화에 따른 기-액 평형 데이터를 정확하게 측정할 수 있도록 설계되어야 한다. 이를 위해서는 온도 및 압력 제어 장치, 시료 채취 및 분석 장치, 교반기 등의 구성이 필요하다. 또한 실험 장치의 재질, 밀폐성, 안전성 등도 고려해야 한다. 실험장치 구성에 대한 이해와 함께 실험 데이터의 정확성과 신뢰성을 확보하는 것이 중요하다.

• 9. 실험 방법

  기-액 평형 실험 방법은 실험 데이터의 정확성과 신뢰성을 확보하는 데 매우 중요하다. 실험 방법에는 정적 방법, 동적 방법, 순환 방법 등 다양한 접근법이 있으며, 각각의 장단점이 있다. 실험 방법 선택 시 실험 목적, 실험 물질의 특성, 장치 구성 등을 고려해야 한다. 또한 실험 절차, 시료 채취, 분석 방법, 데이터 처리 등 실험 전반에 걸친 체계적인 접근이 필요하다. 실험 방법에 대한 이해와 함께 실험 데이터의 정확성과 신뢰성을 확보하는 것이 중요하다.

• 10. 참고문헌

  기-액 평형 관련 연구와 실험에 있어 참고문헌은 매우 중요한 역할을 한다. 참고문헌을 통해 기존 연구 동향, 실험 방법, 데이터 분석 기법 등을 파악할 수 있으며, 이를 바탕으로 연구 방향을 설정하고 실험을 설계할 수 있다. 또한 참고문헌에 제시된 열역학 모델, 상관관계식 등을 활용하여 실험 데이터를 해석하고 공정 설계에 활용할 수 있다. 따라서 기-액 평형 관련 연구와 실험을 수행할 때 참고문헌 조사와 활용이 매우 중요하다.