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[A+] 단증류와 분별증류, McCabe-Thiele으로 증류효율,이상단수 구하기 결과보고서

서울 상위권 대학의 A+ 받은 화학공학 실험 보고서입니다.
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최초등록일 2023.12.30 최종저작일 2023.06
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[A+] 단증류와 분별증류, McCabe-Thiele으로 증류효율,이상단수 구하기 결과보고서
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    소개

    서울 상위권 대학의 A+ 받은 화학공학 실험 보고서입니다.

    목차

    1. 실험방법

    2. Note

    3. 결과 및 논의
    1) 실험 결과
    2) 결과 해석 및 논의

    4. 결론

    5. 참고자료

    본문내용

    ① Feed tank에 50 mol%의 에탄올과 물 혼합물을 24 L 채운다.
    ② Condenser 로 cooling water가 주입될 수 있도록 sink 밑의 valve 와 valve 1, valve 9를 연다.
    ③ 전원을 켜고 controller를 켠다.
    ④ Valve 8을 열고 valve 13을 pump 방향으로 놓은 뒤 three way valve를 boiler 방향으로 열고 Feed pump를 작동시킨다.
    ⑤ Boiler의 level indicator를 보고 feed 가 Boiler의 반 이상을 채우면 feed pump를 끈다.
    ⑥ Boiler의 온도를 feed 혼합물의 끓는점을 고려하여 설정한다.
    ⑦ 경과 시간에 따라 distillate reservoir 와 boiler의 drain valve를 열어 distillate 샘플과 bottom 용액 샘플을 15 mL conical tube에 받아 채취한다.
    ⑧ Micro pipette을 이용하여 채취한 샘플 2 mL를 microtube에 넣고, 무게를 측정하여 fraction에 따른 purity를 추정한다.

    참고자료

    · 박창호 외2, 1999, 물질전달 및 분리공정, 지인당, 서울 , pp.55-91
    · Mccabe L.Warren , Julian C. Smith , Peter Harriott(2017). McCabe의 단위조작(이화영, 전해수, 조영일, 역). 서울: McGraw Hill Education. (2005). pp 565-595
    · 임굉 외1, 2009, 화학공학의 단위조작 (Introduction to unit operations in chemical engineering), 내하출판사, 서울 ,pp.24
  • AI와 토픽 톺아보기

    • 1. 단증류(Simple Distillation)
      단증류는 가장 기본적인 분리 기술로서, 끓는점이 크게 다른 액체 혼합물을 분리하는 데 효과적입니다. 이 방법은 원리가 단순하고 장비 구성이 간단하여 실험실에서 널리 사용됩니다. 그러나 끓는점이 비슷한 성분들을 분리할 때는 효율이 낮다는 한계가 있습니다. 산업 규모에서는 에너지 효율성 문제로 인해 제한적으로 사용되며, 주로 정제 또는 소규모 분리 작업에 적합합니다. 단증류의 성공 여부는 혼합물의 휘발성 차이에 크게 의존하므로, 사전에 성분의 물리화학적 성질을 충분히 파악하는 것이 중요합니다.
    • 2. 분별증류(Fractional Distillation)
      분별증류는 단증류의 한계를 극복하기 위해 개발된 기술로, 분별탑(fractionating column)을 통해 여러 단계의 증발과 응축을 반복함으로써 분리 효율을 크게 향상시킵니다. 이 방법은 끓는점이 유사한 성분들도 효과적으로 분리할 수 있어 석유 정제, 공기 액화 등 산업 현장에서 광범위하게 활용됩니다. 다만 높은 에너지 소비, 복잡한 장비 운영, 그리고 초기 투자 비용이 상당하다는 단점이 있습니다. 분별증류의 효율성은 탑의 설계, 환류비, 그리고 운영 조건에 따라 크게 달라지므로 최적화가 필수적입니다.
    • 3. McCabe-Thiele 방법
      McCabe-Thiele 방법은 이진 혼합물의 증류 과정을 그래프적으로 분석하는 강력한 도구로, 필요한 이론단(theoretical stage)의 개수와 환류비를 결정하는 데 매우 유용합니다. 이 방법은 직관적이고 이해하기 쉬우며, 손으로 계산할 수 있어 설계 초기 단계에서 빠른 평가가 가능합니다. 그러나 이진 혼합물에만 적용되고, 비이상적 혼합물이나 복잡한 시스템에는 제한이 있습니다. 현대에는 컴퓨터 시뮬레이션이 주로 사용되지만, McCabe-Thiele 방법은 기본 원리를 이해하고 검증하는 데 여전히 중요한 역할을 합니다.
    • 4. 아제오트로프(Azeotrope)와 증류 한계
      아제오트로프는 일정한 조성에서 순수 물질처럼 일정한 온도에서 증발하는 혼합물로, 증류 공정에 심각한 제약을 가합니다. 아제오트로프 조성에 도달하면 추가 증류로도 성분 분리가 불가능하므로, 이를 극복하기 위해 압력 변화, 용매 첨가, 또는 반응 증류 등의 특수 기술이 필요합니다. 이는 산업 공정 설계에서 중요한 고려사항이며, 특히 에탄올-물 혼합물 같은 일반적인 시스템에서도 문제가 됩니다. 아제오트로프의 존재는 순수 물질 분리의 열역학적 한계를 보여주며, 이를 이해하는 것은 효율적인 분리 공정 개발에 필수적입니다.
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