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[A+] 단증류와 분별증류, McCabe-Thiele 이용한 증류효율과 이상단수 구하기 예비보고서

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-Thiele 이용한 증류효율과 이상단수 구하기 예비보고서
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    소개

    서울 상위권 대학의 A+ 받은 화학공학 실험 보고서입니다.

    목차

    1. 실험목표

    2. 실험원리
    1) 용어정의
    2) 이론적배경
    3) 기기원리

    3. 재료 및 실험기기
    1) 실험에 사용되는 물질의 물리,화학적 성질
    2) 실험기기

    참고문헌

    본문내용

    1) 실험 목표: 증류실험을 통해 단증류와 분별 증류(Fractional Distillation)의 기본 원리를 이해하고 차이를 실제로 증명함을 목표로 한다. 또한 증류 효율을 결정하는 기본 인자 및 원리를 이해하고 McCabe-Thiele Method를 활용하여 이상단수를 계산함을 목표로 한다.

    2) 실험 원리:
    (1) 용어 정의
    1. 증류(distillation): 증류는 화학적 성질을 변화시키지 않고 물리적인 성질(끓는점)을 이용하여 액체 혼합물을 분리하는 방법이다. 물질은 각각 고유의 끓는점이 있으므로 끓는점 차이가 있는 혼합물을 가열하면 끓는점이 낮은 물질이 먼저 증기가 되어 나오고 이를 냉각시킨 뒤 액체로 환원하면 액체 혼합물을 분리할 수 있다.
    -Simple distillation(단순 증류): 액체 혼합물을 끓는점까지 가열한 뒤 증발한 물질을 냉각하여 다시 액체로 만들고 처음에 증발해 나오는 product를 얻음을 목표로 한다.
    -Fractional distillation(분별 증류): 단순 증류로 얻은 액체(유출액)를 다시 여러 번 증류시켜 분리도를 높이는 방법이다.

    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.24-238
  • AI와 토픽 톺아보기

    • 1. 증류(Distillation)
      증류는 화학공학에서 가장 중요한 분리 공정 중 하나로, 끓는점 차이를 이용하여 액체 혼합물을 분리하는 기술입니다. 산업적으로 석유 정제, 알코올 생산, 의약품 제조 등 광범위하게 활용되고 있습니다. 증류 공정의 효율성은 에너지 소비와 직결되므로, 최적화된 운전 조건 설정이 경제성에 큰 영향을 미칩니다. 특히 현대에는 에너지 절감과 환경 보호의 중요성이 증대되면서, 더욱 효율적인 증류 기술 개발이 필요합니다. 다양한 증류 방식(회분식, 연속식, 진공 증류 등)의 이해와 적절한 선택이 공정 설계의 핵심입니다.
    • 2. McCabe-Thiele 방법
      McCabe-Thiele 방법은 이진 혼합물의 증류 설계를 위한 그래픽적 해석 방법으로, 직관적이고 이해하기 쉬운 장점이 있습니다. 이 방법을 통해 필요한 이론단(theoretical stage)의 개수와 환류비(reflux ratio)를 신속하게 결정할 수 있어, 초기 설계 단계에서 매우 유용합니다. 다만 이진 혼합물에만 적용 가능하고, 비이상적 혼합물이나 복잡한 시스템에는 제한이 있습니다. 현대에는 컴퓨터 시뮬레이션이 발전하면서 더 정교한 계산이 가능해졌지만, McCabe-Thiele 방법의 기본 원리는 여전히 공학 교육과 실무에서 중요한 기초 개념으로 인정받고 있습니다.
    • 3. Raoult 법칙
      Raoult 법칙은 이상적 액체 혼합물의 증기압을 예측하는 기본 원리로, 각 성분의 부분압이 그 성분의 몰분율과 순수 성분의 증기압의 곱으로 표현됩니다. 이 법칙은 이상적 혼합물에 대해 매우 정확하지만, 실제 산업 시스템의 대부분은 비이상적 거동을 보입니다. 따라서 활동도 계수(activity coefficient)를 도입하여 Raoult 법칙을 수정한 형태가 실무에서 더 널리 사용됩니다. Raoult 법칙의 이해는 상평형 계산의 기초이며, 증류 공정 설계에서 정확한 상평형 데이터 없이는 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 없습니다.
    • 4. 단효율(Stage Efficiency)
      단효율은 실제 증류탑의 성능을 평가하는 중요한 지표로, 이론단과 실제단의 차이를 정량화합니다. 100% 미만의 단효율은 물질 전달의 불완전성, 혼합 불충분, 접촉 시간 부족 등 여러 요인에 의해 발생합니다. 단효율을 정확히 예측하는 것은 경제적인 증류탑 설계에 필수적이며, 과도한 이론단 수를 요구하는 설계는 자본 비용 증가로 이어집니다. 단효율은 운전 조건, 유체 물성, 트레이 설계 등에 따라 변하므로, 실험 데이터와 경험적 상관식을 활용한 신중한 평가가 필요합니다. 현대 공정에서는 고효율 트레이 개발을 통해 단효율을 향상시키려는 노력이 계속되고 있습니다.
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