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[화공단위조작실험 A+] 기체-액체 평형 증류

"[화공단위조작실험 A+] 기체-액체 평형 증류"에 대한 내용입니다.
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최초등록일 2025.09.09 최종저작일 2023.09
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[화공단위조작실험 A+] 기체-액체 평형 증류
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    • 💡 라울의 법칙, 돌튼의 법칙 등 심층적인 이론적 배경 설명

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    소개

    "[화공단위조작실험 A+] 기체-액체 평형 증류"에 대한 내용입니다.

    목차

    1. Title
    2. Date
    3. Apparatus & Reagents
    4. Result
    5. Discussion
    6. Reference

    본문내용

    1. Title
    기체-액체 평형 증류
    2. Date
    2023.11.08 (수)
    3. Apparatus & Reagents
    1) Apparatus

    <Figure 1. 평형 증류 실험기>

    <Figure 2. 실험 도구>
    (1) 평형 증류 실험기
    (2) Graduated cylinder
    (3) Erlenmeyer flask
    (4) Pycnometer
    (5) Thermometer
    (6) Parafilm
    (7) Pipette
    (8) 일회용 스포이드
    (9) Water bath
    (10) Circulator
    (11) Rubber tube
    (12) Balance

    <중 략>

    5. Discussion
    - 실험 원리에 대한 정리
    이번 실험은 평형 증류의 원리를 이해하고 평형 증류 실험기를 통해 메탄올의 액상과 기상에서의 몰분율을 측정함으로써 끓는점 조성 선도와 x-y 선도를 나타내는 것을 목적으로 진행되었다.
    1) 평형 증류
    증류는 2가지 주용 방법 중의 어느 1가지의 방법으로 이루어진다. 첫번째 방법은 분리할 액체 혼합물을 끓이고 여기서 생긴 증기가 다시 응축하여 액체의 응축물로 된 다음 다시 still로 되돌아가는 일없이 증기를 만들어내는 방법이다. 따라서 이 경우에는 환류가 없다. 두번째 방법은 응축물의 일부가 응축기로 다시 흘러가는 도중에 증기와 잘 접촉할 수 있는 조건하에서 still로 되돌아가는 방법이다. 이 방법들 중 어느 것이나 연속공정 또는 회분공정으로 사용될 수 있다. 이번 실험에서는 두 성분만이 있는 계에 대하여 환류가 없는 단일단에서 일어나는 훌래쉬 증류, 즉 평형 증류에 대하여 자세히 알아보도록 한다.

    참고자료

    · 워렌 리 맥 카베 외 2, McCabe의 단위조작(7판), 한국맥그로힐, p.559-560 (2017)
    · www.wikipedia.org, Azeotrope
    · www.wikipedia.org, Raoult’s law
    · 워렌 리 맥 카베 외 2, McCabe의 단위조작(7판), 한국맥그로힐, p.562 (2017)
    · www.wikipedia.org, Continuous distillation
  • AI와 토픽 톺아보기

    • 1. 평형 증류 (Equilibrium Distillation)
      평형 증류는 화학공학에서 액체 혼합물을 분리하는 가장 기본적이고 중요한 단위 조작입니다. 이 과정에서 기액 평형 상태가 유지되므로 이론적 분석이 명확하고 예측 가능합니다. 실제 산업 공정에서는 완전한 평형을 달성하기 어렵지만, 평형 증류의 개념을 이해하는 것이 실제 증류탑 설계의 기초가 됩니다. 특히 Rayleigh 방정식을 통해 배치식 증류의 조성 변화를 추적할 수 있어 매우 실용적입니다. 다만 복잡한 혼합물의 경우 계산이 복잡해질 수 있다는 한계가 있습니다.
    • 2. 라울의 법칙과 돌튼의 법칙
      라울의 법칙과 돌튼의 법칙은 기액 평형을 이해하는 핵심 원리입니다. 라울의 법칙은 액상의 조성으로부터 기상의 부분압을 예측하고, 돌튼의 법칙은 전체 압력을 계산하는 데 사용됩니다. 이상 용액에서는 이 두 법칙이 매우 정확하지만, 실제 비이상 용액에서는 활동도 계수를 도입해야 합니다. 이러한 보정을 통해 실제 시스템을 더 정확히 모델링할 수 있습니다. 따라서 이 두 법칙은 기초이지만, 실무에서는 이들의 한계를 인식하고 적절한 보정이 필요합니다.
    • 3. 기-액 평형도 (Vapor-Liquid Equilibrium Diagram)
      기액 평형도는 혼합물의 분리 가능성과 증류 공정의 효율성을 시각적으로 평가하는 매우 유용한 도구입니다. T-x-y 선도와 P-x-y 선도를 통해 온도, 압력, 액상 및 기상 조성의 관계를 한눈에 파악할 수 있습니다. 이를 통해 증류탑의 최소 이론단수를 결정하고 공정 조건을 최적화할 수 있습니다. 특히 이진 혼합물의 경우 평형도 해석이 직관적이어서 공정 설계에 매우 효과적입니다. 다만 다성분 혼합물의 경우 3차원 표현이 필요해 복잡성이 증가합니다.
    • 4. 공비혼합물 (Azeotrope)
      공비혼합물은 증류 공정에서 가장 도전적인 문제 중 하나입니다. 특정 조성에서 액상과 기상의 조성이 같아져 일반 증류로는 완전한 분리가 불가능합니다. 이는 화학 산업에서 실제로 마주치는 중요한 현상으로, 공비점을 넘어서는 분리를 위해서는 압력 변화, 용매 첨가 등의 특수한 방법이 필요합니다. 공비혼합물의 존재 여부와 특성을 정확히 파악하는 것이 공정 설계의 성패를 결정합니다. 따라서 공비혼합물에 대한 깊이 있는 이해는 화학공학자에게 필수적인 역량입니다.
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