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인하대 열전달 결과보고서

열전달 Measurement of thermal conductivity and heat transfer coefficient 실험 조 : 학번 : 작성자 : 실험 일자 : 제출 일자 : 담당 조교 : 나는 자랑스런 인하인으로, 스스로의 힘으로 정직하게 레포트를 작성하였습니다. () () 실험 요약 (Abstract) 이번 실험은 구리와 SUS304로 이루어진 로드를 가열하여 온도를 측정하고 이를 통해 SUS304의 열전도도를 구하는 실험이다. 구리관 중간에 SUS304가 삽입되어 있어 온도를 측정하는 장치를 이용하여 구간별로 온도를 측정하고 Fourier의 법칙을 이용하여 열전도도를 계산하고 실험값과 이론값을 비교한다. 열전도도는 온도에 대한 함수이므로 온도에 대하여 직선 형태를 갖는다. 열전달계수 측정실험에서는 향류흐름과 병류흐름의 정해진 지점에서의 온도를 측정하고 측정한 온도를 이용하여 총괄열전달계수를 구한다. 실험에서 사용하는 이중관 열교환기는 내부에는 고온의 유체, 외부에는 저온의 유체가 흐른다. 고온의 유체는 흐름방향은 일정하고 저온의 유체의 흐름 방향을 바꿔 향류와 병류 흐름을 조정한다. 대수평균온도차를 이용한 식과 개별 열전달계수를 이용하여 총괄열전달계수를 계산한다. 서론 열전도도 측정 실험 구리관 사이에 삽입된 SUS304를 구간별로 온도를 측정할 것이다. SUS304는 4번과 5번 구간의 사이, 6번과 7번 구간의 사이에 삽입되어 있다. 같은 물질이 아닌 다른 물질이 들어가 있으므로 급격히 온도차이가 변화하는 구간을 관찰할 수 있다. SUS304는 스테인리스 계열의 물질이다. 열전도도가 낮기 때문에 큰 온도 강하를 관찰할 수 있다. 전도(Conduction)는 연속체 내 온도구배(Temperature Gradient)가 존재할 때, 열이 구성성분의 가시적 이동 없이 흐르는 열흐름을 말한다. Fourier’s law는 열플럭스(Heat Flux)와 온도구배의 비례관계를 말한다. 전도에 의한 열흐름 기본관계를 보여준다. , , , , 열전도도 는면 다이얼을 들려 각 부분의 온도를 기록한다. 위와 같은 방법으로 150℃, 200℃를 반복한다. 다이얼을 가열부로 돌려 100℃로 설정하고 식혀준다. 100℃까지 내려가면 0℃로 맞추고 온도가 내려갈 때까지 기다린다. 가열부의 온도가 내려가면 장치의 전원을 끈다. 냉각수 밸브를 닫는다. 실험장치 열전도도 실험장치 가열부, 냉각부, 11개의 온도계로 구성되어져 있다. 로드는 구리와 SUS304로 이루어져 있다. 이 때 로드를 단열재로 완전히 단열되어 있다고 가정한다. System의 전원을 켜는 Power, 원하는 온도로 설정하는 컨트롤러(Thermo set & controller), 온도를 선택하는 다이얼(Thermo selector), 선택한 온도계의 온도를 보여주는 Thermometer로 이루어져 있다. 열전달 계수 실험 실험순서 레버를 실험할 병류 흐름 방향으로 돌린다. 실험 장치의 전원을 켜준다. Main switch와 Heater switch를 차례로 켜준다. 온도를 70℃로 설정하고 뜨거운 유체의 유량을 2L/min, 차가운 유체의 유량을 15g/sec로 설정한다. 온도가 안정된 후 각 부분의 온도를 측정한다. 레버를 실험할 향류 흐름 방향으로 돌린다. 각 부분의 온도를 측정한다. 실험 장치를 끈다. 실험장치 이중관 열교환기 레버의 왼쪽은 향류 방향이고 오른쪽은 병류 방향이다. Temperature Indicator에서 유체의 온도를 나타낸다. 위에는 현재의 온도, 아래는 설정한 온도를 보여준다. Temperature Selector에서 온도를 측정할 부분을 설정한다. Water Temperature Control에서 뜨거운 유체를 가열하는 온도를 설정한다. 위에는 현재의 온도, 아래는 설정한 온도를 보여준다. High flow rate control에서 뜨거운 유체의 유량, Cooling water flow control에서 차가운 유체의 유량을 조절한다. 3. 실험 결과 및 분석 100℃ 150℃ 200℃ 위치 T (℃) ΔT (℃) T (℃) 04의 양 끝의 온도차이다. 위의 식은 접촉저항이 고려되지 않았는데 접촉저항이 포함된 열 전도도는 순수한 물체의 열 전도도가 아니기 때문에 순수한 물체의 열전도도를 구하기 위해 접촉저항을 고려하여 식을 만들면 다음과 같다. , 은 접촉저항이다. SUS304는 구리의 중간에 삽입되어 있기 때문에 접촉저항 두개가 포함된다. 두 식을 서로 빼면 아래와 같은 식이 된다. 열 저항()을 이용하면 아래와 같은 식이 된다. 와 는 순수한 SUS304이기 때문에 실험에서 구하고자 하는 열전도도()가 된다. , ※ SUS304의 열전도도는 212℉에서는 9.48Btu/ft•h•℉, 932℉에서는 12.4Btu/ft•h•℉이다. 결과 및 그래프 - ΔTcu 계산 ΔTcu는 각각의 구간의 온도차이의 평균값으로 계산한다. 5번과 6번 구간은 SUS304의 여향을 받을 수 있기 때문에 제외하고 온도차의 평균을 구한다. - 1번 2번 3번 4번 5번 6번 7번 8번 9번 10번 거리(mm) 0 30 60 90 104 134 146 176 206 236 100℃ 98 94 91 87 57 54 41 39 36 34 150℃ 141 136 131 125 79 74 54 50 46 43 200℃ 185 177 170 163 99 93 67 61 56 51 가열부의 온도에 따른 각 부분에서의 온도(℃) 이기 때문에 계산하면 아래와 같다. (℃) 100℃ 150℃ 200℃ 계산 과정 - 각 실험 그래프 그리기 (1실험당 2개) 100℃에서의 거리 vs 온도 그래프 - 1번 2번 3번 4번 5번 6번 7번 8번 9번 10번 거리(mm) 0 30 60 90 104 134 146 176 206 236 100℃ 98 94 91 87 57 54 41 39 36 34 100℃ 실험 결과 100℃ T vs

공학/기술| 2021.05.31| 24페이지| 1,500원| 조회(261)

화학공학실험, 인하대학교, 인하대, 화공실

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인하대 CSTR 결과보고서

CSTR을 이용한 Ethyl acetate와 NaOH의 비누화 반응 (Saponification reaction)에서의 반응 속도 측실험 조:작성자:학번:실험 일자:제출 일자:담당 조교 이름:“나는 자랑스런 인하인으로, 스스로의 힘으로 정직하게 레포트를 작성하였습니다.”__________________________________________________________________________________________________________________________서론(실험개요, 목적, 필요성 등을 서술)이번 실험은 CSTR에서 Ethyl acetate와 NaOH를 비누화 반응시켜 반응물을 얻고, 산 • 염기 중화적정을 통해 농도를 구하는 실험이다. NaOH의 유속과 온도를 변화시켜 실험하고 NaOH의 유출 농도를 분석하여 반응속도상수(), 반응차수(), 활성화에너지() 그리고 빈도인자를 구한다. 이를 통해 반응속도상수와 온도를 도시하는 것이 실험의 목적이다.실험방법피부나 안구에 집적 접촉하면 위험한 용액이 있으므로 보안경과 장갑 그리고 실험복을 착용한다.NaOH와 Ethyl acetate 0.1M 11L의 용액을 만든다. 실험에 사용할 0.1M의 용액을 만들기 위해 필요한 양을 저울을 이용하여 계량한다. 비커를 저울에 올린 후 영점조점 버튼을 눌러준다. NaOH와 Ethyl acetate를 필요한 양(1.1mol)만큼 계량해준다. Ethyl acetate는 액체이므로 스포이트를 사용한다.※ NaOH와 Ethyl acetate 필요한 양 계산이기 때문에 0.1M 11L의 용액은 1.1mol의 용질이 필요하다.NaOH(M.W.=40g/mol, 순도 93%)NaOH 1.1mol = 40g/mol x 1.1mol x 0.93 = 40.92gEthyl acetate(M.W.=88.11g/mol, 순도 99.8%)Ethyl acetate 1.1mol = 88.11g/mol x 1.1mol x 0.998 = 96.73g증류수 1L와 마그네틱 바를 비커에 물을 10L씩 넣어준다. 앞에서 만든 용액은 진한 용액이고 총 0.1M 11L의 용액이 필요하다. 충분히 교반시킨 후 진한용액을 각각 맞는 칸에 부어준다.CSTR 장치에 용액을 다 부어주고 뚜껑을 닫고 장치를 작동시킬 준비를 마친다.CSTR 장치를 작동시키기 전, 전원과 펌프작동 버튼을 켜고 실험조건에 맞는 온도와 유속을 설정해준다.반응기(V=1080ml)가 다 차면 반응한 용액을 받는다. 처음에 나오는 용액들은 불순물이 섞여 있을 수 있기 때문에 버려준다. 반응기에 용액이 다시 가득 차서 Product line으로 용액이 나오면 100ml 비커에 20ml받아준다.마이크로 시린지로 Product 용액의 남아있는 NaOH를 적정할 준비를 해준다. (Scale:0.01mol)적정을 위한 0.1M HCl 20ml을 제조한다.HCl 0.1M 20ml(M.W.=36.45g/mol, 35wt%, 1.2g/ml)제조한 0.1M HCl 20ml을 이용하여 Product 용액을 적정한다. pH가 중성이 되면 적정을 멈추고 사용한 HCl의 부피를 기록한다. pH미터지를 이용해 중성(초록색)을 확인한다. Product 용액을 3번 받아 반복한다.유속과 온도의 실험조건에 맞게 반복한다.적정이 끝났으면 용액을 모두 버리고 비커를 씻고 정리한다.반응기의 부피 : 1080ml (1.08L)반응 온도 : 50℃, 60℃유입속도CH3COOC2H5NaOH첫번째 조건60ml/min60ml/min두번째 조건60ml/min50ml/min실험결과적정 결과50℃, Ethyl acetate 60ml/minNaOH 60ml/min용액HCl(0.1M)의 양(ml)10.2520.2530.2평균0.23NaOH 50ml/min용액HCl(0.1M)의 양(ml)10.320.2530.3평균0.2860℃, Ethyl acetate 60ml/minNaOH 60ml/min용액HCl(0.1M)의 양(ml)10.5520.530.4평균0.48NaOH 50ml/min용액HCl(0.1M)의 양(ml)10.3520.330.34평50ml/min1.42x10-3 M60℃, Ethyl acetate 60ml/minNaOH의 농도NaOH 60ml/min2.42x10-3 MNaOH 50ml/min1.65x10-3 M반응식 유도 및 반응속도 계산CH3COOC2H5 + NAOH → CH3COONa + C2H5OHMole balance equation : Input – Output + Generation – Disappearance – Accumulation = 0NaOH는 반응물이기 때문에 Generation=0, 정상상태를 가정하여 Accumulation=0이다. 또한 CSTR은 반응기 내 온도, 압력, 농도 등이 일정하기 때문에 반응속도도 일정하다.Mole balance equation : Input – Output – Disappearance =0따라서 반응속도를 구하면 다음과 같다.실험결과를 통해 반응속도를 구하면 다음과 같다. (반응기의 부피는 1080ml)50℃반응속도NaOH 60ml/minNaOH 50ml/min60℃반응속도NaOH 60ml/minNaOH 50ml/min반응속도상수와 반응차수 계산반응속도식은 이고 는 반응속도상수, 은 반응차수이다. 반응속도식에 양변에 자연로그를 취해주면 다음과 같다,이 그래프의 기울기는 반응차수()이고 절편의 exp값이 속도상수()이다. NaOH 50℃, 60℃ 두 가지 실험결과를 통해 미지수가 2개인 연립방정식을 두개의 식을 이용하여 반응속도상수와 반응차수를 결정할 수 있다.50℃50℃식NaOH 60ml/minNaOH 50ml/min50℃반응속도상수반응차수NaOH 60ml/minNaOH 50ml/min60℃60℃식NaOH 60ml/minNaOH 50ml/min60℃반응속도상수반응차수NaOH 60ml/minNaOH 50ml/min반응속도상수와 온도 도시아레니우스식에 자연로그를 적용하면앞에서 얻은 속도상수를 이용하여 값을 구한다.온도(℃)활성화에너지빈도인자50768513J/mol=76.8513kJ/mol60실험결과분석 및 고찰반응속도상수아레니우스 식 이용하여 반응속도상수를 구했다. 식을 이용하여 반응속도상수를 구하였을 때, NaOH 60℃일 때의 반응속도상수()=, NaOH 50℃일 때의 반응속도상수()=이다. 아레니우스 식을 통해 예측한 결과대로 온도가 높을 때 더 큰 반응속도상수를 얻을 수 있었다. 온도가 증가하면 반응속도상수가 증가하는 이유는 분자의 속도가 증가하고 더 많은 에너지를 가지게 되어 더 강하게 자주 충돌하여 속도상수가 증가하게 된다.반응차수Ethyl acetate와 NaOH의 비누화 반응은 2차반응이다. 반응속도식에서 농도의 멱수를 반응차수(Reaction order)라고 한다. 실험적으로 구한 반응속도식을 설명하는 것이다. 에서 볼 수 있듯이 반응차수는 반응속도가 반응물의 농도에 어떻게 영향을 받는지에 대하여 나타내는 지수이다. 실험에서 구한 반응차수는 NaOH 50℃일 때 , NaOH 60℃일 때 결과를 얻었다. 반응차수는 반응의 메커니즘에 의존한다. 온도에 따라 반응 차수가 다른 것은 계산과정으로 구했기 때문일 가능성이 있다.활성화 에너지화학 반응이 진행되기 위해 필요한 최소한의 에너지를 활성화 에너지라고 한다. 실험결과 활성화 에너지는 76.8513kJ/mol이다. 이 반응의 알려진 활성화 에너지는 약 40kJ/mol이다. 실험결과가 알려진 값보다 크다. 반응 속도는 활성화에너지의 크기에 의존한다. 일반적으로는 활성화 에너지가 낮을수록 반응이 빠르다. 활성화에너지는 촉매를 사용하여 작아질 수 있지만 이번 실험에서는 촉매를 사용하지 않아 측정의 오차가 발생했을 수 있다. 활성화 에너지가 클수록 온도에 더 민감하고, 활성화 에너지가 낮을수록 온도에 덜 민감하다. 그렇기 때문에 활성화 에너지가 클수록 반응속도상수 역시 온도에 더 민감하게 영향을 받는다.농도를 측정하는 과정에서 오류가 발생했을 수 있었다고 생각한다. pH미터지를 이용하여 pH를 측정하는 것 보다 페놀프탈레인 용액 등의 지시약을 사용한다면 보다 정확하게 측정할 수 있었을 것이라고 생각한다.빈도인자빈도인자(frequencySTR에서 반응이 끝나고 나온 반응물의 NaOH 농도에 영향을 줄 수 있는 요인은 NaOH의 온도와 유량이라고 생각한다. NaOH의 유량이 클수록 온도가 높을수록 반응속도가 더 빨랐다. 반응속도는 전환율(Conversion)과 반응속도는 농도에 관련이 되어있기 때문에 농도의 측정이 중요하다고 생각한다.결론이번 실험을 통해 CSTR을 직접 이용해보고 Ethyl acetate와 NaOH의 비누화 반응을 통해 나온 반응물을 얻었다. 반응물을 산 • 염기 적정하여 농도를 구한 후 반응공학에서 배운 반응속도식을 이용하여 반응속도상수, 반응차수, 활성화 에너지, 빈도 인자를 구해볼 수 있었다. 이에 따라 여러가지 조건의 변화에 의해 반응속도상수, 반응차수 등의 값이 어떻게 변하는지 알 수 있었다. 들어오는 용액의 온도가 높을수록 반응속도상수와 반응차수가 커짐을 알 수 있었다. 반응기구의 반응속도 탐색이 어려운 이유는 두 가지가 있다. 첫째, 반응조건에 따라 변하는 상대적인 속도를 갖고 있는 자유 라디칼 및 이온 반응과 같은 하나 이상의 반응기구에 의하여 반응이 진행된다는 것이다. 둘째, 한가지 이상의 반응기구가 반응속도 데이터와 일치할 수 있다는 것이다. 이러한 이유로 반응속도 모델의 시험이 어렵다고 한다. 이를 위해서는 광범위한 지식을 가질 수 있도록 노력할 것이다. 앞으로 현장에서는 더 큰 규모의 설계를 운영하고 직접 하게 될 때 더욱 더 사전에 정확한 계산과 이론을 갖추어야 된다는 것을 알 게 되었다.참고문헌Octave Levenspiel, 『화학반응공학』, 사이텍미디어, 김상환 • 임선기 공역, 2000, p.1~28, p.41~81, p.97~99Steven S. Zumdahl, 『줌달의 일반화학』, 사이플러스, 9판, 2014, p.186~187, p.572-609, p.673~717Ahmad Mukhtar et al. Estimation of Parameters of Arrhenius Equation for Ethyl Acetate Saponification5

공학/기술| 2021.05.31| 9페이지| 1,500원| 조회(240)

화학공학실험, 인하대학교, 인하대, 화공실

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인하대 화학공학실험 기체확산 및 흡수 예비보고서

기체 확산 및 흡수Gas Diffusion and Gas Absorption실험 조작성자학번실험 일자제출 일자담당 조교 이름실험 목적기체확산이란 무엇인지 이해하고 기체확산기기를 공부하며 기체확산이 발생하는 이유에 대해 공부한다. 또한 Fick’s 1st law를 이용하여 확산속도와 확산계수를 구한다.실험 이론Fick’s 1st lawBinary system에서 기체 A와 B가 Z방향으로 농도구배가 존재할 때, 단위면적에 대한 단위시간당 A성분이 확산하는 속도 는 단면에서 농도 기울기 에 비례하고 Fick’s 1st law에 따른다.: 확산계수(Diffusivity) , : A성분의 몰농도, : 확산거리 ,: 밀도 , : A성분의 분율기체 확산혼합물에서 각 성분들이 물리적 자극에 영향을 받아 이동하는 현상을 확산이라고 한다. 확산의 가장 보편적인 구동력은 확산 성분의 농도 기울기(농도구배)이다. 농도 기울기는 농도가 같아져 농도 기울기가 0이 되는 방향으로 성분을 이동시킨다. 확산은 고농도의 성분에서 저농도의 성분으로 이동한다. 일반적으로는 농도 기울기에 의해 확산이 발생하지만 역삼투압와 같은 활동도 기울기, 압력기울기, 온도기울기 등에 의해서도 확산이 일어날 수 있다.물질의 확산은 Fick’s law에 다른 전도(Conduction)에 의한 확산과 외부 흐름 속도()로 발생되는 대류(Convection)에 의한 확산으로 발생한다.물질의 확산은 크게 같은 양의 두 물질이 서로 다른 방향으로 이동하는 등몰확산과 한 성분만이 한 방향으로 이동하는 한방향확산으로 구분된다. 등몰확산은 두 물질이 서로 다른 방향으로 이동하기 때문에 이고 이다.: 확산계수, , , : 확산거리한방향확산에서는 이기 때문에 이다.: 밀도, : 경막 계면에서 A성분의 몰분율, : 경막 바깥쪽에서 A성분의 몰분율Chapman-Enskog equation기체의 확산계수(Diffusivity)는 실험측정을 통하여 구한 확산도 자료를 이용하면 되지만 원하는 값이 없는 경우에는 온도와 압력 등을 Cha질의 확산계수를 구할 수 있다.: 확산계수(확산도), : 온도, : 분자량, : 압력, : 유효충돌지름, : 충돌적분과 는 Leonard-Jones Potential을 이용하여 구할 수 있다.실험 방법Heater switch를 켜 수조의 온도가 일정하게 유지되도록 미리 설정한다. (이때, 실험에 사용되는 용매가 아세톤이므로 온도설정이 끓는점인 50℃를 넘지 않도록 한다.)Capillary tube에 수조의 수위를 넘지 않도록 아세톤을 채운다.Gaseous diffusion apparatus 윗부분의 너트를 제거한 후 Capillary tube가 microscope에 수직하도록 고정시키고 다시 조여준다.Capillary tube속 아세톤의 meniscus가 명확하게 보이도록 microscope의 높이를 조절해준다.이 후 air pump를 작동시켜, Capillary tube에 기체가 흐르도록 해준다.기체가 흐르고 약 10분후를 t=0로 하고 이때의 액체의 위치를 h0라 한다. (h는 microscope으로 높이를 조절해가며 측정한다.)약 15분 간격으로 Capillary tube 속 아세톤의 위치 변화를 8회 측정한다.참고문헌성기천 • 이진휘 • 김기준, 『화학공학실험』, 사이텍미디어, 2000, p.501~507Warren L. McCabe, 『단위조작』, McGraw-Hill Education Korea, 7판, p.441~4691. 실험 목적흡수탑에 들어가는 각 유체(물, 공기, 이산화탄소)의 유량을 설계하고 실험에서 포집한 기체를 NaOH용액과 반응시켜 흡수탑에서의 CO2 흡수량과 흡수율을 계산하고, 흡수탑의 작동원리와 기체흡수의 원리를 이해한다.2. 실험 이론기체 흡수 (Gas Absorption)용질기체를 용해할 수 있는 액체에 의해 불활성 기체와 섞여 있는 혼합물로부터 용해성 증기가 흡수되는 것을 기체 흡수라고 한다. 흡수에 의해 아민이나 알칼리 염 용액에 천연가스나 합성가스로부터 CO2나 H2S를 제거하는 등 다양한 곳에 사용된다.충전탑 (Pack반적인 장치를 충전탑이라고 한다. 본체가 원통형이며 탑의 상부에는 액체 입구와 분배장치가 있고, 탑의 하부에는 기체 입구와 분배공간이 있다. 그리고 탑의 위, 아래에는 기체 및 액체 출구가 있다. 탑 내부에는 탑 충전물(Packing)이라고 하는 여러 모양의 불활성 고체의 지지물로 구성되어 있다. 탑 충전물은 기체와 액체의 접촉면적을 넓혀 주는 역할을 한다.공극률 (Porosity)공극률은 충전탑 내부 충전물이 채워지지 않은 공극(Void)의 부피와 전체 부피의 비이다. 전체 부피를 , 충전물들이 차지하고 있는 부피를 라고 하면 공극률은 이다. 공극률이 이면 층에서 입자의 부피분율은 이다. 공극률은 충전물의 종류, 물질의 종류 등에 영향을 받지만 일반적으로 입자가 작을수록 공극률이 작아진다.충전물 (Packing Materials)충전물은 액체와 기체의 접촉면적을 늘리기 위해 충전탑 안에 넣어주는 물질들을 말한다. 탑 충전물은 세 가지 유형으로 분류할 수 있다. 탑 속에 충전물들을 불규칙하게 넣는 경우, 손으로 쌓는 경우 및 주문형 또는 구조 충전물 등이다. 충전물은 세라믹, 점토 또는 플라스틱과 같은 싸면서 불활성인 물질로 만든다. 강철이나 알루미늄으로 된 얇은 두께의 금속 링을 충전물로 사용하기도 한다. 불규칙하고 속이 빈 상태로 충전물들을 만들어 유체가 흐르는 공간에 많은 틈새와 큰 통로를 이루면서 서로 맞물리어 60~90%의 세공률 또는 공극률을 갖도록 만든다.편류 (Channeling)큰 탑에서 액체와 기체의 접촉이 잘 일어나도록 하는 것이 가장 어렵다. 탑의 상부에서 분배되는 액체가 모든 충전물들의 표면 위에 얇은 경막을 형성하면서 탑 아래로 흘러가야 이상적이다. 하지만 실제로는 경막의 두께가 불규칙하고 액체가 작은 물줄기로 모여 흘러내려가는 경우도 발생한다. 만약 액체의 유량이 낮으면 충저물의 표면에 경막이 거의 형성되지 않으며 정체경막으로 덮여질 정도이다. 이와 같은 효과를 편류라고한다.부하점 (Loading Point)충전탑에서 액체의 체류량이시작하는 점을 말한다. 충전탑을 가동할 때 기체의 유량을 부하점보다 낮게 유지하여 액체가 넘치지 않도록 한다.조작선 (Operation Line), 평형선 (Equilibrium Line)조작선은 물질수지(Material Balance)를 이용하여 식을 유도할 수 있다. 탑의 상부를 a, 탑의 하부를 b라고 하였을 때 물질수지식을 세우고 조작선을 구하면 다음과 같다.Material balance: , 성분 A:평형선은 더 이상 물질전달이 일어나지 않고 물질전달이 끝난 상태의 곡선을 말한다. 이 때 조작선은 평형선보다 항상 위에 존재해야 Driving force가 양수 값을 가지기 때문에 물질전달이 자발적으로 일어난다.McCabe-Thiele Method 기체흡수탑의 조작선 선도각 상에서 두 성분만 있을 경우 이상단 수를 결정하는 도식적 작도법을 McCabe-Thiele Method라고 한다. 위의 그래프는 기체흡수탑의 조작선도이다. 조작선의 끝은 좌표가 인 점 와 인 이다. 기상에서 농도변화 에서 및 액상의 농도변화 에서 를 이룩하는 데 필요한 이상단 수를 결정하는 방법은 다음과 같다. 1단을 나가는 기체의 농도는 이다. 이 때 이상단이라면 나가는 액체는 나가는 증기와 평형을 이룬다. 그래서 은 평형선 위에 위치하게 된다. 점 에서 평형선으로 수평 이동하면 점 이 정해지고 좌표는 이다. 값을 안다면 점 쪽으로 수직이동하면 의 좌표값이 임을 알 수 있다. 점 으로 이루어진 계단이 한 개의 이상단을 뜻한다. 이와 같이 반복하여 그려 나가면 종단농도()에 도달하게 된다. 이 때 그려진 계단 또는 삼각형의 개수가 필요한 이상단의 개수이다. McCabe-Thiele Method을 통해 필요한 이상단의 개수를 구할 수 있다.Henry’s Law이상용액에서는 Raoult’s Law를 따르지만 실제의 경우 저농도 용액은 기체의 용해도(=액체에서의 기체의 농도=)는 기체의 부분 압력()에 비례한다. 이 때 상수가 헨리 상수()이다.3. 실험 방법water reservoir에 워 넣는다.Water pump를 켜고 water의 유량계 valve를 이용하여 water의 유량을 3L/min으로 조절한다. 실제 실험에서 유량이 너무 크면 충전탑 상부로 물이 범람할 수 있기 때문에 이에 유의한다.air pump의 전원을 켠다.유량계의 valve를 이용하여 air의 유량을 20L/min으로 조절한다.CO2용기의 valve를 기체 탱크로부터 가까운 순으로 open하고, 유량계의 valve를 이용하여 CO2유량을 조절한다. (3L/min~10L/min 중 택 1)Steady state를 만들어 주기 위해 장치를 15분간 대기시켜준다. 이 때 흡수탑 하부의 물이 넘쳐 CO2와 재접촉이 일어나지 않도록 주의한다. 물이 넘칠 시에는 하부의 valve를 이용하여 물을 빼준다.15분간 대기하면서 장치에 남아있는 불순물을 5~6번의 피스톤 조작을 통해 제거하여준다. 조작은 그림1)에 A가 ㅜ상태, B가 ㅗ상태일 때 피스톤을 잡아당기고, A가 ㅗ상태일 때 피스톤을 민다.시간이 15분 정도 지나면 그림1)의 A를 ㅜ상태, B를 ㅗ상태로 바꾸고, 피스톤을 0에서부터 20ml눈금까지 천천히 당겨 혼합기체를 포집한다.포집된 기체를 그림1)의 A를 ㅜ상태, B를 ㅓ상태로 만들고, 피스톤을 천천히 0까지 밀어 포집기체와 NaOH용액을 1분동안 반응시킨다. 피스톤을 천천히 밀지 않을 시 NaOH용액 용기 끝부분에서 반응에 관련된 성분들이 밖으로 분출될 수 있기 때문에 최대한 조심스럽게 피스톤을 조작한다.1분이 지나면 피스톤을 20ml까지 천천히 잡아당겨준 후 눈금을 읽는다.과정 10)~12)를 NaOH용액 눈금의 변화가 없다고 판단될 때, 즉 3개의 측정값이 변화되지 않을 때까지 반복 수행한다.장비를 켠 순서의 반대로 끈다.실험에 사용한 NaOH와 수조안의 물은 모두 빼서 버린다.1)~ 14) 까지 과정을 CO2의 유량만 바꾼 후 한번 더 실험을 진행한다. (총 2회 CO2 흡수율 측정)4. 참고문헌Warren L. McCabe, 『단위조작』, McGraw-Hill Ed475-

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기체확산, 예비보고서, 기체흡수

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인하대 화학공학실험 열전달 예비보고서

열전달Measurement of thermal conductivityand heat transfer coefficient실험 조학번작성자실험 일자제출 일자담당 조교실험 제목 : Measurement of thermal conductivity and heat transfer coefficient실험 목적Fourie’s law(Conduction)과 Newton’s law of Cooling(Convection)을 이용하여 열전도도(Thermal Conductivity, k)와 열전달계수(Heat Transfer Coefficient, U)를 계산하고, 이를 통해 열전달 Mechanism을 이해한다.3. 실험 이론1) 열전달 mechanism서로 다른 온도의 두 물질이 열적 접촉을 할 때, 열은 고온의 물질에서 저온의 물질로 이동한다. 이것을 열전달이라 하고 전도, 대류, 복사 3가지 메커니즘이 존재한다. 열전달은 온도차이(Temperature Difference)를 구동력으로 하여 열평형에 도달한다.,2) 열저항열전달 속도는 열저항에 대한 구동력의 비이다. 을 적분하면 이다. 열전달에서 는 열전달 속도이고 가 구동력이다. 열전도도()의 평균을 라 하면 저항은 이다. 는 절연체의 두께이고 가 된다. 열전달의 경우 열전달계수 이다. 저항()과 열전달계수()는 열전도도()가 재료의 물성인 것처럼, 고체의 치수에 의존한다.3) Fourier’s law전도(Conduction)는 연속체 내 온도구배(Temperature Gradient)가 존재할 때, 열이 구성성분의 가시적 이동 없이 흐르는 열흐름을 말한다. Fourier’s law는 열플럭스(Heat Flux)와 온도구배의 비례관계를 말한다. 전도에 의한 열흐름 기본관계를 보여준다., , , ,열전도도 는 물질의 고유한 물리적 특성이고 열이 전달되는 정도를 말한다. 열전도도는 온도구배에 무관하나 온도 자체에 연관이 없지는 않다. 큰 온도구간에서는 가 다음과 같이 추론될 수 있다.4) 이중관 열교환기 (향류, 병류)이중관 열교환기는 관 내부에서는 고온의 유체가, 관 외부에서는 저온의 유체가 흘러, 서로 반대 방향으로 열교환이 일어난다. 이 때 고온의 유체가 잃은 열량과 저온의 유체가 얻은 열량은 같다. 이중관 열교환기의 열수지식은 , 이다. 따라서 으로 나타낼 수 있다.열교환기 내에서 열이동은 온도흐름의 방향 변화를 기준으로 병류흐름(Parallel flow)와 향류흐름(Counter flow)가 있다. 병류흐름은 두 유체가 같은 방향으로 흐르고, 향류흐름은 두 유체가 서로 반대방향으로 흐른다. 향류흐름이 병류흐름보다 더 효과적이다.5) 뉴턴의 냉각법칙대류 플럭스(Convection Flux)는 뉴턴의 냉각법칙에 따라 표면온도와 유체의 온도 차이에 비례한다. 즉, 온도차가 클수록 대류에 의한 열전달 속도가 커진다.열전도도와 달리 열전달계수는 유체의 고유특성이 아니고 유체역학에 결정되어지는 흐름 형태에 의존한다. 따라서 열전달계수는 실험을 통한 경험식으로부터 얻을 수 있다.6) 열전달계수대류에서의 열전달은 자연대류와 강제대류로 구분된다. 자연대류는 밀도변화에 따른 유체운동으로 유체의 자연순환이 열흐름을 일으키며 유체가 고체표면을 따라 자유롭게 열이 이동한다. 강제대류는 유체를 펌프, 팬 등에 의해 강제로 열흐름을 흐르게 하는 것이다. 고체와 유체 사이 대류에 의해 일어나는 열전달의 속도는 다음과 같다.()열전달계수 는 기하학적 유체의 물성, 흐름속도, 온도차의 함수이다. 일반적으로 강제대류일 때 자연대류일 때보다 크다.- 총괄 열전달계수()열플럭스는 구동력(총괄 온도차, )에 비례한다. 열교환기에서 구동력은 이다. 그리고 이 항을 총괄 국부온도차라고 한다. 는 관의 길이에 비례하기 때문에 열플럭스 역시 관의 길이에 비례하게 된다. 그래서 관계식은 다음과 같다.- 개별 열전달계수()관 내부의 뜨거운 유체에 대해서, (는 관내벽의 면적)관 내부의 차가운 유체에 대해서, (는 관외벽의 면적)관 벽에 대해서, ( : 벽의 열전도도, : 관 벽의 두께)7) 대수평균온도차열교환기내에서 고온의 유체에서 저온의 유체로의 관 벽을 통한 열이동은 온도흐름 방향의 변화에 따라 병류흐름과 향류흐름이 있다. 열교환기 내에서의 열교환량()는 유체흐름 방향 사이의 대수평균 온도차 에 비례한다.- 병류흐름일 경우의 대수평균 온도차- 향류흐름일 경우의 대수평균 온도차4. 실험 방법1) 열전도도 실험① 실험을 하는 동안 냉각수의 흐름이 일정하게 유지되는지 유량계를 확인하면서 실험을 수행한다. 냉각수 유량에 변화가 생기면, 밸브를 조절하여 일정하게 유지시킨다.② Heater의 온도를 [온도1]로 설정한다. (이 때, [온도1]은 100~200℃ 이내의 온도로 설정한다.)③ Heater의 온도표시계가 [온도1]을 가리키면, 10분 정도 대기하여 steady state 상태가 되도록 한 후 실험을 진행한다.④ 핸들을 돌려 thermocouple의 각 지점(T1~T10)에서의 온도를 측정한다. (실험 A)⑤ 이후 온도를 충분히 식힌 뒤, Heater의 온도를 [온도2] 로 설정하고, 실험 A와 같은 과정을 반복한다. (이 때, [온도2]는 100 - 200℃ 이내의 온도로 설정한다.)⑥ 실험이 종료되면 heater의 온도가 상온이 될 때까지 기다린 후 전원을 끈다.2) 열전달 계수 실험① 먼저 이중관 열교환기의 스위치를 켜고 냉각수가 적정 level까지 차 있는지 확인한다.② 뜨거운 유체의 온도를 설정하고, 병류 측정을 위해 레버를 병류 쪽으로 돌려놓는다.③ 뜨거운 유체의 유량(2L/min, 4L/min)과, 차가운 유체의 유량(15g/s)을 설정한 뒤, 유체의 온도가 steady-state에 도달할 때까지 기다린다.④ 온도 센서 스위치를 돌려 각 지점의 온도를 측정한다.⑤ 뜨거운 유체의 유량은 고정하고, 차가운 유체의 유량(30g/s)을 바꾸어 설정한 뒤, 유체의 온도가 steady-state가 되면 위와 같은 방법으로 각 지점의 온도를 측정한다. (이 때, 전 실험의 영향을 받지 않도록 온도 측정까지 충분한 시간을 둔다.)⑥ 전원을 모두 끈 뒤, 레버를 향류 쪽으로 돌리고, 3)~5)의 과정을 반복한다.5. 참고 문헌Octave Levenspiel, 『화학반응공학』, 사이텍미디어, 김상환•임선기 공역, 2000, p.247~288성기천 • 이진휘 • 김기준, 『화학공학실험』, 사이텍미디어, 2000, p.417~446

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화학공학실험, 열전달, 예비보고서

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인하대 화학공학실험 CSTR 예비보고서

CSTR을 이용한 Ethyl acetate와 NaOH의 비누화 반응 (Saponification reaction)에서의 반응 속도 측정실험 조:작성자:학번:실험 일자 :제출 일자 :담당 조교 이름 :________________________________________________________________________________________________________________________실험 목적CSTR을 이용하여 Ethyl acetate와 NaOH의 비누화 반응을 진행하고 반응온도, 유속의 조건을 변화시켜 NaOH의 유출 농도를 산-염기 중화적정을 통해 분석하여 반응 속도시에서 반응속도상수와 반응차수를 구한다.실험 이론반응기의 종류회분 반응기(Batch Reactor)는 반응물이 반응하는 동안 담아두는 용기이다. 즉, 반응하는 동안 반응물과 생성물의 유출과 유입이 없다. 실험 데이터를 이용하여 반응진행도(Extent of Reaction)을 측정한다. 회분 반응기는 등온 및 정용(constant volume)에서 조작된다. 균일계 반응속도 데이터를 얻을 때 사용된다. 또한 불균일 반응에도 사용될 수 있다. 높은 전환율(conversion)을 갖으며, 간단하고 보조장치가 거의 필요 없어 때문에 반응속도론에 관한 소규모 실험실에 이상적이다. 하지만 반응 후에는 반응기 세척이 필요해 대량의 생성물을 얻기에 어려움이 있다.연속 교반 탱크 반응기(Continuous-Stirred Tank Reactor)는 반응기에 연속적으로 반응물 주입과 생성물 회수 모두 가능한 장치를 연결한 반응기이다. 기본적으로는 회분식 반응기와 비슷한 구조를 갖는다. 연속적으로 운전되는 교반 탱크, 강한 교반이 요구될 때 사용된다. 내용물이 완전하게 혼합되어 균일하게 분산된다. 반응기에서 나가는 흐름은 반응기내 유체와 동일한 조성을 갖는다. 혼합작용이 이상적일 때 농도, 온도 및 반응속도가 공간적 변화가 없다. 온도 조절이 쉽지만 반응기 부피당 반응물의 전환율은 흐름반응기 중 가장 작다. 높은 전환율을 위해서는 부피가 매우 큰 반응기가 필요하다.플러그 흐름 반응기(Plug Flow Reactor, PFR)는 관 형태의 반응기로 관을 통과하면서 반응이 일어나는 반응기이다. 모든 유체들의 요소에 대하여 반응기 내 체류시간이 같은 흐름을 플러그 흐름이라고 한다. 플러그 흐름은 유체의 요소가 앞뒤의 다른 요소를 추월하거나 혼합되는 일 없이 질서정연한 특징을 갖는다. 반응기에서 측면으로 혼합이 있을 수도 있지만 흐름경로를 따라서는 혼합이나 확산이 있으면 안된다. 플러그흐름에 대한 필요충분조건은 모든 유체에 대한 요소에 대하여 반응기 내 체류시간이 동일해야 한다는 것이다.시약 특징 및 주의사항 (CH3COOC2H5, NaOH, HCl, CH3COONa, C2H5OH)CH3COOC2H5 (99wt%, Fw=88.11g/mol) : 아세트산 에틸은 가연성 액체 및 증기이다. 무채색의 휘발성 액체이며 증기는 증발 연소의 원인이 될 수도 있다. 직접적으로 냄새를 맡으면 안 된다.NaOH (99wt%, Fw=40.00g./mol) : 수산화나트륨은 강한 염기성을 갖는다. 용액에서 OH-이온의 원천으로 쓰인다. 무취, 백색 또는 무색의 고체이고 눈, 피부, 의복에 접촉하면 안된다. 조해성이 있어 공기와의 접촉시간을 최소화해야 한다. 용기는 사용 후 완전히 밀폐하고 취급 후 철저히 씻어야 한다.HCl (35wt%, Fw=36.46g/mol) : 염산은 전형적인 센 산이고 H+이온의 원천으로 쓰인다. 이것은 표준 산화 전위가 수소보다 큰 금속을 녹여서 수소 기체와 금속의 양이온을 형성한다. 이 산은 상당히 휘발성이어서 황산과 같은 비휘발성 산을 가하거나 후드에서 끓이면 완전히 제거할 수 있다. 무색의 부식성 물질로 매우 자극성이 높다. 인체 접촉을 피해야 한다. 눈에 들어가거나 피부에 접촉할 경우, 다량의 흐르는 물로 적어도 30분 이상 씻어내야 한다.CH3COONa : 아세트산 나트륨은 백색 결정성 분말 또는 덩어리다. 무취 또는 신 냄새가 있으며 무색, 투명한 결정 또는 백색의 결정성 분말이다. 약산과 강염기가 만드는 염이기 때문에 수용액은 염기성을 보인다. 용해열이 크고 풍해되기 때문에 밀폐용기에 보관하여야 한다.C2H5OH : 에탄올은 에틸 알코올이라고도 부르며 알코올의 한 종류이다. 무색, 가연성 등의 특징을 가진다. 분자간의 수소 결합을 하기 때문에 안정되어 있다. 증기는 폭발성을 가지며 상온에서는 액체로 존재한다. 가연성이 있기 때문에 조심해야 한다.반응 속도식 정의한 과정에서 속도는 특정한 시간 동안 물질의 양의 변화로 정의된다. 화학 반응의 반응속도는 단위시간 당 반응물의 농도 또는 생성물의 농도 변화로 정의된다. 반응속도식은 여러 가지 형태로 정의 될 수 있다.성분 QUOTE 의 몰수 변화율을 라 했을 때 성분 QUOTE 의 반응속도 정의반응하는 유체의 단위 부피를 기준 반응속도유체-고체계에서 고체의 단위 질량을 기준 반응속도두 가지 유체계에서 단위계면적 또는 기체-고체계에서 고체의 단위표면적 기준 반응 속도기체-고체계에서 고체의 단위 부피 기준 반응속도반응기의 단위 부피 기준 반응속도aA + bB → rR + sS 에서 반응물 A의 반응속도Mole balance를 이용한 반응속도식 유도물질수지식을 이용하여 반응속도식을 Mole balance로 나타내면이다.CSTR은 steady state이기 때문에 이 된다., ,세 식을 넣으면 가 된다. 식을 정리하면 가 된다.반응속도식은 적분법과 미분법 두 가지 방법으로 측정이 가능하다. 적분법은 특정한 반응속도식을 택하여 농도(C)와 시간(t) 데이터를 비교 시험하여 반응속도식을 결정한다. 미분법은 미분속도식을 직접 취급하여 를 포함하는 식에서 각 항을 구하고, 식이 실험과 잘 맞는지 확인한다.적분법0차 반응속도식비가역 단분자형 1차 반응속도식비가역 2분자형 2차 반응속도식실험에 의한 n차 반응속도식미분법 과정CA와 t에 대하여 plot하여 데이터를 나타내는 그래프를 그린다. 그래프는 모든 실험에서 구한 점을 통과하지 않을 수도 있다.적절히 선택된 농도값에서 그래프의 기울기를 구하면 이다. 기울기들이 그 농도값에서의 반응속도이다.rA와 CA 데이터를 나타내는 반응속도식을 시험한다.아레니우스식많은 반응들과 기초반응은 반응속도식을 온도 의존항과 조성 의존항의 곱으로 표현할 수 있다. 이러한 반응들의 온도 의존항, 즉 반응속도상수는 아레니우스(Arrhenius) 법칙으로 표현된다. QUOTE 산-염기 적정적정은 농도를 알고 있는 용액(적정시약)을 이용하여 분석하려는 용액(분석시약)의 농도를 알아내는 부피분석법이다. 농도를 알고 있는 용액(적정시약)을, 분석하려는 물질의 용액(분석시약)에 가하여 적정시약에 포함된 물질이 분석시약과 반응하도록 한다. 적정을 할 때에는 분석 대상을 물질과 완전히 반응할 때까지 적정시약이 가하여, 적정이 완결되는 지점인 당량점(Equivalent point)을 찾는 것이다. 분석하려는 시약이 염기 또는 산인 경우 필요한 적정 시약은 각각 센 산 또는 센 염기가 된다. 이러한 경우를 산-염기 적정이라고 한다. 산-염기 적정에서는 페놀프탈레인이 지시약으로 많이 쓰인다.당량점은 적정에서 분석시약에 대해 화학양론적으로 당량의 적정시약이 첨가된 지점이다. 당량점은 또한 실험으로 검출된 종말점과 반드시 일치하지는 않는다,. 종말점은 지시약의 색이 실제로 변화하는 등 적정이 멈추는 지점이다. 종말점과 당량점이 일치하는 지시약을 선택해야 한다. 노르말농도는 당량농도라고도 하며 용액 !L 속에 녹아 있는 용질의 당량수를 나타낸 농도이다.용액의 당량수=용액의 부피X용액의 노르말농도 또는 노르말농도=용액의 몰농도X용액의 당량수로 나타낼 수 있다. 그래서 산-염기 적정에 적용하면 아래와 같은 식을 구할 수 있다.,실험 방법Ethyl acetate와 NaOH 0.1M 용액을 11L씩 만들어 반응기에 넣는다.CSTR을 작동시킨 후, 반응물의 유입 속도를 각각 조절하여 반응시킨다.유출 용액 20ml를 0.1M HCl로 적정한다. (지시약으로 페놀프탈레인을 이용)적정 하는데 들어간 HCl의 양이 3번 일정해질 때까지 5분마다 유출용액을 적정한다.Ethyl acetate의 유입 속도를 변화시켜 실험을 반복한다.반응 속도식을 구한다.반응기의 부피 : 1080ml (1.08L)반응 온도 : 50℃, 60℃유입속도CH3COOC2H5NaOH첫번째 조건60ml/min60 ml/min두번째 조건60 ml/min70 ml/min참고문헌Octave Levenspiel, 『화학반응공학』, 사이텍미디어, 김상환 • 임선기 공역, 2000, p.1~28, p.41~81, p.97~99대학화학교재편찬회, 『일반화학실험』, 사이플러스, 2016, p.19~21Steven S. Zumdahl, 『줌달의 일반화학』, 사이플러스, 9판, 2014, p.186~187, p.572-609, p.673~717인하대학교 화학공학과, 공업화학 • 화학공학 실험교재, 2019, p.57~70

공학/기술| 2020.11.11| 6페이지| 1,500원| 조회(278)

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