1. 실험 제목 : 단증류2. 실험 목적 :① 2성분계 시료로 단증류를 행하고 원리를 이해한다.② 실험결과를 Rayleigh의 식에 의해 계산한다.③ 단증류 실험장치의 조작법을 이해한다.3. 실험 이론(1) 증류(Distillation)2종 이상의 휘발성분이 포함된 액체 혼합물을 가열하면 그 증기의 조성은 액체일 때보다 휘발성이 높은 성분의 함량이 훨씬 많다. 이러한 휘발성의 차이를 이용하여 액체 혼합물로부터 각 성분을 분리하는 조작을 말한다.(2) 증류의 종류① 단증류(Simple Distillation)일정량의 액체 혼합물을 가열하여 생긴 증기를 냉각기로 보내어 응축시켜 저비점성분이 풍부한 액체를 얻는 방법을 말한다. 단증류가 진행되는 동안 증기의 조성을 계속 변하는데 이때의 유출액의 양과 농도의 관계를 Rayleigh가 구하였다.② 평형증류(Flash Distillation)발생된 증기가 액체와 평형을 이루는 방법으로 액체의 일정비율을 기화시키고, 증기를 액체로부터 분리한 후 증기를 응축시키는 과정이다.③ 분별증류(Fractional Distillation)높이가 있는 column을 이용하여 끓는점이 다른 액체를 가열하여 상부로는 끓는점이 낮은 물질을 기체로, 하부로는 끓는점이 높은 물질을 액체로 분리하는 방법이다.④ 감압증류(Vacuum Distillation)낮은 압력에서 물질의 끓는점이 내려가는 현상을 이용하여 혼합물을 분리하는 방법이다. 이는 상압에서 끓는점까지 가열 시 분해 우려가 있는 물질을 증류할 때 사용된다.(3) Rayleigh 식저비점성분에 대한 물질수지 식을 적어보면 아래와 같다.이때, 증류기에 남아있는 액체의 양을 W(kg), 증류기에서 증발된 증기의 극미량을 dW(kg), 액체와 증기의 조성을 x(wt%)와 y(wt%), 액체와 증기의 조성변화를 dx(wt%), dy(wt%)라 하고 유출된 증기의 양은 D이다.극미량인 dWdx, dWdy를 무시하고 식을 정리하면 아래와 같다.이를 적분하면유출액의 평균조성(xDav)의 값을 구하면이때 수 있다. ()P’A는 순수 성분 A의 분압이며 액상 중의 저비점성분의 분율을 xA라 하면, 고비점성분 B의 몰분율은 로 나타낼 수 있다.낮은 압력 하에서 Dalton의 법칙이 적용되는데 이때의 전압을 P, 저비점성분의 몰분율을 yA라 했을 때, 고비점성분의 몰분율은 yB = (1-yA)로 나타낼 수 있다. 이 두 법칙으로부터 아래와 같은 식을 얻을 수 있다.,(5) Henry의 법칙6위 법칙은 비교적 불용성의 기체가 액체에 녹는 양과 그 기체 성분의 분압이 직선적으로 비례한다고 가정한다. 또한, 액상과 평형에 있는 증기상에 대하여 성분 B에 대한 A성분의 휘발도의 비를 비휘발도라고 하며 아래와 같이 나타낼 수 있다.여기에 Raoult의 법칙을 적용하면 아래의 식처럼 나타낼 수 있다.∴4. 실험 방법(1) 실험기구증류장치, 매스실린더, 비커, 비중병, 피펫(2) 시약- 에탄올 (Ethyl alcohol)분자식 : C2H5OH분자량 : 46.069g/mol밀도 : 0.789g/cm3끓는점 : 78.23℃- 증류수(3) Flow Chart5. 실험 결과1) 지급된 [A]용액의 밀도 구하기 (소수점 넷째 자리까지)빈 비중병의 무게(g)증류수 + 비중병무게(g)15.940330.5575지급된 용액 + 비중병무게(g)28.8115① 증류수의 무게(g) = 30.5575g – 15.9403g = 14.6172g(15℃ 일 때, 증류수 밀도 = 0.99913g/mL)② 비중병의 부피(mL) =③ 에탄올의 밀도(g/mL) =※ 35% 에탄올 수용액 1,000mL 제작우선 주어진 밀도 표를 참고하여 내삽법을 통해 조성을 구한다.(15℃, 35% 에탄올 수용액의 밀도 = 0.94832g/mL)15℃, 66% 에탄올 수용액의 밀도 = 0.88130g/mL15℃, 67% 에탄올 수용액의 밀도 = 0.87895g/mL, y1 = 66, y2 = 67, x1 = 0.88130, x2 = 0.87895⇒ 1,000mL × 0.94832g/mL = 948.32g948.32g × 0.35측정값수용액잔류액유출액손실비중병 +제조한 용액 무게(g)29.754729.547528.6401-부피(mL)80085013.8-63.8밀도(g/mL)0.944250.9300950.86807-양(g)755.4790.5811.979-47.159조성(wt%)37.2037.0371.59-에탄올 양(g)281.0088292.7528.5758-20.319① 밀도 =수용액 :잔류액 :유출액 :② 양 = 부피 × 밀도수용액 : 800mL × 0.94425g/mL = 755.4g잔류액 : 850mL × 0.930095g/mL = 790.58g유출액 : 13.8mL × 0.86807g/mL = 11.979g③ 조성15℃, 37% 에탄올 수용액의 밀도 = 0.94464g/mL15℃, 38% 에탄올 수용액의 밀도 = 0.94273g/mL35℃, 37% 에탄올 수용액의 밀도 = 0.93016g/mL35℃, 38% 에탄올 수용액의 밀도 = 0.92808g/mL15℃, 71% 에탄올 수용액의 밀도 = 0.86949g/mL15℃, 72% 에탄올 수용액의 밀도 = 0.86710g/mL④ 에탄올 양 = 양 × 조성수용액 : 755.4g × 0.3720 = 281.0088g잔류액 : 790.58g × 0.3703 = 292.752g유출액 : 11.979g × 0.7159 = 8.5758g⑤ 손실부피 : 800mL – 850mL – 13.8mL = -63.8mL양 : 755.4g – 790.58g – 11.979g = -47.159g에탄올 양 : 281.0088g – 292.752g – 8.5758g = -20.319g3) 수용액의 양과 조성 및 잔류액 양의 이론값 구하기lnW2 = lnW1 – l1 + l2수용액 양(W1 = 755.4g), 잔류액 양의 이론값(W2),수용액 조성 : 37.20%, 잔류액 조성 : 37.03%그래프에서 수용액의 조성에서 읽은 값(l1 = 0.023),그래프에서 잔류액의 조성에서 읽은 값(l2 = 0.021)⇒ lnW2 = ln755.4 – 0.023 + 0.021기Figure 2. 잔류액의 양, 조성의 양의 이론값 구할 때의 그래프Figure 3. 온도에 따른 에탄올 수용액 밀도표6. 실험고찰이번 실험에서는 에탄올과 물을 혼합한 2성분계 시료로 단증류를 실행한 후, Rayleigh 식을 이용하여 이론적 잔류액의 조성과 양 및 유출액의 평균조성을 구하여 실제 실험값과 어떻게 다른지 비교해보았다. 먼저 실험에 쓰일 35% 에탄올 수용액 1,000mL를 제조하고 그 중 800mL를 단증류 장치에 주입하였다. 단증류 장치에 냉각수를 공급시킨 후 전원을 켰고 밸브의 상태를 확인하며 실험을 진행하였다. 위 혼합물의 끓는점은 에탄올의 끓는점인 78℃보다 약간 높을 것이므로 장치의 온도를 80~83℃로 유지해주었다. 대략 75℃ 이후부터 유출액이 모이기 시작하는 것을 확인할 수 있었으며, 비중병 부피를 채울 수 있을 정도의 양이 되었을 때 실험을 종료하였다. 이후 잔류액을 받아주었으며 위 실험값들을 바탕으로 잔류액과 유출액의 부피, 밀도, 양 등을 계산하였다.실험결과를 분석해보자면 우선 잔류액의 부피가 상당히 크게 나온 것을 확인할 수 있었다. 그 전 실험에서 사용한 용액이 단증류 장치에 남아있었을 것으로 추정이 된다. 이러한 이유 때문에 잔류액의 양 및 에탄올의 양, 손실 등 데이터 값의 오차가 굉장히 크게 나올 것으로 예상이 되지만, 이 값을 그대로 사용하여 실험결과에 대해 좀 더 분석해보았다.실험을 통해 얻은 조성은 수용액(37.20%), 잔류액(37.03%), 유출액(71.59%)이며, 그래프를 통해 얻은 이론적 조성은 잔류액(19%), 유출액(122.115%)이다. 이에 대한 오차율을 계산해보면 잔류액에서는 , 유출액에서는 으로 잔류액에서의 오차율이 더 큰 것을 확인할 수 있었다. 위 문단에서 말한 것처럼 잔류액에서 문제가 있었기 때문에 유출액의 이론적 조성값(122.115%)과 잔류액 및 유출액에서의 오차율(각각 94.89%, 41.37%)이 상당히 큰 오차를 가지고 있다는 생각이 들었다.또한, 손실값을 보면 부피는 -6들을 모두 고려하더라도 굉장히 크게 벗어났다는 점을 알 수 있다. 이 원인도 위와 마찬가지로 잔류액 문제가 주요 원인이라는 생각이 들었다.잔류액 문제를 제외한 추가적인 오차발생원인에 대해서도 생각해보았다.1) 단증류 장치를 사용할 때 장치의 온도를 80~83℃로 유지해주었는데 이러한 온도 범위로 인해 기화 및 액화되는 정도가 달랐을 수도 있다는 점이다. 정확한 수용액의 끓는점 확인 및 온도조절을 해줬다면 보다 정확한 측정이 가능했을 것이다. 또한, 충분한 냉각시간을 갖지 못해 증류기 내부에 미처 액화되지 못한 기체가 남아있을 수도 있다는 점도 추측이 가능하다.2) 잔류액의 양과 조성을 구할 때 그래프를 이용하였는데 정확한 식을 통해 구한 것이 아니라 눈으로 대략적으로 본 후 선을 그어 값을 읽었기 때문에 정확도가 떨어진다는 점을 생각해볼 수 있다. 따라서 해당 값을 이용해 구하는 유출액의 조성도 오차가 있을 수 있다.7. 사용기호W : 증류기에 남아있는 액체의 양x : 액체의 조성y : 증기의 조성D : 유출된 양W1 : 수용액의 양W2 : 잔류액의 양x1 : 수용액의 조성x1 : 잔류액의 조성I1 : 수용액의 조성에서 읽은 값I2 : 잔류액의 조성에서 읽은 값xDax : 유출액의 조성PA : 용액 내의 기체 A의 분압PB : 용액 내의 기채 B의 분압P’A : A의 증기압P’B : B의 증기압xA : 저비점 성분의 분율xB : 고비점 성분의 분율aAB : B에 대한 A성분의 휘발도 비8. 참고문헌고완석 외 4명, 단위조작 제3판, 보문당(2003), p.191 (증류)고완석 외 4명, 단위조작 제3판, 보문당(2003), p.199 (단증류)고완석 외 4명, 단위조작 제3판, 보문당(2003), p.202 (평형증류)이인복 외 3인, 적중화공기사실기, 성안당(2008), p.105~111 (증류의 종류)성기천 외 2명, 화학공학실험, 사이텍미디어(2000), p.455~456 (Rayleigh 식)정우식 외 12명, 디스플레이 화학공학실험, 아진(2007),
1. 실험 제목 : 분쇄 2. 실험 목적 : 소형 ball mill로 건식 분쇄한 고체 시료를 조업 변수(회전 수, 분쇄 시간)에 따라 입경을 분석하여 분쇄효과의 변화를 조사, 고찰하여 분쇄와 체 분석의 원리를 이해하는데 그 목적이 있다. 3. 실험 이론 (1) 분쇄 고체를 기계적으로 작게 부수거나 잘라내는 조작을 분쇄라고 한다. 분쇄조작을 통해 얻을 수 있는 효과로는 고체 표면적의 증가로 반응물질과의 접촉면을 증가시키며, 유효한 성분의 분리를 촉진하고, 입도의 분포가 다른 혼합물을 균일한 입경을 가진 혼합물로 만드는 것이 있다. (2) 분쇄의 메커니즘 고체를 분쇄하는 원리는 보통 4가지로 분류된다. - 압축(compression) : 딱딱한 고체의 조분쇄에 쓰임 - 충격(impact) : 조분쇄나 미분쇄에 함께 쓰임 - 마모(wear) : 연하고 마모성이 적은 미분말을 분쇄하는데 쓰임 - 절단(friction) : 일정한 크기나 모양의 입자를 생산하는데 쓰임 대개 한 가지 분쇄기에서 분쇄되는 과정에서는 위의 4가지 원리가 동시에 적용된다. 분쇄를 하면 일반적으로 조립이 된 다음 중간립, 세립이 된다. 분쇄가 진행함에 따라 세립의 수는 증가하지만 한계 값 이상에서는 거의 입경의 변화가 없다. (3) 분쇄기의 종류 ① 조쇄기 (jaw crucher) V자 모양의 턱에 원광을 넣고 압착하여 분쇄하는 장치이다. 한쪽 턱은 고정되어 있고, 다른 한쪽은 왕복운동을 한다. Blake형은 한쪽 턱의 아래쪽이 좌우로 왕복 운동하는 형이며 일정한 입도의 제품은 얻기 힘든 반면, Dodge형은 한쪽 턱의 위쪽이 좌우로 움직이며 거의 일정한 제품을 얻을 수 있다. 하지만 출구가 일정하므로 분쇄물이 배출되지 않고 막히는 일이 많다는 단점이 있다. ② 중간분쇄기 – 롤 분쇄기 (roll crusher) 2개의 평활한 원통형 롤이 서로 반대방향으로 회전하면서 분쇄한다. 입장에 전달되는 힘이 아주 커서 분쇄하기 힘든 입자에 의하여 롤 면이 손상되는 것을 방지하기 위하여 한 쪽 롤에는 스머밀 등이 포함된다. ③ 미분쇄기 – 볼 밀(ball mill) 서서히 회전하는 원통 내에 강철, 볼, 자제 볼 등을 넣어서 원료와 함께 회전하며, 분쇄는 주로 마찰에 의해 발생한다. 원통의 회전이 느리면 내용물이 중심 부근까지 올라가지 않고 미끄러져 분쇄가 일어나지 않으며, 너무 빠르면 원심력으로 볼과 분쇄물이 일제히 회전하여 분쇄가 일어나지 않는다. 회전수, 볼 밀의 크기, 원료의 넣는 양, 공급속도 등에 따라 분쇄능력이 달라진다. 최적의 회전수는 내용물이 원통의 중심 근처까지 올라갔다 떨어지면서 충격분쇄가 많이 일어날 때이다. 아래는 각각 볼의 최대 회전수, 최적회전수 식이다. ④ 초미분쇄기 생성물의 크기를 200mesh 이하로 미분쇄하는 장치이다. 마이크로 분쇄기, 제트밀 등이 포함된다. (4) 건식분쇄 / 습식분쇄 건조된 상태의 원료를 그대로 분쇄하든가 원료에 물을 가해서 고체가 60~80% 정도로 하여 슬러리 상태에서 분쇄하는 습식법이 있다. 위 습식법은 건식법에 비해 건조비가 커지든가 마모가 건식보다 잘 일어나서 불리한 점이 있으나 가늘게 분쇄할 때 분쇄능력이 크다는 점, 소비동력이 적고 수송이 용이하다는 점, 먼지가 일지 않아서 위생적이라는 점 등의 장점 때문에 널리 사용된다. (5) 체질법 엮은 망으로 된 체를 사용하기 때문에 큰 입도에 적합하며 비교적 간단하고 저비용의 입도 분석법이다. 과정으로는 체질에서 질량분포와 체 지름을 얻고, 표준체를 상부로부터 체눈이 큰 순으로 순차로 쌓은 후 일정시간 충분히 흔든 후 분리를 해준다. 이후 통과한 것과 남은 것을 각각 측정한 다음 각각의 크기로 입도 분포를 구한다. (6) 입경 분포 입경 분포란 입경 번위의 입자가 차지하는 비율을 백분율로 나타낸 것이다. 산술-정규, 대수-정규, Rosin-Rammler 분포가 존재한다. ① Rosin-Rammler 분포 R(Dp,잔류분포,%) = (입경 이상의 분체총량 / 전체시료의 양) × 100 ② 산술-정규 분포 ③ 대수-정규 분포 4. 실험 방법 (1) 실험article size 내삽법을 사용한다. ● 710
1. 실험 제목 : 초산에틸의 검화2. 실험 목적 :NaOH의 초산에틸의 회분기에서의 반응은 2차반응으로 예상된다. 이 실험을 통해 data를 구하고, 이를 이용하여 2차 반응임을 확인하고 반응속도 상수를 계산하여 이미 구해 놓은 값과 비교해본다.3. 실험 이론(1) 검화(비누화, Saponification)염기 수용액에서 에스터의 가수분해를 흔히 검화(비누화)반응이라고 한다. 가수분해되는 에스터(CH3COOC2H6) 1mol은 다음의 완결된 반응식처럼 1mol의 염기(OH-)를 필요로 한다.CH3COOC2H6 (aq) + NaOH (aq) → CH3COONa (aq) + C2H5OH (aq)(2) 반응속도 데이터 해석단일상의 반응이 aA + bB → rR + sS 일 때, 반응물 A에 대한 반응속도는 아래와 같다.또한, 물질에 대한 반응속도의 상관관계는 아래와 같다.해당 실험에서 사용되는 초산에틸 검화 반응이 가역반응 및 2차 반응이라고 가정하면 반응속도식은 아래와 같다.(N = anytime in a reactor of CH3COOC2H5, V = volume of reacted mixture, K1, K2 = reaction rate, CA = molality of CH3COOC2H5, CB = molality of NaOH,CC = molality of CH3COONa, CD = molality of C2H5OH)위 실험에서 CH3COOC2H5와 NaOH의 농도를 같도록 취하며, 발열반응(K1>>K2)이므로 역반응은 무시할 수 있다. 이후 이를 변수분리하고 적분을 하면 아래와 같은 식이 나온다.(CA0 = Initial molality of CH3COOC2H5)위 식을 통해 임의의 시간에서 반응혼합물 내의 초산에틸의 농도를 구할 수 있다.(3) 미분법미분법에 의한 해석은 도함수 dCi/dt를 포함하고 있는 식에서 각 항을 구하고 이 식이 실험과 잘 부합하는지를 확인하는 방법이다. 아래와 같은 과정을 통해 시험한다.① CA를 t에 대해 plot하고 데이터성에서의 반응속도이다.③ rA 대 CA 데이터를 대표할 수 있는 반응속도식을 -rA = kf(CA) 혹은 -rA = kC2A 의 반응속도식을통해 시험한다.(4) 적분법① 0차 반응반응속도가 반응물의 농도와 무관한 경우로, 이다. 이를 적분하면 아래와 같다.② 1차 반응반응속도가 하나의 반응물의 속도에만 비례하는 경우로, 반응식을 A → P(생성물)이라 한다면 이다. 이를 적분하면 아래와 같다.③ 2차 반응반응속도가 한 반응물의 농도의 제곱에 비례하거나 두가지 반응물의 농도의 곱에 비례하는 경우로, 이다. 이를 적분하면 아래와 같다.(5) 적정, 역적정적정이란, 목적성분이 포함된 시료를 농도를 미리 알고 있는 표준용액으로 직접 측정하는 것이다. 이때 소비되는 표준용액의 양으로부터 구하고자 하는 물질의 농도를 구할 수 있다.역적정이란, 반응속도가 느려 종말점을 찾기 어려운 경우에 사용하는 방법으로 일정량의 표준용액을 가하여 구하고자 하는 물질과 반응시키고 남은 표준용액을 다른 표준용액으로 적정하는 방법이다.4. 실험 방법(1) 실험기구500mL 삼각 플라스크 1개, 250mL 삼각플라스크 14개, 교반 항온조, 피펫 25mL 2개, 뷰렛 2개,온도계, 비이커 2개, 둥근 바닥 플라스크(2) 시약- 염화수소 (Hydrochloric acid)분자식 : HCl분자량 : 36.4609g/mol비중 : 1.639g/L끓는점 : -85℃- 수산화나트륨 (Sodium hydroxide)분자식 : NaOH분자량 : 40g/mol비중 : 2.13g/L끓는점 : 1390℃- 초산에틸 (Ethyl acetate)분자식 : CH3COOC2H5분자량 : 88.11g/mol비중 : 0.9g/L끓는점 : 77℃- 페놀프탈레인 (Phenolphthalein)분자식 : C20H14O4분자량 : 318.32g/mol비중 : 1.296g/L끓는점 : 450℃(3) Flow Chart5. 실험 결과(1) 용액 제조용액용량(mL)실제 투입량목표 농도(N)실제 농도(N)NaOH2500.204g0.02분자량 : 40.0g/mol, 순도 : 98%)- CH3COOC2H5 (분자량 : 88.11g/mol, 순도 : 99.5%, 밀도 : 0.902g/mL)- HCL (분자량 : 36.46g/mol, 순도 : 36%, 밀도 : 1.18g/mol)① 0.02N NaOH 250mL 제조(실제 투입량 : 0.204g, 실제 농도 : 0.02N)② 0.05N NaOH 250mL 제조(실제 투입량 : 0.514g, 실제 농도 : 0.05N)③ 0.02N CH3COOC2H5 250mL 제조(실제 투입량 : 0.490g, 실제 농도 : 0.02N)④ 0.05N HCl 250mL 제조(실제 투입량 : 1.05mL, 실제 농도 : 0.049N)⑤ 페놀프탈레인 지시약에탄올 70mL + 페놀프탈레인 1g + 증류수 30mL(2) factor(f) 값 계산0.05N HCl 10mL과 페놀프탈레인 용액 1방울에 대한 0.05N NaOH용액 적정량(NaOH 적정량 → 1회 : 5mL, 2회 : 5mL)∴ 0.05N NaOH 표준용액의 농도계수(f) = 1.96(3) CA 계산순번Time(min)역적정한 NaOH양(mL)보정한NaOH양(mL)CA (N)1/CA (1/N)ln(CA0/CA)1218.436.06-0.041-24.39∙241937.24-0.044-22.727∙3617.534.3-0.037-27.027∙4818.335.87-0.041-24.39∙5101733.32-0.034-29.412∙61214.528.42-0.022-45.455∙71420.139.4-0.050-20∙8161937.24-0.044-22.727∙9181631.36-0.029-34.483∙102017.534.3-0.037-27.027∙① 보정한 NaOH의 양 = 역적정한 NaOH의 양 factor값순번1)②순번1) N③ 1/CA순번1)④ ln(CA0/CA)반응혼합물의 부피가 2배 증가하여 용액의 농도는 1/2배 ()그러나 CA의 값이 음수라 계산 불가(4) 반응차수별 그래프① 0차반응Figure 1. 0차반응 (CA 반응을 통해 관련 데이터를 구하고 이를 이용하여 2차반응임을 확인하며 비교해보는 실험이었다. NaOH와 반응 후 남아있는 초산에틸의 농도를 구하기 위해 역적정 방법을 사용하였다. NaOH를 HCl로 중화하는 것으로부터 중화적정을 통해 남아있는 HCl농도의 측정을 통해 시간에 따른 NaOH의 농도를 간접적으로 측정할 수 있었다. NaOH의 적정량에서 첨가해준 HCl의 양을 빼면 초산에틸과 반응하지 않고 남아있는 NaOH양이며, 초산에틸과 NaOH는 1:1 반응이므로 남아있는 NaOH의 양을 통해 반응 후 남아있는 초산에틸의 양도 알 수 있다.이론상 혼합반응물은 시간이 지날수록 HCl과 더 이상 반응하지 않으므로 역적정량은 증가하여야 한다. 하지만, 위 실험에서는 역적정한 NaOH의 양은 굉장히 들쭉날쭉한 경향을 보였다. 다음으로 factor의 값이 크게 나왔다. 따라서 보정한 NaOH의 양도 크게 나왔고, CA의 값이 음수가 나오게 되었다. 이 때문에 ln(CA0/CA)의 값은 구할 수가 없었다. 또한, 반응속도의 계산을 위해 적분법을 사용하여 0차, 1차, 2차로 가정하여 그래프를 그려보았지만 1차의 경우에는 그래프를 그릴 수 없었으며, 신뢰값인 R2의 값이 0차의 경우 0.0426, 2차의 경우 0.0467로 굉장히 낮게 나와 사실상 의미가 없을 정도의 수준이 되어버렸다. 따라서 위 실험의 데이터로는 NaOH와 초산에틸의 반응의 차수를 추론해볼 수 없었다.오차 원인에 대해 생각해보았다.먼저, 적정을 할 때에 종말점을 눈으로 확인해야 한다는 점이다. 최대한 색을 맞춰주어 오차를 줄이려고 해도 1mL정도의 소량의 양에도 색이 변할 수도 있기 때문에 변색지점의 정밀한 측정을 할 수 없다보니 오차가 발생할 수 있다는 생각이 들었다. 다음으로 factor값 측정에서의 오류이다. 2번 측정을 하였지만 factor값이 1.96으로 1보다 큰 값이 나왔다는 것은 NaOH를 너무 적게 넣었다는 것을 의미한다. 정확도를 높이기 위해 적정 시 NaOH양과 적정속도 등을 잘 조른 편이 아니므로 측정시간을 조금 더 늘리거나 측정횟수를 늘려 적정을 해준다면 오차를 더 줄일 수도 있겠다는 생각이 들었다.7. 사용기호N = anytime in a reactor of CH3COOC2H5V = volume of reacted mixtureK1, K2 = reaction rateCA = molality of CH3COOC2H5CB = molality of NaOH,CC = molality of CH3COONaCD = molality of C2H5OH)CA0 = Initial molality of CH3COOC2H5N = 이론적 농도V = 이론적 부피N’ = 실험으로 측정된 농도V’ = 실험으로 측정된 부피8. 참고문헌William H. Brown ∙ Thomas Poon, 유기화학입문 제6판, 자유아카데미(2017), p.482 (비누화 반응)Octave Levenspiel, Chemical Reaction Engineering 제3판, WILEY(1999), p.13 (반응속도식)Octave Levenspiel, Chemical Reaction Engineering 제3판, WILEY(1999), p.68 (미분법)Octave Levenspiel, Chemical Reaction Engineering 제3판, WILEY(1999), p.45~51 (적분법)심우만∙이광수 공저, 일반화학 문우당(2010), p.279~280 (적정, 역적정)MSDS, “염화수소”, Hyperlink "https://msds.kosha.or.kr/" https://msds.kosha.or.kr/, (2021.11.22)MSDS, “수산화나트륨”, Hyperlink "https://msds.kosha.or.kr/" https://msds.kosha.or.kr/, (2021.11.22)MSDS, “초산에틸”, Hyperlink "https://msds.kosha.or.kr/" https://msds.kosha.or.kr/, (2021.11.22)MSDS, “페놀프탈레22)
1. 실험 제목 : 흡착 2. 실험 목적 : ① 일정한 농도에서 흡착제의 양을 변화시켜 흡착량을 측정하여 흡착 평형정수와 흡착기구를 규명함으로써 흡착원리를 이해하고자 한다. ② 식초산수용액에서 초산이 활성탄에 흡착되어 초산수용액과 평형에 있을 때의 용액의 농도와 흡착된 초산의 양 사이에 평형관계가 성립하는 것을 확인한다. ③ 수용액으로부터 아세트산이 활성탄에 흡착할 때의 Langmuir, Freundlich의 흡착 등온식을 결정한다. 3. 실험 이론 (1) 흡착(Adsorption) 경계면에 특정한 물질이 축적되어 농도가 증가하는 현상이다. 흡착 세기가 강하면 높은 온도에서도 많이 흡착되지만, 약하게 흡착된 분자는 온도가 높아지면 바로 탈착한다. - 흡착제(Adsorvent) : 흡착제는 기체나 액체의 분자들이 흡착되는 고체 물질이다. 비표면적이 넓고 화학적으로 안정한 물질이 우수한 흡착제이며 종류로는 활성탄, 제올라이트, 실리카겔, 활성 알루미나 등이 존재한다. - 흡착질(Adsorbate) : 흡착이 되는 목적성분을 말한다. - 흡착계(Adsorption system) : 흡착제와 흡착질의 조합을 말한다. - 흡수(Adsorption) : 흡수 원자 또는 분자가 하나의 상으로 균일하게 확산하는 공정이다. 흡착과 다른 점으로 경계면에만 농축되지 않고 투과 확산되어 계 전체의 농도가 증가한다. - 수착(Sorption) : 흡착과 흡수가 동시에 일어나거나 경계면이 애매하여 두 현상을 명확하게 구별하기 어려울 때를 말한다. - 탈착(Desroption) : 경계면에서 흡착된 물질의 농도가 감소하는 현상을 말한다. (2) 물리흡착(Physical Adsorption), 화학흡착(Chemical Adsorption) - 물리흡착 흡착질이 분자간의 인력에 의해 흡착제 표면 가까이 흡착되어진 상태를 말한다. 약하게 흡착된 분자는 용액의 농도 변화나 그다지 높지 않은 온도와 저압에서 수증기 등으로 쉽게 짧은 시간에 탈착, 재생될 수 있기 때문에 가역적이라고 본다. - 화dsorption) - 기상흡착 기체상의 흡착질을 흡착하는 과정이다. 온도가 상승할수록 분자의 확산속도가 커지며 충돌 횟수는 감소하여 흡착량이 감소한다. 또한 비점, 임계온도가 높을수록 흡착되기 쉬우며 흡착질의 농도 및 상대 증기압이 높을수록 흡착량이 증가한다. - 액상흡착 액체상의 흡착질을 흡착하는 과정이다. 물에 대한 용해도가 낮은 흡착질일수록 흡착량이 증가하며 물의 탈취, 용액의 탁색 등에 이용된다. (4) 평형흡착 일정한 온도에서 흡착속도와 탈착속도가 같아진 상태이다. 흡착공정 후 시간이 어느정도 지나게 되면 흡착량의 변화가 없게 된다. 최대흡착량은 흡착제로 사용되는 활성탄의 내부표면적, 세공구조 등과 흡착질의 화학적 성질, 분자크기 등의 성질, 액상에서의 농도, 온도 pH와 같은 물리화학적 조건에 의해 결정된다. (5) 흡착과정 ① 피흡착질 분자들이 흡착제(활성탄) 외부 표면으로 이동 ② 피흡착질이 활성탄의 대세공, 중간세공을 통해 확산 ③ 확산된 피흡착질이 미세세공 내부표면과 결합하거나 미세세공을 채움 (6) 활성탄 활성탄이란 화학반응에 이용가능한 표면적을 증가시키는 작고, 부피가 적은 기공을 가지도록 처리된 탄소의 한 형태이다. 화학처리를 더 한다면 흡착 특성이 강화되는 경우가 많다. (7) 흡착에 영향을 미치는 인자 - 표면적과 세공 표면적이 큰 다공성 흡착제일수록 흡착능력이 좋다. - 화학적으로 흡착된 산소와 표면 산소를 포함하는 작용기가 증가할수록 액상에서 유기물에 대한 활성탄의 흡착능력이 감소한다. - 입경 활성탄의 입경이 작을수록 흡착속도가 증가한다. 흡착율은 활성탄 입자반경의 제곱의 역수에 비례한다. - pH 보통 액상에 존재하는 물질의 흡착은 용액의 pH가 낮을수록 증가한다. 활성탄 표면에 H+농도가 높아짐으로써 확산의 방해를 감소시키고 활성탄의 유효표면을 더욱 증가시킨다. - 온도 흡착현상은 대개 발열반응이기 때문에 흡착의 정도는 온도가 감소할수록 증가하게 된다. (8) 흡착 등온선 일정 온도에서 흡착이 평형에 이르렀을 때 흡착된 분탕기 1대, 100mL 삼각 플라스크 10개, 500mL 둥근 바닥 플라스크 2개 (2) 시약 - 수산화나트륨(Sodium hydroxide) 분자식 : NaOH 분자량 : 40.0g/mol 비중 : 2.1g/mol 녹는점 : 318℃ - 아세트산(Acetic acid) 분자식 : C2H4O2 분자량 : 60.052g/mol 밀도 : 1.049g/cm2 녹는점 : 16~17℃ 끓는점 : 118~119℃ - 페놀프탈레인(Phenolphthalein) 분자식 : C20H14O4 분자량 : 318.32g/mol 비중 : 1.296g/L (20.6℃, 상대밀도) 녹는점 : 263.7℃ + 활성탄, 증류수 (3) Flow Chart 5. 실험 결과 (1) 시약제조 ① 0.1N 초산 250mL 제조 (분자량 = 60.05g/mol, 순도 = 99%, 밀도 = 1.049g/cm3) → 1.45mL 사용 ② 0.05N NaOH 250mL 제조 (분자량 = 40.0g/mol, 순도 = 98%) → 0.510g 사용 (2) 결과 활성탄양 (g) NaOH 적정량 (mL) NaOH mol수 (mol) 평형 mol농도 C (mol/L) 흡착용량 q (mol/g) lnC lnq 0.1 38.4 0.00192 0.096 0.002 -2.3434 -6.21461 0.2 38.9 0.001945 0.09725 0.0006875 -2.3305 -7.28245 0.3 38.3 0.001915 0.09575 0.00070833 -2.346 -7.2526 0.4 37.1 0.001855 0.09275 0.00090625 -2.3778 -7.0062 0.5 36.5 0.001825 0.09125 0.000875 -2.3942 -7.04129 ① NaOH mol수 ② 평형 mol 농도 C Factor = 1로 두면 N×V = N’×V’ (N = 평형농도, V = 초산부피, N’ = NaOH농도, V’ = NaOH적정량) 따라서 ③ 흡착용량 q ④ lnC ln(0.096) = -2.3434 ⑤ lnq 0.1N을 흡착시켰다. 이후 페놀프탈레인 용액과 0.05N의 NaOH를 이용한 적정을 통해 흡착량을 확인할 수 있었다. 마지막으로 위 실험에서 얻은 데이터를 바탕으로 이를 분석해보며 Langmuir, Freundlich 흡착등온식을 결정할 수 있었다. 다음은 실험결과에 대한 분석이다. 첫 번째로 NaOH의 적정량이 약간 높게 나온 활성탄 0.2g일 때의 경우를 제외하면 활성탄을 많이 쓸수록 NaOH의 적정량이 감소한다는 것을 확인할 수 있었는데 이는 흡착용량이 증가하여 더 많은 초산이 흡착되기 때문이다. 두 번째로 Langmuir 흡착등온식의 추세선을 통해 얻은 최대흡착량(qm)은 0.00118745, 상수(a)는 0.11098이었으며, Freundlich 흡착등온식의 추세선을 통해 얻은 흡착등온상수(KF)는 0.0014354, n은 -7.2622이었다. 앞서 알아본 이론에 따르면 Langmuir 흡착등온식을 사용하기 위해서는 흡착한 분자 사이에는 상호작용이 없어야하며, 흡착점의 에너지 상태가 모두 동일하고 흡착하는 기체가 이상기체여야 했기 때문에 위 실험에서는 크게 신뢰하기 힘들다는 판단을 내렸다. Freundlich 흡착등온식은 실질적인 액상흡착에 잘 맞으며 실험값이 비교적 잘 성립하는 식이다보니 비교적 정확도가 더 높을 것이라 생각을 하였다. Freundlich 흡착등온식에서는 n이 흡착강도를 나타내는데 0.1 < < 0.5 일 때 흡착이 잘되며, > 1 일 때에는 흡착이 잘 일어나기 힘들다고 판단한다. 하지만 위 실험에서 값이 -0.1377으로 나왔으며 등온선의 기울기가 음수로 나왔다. 이를 통해 흡착용량이 제대로 측정되지 못했다는 점과 활성이 좋지 못하다는 점을 추측해볼 수 있었다. 이러한 결과가 나온 오차의 추정원인에 대해 생각해보았다. 첫 번째 요소는 활성탄과 NaOH이다. 실험 중 활성탄의 무게를 재고 놔두는 과정에서 산소와의 접촉이 이루어져 활성탄의 흡착능력이 떨어졌을 수도 있으며, NaOH 역시 조해성이 심한데 이러한 요소로 인해 오차가 발생 Freundlich 흡착등온상수
1. 실험 제목 : 이중관식 열교환기 실험2. 실험 목적 : ① 열교환기의 종류와 특성을 이해한다.② 향류(Parallel Flow)와 병류(Counter Flow) 조작을 이해한다.③ 총괄전열계수를 이해하고 실험으로 구한다.④ 대수평균온도차(LMTD), 대수평균면적, 대수평균직경의 개념을 이해한다.⑤ 이중관식 열교환기의 열전달 효율을 실험으로 구한다.3. 실험 이론(1) 열교환기(Heat exchanger)두 개 또는 그 이상의 유체 사이에서 열을 교환할 수 있게 고안된 장치를 열교환기라고 한다. 열교환기의 종류로는 관형, 평판형, 재생형, 쉘-튜브 등이 존재하는데 위 실험에서는 이중관식 열교환기를 다룬다.(2) 이중관식 열교환기(Double pipe heat exchanger)가장 간단한 형식의 열교환기로 직경이 서로 다른 두 개의 동심 원관으로 구성되어 있다. 하나의 유체는 작은 관속을, 다른 하나의 유체는 두 관 사이의 환형 공간 속을 흐른다. 만약 고온 유체와 저온 유체가 같은 방향으로 흐른다면 이를 병류(Parallel flow)라고 부르며, 반대방향으로 흐른다면 이를 향류(Counter flow)라고 부른다.- 병류(Parallel flow)열교환기에서 고온 유체와 저온 유체가 같은 방향으로 들어가서 서로 같은 방향으로 흐르는 것을 의미한다. 초기 온도차가 크므로 열전달 속도가 크며 급속한 열전달을 하고자 할 때 등 특수한 경우에만 사용된다. 아래의 그림은 열교환기에서의 병류 모습과 유체의 온도변화 그래프를 나타낸 것이다.Tha = 고온 유체의 입구 온도, Thb = 고온 유체의 출구 온도, △T1 = Tha - TcaTca = 저온 유체의 입구 온도, Tcb = 저온 유체의 출구 온도, △T2 = Thb - Tcb- 향류(Counter flow)열교환기에서 고온 유체와 저온 유체가 반대 방향으로 들어가서 서로 반대방향으로 흐르는 것을 의미한다. 양 끝의 온도차가 크지 않고 비교적 비슷한 온도차를 보이므로 모든 장치에 걸쳐 효과적인 열전달 효율을 이때 고온 유체에서 잃은 열량과 저온 유체에서 얻은 열량이 같게 된다. 따라서 아래와 같이 총괄 에너지 수지식을 세울 수 있다.= 고온 유체의 유량, Cph = 고온 유체의 비열, Tha = 고온 유체의 입구 온도, Thb = 고온 유체의 출구 온도= 저온 유체의 유량, Cpc= 저온 유체의 비열, Tca = 저온 유체의 입구 온도, Tcb = 저온 유체의 출구 온도= 열유량(4) 경막전열계수(Film coefficient of heat transfer)고온 유체에서 저온 유체로 열이 전달될 경우 온도 분포는 아래 그림과 같다. 그림처럼 열전달은 고온 유체에서 저온 유체로 관벽을 따라 흐르게 되는데 열전달속도(q)는 다음과 같다.(T = 고온 유체의 온도, t = 저온 유체의 온도, R = 열저항)이때 유체와 금속벽(a-b, c-d)에서 열저항 계수를 경막전열계수라 한다. 열전달속도를 온도구간에서 경막전열로 표시하면 아래와 같은 식이 나온다.q = h1A(T - Tb) = h2A(t - tc)h1 = 고온 유체의 경막전열계수, h2 = 저온 유체의 경막전열계수Tb = b지점에서의 온도, Tc = c지점에서의 온도, A = 열전달면적(5) 대수평균온도차(LMTD)열교환기에서는 보통 산술적인 온도 차이가 아니라 대수평균온도차를 사용한다. 식을 유도할 때 아래 5가지의 가정이 필요하다. ① 열교환기로부터 외부로의 열손실을 없다. ② 관의 길이 방향을 따른 열전도는 무시할 수 없다. ③ 위치에너지와 운동에너지의 변화는 무시할 만하다. ④ 열전달계수는 열교환기의 모든 표면에 대하여 일정하다. ⑤ 유체의 비열은 온도에 따라 변하지 않는다.병류일 때에는 △T1 = Tha – Tca, △T2 = Thb – Tcb항류일 때에는 △T1 = Thb – Tca, △T2 = Tha – Tcb(6) 총괄전열계수(Over-all coefficient of heat transfer)앞서 말한 열전달속도(q)는 유체의 온도차에 비례하고 열저항(R)은 a-b, b-c, c-d의 각 구간에서 = 관의 단면적(Ai = 내경, A0 = 외경)= 대수평균온도차(7) 대수평균면적 및 대수평균직경( = 대수평균면적, A0 = 외경기준면적, Ai = 내경기준면적, D0 = 외경, Di = 내경)( = 대수평균직경, D0 = 외경, Di = 내경)(8) 열교환기의 효율()위 실험에서 열교환기의 효율은 ‘실제 열교환양(Q) / 이론적 최대 열교환양(Qmax)’ 이다.즉, = 이다.4. 실험 방법(1) 기구- Double Pipe Exchanger Apparatus (삼진유니켐 SHE-300)이중관식 열교환 실험장치로 향류흐름과 병류흐름의 조작이 쉬우며, 실험 도중 고온 유체의 온도가 떨어지는 현상을 방지하기 위하여 대용량의 가열수조가 설치되어 있다. 또한 고온과 저온유체의 유량을 측정하는 2개의 유량계가 설치되어 있어 실험자에게 변화를 주어 실험을 행할 수 있다.- Inside Copper Pipe (D0 = 15.88mm, Di = 14.28mm)- Inside Copper Pipe (D0 = 40.00mm, Di = 38.00mmL = 1550mm+ 정밀측정자, 메스실린더, 초시계, 비커(2) 시료- 물(H2O)(3) 조작※ 실험 시 주의사항- 보일러에 물이 없는 상태에서 전원을 올릴 경우 히터의 과열로 단선될 수 있으므로 전원을켜기 전에 항상 보일러에 물이 있는지 확인한다.- 전원이 약할 경우 보일러의 온도상승이 느리고 순환펌프에 무리를 줄 수 있으므로 유의한다.- 냉각수 공급 시 병류, 향류 흐름에 밸브 조작 여부를 확인하고 유량계 조절밸브를 열어준다.- 누전 및 감전사고가 나지 않게 조심히 다루어야 하며, 고온 유체가 관을 통해 흐르므로 화상에 주의해야한다.- 실험 후에는 이중관과 보일러 내의 물을 모두 배수해주어야 한다.5. 실험 결과- 병류유량고온 유체유량저온 유체대수평균온도차 (LMTD)ThaThbTcaTcb△T1△T2A166*************2.72*************4.0*************46.1평균68601513.75336.3 = 4.184KJ/kg℃= UiAi = U0A0 → Ui = q / (Ai), U0 = q / (A0)(Di = 0.0143m, D0 = 0.1588m, L = 1550mm = 1.55m, Ai = πDiL = 0.0696m2, A0 = πD0L = 0.0773m2)고온 유체저온 유체내경 기준총괄전열계수외경 기준총괄전열계수평균값UiU0A113556.213556.212576.84265.83840.9213556.212049.94111.53701.539037.413556.23920.63560.1평균12049.213104.34095.73687.7B118074.918074.918526.86136.25525.0219581.118074.96219.45600.0319581.118074.96074.65470.0평균18978.618074.96141.95530.1C118074.915062.415288.34934.04442.5215062.415062.44872.74387.3312049.916568.044872.74387.3평균15062.415514.34890.04403.0- 향류유량고온 유체유량저온 유체대수평균온도차 (LMTD)ThaThbTcaTcb△T1△T2A1*************50*************46.0*************45.5평균69.3601523.3454645.8B16*************542.52*************4.03*************4.4평균68.356.31520.641.346.743.6C11*************546.0*************46.03*************5.0평균67.663152447.743.745.7△T1 = Thb – Tca, △T2 = Tha – Tcb, 이외의 식들은 병류 실험과 같음.고온 유체저온 유체내경 기준총괄전열계수외경 기준총괄전열계수평균값UiU0A113556.213556.213305.2--213556.210543.74155.83741.8315062.413556.24201.53783.0평균140기 효율 비교① 병류A →B → → A, B, C의 평균 효율() = 0.160C →② 향류A →B → → A, B, C의 평균 효율() = 0.167C →6. 고찰이번 실험에서는 이중관식 열교환기를 이용해 병류∙향류 두 가지 유체의 흐름 상태에 따라 온도가 어떻게 변화하는지 알아보고 나온 데이터를 바탕으로 대수평균온도차, 총괄전열계수, 열교환 효율을 계산해 볼 수 있었다. 위 실험결과 향류 A-1 실험에서 대수평균온도차가 0이 나왔기에 향류 A 실험의 대수평균온도차의 평균은 A-2, A-3의 평균으로 작성하였으며 총괄전열계수도 이와 같은 방식으로 작성하였다. 이 점을 고려하여 계산해보았을 때 향류의 대수평균온도차 값이 병류의 것에 비해 약간 더 높았는데 이는 Q=UA 에서 같은 열량(에너지)을 가했을 때 단면적이 작다는 것을 의미하기 때문에 코스트면에서 더 유리하다고 생각해볼 수 있다. 다음으로 열효율이다. 본 학과의 열및물질전달 강의를 통해 열교환기와 병류 및 향류에 대한 개념을 이미 배웠었기 때문에 향류가 병류보다 열효율이 더 좋다는 사실은 알고 있었다. 다만 이번 실험에서 병류의 열효율은 0.160, 향류의 효율은 0.167으로 약 0.007정도의 차이가 났는데 실험 전 예상했던 만큼의 열효율 차이를 보이진 못했다. 위의 대수평균온도차나 열효율의 오차발생 추정이유로는 정상상태 시점 파악의 실패로 인한 잘못된 온도 기록, 유량조절 시 발생하는 오차 등을 예상해볼 수 있다.7. 사용기호해당내용 아래부분에 표시8. 참고문헌(1) En.Wikipedia, “Heat exchanger”, Hyperlink "https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_exchanger" https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_exchanger, (2021.04.04)(2) 강희찬, 열시스템설계, KOCW, 10차시 강의(열교환기 기초 및 설계) – 이중관식 열교환기,병류∙향류, 총괄전열계수, 열교환기 효율(3) 성기천, 화학공학실험, 사 그래프
