화학 공장 설계 Chemical EngineeringCONTENTS Part1. Background of Plant 공정의 소개 Part2. Factor of choosing the Site 공장 부지 선정 요인 Part3. Analyze the Ethylene capacity 장치 기술 Part4. Factor of the presumed value 비용 추정 고려사항 Part5. One’s role 각 조원들 역할Part 1 공정의 소개 “ Background of the Plant ” Chemical engineeringBackground of the PLANT 공정 소개 ABOUT 올레핀 지방족 불포화 탄화수소로서 , C=C 결합이 있는 화합물의 총칭 . 일반적으로 알켄의 동의어로 사용된다 . 올레핀은 C=C 결합 2 개 이상이 있는 불포화 탄화수소에 대하여도 사용되지만 알켄은 C=C 결합 1 개의 화합물 CnH2n 에 한하여 사용되는 일반명이다 . 3 ) 올레핀 분리공정 납사는 원유를 분별증류하여 여러 종류의 석유제품을 만드는 정유회사의 한 제품이다 . 이 납사를 수입해와서 분해하여 나오는 분해 생성물을 증류에 의해 분리 , 정제하면 석유화학원료를 얻을 수 있다 . 2) 파라핀 파라핀계 탄화수소 또는 고급 포화탄화수소로 이루어진 파라핀납이나 유동파라핀의 총칭으로 주된 특징은 반응성이 약하고 화학약품에 대하여 내성이 있는 점이다 . 중유유분에 함유되어 있으며 양초나 전기절연재료 등으로 쓰인다 . 2) 파라핀 1) 올레핀 3 ) 납사분해공 정 4) 시장성 5 ) P rocess PFDABOUT 4 ) Olefin separation 의 시장성 가장 에너지 집약적인 process : 3000~4000PJ/ yr 중 22% 가 separation 에서 사용 자본 집약적 process : Tall Columns, Larg compressors and Heat exchangers 가장 많이 생산되는 product 중 하나 : Ethylene 147 mt / yr 뱃길 - 운반비 절약 2 ) 에너지 유용성 l 호남 화력 발전소로부터 전력공급 .(50 만 kw) 한국남동발전이 여수화력발전소 여수본부 1 호기를 고효율 발전소로 새로 건설하여 안정적인 전력공급가능 . 3) 수송 시설 l 근처 여수항 , 광양항이 인접해있고 , 18 개의 부두가 있다 . 서울 - 여수까지 철도가 있어 수도권 운송도 문제없다 . :: 여천 NCC ; 공장 부지 선정 요인 4 ) 시장 l 주로 여수 산단 내에 위치한 대림과 한화 케미칼에 판다 . 광양항 여수공항 여수항 FACTOR of choosing the Site 공장 부지 선정요인1) 원료의 유용성 l 납사를 주로 외국에서 수입 . 인접한 뱃길 - 운반비 절약 2 ) 에너지 유용성 l 호남 화력 발전소로부터 전력공급 .(50 만 kw) 한국남동발전이 여수화력발전소 여수본부 1 호기를 고효율 발전소로 새로 건설하여 안정적인 전력공급가능 . 3) 수송 시설 l 근처 여수항 , 광양항이 인접해있고 , 18 개의 부두가 있다 . 서울 - 여수까지 철도가 있어 수도권 운송도 문제없다 . :: 여천 NCC ; 공장 부지 선정 요인 4 ) 시장 l 주로 여수산단 내에 위치한 대림과 한화케미칼에 판다 . FACTOR of choosing the Site 공장 부지 선정요인:: 여천 NCC ; 공장 부지 선정 요인 7 ) 기후 l 남쪽 지방에 위치 . 공정 장비 보호에 있어서 저 비용 . 5 ) 용수 공급 l 주 수원 – 주 암 댐 / 예비수원 – 수어댐 ( 섬진강의 물 ) 공업용수의 대량 확보 6 ) 폐기물 처분 l 여수산업 단지 내에 폐기물 처리 전문회사 - Y-ENTEC ( 와이엔텍 ) 위치 8 ) 홍수 및 화재방지 l 화학단지 특성상 폭발 , 화재사고 많이 발생 → 산업단지 내 여수소방서화학구조대 위치 . 홍수 기록 X 주암댐 FACTOR of choosing the Site 공장 부지 선정요인:: 여천 NCC ; 공장 부지 선정 요인 7 ) 기후 l 남쪽 지방에 위치 . 공정 장비 보호에 있어서 Basecase (distillation) Hybridprocess (membrane+distillation) Condensercolumn,MW 11.7 9.6 Compression,MW 0 1.4 Compressorcooler,MW 0 1.9 TOTAL 11.7 12.9 Refluxratio,[-] 4.23 3.41 Columndiameter,m 3.65 3.31 Ethylene capacity, kt / yr 460 460 Basecase vs Hybrid process : Analyze the Ethylene capacity ; distillation membrane+distillation Total electricity used : 60.4MW → 52.5MW Ethylene capacity 450kt/ yr → 560kt/ yr l 3.65 560 ANALYZE the Ethylene capasity 장치 기술Basecase vs Hybrid process : Analyze the Ethylene permeance ; Production capacity utility cost l Ethylene permeance 가 증가할수록 selectivity 가 증가 . Selectivity 증가할 수록 capacity 증가 . Ethylene permeance 가 증가할수록 selectivity 가 증가 . Selectivity 증가할 수록 utility cost 감소 . ANALYZE the Ethylene capasity 장치 기술Part 4 비용 추정 시 고려사항 “Factor of the presumed value” Chemical engineeringFACTOR of the presumed value 비용 추정 시 고려사항 비용 추정 시 고려 사항 :: 혼성 증류 / 막 시스템 에 대한 이해 . 기술적 측면 l 미세공 막의 세공에서의 모세관 현상에 의해 잡힌 질산은 수용액으로 구성된 막을 갖는 에틸렌 / 에탄 촉진 막 시스템 - 고압에서 주입 . 저압비 직접비 . 유틸리티 제작 비용 변동 생산비용 2 변동 생산비용 1 원료 물질에 대한 비용 . 공정 운전에 소요되나 , 최종 생성물에는 포함 되지 않는 촉매나 용제 등과 같은 원료 물질 또한 고려 . ( 질산은이 원료구입비 추가 ) = 총생산 비용에 대한 원료비의 비율 : 총생산비용의 10-60% 범위 변동 생산비용 3 스팀 , 전기 , 공정수와 냉각수 . 과 같은 유틸리티 비용은 물질 및 에너지 수지로 부터 추정 . ( 추가 장치에 대한 추가 전력 ) = 보통 총 생산비용의 10-20% 기술적 고려사항을 참고하여 . 장치 제작 또는 표준 장치 선정 할지 결정 추가 장치비용 . ( COMPRESSOR 및 COMPRESSOR COOLER ) 공정 중 수행되는 일들을 분석하여 , 필요한 노동력을 추정 . = 하이브리드 공정 작동 인력 노무비 추가 . 노동력의 양은 운전 노동량의 총량 , 운전의 복잡성 , 제품 질의 표준과 밀접한 관계를 가진다 . = 엔지니어링 비용 . 관리감독 비용 추가 FACTOR of the presumed value 비용 추정 시 고려사항비용 추정 시 고려 사항 :: 제조 비용 . 장치 비용 직접비 . 원료비 직접비 . 노무비 직접비 . 유틸리티 제작 비용 변동 생산비용 2 변동 생산비용 1 원료 물질에 대한 비용 . 공정 운전에 소요되나 , 최종 생성물에는 포함 되지 않는 촉매나 용제 등과 같은 원료 물질 또한 고려 . ( 질산은이 원료구입비 추가 ) = 총생산 비용에 대한 원료비의 비율 : 총생산비용의 10-60% 범위 변동 생산비용 3 스팀 , 전기 , 공정수와 냉각수 . 과 같은 유틸리티 비용은 물질 및 에너지 수지로 부터 추정 . ( 추가 장치에 대한 추가 전력 ) = 보통 총 생산비용의 10-20% 기술적 고려사항을 참고하여 . 장치 제작 또는 표준 장치 선정 할지 결정 추가 장치비용 . ( COMPRESSOR 및 COMPRESSOR COOLER ) 공정 중 수행되는 일들을 분석하여 , 필요한 노동력을 추정 . = 하이브리드 공및 COMPRESSOR COOLER ) 변동 생산비용 2 공정 중 수행되는 일들을 분석하여 , 필요한 노동력을 추정 . = 하이브리드 공정 작동 인력 노무비 추가 . 노동력의 양은 운전 노동량의 총량 , 운전의 복잡성 , 제품 질의 표준과 밀접한 관계를 가진다 . = 엔지니어링 비용 . 관리감독 비용 추가 변동 생산비용 1 원료 물질에 대한 비용 . 공정 운전에 소요되나 , 최종 생성물에는 포함 되지 않는 촉매나 용제 등과 같은 원료 물질 또한 고려 . ( 질산은이 원료구입비 추가 ) = 총생산 비용에 대한 원료비의 비율 : 총생산비용의 10-60% 범위 변동 생산비용 3 스팀 , 전기 , 공정수와 냉각수 . 과 같은 유틸리티 비용은 물질 및 에너지 수지로 부터 추정 . ( 추가 장치에 대한 추가 전력 ) = 보통 총 생산비용의 10-20% 기존 Distillation 방식의 Utility(Electricity) : 60.4MW → 약 4.6 억원 / 월 새로운 Hybrid 방식의 Utility(Electricity) : 52.5MW → 약 4 억원 / 월 기존 Distillation 방식에 비해 약 5 천만원 / 월 이득이 발생한다 . FACTOR of the presumed value 비용 추정 시 고려사항비용 추정 시 고려 사항 :: 제조 비용 . 장치 비용 직접비 . 원료비 직접비 . 노무비 직접비 . 유틸리티 제작 비용 기술적 고려사항을 참고하여 . 장치 제작 또는 표준 장치 선정 할지 결정 추가 장치비용 . ( COMPRESSOR 및 COMPRESSOR COOLER ) 변동 생산비용 2 공정 중 수행되는 일들을 분석하여 , 필요한 노동력을 추정 . = 하이브리드 공정 작동 인력 노무비 추가 . 노동력의 양은 운전 노동량의 총량 , 운전의 복잡성 , 제품 질의 표준과 밀접한 관계를 가진다 . = 엔지니어링 비용 . 관리감독 비용 추가 변동 생산비용 1 원료 물질에 대한 비용 . 공정 운전에 소요되나 , 최종 생성물에는 포함 되지 않는 촉매나 용제 등과w}
1-1 Vertical thermo-siphon reboiler (Shell side-HP steam, tube – EDC) - with phase transition목차 설계 목적 Data sheet 도면 설계과정 참고문헌설계 목적 1-1 vertical thermo-siphon reboiler 의 용도와 원리를 파악한다 . 2. Data sheet 의 값을 이용해 이론적인 총괄 열전달계수와 열전달면적을 계산하고 실제 도면의 값과 비교한다 .Thermo-siphon reoiler 이란 ? Forced circulated reboiler 와 대칭되는 말로 펌프에 의한 강제 순환 방식이 아니라 reboiler 내의 유체의 밀도와 column bottom 쪽의 유체의 밀도 차이에 의한 자연순환 방식의 reboiler 를 말한다 . 펌프가 필요하지 않으며 , Fouling 이 쉽게 일어나지 않는다 . Kettle type reboiler 에 비해 가격이 싸고 넓은 공간이 필요하지 않다 .Data sheet 도면’ Data sheet 도면Data sheet 도면Data sheet 도면설계 과정 총괄 열전달계수 ( U o )h i 계산과정 Tube side 에서는 증발 two phases : 2 상 대류 열전달에서 혼합물 보정인자 : 증기의 전단효과의 보정인자 : 액체 대류 열전달 계수h i 계산과정 계산하기 위해서는 아래의 값들의 계산이 필요 q max : Maximum heat flux q des : Design heat flux V i : Circulation velocity y o : 출구 증기분율 y a : 평균증기 분율 W t : Tube side total flow rate G t : Flow regime X tt : Martinelli parameterh i 계산과정h i 계산과정h i 계산과정h i 계산과정 0.597 이상일 때 mist flow 가 된다 . 출구 증기 분율이 0.204 이므로 mist flow 가 아니다 . Mist flow 일 때 , 열 전달율은 아주 낮고 Founling 이 증가되는 주 원인이 된다 .h i 계산과정h i 계산과정 Martinelli parameterh i 계산과정 7. Flow Regime( 유수체계 ) Martinelli parameterh i 계산과정h i 계산과정h i 계산과정h i 계산과정h o 계산과정h o 계산과정U o 및 A o 계산 과정U o 및 A o 계산 과정U o 및 A o 오차L 계산 74.83 2.931m감사합니다 Reference McCabe . W. L., Smith. J. C., and Harriott . P., Unit Operation of Chemical Engineering, 7th ed., McGraw-Hill, 299-303(2005) 열교환기 설계와 이론 1,2 / 민의동 / 1994 http://www.hanoltech.com/hangul/ ( 한올테크 ) https://www.nist.gov/( 물성치 ) Effect of two liquid phase on the separation efficiency of distillation columns/(EDC feed 조성 ) ‘Thank you’{nameOfApplication=Show}
니 트 로 화1. 서론니트로 화합물은 그대로 또는 다른 화합물의 원료로서 공업상 중요한 위치를 차지하고 있다. 이 실험에서는 니트로화반응에 있어서의 반응조건을 검토한다.2. 실험 이론니트로 화합물은 여러 가지 방법으로 제조되지만 수소원자를 니트로기로 치환하는 것이 보통이고 특히 황산과 질산의 혼산에 의한 니트로화가 공업적으로 가장 중요하다.이 실험에서는 monochlorobenzene을 혼산으로 니트로화 하여 chloronitrobenzene을 합성한다.혼산에 의한 니트로화반응을 좌우하는 조건에는 질산과 황산의 농도비, 혼합비, 반응온도, 반응시간, 교반속도 등 여러 가지가 있다.일반적으로 혼산 중 황산의 탈수능력을 비교하기 위하여 D.V.S (dehydrating value of sulfuricacid)을 사용한다.그림은 p-xylene의 니트로화에 있어서 D.V.S, 반응온도, 반응시간이 모노니트로화 합성의 수율에 미치는 영향을 나타낸 것이다.그림을 살펴보면 반응온도가 높을수록 수율이 감소하고 있는 것은 디니트로화 및 산화반응이 일어나고 있기 때문이며 또한 D.V.S. 가 3.0인 경우 수율이 최고가 되며, 이것보다 낮은 경우에는 급속히 수율이 감소함은 혼산 중 질산의 농도가 저하되었기 때문에 반응속도가 감소한 결과로 생각된다.또한 혼산의 반응시간이 길게 되면 어느 정도 수율이 저하되는 경향이 있다. 그렇지만 이런 경향은 반응온도가 높거나 D.V.S가 낮은 경우에 특히 현저하며 이외는 별로 큰 영향이 없다.혼산에 의한 니트로화 반응을 좌우하는 조건에는 질산과 황산의 농도 및 혼합비, 반응온도, 한편 원료인 탄화수소원자 중에 치환기가 존재하는 경우에는 치환기의 종류에 따라서 반응속도, 반응위치에 영향을 미친다. 본 실험에서 행해지는 chlorobenzene의 니트로화에 있어서는 항상 약 1/3양의 o-chloronitrobenzene과약 2/3양의 p-Chloronitrobenzene 및 소량의 m-chloronitrobenzene이 생성된다. o-이성질체 e과 p-chloronitrobenzene의 적외선흡수 스펙트럼은 다음과 같다.※ 니트로화니트로화란 유기화합물에 한개 또는 두개 이상의 니트로기를 도입하는 단위공정으로 정의되고, 니트로 화합물이란 일반적으로 니트로기가 탄소와 결합되어 있는 구조의 화합물을 말한다.방향족 니트로화합물은 주로 고성능 폭약 혹은 보조 장약(TNT,tetryl) 같은 것에 용도가 제한되어 있기는 하나 환원반응에 의한 amine의 제조와 관련된 화합물(benzidine, p-aminophenol)의제조에 대한 중간체로도 매우 유용하다. 니트로벤젠(b.p. 209℃)은 유기물질에 대하여 양호한용매이며, 많은 무기화합물(AlCl₃,ZnCl₂)도 용해시킬 수 있다. 또한 때때로 반응 매개체와 재결정을위한 용매로도 사용하여진다. 대부분의 니트로 화합물들은 매우 위험할 만큼 유독하므로 조심스럽게 다루어야한다.니트로화 반응은 순수한 질산, 진한 황산과 질산의 혼합물 그리고 빙초산 또는 aceticanhydride의질산용액에 의하여 진행될 수 있으며, 적절한 니트로화 반응의 시약 선정과 반응의 조건은니트로화 반응을 진행시키는 화합물의 반응성과 니트로화 반응 매체 안의 용해도 그리고생성물의 분리와 정제의 용이성 같은 요소들에 근거를 둔다. 니트로화 반응의 반응 경로는광범위하게 연구되어 왔으며, nitronium ion [O=N=O]+은 반응성이 좋은 친 전자 화학종으로알려져 있다. 이 이온은 질산과 황산의 가역적인 상호작용에 의해 독특한 니트로화 반응혼합물 안에서 형성된다.니트로화 반응의 용이성 및 지향성은 방향족 고리에 존재하는 치환체들의 성질에 의존한다.진한 황산 및 질산의 혼합물과 벤젠과 같은 방향족 화합물의 반응을 통하여 방향족 고리에니트로기가 치환된다. 이 반응은 친전자체가 nitronium ion (NO2)인 치환반응의 한 예이다.벤젠은 뜨겁고 진한 질산과 서서히 반응하여 니트로벤젠을 만든다. 벤젠을 진한 질산과 진한황산의 혼합물과 함께 가열하면서 반응을 진행시키면 훨씬 빨리 반응이 일어난로 하여 고온 고압에서 암모니아와반응시키면 아닐린을 생성하고, 수산화나트륨을 작용시키면 페놀을 만든다. 살충제 DDT의원료, 용제로서의 용도도 있어 대량으로 생산된다.② 황산③ 질산HNO3의 화학식을 갖는 무색의 발연성 액체로, 대표적인 강산이다.녹는점 -42℃, 끓는점 83℃, 분자량 63, 밀도 1.50 g/㎤(25℃)로서 매우강한 산의 하나이며 빛을 쬐면 분해되어 물과 이산화질소, 그리고 산소를만든다. 따라서 질산은 빛이 투과되지 않는 갈색병에 넣어 햇빛이 비치지 않는 곳에 보관해야 한다. 질산은 산화력이 강해 구리나 은 등을 녹인다. 진한 질산과 진한 염산을 1:3의비율로 혼합하여 만든 용액을 왕수라고 하는데 왕수는 강력한 산화용해성을 지녀 금도녹일 수 있다.④ 염화칼슘염소(Cl)와 칼슘(Ca)이 반응하여 만들어진 이온성 화합물로 화학식은 CaCl2이다. 복염으로서타키하이드라이트 등의 광물로서 산출되며 바닷물 속에 0.15% 함유되어 있다. 무수물은조해성이 있는 사방정계의 백색 결정으로 약간 비틀어진 루틸구조를 하고 있다. 화학식량은111.0, 녹는점은 772℃, 끓는점은 , 1935℃(anhydrous), 비중은 2.15이다. 물에 대한 용해도,즉 물 100g에 최대로 녹는 염화칼슘의 g수는 74.5g(20℃)으로 상당히 높은 편이며 알코올,아세톤에도 잘 녹는다.염화칼슘은 탄산칼슘과 묽은 염산을 반응시키면 얻을 수 있으며 화학반응식은 다음과같다.CaCO3(s) + 2HCl(aq) -> CaCl2(s) + H2O(l) + CO2(g)탄산칼슘에 염산을 작용시켜 생성된 용액을 증발시키면 온도에 따라 여러 가지 수화물을얻을 수 있다.포화용액에서 -54.9~29℃에서는 CaCl2·6H2O의 육수화물이, 29~45℃에서 CaCl2·4H2O의사수화물이,45℃ 이상에서는 CaCl2·2H2O의 이수화물이 석출된다. 175℃에서는 CaCl2·H2O의일수화물, 약 300℃에서는 무수물인 CaCl2가 생긴다.이수화물 및 무수물은 조해성이 강하여 수분을 잘 흡수하므로 장마철 디니트로화합물이 생길 우려가 있으므로주의해야 한다.③ 적하를 마친 후 2시간동안 계속 교반한다. 이 때 온도는 점차로 저하된다.④ 다음에 얼음 속에 달아 넣고 때때로 유리봉으로 교반하면서 온도를 0℃로 보존한다.⑤ 방치 후 석출한 결정을 15℃에서 흡입 여과 후 냉수로 씻는다. 이와 같이 하여 거의순수한 p-chloronitrobenzene 약 80g을 얻을 수 있다.⑥ 분리한 추출물은 o 및 p chloronitrobenzene의 공융혼합물로써 이것을 분별깔때기에넣어 물층과 분리시켜 중성이 될 때까지 세척한 후 CaCl2로 건조한다.4. 실험결과* 전체반응식C6H6Cl + HNO3 -(H2SO4)→ C6H4NO2Cl + H3O+ + HSO4-- C6H4NO2Cl는 ortho 또는 para-Chloronitrobenzene* 이론값chlorobenzeneHNO3 (60%)H2SO4 (95%)분자량 / g/mol1126398투입량 / g1126860몰수 / mol11.079 * 0.6 = 0.650.612 * 0.95 = 0.581실험에서 사용된 클로로벤젠의 질량은 112g, 질산(60%)의 질량은 68g이다.이를 몰수로 환산하면클로로벤젠 112g =112g _{C _{6} H _{5} Cl} TIMES {1``mol _{C _{6} H _{5} Cl}} over {112.56g _{C _{6} H _{5} Cl}} =0.995``mol _{C _{6} H _{5} Cl} 질산(60%) 68g :68g _{HNO _{3}} TIMES {1``mol _{HNO _{3}}} over {63.01`g _{HNO _{3}}} TIMES {60} over {100} =0.65``mol _{HNO _{3}}이론적으로, 클로로벤젠과 질산은 1:1의 반응비로 반응하여 클로로니트로벤젠을 생성한다.이때 질산이 0.65 mol이 반응에 참여하므로 클로로니트로벤젠 또한 0.65 mol이 생성이 될 것이다. 즉 한계반응물은 질산이다. (반응은 100% 이루어진다고 가정한다.)클로로니+68g)} TIMES 100=44.531 ② 혼산에서 물의 양(%) ={60g TIMES 0.05+68g TIMES 0.4} over {(60g+68g)} TIMES 100=23.6 ③ 질산과 황산이 혼합되는 반응에 의해 생성된 물의 양(%) ={10.98g} over {128g} TIMES 100=8.578 위의 혼합 반응식을 보면 황산과 물의 몰 비는 1 : 1이고 황산은 0.612 mol 혼합되므로물은 0.612 mol, 즉 0.612 mol x 18 g/mol = 10.98 g 이 생성된다.D.V.S= {44.531} over {23.6+8.578} =1.3845. 고찰 및 결론이번 실험의 목적은 그대로 또는 다른 화합물의 원료로서 공업상 중요한 위치를 차지하고 있는 니트로 화합물의 반응조건을 검토해 보는 것이었다. 실험에 앞서 니트로화가 무엇인지에 대해 조사해 보았다. 니트로화는 나이트로화 반응이라고도 하며, 유기 화합물에 니트로기(-NO2)를 결합시키는 반응으로, 벤젠과 같은 방향족 화합물을 니트로화할 때에는 진한 질산과 진한 황산의 혼합액을 사용하여 반응시킨다. 지방족 탄화수소의 니트로화는 고온 기체 속에서 질산 증기에 의하여 행해진다. 니트로화는 염료 · 의약품 · 농약 · 폭약의 제조 등 공업적으로 매우 중요하다.이것은 발열반응이며 때로는 생성물이 폭발성물질이라는 것과, 니트로화제로서 질산, 발연지산, 농질산-농환산의 혼합된 산 등에 사용하는 것과, 또 부반응이 일어나기 쉽다는 것 등 위험성이 크다. 이 반응에서는 특히 온도의 제어가 중요하다.이번 니트로화 실험에서는 벤젠고리에 cl이 붙어있는 클로로벤젠의 니트로화 과정을 실험하였다. 질산와 황산의 혼산으로 인해 생긴 NO2+을 클로로벤젠과 반응시켜 알루미늄 이온을 형성하고 H+를 제거하여 실험에서 원하는 클로로나이트로벤젠을 얻는다. 이 반응에서 가장 중요한 부분은 Electrophile을 생성하는 부분이다. Electrophile을 이용한 반응들은 반응하는 과정이 다 비슷하지만 반응에 쓰이는었다.
에 스 테 르 화1. 서론에스테르화(esterification)반응의 한 예로서 미결정 구조를 갖는 유기고분자 반응에 관하여 공학적 지식을 얻기 위한 기초실험으로 섬유소의 에스테르를 취급한다.2. 실험 이론알코올은 산과 탈수제의 존재 하에서, 또는 산염화물에 의하여 에스테르화를 하며, 섬유소도에스테르화한다.섬유소 분자의 무수 glucose기 중에서 3개의 OH기가 전부 에스테르화 하는 것은 반드시 가능한 것이 아니고 2개나 1개로 끝나는 경우도 있다. 반응되는 섬유소의 현미경적 또는 초 현미경적 미세구조에 의하여 반응은 영항을 받는다.섬유소 분자의 구조식은 아래와 같다.일반적으로 비결정 영역과 같은 미셀 표면은 반응하기 쉬운 상태에 있으므로 우선 이 부분에 반응하고 결정영역에 있어서의 미셀 반응을 충분히 일으키기 위해서는 적당한 조건이 필요하다.이 목적을 위하여서는 보통 팽윤이 효과 있는 수득 중의 하나이다. 섬유소의 에스테르화 반응 중 섬유소의 팽윤도는 팽윤제 및 이것과 같이 에스테르화제가 미셀 내의 수산기까지 도달하는 확산 속도에 지배된다.그리고 이들 물질의 성질, 농도 혹은 온도 등에 의하여 반응은 topochemical(즉 미셀 표면으로부터 점차로 서서히 반응하는)하게 진행하거나 또는 permutoidal(시약이 미셀 내에 임의로 침투할 수 있어서 미셀의 공격을 유지한 채로 내부까지 동시에 반응한다.)하게 진행한다.일반적으로 아세틸화는 전자 반응형의 대표적인 것이고 니트로화는 후자 반응형의 대표적인 것이나 permutoidal 한 반응이 topochemical 한 반응으로 변형하기도 하고 이와 반대로 topochemical 한 반응이 permutoidal 한 반응으로 변형되기도 한다. 모든 경우 정도 차는 있지만 불균일 반응으로 볼 수 있다.에스테르화를 받을 수산기도 여러 가지 인자에 의하여 동일한 반응성을 가지지 않으므로 용액 중 균일반응을 하는 경우를 제외하고는 반응생성물들은 대개 불균일하다.따라서 고체 섬유소를 반응시켜서 균일한 mono-나 di-산소원자나 질소원자와 결합해 있는 수소는 아세틸화가 잘 되며, 이들을 구별하기 위해o-아세틸화, n-아세틸화라고 할 때도 있다. 아미노기의 아세틸화는 아세트산무수물을 반응시키면쉽게 진행된다. 알코올이나 페놀의 아세틸화는 염화아세틸 또는 아세트산무수물 등의 아세틸화제를사용할 수 있다. 방향족화합물의 탄소원자에 결합해 있는 수소를 아세틸기로 바꾸어 메틸케톤류를얻는 아세틸화는 프리델-크래프츠반응으로서 알려져 있다. 여기에는 염화아세틸 또는 아세트산무수물 등의 아세틸화제를 사용하며 이 밖에 아세트산·케텐·브로민화아세틸을 사용하기도 한다.이 때, 무수초산의 염은 어느 정도 과잉으로 사용한다. 아세틸화 반응은 상당량의 발열을동반하는 반응이므로 에스테르화용의 무수초산은 비교적 저온에서 가하고 반응을 충분히 완만하게 행하고 반응온도를 잘 조절할 수 있도록 해야 한다.반응온도는 섬유소의 점도에 영향을 준다. 반응의 최고온도는 제품의 점도를 확보하기 위하여잘 조절하는 것이 중요하다.반응초속도, 최대온도, 에스테르화 반응시간의 관계는 적당히 조절되어야 한다.반응이 완결되면 섬유소는 완전히 용해되지만 온도를 항온으로 유지하여 점도가 희망하는상태로 될 때까지 조작을 계속한다. 촉매가 소량일 경우에는 겔화가 일어날 수도 있다.③ 가수분해자연계의 화학반응 중에 물 분자가 작용하여 일어나는 분해반응이다. 금속염이 물과 반응하여산성 또는 알칼리성 물질이 되는 반응이나 사람의 소화기 내에서 음식이 소화되는 과정 등이대표적인 가수분해이다.금속염은 대부분 수용액 내에서 물과 반응하여 이온성분이 다른 이온 또는 분자로 변한다.그 결과 대개의 경우 수소이온 또는 수산이온이 생겨 산성 또는 알칼리성이 되는데, 그 세기는성분x되는 또는 염기의 세기와 관계가 있다. 예를 들면, 성분x또는 성분x염기로 이루어지는염(염화나트륨·질산칼륨 등)은 거의 가수분해를 일으키지 않지만, 약분x또는 성분x염기로 이루어지는 염(탄산나트륨·사이안화칼륨 등)이나 강한 산과 약한 염기로 이루어지는 염(황산나트륨·황산알루미늄 등만드는 것이필요하다. 그러므로 다량으로 취급할 경우에는 묽은 초산용액에 주입한다. 그리고 물로 완전히씻은 후 건조한다.※ 비누화에스테르화의 역반응으로 에스테르가 가수분해를 일으켜 카르복실산과 알코올을 생성하는 반응이다. 촉진제로 산 또는 알칼리를 첨가하며 알칼리를 첨가하는 편이 효과가 크다.예전에는 유지나 밀랍으로부터 비누를 만들어 내는 반응을 비누화 반응이라고 하였으나, 현재는 에스테르가 가수분해를 일으켜 카르복실산과 알코올을 생성하는 반응, 즉 에스테르화의 역반응을 말한다.RCOOR' + H2O → RCOOH + R'OH(R, R'는 알킬기)비누화를 촉진시키기 위해서는 산 또는 알칼리를 첨가하는데, 산보다도 알칼리를 첨가하는편이 효과가 더 크다.이때 생성물인 카르복실산은 알칼리염으로 얻게 되며, 수산화나트륨 또는 수산화칼륨을 사용한다. 한편, 산을 첨가하는 예로 유지로부터 글리세롤을 얻을 때 묽은 황산을 쓰는 경우가있으나, 유지와 산이 잘 혼합되지 않으므로 이때는 적당한 에멀션화제를 첨가한다.※ 에스테르화 (섬유소의 아세틸화)- 산과 알코올이 반응하여 에스테르를 생성하는 반응- 산 촉매에 의한 에스테르화 반응3. 실험A. 실험장치A : 3구 플라스크B : 분액깔때기C : 교반기D : 물중탕 또는 모래중탕E : 온도계F : 냉각기B. 시약 및 시료① 수산화나트륨 (sodium hydroxide)화학식은 NaOH, 분자량은 40 g/mol, 대표적인 강염기로 공기 중에서 수증기를 흡수해스스로 녹는 조해성이 있으므로 공기와의 접촉을 차단하여 보관해야 한다.수산화나트륨은 강염기의 대표적인 물질로 다른 물질을 잘 부식시키는 위험한 물질이다.단백질도 가수분해하기 때문에 손으로 직접 만지는 것은 좋지 않다. 수산화나트륨은 고체결정 상태이기 때문에 화학 반응 시에는 주로 물에 녹여 수용액을 만들어 사용하는데, 이때많은 열을 발생시키므로 주의해야 한다. 만들어진 수용액을 산성용액과 반응시킬 때에도많은 열을 발생하므로 묽게 하여 사용해야 한다.전이온도 299.6℃이고 순수한다. 물과 반응해서 빙초산이 된다. 공업적으로매우 중요하며, 아세틸셀룰로즈의 제조나 아세틸화제로서 이용된다.C. 실험방법① 전처리전처리액으로서는 빙초산 35 g에 conc H2SO4 0.02 g을 첨가한 것에, 상기한 섬유원료 3 g을 가하고, 상온에서 3시간 동안 침지한다.② 반 응전처리한 시료를 교반기를 장치한 200㎖ 3구 플라스크에 넣고 무수초산 30 g을 넣은 후5℃로 냉각한다.온도가 5℃ 이하로 되면 교반하면서 촉매(H2SO4)를 소량씩 가한다. 최초의 발열반응으로안하여 온도가 오르지 않도록 용기 외부에서 얼음물로 잘 냉각하고 될 수 있으면 10℃를유지한다.첨가 후 서서히 온도를 상승시켜 20～25℃에서 반응을 계속시키고 약 1시간 30분정도에서반응 용액이 투명 한 단일용액으로 된다.아세틸화가 완료되면 1/3을 취하여 얼음으로 냉각시킨 물중에 잘 교반하면서 주입한다.이 때, 초산섬유소의 침전이 세척하기에 용이한 수립자가 되도록 주의해야 한다.그리고 나서 이 침전을 초산과 황산이 없어지도록 충분한 물로 세척하고 흡입여과를 시키고건조시켜 일급 초산섬유소의 아세틸화도 측정용 시료로 한다.아세틸화도 측정용 시료의 반응액을 취하고 남은 용액은 더욱 반응을 계속하여 희망하는점도의 균일용액이 될 때에 반응을 정지한다. 30분~1시간 정도로 하면 된다. 이 사이에 점도의시간적 변화를 점도계로 측정한다.③ 가수분해와 정제이렇게 얻은 완전 아세틸화물의 균일 용액에 50% 초산 20 g을 가하고 반응용액의 온도를40℃ 정도로 한다. 이때 발열로 인하여 온도가 급히 상승하므로 외부로부터 냉각하면서 서서히가한다. 이렇게 하여 초산섬유소를 적당하게 가수분해하여 아세톤 동용성의 소위 제 2차 초산섬유소를얻는다. 이 과정 중 결합 황산도 상당히 제거되고 무수초산도 분해한다.가수분해가 적당히 진행되었을 때에 반응액을 전기한 바와 같이 잘 교반하면서 물 중에 주입하여초산섬유소를 침전시키고 황산, 초산의 흔적이 없을 때 까지 잘 세척하고 건조하여 2급 초산섬유소를얻는다.④ 점도 측정H측정량(ml)5033.533.516.5■ 이론적 1급 초산섬유소의 아세틸량- 1급 초산섬유소 0.5g 에 포함된 3개의 아세틸기 무게 = 0.224g- 아세틸기 1개의 분자량 = 43 g/g mol- 1급 초산섬유소 0.5g에 포함된 아세틸기의 몰 수= 0.00521 mol■ 실험적 1급 초산섬유소의 아세틸량- 비누화 반응에 사용된 NaOH 양 = 16.5 mlNaOH는 1당량이므로 0.5N = 0.5M비누화 반응에 사용된 NaOH의 mol 수 = 16.5`ml` TIMES {0.5`mol} over {1000ml} (0.5N)`=`0.00825`molNaOH와 아세틸기가 1:1 로 비누화 반응을 하므로 1급 초산 섬유소 0.5g에 포함된 아세틸기의 몰 수 = 0.00825 mol■ 아세틸화도{실험적``아세틸화의`mol수} over {이론적`아세틸화의`mol수} `=` {0.00825``mol} over {0.00521`mol} TIMES 100``=158%`■ 실험 오차율{LEFT | 0.00521``-0.00825` RIGHT |} over {0.00521} `` TIMES `100(%) = 58.34%5. 고찰 및 결론이번 실험은 에스테르화로 실험 목적은 에스테르화의 한 종류인 미결정 구조를 갖는 유기고분자 반응에 관하여 공학적 지식을 얻기 위한 기초실험으로 섬유소의 에스테르화를 수행하고 점도에 따른 아세틸화도의 변화를 알아보는 것이었다.실험에 앞서서 에스테르화와 아세틸화의 개념에 대해 조사해 보았다. 유기산을 산 촉매 하에서 alcohol과 반응시키면 물과 R-COOR'와 같은 화합물을 생성하게 되는데 이 반응을 에스테르화 반응이라고 한다.ester를 합성하는 방법에는 여러 가지가 있으나 유기산과 알코올을 직접 반응시키는 ester화 반응은 가장 기본적인 반응으로 그의 반응식은 다음과 같다. O O ∬ ∬R - C - OH + HOR R - C - OR + H - OH이 때 평형정수는 반응성분의 여건에 따라 다르다.이와 같은 반응을 실시함에 있어서 한다.
산 화 반 응1. 서론① 유기물의 산화기구를 관찰한다.② 나프탈렌으로부터 프탈산을 합성하고 수율을 구한다.2. 실험 이론유기화합물의 산화로는 다음의 두 가지 종류에 의하여 이루어진다.① 산소의 부가반응② 탈수소 반응위의 두 반응이 동시에 일어나거나 두 분자 축합반응을 수반한 탈수소반응 및 산소부가, 탄소연쇄의 절단을 수반하는 반응들도 중요한 산화반응이다.CH4 + O2 → CH2O + H2O무수프탈산보통 유기화합물을 산화시키는 산화제에는 각종이 있으며, 유기물의 구조, 촉매, 반응조건에 영향을 받아 생성물에 차이가 있으며 반응액의 액성과 산화제의 종류에 따라 산화상태가 다르다.일반적으로 널리 사용되는 산화제로는 KMnO4, K2Cr2O7, CrO3, HNO3, MnO2, Cl2, H2O2, NaClO 및 oleum 등이 있다.일반적으로 크롬산의 작용으로 수산기를 카르보닐기로 산화시키고, 과망간산염은 이중결합화합물을 예민하게 산화시키며 알데히드를 카르복실산으로 산화시킨다.※ 산화예전에는 산소와 다른 물질이 화합하는 현상을 산화, 그것과 역으로 산화화합물로부터 산소원자를 빼앗는 화학변화를 환원이라고 하였으나, 그 후 많은 현상의 발견, 개념의 변천·확장 등에 의하여 다음과 같은 현상을 말하게 되었다. 좁은 뜻에서는 어떤 물질과 산소가 화합하는 것, 즉 산소수가 증가하는 것, 또는 그 물질에서 수소를 떼어내는 것을 산화라고 한다. 산화는 아래와 같이 4가지의 현상으로 설명할 수 있다.· 물질이 산소와 결합하는 현상 : 2Cu + O2 → 2CuO· 산화수가 증가하는 반응 : Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu· 전자를 잃는 현상 : Cu - 2e- → Cu2+· 수소를 잃는 반응산화에서의 산화수의 변화는 이온인 경우는 양전하의 증가, 음전하의 감소로 나타나는데 어느 경우이든 그것은 전자를 방출하는 반응이 산화가 된다. 예를 들면,C + O2 → CO2에서는 C의 산화수 0 및 O의 산화수 0인데, CO2의 C에서는 ＋4, O의 산화수 －2인 사실에서 C는 산화되화와 환원은 언제나 동시에 일어난다. 이렇게 산화 환원 반응이 일어날 때 상대 물질을 산화시키고 자신은 환원되는 물질을 산화제라고 한다. 이러한 산화 환원 반응에서 산화제란 자신은 환원되면서 남을 산화시키는 물질을 말한다. 보통 유기화합물을 산화시키는 산화제에는 각종이 있으며, 유기물의 구조, 촉매, 반응조건에 영향을 받아 생성물에 차이가 있으며 반응액의 액성과 산화제의 종류에 따라 산화상태가 다르다. 일반적으로 널리 사용되는 산화제로는 KMnO4, K2Cr2O7, CrO3, HNO3, MnO2, Cl2, H2O2, NaClO 및 oleum 등이 있다. 일반적으로 크롬산의 작용으로 수산기를 카르보닐기로 산화시키고, 과망간산염은 이중결합화합물을 예민하게 산화시키며 알데히드를 카르복실산으로 산화시킨다.흔히 사용되는 산화제에는 다음과 같은 것들이 있다.※ 프탈산무수물(C8H4O3)무수프탈산이라고도 한다. 특이한 냄새가 나는 무색의 침상결정으로 분자량 148.12, 녹는점 131 ℃, 끓는점 285 ℃이다. 승화성이 있다. 프탈산의 분자 속에 들어 있는 2개의 카르복시기 －COOH에서 한 분자의 물이 빠져나간 구조를 가지고 있다. 물에는 약간 녹으며, 천천히 가수분해되어 프탈산으로 된다. 에테르에도 약간 녹는다. 프탈산을 가열하여 탈수시키면 프탈산무수물을 얻을 수 있으나, 공업적으로는 오산화바나듐 V2O5을 촉매로 써서 나프탈렌 또는 오르토크실렌을 기체상에서 산화시켜 제조한다.3. 실험A. 실험장치① Retort물질을 증류 또는 건류하기 위하여 사용되는 유리또는 금속제 기구이다. 주로 실험실에서 사용되며,구상부와 이에 직결된 긴 측관으로 되어 있는데,단순한 액체 증류뿐만 아니라 불균일한 반응을 일으키면서 증류할 때 쓰이는 경우가 많다. 물질을 구상부에넣고 가열하여 생성물은 출구에서 받는다. 측관의출구는 경우에 따라 어댑터(adapter)나 냉각기에 접속된다.② 수증기증류장치 ③ 응축기 ④ 냉각기 ⑤ 가열기구B. 시약 및 시료① 나프탈렌고체에서 액체를 거치지 않고 바로씩 줄어들고 있는 나프탈렌을 본 적이 있을 것이다. 그 이유는 대부분의 물질이열을 얻어 온도가 올라가면 고체, 액체, 기체로의 순차적인 상태변화가 일어나는 것에 반해나프탈렌은 결합력이 무척 약한 분자결정을 이루고 있어 상온(보통의 온도: 25℃)의 조건에서바로 기체로 변화하기 때문이다. 나프탈렌은 고체에서 기체로 또는 기체에서 고체로 변하는대표적인 승화성 물질이다.탄소와 수소를 포함하는 화합물 중에서 단일결합으로 이루어진 화합물을 포화탄화수소라하고 그 결합 내에 이중결합이나 삼중결합을 가지고 있으면 불포화탄화수소라 한다. 특히육각형 고리 안에 불포화탄화수소 구조를 가지는 화합물이 있는데 이를 우리는 방향족탄화수소라 하며 이름에서도 알 수 있듯이 특유의 향이 나는 화합물이 대부분이다. 육각형고리 하나로 이루어진 불포화탄화수소 화합물이 바로 벤젠이며 세탁소에서 드라이클리닝용제로 쓰이는 물질이다. 육각형 고리 두 개가 이어져 있는 형태의 물질이 나프탈렌으로,좀이나 해충으로부터 옷이나 물건 등을 보호하는 방충제로 쓰인다. 나프탈렌은 물과 같은무기용매에는 녹지 않으며 알코올(메탄올, 에탄올), 벤젠, 에테르와 같은 유기용매에는 잘녹는다.② 황산수은분자식 HgSO4. 분자량 296.67. 백색의 입자모양 또는 결정상 분말, 희박산에 녹으며 물을첨가하면 분해된다. 빛을 차단하여 저장해야한다. 포도주 착색시험 등에 사용된다.구 분비중녹는점끓는점특 징나프탈렌(C10H8)1.1480.287217.96백색결정, 휘발성, 상온에서 승화, 벤젠알코올에테르에 녹고 물에는 녹지 않음황산수은(HgSO4)백색의 입자모양 또는 결정상 분말, 물을 첨가하면 분해됨황산(H2SO4)1.8410.46210~338끈기가 있는 무색의 기름모양 액체, 가열시 290섭씨온도에서 삼산화황을 발생하고 분해하기 시작해서 317도에서 끓음.수산화나트륨(NaOH)2.1332381388무색인 무른 고체, 흡습용해성, 물에 녹으면 열발생, 수용액은 강한 알칼리C. 실험방법나프탈렌으로부터 황산과 HgSO4에 의한 산화에.③ 반응 도중 retort의 유리관 벽에서 증류되어 나오는 프탈산이 냉각 응고되어 관이 막히는일이 있는데 이때 가열을 계속하면 발생되는 SO2, CO2가스 때문에 폭발할 염려가 있으니주의해야 한다.④ Retort로부터 나오는 유출물은 냉수가 들어있는 용기에 부산물로 나오는 sulfphthalicacid 및 CO2, SO2 가스 등과 함께 받아서 여과하여 굳어진 프탈산을 찬물로 세척한다.⑤ 묽은 NaOH 용액에 용해하여 불용인 미반응 나프탈렌을 여과하여 제거하고 여액을 HCl(1:1)로 산성화 시켜 결정이 석출되면 뜨거운 물 또는 알코올에 재결정하여 백색결정인프탈산을 얻는다.⑥ 녹는점부근(184~213℃)으로 가열하면 탈수되어 무수프탈산이 된다.4. 실험결과투입물질 (Input)투입량 (g)분자량 (g/gmol)몰수 (gmol)나프탈렌(C10H8)101280.0781- 나프탈렌(C10H8)의 몰수 : {10.0`g} over {128`g/gmol} =0.0781`gmol배출물질 (Output)분자량 (g/gmol)이론값실험값몰수(gmol)배출량(g)몰수(gmol)배출량(g)무수프탈산(C8H4O3)148.210.078111.580.00240.35이론값반응식COOHCOOH+ 9SO2 + 2CO2 + 11H2OH2SO4HgSO4반응비1 : 1 : 9 : 2 : 11위의 반응식에서 나프탈렌(C10H8)과 프탈산(C8H6O4)의 반응 몰 비는 = 1 : 1이다. 즉,나프탈렌(C10H8)과 무수프탈산(C8H4O3)의 반응 몰 비도 1 : 1이다. 따라서 나프탈렌(C10H8)을0.0781gmol을 투입하였으므로 이론적으로 무수프탈산(C8H4O3)도 0.0781gmol이 생성될것이다.따라서, 무수프탈산(C8H4O3)의 이론적 수득량 : 0.078gmol TIMES 148.21g/gmol=11.58g수율 및 오차율- 수율(%)``=` {실제`수득량} over {이론적`수득량} TIMES 100`=` {0.35g} over {11.58`g} TIMES 100`= 3.02%- 오의 일종으로 무수프탈산이라고도 한다. 분자식 화학식 C8H6O4. 처음에는 나프탈렌의 유도체라고 생각되어 나프탈렌산이라 부른 때도 있다. 무색의 결정으로, 분자량 166.14, 비중 1.59이다. 녹는점 가까이 가열하면 분해하여 프탈산무수물이 되므로 가열속도에 따라 녹는점이 다르다. 봉관속의 녹는점은 198℃이다. 또한 승화성이 있다. 물에는 약간 녹으며, 천천히 가수분해 되어 프탈산으로 된다. 에테르에도 약간 녹지만, 알코올에는 잘 녹는다. 프탈산은 나프탈렌을 질산 또는 과망가니즈산염에 의해 산화시키면 얻는데, 공업적으로는 오산화바나듐을 촉매로 하여 나프탈렌을 460∼480℃에서 공기 산화시켜 무수물로 얻고 있다. 프탈산 자체의 용도는 적지만, 유도체인 프탈산무수물은 합성수지의 원료, 프탈산다이옥틸·프탈산다이아이소옥틸 등은 합성수지의 가소제, 프탈산다이에틸은 향료의 용제로 사용되며, 프탈산에스터도 가소제·향료·방충제 등에 사용된다.제일 먼저 나프탈렌 10g과 황산수은 5g과 황산 150g을 비커에 취한 후 나프탈렌 입자가 용해 될 때 까지 교반시키면서 가열 해 주었다. 이때 일어나는 반응은 아래의 구조와 같다.COOHCOOH+ 9SO2 + 2CO2 + 11H2OH2SO4HgSO4산화 환원 반응에서는 산화만 따로 일어날 수 없고 또 환원만 따로 일어날 수 없다. 즉 산화가 일어나기 위해서는 반드시 환원되는 물질이 있어야 하고, 그 역도 성립한다. 다시 말하면 산화와 환원은 언제나 동시에 일어나며, 이때 상대 물질을 산화시키고 자신은 환원되는 물질을 산화제라고 하는데 위 반응에서는 황산이 산화제로서 작용을 하였다. 실험과정에서 황산수은의 역할은 촉매이며 실험 반응을 더욱 빠르게 해주어 나프탈렌이 용해되는 시간을 단축시켜준다. 가열한 후 냉각기를 retort에 연결하고 온도를 300℃가 되도록 가열하면 약 280℃부터 기체가 발생한다. 위의 반응식에서 보는바와 같이 프탈산이 생성됨과 동시에 황산과 이산화탄소 기체가 발생한다. 황산 가스는 인체에 해롭고 또 위험하기
화공기초실험 니트로화
