단증류1.이론단증류란? 일정량의 혼합물을 증류기에 넣고, 열을 가해 비등시켜 발생하는 증기를 응축기로 냉각시켜 유출액을 얻는 증류방법을 단증류(simple distillation), 또는 미분증류(differential distillation)라 한다.이 때 혼합물 중의 휘발성 물질이 증발함에 따라 증류기에 남아 있는 용액의 양과 조성은 계속 변화하는데 이론적으로는 이들 관계를 다음과 같이 구할 수 있다.단증류를 시작한 후의 어떤 순간에 증류기 내의 액량을 W[kg-mol], 저비점 성분의 몰분율을 x라 하면 증류기 내에는 (W)(x)의 저비점 성분이 있게 된다. 이 때 액과 평형상태에 있는 증기 중의 저비점 성분의 물분율을 y라고 하자. dW 만큼 증류되었다고 하면 유출액 중의 저비점 성분의 양은 (y)(dW)이며, 증류기 내에 남은 액량은 (W - dW) [kg-mol]이며, 이것의 몰분율은 (x - dx)가 되므로 증류기 내에 남은 저비점 성분의 양은 (W - dW) (x - dx) [kg-mol]이된다. 따라서 총괄 물질수지식은 식 (1)과 같다.(W) (x) = (y)(dW) + (W - dW) (x - dx) (1)식 (1)에서 2차 미분항을 무시하고 정리하면 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.(2)최초의 증발기내 액량 W1으로부터 단증류 후의 증발기내 액량 W2, 이에 따른 액의 조성변화 x1으로부터 x2까지 적분하면 식 (3)과 같다(3)식 (3)을 Rayleigh 식이라 한다.여기서 원료에 대한 유출액량의 비를 유출률 β라 하면 식 (4)와 같이 정의된다.(4)따라서, 식 (3)을 식 (5)와 같이 나타낼 수 있다.(5)여기서, y는 플라스크 내에서 증기가 조금도 분축을 일키지 않는다고 생각하면 x와 평행한 증기조성에 있으므로 우변의 적분항은 x-y곡선이 알려져 있으면 도식적분에 의해서 다음과 같이 계산된다.먼저 2성분계의 평형곡선을 그리고 이것으로 x와 1/(y - x)의 관계를 그린다. 그 다음 1/(y - x) 곡선과 x 축과의 사이의 면적을 구해 x에 대응하는의 값을 구한다.그림 도 식 적 분그림의 계산 결과(메탄올?물계)그림 1 에 나타낸 빗금친 부분의 면적 S는 식 (6)에서 얻어진다.(2)여기에서 x대의 선도를 그리고, 이들의 모양은 그림 2 에 표시하였다.식 (3) 및 (6)에 의해 W1, x1, x2가 구해지면 식 (7)에서 W2가 구해진다.In W2 = In W1 - I1 + I2 (7)또 W1, x2, W2가 구해지면 식 (8)에서 I2가 구해진다.I2 = - In (W1/W2) + I1 (8)여기서, I2를 구해 x대 I곡선에 의해 x2가 결정된다.다음에 유출량을 D[kg], 유출액의 평균조성을 xDav[wt%]라 하면 물질수지식은식 (9)와 같이 된다.W1 - W2 = D (9)W1x1 -W2x2 = DxDav (10)식 (10)에서 평균조성은 (11)식과 같이 된다.xDav =(W1x1 - W2x2) / (W1 - W2) (11)그리고 Raoult's law가 성립하는 2성분계, 즉 식 (12)가 성립하는 계라면식 (12)를 식 (5)에 대입하여 적분하면 식 (13)과 같이 된다.(12)(13)비휘발도(α)와 유출률과의 관계는 식 (14)와 같이 나타낼 수 있다.(14)x-y곡선을 알면 식 (5), (13)에서 β, x1, x2의 관계를 구할 수 있고, 역으로 β, x1, x2의 관계가 실측되면 식 (14)에 의해 임의의 x에 대해서는 α를 구할 수 있다.2.실험장치 및 실험방법-실험장치실험장치의 개략도는 그림 3 과 같다.그림 단증류 실험 장치-실험방법① 단증류 실험장치를 조립하고 메탄올 수용액을 투입한다.② 냉각기에 냉각수를 흐르게 한다.③ 알콜램프로 가열을 시작한다.④ 온도가 일정수준으로 올라가면 응축액이 나오는걸 수집한다.⑤ 원액의 절반 정도가 증발되어 응축액으로 나왔을 때 가열을 중지한다.⑥ 응축액 샘플을 가지고 굴절률을 측정한다.3.실험결과굴절률 값의 % 농도 (Standord Et-OH)농도굴절률농도굴절률50%1.362580%1.367860%1.364290%1.368470%1.3666100%1.3689위에 나온 굴절률 값의 농도표를 보고 해당 농도와 굴절률을 구한다.* 최종 결과 측정치굴절률 1.3672 농도 75%4.토의 및 고찰-토의:증기의 누출이 없도록 실험장치 각 이음새 부분을 잘 밀봉하여야 한다고 결 론 짓고 세밀히 밀봉하였다.
