증류에 관한 전반적인 정리

소개글

증류에 관한 전반적인 정리에 대한 보고서 자료입니다.

목차

제 2 장 증 류

2-1. Raoult의 법칙과 단 공정의 원리

2-2. 기체-액체의 평형

2-3. 증류조작 방법

2-4. 정류탑의 설계(design of column)

2-5. 증류의 응용

본문내용

의 조작선과 평형선 사이의 계단(stepping-off stage)에서 회수부의 조작선과 평형선 사이의 계단으로 변화하는 점에서 공급단이 위치하게 된다. 이때 정해지는 공급단의 위치는 최적 공급단(optimum feed-stage)이 된다.
그림 2-20의 (a),(b),(c)에서 보듯이 공급단이 최적 공급단 보다 위나 아래에 위치하게 되면 최적 공급단의 경우보다 더 많은 평형 접촉(equilibrium contact)을 가져야만 효과적인 분리가 일어나게 되는 경우가 발생하게 된다. 따라서 최적 공급단의 결정은 중요한 문제이다. 그림 2-21은 최적 공급단의 위치 변화에 따른 이론단수의 변화를 나타내었다.
그림 2-21. 최적 공급단의 위치 변화에 따른 이론단수의 변화
(7) 환류비(reflux ratio)
환류란 탑상제품(overhead product)의 순도를 높이기 위해서 이루어지는 증류조작의 일부분이다. 이것은 단순히 탑상의 증기를 응축해서 액체의 일부를 탑 상부로 되돌려 보내서 얻을 수 있다. 그러나 이 과정에서 이용되는 환류나 탑상제품은 재비기에서 만들어진 증기에 의해서 만들어진다. 이 때 재비기에 사용되는 에너지의 비용은 증류에 의한 분리의 총비용 중 상당한 부분을 차지하게 된다. 따라서 경제적인 가격에서 좋은 품질의 제품을 얻기위해 환류비를 적절히 조절하는 과정은 매우 중요하게 된다.
농축부에서의 환류비는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
(2-59)
이 때 환류비를 변화시킴에 따라 단수가 달라지게 된다. 식 (2-46)에서 농축부의 조작선 기울기는 로 나타내었다. 이것을 정리하면 다음과 같음을 알 수 있다.
(2-60)
그림 2-22. 최소환류비
식 (2-60)에서 보듯이 농축부의 조작선의 기울기는 RD가 증가함에 따라 계속 증가한다. RD가 무한대가 될 때는 L=V가 되며 그 때 기울기는 1이 된다. 이렇게 되면 조작선은 x-y도표의 대각선(x=y)과 일치하게 되며 이 때 최소단수를 가지게 된다. 이와 반대로 환류비가 감소하게 되면 그에 따라 단수가 점점 증가하게 된다. 그리고 최소환류비에서는 단수가 무한대가 된다. 이러한 내용을 좀 더 이해하기 쉽게 도식적으로 나타낸 것이 그림 2-22이다.
그림 2-22에서 보면 일반적인 증류 조작선은 선 AC와 CB로 나타내어진다. 여기서 조작선을 움직여서 최소 환류비를 구할 수 있다. 환류가 감소함에 따라 농축부의 조작선의 기울기가 감소 하고 조작선은 원료선을 따라 평형선에 가까이 접근하게 된다. 이 때 x-y도표상에 단수를 그리는 면적이 줄어들면서 삼각형으로 나타나는 단수가 점점 증가함을 알 수 있다. 계속 환류비가 감소하여 농축부의 조작선이 평형곡선과 만나게 되어 선 AD와 DB가 되면 이 때 필요한 단수는 무한대가 될 것이다. 이 때의 환류비가 위에서 설명한 최소 환류비이다. 이와 반대로 환류비가 점점 증가하게 되면 농축부에서의 조작선의 기울기는 중가할 것이고 그에 따라 단수를 그리는 면적이 증가할 것이다. 따라서 단수는 점점 감소하게 된다. 전환류에서는 기울기가 1이 되어서 선 AFB와 만나게 된다. 이때는 필요한 단수가 최소가 될 것이다. 그러나 무조건 환류비를 증가시킴으로 해서 최소 단수를 얻고, 고순도의 좋온 제품을 얻을 수는 없다. 그 이유는 앞에서도 설명했듯이 환류와 탑상제품을 구성하는 증기를 만들기 위한 재비기의 에너지 비용이 증류에 의한 분리의 총비용중 상당부분을 차지하기 때문이다.
(8) 단효율(stage efficiency)
앞에서 살펴본 바에 의하면 탑의 이론단수는 각 단을 이상단으로 보고 구한 값이다. 그러나 실제의 공정에서 항상 열역학적 평형이 이루어지는 것은 아니다. 따라서 평형일때와 다른 조성의 변화를 가져올 것이다. 이러한 실제 공정을 고려하여 다음과 같이 탑 전체의 단효율을 나타 낸다.
(2-61)
위의 식 (2-61)은 사용하기에는 간단한 식이다. 그러나 어떤 한 단의 효율이 다른 단에서의 물리적 성질의 변화(조성이나 온도의 변화에 의한 계의 변화)의 영향에 의해 변한다는 점을 고려하지 않았다. 따라서 각각의 성분에 대한 각 단에서의 작용을 고려한 Murphree 단효율 (plate efficiency)을 주로 사용하며 다음과 같이 나타낸다.
(2-62)
그림 2-23. Murphree 단효율(plate efficiency)
그림 2-23에서 점선으로된 곡선은 실제 공정에서의 평형곡선이 된다. 따라서 삼각형 abe는 실제 공정에서의 단을 표시하고 삼각형 acd는 이상단을 나타낸다. 이상단에서는 선분 ac로 표시된 yn-1에서부터 까지 증기상의 농축과정이 있다. 반면 실제의 공정에서는 선분 ab로 표시된 yn-1에서부터 yn까지 증기상이 농축된다. 위의 식 (2-62)에 의하면 ab/ac가 Murphree 단효율(plate efficiency)이 된다.
2-5. 증류의 응용
생물 화학공정에서 생산되는 대부분의 bioproduct는 열에 매우 민감하다. 따라서 비등점을 이용하는 증류에 의한 bioproduct의 분리는 많은 문제점을 안고 있다. 생성물이 열에 안정하고 물과 비등점의 차이가 많이 있는 경우, 즉 에탄올 분리 같은 경우 증류를 이용하여 농축한다. 즉 묽은 알코올 용액에서 알코올을 농축시키는 가장 전통적인 방법이다. 알코올의 비등점은 78.15 ℃이며, 공비 혼합물(azeotropic mixture)인 경우 95.57 % 까지 농축이 가능하다. 알코올 발효 용액에는 여러 가지 알코올이 같이 포함되어 있으며 주정용 알코올에서는 이들이 제거되어야 한다. 여기서 에탄올에 대한 증류회수에 대해 간단히 소개하고자 한다.
에탄올은 물과 95.7 wt%(89 mol%)에서 공비혼합물을 이룬다. 증류회수는 다음의 두 단계로 진행된다. 첫째로 전통적인 3단 증류공정을 통해 고농도의 알코올이 생산된다. 무수 알코올(자동차연료용으로 사용) 생산을 위해서는 이 이성분계 용액을 벤젠과 섞어 공비 혼합물 상태를 파괴하며, 다시 증류를 통해 100%의 에탄올로 회수한다(그림2-24). 에너지 회수비용은 에탄올의 최종용도에 따라 달라진다.
그림 2-24. 공비 증류에 의한 순수 에탄올

키워드

Raoult의 법칙,   Henry의 법칙과 비휘발도,   물질수지식,   엔탈피(Enthalpy)수지식,   정류,   McCabe-Thiele 방법,   환류비(reflux ratio),   단효율(stage efficiency