[결과보고서]기액상평형(Binary Vapor-Liquid Equilibrium)

소개글

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목차

1. 서 론

2. 이론적 배경
2. 1 상평형
2. 1. 1 상률(Gibbs Phase Rule)
2. 1. 2 등온 상태에서의 기액 상평형
2. 2 Gas Chromatography
2. 2. 1 정의
2. 2. 2 Carrier gas
2. 2. 3 Sample introduction
2. 2. 4 Column
2. 2. 5 Detectors
2. 2. 6 Calibration

3. 실험방법
3. 1 상평형
3. 2 Gas Chromatography

4. 결과
4.1. Gas Chromatography
4.2. Temperature
4.3. Calibration
4.4. 데이터 분석

5. 결론

Nomenclatures

References

본문내용

을 알고 있는 샘플과 구하고자 하는 초기 조성(liquid 상태에서 0.4 : 0.6)인 샘플을 준비하였고, 4개의 샘플은 calibration 그래프를 그리기엔 적은 수의 샘플이지만 이를 보완하기 위해 샘플의 각 ethanol 조성을 0.2, 0.4, 0.6, 0.8. 이렇게 간격을 0.2로 일정하게 하였다.
Fig 4.3을 보면 UNIQUAC, COSMOtherm 결과가 표시되어 있다. 여기에 우리가 실험한 데이터를 초록색 점으로 표시했다. UNIQUAC과 COSMOtherm을 간략히 설명하면 UNIQUAC은 activity coefficient model, (감마)와 화합물의 몰분율 xi와의 관계를 나타내는 것이다. activity coefficient는 vapour-liquid, liquid-liquid, solid-liquid의 평형상태를 예상하는데 사용된다. COSMOtherm은 quantum chemistry를 기반으로 화합물의 열역학적 수치의 정량적인 계산을 위한 프로그램이다. COSMOTherm과 UNIQUAC에서는 수소결합과 같은 특수한 분자간 결합력을 표시해 주지 못한다. 따라서 그 값이 실제 값과 차이가 나게 된다. Ethanol과 Acetone의 구조에 따른 분자간 힘의 크기를 약하게 계산한 것이라 생각하며, 특히 그래프에서 Ethanol의 mole fraction이 0이나 1일 때보다 그 중간의 부분에서 차이가 더욱 심하게 난다. 이는 시료가 서로 비슷한 양만큼 섞여 있을수록 실제 분자간 힘과 이론상의 분자간의 힘이 차이가 많이 나는 것을 뜻하며, Ethanol과 Acetone이 비슷한 mole fraction으로 섞여 있으면 simulation에서 무시한 어떤 형태의 수소결합의 촉진이 일어났음을 추측할 수 있다. UNIQUAC는 Fig 4.3, Fig 4.4 에 파란 색, COSMOtherm은 검은색으로 표시되어 있다.
또한 Fig 4.4 에 우리가 이론값으로 사용하는 붉은 점이 표시되어 있다.
여기서 붉은 점들을 3차식으로 fitting하면, 식은 각각
vapor :
liquid :
이고 Fig 4.4 에 보라색으로 표시하였다.
여기에 아까구한 평균 온도를 대입하여 그 온도에서의 이론값으로 여길 Ethanol의 몰분율을 계산했다.
계산한 값은
vapor :
liquid :
이 값과 우리가 실험한 값과 비교하면
vapor :
liquid : 가 된다.
vapor의 오차율과 liquid에서의 오차율의 차이가 나는 것에 대해 생각해보겠다.
실험 중 순환형 기액 상평형 실험 장치에 넣은 샘플의 액체가 튀어 오르는 현상이 발생하였다. Figure 3.1 의 (1)에 있던 샘플이 튀어서 그대로 다시 (1)로 돌아오면 큰 차이를 만들지 않았을 것이라 예상되지만 튀어 오른 액체가 (3)으로 흘러들어갔다. (3)은 샘플의 liquid 상이 모이는 곳인데 이곳에 튀어 오른 샘플이 들어갔기에 이론값과의 차이가 vapor와는 달리 적은 차이만 나타낸 것으로 보인다.
차이를 일으키는 또 다른 원인이자 가장 큰 원인일 것이라 예상하는 Ethanol과 Acetone의 분자간 인력에 관해 알아보겠다.
Ethanol은 alcohol로 -OH(hydroxyl group)를 가지고 있고 Acetone은 ketone으로 C=O(carbonyl group)를 가지고 있다. Ethanol이 -OH를 가지고 있기에 Ethanol 분자 사이에 수소 결합이 일어날 수 있다. 또한 Ethanol -OH의 수소와 Acetone C=O의 산소 사이에도 수소 결합이 일어날 수 있다. 두 분자 모두 극성분자이기는 하지만 수소 결합에 비하면 약한 분자간 힘이기에 고려하지 않겠다. 수소 결합에 의해 강해진(비슷한 질량의 무극성 분자나 극성분자들에 비해) 분자간 인력에 의해 증기압이 낮아지는 결과가 나타난다. 이로 인해 동일 온도에서 혼합물이 기체상태보다 액체 상태로 존재하려는 성향이 강할 것이라 여겨진다.
온도의 영향도 살펴보겠다. 우선 온도계의 uncertainty는 없다고 하겠다. 순환형 기액 상평형 실험 장치에서 샘플에 열을 가하고 분리 시켰는데 실험 장치가 유리로 되어 있었고 완벽히 단열이 된다고 보기는 힘들었다. 온도가 시간이 지날수록 실험실 온도에 영향을 받을 것이라 생각되지만 온도 그래프 Figure 4.1 을 보면 실험 마지막 10분 정도에서 최대 0.2℃정도만 차이가 난다. 이는 지속적인 열 공급과 순환형이라는 특징 때문인 것으로 생각된다. 이로 보아 온도의 영향은 Ethanol, Acetone의 분자 간 인력보다 중요한 원인이 될 것 같지 않다.
이와 같이 차이가 나는 원인들도 알아보았다. 이론값과 차이가 난다고 해서 우리가 한 실험이 잘 못된 거라 생각하지는 않는다. 이론값으로 여긴 실험값을 구할 때의 실험 환경과 우리 실험의 환경이 같은지도 모르고, 환경이 같다고 하더라도 실험 기구나 앞서 살펴본 원인들과는 달리 실험자의 숙련도와 같은 부분에 의해서도 차이가 생길 수 있기 때문이다.
Nomenclature
: temperature, [K]
: number of composition
: degree of freedom
: number of phase
: mole fraction
: GC Peak Area [%]
References
1. 화공생명기초실험, 고려대학교 화공생명공학과, (2008)
2. Molar mass of Ethanol. http://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol
3. Molar mass of Acetone. http://en.wikipedia.org/wiki/Acetone
4. http://en.wikipedia.org/wiki/UNIQUAC
5. http://www.cosmologic.de/ChemicalEngineering/cosmotherm.html
6. Smith Van Ness Abbett, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 7th, Mc Graw Hill
7. Atkins, ATKINS' PHYSICAL CHEMISTRY, 8th, Oxford

키워드

binary,   equilibrium,   liquid,   vapor,   상평형,   기액,   바이너리,   calibration