[화학공학실험]충전탑에서의 증류 실험

소개글

본 실험은 환류장치가 붙어있는 회분식 증류장치를 이용한 물과 에탄올의 혼합물을 증류하는 실험을 수행함으로써, 증류의 원리를 이해하고, equilibrium line과 operating line으로부터 McCabe-Thiele 방법에 의해 원하는 순도를 얻기에 필요한 이론단수를 구하는데 그 목적이 있다.

목차

요 약 ⅰ

1. 서 론 1

2. 이론 1
2.1. 증류
2.2. 충전탑에서의 증류
2.3. 이론단수와 HETP
2.4. 충전탑
2.5. 굴절률

3. 실험 장치 및 방법 3
3.1. 에탄올 수용액의 굴절률 측정
3.2. 증류 장치를 이용한 에탄올 증류

4. 실험 결과 및 분석 4
4.1. 끓는점 측정
4.2. 굴절률 측정
4.3. x-y 선도 작성
4.4. T-x-y 선도 작성과 공비물
4.5. 이론단의 수와 HETP

5. 결 론 7

6. 고 찰 7

7. 참고문헌 8

8. 실험 중 의문점 및 개선 사항 8

9. 부록 10

본문내용

요약
본 실험은 물과 에탄올의 혼합물을 분리하는 실험으로 실험을 통해 증류의 원리를 이해하고 이론단수와 HETP를 구하는 것을 목적으로 한다. 먼저 abbe굴절계를 이용하여 에탄올의 몰분율에 따른 굴절률을 측정하고 그에 따른 검량선을 작성하였다. 압력이 일정 할 때 (1 atm), 에탄올의 몰분율 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0에 대한 끓는점을 측정, 기록하였다. 실험 결과, 에탄올의 몰분율이 증가함에 따라 끓는점이 낮아지는 것을 알 수 있었다. 또한 물-에탄올 혼합용액에 대해 액상에서의 굴절률-조성 곡선을 작성하여 최소자승법으로 직선의 방정식, = 0.0248 + 1.3455를 구하였고, 마침내 2성분계의 diagram (equilibrium curve)을 얻을 수 있었다. T-- diagram을 통해 80.4 ℃에서 공비물 (azeotrope)이 존재하는 것을 발견 할 수 있었다. 그리고 몰분율이 0.1일 때 필요한 이론단수는 2개임을 알 수 있었다. 또한 이론단수 한 개에 해당하는 충전층의 높이, HETP를 구해본 결과 24.6 cm임을 알 수 있었다.

<중 략>

4.5. 이론단의 수와 HETP
분별 증류 (fractional distillation)에서는 휘발성 액체들을 분리시키기 위해 끓고 응축되는 과정을 연달아 일어나게 하는데, 이러한 분별 증류관의 효율은 이론단의 수 (NTP, number of theoretical plate)를 가지고 나타낼 수 있다. 이론단의 수는 한 주어진 증류물로부터 주어진 조성의 응축물을 얻는데 필요한 증발과 응축의 유효단계수이다(4).
따라서 본 실험에서는 에탄올의 몰분율이 0.1일 때 필요한 이론단의 수를 구해보았다. 먼저 실험을 통해 작성한 equilibrium curve에 대각선의 operating line을 그렸다. 그리고 0.1에서 시작하여 계단식으로 그려나갔다. 그 결과, Figure 6에서 보는 바와 같이 에탄올의 몰분율이 0.1일 때 필요한 이론단의 수는 2개임을 알 수 있었다. Figure 6에서 보는 바와 같이 이러한 방법을 McCabe-Thiele method라고 한다(9).
다음으로 앞에서 구한 이론단수를 이용하여 HETP를 구해보았다. 이론단수 한 개에 해당하는 충전층의 높이를 HETP( height equivalent to a theoretical plate)라고 하는데 충전층의 높이가 49.2 cm였으므로 이론단수 한 개에 해당하는 충전층의 높이는 24.6 cm임을 알 수 있었다.

참고 자료

Noh, Y. C. and Seu, G. T. : "Experiments in chemical engineering", Jinyoung, 99 (2002).
http://en.wikipedia.org/wiki/Water
http://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol
Martin S. Silberberg : "Principles of general chemistry", 1st ed., McGraw-Hill, 383-385 (2008)
Peter Atkins and Julio de Paula : "Physical Chemistry", 8th ed., OXFORD, 190-195 (2007)
http://blog.dreamwiz.com/document13/9638294
http://blog.naver.com/leeaikon?Redirect=Log&logNo=91208601
J. M. Smith, H. C. Van Ness and M. M. Abbott : "Chemical engineering thermodynamics", 7th ed., McGraw-Hill, 295-305 (2005)
Cho, J. H., Jeon, J. K., "A Study on the Optimization of Process for Ethanol Dehydration Azeotropic Distillation", Korean Chem. Eng., 43(4), 474-481(2005)
Warran L. McCabe, Julian C. Smith and Peter Harrison : "Unit operations of chemical engineering", 7th ed., McGraw-Hill, 567 (2005)