단식회분증류탑

본문내용

같이 된다.
50분이 지났을 때의 스틸 내 농도를 이용하여 이론적인 유출량과 유출액 조성을 구해보도록 하겠다. 스틸 내 메탄올의 농도를 25%로 한다고 가정한다.
우선 식에 과 의 값을 대입하고
상대휘발도의 값은 fenske 식에 의한 값으로부터 이라고 한다.
각각의 값들을 위식에 다 대입하면,
가 된다.
정리하면,
따라서
여기서 은 스틸 내 최초 액량이므로
메탄올 2L = 2L × 0.7928 kg/L = 1.5856kg = 1585.6g
물(water) = 2L = 2000g
g
유출량을 D라 한다면
유출액의 조성은
이므로
따라서 가 된다.
실험데이터에서 시간이 50분이 되었을 때 유출액의 조성은 0.84mol%로 나타나 있는데 이론상으로는 0.612mol%가 된다.
농도는 차이가 많이 났지만 유출량의 양에서는 이론상 유출량 559.8g 과 실제 실험유출량 500g 사이에는 차이가 많이 나지는 않은 것으로 보인다.
오차에 대한 것은 고찰 부분에서 논해보도록 하겠다.
4) MacCabe Thiele diagram을 이용한 이론단수 계산
물 56mole% 와 메탄올 44mole%의 혼합액을 상압에서 연속정류 시켰을 경우
탑정제품의 메탄올 농도를 98mole%와 2mole%라고 하자.
또한 환류비는 전환류라고 했을 때 이론단수를 구해보자.
풀이) 이론단수를 구하는 방법에는 앞서 이론편 에서 알아봤던 바와 마찬가지로 도해적 해법과 Fenske 식을 이용하는 두 가지 방법이 있다.
이론단수의 값은 환류비에 따라 다르다.
일반적으로 전환류에서 구했던 이론단수를 최소 이론 단수이라 하고, 분리에 필요한 최저한의 단수이다. 전환류는 유출액량 이 상태이고 따라서 환류비 를 말하며 조작선은 ( 이다.
따라서 의 대각선과 x-y곡선 사이에서 계단작도를 하면
최소이론단수 을 구할 수 있다.
여기서 Fenske식을 적용해보면 최소 이론 단수를 구할 수 있다.
단 최소 이론단수는 4.6단이다.
이 결과는 전환류이므로 최소 이론단수가 결국 정류탑의 단수가 되는 경우이다.
만약 환류비가 나와 있었다면 이론편에 나와 있던 데로 농축선의 방정식, 회수선의 방정식, q선의 방정식을 구해서 직접 조작함으로써 구할 수 있었을 것이다.
7. 고찰 및 결론
1) Rayleigh 식에 관련
- 이론에서도 논했었지만 Rayleigh 식이라는 것이 단증류, 회분증류에서 쓰이는 식이다. 즉, 우리가 행하고 실험조작이 회분식 조작이므로 증류와 관련한 계산 에서 이 식의 적용이 이루어졌다.
이 식에서는 네 가지의 변수가 존재했다.
처음의 액량과 조성, 마지막의 가열부 액량으로 정해지는데 세 가지의 변수를 정해주면 하나의 미지수를 구할 수가 있었다.
나는 마지막 가열부 액량을 미지수로 놓고 그 때의 유출액의 양과 조성을 구해 보았다.
유출액의 조성은 0.84mol%로 나타나 있는데 이론상으로는 0.612mol%가 된 다.
유출량은 이론상 559.8g 과 실제 460g 사이에는 약 100g정도의 차이가 있었 다.
최초 실험 준비 단계에서 조교에게 액의 양과 조성을 알아봤을 때 부피비 1:1 로 4L가 들어 있다고 했다. 실험을 하고 결과를 보고 생각해본 결과 스틸 내에 는 4L의 원료가 들어있지 않았던 것 같다. 이전 실험 조에서 같은 실험을 했었 고 우리조가 행했던 실험이 그 연장선상에 있었던 것 같은 생각이 든다.
따라서 제품의 양과 농도의 차이는 여기서 비롯된 것 같다.
2) 온도
- 데이터에 기록하지는 않았지만 스틸내의 온도는 그리 많이 올라가지도 않았고, 큰 온도변화도 보이지 않았었다.
이러한 실험결과를 볼 때 물의 증기가 같이 증발되어 제품의 순도에 영향을 미 친 것 같은 생각이다.
3) 이론단수
- 실험실에 있는 정류탑의 이론단수를 알아보지 못했다.
전환류의 용액에 대해서는 조작선의 방정식이 y=x 이므로 평형곡선과 x=y 선 상에서 최소 이론 단수만 구해주면 됐다. 내가 증류 조작을 통해서 순수한 제 품을 얻는데 까지 실험을 하지 못했기 때문에 각각의 조성은 내가 임의로 선택 해서 구해보았다.
최소 이론단수를 구하는 식은 Fenske 식이었는데 이 식에서 가장 중요한 인자 가 비휘발도인 것 같다.
물과 메탄올의 비휘발도는 내가 어떤 문헌에서 얻은 자료를 통해 대입하여 값 을 구하였다. 만약 최소 이론 단수와 실제 값에 차이가 있다면 상대 휘발도의 영향일 것으로 생각된다.
우리조의 실험결과를 가지고 이론단수를 구하는 것은 무리가 있었다.
⇒ 이번 실험은 증류에 관한한 많은 지식을 필요로 했던 실험이었던 것 같다.
증류에 관한 문제를 해결하기 위해 기/액 평형의 열역학적 개념들을 먼저 알아야 했고 라울의 법칙, 상률, Duhem의 정리 같은 지식들이 필요했다.
다음으로 회분식 증류공정의 Rayleigh식
을 이용하기 위해 증류에 방법에 대한 이론이 필요했다.
단증류에서부터 시작하여 연속단증류에 이르기 까지 이해가 필요했다.
이 식의 변형에서는 상대휘발도를 알아야 그 값을 위의 식에 대입하여 새로운 식 을 얻어낼 수가 있었다.
회분식 단증류만을 취급일 경우 정류탑의 단수는 생각할 필요가 없었을 것이다. 다단식 회분 증류탑이라는 제목에서도 알 수 있듯이 이론단수를 얻어내기 위해서 정류에 지식을 필요로 했다.
증류탑에 대해서도 많이 아는 계기가 되었다.
증류탑이 증류하고자 하는 물질에 따라 내부의 tray가 달라지고 tray에 따라 증류 방향도 다르다는 것도 알게 되었다.
다양한 증류방법이 존재한다는 것을 알았다.
생산하고자하는 제품과 제품의 성질, 요구 조건, 제품의 특질 등을 고려하여 증류 방법은 틀려지고 그 밖에 많이 알려지지 않은 증류법도 있고 개발 되고 있었다.
이번 실험은 열역학 지식을 바탕으로 만들어진 P-x,y (압력과 조성) 또는 T-x,y (온도와 조성) 의 diagram을 이용하여 그 그래프 선상에 조작선을 작도하고 정류 탑의 이론단수를 측정하여 나아가서는 탑의 높이나 직경까지도 설계할 수 있는 능력을 배양할 수 있는 실험이었던 것으로 생각된다.
정확한 답과 논리적인 이론전개를 펴지 못했지만 경험에 만족한다.

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증류,   단식회분증류탑,   증류탑