기체확산

본문내용

하며 증류가 한 예이다. 등몰확산에서는 기상에서만 순부피흐름이 없음을 뜻하며 액상에서 몰밀도의 차이 때문에 순 부피흐름 또는 순질량흐름이 존재한다.
one-way diffusions (일방확산)
혼합물의 한 성분 A만이 계면으로 또는 계면으로부터 이동되며, 전체흐름은 A의 흐름과 같다. 이러한 유형을 일반확산 또는 단일성분 확산이라 하며 기체로부터 액체로의 단일성분 흡수가 한 예이다.
◎ equimolar-center diffusions (등몰확산)
관으로 연결된 두 개의 큰 용기내에 A, B 두 기체가 들어있고 전압은 P로 일정하며 정상상태에서 분자확산이 일어나는 경우를 생각하자. 각 용기는 교반에 의해 일정한 농도를 유지하고 분압은 이라고 한다면, A성분은 오른쪽으로 B성분은 왼쪽으로 확산하게 된다. 전압이 일정하므로 A성분이 오른쪽으로 확산한 총 몰수와 B성분이 왼쪽으로 확산한 총 몰수는 같다. 이러한 확산을 등몰확산 이라고 하며, 증류조작이 이것에 해당한다. 등몰확산은 A와 B의 확산속도는 같고 방향만 반대이므로
이며 A, B 두성분에 대한 식은
따라서
이다 여기서 로 무차원 농도를 나타내며, 은 몰확산계수라고 한다 따라서 등몰확산의 경우에는 분자확산속도는 용기사이의 분압차 또는 농도차에 비례하고 확산거리는 반비례함을 알 수 있다.
◎ one-way diffusions (일방확산)
일방확산은 기체중의 한 성분만이 한 방향으로만 확산하는 경우를 말하며, 흡수, 추출, 및 증발 조작 등에서 일어난다. 공기(B)중에 포함된 NH₃(A)를 물에 흡수하는 경우를 생각해 보자
NH₃(A)가 기체 본체로부터 물쪽으로 확산할 때는 공기(B)도 그 반대방향으로 확산하지만 공기(B)는 물에 대한 용해도가 아주 낮으므로 그 뒤쪽의 경계면으로부터 보충되지 않기 때문에 게면에서의 기체 전압은 약간 낮아진다. 이것을 기체의 전체운동(total bulk motion) 이라고 한다. 전체운동에 의한 A, B 두성분의 zqkdgid으로의 이동속도는 로 나타내진다. 한편 B에 대해서는 자신의 확산속도와 전체 이동과는 반대방향이므로 상쇄되어 실제로는 이동이 일어나지 않는 비확산기체(nondiffusing gas)이며 A 만이 일방확산한다. A 에 대해서는 A 자신의 확산과 전체 이동속도가 된다. 따라서 다음 식이 성립된다.
를 대입하면
A만의 일방확산이므로 따라서 적분하여 정리하면,
지금 비확산기체 B의 대수평균 분압을 이라고 하면
여기에 몰확산계수의 관계르 도입하면
이 식은 확산속도 가 확산물질의 분압차 또는 농도차에 비례하고, 확산거리에 반비례 하는 것 즉, 확산의 추진력이 분압차 또는 농도차이며 확산저항은 대수평균 분압 또는 대수평균 농도임을 나타낸다.
등몰확산과 일방확산의 확산속도를 비교하면 일반적으로 이므로 일방확산의 속도가 등몰확산속도보다 배 빠른것이 보통이며 A 성분의 농도가 아주 적을때는 로 일방확산과 등몰확산의 속도가 거의 같아진다.
6. 고찰
기체와 액체의 확산속도는 분자량이 클수록 작아진다는 그레이엄의 법칙에 따라 아세톤(58.08g), 메탄올(32.04g)이므로 평균 확산속도는 아세톤이 더 느렸다. 하지만 처음 30℃에서는 아세톤의 확산속도가 메탄올의 확산속도보다 빨랐다. 그 이유는 메탄올의 수소결합이 있어서 낮은 온도에서는 아세톤보다 낮은 확산계수를 보였으나 온도가 증가 할수록
확산계수에 수소결합의 영향을 덜 받는 것으로 보였다. 또한 chen-othmer 상관식과 카토식은 임계온도와 임계압력등의 고유물성치 값으로 확산계수를 구할 수 있다.
그리고 액상에서의 확산은 액-액 추출, 기체 흡수 및 증류와 같은 분리조직에서 특히 중요하다. 액상에서의 분자확산속도는 기상에 비해 아주 느리다. 액체는 기체보다 분자간 거리가 가깝기 때문에 확산하려고 하는 용질(A)의 분자는 액체(B)의 분자와 충돌하게 되어 확산이 늦어지게 된다. 일반적으로 기상에서의 확산계수는 액상에서보다 약 105배 정도 큰 값을 가지나 이동속도는 액상에서의 농도가 기상보다 훨씬 높은 관계로 100배 정도 빠른 것이 보통이다.
확산계수를 추산하는 식은 여러 가지가 제안되어 있으나 Chapman과 Enskog는 2성분계에 대하여 다음식을 제안하였다.
여기서 M은 분자량, P는 절대압력, 는 평균충돌 직경, 는 충돌비 이다. 이 식은 약 1000[K]에서 8% 정도의 오차범위내에서 확산계수를 측정할 수 있다.
그러나 이 식은 의 계산이 어렵기 때문에 Fuller 등이 제안한 다음과 같은 반실험식이 주로 이용된다.
여기서 ∑V는 구조적인 확산부피 증가의 합이다. 이는 각 분자의 확산부피 증가값을 통해 대입하면 된다.
7. 참고 문헌
DAB의 문헌값 : '단위조작‘ Warren L. McCabe (희중당) (0℃, 1atm인 경우)
Gas
[ft2/hr]
Sc= [-]
Acetic acid
0.413
1.24
Acetone
0.32∮
1.60
Ammonia
0.836
0.61
Benzene
0.299
1.71
n-Butyl alcohol
0.273
1.88
Carbon dioxide
0.535
0.96
Carbon tetrachloride
0.26∮
1.97
Chlorine
0.43∮
1.19
Chiorobenzene
0.24∮
2.13
Ethane
0.49∮
1.04
Ethyl acetate
0.278
1.84
Ethyl alcohol
0.306
1.30
Ethyl ether
0.302
1.70
Hydrogen
2.37
0.22
Methane
0.74∮
0.69
Methyl alcohol
0.515
1.00
기체
['K]
r [A]
기체
['K]
r [A]
공기
97.0
3.617
136.5
3.882
33.3
2.968
113.2
3.443
91.5
3.681
110.3
3.590
190
3.996
124.0
3.418
220
3.879
35.7
2.80
119
3.470
6.03
2.70
참고서적
단위조작(제2판) / 고완석 외 4명 / 보문당 / 1999
단위조작 실험 / 고용식 / 선학 / 2006
단위조작실험 / 노유찬 / 진영사 / 1999
단위조작 / 김승재 / 동화기술 / 1996
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키워드

Gas Diffusion,   등몰 상대확산,   일방확산,   아세톤,   메탄올