공업화학실험 | 기-액 평형

 

 

 

TIP

 

 

물질 전달과정의 하나인 증류의 개념을 이용하여, 일정압력 하에서 두 이상이 섞여있는 혼합용액을 일정 온도로 증발시켜 혼합증기와 평형관계가 기-액 평형 장치 내에서 이루어지는 것을 실측함으로써 평형증류에 대한 기초지식과 장치의 조작방법을 이해하고, 기-액 평형관계를 관찰하여 실습을 통한 이론과 실제를 비교해 본다.

 

 

 

상평형

물질전달이 일어나는 두 상이 평형상태에 도달하면 물질의 이동은 중지된다. 온도차가 없어지면 열이 이동하지 않는 경우와 같은 것이다. 따라서 분리를 행하려면 평형을 피하여야한다. 평형에 영향을 주는 인자는 온도, 압력, 농도 등이 있으며 이들을 변화시켜서 평형을 파괴할 수 있게 된다. 성분의 수가 c 이고 상의 수가 p인 어떤 계에서, 평형을 변화시킬 수 있는 독립변수, 즉 자유도 Φ는 다음과 같이 표시된다.

Φ=c-p+2

이 관계를 상률이라고 한다.

 

2성분계의 증류의 경우, 기상과 액상의 두 상이 존재하므로, Φ=2이다. 두 성분이 기상과 액상에 함께 포함되므로 변수는 온도, 압력, 한 성분의 기상과 액상에서의 농도이다. 그러나 압력이 일정하다면 단 하나의 변수, 예컨대 액상에서의 농도만이 독립적으로 변하며 온도와 기상에서의 농도는 자연히 결정된다. 즉, 독립변수 Φ는 2개이다. 따라서 2성분계의 증류의 경우에는 온도 조성 도표나 액상과 기상에서의 평형조성을 나타내는 기-액 평형도표를 기준으로 문제를 해결할 수 있다.

 

 

증류의 원리

증류는 휘발성인 균일상 액체 혼합물을 가열, 기화시켜서 각 성분, 또는 몇 가지 유분으로 분리하는 조작이다. 예를 들어 원유를 가솔린, 등유, 연료유, 윤활유 등으로 분리하는 것은 증류의 대표적인 예이다. 

 

증류에서는 혼합물에서 생성된 증기의 조성은 원액의 조성과 다르다는 기본 원리를 가지고 물질을 분리한다. 2종 이상의 휘발성분이 포함된 액체 혼합물을 가열하면 그 증기의 조성은 액체 일 때 보다 휘발성이 높은 성분의 함량이 훨씬 많은데 이와 같이 휘발성의 차이를 이용하여 액체 혼합물로부터 각 성분을 분리하는 조작이다.

 

그러나 한 성분은 휘발성을 가지고 응축된 액체 중에는 휘발성 이외의 것은 포함되어 있지 않는 증발과는 구별된다. 즉 혼합물을 가열하면 휘발성이 낮은 것부터 기화하여 증기가 되고 이 증기를 응축시켜 액화하여 분리해내는 조작이다. 따라서 각 성분의 증기압이 증류에 있어 분리의 척도가 된다.

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실험방법

1. 실험 과정

1) 비중병을 깨끗이 세척하고 건조한 후 무게를 잰다.

 

2) 임의의 에탄올과 물 혼합물을 400㎖정도 Boiler 에 넣는다.

 

3) 표준 에탄올 0,30,60,100% (Volume)을 비중병(20㎖)에 넣고 질량을 측정한다.

 

4) 비중병의 무게에 따른 에탄올의 조성을 기록한다.

 

5) 표준 곡선을 찾는다.

 

6) Boiler안의 용액 조성을 구한다,

 

7) 80℃에서 84℃까지 기-액 평형 데이터를 얻기 위해 80℃까지 올려 혼합용액(liquid)과 응축액(vaper)의 질량을 비중병을 이용해 측정한다.

 

8) 표준 곡선을 이용하여 wt %조성을 구한다.

 

9) ㏖ wt% 로 구한다. 이것을 주어진 평형도와 비교한다.

 

 

 

[공업화학실험]기-액 평형 레포트