( 바이오화공과 )  2학년 1반 (     )번 이름(             )

증류 : (

)

낮은 끓는점을 가지는 물질이 다른 물질보다 먼저 증발하게 되는데 발생한 증기를 별도로 모으고 이를 냉각시켜 액체 상태로 되돌리면 끓는점이 낮은 물질의 농도가 높은 액체를 얻을 수 있다.

2종 이상의 휘발성분이 포함된 액체 혼합물을 가열하면 그 증기의 조성은 액체일 때보다 휘발성이 높은 성분의 함량이 훨씬 많다.

화학 공업의 증류 공정에서는 대량의 제품을 연속 생산하며 공정의 제어 방식과 운전 조작이 매우 복잡하고 고도의 기술을 필요

(1) 기-액 평형 조성

메탄올-물의 기-액 평형 관계

(         ) : 두 성분이 혼합된 액체가 밀폐된 공간에 있다고 가정하고 이 공간에 열을 가하면 온도에 따라서 액상과 기상에 존재하는 물질의 양도 변하되고 액상과 기상을 이루는 성분들의 비도 달라진다. 이때 온도와 압력을 일정하게 하면 액상과 기상의 성분은 더 이상 변하지 않고 일정하게 되는 상태

메탄올과 물의 두성분계, 전압이 1atm, 액의 끓는점을 , 용액 중의 메탄올의 몰 분율을 , 증기 중의 메탄올의 성분의 몰 분율을 라 하면 이들 값 사이의 관계

끓는점-조성 선도 : (

)

(    )선도 : 어떤 일정 온도에서(  ) 와 (  )관계를 그린 그래프, 위의 곡선을 곡선(평형선)

(2) 기-액 평형 조성에 대한 계산

상은 명확한 물리적인 경계를 가지고 다른 것과 구별되는 물질계의 균일한 한부분을 의미, 고상, 액상, 기상으로 구분

기-액 평형은 상평형의 하나로 그 계에 기체와 액체가 존재하는 경우, 두 상의 조성, 온도 압력이 일정하게 된 상태를 의미

액체 혼합물에서 한 성분이 나타내는 증기압은 그 온도에서 그 성분이 단독으로 존재할 때 나타내는 증기압에 용액 중에 존재하는 그 성분의 몰분율을 곱한 것과 같다.

순수한 두 성분(     )의 증기압을 각각(     )  라 하고 액상 중의 저비점 성분 A의 몰분율을(  ) , 고비점 성분의 B의 몰분율을(   ) , 이 액체와 평형 상태에 있는 증기 중의  (     )의 분압을 각각(     )라하면

라울의 법칙을 나타낸 이 식들이 적용될 수 있는 범위는 극히 제한되어 있으나 증류 현상을 고찰할 때 가끔 사용

라울의 법칙을 따르는 용액을 (                 )

증기를 이상 기체라 가정하고 전체 압력 P는 각 성분의 합과 같다.

이성분계의 이상 용액에서 성분 A의 분압[eqn: p_A]는 기상의 분압[eqn: P] 와 그 성분의 몰분율 [eqn: y]를 곱한 것과 같다.

기상에 있어서 돌턴의 분압 법칙이 성립된다고 하면 순수한 두 성분[eqn: A, B]  의 증기압을 각각[eqn: P _{A} ``,`P _{B`````}]라 하고 기상 중의 저비점 [eqn: A]성분 의 [eqn: y _{A}]몰분율을 , 고비점 성분 [eqn: B``]의 의 몰분율은(               )가 되므로 라울의 법칙과 돌턴의 법칙을 결합하면

몰분율 = 압력 분율

이것은 일정 온도에서의 증기압을부터 기-액 평형을 구하는 중요한 관계식,

70°C에서 메탄올의 증기압은 857mmHg, 에탄올의 증기압은 543mmHg이다. 이 두 화합물이 혼합되어 70°C에서 전압 700 mmHg의 상태에 있을 때, 이 혼합액 중의 메탄올의 몰 분율(xA)은?(단, 이 혼합액을 이상 용액으로 간주한다.)

증류는 혼합 용액을 그 성분의 비점 또는 휘발도의 차이를 이용하여 증발과 응축으로 분리하는 조작

응축액의 일부가 증류기로 되돌아가지 않는 방법과 되돌아가게 하면서 증류시키는 방법으로 크게 구분 되돌아가게 하는 방법이 특히 중요 이 방법을 정류라 구분

증류의 목적에 따라 (        ), (        ), (        ), (       ), (       ) 등으로 구분

원료 공급 방법에 따라 회분식과 연속식으로 구분

조작시 압력 조건에 따라 (          ), (          ), (          )로 구분

(1) 단증류(simple distillation)

일정량의 혼합 액체를 가열하여 나오는 증기를 응축기에서 액화하여 목적 성분을 얻는 회분식 증류 방식

발생하는 증기는 끓는점이 낮은 성분을 많이 함유하고 있지만 끓는점이 높은 성분도 증류하여 나오므로 순수한 물질을 얻는 데는 부적합

(2) 평형 증류(equilibrium distaillation)

단증류에서 얻은 유출액을 반복하여 증류하면 좀더 더 순수한성분의 물질을 얻을 수 있다.  이러한 연속적증류 방법을 (            ), (                            )라고도 한다.

평형 증류는 증류해서 나오는 증기와 남아 있는 액체가 항상 평형상태를 유지하면서 증류

(3) 수증기 증류(steam distillation)

물에 용해하지 않는 휘발성 액체를 상압 증류법으로 증류하려면 분해할 때 수증기 증류법을 사용

수증기 증류의 원리는 물에 용해되지 않는 휘발성 액체 혼합물의 증기압과 물의 증기압을 합한 압력이 1기압(대기압)에 이르면 증류가 시작된다. 즉, 끓는점이 높은 물질을 그 물질의 끓는점보다 낮은 온도에서 증발할 수 있다.보기를 들면, 아닐린(b.p 184℃)은 100℃ 이하에서 수증기 증류를 할 수 있다.

보통의 증류법으로는 분해될 우려가 있는 물질 또는 끓는점이 높은 물질의 분리 정제에 이용

(4) 진공 증류(vacuum distillation)

대부분의 유기 화합물은 높은 온도로 끓이면 분해하거나 산화한다. 또, 매우 높은 온도에서 증류되는 물질은 상압 증류로는 증류가 되지 않는다. 그래서, 이러한 경우 증류 조작은 1기압보다 낮은 압력에서 한다.

감압 증류를 (            )라고도 하는데, 진공 증류 조작에서는 (         )나 (      )를 사용.  압력은 5 ~ 25mmHg

(1) 정류의 원리

액체 혼합물을 증류할 때 발생하는 증기를 이것과 향류로 강하는 증기의 응축액과 접촉시켜 증기의 (      )을 이용하여 다시 (    )을 증발시키는 조작을 반복하는 증류

액의 증발에 의한 상호 확산물질 이동 조작으로 비점이 비슷한 혼합물의 분리에 특히 효과적

저비점성분이 많은 것이 탑 위로 고비점성분이 많은 것이 탑 밑으로 나오는 것이지만, 석유 공업에서는 한 탑에서 두 종의 혼합물이 유출되는 (       ) 및 두 종 이상이 유출하는 다성분계 정류가 많은데 이 경우에는 필요한 성분은 탑 중간의 적당한 단에서 빼낸다.(이것을 측류라고 한다.)

정류는 끓는점이 낮은 성분의 증발과 끓는점이 높은 성분의 응축으로 원액의 분리 성능이 향상되며, 열의 소비가적고 조작이 간단한 특징

오늘날에는 석유공업, 알코올 공업 등에서 많이 사용

(2) 정류 조작

그림 7는 연속식 정류 장치를 나타냈다. 주요 요소는 증기를 발생시키는 (      l) 또는 (      ), 증기가 되돌아오는 응축액과 향류접촉을 하게 되어 있는 (    ) 및 탑의 최상단에서 나온 증기를 모두 응축시키고 응축액을 제품으로 내놓는 (       )로 구성

(     ) : 원료가 공급되는 단, 급송단이라고도 함. 윗단으로 올라갈수록 저비점성분이 많아지며 아랫단으로 내려갈수록 고비점 성분이 많아진다.

(    ) : 원료 공급단의 윗부분, (           )이라고도 함

회수부(stripping section) : (                         )

(3) 환류(reflux)

원료는 가열기에서 가열되며, 비점으로 공급하는 것이 보통이며, 저비점성분은 증기로서 탑 꼭대기에서 나와 응축기에서 액상으로 된다. 이를 (           )

유출액을 제품으로 하나, 유출액의 전부를 빼내면 탑 내에는 저비점성분이 감소하므로 유출액의 일부를 최상단으로 되돌려 보낸다. 이 조작을 (          )

환류액은 최상단에서 저비점성분이 가장 풍부하며, 밑단으로 강하하면서 각 단의 액조성을 일정하게 조절하는 역할

각 단상의 과잉 액은 바로 밑단으로 흘러내리는데 이것을 (        )

환류액의 몰유속 과 유출액의 몰유속의비를 (            )라 하며 로 표시

환류비를 크게 하면 제품의 순도는 높아지나 유출액량은 적어지며, 또한 환류비를 적게하면 유출액은 많으나 제품의 순도는 낮아짐

전부 환류시키는 것을 전환류

(4) 정류 장치의 구성

정류탑에서 기체와 액체의 접촉과 혼합 및 분리효과를 일으키는 장치로는 여러 가지가 있는 데 크게 나누면 (           )과 (          )으로 분류

표 Ⅳ-2 단탑과 충전탑의 비교

정류탑		장점	단점
단탑	포종탑	대규모의 증류에 알맞다. 처리 능력에 융통성이 있다. 탑내의 청소가 용이하다. 이론적으로 잘 해명된다.	탑 내의 압력 손실이 크다. 건설 비용이 많이 든다. 정체액(hold-up, 정류탑안의 정류액)이 많다.
	다공판탑	구조가 간단한데 비해 성 능이 좋다. 설치비용이 적게 든다.	공판(hole plate)을 막는 용액에는 적당하지 않다. 조작이 미세하고 융통성이 적다.
충전탑		소규모의 증류에 적당하다. 압력 손실이 적다. 부식에 잘 견딘다. 정체 액량이 적다.	처리량에 융통성이 적다. 편류(channelling)를 일으키기 쉽고, 용액을 균일하게 분포하기가 어렵다.

단탑은 (          )과 (          ), 밸브단

공업적으로 오래전부터 사용하던 형식으로 제작비가 많이 들고 증기의 손실이 크지만 기-액의 유량이 변해도 운전이 가능

다공판단 : 구조가 간단하고 제작비가 적게 들며 압력 손실이 적다. 증기의 유량이 적으면 원액이 누출되어 운전이 어렵움

밸브단 : 증기의 유량에 따라 밸브의 개폐가 되도록 되어 있어 유량에 따라 운전이 용이

충전탑 : (     ), (    )과 같은 인공 충전물을 채운 것으로서 이 충전물의 표면에서 액과 증기의 접촉이 연속적으로 일어나도록 되어 있다. 액의 유속이 적으면 기-액의 접촉이 나빠지지만 포종탑에서는 액량이 거의 일정하므로 접촉효과가 좋음

증류 조작에서는 상승 증기량에 비해 유출액량이 적은것이 일반적이므로 접촉효과를 고려하면 포종탑을 사용하는 것이 좋음

스틸이라고 하는 부분으로 다관식 가열기가 많이 사용

재비기도 스틸의 일종이며, 석유 정제 과정에는 파이프 스틸이 이용된다.

탑 위에 설치하여 유출된 증기를 응축하는 역할

분축기(partial conderser) : 유출 증기의 일부만을 응축시켜 환류시키는

(1) 장치 전체

정류 장치에서 전체 물질 수지와 끓는점이 낮은 성분의 물질 수지는 연속 단증류의 수지식

정상 상태의 조건하에서 정류탑 전체에 대한 총괄 물질 수지

(2) 농축부

농축부에서 환류비가 정해지면 단과 단에서 일어나는 조성에 관한 관계식

(3) 회수부

회수부에 있어서 물질 수지를 취하면

(4) 원료 공급단

f 는 원료의 가열 상태에 따라 다음과 같이 다섯 개의 경향을 가진다.

원료 가열 상태	q의 값	q선의 경사
① 비점의 액으로 송입될 때
② 비점의 포화증기일 때
③ 비점 이하의 액일 때
④ 과열 증기일 때
⑤ 액과 증기가 공존할 때

(5) 메가베-틸레법에 의한 이론 단수 계산하는 방법

2성분계의 기-액 평형 도표와 대각선(     )를 그린다.

(  )축을 액상의 조성으로 하고 y축을 기상의 조성으로 하여 정사각형을 그리고 대각선을 긋는다.

기액 평형 관계식에서 기액 평형 조성을 구하고 기-액 평형선을 그린다.

농축 조작선 작도

점(        ) 를 지나고 절편이 (      )인직선을 그린다.

③ (  )선도 작도

점(      ) 를 지나고 기울기(      ) 인 직선을 그려 농축조작선과 교점을 구한다.이 점이 농축 및 회수조작선의 교점이다.

④ 회수 조작선 작도

점(            )를 지나고 ③의 교점과 연결하여 회수조작선을 그린다.

⑤ 이론단수의 삼각 작도

점(   )에서부터 시작하여 농축조작선과 평형곡선 사이에서 직각단계(  )를 을 지날 때까지 작도하고, 그 다음부터는 회수조작서과 평형곡선 사이에서 단계를 (     )인 점을 지날 때까지 작도한다.

작도에 의해 얻어진 삼각형위 수가 이론계 단수 S이며, q선을 타고 넘아가는 계단이 최적 급속단이 된다.

팀 밑에 비기(또는 재비기), 탑 꼭대기에 전축기가 아닌 분축기를 설치하였을 때는 이를 각각 하나의 단수로  볼 수 있기 때문에 이론단수를 (   )이라 하면 재비기(또는 분축기)만 있을 때는 (       ), 둘 다 있을 때는  (       )가 된다.

⑧ 정류탑의 이론 단수와 실제 단수의 비를 총괄 탑효율한다.

(                     )

40mol%의 메탄올 수용액(F)을 연속 증류하여 농축부에서 메탄올 90mol%인 유출액(D)을 얻고, 회수부에서는 10mol%의 메탄올(B)을 얻을려고 한다. 환류비(R)을 0.80으로 하였을 때, 이론 단수는 몇 단인가? 그리고 농축부의 단수와 원료 공급단의 위치를 알아보자.

어떤 증류탑의 단 효율이 60 %이고, McCabe-Thiele법으로 구한 이론 단수가 15일 때 설계해야 할 단수는?

추출(extraction)  : (

)

원료의 상태에 따라 분류

액-액 추출(extraction) : (

)

고 액 추출(leaching) :  (

)

추출 공정에 사용되는 중요한 용어들에 대한 정의

용매 (solvent) : (	)

용질 (solute) : (

)

추출상(extract phase): (	)

추잔상(raffinate phase): (	)

용매의 선택에 필요한 조건

선택성이 클 것, 즉 용질에 대한 용해도가 크고 순 추잔물 또는 원용매에 대한 용해도가 작을 것

분배 계수(distribution coefficient, K)가 클 것

(	)

값이 싸고 화학적으로 안정하며 부식성이 적을 것

(	)

발화·인화성이 낮으며 유독하지 않고, 용질과의 비중 차가 클 것

(1) 액-액 추출(liquid-liquid extraction)

(	)용매 추출(solvent extraction)

액-액 분리에서는 증류가 추출보다 비용이 적데 드는 조작이지만 비점차가 별로 없거나 너무 높은 비점 때문에 분해할 우려가 있는 성분이 있을 경우에는 증류가 불가능하여 추출에 의한 분리가 필요.

액-액 추출의 응용

아세트산 수용액으로부터 벤젠에 의한 아세트산의 추출

석유에서 방향족 탄화수소의 추출

고급 알코올의 황산화에서 가솔린에 의한 미반응 유분의 추출

(	)

페니실린 등 항생 물질의 추출

구리가 포함된 산 용액에서 구리의 정제

폐수중의 중금속 추출

발효 유기산(젖산， 숙신산 등)의 선택적 추출

(2) 고-액 추출(solid-liquid extracting)

(	) 침출(leaching)라고도 함.

광석에서 산에 의한 금속염의 추출, 땅콩 같은 씨앗에서 기름 성분의 추출, 꽃에서 향료의 추출, 사탕수수에서 더운물에 의한 설탕의 추출

고-액 추출의 응용

황산에 의한 보크 사이트 중의 알루미나 추출

우라늄 또는 톨륨의 삼플루오르화염소에 의한 추출

(	)

물고기 간장으로부터 간유의 추출

(	)

목재에서 탄닌의 추출

액체 추출 장치는 (

)

흡수나 증류 조작은 기상과 액상의 밀도차가 크므로 쉽고 신속하게 분리할 수 있지만 액체 추출은 밀도차가 작으므로 분리가 어렵다.

액체 추출 장치는 (

)

액체 추출 조작은 회분식도 가능하나 다회 추출, 향류 다단 추출, 연속 미분 추출 및 환류 추출과 같은 연속식을 주로 사용

(1) 회분식 추출 장치

혼합과 침강이 동일한 용기에서 이루어진다.

혼합을 위해서는 (	)

우선 추출 대상 물질과 용매를 혼합 용기에 넣고 충분한 추출이 이루어질 수 있도록 교반을 실시

추출이 완료된 후에는(

)

혼합 시간과 상분리에 필요한 시간은 추출 대상 물질 및 용매의 특성에 따라 탈라지며 이는 실험을 통해 결정

(2) 연속식 추출 장치

혼합 침강기는 (

)

두 용액을 흔합시키는 흔합조와 분리 후에 두 용액을 밀도차에 의해 분리시카는 침강조를 연결한 장치

혼합은 교반기를 통해 기계적으로 이루어질 수도 있으나 노즐이나 관을 통해 액체를 펌핑 (pumping)하여 수행될 수도 있다.

일반적으로 흔합-침강기는 물질 전달효율이 높아 물질 전달 데이터 없이 평형 데이터를 기초로 평형단 해석만을 통해서도 신뢰성 높은 장치 설계가 기능하고,  조업이 간단하다는장점

다른 연속 추출 장치에 비해 (

)

공업적으로 보통 쓰이는 방법으로 (

)

혼합조(mixer)와 침강조(settler)가 직렬로 연결된 것으로 여러 개를 조합하여 병류 및 향류 조작

장치의 구조가 간단하여 (

)

대표적인 장치는 믹서 세틀러 추출 장치로 두 용액을 혼합시키는 혼합조와 분리 후에 두 용액을 비중차에 의해 분리시키는 침강조를 연결한 장치로 구조가 간단하고, 조작을 간단하게 할 수 있는 장점

무거운 액(heavy liquid)이 탑상에서 들어가서 연속상(continuous phase)으로 탑을 채운 상태로 바닥으로, 가벼운 액(light liquid)은 바닥에 있는 노즐을 통하여 분산 또는 액체 방울로서 위쪽으로 상승하여 탑상부에서 합쳐진 후 나간다.

다른 방식으로 (	)

탑 내부에 벌 새들(berl saddle)이나 라시히 링(resching ring)을 충전하여 액체 방울이 합쳐지거나 재분산되는 것을 원활하게 해주면 더욱 효과적

구조가 간단하고, (

)

다공판 탑은 액제 방울의 생성 소멸이 1회에 그치는 분무탑의 단점을 해결한 것으로 다공판을 통해 액체 방울의 재형성 및 재분산이 일어나도록 여러 변 반복하여 효율을 높이게 된다.

일반적으로 가벼운 액체는 (

)

다공판으로 단을 만들었기 때문에 분무탑에서 문제가 되는 역혼합(back mixing)을 줄일 수 있다.

방해판 탑(baffle column) : (

)

방해판의 간격은 보통 10~15cm이며 부식에 의해 구멍이 커지거나 막히는 일이 없으므로 현탁된 고체를 함유한 용액의 취급에 적당

터빈이나 중심에 회전축이 있는 교반기로 기계적 에너지를 공급하여 두 상을 혼합하는 것으로 교반 날개 사이에는 혼합 침강기의 효과를 얻기 위하여 간막이나 (

)

무풍 구역은 상(phase)들의 혼합과 분리를 촉진하기 위해 철망(wire mesh)으로 설치

이 탑은 부식 액체를 사용하면 내부 장치가 침식되므로 사용할 수 없다.

그림 Ⅳ-19은 패들(paddle)형 교반기를 사용하는 쉬벨 탑(Scheibel tower)이며 원판형 날개를 사용하는 회전 원판탑도 있다.

원심 추출기는 (

)

포드비엘니악(Podbielniak) 추출기는 무거운 금속통 속에 액이 들어오고 나갈수 있도록 속이 비어 있는 횡축에 나선형의 리본이 감겨져 있다.

무거운 액제는 나선형의 바깥변을 따라 외측으로 이동하고,  가벼운 액체는 안쪽면을 따라 내측으로 이동

원심 추출기는 (

)

추료가 고체일 때에는 향류 연속 조작이 가능하지만 줄기 입자가 포함된 추료일 때에는 이 조작보다는 고체는 정지시켜 놓고 (	)

추료가 분말인 경우에는 적당한 교반에 의해 추료를 추제 중에 현탁시키고 신속하게 추출

고-액 추출은 고체와 액체가 접촉하여 추출이 이루어지므로 접촉 면적이 커야 물질 전달이 잘 이루어 짐

고-액 추출 장치로는 (

)

(1) 고정상 추출 장치

고정상 추출 장치는 (

)

추출액은 바닥에서 나오며 새로운 용매를 공급하여 추출을 반복.

이와 같은 추출에서는 사용하는 용매의 양이 많아서 추출액의 농도가 낮아진다는 단점

이 같은 단점을 해결하기 위해 고체를 정지시켜 놓고 용매를 반연속적으로 흐르게 하는 다중단 침출 장치를 사용

용매를 이동시키는 데 중력을 사용하는 경우를 생스크법 (Shanks process) 이라 하며 펌프를 이용하여 가압하여 추출하는 방법을 강제 연속 추출법 또는 확산 기구법(diffusion battery process)

유지, 사탕무 및 탄닌 등의 추출에 널리 이용되는 방법

(2) 이동식 추출 장치(moving-bed extractor)

수직 원통 또는 경사 원통의 내부에 나선형 운반기를 설치하여 추료와 추제를 향류로 접촉시키는 방식으로 향류 연속 추출 장치라고도 함.

볼만 추출 장치(Bollman extractor) : (

)

힐데브란트 추출기(Hildebrandt extractor) : (

)

이동상 추출 장치는 (

)

(1) 흡수(absorption, gas scrubbing)

흡수 : (	)

흡수의 목적 : (

)

흡수 공정은 흡수되는 기체와 흡수제와의 상호 작용에 의한 분류

물리 흡수(physical absorption)

혼합 기체 내의 특정 기체 성분은 화학적 반응이 없는 상태에서 다른 성분에 비해 액체 흡수제에 더 잘 용해

결과적으로 액체상에서의 평형 농도는 기체상에서 특정기체 성분의 부분압또는온도의 함수

물리 흡수 공정은 공급되는 기체가 고압에서 다량으로 존재하고 흡수되는 성분의 양이 상대적으로 클 경우에 선호

화학 홉수(chemical absorption)

혼합 기체 내의 특정 기체 성분이 흡수제 내의 특정 성분과 화학 반응이 일어나는 것을이용

아민계 흡수제인 모노에탄올 아민과 발전소 배기가스 중의 이산화탄소와의 반응을 이용한 흡수공정이 대표적

화학 흡수 공정은 물리 흡수에 비해 더 우수한 평형관계를 나타내므로 공급되는 기체 중에서 분리해야 할 기체 성분의 양이 적고 낮은 부분압을 갖는 경우에 선호

일반적으로 흡수 공정을 적용하는 목적

기체 정제

제품 회수

공급 기체 중에서 흡수되는 기체와 흡수되지 않는 기체 중 어느 기체의 가격이 더 높은

흡수의 산업 현장에서의 응용

석탄 가스 속의 암모니아 가스를 물에 흡수 제거

천연 가스 속의 황화수소를 알칼리 액에 의한 제거

염화수소를 물에 흡수시켜서 염산의 제조

정수장에서 염소 가스에 의한 소독

공장 폐가스를 세정수에 흡수시켜 정화 처리

암모니아 생산 과정에서 수소 기체로부터 이산화탄소를 제거하는 것

천연가스에서 산가스 (C02，H2S)를 제거

공정의 개선을위해 새로운 흡수제를 개발하거나 설계 기술 개발이 진행 중

특정 기체를 흡수한 흡수제는 탈거(stripping) 과정을 통해서 재생되어 흡수 공정으로 다시 투입

기체 흡수 공정에서는 그림 N-24와 같이 흡수탑에서 기체와 흡수제의 흐름이 향류로 작업

흡수제는 (	)

흡수되어야 하는 기체 성분은 흡수제에 의해 흡수되고 이는 액체 용액 상태로 탑 아래를 배출

보통 흡수탑은 대기압보다 높은 압력에서 작업하는데, 이는 기체의 용해도가 압력에 따라 증가하기 때문

탈거탑에서의(	)

탈거는 증류 또는 감압에 의해 이루어지는데 이는 흡수제의 물리· 화학적 물성에 따라 선택될 수 있다.

일반적으로는 감압에 의한 탈거가 널리 사용되며, 그 이유는 에너지 요구량이 적기 때문

흡수 또는 탈거 장치 설계에 있어 (

)

일정한 양의 액체에 용해되는 기체의 양은 한계가 있으며 일반적으로 기체의 용해도는 압력이 높고 온도가 낮을수록 높이진다.

여기서 : 액상 중의 기체의 몰분율

: 기체의 분압(atm)

: 헨리 상수(atm/몰분율)

헨리의 법칙은 산소, 수소, 탄산가스와 같이 용해도가 낮은 기체에는 잘 적용되나 암모니아, 염화수소와 같이 용해도가 크거나 이산화황과 같이 용해도가 중간인 기체들은 가 농도에 따라 변함

헨리의 법칙이 성립될 때 액체와 평형상태에 있는 기체의 몰분율을 라고 하면  돌턴의 분압 법칙에서

40℃, 전압 1atm의 액상에서 이산화탄소의 몰분율이 2.5 × 10-4이라면 기상에서 이산화탄소의 분압과 몰분율은 얼마인가? 단 H의 값은 4 × 10-3으로 한다.

전압 760mmHg, 온도 20℃, 수소의 분압 200mmHg로 된 혼합 기체가 있다. 이 때 수소의 분압과 몰 분율은 얼마인가?(단 H의 값은 5.19 × 102)으로 한다.

물이 298K에서 1기압의 공기와 평형을 이루고 있을 때 물에 용해된 산소의 농도는?(단  헨리 상수  H = 4.38 x104(atm)01다)

흡수 공정에서는 흡수제에 용해되는 기제 성분 A를 포함한 기상과 흡수제인 액상이 접촉하여 흡수 대상인 기체 A가 기상에서 기 액 계면(interface)으로 이동해 액상에 용해

용해된 기체 A는 기-액 계변에서 액체상으로 이동

이러한 물질 전달 구조를 간단히 나타내면 그림 lV -26과 같다. 그림의 좌측은 기상,  오른쪽은 액상이며두 경계가 기-액 계면이다.

예를 들어 액체에 기체가 들어가 기포가 될경우 기포 안이 기상이며 주위의 액체가 액상

기상 및 액상 본체는 잘 혼합되어 농도가 균일하지만 기-액 계면 근처에서는 혼합 효과가 충분하지 않은 정지된 앓은 막 상태가 계면 양쪽에 형성된다고 볼 수 있다.

이 영역을 각각 기체 경계막과 액체 경계막이라 하며 여기에서는 확산에 의한 물질 전달이 일어난다.

즉, 기상 및 액상 본체에서의 물질 전달 저항은 무시할 수 있으며, 경계면에서 형성되는 기체 경계막과 액체 경계막에서 물질 전달 저항의 대부분이 존재한다는 것이다.

또한 기-액 계면에서는 기체의 용해가 빠르게 일어나므로 계변에서는 항상 기-액 평형이 성립한다고 가정한다. 정상상태 가정 하에서 이를수식화시키면 다음과 같다.

여기서 기체의 흡수 속도(mol/m2·s), 와 는 각각 기상 기준 총괄 물질

전달 계수와 액상 기준 총괄 물질 전달 계수(mol/m2·s), 와 는 각각 기상 본체 및 액상 본체에서의 몰 분율, 는 와 평형을 이루는 액상 계변에서의 농도, 는 와 평형을 이루는 기상 계면에서의 농도가 된다.

(2) 흡착(adsorption)

고체와 액체, 고체와 기체, 액체와 액체 및 기체와 액체계면에서 기체 또는 액체 혼합물 중의 목적 성분을 제3의 물질을 사용하여 분리하는 조작

기상 흡착은 (	)

액상 흡착은 (	)

탄소 흡착은 환기 장치에 순환하는 공기로부터 H2S, CS2및 냄새나는 화합물들을 제거하는 데 이용

흡착의 분류

물리 흡착 (physical adsorption)

(	)

평형 상태에서의 흡착량 역시 기체의 분압과 온도에 따라 변하며 기체의 분압이 낮아지거나 온도가 상승하면 기체는 탈착(desorption)

가정에서 습기 또는 냄새 제거용으로 사용하는숭을 햇볕에 말리는 것도 바로 물리 흡착의 역과정인 탈착에 그 원리

화학 흡착(chemical adsorption)

(	)

촉매 반응을 이용한 반응공정에서 중요하며, 반응조작에서는주로 물리 흡착에 의한것이 많다.

흡착은 기상과 액상 모두에서 이루어질 수 있는데, 기상 흡착은 제습, 악취 제거, 가스 중 유용 성분의 회수 등에 이용되고 액상 흡착은 탄화수소의 분리, 용액의 탈색，물의 정수 등에 이용

공업적으로 사용되는 흡착제는 (

)

일반적으로 사용되는 흡착제는 활성 백토, 활성 알루미나, 활성탄, 실리카겔, 골탄, 합성 수지

① 활성 백토(activated clay)

점토를 산처리하여 얻은 흡착제

산처리하여 얻은 흡착제

분말상과 입자상으로 시판

윤활유와 유지류의 탈색, 정제, 석유류분의 탈색 혹은 탈수, 용제의 정제 등에 사용

② 활성탄(active carbon)

형상에 따라 분말과 입상탄으로 나누며 입상탄에도 성형탄과 파쇄탄으로 분류

미세공 구조가 고도로 발달하고 있기 때문에 우수한 흡착능을 가지고 있어 상하수도 처리, 정제, 기체의 흡착 등에 사용

③ 활성알루미나(Activated alumina)

알루미나 수화물을 가열 탈수하여 얻은 중간 알루미나

수분에 대한 흡착력이 강하기 때문에 주로 기체와 액체의 건조용으로 많이 사용

④ 제올라이트(zeolite)

분자체 (molecular sieve) 기능을 가지 며 , 세공은 3, 4, 5, 9, 10 Å 크기 의 균일한 세공을 갖는다

세공 직경이 4 Å 인 제올라이트는 메탄올과 에탄올은 흡착 하지 만 탄소수 3개 이상의 n-파라핀은 흡착하지 않으며 물과 같은 극성 분자에 대해서는 선택성

화학 공업에서 각 종 원료 가스, 액체의 탈수, n-파라핀의 분리 등에 사용

⑤ 합성수지(synthetic resin)

거대 망상구조를 가지는 수지로서 비극성에서 고극성을 가지는 여러 종류가 있다.

폐수처리, 단백질 분리, 과산화수소의 정제 등에 사용

⑥  이온교환수지

이온 교환 수지는 이온을 교환할 수 있는 산이나 염기 같은 기 (group)를 갖고 있는 물이나 용매에 녹지 않는 가교 수지

양이온을 교환할 수 있는 수지를 양이온 교환 수지,  음이온을 교환할 수 있는 수지를 음이온 교환 수지라 한다.

양이온 교환수지에 포함된 기는 -S03H, -COOH 등이며,  음이온 교환 수지에 포함된 기는 -NH2, -NOH 등

이온 교환 수지의 대표적인 이온 교환 반응식

R-S03-H+ +  Na+Cl- ↔  R-S03-Na++  H+Cl- : 강산성 양이온 교환 수지

R-N+OH- +  Na+Cl- ↔  R4- N+Cl-+  Na+OH-: 강염기성 음이온 교환 수지

이온 교환 수지는 광범위하게 사용되고 있지만 주된 용도는 용수 처리 및 순수제조

⑦ 실리카겔(silica gel)

구상, 파쇄상, 성형품, 분말상 등의 4종류로 시판

탈수, 석유유분의 분리 등에 사용

유체상(기상 또는 액상) 에 있는 용질의 농도와 흡착제에 흡착된 용질의 농도는 마치 기체 흡수에서의 액체의 기체에 대한 평형 용해도와 유사한 평형 관계

흡착되는 기체의 농도가 매우 낮고 기체가 흡착제의 표면에 단일 층으로 흡착된다고 가정하면 이는 기체 흡수에서의 헨리의 법칙과 유사한 식으로 표현

고체상 즉, 흡착제에서 의 용질의 농도를 q(kg 용질/kg 흡착제), 유체상에서의 용질의 농도를 c(kg 용질/m3유체) 라고하면

K는 실험적으로 결정되는 상수,  단위는 m3/kg 흡수제

유체에서 용질의 농도가 증가하고 흡착제 상의 흡착점에 흡착되는 용질의 분자수에 따라 다양한 흡착 등온식이 적용될 수 있다.

(1) 흡수 장치

흡수 작업은 물질 전달속도식에 의해 기체 흡수량을크게 하기 위해서는 기-액 접촉 면적 및 접촉시간이 커야하며 기-액의 교반 등과 같이 Kx또는 Ky를 크게 할 수 있는 조건 또는 높은 농도차(또는 분압차)가 필요

흡수 장치는 기-액 접촉 방식에 따라 (

)

기포탑은(

)

탑에서의 압력 손실이 커서 기체 주입을 위해 큰 동력이 필요하다는 단점이 있으나 기포를 작게 만들어 분산시키면 접촉 면적이 커져서 흡수 속도를 빠르게할 수 있다.

흡수하고자 하는 기체가 대량일 경우에는 대형화된 다공판 탑을 이용할 수 있으며 이 경우는 접촉 면적이 넓고 건설비가 싸다는 장점

기체는 아래에서 유입되어 다공판을 통과하면서 기포로 분산되어 올라 가고, 액체는 위로 유입되어 하강판을 통하여 내려오면서 다공판에 형성된 기포와 액체 사이에 물질 전달이 이루어지면서 흡수

기포의 크기에 따라 기-액 접촉 면적이 달라지므로 다공판의 구멍 크기는 흡수량에 영향을 줌

상승하는 기체 흐름에 (	)

작업시 탑에서의 압력 손실이 적으므로 압력 손실이 문제가 되는 분야에서 시용

다공판 흡수탑은 분리 중에 형성된 슬러리 (slurry)로 인해 충진물이나 다공판의구멍이 막혀 버리는 경우가 있으나 분무탑은 슬러리 형성으로 인한 문제가 없다.

분무탑에서는 조업 초기에는 흡수 속도가 크지만 시간이 지남에 따라 흡수 속도가 느려지며 탑의 단수 증가에도 한계가 있으며 또한 분무를 위한 액체 미립화에 많은 에너지가 든다는 단점

탑의 압력 손실은 (

)

액체의 흡수 속도는(

) 단점

액적의 집진 효과가 커서 사이클론(cyclone)이나 벤튜리 스크러버(venturi scrubber)등 집진 장치에도 많이 사용

대표적인 흡수 장치이며 널리 사용

탑 내부에 불활성 충전물이 들어 있고 흡수제가 탑 상부에서 투입되어 충전물의 표면을 지나 막 상태로 흘러내린다.

흡수 대상이 되는 기체는 탑 하부에서 투입되어 충전물 사이의 틈으로 상승하면서 흡수제와 접촉하여 기체 흡수가 진행된다.

충전물을 충전하여 접촉 면적을 크게 한 방식으로 기-액을 난류 상태로 접촉시켜 흡수속도를 크게 하여 준다.

탑에 충전물(packing materials)을 충전하게 되면 (

).

탑의 충전물은 기-액 접촉의 중요한 매개물이며 흡수액의 물성 기체 성분의 물성과 양에 따라선택해야 한다.

충전물 선택 시 고려하여야 할할 주요 조건은 다음과 같다.

탑내의 유체와 화학 작용이 없는 비활성물질이여야 한다(즉 내식성이 있을 것)

(	)

단위 용적당의 표면적이 커야 한다.

액과 기체의 접촉이 원활해야 한다.

공극률이 커야 한다.

(	)

충전물은 크게 랜덤 충전물(random packing)과 구조 충전물(structured packing) 으로 나뉜다.

① 랜덤 충전물

충전물의 재질은 목재, 도자기, 카본, 강철 등이 이용

② 구조 충전물

다공성 주름 금속판을 적층하면 흡수제는 금속판 표면을 젖게 하고 기체는 주름판 사이의 통로를 따라 흐르게 된다. 물질 전달 효과를 높이기 위해서는 주름판의 골의 배열,  표면 처리 등이 다르게 해야한다.

랜덤 충전물에 비해 상당한 물질 전달 면적을 제공할 수 있으나 값이 비싸다는 단점

편류 현상(channeling) :(

)

편류 현상은 규칙적으로 충전되어 있는 탑에서는 아주 심하고 분쇄된 입자를 불규칙적으로 충전하였을 때에는 덜 심하며, 특히 링과 같이 가지런한 충전물을 불규칙적으로 충전하였을 때가 편류 현상은 가장 적다.

편류를 피하기 위해서는 (

)

플러딩[일류 현상(flooding)] : (

)

플러딩 현상은 충전물의 종류, 크기 및 충전 상태에 등에 따라 달라질 수 있나 일반적으로 플러딩 유속의 50~80% 정도에서 조작.

(2) 흡착 장치

흡착 조작에서는 흡착제와 유제를 접촉시키는 방식에 따라 회분 조작과 연속 조작으로 분류

회분 조작에는 (

)

기상 흡착에는 고정 흡착층을 기체가 통과하여 흡착시거는 방법이 주로 사용되며 이 밖에 향류식 연속 흡착법도 사용된다.

액상흡착에는 회분식 흡착법 (1회 혹은 다중) 향류 다단 흡착법 및 유동층 흡착법 등도 사용.

흡착 장치는 (	)

(

)

붉은 용액에서 용질의 회수 및 불순물 제거 등 액상 흡착에 사용되는 회분식 흡착법

접촉 여과 흡착은 용액을 1회만 흡착제와 접촉시키는 단흡착,  용액을 여러 번 새로운 흡착제와 접촉시키는 병류 다회 흡착 및 용액과 흡착제를 향류 다회 흡착으로 분류

(	)

흡착제가 포화되면 충전되어 있는대로 탈착 재생하여 다시 사용

재생은 뜨거운 불활성기체로 행하지만 용매가 물과 섞이지 않는 경우에는 수증기가 일반적으로 더 좋다.

흡착과 탈착이 교대로 반복되는 방식으로 조작하기 때문에 흡착제를 충전한 흡착탑 한 개로는 연속적으로 원료를 처리할 수가 없으므로 보통 2~4개의 탑을 한 조로하여 하나의 탑을 재생할 동안 다른 탑에서 흡착을 수행

(	)

흡착이 끝나면 흡착제와 용액을 필터 프레스(filter press) 또는 진공 여과기로 분리

화학 공정의 각종 공정에서는 습도를 조절하지 않으면 원료나 제품에 나쁜 영향을 주며 불량품이 많이 발생

습도 조절이란 건조 공기나 수분을 포함한 기체 등을 이용하여 공정 내에 습도를 조절하는 조작

습윤 공기(wet air) : (	)

건조 공기(dry air) : (	)

증습(humidification) : (	)

감습(dehumidification) : (	)

조습(air conditioning) : (	)

(1) 습도(humidity)

공기 중에 포함한 수증기 양이나 비율을 수치로 나타낸 것

용도에 따라 여러 종류의 습도를 사용

공기중의 수증기의 분압 와 그 온도에서의 포화 수증기압 의비를 백분율로 표시한 것

대기 중에 포함되어 있는 수증기의 양을 그 온도의 포화 수증기량으로 나누어 나타낸다.

온도에 따라 변하여 공업적으로 잘 사용하지 않으나 물리학, 기상학 등에 많이 사용하는 습도는 보통 상대 습도, 화학 공학에서는 절대 습도를 사용하는 것이 편리

비교 습도와 상대 습도 사이의 관계

여기서 이므로 이다.

(	)

습윤 기체는 근사적으로 이상기체라고 볼 수 있으므로 수증기와 공기의 분압의 비는 그 몰수의 비와 같다.(돌턴의 법칙)

여기서 18 및 29는 수증기와 공기의 분자량

화학 공학에서 단지 습도라고 하면 보통 P = 1atm일 때의 절대습도를 말한다.

(	)

는 온도만의 함수이므로 전압 가 주어지면 는 온도만으로 정해진다. (값은 부록6의 물의 상태표에서 구한다.)

온도가 25℃, 전압 1atm에서 수증기의 분압이 18.5mmHg였다. 절대 습도, 포화 습도는 얼마인가?(단, 이 온도에서 물의 포화 증기압은 23.8mmHg이다.)

(

)

포화도(degree of saturation)이라고도 한다.

온도 25℃, 전압 1atm에서 수증기의 분압이 18.5mmHg였다. 상대 습도는 얼마인가?(단 이 온도에서 물의 포화 증기압은 23.8mmHg이다.)

30℃, 1atm에서 수증기의 분압이 23.87mmHg였다. 절대 습도, 포화 습도, 비교 습도 및 상대 습도는 얼마인가?(단 이 온도에서 물의 포화 증기압은 31.82mmHg이다.)

온도 49℃, 압력 1atm의 습한 공기 205kg이 있다. 이 중에 5kg의 수증기를 함유한다.

1. 수증기의 분압은 얼마인가?

2. 이 공기의 절대 습도는 얼마인가?(단 49℃에서 물의 증기압은 88mmHg)

3. 상대 습도는 얼마인가?

4. 비교 습도은 얼마인가?

(2) 이슬점(dew point)

(

)

이슬이 맺기 시작하는 온도

대기 중의 수증기의 분압이 그 온도에서 포화 증기압과 같아지는 온도

상대 습도가 100%되는 온도

습도가 그 온도에서의 포화 습도가 되는 점

(	)

(3) 습도 도표(humidity chart)

(	)

습도 도표의 기록 사항

(	)

(	)

(	)

(	)

(	)

그 외 습도 도표에 따라서는 (	), (	)

습도 조절에는 공기의 습도를 증가시키는 증습과 감소시키는 감습

증습 조작에는 수증기를 공급하는 방식, (

)

공기의 습도를 증가시키는 가장 간단한 방법은 수증기를 불어넣는 것이지만 온도 조절이 어려우므로 그다지 쓰이지 않는다.

증습 장치로는  횡형 분무실식 증습 장치, 분무 탑, 충전탑 등이 있다.

실용적으로는 분무탑 또는 충진탑을 이용하고 이 중에서 공기와 물을 충분히 접촉시켜서 증습

증습 방법은 (

)

단열 증습법

(

)

이 경우 공기의 상태변화는 대략 단열포화곡선에 따라서 진행해도 된다. 따라서 수온은 공기의 단열포화온도와 같다.

온수 증습법

(

)

단열 증습에 비하여 열 경제적으로는 약간 불리하지만 탑의 높이가 낮아도 된다. 또 공기의 온도를 자유로이 조절할 수 있는 이점

건조에서 사용한 공기를 재차 이용하거나 또는 냉방을 위해 공기의 습도를 감소시키는데는 여러 가지 감습 조작 방법이 있다.

냉각 감습법(cooling dehumidification)

가장 많이 쓰이는 방법

압축 감습법(compression dehumidification)

공기를 압축냉각하면 여분의 수증기가 응축되므로 습도를 극도로 저하시킬 수가 있다.

액체 공기를 만들 때 이 방법이 쓰인다.

흡수 감습법(absorption dehumidification)

(

)

건조제(흡수제)의 재생이 문제이고 대규모로는 적당하지 않다.

흡착 갑습법(adsorption dehumidification)

(

)

흡착제(adsorbent)는 100℃ 이상으로 고온 가열하던지 또는 화학적으로 처리하면 상당한 재생효과가 있으므로 최근 널리 사용

고체와 액체의 분리조작으로 불순한 용액으로부터 순수한 고체 결정을 얻기 위한 방법

(1) 결정의 형태

결정각과 축의 길이에 따른 분류

삼사정계(triclinic system) : (

)

단사정계(monoclinic system) : (

)

사방정계(orthorhombic system) : (	)

정방정계(tetragonal system) : (

)

삼방정계(trigonal system) : (	)

육방정계(hexagonal system) : (

)

등축정계(cubic system) : (	)

결정을 이루는 결합의 형태에 의한 분류

(2) 결정의 구조

결정 구조는 3차원적 구조의 공간적 배열을 이루고 있고 규칙적인 배열에 따라 다양하게 분류

원자 배열의 규칙성을 나타낼 수 있는 최소의 단위인 단위 셀 (unit cell)로 원자 배열의 규칙성을 설명

결정 구조에는 체심 입방 구조, 면심 입방 구조, 육방 밀집 구조 등

(3) 결정화의 원리

결정화 조작은 물질이 용액 중에서 결정 표면으로 이동하는 현상에 중점을 두고 있으며, 결정화 조작의 평형은 용액이나 모액(mother liquor)이 포화된 상태

농도는 용해도 곡선으로부터 얻을 수 있는데 용해도(solubility)는 주로 온도에 영향을 받으며 압력에 대한 영향은 무시

용해도 : 일정 온도에서 용매 100g에 녹는 용질의 g수

용해도 곡선

용해도 곡선은 온도 변화에 따른 용액 농도를 그린 것으로 결정화 조작 때 많이 활용

결정화 장치는 주로 용액으로부터 결정을 얻는 장치이며, 반응기 내에서 과포화를 유도하는 방법과 반응기 내 현탁액 속에서 결정을 키워 가는 방법으로 분류

크리스탈 올소형 연속 결정화 장치 :  (

)

진공 결 정화 장치 : (

)

① 냉각 결정화 장치

탱크형 회분식 정석기

(	)

보통은 막대기나 쇠사슬을 매달아서 결정이 성장할 수 있는 표면적을 준다.

교반 회분식 정석기

(

)

Swenson-Walker 정석기

연속식 장치로 반원통형의 외부에 냉각수용 자켓이 있고 내부에는 7rpm 정도로 회전하는 리본형 교반기가 있다.

② 증발 결정화 장치

염석 증발관-Krystal 정석기

(	)

대형의 균일 결정의 제조에 적합

③ 단열 증발 및 냉각 결정화 장치

진공 정석기

(	)