01. 증류

(1) 증류의 원리

• 증류: 액체 혼합물에 열을 가해서 혼합물을 구성하는 성분들의 끓는점 차이를 이용해서 물질을 분리하는 작업
• 기-액 평형: 두 성분이 혼합된 액제가 밀폐된 공간에 있다고 가정하고 온도와 압력을 고정하였을 때 액상과 기상의 성분이 변하지 않고 일정하게 유지되는 상태
• 라울(Rault) 의 법칙: 이성분계의 혼합물에서 성분 A의 증기 분압 는그 성분의 증기압 와액상에서 몰 분율 를 곱한 것과 같다.

,  

• 돌턴의 분압 법칙 (Dalton’s partial pressure law): 전체 압력 P는 각 성분 분압의 합과 같다

(2) 단증류

일정량의 혼합 액체에서 증류 조작으로 나오는 증기를 응축기로 액화하여 목적 성분을 얻는 회분식 증류 방식이다.

(3) 정류

탑 안에 여러 개의 단을 만들어 상승하는 증기와 내려오는 액체가 계속적이고 반복적으로 접촉하게 하여 탑 위에서는 끓는점이 낮은 성분이 얻어지고, 탑 아래에서는 끓는점이 높은 성분이 얻어질 수 있는 물질 전달 조작이다.

(4) 정류탑

정류 장치의 구성 요소는 정류탑, 가열 장치, 응축기로 크게 나눌 수 있다. 정류탑은 증기와 액체를 접촉하는 장치로 단탑(plate tower)과 충전탑(packed tower)으로 나눌 수 있다.

02. 추출

(1) 추출의 목적과 원리

• 추출: 고체 또는 액체의 형태로 원료 중에 포함된 가용성 성분을 용매를 이용하여 원하는 성분만을 선택적으로 분리하는 조작. 액-액 추출(extraction)과 고 액 추출(leaching) 이 있다.
• 용매 (solvent): 원료로부터 원하는 성분을 추출하기 위해 사용되는 액체
• 용질 (solute): 원료 내에 포함된 추출 대상 물질. 용매에 완전히 용해되거나 부분적으로 용해될 수 있어야 한다.
• 추출상(extract phase): 추출 대상이 되는 용질을 많이 포함하는 상
• 추잔상(raffinate phase): 용질이 추출되어 빠져 나간 원료를 포함하는 상
• 액-액 추출에서의 분배 계수· 추출상에서의 용질의 농도와 추잔상에서의 용질의 농도 비로서 추출 성능을나타낸다.
• 고-액 추출(침출) : 용질을 용해시킬 수 있는 용매를 사용하여 고체 내에 포함된 특정 성분을 추출하는 조작

(2) 액-액추출장치

• 추출은 액상과 액상 간의 혼합이므로 별도의 기계적 에너지를 가하여 흔합하거나 흔합 이후의 상분리를 실시하기도 한다. 추출 장치는 조업 방식에 따라 회분식 추출 장치와 연속식 추출 장치로 니눌 수 있다.
• 연속식 추출 장치에는 혼합 침강기와 탑형 추출 장치가 있다.

(3) 고-액 추출장치

• 고체와 액체가 접촉하여 추출이 이루어지므로 접촉 면적이 커야 물질 전달이 잘 이루어질 수 있다.
• 고 액 추출 장치로는 고정상 추출 장치 (stationary-bed extractor)와 이동상 추출 장치 (moving-bedextractor)가 있다.

03. 흡수와 홉착

(1) 기체의 흡수

• 흡수(absorption, gas scrubbing) 에서는 기제 혼합물이 액체(흡수제 또는 용매)와 접촉하여 기체에서 액체로의 물질 전달에 의해 하나 또는 그 이상의 기체 성분이 선택적으로 용해된다.
• 물리 흡수(physical absorption) : 혼합 기체에서의 특정 기체 성분이 화학적 반응이 없는 상태에서 다른 성분에 비해 액제 흡수제에 더 잘 용해된다.
• 화학 흡수(chemical absorption) : 혼합 기제 내의 특정 기체 성분이 흡수제 내의 특정 성분과 화학 반응을 이용한다.
• 일반적인 기체 흡수 공정은 기체와 흡수제의 흐름이 향류로 조업되며 흡수탑은 대기압보다 다소 높은 압력에서 조업되며, 탈거탑은 흡수탑에서의 조업 압력보다 낮은 압력에서 조업된다.
• 헨리 (Henry) 의 법칙: 온도가 일정할 때, 액체에 용해되는 기체의 양은 압력에 비례한다.

• 기체의 전달 속도 : 기상 및 액상 본체에서의 물질 전달 저항은 무시할 수 있으며, 경계변에서 형성되는 기체 경계막과 액체 경계막에서 물질 전달 저항의 대부분이 존재한다. 계변에서의 기-액 평형과 정상 상태를 가정하면

• 흡수 장치는 기 액 접촉 면적 및 접촉시간이 커야 하며， 기 액의 교반 등과 같이 또는 를 크게 할 수 있는 조건 또는 높은 농도차(또는 분압차)가 펼요한데 이를 위해 기포탑, 분무탑, 충전탑을 사용한다.
• 충전탑에 사용되는 충전물은 기 액 접촉 면적을 증가시커고 기체와 액제를 난류 상태로 접촉하게 하여 흡수 속도를 증가시 킨다. 충전물은 랜텀 충진물과 구조 충진물로 나눌 수 있다.

(2) 흡착

• 흡착(adsorption) : 액체 혼합물 또는 기제 혼합물 중의 특정 성분과 선택적으로 결합할 수 있는 고제 물질을 이용한 공정. 이때 흔합물과는 다른 고체 물질을 흡착제 (adsorbent)라고 한다.
• 흡착 역시 흡수와 마찬가지로 물리 흡착과 화학 흡착으로 나눌 수 있다.
• 공업적으로 사용되는 흡착제는 다공성으로 내부 표면적이 대단히 크고 흡착성이 좋은 고체이며 널리 사용되는 흡착제로서는 활성백토, 활성탄, 활성알루미나, 제올라이트, 실리카겔, 합성수지 등이 있다.
• 흡착 조작에서는 흡착제와 유체를 접촉시키는 방식에 따라 회분 조작과 연속 조작으로 분류할 수 있다.
• 회분 조작에는 접촉 여과 흡착법과 고정층 흡착법이 있으며, 연속 조작에는 이동층 흡착법과 유동층 흡착법이 있다.
• 이온 교환 : 혼합물 속에 들어 있는 양이온, 음이온, 비이온 성분 등을 이온 교환체의 이온 선택적으로 교환하는 화학반응
• 이온 교환 수지: 이옹을 교환할 수 있는 산이나 염기 같은 기 (group)를 갖고 있는 물이나 용매에 녹지 않는 가교 수지를 말하며, 양이온 교환 수지와 음이온 교환 수지가 있다.

04. 습도

(1) 습도 조절

• 습도란 공기 중에 포함한 수증기 양이나 비율을 나타내는 것
• 상대 습도 : 일정 온도의 대기 중에 포함되어 있는수증기의 양을포화수증기량으로나눈것
• 절대 습도 : 1 kg의 건조 공기 속에 공존히는 수증기 양
• 포화습도 : 일정한 온도에서 포화공기의 절대 습도
• 비교 습도 : 절대 습도와 그 온도에서의 포화습도의 비를 백분율로 나타낸 것
• 이슬점 : 불포화 상태의 공기가 냉각될 때 포화되어 응결이 시작되는 온도

(2) 습도 조절 조작

• 증습 조작 장치에는 수증기를 공급하는 방식, 높은 습도의 공기를 흔합하는 방식, 단열 증습하는 방식 이 있다.
• 감습 조작 장치는 냉각에 의한 감습 방법을 많이 이용한다.

05. 결정

(1) 결정화

• 결정화 : 여러 성분이 섞인 용액에서 목적 성분을 고체화하여 분리하는 조작
• 결정 구조 : 체심 입방 구조, 면심 입방 구조, 육방 밀집 구조 등
• 결정화의 원리 : 일반적으로 증발에 의한 방법과 용해도 차이에 의한 냉각 방법
• 용해도: 일정 온도에서 용매 100g에 최대한 녹는 용질의 g수를 의미하며， 용해도는 결정화 조작에서 중요함

(2) 결정화장치

결정화 장치는 주로 용액으로부터 결정을 얻는장치이며 반응기 내에서 과포화를 유도하는 방법과 반응기 내 현탁액 속에서 결정을 키워 가는 방법으로 분류한다.

 

 

Ⅳ. 물질 전달

  01. 증류

     1. 증류의 원리

     2. 증류의 종류와 특성

     3. 정류

     4. 정류 장치의 물질 수지

  02. 추출

     1. 추출의 정의와 원리

     2. 액-액 추출 장치

     3. 고-액 추출 장치

  03. 흡수와 흡착

    1. 흡수와 흡착의 원리 이해

    2. 흡수와 흡착 장치

  4. 습도

    1. 습도 조절

    2. 습도 조절 조작

  05. 결정

    1. 결정화

    2. 결정화 장치

   

    단원 학습 정리

    대단원 평가