게시판 > 질답게시판 > 증류탑 내에서 물질전달을 논하는 이유?

낭만고양이 kornight

12-08-08 16:28

단일성분 물질이라면 말씀하신 대로 mass transfer 를 논하는게 의미가 없습니다.

2성분 이상의 혼합물에서는 온도/압력 별 상대휘발도가 다름을 이용하여 분리를 하게됩니다.
이과정에서 기-액 접촉에 의해 열교환을 하게되고 각 온도별 상대휘발도에 따라
vaporizing/condensing이 일어나게 됩니다.

이 과정에서 Mass Trafnsfer 는 각 단의 주어진 압력/온도에서 상대휘발도에 의한 기-액 평형에
이르기까지 각 성분의 농도가 변화하는 데에 관여합니다.

낭만고양이 kornight

12-08-08 16:31

다시 말하자면.
기체가 올라가고 액체가 떨어지는 과정에서 서로 접촉하게 되고.
열교환을 하면서 평형상태에 이르게 되는데 이 과정에서 mass transfer 가 일어납니다.

ami001 vancouuver

12-08-09 13:01

감사합니다.

큰 도움이 되었습니다^^

스테파노 Stefano

12-08-09 16:24

(1) 물질전달 현상은..
Phase간에 접촉하고 있는 면적을 통하여 물질이 이동되어 나가는 현상을 말합니다. 액상 혹은 기상 각 Phase내에서도 물질이 이동되어 나가는 거리방향의 농도 Gradient (=∂C/∂x )에 비례하고 물질전달저항에 반비례하여 농도가 낮은 방향으로 물질이 이동되어 나갑니다.

(2) 기-액 평형은...
여러 성분의 혼합물 상태에서 특정 성분이 액상에서 나타내는 증기압과 기상에서 나타내는 분압이 같아짐으로써 겉으로보기에 물질전달이 더이상 일어나지 않는 상태을 말합니다. 물질전달은 평형에 도달할때까지 일어나는 현상이지만 그 평형상태는 물질전달에 의해 도달하는 시간을 언급하지는 않습니다. 그러나 어느 물질이

(3) 상대휘발도와 증류탑의 원리는...
상대휘발도는 일정온도에 두 성분 각각의 평형상태에서 기상의 분압과/액상의 증기압과의 상대적인 비율을 말하는데 평형에 도달하였을 때 기-액 각상에서의 물질의 상대적 분포를 추정할 수는 있지만 물질전달 속도를 아야기 해주지는 않습니다. 다만 상대휘발도가 큰경우 분리탑의 단수는 작아도 될 것이라는 판단은 할 수 있지요.

혼합성분의 액을 증발시키면 저비점성분의 함량이 높은 증기와 고비점 물질의 성분함량이 높은 액상으로 되는데 탑의 상부로 올라가는 증기를 응축시킨 다음 다시 증발, 응축시키는 것을 반복하면 저비점 성분은 탑의 상부로 올라가며서 순도가 높아지고 반대로 탑의 하부로 내려가면서 고비점 물질이 남게되는데 이 원리가 증류탑의 운전원리입니다.

(4) 증류탑에서 기상은 위로, 그리고 액상은 아래로 내려가는 현상은
중력장 내에서 무거운 유체는 하부로 가벼운 유체는 상부로 올라가는 현상이지만 이는 물질전달현상이라고 언급하지 않습니다 이 현상에 의해 특정성분의 농도가 달라지는 것은 아니지요. 수증기가 하늘로, 빗방울이 땅으로 이동하는 것은 물질전달현상이라고 하지 않지요. 이 과정에서는 각 성분별 물질이동 특성의 차이는 구별되지 않습니다.

그러나, 증류탑 내에서 액상과 기상이 서로 접촉하는 면적에서 열전달과 물질전달 현상이 함께 일어나 액상의 저비점 성분이 증기로 이동하고 고비점 성분은 액상에 남게 되면서 증류작용이 일어나게 되지요. 증류탑 Feed 단 상부에서는 기상으 저비점 성분에서 고비점 성분이 먼저 응축되면서 하부로 내려오고 Feed단 하부에서는 내려오는 액상으로부터 저비점 성분이 분리되면서 점점 고비점 성분의 농도가 높아집니다.

(1) 물질전달 현상은.. 
Phase간에 접촉하고 있는 면적을 통하여 물질이 이동되어 나가는 현상을 말합니다.  액상 혹은 기상 각 Phase내에서도 물질이 이동되어 나가는 거리방향의 농도 Gradient (=∂C/∂x )에 비례하고 물질전달저항에 반비례하여 농도가 낮은 방향으로 물질이 이동되어 나갑니다.

(2) 기-액 평형은... 
여러 성분의 혼합물 상태에서 특정 성분이 액상에서 나타내는 증기압과 기상에서 나타내는 분압이 같아짐으로써 겉으로보기에 물질전달이 더이상 일어나지 않는 상태을 말합니다.   물질전달은 평형에 도달할때까지 일어나는 현상이지만 그 평형상태는 물질전달에 의해 도달하는 시간을 언급하지는 않습니다.  그러나 어느 물질이

(3) 상대휘발도와 증류탑의 원리는...  
상대휘발도는 일정온도에 두 성분 각각의 평형상태에서 기상의 분압과/액상의 증기압과의 상대적인 비율을 말하는데 평형에 도달하였을 때 기-액 각상에서의 물질의 상대적 분포를 추정할 수는 있지만 물질전달 속도를 아야기 해주지는 않습니다.  다만 상대휘발도가 큰경우 분리탑의 단수는 작아도 될 것이라는 판단은 할 수 있지요.

혼합성분의 액을 증발시키면 저비점성분의 함량이 높은 증기와 고비점 물질의 성분함량이 높은 액상으로 되는데 탑의 상부로 올라가는 증기를 응축시킨 다음 다시 증발, 응축시키는 것을 반복하면 저비점 성분은 탑의 상부로 올라가며서 순도가 높아지고 반대로 탑의 하부로 내려가면서 고비점 물질이 남게되는데 이 원리가 증류탑의 운전원리입니다.

(4) 증류탑에서 기상은 위로, 그리고 액상은 아래로 내려가는 현상은
중력장 내에서 무거운 유체는 하부로 가벼운 유체는 상부로 올라가는 현상이지만 이는 물질전달현상이라고 언급하지 않습니다 이 현상에 의해 특정성분의 농도가 달라지는 것은 아니지요.  수증기가 하늘로, 빗방울이 땅으로 이동하는 것은 물질전달현상이라고 하지 않지요.   이 과정에서는 각 성분별 물질이동 특성의 차이는 구별되지 않습니다.

그러나, 증류탑 내에서 액상과 기상이 서로 접촉하는 면적에서 열전달과 물질전달 현상이 함께 일어나 액상의 저비점 성분이 증기로 이동하고 고비점 성분은 액상에 남게 되면서 증류작용이 일어나게 되지요.  증류탑 Feed 단 상부에서는 기상으 저비점 성분에서 고비점 성분이 먼저 응축되면서 하부로 내려오고 Feed단 하부에서는 내려오는 액상으로부터 저비점 성분이 분리되면서 점점 고비점 성분의 농도가 높아집니다.

ami001 vancouuver

12-08-09 18:05

정말 감사 드립니다.

제가 이해한게 맞다면,

1) 증류탑 내에서 vapor 의 경우 낮은 MW 에 의해 상부로 향하는 것은 농도변화에 따른 이동이 아니므로
mass trasfer 라고 부르지 않으나, 상부로 향하는 vapor 가 농도차에 의해 확산되는 부분이 있다면 이는
mass transfer 이다.

2) mass transfer 는 증류탑의 경우 각 단에서 기액평형에 도달할 때 까지만 일어나는 것이며,
이론적으로 완전한 기액평형에 도달하여 기상과 액상에서의 농도가 같다면 mass transfer 는 발생하지 않는다.
(실제 평형상태에서는 기상에서 액상으로, 액상에서 기상으로 이동속도가 같으나 이 때는 mass transfer 를 논하지
않는다)

상기와 같이 결론을 내려도 무방한지요?

ami001 vancouuver

12-08-09 18:34

그런데 아직 의문이 해소된 것 같지 않아 한가지 더 문의 드립니다.

열전달에 의해 혼합물이 비점차에 따라 분리가 되는 것은 어느 정도 이해가 됩니다만
농도차에 의한 mass transfer 는 아직 잘 모르겠습니다.

증류탑 내에서 농도차에 의해 mass transfer 가 일어난 다는 것이 분리를 용이하게 하는 것인가요? 아니면 분리를 방해하는 쪽으로 일어나는 것인가요?

만약 톨루엔과 벤제를 분리하는 탑이라면 mass transfer 는 농도차에 의해 어떻게 움직인다는 것인지요? (열전달을 무시할 때)

의문이 해소되지 않아 한 번 더 문의 드립니다.
바쁘신 와중에 답변 주셔서 진심으로 감사 드립니다.

스테파노 Stefano

12-08-09 20:33

Q1) <증류탑 내에서 vapor 의 경우 낮은 MW 에 의해 상부로 향하는 것은 농도변화에 따른 이동이 아니므로
mass trasfer 라고 부르지 않으나, 상부로 향하는 vapor 가 농도차에 의해 확산되는 부분이 있다면 이는
mass transfer 이다.>
==>A1) 증류탑 내의 물질 전달은 탑의 하부에서 상부로 혹은 상부에서 하부로 일어나는 물질전달현상이 아닙니다. 액상의 저비점 물질이 접액부 표면으로 이동하고 표면에서 증발하여 기상으로 이동하며 이때 기상의 고비점 물질이 접액부 표면에 응축되면서 응축잠열은 저비점 물질의 증발에 이용되기 때문에 기-액의 접촉면에서는 물질전달과 열전달현상이 동시에 일어납니다.

Q2) <mass transfer 는 증류탑의 경우 각 단에서 기액평형에 도달할 때 까지만 일어나는 것이며,
이론적으로 완전한 기액평형에 도달하여 기상과 액상에서의 농도가 같다면 mass transfer 는 발생하지 않는다.
(실제 평형상태에서는 기상에서 액상으로, 액상에서 기상으로 이동속도가 같으나 이 때는 mass transfer 를 논하지
않는다)>
==>A2) 이런 결론을 내릴 수 없습니다. Mass Transfer는 각 단에서 기-액 평형에 도달하면 더이상 물질전달이 일어나지 않는 것처럼 동적 밸런스가 유지되는 것입니다.

"기-액평형" 이라는 말은 기상과 액상에서의 농도가 같다는 의미가 아니고 기상이나 액상에서 각각의 농도변화가 일어나지 않는다는 것을 말합니다. 예를들어 평형농도는 x=0.25, y=0.4와 같이 몰분율이 다르지만 일정하게 유지되는 조건입니다.

증류탑 내에서는 각 단에서 평형에 도달된 상태로 유지되는 것은 아닙니다. 각단에서 평형에 도달하려고 액상의 성분이 기상으로 이동하려는 Driving Force가 존재하기 때문에 물질전달 현상이 일어나는 것입니다.

Q3) <농도차에 의한 Mass Transfer ??>
==>A3) 물질전달을 일으키게 하는 Driving Force는 농도차이이고 평형농도에 도달하지 않은 상태에서는 평형에 도달 하기 위해 물질의 이동(전달)이 일어납니다.

평형에 도달된 혼합액을 다시 가열하면 또다른 평형증기 농도에 평형을 이루기 위해 더 많은 저비점 증기가 액상에서 기상으로 그리고 고비점 증기는 기상에서 액상으로 물질이동이 일어납니다.

Q4) <증류탑내의 Mass Trasfer는 분리에 도움을 주는가 악영향을 주는가?>
==>A4) 앞선 설명을 읽어보세요. 증류탑에서 Mass Trasfer없으면 무용지물입니다. 당연히 Mass Trasfer 현상이 있어야 물질의 이동이 일어나게 됩니다.

Q5) <톨루엔과 벤젠의 분리 원리 ??>
어느 특정단에서 50%B+50%T 혼합물의 평형증기 농도가 75%B+25%T라고 인데 만일 시스템 내의 증기농도가 이 농도에 도달하지 않았을 경우에는 50%액상에 머물고 있는 B는 증발하여 기상으로 이동하여 기상농도 75%를 만들려고 할 것입니다. 기상농도가 평형농도 75%에 도달했다고 하면 액상의 B는 더이상의 증발되지 않게 됩니다.

50%액 중의 B는 표면에서 증발하여 기상으로 이동하고 액상 표면의 B는 Bulk 농도보다 낮아지는데 Bulk 상태에 있던 B는 액의 표면으로 이동하게됩니다. 이 과정은 액상에서의 물질전달이고 액의 표면에서 증발하는 것은 액상에서 기상으로 액이 증발하는 물질이동이며 증발된 B가 Bulk 25%농도가 되는 쪽으로 물질전달이 일어납니다.

물질이동은 열역학적 평형상태로 이동하는 자연현상이고 평형상태에서는 시간에 따른 공정변수의 변화가 없는 상태입니다. 평형상태에서는 Driving Force가 0이 되는데 물질전달에서의 평형상태는 평형농도에 도달했다는 의미이지 (기상에서와 액상에서의) 농도가 같다는 의미가 아니라 현재의 (기상 혹은 액상에서의)농도가 평형농도에 도달했다는 것을 말합니다.

물질전달 교재의 첫부분에서 Fick's Law 설명된 부분을 주의깊게 읽어보세요.

Q2) <mass transfer 는 증류탑의 경우 각 단에서 기액평형에 도달할 때 까지만 일어나는 것이며, 
    이론적으로 완전한 기액평형에 도달하여 기상과 액상에서의 농도가 같다면 mass transfer 는 발생하지 않는다. 
    (실제 평형상태에서는 기상에서 액상으로, 액상에서 기상으로 이동속도가 같으나 이 때는 mass transfer 를 논하지 
    않는다)>
==>A2) 이런 결론을 내릴 수 없습니다.   Mass Transfer는 각 단에서 기-액 평형에 도달하면 더이상 물질전달이 일어나지 않는 것처럼 동적 밸런스가 유지되는 것입니다.

"기-액평형" 이라는 말은 기상과 액상에서의 농도가 같다는 의미가 아니고 기상이나 액상에서 각각의 농도변화가 일어나지 않는다는 것을 말합니다.   예를들어 평형농도는 x=0.25, y=0.4와 같이 몰분율이 다르지만 일정하게 유지되는 조건입니다.

증류탑 내에서는 각 단에서 평형에 도달된 상태로 유지되는 것은 아닙니다.  각단에서 평형에 도달하려고 액상의 성분이 기상으로 이동하려는 Driving Force가 존재하기 때문에 물질전달 현상이 일어나는 것입니다.

Q3) <농도차에 의한 Mass Transfer ??>
==>A3) 물질전달을 일으키게 하는 Driving Force는 농도차이이고 평형농도에 도달하지 않은 상태에서는 평형에 도달 하기 위해 물질의 이동(전달)이 일어납니다.

평형에 도달된 혼합액을 다시 가열하면 또다른 평형증기 농도에 평형을 이루기 위해 더 많은 저비점 증기가 액상에서 기상으로 그리고 고비점 증기는 기상에서 액상으로 물질이동이 일어납니다.

Q4) <증류탑내의 Mass Trasfer는 분리에 도움을 주는가 악영향을 주는가?>
==>A4)  앞선 설명을 읽어보세요.  증류탑에서 Mass Trasfer없으면 무용지물입니다.  당연히 Mass Trasfer 현상이 있어야 물질의 이동이 일어나게 됩니다.

Q5) <톨루엔과 벤젠의 분리 원리 ??>
어느 특정단에서 50%B+50%T 혼합물의 평형증기 농도가 75%B+25%T라고 인데 만일 시스템 내의 증기농도가 이 농도에 도달하지 않았을 경우에는 50%액상에 머물고 있는 B는 증발하여 기상으로 이동하여 기상농도 75%를 만들려고 할 것입니다.   기상농도가 평형농도 75%에 도달했다고 하면 액상의 B는 더이상의 증발되지 않게 됩니다.

50%액 중의 B는 표면에서 증발하여 기상으로 이동하고 액상 표면의 B는 Bulk 농도보다 낮아지는데 Bulk 상태에 있던 B는 액의 표면으로 이동하게됩니다.  이 과정은 액상에서의 물질전달이고  액의 표면에서 증발하는 것은 액상에서 기상으로 액이 증발하는 물질이동이며 증발된 B가 Bulk 25%농도가 되는 쪽으로 물질전달이 일어납니다.

물질이동은 열역학적 평형상태로 이동하는 자연현상이고 평형상태에서는 시간에 따른 공정변수의 변화가 없는 상태입니다.  평형상태에서는 Driving Force가 0이 되는데 물질전달에서의 평형상태는 평형농도에 도달했다는 의미이지 (기상에서와 액상에서의) 농도가 같다는 의미가 아니라 현재의 (기상 혹은 액상에서의)농도가 평형농도에 도달했다는 것을 말합니다.

물질전달 교재의 첫부분에서 Fick's Law 설명된 부분을 주의깊게 읽어보세요.

ami001 vancouuver

12-08-10 08:28

진심으로 감사 드립니다.

기액평형에 대한 정의부터 확실히 숙지한다면 농도차에 의한 물질이동은 아주 자연스러운 현상이라는 것을 알게 되었습니다.

다시 한 번 감사 드립니다!!