게시판 > 질답게시판 > 감압증류 질문

스테파노 Stefano

21-05-20 14:48

(1) 맞습니다. 감압증류(진공증류)는 증발장치 내에서의 온도와 압력이 평형을 이루게 됩니다.

진공증류장치내에서도 위치에 따라 온도와 압력이 달라지는데 증발이 일어나고 있는 액상의 표면에서의 액체의 온도와 기상에서의 증기의 온도는 같습니다. 또한 그때의 기상의 압력은 그 액체의 온도에 해당하는 증기의 압력, 즉 증기압입니다.

진공장치가 처음 운전되기 시잘할 때에는 공기가 존재하지만 진공을 걸어주면 시스템내에 존재하는 공기는 모두 배출되고 증발되는 증기가 장치내의 압력을 유지하게 됩니다.

처음운전 시작전 장치내 압력은 대기압 760mm Hg(계기압력은 0 mm)이고 수봉식 진공펌프를 가동하기 시작하면 절대압력이 760-->30 torr 로 낮아지면서 장치를 가열하지 않아도 공기가 빠져 나가면서 저비점 물질의 일부가 증발되면서 온도가 점점 내려갑니다. 이때에도 절대압력과 온도가 평형되는 온도에 이른 후 더이상 증발되지 않습니다.

그 상태에서 가열하게 되면 다시 저비점 물질이 증발하기 시작하고 액상에 저비점 성분의 양이 줄어들면 점점 온도가 올라가서 30 torr 상태에서 온도와 압력이 평형을 이루면서 더 이상 증발하지 않습니다.

이제 진공을 더 걸어주게 되면 증발이 일어나면서 온도가 낮아집니다. 그러나 저비점 성분이 증발되어 나가면서 액의 온도는 다시 점점상승하여 다시 기-액 평형상태에 도달하게 되는데 평형상태도달 후 에서는 더이상 온도-압력이 달라지지 않습니다.

30torr에서 진공Booster를 이용하여 5~10 torr 되도록 진공도를 높여주면 온도가 약간 낮아지는 이유는 처음 진공을 걸어주기 시작할 때와 비슷한 상황이기 때문입니다. 저비점 물질이 더 증발하면서 증발잠열을 가지고 달아나기 때문에 온도가 낮아진 것인데 이 상태로 가열을 계속하면 진공도는 거의 변함없이 온도가 상승하여 다시 압력-온도가 변하지 않는 평형에 도달하게되고 그 상태에서 더이상 증발이 일어나지 안고 고비점 성분이 고온의 액체상태로 남아있게 됩니다.

(2) 두번째 질문..
30 torr로 진공상태가 유지된 상태에서 Booster를 가동하면 증기 배출이 늘어나면서 온도가 낮아집니다. <증기배출속도가 늘어났다>는 이야기는 증발(증류)속도가 순간적으로 늘어났다는 이야기입니다. 기-액 (온도-압력)이 평형을 이루고 있다가 갑자기 진공도를 높여주면 순간적으로 온도가 떨어지는 이유는 증발속도에 비해 가열속도가 늦기 때문입니다.

증발속도는 가열열량에 비례합니다 (비례상수= 1/λ).

(가열열량 Q, kcal/h) = (증발속도 m kg/h) * (증발잠열 λ kcal/kg) .....(1)
(증발속도 m) = (가열열량 Q kcal/h) / (증발잠열 λ kcal/kg) ....(1a)

(3) 기-액의 평형 (참고)

증발장치 내 액상 온도 T 에서의 전체압력 P = Σ Pi = P1 + P2 + P3 ........(2) 달톤의 분압법칙, i =1,2....성분번호
액상혼합물 성분 i의 기상증기의 분압 Pi = πi * xi ...........(3) πi = i 성분의 온도 T에서의 증기압, xi= i성분 액상몰분율

액상과 평형을 이루고 잇는 증기혼합물 전체의 압력 P = Σ (πi * xi ) = π1 * x1 + π2 * x2 ......(4) 라울의 법칙,
기-액 평형상태에서 기상 혼합물의 i 성분 기상몰분율 yi = Pi/P,

(1) 맞습니다.   감압증류(진공증류)는 증발장치 내에서의 온도와 압력이 평형을 이루게 됩니다.

진공증류장치내에서도 위치에 따라 온도와 압력이 달라지는데 증발이 일어나고 있는 액상의 표면에서의 액체의 온도와 기상에서의 증기의 온도는 같습니다.  또한 그때의 기상의 압력은 그 액체의 온도에 해당하는 증기의 압력, 즉 증기압입니다.

진공장치가 처음 운전되기 시잘할 때에는 공기가 존재하지만 진공을 걸어주면 시스템내에 존재하는 공기는 모두 배출되고 증발되는 증기가 장치내의 압력을 유지하게 됩니다.

처음운전 시작전 장치내 압력은 대기압 760mm Hg(계기압력은 0 mm)이고 수봉식 진공펌프를 가동하기 시작하면 절대압력이 760-->30 torr 로 낮아지면서 장치를 가열하지 않아도 공기가 빠져 나가면서 저비점 물질의 일부가 증발되면서 온도가 점점 내려갑니다.   이때에도  절대압력과 온도가 평형되는 온도에 이른 후 더이상 증발되지 않습니다.

그 상태에서 가열하게 되면 다시 저비점 물질이 증발하기 시작하고 액상에 저비점 성분의 양이 줄어들면 점점 온도가 올라가서 30 torr 상태에서 온도와 압력이 평형을 이루면서 더 이상 증발하지 않습니다.

이제 진공을 더 걸어주게 되면 증발이 일어나면서 온도가 낮아집니다.   그러나  저비점 성분이 증발되어 나가면서 액의 온도는 다시 점점상승하여  다시  기-액 평형상태에 도달하게 되는데  평형상태도달 후 에서는 더이상 온도-압력이 달라지지 않습니다.

30torr에서 진공Booster를 이용하여 5~10 torr 되도록 진공도를 높여주면 온도가 약간 낮아지는 이유는 처음 진공을 걸어주기 시작할 때와 비슷한 상황이기 때문입니다.   저비점 물질이 더 증발하면서 증발잠열을 가지고 달아나기 때문에 온도가 낮아진 것인데  이 상태로 가열을 계속하면 진공도는 거의 변함없이 온도가 상승하여 다시 압력-온도가 변하지 않는 평형에 도달하게되고  그 상태에서 더이상 증발이 일어나지 안고 고비점 성분이 고온의 액체상태로 남아있게 됩니다.

(2) 두번째 질문..
30 torr로 진공상태가 유지된 상태에서 Booster를 가동하면 증기 배출이 늘어나면서 온도가 낮아집니다.  <증기배출속도가 늘어났다>는 이야기는 증발(증류)속도가 순간적으로 늘어났다는 이야기입니다.   기-액 (온도-압력)이 평형을 이루고 있다가 갑자기 진공도를 높여주면 순간적으로 온도가 떨어지는 이유는 증발속도에 비해 가열속도가 늦기 때문입니다.

증발속도는 가열열량에 비례합니다 (비례상수= 1/λ).

(가열열량 Q, kcal/h)  =  (증발속도 m kg/h) * (증발잠열 λ kcal/kg) .....(1)
(증발속도 m) = (가열열량 Q kcal/h) / (증발잠열 λ kcal/kg) ....(1a)

(3) 기-액의 평형  (참고)

증발장치 내 액상 온도 T 에서의 전체압력  P   =  Σ  Pi    = P1 + P2 + P3 ........(2)   달톤의 분압법칙, i =1,2....성분번호  
액상혼합물 성분 i의 기상증기의 분압 Pi  =   πi   * xi  ...........(3)   πi = i 성분의 온도 T에서의 증기압,  xi= i성분 액상몰분율

액상과 평형을 이루고 잇는 증기혼합물 전체의 압력 P = Σ  (πi   * xi ) =  π1 * x1 + π2 * x2 ......(4)   라울의 법칙,     
기-액 평형상태에서 기상 혼합물의 i 성분 기상몰분율   yi = Pi/P,

학부4학년 vsrv

21-05-25 10:19

답변 정말 감사드립니다.
한가지만 추가로 아래 인용에서

증발속도는 가열열량에 비례합니다 (비례상수= 1/λ).

(가열열량 Q, kcal/h) = (증발속도 m kg/h) * (증발잠열 λ kcal/kg) .....(1)
(증발속도 m) = (가열열량 Q kcal/h) / (증발잠열 λ kcal/kg) ....(1a)

증발잠열은 반응액의 온도가 낮아질 수록 커지는 것으로 알고 있는데, 그렇다면 가열열량은 변함이 없을테니 증발속도가 줄어드는 것으로 이해해도 될까요?

1. 수봉식 가동시 : 30torr로 줄어든 압력과 평형을 이루는 온도까지 가열없이도 자연히 증발되며 온도가 감소 -> 평형 이후엔 가해지는 열량이 증발잠열로 변환되며 증발됨.
2. 부스터 가동시 : 5torr로 줄어든 압력과 평형을 이루는 반응액 온도까지 증발되며 온도가 감소 -> 평형을 이룬 후엔 가해지는 열량이 증발잠열로 변환되며 증발됨(이때 증발잠열이 커져, 증발속도가 감소함)

스테파노 Stefano

21-05-25 11:45

(1) <..그렇다면 가열열량은 변함이 없을테니 증발속도가 줄어드는 것으로 이해해도 될까요?..>
=> 1a 수식의 의미는 가열열량이 동일해도 증발량은 증발잠열의 크기에 반비례한다는 뜻이고... 추가 질문에서 1a 식의 의미에 관해 설명하자면.. "(증발잠열은 상수라고 볼수 있기때문에) 가열열량에 비례하여 증발량속도가 정해진다는 것입니다.

온도가 낮아지면 증발잠열이 커지는데 (운전조건이 정해진 상태라고 하면 증발잠열은 상수입니다.) 따라서 가열열량이 상수라면 증발량은 압력, 온도가 낮아지면 약간 줄어든다고 이해하면 됩니다.

(2) 동일 가열량일 때 증발압력이 30 torr일 때와 5 torr일 때의 잠열차이에 따라 증발량이 달라진다는 것을 설명했습니다.

증발압력이 낮아지면 증발온도가 낮아져 동일한 가열매체를 사용할 경우 온도차가 늘어나 전열속도가 늘어나기 때문에 전열량이 늘어나지만 증발잠열은 늘어나 증발량이 작아집니다. 즉 동일 전열매체로 가열할 때 30 torr일 때보다 5 torr일때 전열량이 커지는대신 잠열이 커져서 증발량은 작아집니다. 증발온도가 낮아지면 온도차가 늘어나는데 아래 식으로 전열속도가 정해집니다.

앞선 답글에서는 가열열량은 상수라고 보고 증발량을 비교한 것이지만 실제로는 증발온도가 낮아지면 아래의 수식의 맨 마지막 변수인 온도차는 증가하게 됩니다. 따라서 (전열량이 달라지는 )엄밀한 계산에서 압력변화에 따른 증발량은 이 (전열속도, 잠열) 두가지 요소를 모두 검토해 봐야할 사항입니다.

(가열열량=전열속도, Q kcal/h) = (전열계수, U kcal/h/m2/℃) * (전열면적, A m2) * (온도차, Δt ℃)....(2)