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리포트| 2023.03.13| 4페이지| 1,000원| 조회(182)

일반화학실험, 인하대학교, 실험결과레포트, 기체의 성질, 결보

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[2026 인하대 화학공학실험] 증류 실험 예비 보고서 (A+)

증 류Distillation실험 조: O요일 OO조 OOO 교수님작성자: OOO학번: OOOOOOOO실험 일자 : 0000-00-00제출 일자 : 0000-00-00담당 조교 이름 : OOO“나는 자랑스러운 인하인으로, 스스로의 힘으로 정직하게 레포트를 작성하였습니다.” + OOO + 서명__________________________________________________________________________________________________________________________실험 목적 및 필요성증류 실험에서는 특정 온도에서 두 가지 이상의 화합물로 구성된 혼합물로 부터 목표 물질을 얻어내는 증류의 원리가 사용된다. 실험에서 물질간 상호작용이 없는 물과 에탄올을 사용하고 각 성분의 몰분율과 증류온도를 Gas Chromatography를 이용해 계산한다. 또한 표준 곡선을 활용하여 성분과 농도를 계산해본다. 이 과정을 통하여 증류의 기본적인 원리와 기기의 사용법을 이해하는 것이 목표이다.서론증류는 다 성분 혼합물에서 상대 휘발도의 차이를 이용하여 혼합물은 분리하거나 정제하는 것을 말한다. 성유화학, 플랜트 등의 다양한 화학공정에서 보편적으로 사용되는 기술이다. 혼합물을 가열 후 다시 응축시키는 방식은 끓는점 차이를 이용해 고순도로 물질을 회수하는 원리에 기반한다. 증류는 화학공학의 핵심 기술 중의 하나이다.실험 이론평형 성질열역학적으로 두개 이상의 상이 외부의 개입이 없을 때 반응물과 생성물의 농도의 변화가 없어 화학적 평형에 도달하였다는 것을 의미한다. 즉, 정반응과 역반응의 속도가 같은 상태를 말한다. 거시적 으로는 물리적, 화학적 특성들이 변하지 않는 정체된 상태로 보이지만, 미시적으로 반응이 계속 진행되고 있고 정방향과 역반응의 전환 속도가 같은 상태이다. 상평형(Phase equilibrium)은 2개 이상의 상이 함께 존재하며 열역학적으로 평형을 이루는 것을 칭한다. 상평형은 순물질일 경우 두개의 변수(온도, 압력)의 dia 혼합물의 성분을 분리하는 공정과정에서 증류는 중요하다. 증류탑의 설계하기 위해서는 기-액 상평형에 대한 이해는 필수적이다.기-액 평형에 대한 이론Raoult’s law2개 이상의 물질로 구성된 액체가 분자간 상호작용이 거의 없는 이상용액처럼 거동할 때 적용가능한 법칙이다. 증기혼합평형으로 이루어진 이상용액의 경우 증기 중 용매성분 A에 대하여 증기압 PA는 (:A성분의 몰분율, : 순수한 성분 A의 분압) 로 구해진다. 용질성분 B도 로 낮은 압력 하에서 Dalton’s law와 결합하면 , 로 순수성분의 증기압과 기-액 평형관계를 나타낼 수 있다. Raoult’s law에 따르면 이상용액에서 증기압 감소는 용질의 몰분율에 비례한다. 즉, 로 표현되다.Henry’s law온도가 일정한 상태에서 용질의 농도가 낮아 용질 분자가 대부분 용매 분자로 둘러싸여 있어 Raoult’s law을 따르지 않는 경우에 용질에 대한 비이상용액의 평형을 해석한다. 이 경우 휘발성 용질의 분압은 액체에 용해된 용질의 몰분율에 정비례한다는 법칙이다. 수식적으로 (: 용질의 용해도[mol/L], : 기체상의 부분압력[atm], : 헨리 상수[M/atm]) 표현할 수 있다. 헨리 상수 값은 온도, 용매, 용질 등에 의해 영향을 받는다.Dalton’s law기체가 이상기체의 거동을 보인다 가정할 때 혼합기체에 가해지는 전체 압력(P)은 각 성분 기체의 부분압력의 합과 같다는 법칙이다. 수식적으로는 로 개별 성분의 분압 PJ의 합이 전체 압력이 된다.K – Value기-액 평형 상태에서 혼합물의 특정 성분에 대한 기체상과 액체상 사이에 몰분율 비율을 말한다. 수식으로는 로 전체 압력에 대한 순순한 성분의 증기압으로 나타낼 수 있다. 정의에 의해 Ki 값이 커질 수록 성분의 기체상이 액체상보다 더 존재하려는 경향이 있다.증류다성분계 혼합물을 분리하는 데 사용되는 공정이며, 기체-액체 혼합물의 액체를 기화시킨 후 증기를 다시 응축시켜 각각의 성분을 회수하는 과정이다. 휘발도 차이를 이용해 혼실험실 및 소규모 공업에서 사용된다.정류(Rectification): 휘발도가 비슷한 물질을 분리하려 할 경우 사용된다. 정류는 액상과 기상을 counter current로 다단 접촉시켜 기화와 응축 과정을 반복하여 증류한다. 기체 상과 액체(응축액) 상이 counter current로 접촉시켜 응축열에 의해 다시 끓는점이 낮은 성분을 증발시키는 과정을 통해 고순도의 분리가 가능하다. 증류탑의 상부부분에서는 끓는점이 낮은 물질, 하부에서는 끓는점이 높은 물질을 분리할 수 있다.그 외의 증류법평형 증류: 공정 설계 분야에서 플래시 증류(Flash Distillation)이라고 불리며 원액을 연속적으로 분리하는 공정이다. 고온, 고압의 다성분계 혼합물을 감압 밸브 혹은 팽창장치를 이용해 낮은 압력의 용기 내부로 분사하려 유체의 일부를 기화시키는 원리를 이용한다.분별증류(Fractional Distillation): 혼합물을 가열하여 증류기에서 여러 가지 간단한 증류방식을 적용하는 형태로 혼합물에 포함된 두 액체의 끓는점이 40°C 미만으로 가까울 때 효율적이다. 혼합물을 분별 Column에서 끓이고 긴 튜브를 따라 액체가 Column위로 올라갈 때마다 더 차가운 공기와 부딪혀 증발 및 응축이 반복되어서 일어난다. 단순증류와의 차이점은 액체의 기화 및 응축 횟수이다. 단순증류는 액체를 한 번 응축하는데 비해 분별 증류는 Column의 길이와 효율성에 따라 다르다. 석유화학, 석유정제, 천연가스 등에 활용된다.수증기 증류: 끓는점이 매우 높은 물질을 가열할 경우 열분해가 발생할 수 있는 유기 화합물을 분리 정제할 때 사용된다. 비수용성인 유기 화합물에 고온의 수증기를 직접 넣어 해당 물질의 본래의 끓는 점보다 낮은 온도에서 기화시키는 원리를 이용한다.분해 증류: 높은 압력과 열을 가해 어떤 물질을 그 성분 물질로 분해하는 분리법을 말한다. 화학적인 구조의 변화가 수반된다는 특징이 있다.분자 증류: 매우 낮은 압력에서 분자의 평균 자유 행로(Mean free path)물의 경우 상변환에 따른 조성의 변화가 없이 증발만 발생해 일반적인 증류로는 분류하기 어렵다.공비혼합물 증류법추출증류(Extractive Distillation): 기존 혼합물과 공비혼합물을 형성하지 않으며 끓는점이 상대적으로 높은 제 3의 물질(비휘발성 첨가제)을 첨가하여 혼합물의 특성 성분과의 상호작용을 통해 상대 휘발도에 변화를 주어 증류하는 방식을 말한다.공비증류(Azeotropic Distillnation): 혼합물에 제 3의 물질을 첨가하여 성분 중 하나와 새로운 공비혼합물을 형성하게 만드는 방법을 말한다. 새롭게 형성된 공비 혼합물을 끓는점이 낮아 쉽게 분리되고, 증류잔여물의 순도를 높인다. 증류 물질의 경우 이후 Decanter 등의 액-액 상분리를 통해 제 3의 물질을 분리해낸다.진공증류(Vacuum Distillation): 감압증류라고도 말하며, 시스템의 압력을 낮추면 물질의 끓는점이 낮아지는 원리를 이용한 증류방식이다. 진공을 통해 압력을 증기압 미만으로 낮추고 휘발성이 높은 액체를 증류하는 방식이다. 대기압 아래에서 혼합물의 끓는점이 혼합물의 성분에 중합, 열 균열 등의 악영향을 끼칠 우려가 있는 경우 사용된다.비중병물질의 밀도와 표준물질의 밀도 비율(비중)을 구하는 기구이다. 측정한 시료의 무게와 동일 온도, 부피의 물의 무게와의 비를 측정하여 비중을 계산하게 된다.수식으로는, 을 통해 계산 가능하다.크로마토그래피 (GC, LC)다성분계 혼합물을 단일 성분으로 분리하여 정성, 정량적 분석을 위한 분석기법이다. 혼합물 시료가 이동상 유체에 용해되어 관 내부에 고정되어 있는 정지상과 상호작용하게 된다. 정지상 혹은 이동상과의 친화력 차이로 시료의 이동속도의 차이가 발생한다. 이동상에 따라 종류가 나뉘는데 이동상이 기체상이면 기체 크로마토그래피(Gas Chromatography), 이동상이 액체상이면 액체 크로마토그래피(Liquid Chromatogrphy)다.기체 크로마토그래피(GC)는 시료가 고온에서 열분해 되지 않고 기화할 수 있는 화토그래피(LC)는 액체상의 이동상을 분리하여 분석하는 기법이다. Column이나 평면에서 분석이 수행되고 용매에 용해된 이온 또는 분자를 분리하는데 유용하다. 혼합물을 주입한 후 더 많은 용매를 넣는다. 이동상과 정지상 사이의 분할거동 차이에 의해 이동 속도가 달라지고 혼합물의 성분이 분리된다. 용매에 용해가 잘되는 용해성 시료를 사용해야 하며, 시료회수가 용이 하다. 현재는 혼합물의 일부 성분을 정제, 분리하기 위한 분취 규모 작업에서 사용되던 기존 LC 뿐 아니라 펌프를 이용해 이동상을 통과시켜 높은 해상도, 빠른 분석 시간을 제공하는 HPLC(High Performance liquid Chromatography)는 다양한 산업에서 열적 안정성이 떨어지는 물질을 분석하는 곳에 사용되고 있다.실험 방법농도 20, 50, 80, 100%의 에탄올 용액을 만든다.GC(Gas Chromatography)를 이용해 표준 곡선을 그린다.미지 시료의 농도를 GC를 이용해 측정한다.미지 시료를 증류 장치에 넣어 증류시킨 후 증류된 액체를 GC를 이용하여 성분 및 농도를 분석한다.미지 시료를 분석하는 표준 곡선은 로 도시한다.증류된 미지 시료의 mol%를 구하고 상평형도를 이용하여 증류 온도를 계산하다.비중병을 사용하여 결과를 분석하고 GC 분석결과와 비교한다.참고문헌J.M. Smith, H.C. Van Ness, M.M. Abbott / Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics 9th / 2021 / McGraw-Hill /pp. 430~431, 432~435, 463~475Warren L. McCabe, Julian C. Smith, Peter Harriott / Unit Operations of Chemical Engineering 7th / 2005 / McGraw-Hill /pp. 663~665, 759~760Frank Richard Evers / Development of a Liquid Chromatograp171

공학/기술| 2026.07.22| 7페이지| 3,000원| 조회(18)

화학공학실험, 증류, 인하대학교, 인하대, 2026

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[2026 인하대 화학공학실험] 유체유동 실험 예비 보고서 (A+)

유체유동 실험Fluid Mechanics Experiments (Reynolds Number, Head Loss)실험 조: O요일 OO조 OOO 교수님작성자: OOO학번: OOOOOOOO실험 일자 : 0000-00-00제출 일자 : 0000-00-00담당 조교 이름 :OOO“나는 자랑스런 인하인으로, 스스로의 힘으로 정직하게 레포트를 작성하였습니다.” + OOO + 서명실험 목적 및 필요성유체의 흐름을 통해 Renolds Number(Re)의 개념을 파악하고 Turbulent/Laminar flow 와 전이영역에서 유체의 흐름을 실험을 통해 관찰한다. Renolds Number를 이용해서 fraction coefficient(f)를 구하고 각 유체흐름에서의 관계를 파악하는 것이 목적이다. 또한 비압축성 유체흐름의 특성을 파악하고 공정에 사용되는 배관 부속품(오리피스,벤츄리, 플랜지, 마노미터 등)에서의 유속의 변화로 인한 압력의 손실두를 계산한다.이상 유체의 경우 유체의 흐름을 예측할 수 있다. 하지만 실제 유체의 거동은 난류 같은 비 선형적인 거동을 보이고 이러한 현상을 수학적으로만 계산한다는 것은 불가능하다. 즉, 실험적으로 얻어지는 경험적인 데이터를 통해 보안을 해야 하고 이러한 데이터들은 플랜트의 배관망 설계 등에서 공정에서의 효율과 안정성을 확보하기 위해 필요하다.서론화학 공정 및 플랜트에서 물질과 에너지의 이동은 유체를 통해 이루어지며 유체를 보다 효율적으로 이송하는 것이 공정 운영에 있어 중요하다. 이론과 달리 예측이 힘든 난류 같은 요인으로 공업 현장에서의 복잡한 시스템을 안전하게 관리하기 위해서는 유체의 흐름에 대한 이해가 필수적이다.실험 이론Raynolds number (Re)레이놀즈 수(Raynolds number)는 유체의 흐름에서 Inertial force와 Viscous force의 비를 나타내는 Dimensionless number이다. 유체의 거동을 해석하는데 있어 Re의 값에 따라 난류와 층류를 구분하는 기준이 된다. 파이프가 원형일 경우를 기준으로 (: 밀도, : 유체의 유속, : 관의 내경 혹은 특성 길이, : viscous)로 구할 수 있다. 파이프가 원형이 아닐 경우에는 D를 (hydraulic diameter)로 바꿔준다. 여기서 hydraulic diameter란 (A: 단면적, P: 젖은 면적)을 통해 구할 수 있다.원형 관을 기준으로 Re4000일 경우 유체 Turbulent flow(난류)가 된다. 2100≤ Re ≤ 4000일 때에는 전위 영역(Transition flow)라고 한다. 전이영역에서는 배관 입구의 형태나 입구로부터 거리에 따라 변동성이 크다.층류, 난류, 전위영역층류(Laminar flow)유체 입자들이 층을 이루며 평행하게 흐르는 상태를 칭한다. 즉, 파이프 내에서 유체의 흐름이 모든 입자의 방향이 축 방향이며, 관의 축에 수직하는 방향의 흐름이 없어 mixing이 일어나지 않는다. 당연히 eddy나 교차흐름이 일어나지 않는다. 물리적으로 유속이 느리거나 점성이 클 경우 발생한다. Re < 2100난류(Turbulent flow)유체 입자들이 불규칙적이게 섞이면서 eddy를 일으키며 흐르는 상태를 칭한다. 층류와 다르게 횡방향 혼합으로 관 전체에 비교적 균일한 분포의 유속이 발생한다. eddy와 swirl등이 관찰되고 Eddy란 유체가 교란되어 흐름 방향과 반대로 소용돌이 치는 현상을 말한다. 이러한 현상으로 인해 난류의 에너지가 흩어지고(dissipation) 그 과정에서 mechanical energy의 일부가 thermal energy로 변환된다. Re > 4000전이영역(Transition flow)층류에서 난류로, 난류에서 층류로 변하는 Re 영역에서의 유동상태를 말한다. 유체의 흐름이 매우 불안정하여 진동, 관의 거칠기, 밸브 등의 부속품의 형태 등 작은 원인에도 유동이 층류와 난류 사이를 오간다. 전이영역에서의 유속을 임계속도라고 한다. 2100≤ Re ≤ 4000마찰계수(friction coefficient)관의 벽면과 같은 고체 표면에서 흐르는 유체는 벽에 전단응력(shear stress),을 일으킨다. 마찰계수 friction coefficient는 shear stress와 유체의 점성으로 인하여 유체가 격게되는 흐름 저항의 크기를 나타낸 무차원수이다. 수식적으로는 (: 밀도, : 유속)로 정의할 수 있다. Log-log 좌표에서 층류 영역(Re < 2100)에서 f 값이 선형적으로 감소하는데, f와 Re의 관계를 로 표현이 가능하다. 이는 Hagen-Poiseuille식의 무차원 형태이다. 난류 영역에서는 마찰계수를 Prandtl-Karman식 (Re ≤ 3000), ( 등 Re의 범위에 따라 다른 식을 이용하여 구할 수 있다.Euler equation 및 Bernoulli's equationEuler equationEuler equation은 유체의 점성이 없다고 가정한 이상 유체의 거동을 기술한 운동량에 대한 방정식이다. 실제 유체의 거동을 설명하는 Navier-Stokes equation에서 점성(μ)을 0으로 두고 유도되었음. 의 형태이다.베르누이 방정식(Bernoulli’s equation)베르누이 방정식(Bernoulli’s equation)은 Euler equation을 유체의 흐름 선(유선, streamline)을 따라 적분한 것으로 유체가 흐를 때 각 부분에서의 속도 압력, 위치 사이의 관계를 나타낸다. 유속이 증가할 때 압력이 낮아지고 유속이 증가하면 압력이 상승하는데 이를 베르누이 정리라고 한다. 즉, 압력을 통해 유속을 알 수 있다.Bernoulli’s equation이 성립하기 위해서는 조건들이 필요하다. 정상상태 흐름(steady state flow), 비압축성 유체, 비점성 유체, 유선을 따라 흘러야 한다. 이 조건을 적용하면 (마찰이 없는 경우)이 된다. 위 식을 적분하면 이 된다. 이 식에 마찰 손실을 적용하고 운동에너지의 보정인자 α를 넣어주면 가 되고 는 손실두(마찰의 영향) 이다. 실험에서 (펌프가 해준일)이 0이기에 식을 정리하면 식을 이용하여 손실두를 구할 수 있다.마노미터, 손실두(head loss)마노미터배관에 흐르는 유체의 압력 차이를 측정하기 위해 사용되는 장치를 말한다. U 자형 마노미터의 경우 U자 관에 서로 섞이지 않고 밀도가 인 유체를 넣어 두 유체의 밀도차와 높이 차를 이용하여 압력차이를 구한다. 식을 통해 계산 가능하다.압력차가 작은 경우에는 경사형 마노미터를 사용하는데 이는 액면의 높이차가 아니라 액면차의 경사면의 길이를 통해 압력차를 구한다. 수식적으로는 (α: 경사각)를 통해 구할 수 있다.손실두유체가 관을 따라 흐르면 마찰이나 점성운동 등에 의해 에너지의 손실이 발생하는 것을 말한다. 손실된 에너지는 역학적 에너지로 환원될 수 없다. 베르누이 식을 유도하면서 구한 손실두 식과 베루누이 방정식에 실제 거동을 고려해서 마찰에 의한 손실(f), 축소손실, 확대손실, 이음쇠로 인한 손실를 적용한다. 이 되고 이를 연립하면= 식이 나오게 된다.Venturi meter, Orifice meter, Flange, ReducerVenturi meterVenturi meter는 배관의 단면적이 좁아졌다가 가장 좁은 목(Throat)부분을 지나 다시 완화되는 구조를 가지고 있다. 배관이 축소하는 축소부 전단과 목부분에서의 압력차이를 측정하여 유량을 계산한다. 연속방정식에 의해 유체의 유속은 관의 단면과 반비례이다. 즉, Venturi meter는 단면적 변화에 의한 압력변화를 측정해 유체의 속력을 구한다. 유선이 부드럽게 변해 eddy의 발생이 억제되고 영구적 압력 손실이 가장 적은 유량계이다. 단, 구조가 길고 복잡해 비용이 많이 들며 설치에 넓은 공간이 요구된다.Orifice meterOrifice meter는 Venturi meter의 비용적 단점을 완화하여 개발되었다. Orifice meter는 가운데 구멍이 뚫린 orifice plate가 들어가 있는 구조로 되어있다. 유체가 plate의 좁은 구멍을 통과하며 유속이 증가하게 되고 압력은 떨어지게 된다. plate 상류와 하류에 pressure tap이 설치 되어있다. 원리는 Venturi meter와 동일하지만 관에서 유체의 마찰이 커서 영구적인 압력 손실이 크다는 단점이 있다.FlangeFlange는 파이프와 파이프, valve, fitting 등에 연결하는데 사용된다. 양 파이프 끝에 Flange를 용접이나 나사를 이용해 결합하고 두 Flange 사이에 가스켓(Gasket)을 끼우고 볼트와 너트로 결합시킨다. 파이프를 영구적으로 용접하는 것이 아니라 교체나 유지보수에 유용하다.ReducerReducer는 직경이 다른 파이프를 연결시켜주는 부속품이다. 유체의 흐름의 방향으로 기준으로 직경이 커지는지 작아지는지에 따라 확대관/축소관이라고 부르며 동심이 같은 리듀서와 한쪽 평면이 평평한 편심 리듀서가 있다.실험 방법Reynolds number탱크에 물을 채우고 밸브를 열어 물의 흐름을 만들어준다.잉크를 이용하여 물의 흐름은 관찰하고 시간을 확인하여 유량을 구한다.유속을 변경하며 유량을 측정한다.위 과정 10회 반복(층류 3회, 난류 7회)손실두 구하기밸브를 열고 펌프를 이용해 파이프 내부의 공기를 뺀다.측정하려는 장치의 밸브만 열어 물이 흐르게 한다.마노미터를 이용해 압력차를 측정하고, 출구를 열어 유량을 측정한다.이 과정을 모든 관에 반복한다.참고문헌Warren L. McCabe, Julian C. Smith, Peter Harriott. / Unit Operations of Chemical Engineering 7th / McGraw-Hill / 2005 /pp. 34~36, 53 ~ 54, 86 ~ 93, 225 ~ 229William M. Deen / Introduction to Chemical Engineering Fluid Mechanics / Cambridge / 2016 / pp. 31 ~ 42공업화학 · 화학공학 실험 교재/인하대 화학공학과/pp. 60 ~ 71

공학/기술| 2026.07.22| 6페이지| 3,000원| 조회(21)

화학공학실험, 인하대학교, 인하대, 유체유동, 2026

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[2026 인하대 화학공학실험] 공정모사 예비 보고서 (A+)

Rachford-rice equation공정모사를 통한 평형 증류의 설계(Process Simulation – Flash Distillation Design)실험 조: O요일 OO조 OOO 교수님작성자: OOO학번: OOOOOOOO실험 일자 : 0000-00-00제출 일자 : 0000-00-00담당 조교 이름 : OOO“나는 자랑스런 인하인으로, 스스로의 힘으로 정직하게 레포트를 작성하였습니다.” + OOO + 서명실험 목적 및 필요성다성분계 혼합물의 VLE이론을 바탕으로 Flash Distillation 시스템을 설계하고 분석하는 것과 공정 모사 프로그램인 UniSim Design R420의 사용법과 원리를 이해하고 학습하는 것이 실험에 목적이다. 공정 모사는 실제 공업현장에 적용하기 전 비교적 짧은 시간과 비용으로 위험 요소들을 차단하기 위해 필수적이다.서론공정 모사를 이용하여 증류 방법 중 flash distillation 공정을 설계한다. 이후 프로그램을 이용하여 해당 공정을 시뮬레이션하고 프로그램을 통해 얻은 data값과 이론 방정식인 Rachford-rice equation을 통해 얻은 이론 값을 비교하고 실험 결과에 대한 분석 및 고찰한다.실험 이론Plant 산업(Engineering 산업) 간단한 설명과 Plant 산업에서 화공과가 하는 일‘Plant’란 원료를 가공하여 삶에 필요한 화학 제품(석유, 가스, 전기, 깨끗한 물)을 대량으로 만들어내는 거대한 종합 설비 시스템을 말한다. 목적에 맞게 생산, 운영에 필요한 공정을 설계하는 Software와 상품을 생산하기 위해 각종 기기, 설비 등으로 구성된 Hardware가 포함된다.즉, plant 산업은 공학적/경제적 지식 등의 전문지식과 고도의 제작기술을 이용하여 하나의 유기적인 시스템을 만들어내는 기술집약적 산업이다. 주로 설계(Engineering), 구매/조달(Procurement), 시공(Construction)방식으로 사업이 진행되며, 고부가가치를 창출하고 국내산업의 고도화의 기반이 되는 고려한, a는 기체의 종류에 따라 변하는 고유값으로 a==로 구해진다. 기체, 액체 상태에서의 값을 계산하기 쉽다는 장점이 있다. 임계점 부근에서 액체 상태의 밀도 예측에는 오차가 크다는 단점이 있음PR equationPeng-Robinson equation은 SRK equation에서 실제 실험 데이터에 비해 Zc(임계 압축인자)가 큰 값이 나와 액체의 밀도 계산 시에 오차가 발생하는 점을 보완하여 분자의 인력항에 b(V-b)를 추가해 임계 압축인자 값을 낮추고자 하였다. SRK equation보다 액상의 부피계산을 개선한 식이다. PR equation은 탄소가 6~10개인 탄화수소의 액상 밀도계산에 유용하다는 장점을 가지고 있다. 하지만 여전히 액상 밀도 계산값이 정확하지 않다. 편심입자 α는 α=[1+(0.37464+1.54226w-0.26992w2)(1-Tr0.5)]2을 통해 구할 수 있다(w는 acentric factor, 특정 환산온도 Tr=0.7에서 증기압과 단순 유체 사이의 차이를 나타냄). 매개변수 a, b는 , 를 통해 구할 수 있다.SRK equationSoave-Redlich-Kwong equation은 VDW equation의 정확성을 높이려 했던 RK 상태방정식 에 편심입자 α를 도입해 순수성분의 증기압 추산을 개선하고자 하였다. 편심입자를 도입해 임계온도 이상의 온도에서는 기존 상태 방정식들보다 정확하다. 하지만 임계 압축인자 값이 크게 나와 액체 밀도계산에 오차가 발생한다. PR equation과 같이 현대 공정 모사 프로그램에서 활용되고 있다.α=[1+(0.48508+1.55171w-0.15613w2)(1-Tr0.5)]2, ,VLE 설명 (라울의 법칙과 비휘발도를 이용한 설명)VLE(Vapor-Liquid Equilibrium)은 Closed System에서 기체와 액체상이 동적평형 상태를 말한다. 즉, 액체의 증발속도와 기체의 응축속도가 같다. 일정한 온도, 압력의 조건에서 VLE가 형성되고 기체상에서의 조성과 액체상에서의 조를 냉각하여 수집하는 방식이다. 공정이 시간경과에 따라 조성이 변하고 이로 인해 혼합물의 끓는점도 변하는 Transient state이다. 구성 성분들 사이의 끓는점 차이가 큰 경우에 적합한 방법이다. 저비용으로 빠르게 분리가 가능하지만 분리 효율은 낮다.분별증류: 단순증류를 보완한 증류방법이다. 혼합물의 액체 사이의 끓는점 차이가 작을 때 활용한다. 혼합물의 증기가 증류탑(Column)을 따라 상승하며 응축과 기화가 반복해서 일어나게 된다. 그 과정에서 끓는점이 낮은 액체부터 차례대로 분리가 된다. 단순증류는 다르게 분별증류의 경우는 Column 길이에 따라 다 회 기화-응축 과정을 거쳐 원유와 같은 다성분 혼합물의 분리가 가능하다. 분리효율은 높지만, 고비용, 분리에 오랜 시간이 걸린다.공비증류: 액체혼합물 중 특정 농도에서 기체와 액체의 조성이 같아져 분리하지 못하는 공불혼합물상태(Azeotrope)또는 구성 액체들의 끓는점차이가 거의 나지 않아 분리하기 어려운 경우에 이용된다. 기존 화합물에 공비제를 첨가하여 새로운 공비혼합물을 생성하고 원래의 혼합물보다 끓는점을 낮춰 증류를 실시하는 방법을 활용한다. 대표적인 예시로 물, 에탄올은 공비혼합물을 형성하는데 공비제인 벤젠을 가하면 끓는점이 높은 물이 제거되어 에탄올과 분리된다.진공증류: 시스템 내부의 압력은 낮춰 혼합물의 끓는점을 낮춰주는 방식을 활용한다. 감압증류라고도 불리며 표준상태에서 끓는점이 높아 증류하는데 어려움운 경우, 표준상태의 끓는점이 물질의 분해, 균열 등의 영향을 미치는 경우에 활용된다.평형증류: 연속적으로 공급되는 혼합물을 기체상과 액체상으로 분리하는 공정이다. 혼합물을 가열한 후 밸브를 통해 압력을 낮춰 혼합물의 일부가 기화되며 생성된 기체와 액체가 평형상태에 도달한 상태에서 분리된다. 분리된 기체를 응축시키는 증류 방법을 평형증류(Flash Distillation)라고 하며, 대표적으로 석유공업의 파이프 스틸, 해수의 탈염 등에 활용된다.Degree of Freedom 설명화학에서 켜 유체를 밀어내는 방식 피스톤, 플런저 펌프 등이 여기에 속한다. 왕복식, 회전식이 존재하며 고압 운용이 가능하여 점성이 높은 유체를 수송할 경우 유용하다. 그러나 터보형과는 다르게 송출유량이 적다는 단점이 있다.특수형 펌프터보형, 용적형에 속하지 않은 유체역학적 특수 현상이나 전자기력 등을 이용하여 유체를 이송하는 펌프를 말한다. 제트 펌프, 기포 펌프, 전자 펌프 가 이에 속한다.Heat exchanger열교환기는 온도가 다른 두개 이상의 유체가 섞이지 않게 하며, 고온의 유체에서 저온의 유체로 열에너지를 전달하는 장치이다. 화학, 정유, 발전 플랜트에서 원료를 가열, 냉각, 응축, 증발 등의 공정을 진행하기 위해 필수적으로 사용되는 핵심 설비이다.원통다관형 열교환기플랜트 산업에서 가장 광범위하게 사용되는 열교환기로 원통과 튜브 안으로 유체를 흐르게 하여 열교환을 일으킨다. 전열 면적이 넓어 대용량 공정 유체 냉각/가열 등에 이용된다.이중관식 열교환기가장 단순한 형태의 열교환기로, 소규모 공정이나 전열 면적이 적게 필요한 곳에 사용된다. 지름이 다른 두개의 금속관을 동심원상으로 포갠 형태이고 내관과 외관 사이에서 열교환이 일어난다.평판형 열 교환기일정한 간격으로 여러 개의 평판을 설치하여 표면적을 극대화해 좁은 공간에서도 높은 열전달 효율을 내는 열 교환기이다. 저압의 액체 간 열교환에 활용된다.나선식 열 교환기2장의 긴 금속판을 중심에서부터 나선형으로 감아 두개의 독립적인 유로를 형성한 구조의 열교환기이다. 고형물이 포함된 유체나 점도가 높은 유체를 다루는데 유용하다.코일형 열 교환기원통다관형이나 이중관식의 변형으로 용기 내부에 코일을 배치한 형태의 열교환기이다. 공간 제약이 있는 곳에서 주로 사용된다.Valve배관에 설치하여 유체의 흐름을 통제하는 기계 장치이다. 밸브는 유체의 유량, 압력, 유속, 방향을 조절한다. 목적과 배관의 환경에 따라 내부 구조가 달라짐으로 적절한 밸브 선택은 공정의 안전과 효율을 결정한다.Rachford-rice equati수 있다. NPSHa ≥ NPSHr × 1.3 조건을 충족해야 한다. NPSH1/r의 단위는 [m]이다.NPSHa(Available NPSH)는 배관 시스템에 의해 결정되는 값이다.를 통해 계산 가능하다. 는 해당 온도에서 포화 증기압, 는 흡입 실양정(수면을 기준으로 펌프의 중심선이 아래면+ 위면-), 는 흡입 배관 내의 총 마찰 손실 수두다. NPSHr(Required NPSH)는 펌프 제조사에서 펌프를 설계하고 테스트해서 제공하는 고유 스펙이다. 펌프 내부에서 발생하는 압력 강하를 극복하기 위해 최소한으로 요구하는 압력 수두를 말한다.LMTD에 대한 정의와 사용하는 이유 설명LMTD(Logarithmic Mean Temperature Difference)는 평균 온도 차이를 자연로그(ln)를 이용하여 수학적으로 계산한 값을 말한다. , 는 LMTD, 는 열교환기의 유입부와 유출부에서의 저온 유체와 고온 유체의 온도차이다.LMTD를 사용하는 이유는 온도의 변화는 선형적이지 않고 비선형적으로 변한다. 이는 선형이라 생각하고 산술평균을 사용할 경우 실제 평균 온도차보다 높게 평가되어 열전달에 필요한 면적을 잘못 계산하게 된다. 이는 공정에서의 결함으로 작용할 수 있기 때문에 이러한 오차를 줄이고자 LMTD를 사용한다.실험방법UniSim 프로그램을 가동, simulation basis manager을 통해 component list와 fluids package 입력한다.PFD 환경에 Feed stream을 생성하고 유량, 압력, 조성을 입력한다.펌프, 열교환기, 밸브를 설치하고, 각 장치의 사양을 작성한다.분리기를 설치하고 feed stream을 증기와 액체로 분리한다.Feed의 조성을 바꾸며 변화를 측정한다.참고문헌Peter Atkins / Atkins’ physical chemistry 12th / 2022 /Oxford University Press / pp. 123 ~ 124Warren L. McCabe, Julian C. Smith, Peter Harr~637

공학/기술| 2026.07.22| 8페이지| 3,000원| 조회(18)

화학공학실험, 인하대학교, 인하대, 공정모사, 2026

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[2026 인하대 화학공학실험] CSRT 예비 보고서 (A+)

CSTR을 이용한 Ethyl acetate와 NaOH의 비누화 반응 (Saponification reaction)에서의 반응 속도 측정실험 조: O요일 OO조 OOO 교수님작성자: OOO학번: OOOOOOOO실험 일자 : 0000-00-00제출 일자 : 0000-00-00담당 조교 이름 : OOO“나는 자랑스런 인하인으로, 스스로의 힘으로 정직하게 레포트를 작성하였습니다.” + OOO + 서명________________________________________________________________________________________________________________________실험 목적 및 필요성연속반응기의 한 종류인 CSTR을 이용하여 액상 반응인 비누화 반응(Saponification reaction)을 수행하고, 동일한 농도에서 Ethyl acetate와 NaOH의 반응을 통해 얻어진 데이터를 이용해 반응 차수(n)와 반응 상수(k)를 구하는 것이 목적이다. CSTR은 산업 현장에서 대량생산을 위해 자주 사용되는 공정 모델이며, CSTR에서 반응기의 모든 부분에서의 농도가 동일하다는 가정과 실제 공정에서 발생하는 교반의 효율과 dead zone 등의 요인으로 인해 발생하는 차이를 실험적으로 비교할 필요가 있다.서론화학 공정의 핵심 요소인 반응 속도론과 연속 반응기(CSTR) 설계의 원리를 이해할 수 있는 실험이며, 특히 비누화 반응은 Ethyl acetate와 NaOH의 반응으로 를 형성하고 이는 지시약을 통해 측정하여 반응의 차수와 반응 상수를 구해 볼 것이다.실험 이론반응기의 종류회분 반응기 (Batch reactor, BR)회분 반응기(Batch reactor, BR)는 반응기에 반응물들을 한번에 넣고 교반을 해 혼합된 생성물을 만들어낸다. 이는 시간에 따라 농도가 변하는 비 정상 상태의 공정이며 반응이 한번 시작하면 외부에서 가해주는 input 과 output이 없다. 적용 범위가 넓어 다양한 산업 현장에 적용이 가능하다품 등의 생산에 사용된다.플러그 흐름 반응기(Plug flow reactor, PFR)긴 관을 반응기로 반응이 관을 따라 흐르며 반응하는 방식이다. PFR은 흐름 방향(길이)에 따라 농도가 변하는 반응이지만 한 면에서의 근처인 면에서는 농도의 변화가 동일하다 가정한다. CSTR에 비해 단위 부피당 효율이 높으며, 낮은 운영 비용과 연속 운전(대량 생산)이 가능하다는 장점 있다. 다만 반응기의 내부 세척이 어렵고, 반응 온도를 조절하기 어렵다. 또한 발열반응의 경우에는 hot spot이 발생할 수 있다. 즉, PFR은 반응 온도를 조절이 쉽고, 반응 후 반응물의 잔량이 적은 공정, 고속 반응, 촉매를 사용하지 않는 고온 열 분해반응 등에 활용된다.연속 교반 탱크 반응기(Continuous stirred tank reactor)회분 반응기와 유사한 부분이 있지만 input과 output이 존재한다는 점에서 다르다. 반응기에서의 상태는 정상상태로 운용되며 반응기 내부에 농도는 균일하다고 가정한다. 이를 연속 교반 탱크 반응기(CSTR)이라 한다. 연속 운용이 가능하고, 반응 온도 조절이 쉬우며, 운영 비용이 저렴하다는 장점이 있다. 다만, 크기에 따른 낮은 전환율을 가지기도 하며, 교반이 잘 이루어지지 않을 경우 반응물이 순간적으로 유출되는 Short Circuit, Channeling, Bypass 등의 현상이 발생할 수 있다. CSTR은 강한 교반이 필요한 공정, 소용량의 정밀화학공정에 활용되고 있다.시약 특징 및 주의사항 (CH3COOC2H5, NaOH, HCl, CH3COONa, C2H5OH)Ethyl acetate (CH3COOC2H5)유기물질을 녹일 수 있고, 독성이 낮으며, 저렴한 가격 때문에 용매 혹은 희석제로 널리 사용되고 있다. 특유의 과일 향이 나고 투명한 무색의 휘발성 액체이다. 실험에서는 Ethyl acetate를 포함한 혼합물은 Column Chromatography 및 추출 등에 활용된다. 주의 사항으로는 인화성이 강하고 증기 흡입 시 어OH)양이온 Na+, 수산화 음이온 OH-로 구성된 이온 결합물로 흰색 고체이고 무취이다. 강염기성 고체이며, 물에 쉽게 녹는 조해성이 큰 물질이다. 공기 중의 수분 혹은 이산화탄소를 쉽게 흡수하여 탄산염이 되는 특성이 있으며, 수산화 나트륨은 Ester, Amide, Alkyl Halide의 염기기반 가수분해(비누화 반응: CH3COOC2H6+NaOH → CH3COONa +C2H5OH)에 사용된다. 주의사항으로는 조해성이 강해 보관시에 유의해야 한다. 발열성과 부식성이 강해 실험 시 피부나 안구에 접촉할 경우 화상 위험이 있어 장갑과 실험복 등의 보호 장비를 착용해야 한다.Hydrochloric acid (HCl)무색 액체이며, 자극적인 냄새를 가지고 있다. 강산성 용액이고 강염기인 NaOH와 결합할 경우 염이 생성된다. 실험 중에는 반응을 정지시키는 용도로 사용된다. 주의 사항으로는 부식성과 자극성이 강해 피부와의 접촉 시 화상을 유발하며 증기를 흡입 할 경우 호흡기 손상 위험이 있으므로 보호장비를 필수적으로 작용해야한다.Sodium acetate (CH3COONa)물에 약산인 아세트산과 강염기인 수산화 나트륨을 반응시켜 생성되며 비누화 반응의 생성물이다. 흰색의 결정성 분말이고 촉감은 소금과 유사하다. 물에 잘 용해되고 유기 용매에는 거의 녹지 않는다. 수용액은 약염기성을 띠며 융해열이 크다. 인체에 크게 유해하지는 않으나 풍해가 쉽게 일어나 밀폐용기에 보관해야 한다.Ethanol (C2H5OH)유기 화합물로 무색 투명한 액체로 특유의 냄새가 있다. 실험에서는 비누화 반응의 생성물이며, 인화성 액체로 연소하기가 쉽다. 연소 시 무연의 푸른 불꽃이 나온다. 다른 유기 화합물 합성을 위한 유기용매로 이용되고 소독, 살균용으로 사용되기도 한다. 주의사항으로는 인화성 액체로 불이 쉽게 붙으므로 화재를 유발할 수 있어 화기 사용에 주의해야 하며 보관 시에도 기화를 주의해서 보관할 필요가 있다. 농도가 높은 경우에는 점막을 자극할 수 있어 조심해야 하며 적은 양이지현하는 것이고 이 식에서 이고 만일 부피가 변하지 않는 반응일 경우 반응 속도식을 농도에 대한 식으로 바꿀 수 있고 이를 식으로 나타내면 이다. 는 반응속도식의 온도에 대한 의존성으로 아레니우스식에 의해 결정된다. 는 농도 항으로 반응물에 농도에 비례하는 지수함수 형태로 표현된다. 위 반응이 부피가 일정하고 Element reaction일 경우에는 으로 표현되고 반응의 차수는 a+b 가 된다.Mole balance를 이용한 반응 속도식 유도Mole balance식은 control volume 기준으로 [Control Volume으로 들어오는 mole fraction] – [Control Volume에서 나가는 mole fraction] + [Control Volume에서 물질의 생성속도] = [Control Volume에서의 축척량]이고 식으로는 [Rate of input] – [Rate of output] + [Rate of generation] = [Rate of accumulation] = 이 된다. 여기서 CSTR 기준으로 수정을 하면 임으로 이 되고 을 적용하고 –rA에 대해서 정리하면 식이 유도된다.아레니우스식는 반응속도 상수로 온도의 함수이다. 아레니우스식은 이 관계를 나타낸 식으로 화학 반응에 온도가 미치는 영향을 설명한다. 식으로 표현하면 이고 양변에 로그를 취해주면 로 표현이 가능하다. : 활성화 에너지, R: 기체상수, T: 온도를 나타낸다. A는 1/T과 ln k의 관계를 그래프로 표현했을 때 1/T = 0 에서의 값으로 빈도 인자(frequency factor)라 한다. 아레니우스식을 물리적으로 해석하면 활성화 에너지가 높은 반응의 경우 반응속도는 온도에 따라 크게 변하게 된다. 활성화 에너지가 0일 경우에는 반응 속도가 온도와는 무관한 값을 가지게 된다. 추가로 활성화 에너지가 음수일 경우에는 온도가 증가함에 따라 반응 속도가 감소하게 된다. 경우에 따라 그래프가 선형이 나오지 않을 때가 있다. 이러한 온도에 무관한 관계를 가지는 경우의 색변화를 관찰하여 용액의 농도를 구한다. 이 때 분석 용액이 염기인 경우 적정용액으로 강산을 산일 경우 적정용액은 강염기가 된다. 주황색 곡선은 HCl(강산)에 NaOH(강염기)를 적정한 경우이고, 보라색 곡선의 경우 CH3COOH(약산)에 NaOH(강염기)를 적정한 것이다. (수소이온)과 (수산화이온)의 양이 같아지는 지점까지의 사용한 NaOH 용액의 부피를 측정하여 미지용액과 표준용액 사이의 양적 관계를 계산하여 당량점까지 첨가된 표준용액의 부피를 측정하고 (N: 노르말농도 [용질의 당량수/용액의 부피]) 식을 통해 미지용액의 농도를 구할 수 있다. 종말점에 도달하게 되었는지는 급격한 pH변화, 색깔 변화 등을 통해서 알 수 있다. 종말점은 지시약의 색변화를 통해 실험자가 시각적 혹은 기기적으로 인식하는 지점을 말한다. 당량점과 종말점 사이의 오차를 적정오차라고 한다.실험 방법Ethyl acetate와 0.1M NaOH 용액을 각 11L씩 만들어 반응기에 주입한다CSTR을 작동한 후 반응물의 유입 속도를 조절한다유출용액 20ml를 1)에서 만든 표준 용액으로 적정한다적정을 사용된 HCl의 부피가 3번 일정할 때까지 반복한다5분마다 유출용액을 적정한다Ethyl acetate의 유입 속도를 변경하고 위 실험을 반복한다데이터를 통해 반응 속도식을 도출한다.참고문헌Peter Atkins 외 2명 / Atkin’s Physical Chemistry 10th / 교보문고 / 2020 / pp. 535~540, 553~556Octave Levenspiel / Chemical Reaction Engineering / WILEY / 1998 / Pp. 90~101Edward J. Neth 외 4명 / Chemistry: Atoms First / Openstax / 2018 / pp. 779~804, 896~932김남석 외 4명 / 연속반응기(CSTR)에서 스티렌과 부틸메타크릴레이트 용액 공중합의 반응속도론 / Theories and Applications of Chem

공학/기술| 2026.07.23| 6페이지| 3,000원| 조회(24)

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공학/기술| 2026.07.23| 16페이지| 4,000원| 조회(15)

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