2성분계 CFC대체 혼합냉매의 상평형에 관한 연구

박 지 영*,  임 종 성,  이 병 권,  박 건 유,  이 창 하*

한국과학기술연구원 CFC대체연구센터

*연세대학교 공과대학 화학공학과

A Study on the Phase Equilibria of Binary

Refrigerant Mixtures as CFC Alternatives

Ji-Young Park*, Jong-Sung Lim, Byung-Gwon Lee

Kun-You Park, Chang-Ha Lee*

CFC Altertives Research Center, KIST

* Department of Chemical Engineering, Yonsei University

서론

CFC 화합물은 우수한 물성으로 인해 그동안 산업계의 여러분야에서 다양한 용도로 널리 사용되어 왔으나, 오존층 파괴의 주요인으로 밝혀짐에 따라 Montreal Protocol에 의해 그 생산 및 사용이 규제되고 있는 바, 대체물질을 개발하기 위한 연구가 전세계적으로 매우 활발히 진행되고 있다.

본 연구에서는 CFC 대체냉매 후보물질들에 대한 열역학적 물성자료를 얻기 위하여 2성분계 상평형 실험을 실시하였다. HFC-32, HFC-134a, HFC-125, HFC-152a 및 iso-Buthane으로 이루어지는 혼합냉매의 상평형 실험을 통하여 기-액 평형 Data를 측정하고, 실험결과를 Peng-Robinson 상태방정식, Canahan- Staring-Desantis 상태방정식을 사용하여 비교검토하였다.

이론

실험결과 얻어진 VLE Data의 열역학적인 검증으로 Peng-Robinson 상태방정식과 Canahan-Staring-Desantis 상태방정식을 사용하였다.

Peng-Robinson Equation of State

[eqn: P = {RT OVER {V-b}} - {a(T)} over {V(V+b) + b(V-b)}]

[eqn: a=(0.457235R^2 T_c /P_c ) alpha (T)],     [eqn: b=0.077796RT_c /P_c]

[eqn: alpha ( T )=[1+k(1-T_r ^0.5) ]^2],      [eqn: k=0.37464+1.54226 omega - 0.26992 omega ^2]

Mixng rule      [eqn: b_m ={ SUM from { i } sum from {j}X_i X_j (b-a/RT ) _ij } over {(1-A_ INF ^E /CRT - SUM FROM {i} x_i a_i / RTb_i )}]

Canahan-Staring-Desantis Equation of States

[eqn: Pv over RT = {1+y+y^2-y^3}over{(1-y)^3} - a over {RT (v+b)}]

[eqn: y= b over 4v],         [eqn: a=a_0 exp(a_1 T+a_2 T^2 )],       [eqn: b = b_0 + b_1 T + b_2 T^2]

Mixing rule

[eqn: a = SUM SUM x_i x_j a_ij] ,           [eqn: b=sum sum x_i x_j b_ij]

실험

1.Equilibrium cell        2.Liquid circulation pump         3.Vapor circulation pump          4.Constant temperature oil bath        5.Magnetic stirrer          6.Pressure indicator

7.Temperature indicator      8.Vapor samplingvalve                 9.Liquid sampling valve

10.Sampling supplying pump   11.Line filiter     12.Vaccum pump    13.Carrier gas

14.Gas Chromatographe        15.Integrator       16.Circulator     17.Check valve

Fig. 1  Schematic Diagram of VLE Apparatus

Table. 1과같이 4가지 Binary system에 관한 실험을 수행하였으며 사용된 물질의 물성치는 Table. 2에 나타낸 바와 같다.

Table. 1  Binary systems in this work

	Temperature (K)
HFC-32 + iso-Buthane	301.75 K / 321.75 K
HFC-134a + iso-Buthane	303.15 K / 323.15 K
HFC-125 + HFC-152a	298.15 K
HFC-32 + HFC-152a	303.15 K / 323.15 K

Table. 2  Properties of refrigerants

	M.W	Tc(K)	Pc(kg/cm2)	□
HFC-32 (difiuoromethane)	52 .024	351.5	59.3	0.276
HFC-125 (pentafluoroethane)	120.022	342.0	35.1	0.2587
HFC-134a (1,1,1,2-tetrafluoroethane)	102.032	380.0	37.6	0.2391
R-600a (iso-Buthane)	58.124	408.1	37.2	0.1772
HFC-152a	66.051	386.6	45.9	0.266

결과 및 검토

본 실험결과 얻은 VLE Data로부터 x-y diagram/P-x-y diagram을 나타내었다.  HFC-32/iso-Buthane System은 74.0 mol%(301.75K), 76.0 mol%(321.75K)에서, HFC-134a/iso-Buthane System은 90.0mol% (303.15K), 93.0 mol%(323.15K)에서 각각 공비조성을 나타내었으나, HFC-125/HFC-152a System과 HFC-32/ HFC-152a System에서는 공비조성이 발견되지 않았다.

Peng-Robinson Equation of States(PR EOS)와Canahan-Staring-Desantis Equation of states(CSD EOS)를 사용하여 실험 Data와 비교한 결과, 두 경우 모두 실험치와 비교적 잘 일치하였다.

참고문헌

1.S. Malanowski, A. Anderko : "Modelling Phase Equilibria" John Wiley    &Sons, Inc (1992)

2. Lim, J.S.and Kim, J.D : "Vapor-Liquid Equillibria of the binary Systems

Nitrogen + Bromochloro-methane, + Bromochlorodifluoromethane, + 1,1,1,2,

3,3,3-Heptafluoropropane, and + Trifluoroiodomethane from 293.2 to 313.2K     and 30 to 100 bar" J. Chem. Eng. Data, 42, 112-115 (1997)

Fig. 2 x-y/P-x-y diagram of HFC-125 + HFC-152a system

Fig. 3 x-y/P-x-y diagram of HFC-134a + iso-Buthane system

Fig. 4  x-y/P-x-y diagram of HFC-32 + HFC-152a system

Fig. 5  x-y/ P-x-y diagram of HFC-32 + iso-Buthane system