감압하에서 2성분 Isopropyl ether-Isobutanol 계의 기액평형치의 추산

김종식↕·이준만

계명대학교 화학공학부

The Prediction of Vapor-Liquid Equilibrium Data for Isopropyl ether-Isobutanol Systems at Subatmospheric Pressure

Jong-Shik Kim↕·Joon-Man Lee

Department of Chemical Engineering, Keimyung University, Taegu

1. 서 론

화학공업은 원료에 물리 화학적 변화를 주어 의식주와 문화생활에 중요한 역할을 하는 여러 가지 제품을 생산하는 공업이다.  대부분 화학변화를 이용하여 제품을 생산 하지만 반응전의 원료 물질과 제품을 분리정제 하는데 많은 시설 투자비와 운전비가 소요된다.  분리정제 공정이 많은 투자비를 필요로 하는 이유는 이 공정의 기술 여하에 따라서, 고 순도의 의약품, 염료, 농약 등 고부가가치 정밀화학제품과 고 순도 반도체 원료 등 수많은 첨단 신소재 물품의 창출이 가능해지기 때문이다[1]. 열 분리공정(thermal separation process)은 산업현장에서 가장 많이 이용되는 분리공정으로 증류, 추출, 흡수, 결정화 등 평형단에 기초한 물질 전달을 이용하는 분리법이 주종을 이룬다. 혼합물 분리를 위한 공정 설계에는 정확한 상평형 자료를 비롯하여 다양한 물성 및 열역학 성질을 필요로 한다.  이의 확보여부는 산업적으로 최적의 분리공정 설계에 직결되어 막대한 에너지와 생산비의 절감 요인으로 작용한다. 정확한 상평형 자료에 의해 기존 공정을 더 잘 이해하고 새로운 공정의 개념확립 및 고 순도 정밀 화학 제품의 생산에 크게 기여할 수 있다 [2].

2성분계 기-액평형치의 추산에 대한 식으로는 활동도 계수와 액조성관계로부터 Margules식, Van Laar식, Wilson식, NRTL식 및 UNIQUAC식 등이 있고, 화학식의 관능기에 의한 추산법으로 ASOG법 과 UNIFAC법 있다. 또 휘발도와 액조성 관계로부터 Prahl[3]과 Park[4]에 의하여 추산식이 제안 되었다. Prahl은 3정수추산식을 Park은 분자구조가 비슷한 2성분계로 이루어진 계에 대하여 대기압 상태에서 2정수 추산식을 발표한바 있다.

본연구에서는 2성분 Isopropyl ether-Isobutanol 계에 대하여 감압하에서의 기-액평형치를 측정하고 그 측정치를 이용하여 기-액평형치를 추산하는 식을 구하고, 실측치와 추산치를 비교검토하고자 한다.

2. 실험장치 및 방법

2성분계 기-액평형 실험은 Othmer type의 기상 재순화 방식의 장치 (Sibata, Othmer Type B, Japan)를 사용하였고, 그 개략도를 Fig.1에 나타내었다.

1. law material inlet	9. digital manometer

2. liquid phase outlet	10. cock

3. vapor phase outlet	11. manostat

4. magnetic stirrer	12. trap

5. thermometer in liquid phase	13. cock(capillary)

6. thermometer in vapor phase	14. vacuum pump

7. Ni-Cr wire	15. transformer

8. condenser	16. transformer

Fig. 1. Schematic diagram of the experimental apparatus.

실험방법은 기-액 재순환 장치에 약 300ml의 시료를 넣고 100, 200, 300, 400, 500, 600,  및 760 Torr로  일정하게 유지시켜 천천히 가열하고, 장치내의 온도가 올라감에 따라 시료는 기상이 생성되어 냉각기를 통하여 응축되고 다시 액상과 혼합하는 순환 과정을 거친다. 평형상태에 도달하게 되면 더 이상 온도는 변하지 않으며 충분한 시간동안 온도가 변하지 않으면 기상과 액상의 시료를 채취한다.

시료의 분석은  Anton Paar사의  DMA 4500인 Density meter를 사용하였다.

3.결과 및 고찰

3.1 비 휘발도와 액조성 관계

본 연구에서는  Isopropyl ether-Isobutanol 2성분 계에 대하여 300, 760 Torr에서의 기액평형조성을 Fig. 2, Fig.3 에 나타내었다. 감압 하에서 기-액평형 데이터를 이용하여 다음의 (1)식에서 정의된 비 휘발도와 액조성의 관계로부터 기-액평형 추산하는 식을 구한다.

[eqn: { alpha }_{12 }`=` { {y }_{1 } } over { {x }_{ 1} } / { {y }_{ 2} } over { {x }_{2 } }]                         1)

Isopropyl ether-Isobutanol 2성분계 감압하에서의 기-액평형치로부터 구한 비 휘발도의 대수치(log□)와 액조성([eqn: x] )과의 관계를 각각 종축과 횡축으로한 직교 좌표에 plot하면 직선이 평형을 이루고 이들을 최소자승법에 의하여 구하면 slope를 구한 후 비 휘발도의 대수식과 액조성과의 관계식들을 각 압력에 대한 식과 하나의 식으로 만들기 위하여 각 직선과의 intercept(절편)[B]와 온도(□)를 log취해서 구한 그래프가 직선이 되면  2성분계 기-액평형에서 비휘발도와 [eqn: x] -[eqn: y]관계는 다음 식으로 표시된다.

[eqn: y`=` { alpha` x} over {`1`-`x`(`1- alpha `) }]                         2)

저압 하에서의  Isopropyl ether-Isobutanol 2성분계의 [eqn: x] -[eqn: y] data는 1), 2)식은 MathCad을 사용하여 [eqn: x] -[eqn: y] data를 구하여, 측정치의 추산식을 구한다.

4. 결 론

본 연구에서는 2성분계 Isopropyl ether-Isobutanol계에서 비휘발도의 대수식과 액조성의 관계로부터 감압하의 [eqn: x] -[eqn: y] data를 구할 수 있는 대수식을 결정 하였고 기-액 평형치를 추산하는 추산식으로 이용하는 것이 타당함을 확인 하였다.

참 고 문 헌

1. Wankat, P. C., “Equiliubrium-Staged Separations, Separations in Chemical

Engineering”, Elservier (1988).

2. K. Satter and H. J. Feindt,“Thermal Separation Processes”, CCNY, New    York(1994).

3. W. H. Prahl, Ind. Eng, Chem., 43,1767(1951).

4. W. K. Park, Ph. D. Thesis Inha Univ.(1973).

Fig 2. Equilibrium diagram([eqn: x]-[eqn: y]) Isopropyl ether-Isobutanol

system at 300Torr

Fig 3. Equilibrium diagram([eqn: x]-[eqn: y]) Isopropyl ether-Isobutanol

system at 760Torr