학문
증류탑은 서로 다른 물질을 어떻게 분리하나요?
여러 성분이 섞여 있는 액체 혼합물을 증류탑으로 처리할 경우 각 성분의 이동과 분리가 반복해서 이루어지는데, 탑 내부에서 분리 과정이 진행되는 원리는 무엇인지 의견 부탁드립니다.
2개의 답변이 있어요!
안녕하세요, 고온다습님. 이중철 전문가입니다.
먼저, 증류탑은 혼합물을 이루는 각 성분의 끓는점 차이를 이용하여 탑 내부에서 기체와 액체가 끊임없이 접촉하며 증발과 응축을 반복하게 만듦으로써 서로 다른 물질을 순도 높게 분리해냅니다.
■ 온도 기울기와 기액 접촉을 통한 연속적인 물질 교환
증류탑 바닥에는 열을 공급하는 재비기가 있어 하부가 가장 뜨겁고, 꼭대기로 올라갈수록 온도가 낮아지는 연속적인 온도 구배가 만들어집니다. 탑 안으로 들어온 액체 혼합물은 열을 받아 기체로 증발하여 위로 솟구치며, 위에서 아래로 흘러내리는 액체와 수많은 트레이(단) 위에서 직접 맞닿는데요. 이 접촉 과정에서 끓는점이 낮고 휘발성이 강한 성분은 열을 흡수해 기체로 변하며 위로 계속 이동하고, 끓는점이 높은 무거운 성분은 열을 잃고 응축되어 액체 상태로 탑 바닥을 향해 흘러내린답니다.
■ 다단 구조와 환류 시스템을 통한 순도 극대화
탑 내부에 설치된 수십 개의 단은 각각 독립된 작은 증류기 역할을 하여, 높이에 따라 증발과 액화가 수없이 되풀이되는 분별 증류를 실현합니다. 더불어 탑 꼭대기에서 응축된 액체의 일부를 다시 탑 안으로 내려보내는 환류 과정을 거치는데요. 이 차가운 환류액이 아래로 흐르면서 위로 올라오는 기체 속 불순물을 냉각시켜 떨어뜨리므로, 탑 최상단에는 가장 가벼운 순수 성분만 모이게 됩니다. 덕분에 원유 정제처럼 복잡한 혼합물도 끓는점 구간별로 깨끗하게 나누어 추출할 수 있는 것이지요.
정리하자면,
증류탑은 바닥과 상부의 온도 차이를 바탕으로 상승하는 기체와 하강하는 액체를 다단 구조에서 반복 접촉시킴으로써, 끓는점이 낮은 성분은 상부로, 끓는점이 높은 성분은 하부로 이동시키고 환류 작용을 더해 혼합물을 정밀하게 분리해내는 화학공학적 분리 장치랍니다.
※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉
안녕하세요.
증류탑은 액체 혼합물을 가열해 각 성분의 끓는점 차이를 이용하는 장치예요. 끓는점이 낮은 성분은 기화하려는 경향이 크고, 높은 성분은 액체로 남으려는 성질이 강해요. 탑 내부에는 다공판이나 충진재가 여러 단으로 쌓여 있어 상승하는 증기와 하강하는 액체가 넓은 표면에서 만나게 됩니다. 증기는 끓는점이 낮은 성분을 더 많이 품고 위로 올라가고, 액체는 끓는점이 높은 성분을 더 많이 머금은 채 아래로 흘러내려요.
각 단에서 접촉할 때마다 증기는 휘발성이 큰 성분을 얻고 액체는 덜 휘발성인 성분을 얻는 교환이 반복됩니다. 이때 올라가는 증기와 내려오는 액체가 서로 열과 물질을 주고받아요. 이 과정이 수십 단에 걸쳐 쌓이면 위쪽에는 저비점 성분이, 아래쪽에는 고비점 성분이 점점 농축되어 분리 효율이 높아지는 원리예요. 결국 탑 상부와 하부에서 원하는 순도의 성분을 각각 얻을 수 있습니다.
감사합니다.