학문
증류탑은 왜 위아래로 온도 차이를 두고 길게 설계되나요?
증류탑의 경우 끓는점 차이로 성분을 나눈다는 건 알지만, 탑 내부에서 증기와 액체가 여러 번 만나는 구조가 어떠한 역할을 하게 되는 것인가요?
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.
증류탑의 높이가 높고 상하 온도차이가 큰 이유는 원유에 섞인 물질들이 많아 한번만 끓여서는 전부 분리할 수 없고 또한 고순도의 물질을 추출하기 위해서 입니다.
혼합물을 끓이면 끓는점에 맞춰 딱 하나의 물질만 나오는 것이 아니기 때문입니다.
실제로 끓는점은 범위 이기 때문에 해당 끓는점을 기준으로 두가지 물질이 섞여서 끓어나오기에 증류탑의 높이가 높아야지 위에서 내려오는 차가운 액체와 아래에서 올라오는 뜨거운 증기가 만나게 되는데 이때 증기속의 끓는점이 높은 물질이 다시 액화되어 내려가게 됩니다.
이 과정이 계속 반복하게되어 가장 위쪽에 순도가 끓는점이 낮으면서 순도가 높은 물질을 추출할 수 있는 것 입니다.
그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)
안녕하세요. 정철 박사입니다.
증류탑은 물질을 가열하여 그 물질안에있는 여러 혼합물을 분리하는데 사용됩니다. 혼합되어진 물질을 각각의 물질마다 고유의 끓는점을 갖기 때문에 이를 분리하고자 길게 여러 온도 구간으로 분리하는것입니다
안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
증류탑이 수직으로 길게 설계되는 이유는 액체와 기체가 만나는 횟수를 극대화하여 혼합물을 아주 정밀하게 분리하기 위해서입니다. 단순히 액체를 끓여서 증기를 얻는 방식으로는 원하는 성분의 순도를 높이는 데 한계가 있습니다. 그래서 증류탑 내부에는 여러 개의 단이나 충전재를 설치하여, 아래에서 올라오는 뜨거운 증기와 위에서 내려오는 차가운 액체가 서로 섞이지 않고 계속해서 마주치도록 만듭니다.
이 과정에서 기체와 액체 사이의 열과 물질 교환이 일어납니다. 올라가던 기체는 차가운 액체를 만나면서 끓는점이 높은 성분을 액체 쪽으로 내어주고, 반대로 내려오던 액체는 뜨거운 기체를 만나면서 끓는점이 낮은 성분을 기체 쪽으로 보냅니다. 즉, 위로 올라갈수록 휘발성이 강한 성분만 남게 되고 아래로 내려올수록 끓는점이 높은 무거운 성분만 모이게 되는 것입니다.
탑이 길어질수록 이러한 기체와 액체의 접촉 횟수가 늘어나는데, 이는 화학공학에서 말하는 단수가 높아지는 것과 같은 효과를 줍니다. 끓는점 차이가 미세한 물질들을 나누려면 그만큼 더 많은 접촉이 필요하기 때문에 탑의 높이가 높아지는 것입니다. 결국 온도 차이를 둔 긴 구조는 중력을 이용해 액체를 내리고 열을 이용해 기체를 올리면서, 그 사이에서 수많은 반복 증류를 수행하여 우리가 원하는 고순도의 물질을 얻어내기 위한 효율적인 설계라고 할 수 있습니다.