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화공기사 공비혼합물의 증류 — 기액평형과 상대휘발도·공급선

공비혼합물의 증류는 기액평형 관계와 각종 평형상수의 이해가 핵심이다. 라울의 법칙과 달톤의 법칙, 헨리 법칙, 분배계수, 상대휘발도, 공급선(q-line)과 Fenske 식 같은 도구를 이용해 액상과 기상의 조성 및 탑 설계 관련 지표를 계산하고 판단한다.

2026-10-22 기준 · 화공기사 대시보드

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시험에 이렇게 나온다

출제기준 단원 「공비혼합물의 증류」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.

묻는 꼴문제 수무엇을 묻나
탑상 온도·제어 위치 판단1탑상 조성 추론을 위한 온도 측정 위치의 타당성 판단
라울·달톤 계산1액상 몰분율과 순수 증기압으로 기상 몰분율을 계산하는 절차
상대휘발도·단수 계산1상대휘발도와 Fenske 식을 이용해 최소 이론단수를 구하는 계산

뜻

라울의 법칙은 이상 용액 근사에서 각 성분의 부분증기압을 액상 몰분율과 그 성분의 순수 증기압의 곱으로 나타내는 원리다. 이로써 각 성분의 부분압을 합하면 전체 압력이 되며, 달톤의 법칙을 결합하여 기상 몰분율을 부분압의 비로 구할 수 있다.

헨리 법칙은 기체의 액체 속 용해도와 기체의 부분압 간의 비례 관계를 다루는 법칙이다. 헨리 상수는 온도에 따라 변하며 주로 희석 용액에서 적용되는 개념이다. 라울의 법칙과 헨리 법칙은 적용 영역이 다르므로 혼동하지 않아야 한다.

액상-기상 분배비 K는 기상 몰분율을 액상 몰분율로 나눈 값으로 정의된다. 주어진 K와 액상 조성이 주어지면 기상 평형조성은 y = K·x로 간단히 계산할 수 있다.

상대휘발도(α)는 두 성분의 휘발성 차이를 나타내며 기상 조성비와 액상 조성비의 비로 정의된다. 상대휘발도는 증류탑의 분리 난이도를 나타내는 기본 지표로 사용된다. Fenske 식은 상대휘발도와 제품 및 잔류 조성을 이용해 이론적 최소단수를 추정하는 데 사용된다.

공급선(q-line)은 공급물의 액상 분율 q에 따라 기울기 m = q/(q-1)로 나타낸다. 공급물이 찬 액체일 때 q>1이므로 공급선의 기울기는 1보다 크고 무한대 사이의 값을 갖는다. 공급선의 기울기 범위는 공급 상태 판단과 탑 운전선적 해석에 중요하다.

예제

1) 라울·달톤 적용 예: 온도 80℃에서 아세톤과 니트로메탄 혼합물의 액상에서 아세톤 농도가 0.40이면 아세톤의 부분증기압은 0.4×195.75 = 78.3 kPa, 니트로메탄의 부분증기압은 0.6×50.32 = 30.192 kPa이다. 전체압력은 두 부분압의 합 108.492 kPa이며 아세톤의 기상 몰분율은 78.3/108.492 ≈ 0.72로 계산된다.

2) 상대휘발도와 Fenske 적용 예: 순수 증기압으로 상대휘발도 α를 구한 뒤 Fenske 식에 탑상과 탑저의 A 성분 몰분율을 대입하여 최소단수를 구한다. 예를 들어 순수 증기압 비로 α=2인 경우 탑상 0.97, 탑저 0.06을 대입하면 N_min = log[(0.97/0.03)/(0.06/0.94)] / log(2) ≈ 7.52이며, 이론적 최소단수는 소수점 올림으로 8단으로 판단한다.

대표 기출 3문항

탑상에서 고순도 제품을 생산하는 증류탑의 탑상 흐름의 조성을 온도로부터 추론(inferential) 제어하고자 한다. 이때 맨 위 단보다 몇 단 아래의 온도를 측정하는 경우가 있는 데 다음 중 그 이유로 가장 타당한 것은?

  1. 응축기의 영향으로 맨 위 단에서는 다른 단에 비하여 응축이 많이 일어나기 때문에
  2. 제품의 조성에 변화가 일어나도 맨 위 단의 온도 변화는 다른 단에 비하여 매우 작기 때문에
  3. 맨 위 단은 다른 단에 비하여 공정 유체가 넘치거나(flooding) 방울져 떨어지기(weeping) 때문에
  4. 운전 조건의 변화 등에 의하여 맨 위 단은 다른 단에 비하여 온도는 변동(fluctuation)이 심하기 때문에
정답과 해설 보기

정답 ② · 문제는 증류탑에서 제품 조성을 온도로 추정할 때 상부 단 대신 몇 단 아래를 측정하는 타당한 이유를 묻는다. 상부 단은 순도가 높아질수록 온도-조성 관계가 평탄해져 온도 변화가 조성 변화에 둔감해지므로 직접적인 조성 추론에 유리하지 않다.

탑상 온도 제정은 맨 위 단의 온도 변화가 미미하므로, 조성 변화에 민감한 하부 단 온도를 측정한다.

일정온도 80℃에서 라울(Raoilt)의 법칙에 근사적으로 일치하는 아세톤과 니트로메탄 이성분계가 기액평형을 이루고 있다. 아세톤의 액상 몰분율이 0.4 일 때 아세톤의 기체상 몰분율은? (단, 80℃에서 순수 아세톤과 니트로메탄의 증기압은 각각 195.75, 50.32 kPa 이다.)

  1. 0.85
  2. 0.72
  3. 0.28
  4. 0.15
정답과 해설 보기

정답 ② · 기액평형 문제로 라울 법칙과 달톤 법칙을 결합하여 기상 몰분율을 계산하면 된다. 먼저 부분증기압을 계산하면 아세톤의 부분압은 0.4×195.75=78.30 kPa, 니트로메탄의 부분압은 0.6×50.32=30.192 kPa가 된다.

라울의 법칙과 달톤의 법칙을 결합해 기체상 몰분율 y_A = (x_A * P_A^sat) / P_total로 계산한다.

헨리의 법칙에 대한 설명중 틀린 것은?

  1. 휘발성이 없는 진한 용액의 기-액 평형을 다루는데 사용된다.
  2. 헨리상수(HA)는 대체적으로 용액특성에 따른 온도에 의존한다.
  3. 피리딘(C5H5N)과 물의 용액에서 피리딘에 대해서는 헨리법칙이 적용될수 있다.
  4. 기-액 평형시 기상의 한 성분의 압력(PA)은 액상에서 한 성분의 몰분율(XA)와 헨리상수(HA)의 적으로 나타낸다.
정답과 해설 보기

정답 ① · 헨리의 법칙의 적용 대상과 표현에 대한 설명 중 틀린 것을 고르는 문제이다. 헨리의 법칙은 기-액 평형에서 기체 성분의 액상 용해도가 기상 중 그 성분의 부분압력에 비례함을 나타내며, PA = HA·XA로 표현된다.

헨리 법칙은 기체의 용해도와 압력의 비례 관계를 다루며, 라울 법칙이 용액의 증기압 하강을 설명하므로 헨리 법칙의 정의와 혼동하면 안 된다.

자주 묻는 물음

라울의 법칙과 헨리 법칙을 어떻게 구분해야 하나?
라울의 법칙은 이상 용액의 증기압을 다루며 액상 몰분율과 순수 성분의 증기압 곱으로 부분증기압을 구하는 법칙이다. 헨리 법칙은 기체의 용해도와 부분압의 비례 관계를 다루며 주로 희석 용액에서 적용한다.
분배계수 K가 주어졌을 때 기상 조성은 어떻게 구하나?
분배계수는 K = y/x로 정의되므로 주어진 K와 액상 조성 x에 대해 기상 평형조성은 y = K·x로 간단히 계산하면 된다.
공급선(q-line)의 기울기 m은 어떻게 해석하나?
공급선의 기울기 m은 m = q/(q-1)로 주어진다. 공급물이 찬 액체이면 q>1이므로 m은 1보다 크고 무한대 사이의 값을 갖는다고 해석한다.
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