2성분 기액평형(GCMASS 사용)

[CHINAPAK]

메탄올과 에탄올을 임의로 혼합하여 GCMASS로 분석하고 약 온도가 70도 정도 되면 나오는 소량의 증기를 냉각기로 액체로 만들어 GC MASS로 분석하여 70도에서 액상의 기상의 두 값을 열역학적으로 계산해 보면서 조성이 일치하는지 확인하는 실습을 하고자 합니다. 두 액체가 끓어도 계속 온도가 올라가겠지만 아주 소량 받아서 측정하는 것이니 문제없을 듯 한데요

실험의 핵심 개념 : 70°C에서 액상 조성 (x)를 GC-MS로 측정하고, 평형 상태에서 발생한 증기를 응축하여 액체로 만든 후 그 조성 (y)를 GC-MS로 측정합니다.  그 후 열역학 모델(Raoult 법칙, NRTL, Wilson 등)로 계산한 (y)값과 비교하는 것입니다.

메탄올-에탄올계에서는

• 메탄올 끓는점: 64.7°C

• 에탄올 끓는점: 78.4°C

이므로 70°C 부근에서는 증기가 액체보다 메탄올이 더 풍부해야 합니다. 예를 들어 액상이

• xMeOH = 0.50

• xEtOH = 0.50

라면 증기는 대략

• yMeOH ≈ 0.65~0.75

• yEtOH ≈ 0.25~0.35

정도가 예상됩니다.

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실험에서 가장 중요한 점 : 70°C가 되었다고 바로 증기를 채취하면 진정한 VLE 상태가 아닐 수 있습니다.

따라서

1. 혼합액 가열

2. 온도 70°C 도달

3. 5~10분 정도 유지

4. 증기와 액체가 평형에 도달

5. 소량의 응축액 채취

를 권장합니다.

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계산 방법

이상용액 가정 시

[
y_i=\frac{x_i P_i^{sat}}{\sum x_j P_j^{sat}}
]

입니다.

여기서 증기압은 Antoine 식으로 계산합니다.

70°C에서 대략

• 메탄올 증기압 ≈ 940 mmHg

• 에탄올 증기압 ≈ 540 mmHg

정도입니다.

따라서 같은 몰분율이라도 메탄올이 증기상에 훨씬 많이 존재하게 됩니다.

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NRTL 검증 실습으로 발전

학생들에게는

1. GC-MS로 액상 조성 측정

2. GC-MS로 증기 조성 측정

3. Antoine 식으로 (P^{sat}) 계산

4. Raoult 법칙 계산

5. NRTL 계산

6. 실험값과 비교

순서로 진행하면 좋습니다.

이 경우 실제로는 GC-MS보다 GC-FID가 정량성이 더 좋습니다. 만약 실험실에 GC-MS만 있다면 내부표준법을 사용하는 것이 좋습니다.

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장치 개선 제안

가능하면 다음 구조가 좋습니다.

평형셀 │ 온도센서 │ 냉각기 │ 채취 바이알

즉, 일반 증류가 아니라 Othmer equilibrium still 또는 간이 VLE 셀 형태로 만들면 훨씬 정확한 VLE 데이터를 얻을 수 있습니다.

교육용 실습이라면 메탄올/에탄올을

• 20/80

• 50/50

• 80/20

세 조성으로 준비하고 70°C, 72°C, 74°C에서 각각 측정하여 x-y 평형곡선을 작성하게 하면 화학공학 열역학과 분리공정 교육에 매우 좋은 실험이 됩니다.