[열역학] Methanol(1), Water(2) at 333,15K

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목차: 1. Introduction

2. Theory

(1) Basic properties of species
(2) VLE (Vapor-Liquid Equilibrium)
(3) Activity coefficient
(4) Various models
1) Margules
2) van Laar
※국부 조성 모델 (local composition model)
3) Wilson
4) NRTL
5) UNIFAC Method

3. Procedure/Result

(1) VLE analysis
1) Raoult's law
2) Various models
① Margules
② van Laar
③ Wilson
④ NRTL
⑤ UNIFAC Method
(2) Consistency test
(3) 혼합 물성 변화

4. Discussion

① 코딩으로 인한 문제점
그래프의 해석

5. Conclusion

6. Reference & Coding
1. Introduction

본문내용: 1. Introduction

대부분의 영역에서 과학이 해왔던 일은, 우리 주변에서 일어나는 일들을 어떻게 설명할 수 있는가에 초점을 두었었다. 이를 위해 복잡해 보이는 여러 가지 현상들을 가능한 한 간단한 형태로 바꾸어 기본적인 원리를 알아내고자 하는 작업들이 꾸준히 진행되어 왔었다. 화학의 영역도 여기서 크게 벗어나지 않아 가장 다루기 쉬운 형태인 ideal case를 중심으로 연구해왔고, 그로 인해 많은 결과를 얻을 수 있었다. 하지만 실제 현상을 기술하기 위해서는 ideal case를 더욱 발전시킬 필요가 있었고, 이런 상황에서 비이상성에 대한 고려는 반드시 필요한 단계였다고 할 수 있겠다.
비이상성에 대한 고려는 이상적인 값과 실험값의 비교를 통하여 알아내는 것이 대부분이기에 어느 정도는 경험적인 성격이 강할 수밖에 없고, 이로 인해 각 연구자들 사이에서 여러 가지 의견이 나올 수 있었다. 그렇기 때문에 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 액체와 기체의 상평형이라는 현상에 대해서도 그 비이상성에 대한 부분은 여러 가지 이론으로 설명되고 있는 것이다.
우리 조는 주위에서 흔히 볼 수 있는 물질로, anti-freezer의 용도로 쓰이는 물과 메탄올을 대상으로 하여 기∙액 상평형의 비이상성에 대해 고려해 볼 것이다. Margules, van Laar, Wilson, NRTL, UNIFAC, 총 5가지 이론에 대해 살펴봄으로서 각각의 식에서 비이상성이 어떻게 고려되고 있으며, 상평형에서의 비이상성에 대한 이론들이 어떻게 발전해 나갔는지에 대해 알아보고자 한다.
또한 용액 열역학으로서 활동도 계수 상관관계로부터 유도 되는 기∙액 상평형 데이터의 측정을 위의 5가지 이론으로서 고찰해보고, 혼합에 의하여 야기되는 물성 변화 자료를 직접 데이터 값으로 부터 계산하여 알아보고자 한다.

2. Theory

(1) Basic properties of species
우리 조에서 선택한 물질은 메탄올과 물(Methanol(CH3OH)/Water(H20))이다. 메탄올과 물의 혼합용액은 메탄올의 낮은 어는점(-97.78℃) 때문에 자동차의 부동액으로 사용될 수 있다. 하지만 메탄올의 경우 휘발성 물질일 뿐만 아니라, 가연성이 높기 때문에 더운 여름날 엔진 과열의 원인이 되기에 현재는 널리 사용되고 있지 않다. 다른 용도로는 분사장치의 액체원료로 사용되어 진다.
이번 실험에서는 교재에 나와 있는 데이터 값의 활용을 위해서 온도를 333.15K(60℃)로 설정하고 보고서를 작성해 나가겠다.

(2) VLE (Vapor-Liquid Equilibrium)
VLE란, 2가지 이상의 액체 물질을 일정 압력과 온도에서 일정 기간 동안 유지시켰을 시, 액체와 액체의 증기가 공존하여 이루는 평형상태를 뜻한다. 간단히 말해서 액상과 기상이 공존하는 상태를 말한다.

이러한 기∙액 상평형은 혼합물의 내부 성질을 파악하기 위해서 사용되며, 실제 산업공정에서 혼합물을 분리하기 위한 분리공정 설계에 필수적인 데이터이며, 흡수공정 설계에서도 기본 데이터로 사용되고 있다.
기∙액 상평형을 설명하기 위해서 사용되는 단순한 이론적 법칙으로는, 대표적으로 라울의 법칙(Raoult's Law)과 헨리의 법칙(Henry's Raw)이 있다.

1) Raoult's Law
기상은 이상기체, 액상은 이상용액이라는 두 가지 가정을 바탕으로 하고 있다. 이런 가정 하에 성분 의 분압인 는, 그 성분의 증기압인 과 액상에서 몰분율 을 곱한 것과 같다.
(i=1,2.......N)

참고문헌: - K. Kurihara et al, J. Chem. Eng. Data, vol, 40, pp, 679-684, 1995
- 화학공학연구정보센터(CHERIC), "공정모사기에 필요한 열역학모델", 조정호, 2002년
- H. Renon & J. M. Prausnitz, AIchE J., vol. 14, pp. 135-144, 1968
- G. M. Wilson, J. Am. Chem. Soc., vol 86, pp. 127-130, 1964
- 화학공학 열역학, Elliot, Lira, 고승태 [외]역. 아진출판사, 서울, 2001
- J. Gmehling, U. Onken, and W. Arlt, Vapor-Liquid Equilibrium Data Collection, Chemistry Data Service, vol. 1, parts 1-8, DECHEMA, Frankfurt/Main, 1974-1990
- "Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics", Smith, Page 420, Fig. 11.4
- "The Molecular Structure of Alcohol-Water Mixtures", Phys. Rev. Lett. 91, 157401 (2003), J. H. Guo, et al.

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