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분별증류
분별증류(分別蒸溜, Fractional distillation)는 끓는점이 다른 혼합물을 가열하여 끓는점이 낮은 것부터 높은 것을 유출하여 혼합물을 분리하는 과정을 가리킨다. 이는 특별한 종류의 증류이다. 원유를 분리하는 데에 주로 쓰인다. 이를테면 정유 공장에서 원유를 분별 증류하면 탄화수소들의 끓는점 차이에 따라 여러 가지 성분으로 분리되어 나온다.
개요
분별증류는 끓는점의 차이를 이용해서 여러 가지의 혼합물을 분리하는 증류 방법이다.
끓는점이 물질마다 다른 고유한 성질임을 응용하여 혼합물을 분리하는 방법이며, 특정한 끓는점에서 물질이 끓어 기화가 되면 그 기체를 모아서 냉각시켜 액화하는 방법이다. 한 가지의 물질만을 증류해 내는 단순증류와는 달리, 여러 가지의 혼합물을 차례로 분리해 내는 것이 다르다. 대략 1기압 하에서 끓는 점의 차가 25℃ 이하인 물질들을 분리할 때 사용되며, 주로 상온에서 액체인 혼합물을 분리할 때에 많이 쓰인다.
장치의 개요
실험실에서 분별증류를 할 때에는 다음과 같은 장치가 필요하다.
- 가열도구
- 밑바닥이 둥근 증류용 플라스크
- 증류된 물질을 받아내는 플라스크
- 분별증류관(fractionating column)
- 온도계
- 냉각기
- 넘침방지를 위한 끓임쪽 약간
- 실험실에서 쓰는 일반적인 유리 용기 및 배관자재
장치의 설명
언급된 장치들을 그림으로 나타내면 이렇게 된다.
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참고로, 이 그림의 맨 왼쪽 밑에 heat이 열을 가해주는 곳이다.
그 다음 fractionating column packed with glass beads 는 유리구슬이 들어간 막대이다.
그 다음 thermometer는 온도계란 뜻이다. 이걸 보면서 열을 조절해줘야 한다. 예를 들어, 25도에서 기화되는 액체와 50도에서 기화되는 액체가 있는데 쳐다도 안 보고 50도 이상으로 올려버리면 모든 액체가 결과 플라스크 속에 있는 결과물이 나올 수 있다. 그러므로 온도계를 꼭 주시해야한다.
water in과 water out은 "냉각기"이고, 이게 달궈진 액체를 식혀준다. 냉각기는 그림 평면상으로는 드러나지 않지만 기체가 지나는 관을 동그랗게 감싸준다. 이 때 water in이 아래쪽이고 water out이 위쪽인데, 관을 통해 물을 넣어줄 때에 위에서 물을 넣으면 물이 냉각기를 꽉 채우지 못하기 때문에 냉각기의 효율과 성능을 위해 아래에서 물을 넣어준다.
vent to fume cupboard는 냉각을 하였음에도 식지 않아 나가려 하는 기체들의 출구이고, product collects는 결과물이 담긴 플라스크이다.
초등학교 끝물, 중학교 과학시간에 배우는 혼합물의 증류에서 크로마토그래피[3]와 함께 배우는 방법이기도 하다. 이 분류방식이 가장 자주 쓰이는 곳은 휘발유나 경유를 분리해내는 것이라고 들었을 것이고. 크로마토그래피는 그냥 대강 싸인펜을 종이에 점 찍어놓고 물에다 끝부분 담가놓으면 물은 답을 알고 있다가 실제가 되어 물이 알아서 무슨 색이 섞여있는 펜인지를 술술 불어주니 문제가 없지만, 분별증류는 일단 불을 쓰자니 위험하고 불을 안쓰고 빛을 비추면 될만한 것들은 혼합물이 위험한 판이니 실험해보기 힘들다.
그래서 고등학교 실습의 명목으로 고등학교들에서 이걸 진행하거나, 학생들이 안 해봤다고 하니 대학교 실험실에서 이걸 하는 골때리는 경우들이 있는데, 사실 이 분류법은 알코올 램프같은 직접적 화기들을 가까이하면 실험이 잘 안된다. 8백도에서 1천도쯤 되는 불꽃을 직접 대어버리면, 아무리 대류가 이뤄지는 액체라 하더라도 밑바닥 온도가 꽤 높아져버린다. 기화점이 맨 밑바닥이 아닌 액체라 하더라도, 또 액체의 온도가 기화점에 도달하지 않더라도 조금씩 기화가 이뤄지는 신기한 경우가 생기기도 한다.
적용분야
아래의 분야에서 널리 쓰이고 있다.
- 정유 및 석유화학산업
- 일반 화학공업
- 천연가스 처리
- 극저온에서 공기의 성분 분리
- 식음료 가공업
석유의 분별 증류
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분별증류를 대규모로 활용하고 있는 분야는 정유산업으로, 대형 증류탑과 파이프라인으로 상징되는 설비를 갖추어 원유를 연속적으로 분별증류하고 있다.
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증류탑 내부의 구조는 위의 그림과 같이 간략하게 나타낼 수 있다.
맨 아래에서 열을 가해 원유를 끓이면 기화가 되어 상부로 올라가게 된다. 각 단에서 증기압이 더 커서 위로 올라가거나, 액화되어 내려가는 복잡한 시스템이 반복된다. 따라서 투입되는 원유의 온도와 분리하려는 물질의 P-T선도, 상부층에서 순도를 높이기 위한 환류등을 고려한 McCabe 선도를 이용해 설계한다. 보통 처음 분리하는 증류탑은 상압증류로, 고도화를 위해 감압증류로 세분화하여 증류한다.
상압증류에서 가장 끓는점이 낮은 액화석유가스(LPG)는 25℃ 정도의 저온에서 나오고, 차례차례로 140℃까지는 가솔린, 180℃까지는 나프타, 250℃까지는 등유, 350℃ 까지는 경유가, 그 이상의 온도에서는 중유가 나온다. 이렇게 증류가 끝난 후에는 잔류유 성분이 많은 중유나 아스팔트같은 고체 등이 남게 된다. 원유도 기름이므로 온도를 더 높이면 그때는 화재, 폭발의 위험이 커지므로 더는 올리지 못하며, 올려봤자 식어서 상온으로 돌아가면 아스팔트 같은 것은 고체로 존재하므로 의미없다.
참고자료
같이 보기
