www.chemedu.co.kr 실전중심화학공학일반 실전중심 Chapter 화학공학일반 01 화학공학의기초 Introduction of Chemical Engineering Ⅰ. 화학공학( 化學工學 ) 1. 화학공학(Chemical Engineering) 이란? 1) 정의( 定意 ) : 물질을처리하여그상태의에너지혹은조성을변화시키는 프로세스(process) 및장치(unit) 와직접관계가있는분야로, 자연과학과 경제이론및인간관계원리를응용하는공학을화학공학이라한다. 2) 학문적범주 기초학문 : 화학(+ 생물학), 물리학이며, 경제학등. 심화학문 : 화학공학에서이용되고있는여러가지조작이나기술 및기계, 기구, 장치등의설계, 제작, 운전에관한기초이론을연 구하는기초이론을연구하는학문. 1 고체, 액체및기체물질의수송과계측 2 연소로, 전열장치에서열의발생과전열 3 물질이동(mass transfer) 에의한분리조작 4 여과, 원심분리등의기계적분리조작 5 분쇄혼합등의분체조작 6 물질수지, 에너지수지 7 작업계통도 8 공장설계및관리, 공업경제의문제 General Ch.E. 실전중심화학공학일반 1
Pass for One 화공에듀 2. 화학공정(Chemical Process) 1) 의의( 意義 ) : 화학공학은화학장치와공정의개발, 설계및운전등에 대하여연구하는학문이므로, 각종제품을제조하는공정과장치는매 우다양한문제를상당히합리적으로해결하기위한것이다. 2) 공정흐름도와화학공정 공정흐름도 (process flow chart) : 공정에는많은기본장치로구성되어있으며, 각장치는적당한관으로연결하여물질이흐르도록되어있어이를간단하게블록으로형성시켜반응조건이나입출( 入出 ) 의화합물만을표시한것을공정도라한다. 화학공정 (chemical process) : 제품을생산하기위해순서대로구성된기본장치들을통칭하여공정이라한다. 단위조작과반응조작을조합한공정을의미한다. 화학공정은몇가지의물리적, 기계적조작과화학적반응조작을조합하여구성된다. 다른제조프로세스에는공통된조작이나기술이포함되어있고, 또공통된과학적원리에의해이루어지는일이많다. 3) 화학공정에서의단위조작과반응조작 단위조작 (unit operation) : 여러가지화학프로세스에서공통된물리적, 기계적수단을활용한 분야로, 물리학과경제이론등을응용하는활동분야를의미한다. 단위조작 (unit operation) 1. 유체역학 : 유체의특성, 현상과계산, 유체의수송, 유량측정등. 2. 열전달 : 열흐름의현상및계산, 열교환및그장치, 증발등. 3. 물질전달 : 물질전달현상, 증류, 흡수, 추출, 흡착, 막분리, 결정화등. 4. 분체및기계적분리조작 : 분쇄, 혼합, 분체수송, 분급, 여과, 침강등. 단위반응( 반응조작또는단위공정, unit process) : 화학공정중니트로화, 술폰화, 산화, 환원등의화학적반응을 중심으로하여, 이에필요한조작이나공정을연구하는분야. 2 제01장화학공학의기초
www.chemedu.co.kr 실전중심화학공학일반 3. 화학공학의연구관점 : 주요탐구방향 1) 물질수지(Mass Balance) 화학공정의물질적해석을위한기본사항으로, 기초요소이다. 공정설계를위한 유입량을유출량과축적량의합으로나타내는질량보존의법칙을 이용하여구한다. 2) 에너지수지(Energy Balance) 화학공정을에너지의흐름으로취급하여반응에사용하는열, 에너 지효과를계산한다. 공정설계의기초적요소로현열, 잠열, 반응열등을추산한다. ❶ ❷ ❸ 현열(sensible heat, 顯熱 ) : 일정한압력상태에서물체에열이가해지거나빼앗길때그물체에온도의변화가있게되는데그열을현열이라함. 잠열(latent heat, 潛熱 ) : 물의기화열과같은물질이온도변화를일으키지않고분자의응집상태가변화할때교환되는열량. 반응열(heat of reaction, 反應熱 ) : 대상물질 1 몰이완전히반응하였을때의에너지의차. ⑶ 물질수지식과같은방식으로도출한다. 3) 물질및열전달율(Transfer rate of Mass and Heat) 화학장치의크기를결정하는기본적인자이다. 화학공학의핵심적인분야로, 가장많이사용및응용되는분야이다. ⑶ 파이프, 열교환기, 단열, 펌핑등의경제적조건을결정한다. 4) 평형론(Equilibrium) 화학공학의특수한분야로, 반응을이용한생성물의생성평형을예 측하고연구하는분야이다. 평형관계를이용하여생성물의수율(yield) 을구한다. ⑶ 화학반응의평형과증류및흡수할때의상평형이중요하다. 5) 경제수지(Economic Balance) 새로운계획의실현가능성은예상수익성인경제성에의존한다. 화공에관련된비용을추산하기위하여기술과동반하여행하는 경제기법을코스트엔지니어링 (cost engineering) 이라한다. General Ch.E. 실전중심화학공학일반 3
Pass for One 화공에듀 Ⅱ. 단위( 單位 ) 와차원( 次元 ) 1. 단위(unit) 1) 단위 : 차원을나타내는수단 1 계산단위: 각차원의단위계 2 측정단위: 약속이나관습또는법으로정해놓은차원의특별한값 3 4 예) 길이 -, 시간 - sec, 질량 - 기본단위 (base unit) : 대한단위 예 ), 복수단위(Multiple Unit) : 질량, 길이, 시간, 온도, 전류및세기등차원에 기본단위이면서기본단위의배수또는 5 분수인단위예) 분, 시밀리초(millisecond) 유도단위(Derived Unit) : 다음과같은두가지중하나 ᄀ기본단위나복수단위를곱하거나나누어서얻어진다. ᄂ 복합단위 (Compound Unit) 복합단위로표시되는정의식 예 ) min 예 ) 2) 단위계 절대단위계 단위양차원 C.G.S. 계 기본 단위 길이 질량 시간 sec M.K.S. 계 sec or F.P.S. 계 sec or 유도 단위 넓이부피밀도속도가속도 sec sec sec sec sec sec 힘 sec sec sec 일 sec sec sec 4 제01장화학공학의기초
www.chemedu.co.kr 실전중심화학공학일반 동력단위계 단위양차원 C.G.S. 계 기본 단위 유도 단위 길이 힘( 무게) 시간 일 질량 밀도 압력 sec sec sec M.K.S. 계 (- 중) sec or sec sec F.P.S. 계 sec or sec sec ⑶ 공학단위계 단위 양 차원 M.K.S. 계 길이 기본 단위 유도 단위 질량 시간 힘, 무게 일 밀도 압력 동력 점도 sec or. ( ) sec sec F.P.S. 계 () sec or ( ) sec sec 3) SI 단위 의의 : C 척도를기준으로한물리적및화학적상수의값 Avogadro 수 광속도 전자의질량 전자의전하 Faraday 상수 Planck 상수 Boltzmann 상수 기체상수 대기압 표준몰기체부피 절대영도 J s J deg J deg liter atm deg atm N m liters General Ch.E. 실전중심화학공학일반 5
Pass for One 화공에듀 기본 SI단위 물리적량 단위의명칭 기호 길이질량시간전류열역학적온도물질의량 meter kilogram second ampere degree Kelvin mole A K ⑶ 유도된 SI단위 물리적량넓이부피밀도속도각속도가속도힘압력에너지동력전기적전하전위차전장의세기전기저항전기용량 SI명칭또는특수명및기호 square meter cubic meter kilogram per cubic meter meter per second radian per second meter per second square newton() newton per square meter joule() watt() coulomb() volt() volt per metter ohm() farad() SI 기호 ⑷ 비 SI단위 물리적량 명칭 SI 대응치 길이 angstrom( A ) inch() foot() mile 부피 liter 질량 pound() 힘 dyne() poundal 6 제01장화학공학의기초
www.chemedu.co.kr 실전중심화학공학일반 압력 atmosphere() torr() bar 에너지 erg calorie() electron volt () 동력 horsepower() 점도 poise 쌍극자모우멘트 debye ⑸ SI Unit 접두어(prefix) Factor Prefix symbol Factor Prefix symbol Exa E deci d Penta P centi c Tera T milli m Giga G micro Mega M nano n Kilo k pico p Hecto h femto f Deca da Atto a ⑹ Greek Alphabet Alpha A Zeta Z Lambda Pi Phi Beta B Eta H Mu M Rho P Chi X Gamma Theta Nu N sigma Psi Delta Iota I Xi Tau T Omega Epsilon E Kappa K Omicron O Upsilon Y General Ch.E. 실전중심화학공학일반 7
Pass for One 화공에듀 2. 단위환산(Unit Conversion) 어느단위로표현된양을환산인자( 원하는단위/ 기존단위) 를이용하여 다른단위의해당량으로바꾸는과정 1) 환산인자(Conversion Factor) : 어느주어진두가지서로다른단위표기간의상당량 예 ) 2) 기초환산 ⑶ ⑷ ⑸ 길이질량시간온도힘 min sec,, K R K, R F newton dyne kg 중 poundal 중 ) newton ⑹ 열량,, ⑺ 압력표준대기압 * 게이지압= 절대압-대기압진공= 대기압-절대압부피 8 제01장화학공학의기초
www.chemedu.co.kr 실전중심화학공학일반 ⑻ 비중ᄀ Baúme 비중도 Baúme도, Baúme도 ᄂ API 도 (American Petroleum Institute) API 도 ( 석유제품비중에사용) ᄃ Twaddell 척도 도 ( 물보다무거운액체에사용) 3) 단위계환산 1 중력단위계 절대단위계( 질량단위계) 중력환산계수 를곱함 2 절대단위계 중력단위계 중력환산계수 로나눔 3 중력환산계수 의값과단위 sec sec sec 예제 1) 단위환산 의가속도를 로환산하여라. ( 풀이) 차원식(Dimensional Equation) 을아래와같이정리한다. 환산인자가멱(Power) 로증가하면그단위도멱으로증가한다. 즉, 이다. 따라서 에대한환산인자는 에대한환산인자의곱이된다. General Ch.E. 실전중심화학공학일반 9
Pass for One 화공에듀 예제 2) 단위계산의환산 min 을 으로환산하여라. ( 풀이) 차원식정리 min min 3. 힘(Force) 과무게(Weight) 의단위 1) Newton의운동제2법칙 2) 유도단위 ( 의질량과위도 해면에서의중력가속도 의곱 ) 3) 유도단위와자연단위간의환산 환산인자 Newton의운동제2법칙은 가된다. 4) 무게(Weight) : 중력에의해서물체에가해지는힘또는질량을지지하기위해가하 여야하는반대방향의힘, g/g c 의여러가지표현 10 제01장화학공학의기초
www.chemedu.co.kr 실전중심화학공학일반 예제 3) 무게와질량 물의밀도는 이다. 물 의무게는얼마인가? (1) 위도 해면에서무게 (2) 고도가 이고중력가속도가 인 Colorado의 Denver에서무게 ( 풀이) 물의밀도 물의질량 (1) (2) 두경우차이는별로없다. 4. 차원(dimension) 1) 차원의공학적활용 1 차원이란, 물리량이어떤기본단위의조합에의해성립되는가를나타내는척도이다. 2 수치의물리적의미를파악할수있다. 3 차원을기초로한스케일업(Scale-Up) 에주로이용된다. 4 화학공학의전달현상에서흐름의물리적의미를나타낸다. 5 선박이나항공기등의설계나작은모형연구에사용된다. 2) 차원의균일성 방정식이성립하기위해서는반드시차원적으로균일하여야한다. 말하면방정식의양변에더해지는항은같은단위를가져야한다. 다시 예를들어, 에서 로각항의단 위는 로같다. 차원이같고단위가틀리면환산인자를이용하여같게 할수있다. 위의식에서 의단위를분(min) 으로하고다른단위는그대 로하려면 min min 로역시각항의단위는 로같다. General Ch.E. 실전중심화학공학일반 11
Pass for One 화공에듀 3) 차원해석(Dimensional Analysis) 기본단위로서길이(L), 질량(M), 시간(T) 으로표시하며, 유도단위를 C 라할때, C = (L x, M y, T z ) 라두고, 각주어진변수를대응시켜원하 는수치의차원을분석한다. 여기서, x, y, z를 C 의차원(dimension) 이 라한다. 차원해석은어떤자연현상에대한수학적, 이론적해석이 불가능할때그현상에대한모든물리적성질이정확히측정된다면 차원이완전한이론식이된다는것에기초를두고있다. 무차원수 [ ] : 모든차원이다소거된변수의조합으로각각의물 리적의미의비와곱으로정의된다. 예 ) N Re, N Pr, N Nu, N Sh 등. 유차원식 : 차원이불균일하고, 항마다다른식이다. 예) 반응속도식, 복잡한실험식 무차원량 (Dimensionless Quantity) 순수한숫자나변수들의곱에위한조합으로실차원(Net Dimension) 을갖지않는것. ex) 관성력레이놀드수(Re) 점성력 Buckingham π 정리 π 1 = φ(π 2, π 3, π 4,, π n-m) 어떤현상에대한변수및차원정수의수가 n 개, 사용되는기본단위의수가 m 개라고하면, 무차원 군의수는(n-m) 개이다. 이정리를이용하면, 자료의경험관계식을유도할수있으나무차원수의물리 적의미는알수없다. 이를이용한대표적인예가 Navier-Stoke 방정식에의한차원해석이다. Navier-Stokes 식 12 제01장화학공학의기초
www.chemedu.co.kr 실전중심화학공학일반 무차원수 ( 無次元數 ) 무차원수무차원수공식물리적의미 Reynold No. ( ) EulerNo. ( ) 강제대류 Nu = Φ(Re, Pr) 관성력 점성력 압력 관성력 Froude No. ( ) 관성력 중력 Prandtl No. ( P r ) Pr 운동량확산도 열확산도 Nusselt No. ( ) 대류열전달 전도열전달 표면에서의온도구배 총온도구배 Grashof No. ( ) Sherwood No. ( ) 자연대류 Nu = Φ(Gr, Pr) 부력 점성력 대류물질전달 확산물질전달 Lewis No. ( ) 열확산도 물질확산도 Biot No. ( ) 전도내부저항 대류외부저항 Peclet No. ( ) Pr 대류 확산 Graetz No. ( ) Stanton No. ( ) General Ch.E. 실전중심화학공학일반 13
Pass for One 화공에듀 Ⅲ. 화학기초원리 1. 조성과농도 1) 조성 조성( 組成 ) 은각성분의구성물리량으로, mol 과몰분율이있다. 화학제품의수율과순도를알수있다. 여기서, 성분( 成分 ) 은혼합물질을이루고있는개개의물질을말한다. 몰과분자량 1 원자량 (atomic weight) - 의질량을 로정하고이척도로 2 정한원자의질량. 분자량 (molecular weight) 의원자량을합한것 (ex) - 그화합물을구성하고있는원자들 ; 분자량의수치에해당질량을붙힌것 (ex) 질량의단위환산에사용했던 수있다. (ex) conversion factor를그대로쓸 질량분율, 몰분율및평균분자량혼합물의조성을표기하는방법들이다. 1 2 질량분율 (mass fraction) 몰분율 (mass fraction), 백분율 (%), 백분율 (%) 14 제01장화학공학의기초
www.chemedu.co.kr 실전중심화학공학일반 3 평균분자량 (average molecular weight or mean molecular weight) : ᄀ몰분율과분자량을알고있을때 여기서, 혼합물중의 성분의몰분율, : 성분의분자량, : 성분의수 ᄂ 질량분율과분자량을알고있을때 여기서, 혼합물중의 성분의몰분율, : 성분의분자량, : 성분의수 예제 4) 공기의평균분자량계산 공기의평균분자량을구하여라. ( ) ( 풀이) 계산기준 : 건조공기 성분물질량 []= 물질량 % 분자량질량 [] 질량 % 계 공기의평균분자량 몰부피와몰수 1. 몰부피(mole volume) : STP상태에서기체 1mole 이차지하는부피를말한다. 1 gmol = 1 mol = 22.4 L 1 kgmol = 1 kmol = 22.4 m 3 1 lbmol = 453.6 gmol = 0.454 kgmol = 359 ft 3 2. 몰수(mole number) ( 여기서, n i 는몰수를 ω i 는질량을, M i 는분자량을의미한다.) 표준상태 (STP, Standard Temperature and Pressure) : 0, 1atm에서기체 1 g mole 이차지하는부피는 22.4L (1 kgmole 은 22.4m 3 ) 이고, 1lbmole이차지하는부피는 359 ft 3 이다. General Ch.E. 실전중심화학공학일반 15
Pass for One 화공에듀 2) 농도 ( 濃度, concentration) 액체나혼합기체와같은용액을구성하는성분의양의정도. 얼마나진하고묽은지를수치적으로나타내는방법이다. 용액이 몰농도몰랄농도노르말농도 molarity molality normality 용질의 수 용액 용질의 수 용매 용질의 당량수 용액 용액 1L에녹아있는용질의 mol 수로온도에따라달라진다. 용매 1kg에녹아있는용질의몰수로나타낸농도로온도에따라불변이다. 삼투압과증기압력강하, 어는점내림, 끓는점오름등총괄성을계산하는기준으로쓰임 용액 1L에녹아있는욜질의당량수로나타낸농도 mol 농도를사용하기이전의화학반응물의적정및전기화학, 합성데이터의표준으로사용된다. 당량 (equivalent) : 1mol 의수소이온(proton) 에대응하는산, 염기의질량을당량이라한다. 몰무게분자량당량 당량몰원자가 당량 당량당량몰 H 2 SO 4 + 2NaOH 2 당량/ 몰 1 당량/ 몰 Na2SO 4 + 2H 2 O 노르말농도와당량수 : 산알칼리의중화반응또는산화제와환원제의산화 환원반응의계산등에 널리이용된다. 그러나같은물질이라도관여하는화학반응에따라 g당량수가달라지는경우가있으 므로, 농도의표시법으로서는애매한점이있다. 예를들어과망간산칼륨을산성용액속에서환원제 로반응시키면망간이7가에서2 가의상태로까지환원되므로, 과망간산칼륨의식량의 1/5이1l 속 에포함되는용액을 1 노르말농도로한다. 그러나중성에서반응시키는경우에는망간이 7가에서 4 가의상태로환원된다. 따라서 1l속에식량의 1/3을함유하는용액이 1 노르말농도가된다. 부피백분율 vol-vol percentage V/V% parts per million ppm( 백만분율) ppb( 십억분율) parts per billion 1ppm = 10-6 = 10-4 % 1ppb = 10-9 = 10-3 % 주류의알콜함유량 수질이나대기오염물질량표시 다이옥신등맹독성물질지표 16 제01장화학공학의기초
www.chemedu.co.kr 실전중심화학공학일반 2. 물질의상태와평형 1) 아보가드로의법칙 온도와압력이일정하면모든기체는같은부피속에같은수의분자가 들어있다. 즉, 모든기체의 이차지하는부피는 S.T.P ( ) 조건하에서 이며, 그속에는 개의분자가들어있다. 아보가드로수 개 에들어있는분자수또는원자수 ( ), S.T.P 에서 부피 2) 기본상태법칙 Boyle 의법칙 : ( 이상) 기체의양과온도가일정하면, 압력(P) 과부피(V) 는서로반비례한다. PV = k (k 는비례상수) Charles 의법칙 : 일정한압력에서기체의온도를높이면부피가증가하고온도를낮추면부피 가감소한다 T/V = k (k 는비례상수) ⑶ Boyle-Charles 의법칙 : 온도가일정할때기체의압력은부피에반비례한다는보일의법칙과압력이일 정할때기체의부피는온도의증가에비례한다는샤를의법칙을조합하여만든 법칙으로온도, 압력, 부피가동시에변화할경우이들사이의관계를나타낸다. 일정 General Ch.E. 실전중심화학공학일반 17
Pass for One 화공에듀 ⑷ 질량보존의법칙 : 닫힌계의질량은상태변화에상관없이변하지않고계속같은값을유지한 다는법칙이다. 물질은갑자기생기거나, 없어지지않고그형태만변하여존 재한다는뜻을담고있다. 다시말해, 닫힌계에서의화학반응에서, ( 반응물의 질량) = ( 결과물의질량) 이란수식을만족한다. ⑸ 배수비례의법칙 : 2종류의원소가화합하여 2 종이상의화합물을만들때, 한원소의일정량과결합 하는다른원소의질량비는항상간단한정수비( 整數比 ) 를나타낸다는법칙이다. ⑹ 일정성분비의법칙 : 화합물을구성하는각성분원소의질량비는항상일정하다는법칙. ⑺ 기체반응의법칙 : 화학반응이기체사이에서일어날때같은온도와같은압력에서반응하는기체와생성되는기체의부피사이에는간단한정수비가성립한다는법칙. ⑻ Dalton 의부분압력의법칙 (50 기압이하에서적합) : 이상기체혼합물에서전압은각기체의분압의합과같다. P t = P A + P B + P C + + PN * 기체에서, 압력분율 부피분율 몰분율 ⑼ Amagat 의분용( 分容, 부분부피) 법칙 (300 기압이상에서적합) : 혼합기체중각기체의부분부피는일정한온도, 지하고있는부피로정의될때, 체의부분부피의합과같다. V t = V A + V B + V C + + VN 압력하에서차 혼합기체의전체부피는가가기 3) 기체의압력 힘 면적 분자의 운동에너지 ( 단, 는질량 인기체분자 개가길이 인정 면체내에서 의속도로움 직일때한쪽벽 이받는압력임 ) 18 제01장화학공학의기초
www.chemedu.co.kr 실전중심화학공학일반 4) 이상기체의법칙(PV=nRT) 인경우에 이고, 인경우에 ( 값은 의단위에따라서값과단위가변함 ) 기체상수 의값과단위 값 단위 0.082 (atm)(l) / (g-mol)(k) 62.360 ( mmhg)(m 3 ) / (kg-mol)(k) 1.987 (cal) / (g-mol)(k) 0.730 (atm)(ft 3 ) / (lb-mol)( R) 10.732 (lb f/in 2 )(ft 3 ) / (lb-mol)( R) ⑶ 기체의밀도 ( 단, 에서 ) ⑷ 혼합기체의평균분자량 ( ) 혼합기체의전체무게 혼합기체의전체몰수 5) Graham 의확산법칙 기체의유출속도는그기체의분자량의제곱근에비례한다. General Ch.E. 실전중심화학공학일반 19
Pass for One 화공에듀 시량변수( 크기변수) 와시강변수( 세기변수) 1. 크기변수(extensive variables) : 양에따라변하며, 가성성(additivity) 이있다. 예) U, H, S, A, G, V 등 2. 세기변수(intensive variables) : 양에무관하며, 가성성이없다. 예 ) T, P, V, ρ, μ, Cp, Cv 등 6) 실제기체의법칙 van der Waals 방정식, Virial 방정식 ⑶ 압축인자 (Z) ( 실제부피와이상기체의법칙에서산출한부피와의비) ⑷ 대응상태의원리 : 동일한환산온도, 환산압력 에서모든기체가 동일한압축인자를가짐. 선도 : 기체의경우 20 제01장화학공학의기초
www.chemedu.co.kr 실전중심화학공학일반 Maxwell 관계식 du = dq + dw = TdS - PdV dh = du + d(pv) = TdS + VdP da = du - d(ts) = - PdV - SdT dg = dh - d(ts) = VdP - SdT 7) 용액의성질 증기압강하 : 비휘발성및비전해질이용해한용액의증기압은순수한용매의증기압보다낮아지는현상으로용질의몰수에비례. 진한용액이경우 ( 및 는용매및용액의증기압 ) ( 및 는용매및용질의몰수 ) 용액의끓는점상승과어는점강하 1 비점상승 2 빙점강하 비점상승과빙점강하법은묽은용액에서용액의 농도에비례한다. ⑶ 삼투압(Vam't Hoff 의법칙) 비전해질묽은용액의삼투압 () 은용액의몰농도와절대온도에비례함 General Ch.E. 실전중심화학공학일반 21
Pass for One 화공에듀 이상용액과라울의법칙 1. 이상용액(ideal solution) : 정온 정압하에서성분을혼합할때열의출입과부피변화가없는용액으로, 라울의법칙에따르는 극히묽은용액으로, 용질분자( 溶質分子 ) 와용매분자또는용질분자의분자간의상호작용이작은 경우에이상태에가까워진다. 또, 비슷한화학구조를가질때넓은농도범위에서이상용액의성 질을나타내는데, 이를완전용액이라고도한다. 예) U, H, S, A, G, V 등 2. 라울의법칙(Raoult's Law) : 이상용액의경우기- 액평형관계를구할수있다. 8) 포화도, 습도및건조 함수율 [ - 건조량] ( 는완전히건조된물질의양 ) 자유함수율 [ - 건조량] ( 는평형함수율 ) ⑶ 습량기준과건량기준의수분환산 는습량기준의물의분율또는 %) ⑷ 절대포화도( 습도) 증기의질량수 [ - 건조공기] 건조기체의질량수 [ 증기 /- 건조기체] 및 는증기의분압과분자량이며, 는 으전압및건조기체의분자량임 ) ⑸ 포화도 ( 습도) 증기의분압 [ 건조기체의분압 증기 / 건조기체 ] 22 제01장화학공학의기초
www.chemedu.co.kr 실전중심화학공학일반 ⑹ 포화절대포화도( 습도) 포화증기의 수 건조기체의 수 포화증기 / 건조기체 ( 는혼합물의온도에서포화증기압 ) ⑺ 관계포화도( 상대습도) 증기압습도 포화증기압습도 ⑻ 비교포화도( 습도) 절대포화도습도 포화절대포화도습도 ( 증기가물일때만습도) 9) 용해도및결정화 고체의용해도 용매 ( 또는 ) 을포화시키는데필요한용질의 수( 또는 수) 는온 도의상승에따라증가 ( 흡열과정) 한다. ( 예로서 KCI, KNO, NaCO, K CO 등) 한편, 반대로온도의상승에ㄸ라감소( 발열과정) 하는것도있 다. ( 예로서 CaSO, CaOH 등 ) 그리고온도의상승에따라변화가없는 것도있다.( 예로서 NaCI등 ). 액체의용해도 1 극성인액체는극성인용매에, 비극성인액체는비극성인용매에각각용해함. 2 분배의법칙 (Distributions law) : 상호혼합되지않는두종류의액체에 다른일정랼의물질을녹일때그물질은두층에있어서의농도비가두 용매의용해도의비와같게되도록분배되어용해함. ⑶ 기체의용해도: Henry 의법칙 는기체의평형분압 (atm) 이며, 은액체에용해한기체의몰분율이고, 는 Henry 상수(/ 분율 ) General Ch.E. 실전중심화학공학일반 23
Pass for One 화공에듀 10) 상평형과상률 상도표(phase diagram) : 상평형그림 상평형 (phase equilibrium) 몇개의상이공존하여열역학적으로평형상태를이루고있는것을가리킨다. 이때각성분의화학퍼텐셜은모두같으며깁스의상규칙 (Gibbs's phase rule) 이 성립한다. 한편, 순물질에서의상평형과여러물질로이루어진계의상평형은 다른규칙이적용된다. ⑶ 상률(phase rule) : 깁스의상규칙 불균일계의평형에관한법칙이다. 물질계에평형으로존재하는상의수, 농 도가독립적으로존재하는성분의수, 상태변수의자유도사이의관계식이다. 자유도 (Degree of freedom, F) F = ( 총상률변수의수) - ( 독립적인상평형式 ) F = 2 - π + N ( 여기서, π는상의수, N 은화학종의수이다.) Duhem 의정리 : 일정한질량을갖는닫힌계에있어서평형상태가완전히결정되려면임의의독립변수가 2 개만정해지면된다. 예를들어, 변수가 P, V, T에서독립변수를 T, P로정하면나머지 V를구할수 있다. 즉, V=V(T, P) 란형태의함수로표현된다. 24 제01장화학공학의기초
www.chemedu.co.kr 실전중심화학공학일반 3. 물질수지 물질수지란공정장치에출입하는물질에대한수지균형을수량적으로취급하는것으로, 질량보전의법칙의화학공정에대한응용이다. 1) 일반공정의물질수지식 단위시간내에공정의계내로유입되는물질의총합은아래와같다. 유입량 = 축적량 + 배출량 (input) (accumulation) (output) 2) 미분수지(differential balance) : 시간에대한미분방정식으로표시한수지식, ( 물질의해당량) / 어떤순간의수지식 3) 적분수지(integral balance) : 시간간격사이의수지식 : 미분수지식을푼것, 즉적분한것 4) 일반수지식의각항에대한의미 축적 (accumulation) system 내의어떤공정변수의시간에대한변화율 특별히 system 내의질량의시간에대한변화율 : 물질수지 특별히 system 내의에너지의시간에대한변화율 : 에너지수지 물질수지에서, 전체질량에대하여 성분질량에대하여 정상상태(steady state) : system 화가없는상태, 즉, 축적이 인상태 내의공정변수가시간에따라변 또는 ⑶ 생성량, 소멸량 : 반응물이면소멸량계산, 생성물이면생성량계산, 즉반응이있는경우만두량이존재 General Ch.E. 실전중심화학공학일반 25
Pass for One 화공에듀 5) 공정계산에관여하는관계들확인 1 물질수지 2 에너지수지 3 공정명세 - 공정특성에관한정보 4 물리적성질및법칙 - 기계법칙이나상평형등 5 물리적제한조건 - 몰분율의합은 이다. 6) 물질수지계산과정 1 공정도를그리고주어진모든변수값들을적어넣어라. 2 3 4 5 6 공정흐름중의어느하나의양이나유속을계산의기준으로선택 미지의흐름변수들을표지를붙여공정도에써넣어라. 문제의북키핑 (book-keeping) 부피나부피유속은밀도나기체법칙을이용질량이나몰로환산 질량단위와몰단위가섞여나오면하나로통일 7 공정도를표지하는데사용하지않았던정보가주어지면정의된변수로 8 9 바꾸어포함시킨다. 물질수지식을세운후방정식을푼다. 주어진유량( 유속) 을사용하지않고다른값을기준으로계산하였 다면조정한다. 7) 여러가지공정흐름 ⑶ ⑷ ⑸ ⑹ 향류흐름 : 기- 액상이반대방향으로흐르는흐름으로, 유체및물 질전달흐름의대부분을차지한다. 병류흐름 : 기- 액상이같은방향으로흐르는흐름으로, 열교환기와 같은흐름에사용된다. 십자흐름 : 일반적으로흐름의형태가복잡하고해석이어려워, 향 류흐름식을기본으로하여보정인자를고려한다. 우회(by-pass) 흐름 : 원료흐름중일부가장치를거치지않고통과 하는흐름으로, 우회흐름과공정에서분리된흐름이합쳐진다. 순환(recycle) 흐름 : 생성물의일부를재사용하는흐름이다. 우회흐 름과반대방향으로돌려지는흐름이다. 촉매재생의흐름이다. 퍼지(purge) : 장치또는유로에새로운유체를송입하는경우, 흐 르고있던유체와새로운유체가직접혼합하지않고다른불활성 유체에의해지금까지흐르던유체를추출하는조작을말한다. 26 제01장화학공학의기초
www.chemedu.co.kr 실전중심화학공학일반 8) 화학반응계의물질수지 (1) 화학양론(Stoichiometry) 화학종이다른화학종과결합할때그비례에관한이론 1 화학양론방정식 반응에참여하는반응물과생성물의상대적인분자수(mol 수) 2 3 4 화학양론계수화학양론방정식에서각화학종앞의계수반응물과생성물간의수지가맞추어져야한다. 화학양론비ᄀ수지가맞추어진양론식에서양론계수의비 ᄂ반응에참여하는반응물과생성물간의환산인자 (2) 한정반응물과과잉반응물, 전화율, 반응의정도 1 한정반응물 (limiting reactant) 반응이진행될때먼저없어지는반응물 ( 화학양론비이하인반응물 ) 2 과잉반응물 (excess reactant) 반응이진행될때남는반응물( 화학양론비이상인반응물) a 과잉분율 (fractional excess) ( 과잉량)/( 필요량) b 과잉백분율 (percentage excess) 과잉분율 c 실제반응 : 반응은순간적이아니고천천히일어난다. 따라서, 한정반응물이 반응되도록반응기를설계하지않는 다. 반응기유출물에는반응물질이섞여있다. - 분리, 재순환 d 전화율 (fractional conversion) 미반응율 General Ch.E. 실전중심화학공학일반 27
Pass for One 화공에듀 (3) 화학평형(Chemical Equilibrium) 반응혼합물의최종평형조성 평형에도달되기까지걸리는시간 1 2 비가역반응 (irreversible reaction) : A 가역반응 (reversible reaction) : A - 화학평형열역학 - 화학반응속도론( 반응성) B B (4) 수율 1 수율 (yield) 원하는생성물의 수 side reaction 없이한정반응물이완전히반응했을때원하는생성물의수 실제생성량 이론최대생성량 2 수율의또다른정의( 주의) 원하는생성물의 수 반응물의 수 원하는생성물의 수 실제반응한 수 (5) 선택도(selectivity) 원하는생성물의 수 원하지않는생성물의생성 수 (6) 순환비(Recycle Ritio) 28 제01장화학공학의기초
www.chemedu.co.kr 실전중심화학공학일반 9) 연소반응 (1) 연소화학 1 2 불완전연소( 부분연소) : 만발생할때 산소원으로공기사용 탄화수소가연소하여 ( 완전연소) : 경제적이유가주됨. 실제조성을간단히몰조성을, 3 Wet basis ( 습기준) 와 dry basis ( 건기준) Wet basis : 를발생할때 수분을포함해서기체성분의몰분율을나타낸것 (stack gas or flue gas) Dry basis : (Orsat 분석치) 수분을제외하고기체성분의몰분율을나타낸것 (2) 이론공기량과과잉공기량한정반응물은고가인것, 과잉반응물은저가인것으로, 연소에서는값이싼공기를과잉으로사용하여연료를완전에가까운연소반응이일어나도록한다. 1 이론산소량(theoretical oxygen) : 완전연소에필요한 몰수 2 이론공기량(theoretical air) : 이론산소량을포함하는공기 3 과잉공기량(excess air) : 이론량을초과하여급송한공기량 4 과일공기백분율 (excess air %) 과잉공기량( 공기급송량 -이론공기량이론공기량 (3) 연소반응에대한물질수지 1 는 Inert 로입구, 출구에모두표지 2 출구에미반응연료, 과잉, 연소생성물, 과잉공기백분율이주어지거나찾는문제 3 원자수지를이용할것예) C원자수지 General Ch.E. 실전중심화학공학일반 29
Pass for One 화공에듀 4. 에너지수지 에너지수지란계의변화중에출입하는모든에너지의수지균형을수량 적으로나타낸것으로에너지보존법칙을응용하여다룬다. 1) 에너지형태 (1) 위치에너지(potential energy) 는위치에너지 는시량변수이며, 는시강 변수, 는중력가속도 은계의질량 는계의높이 (2) 운동에너지(kinetic energy) 는운동에너지 는시량변수이며, 는시강 변수, 는계의속도 운동에너지차 (3) 내부에너지(internal energy) 분자들이가지는운동에너지와위치에너지, 그리고분자를구성 하는여러종류의미립자에관계되는에너지를합한것이다. 는내부에너지, 는열, 는일 (4) 엔탈피(enthalpy) 는엔탈피 는내부에너지 는절대압력 는부피 단위질량당의엔탈피 : 는 상태량으로써의변화 : 30 제01장화학공학의기초
www.chemedu.co.kr 실전중심화학공학일반 (5) 열(heat, Q) 계와외계사이에온도차이가있을때계의경계를통하여흐르 는에너지로써정의된다. (6) 일(work) 는 방향으로작용한힘 경로함수인경우에는 는단면적, 은움직인거리를의미한다. 2) 열역학법칙들 (1) 열역학제 1 법칙 : 열과역학적에너지사이의변화에서전체에너 지는보존된다. 즉, 열(heat) = 일(work) 을의미한다. (2) 열역학제 2 법칙 : 에너지전환및제한의법칙으로써자발적과정 에서엔트로피는증가하는방향으로흐른다. (3) 열역학제 3 법칙 : 절대영도의극한에서여러가지고체의성질을 취급하면엔트로피변화는 이다. (4) 에너지수지 : E in = E out + E acc 도입량(input) = 배출량(output) + 축적량(accumulation) General Ch.E. 실전중심화학공학일반 31
Pass for One 화공에듀 3) 열역학적과정계산 (1) 등압과정 (2) 등용과정 (3) 등온과정 (4) 단열과정 4) 열효과(heat effect) 현열효과 (sensible heat effect) 1 온도 를증가시키는데필요한열량 [ : 비례상수( 열용량)] 2 열용량(heat capacity) : 어떤물질을 또는 F 상승시키는 데필요한열량을 cal 또는 Btu 단위로환산한수이다. ᄀ 정압열용량 ᄂ 정용열용량 이상기체의정압비열 분자형태정압비열 ( 온도가높지않을때) 단원자분자(He, Ne, Ar 등) 선형다원자분자비선형다원자분자 (5/2)R (7/2)R (4)R 32 제01장화학공학의기초
www.chemedu.co.kr 실전중심화학공학일반 3 비열 Btulm F calg C ( : 질량) 4 mol 열용량 c 5 Btulb mol F calg molc ( mol 수 ) 온도의영향에따르는 mol 열용량 ( 직선의식) (2) 잠열(latent heat) 1 온도의변화없이상의변화를일으키는데필요한에너지 2 용해열추정방법 원소 무기화합물 유기화학분 ( 는몰용해열 calg mol 는표준융점 K) 3 기화열측정방법 ᄀ Kistyakowsky 식 ᄂ log ( 는표준끓는점 K 는 에서몰기화열 calg mol) Clausius - Clapeyron 식 ( 는증기압, 는절대온도 는 에서기화열, 및 은기상 및액상의몰부피 ) 4 전이열 : 고체가한상에서다른상으로변하는데필요한 에너지이다. General Ch.E. 실전중심화학공학일반 33
Pass for One 화공에듀 5) 열화학(thermochemistry) (1) 표준반응열 atm 에서반응물을반응시켜 atm 의생성물을얻기까지 의변화한에너지, 즉엔탈피변화이다. (2) 표준생성열 화합물을구성하는성분우너소로부터화합물 몰이생성될때의 엔탈피변화이다. (3) 표준연소열 어떤화합물이완전히연소되었을때의엔탈피변화이다. (4) Bomb calorie-meter 에의한열량계산법 H o 여기서, 는 는 bomb를 bomb를수분당량 만큼올리는데필요한열량 H O 는물을 만큼올리는데필요한열량 는연소전후의온도차 (5) 표준생성열과표준연소열에서표준반응열을계산하는방법 (6) Hess 의법칙 어떤반응의반응열은최초상태( 반응물) 와최종상태( 생성물) 에만 관계되며, 그경로에는무관계한다는법칙이다. (7) 전열의식 : kcalh 수분증발에필요한열량 kcalh 여기서, : 끓는점에서증발잠열 kcalkg : 증발수량 kg 34 제01장화학공학의기초
www.chemedu.co.kr 실전중심화학공학일반 6) 발열량과연소 (1) 발열량 고체 액체연료 1kg 을, 기체연료 1L 를완전연소하였을때, 연료가 발생시킨열량이다. 1 고위발열량 (gross caloific value, HH) : 연료의완전연소시수증기와연소가스등이연소로내에모두 응축한증발열을발열량에포함시킨열량이다. 이는저위발열량 (H L ) 과수증기증발잠열(H g ) 을더한열량으로표현된다. 열량계로 측정한값으로습한연소가스량에해당하는발열량이다. 2 저위발열량 (gross caloific value, HL) : 고발열량에서연료에함유된수분과수소의연소시생성된수 분의증기에소요된잠열을뺀열량으로, 한다. 진발열량이라고도 이는연료의연소열만측정한값으로건조연소가스에 해당하는발열량이다. 저발열량 (HL) 의계산 실제로사용하는발열량은저발열량으로, 로대기중으로배출되기때문이다. 연소시연료중의수분이나수증기가응축함이없이곧바 기체연료 [kcal/l] 고체연료 여기서, 600은물 1lg의평균 증발잠열을의미한다. (2) 연소 1 2 이론연소온도 : 연료에이론공기량을공급해서완전연소시킬 경우불꽃을낼수있는최고온도이다. 실제연소온도 : 이론연소온도보다약간높은연소온도로, 실제 연료를완전연소시키면연소로벽등에일부가흡수되므로이 론값보다약간높다. General Ch.E. 실전중심화학공학일반 35
Pass for One 화공에듀 intentionally 空 欄 36 제01장화학공학의기초