증류 공정의 원리와 특징에 대해 말해 보십시오.

증류 공정이란 석유를 분리해내기 위한 가장 오래되고 전형적이며 효율적인 방법이다. 원리는 매우 간단하다. 석유 속에는 여러 가지 탄화수소 화합물들이 존재하는데, 이들을 분리해내기 위해 물질들의 끓는점 차이를 이용하여 분리해내는 것이 증류 공정이다. 다량의 원류를 분리하기 위해서 거대한 증류탑이 설계되었으며, 탑의 하단부에서 원유를 가열하면 가장 끓는점이 낮아 기체상태가 되는 메탄부터 차례대로 탑의 상단부에서 얻어진다. 가장 아래에는 기화될 수 없는 유분인 아스팔트를 얻게 된다. 증류 공정은 단순히 혼합물에 열만 가하면 되기 때문에 설계가 쉽고 별다른 시설이 필요 없이 연료만 공급해주면 되는 간단하고도 효율적인 시설이다. 그러나 열을 받아 분해되는 물질들은 증류 공정에서 분해되어 버리기 때문에 다른 방법을 사용하여 분리해야 한다.

해설 및 핵심용어 정리

증류(Distillation)는 끓는 액체 혼합물의 각각의 물질이 휘발성이 서로 다름을 이용하여 물질을 분리하는 방법이다. 증류는 화학적인 반응이 아닌 물리적인 분리 방법이다. 증류는 여러 곳에 쓰이는데 바닷물로부터 염 등을 제거하여 증류수를 만들 때, 공기를 질소, 산소, 아르곤으로 분리할 때, 발효된 술로부터 증류주를 만들 때 쓰인다.

기원전 2000년경 오늘날의 이라크 지역인 메소포타미아의 바빌로니아에서 초기 증류 장치가 사용되었다. 기원전 500년경 파키스탄에서 알코올의 분리를 위해 사용된 증류 장치가 발굴되기도 하였다. 기원후 1세기경에 그리스로 증류기술이 전달되면서 이후 그리스에서는 대량의 증류주가 제조되었다. 분별 증류(Fractional distillation)는 13세기의 Tadeo Alderotti가 개발했다.

끓는점이란 액체의 증기압이 외부 대기압과 같아지는 점을 말한다. 이상 증류 모델(Idealized distillation model)은 혼합물에서의 어떤 액체의 증기압은 순수한 그 액체의 증기압에 몰분율을 곱한 것과 같다는 라울(Raoult)의 법칙과 기체들의 혼합물이 나타내는 압력은 각 기체가 단독으로 용기를 차지할 때의 압력들의 합과 같다는 돌턴(Dalton)의 법칙, 그리고 증기-액체 평형을 따른다. 혼합물에서 끓어 나온 특정한 증기 하나가 차지하는 비율은 그 물질이 가지는 전체 압력에 대한 부분압의 비율과 같다. 따라서 분자간의 힘이 약한 물질은 부분압이 크고 증기 중에 많이 있고, 분자간의 힘이 강한 물질은 부분압이 작고 그만큼 증기 중에 차지하는 비율이 작다.

이상 증류 모델은 벤젠, 톨루엔과 같이 비슷한 화학종에 대해서 정확하다. 물과 에탄올과 같이 Raoult의 법칙과 Dalton의 법칙으로부터 극심한 편차가 있는 경우에는 같이 가열했을 때 각각의 순수한 물질일 때의 원래의 끓는점보다 낮아져서 같이 끓게 되는 공비혼합물(azeotrope)가 된다. 참고로 모든 액체는 다른 액체와 섞고 가열하면 azeotrope로 행동할 수 있다. 따라서 임의의 두 액체를 섞었을 경우 행동을 예측할 수 있는 유일한 방법은 증기-액체 평형을 조사하는 것이다. 따라서 액체 혼합물이 azeotrope가 되기 때문에 증류로 혼합물로부터 각각의 물질을 순수한 상태로 완벽하게 정제하는 것은 불가능하다.

증류의 방법에는 simple distillation(단순 증류), fractional distillation(분별 증류), steam distillation(증기 증류), air-sensitive vacuum distillation, short path distillation 등이 있다.

먼저 단순 증류는 뜨거운 증기가 생성되면 condenser로 가게 되고 응축되어 collecter에 모인다. 따라서 이 방법으로 증류한 것은 순수하지 않다. 증류된 물질의 조성은 주어진 온도와 압력에서의 증기의 조성과 같으며 Raoult의 법칙으로부터 계산할 수 있다. 따라서 단순 증류는 끓는점 차이가 25℃이상 정도로 많이 나는 경우에만 사용하거나, 액체를 기화성이 없는 고체나 오일로부터 분리할 때 사용한다. 이 경우 기화성이 없어서 무시할 수 있을 정도로 증기압이 적고 Raoult의 법칙을 적용하지 않아도 된다. 그리고 충분히 우리가 원하는 만큼 순수한 물질을 증류로부터 얻을 수 있다.

하지만 많은 경우 Raoult의 법칙을 고려해야 할 만큼 혼합물들의 끓는점이 가까이 있다. 분별 증류는 끓는점이 가까이에 있는 혼합물을 각 성분 별로 분리하는 것이다. 각 화학종들은 자신의 끓는점까지 온도를 가열하면 몇몇 화학종들은 기화되어 분리된다. 일반적으로 끓는점 차이가 25℃이하일 때 분별 증류를 사용하고, 25℃이상일 때는 단순 증류를 사용한다. 물과 에탄올의 혼합물을 증류한다고 하자. 에탄올은 78.4℃에서 끓고 물은 100℃에서 끓는다. 그래서 가열하면 가장 휘발성이 큰 물질이 증기 중에 가장 많을 것이다. 하지만 어떤 혼합물은 azeotrope에서 나온 것이다. 예를 들어 96%의 에탄올과 4%의 물이 섞인 혼합물은 78.2℃에서 끓는다. 이런 이유로 물과 에탄올 혼합물은 절대로 분별 증류로는 순수한 에탄올을 얻을 수 없다.

증기 증류는 방향족 화합물(aromatic compound)처럼 온도에 민감한 물질을 증류할 때 쓰인다. 많은 유기 화합물들은 높은 온도에서 분해되는 경향이 있다. 따라서 분리, 정제를 위한 일반적인 증류 방법을 선택할 수는 없다. 그래서 물 또는 수증기를 증류 장치 안에 포함시킨다. 이 경우 물 또는 수증기를 첨가하여 물질들을 원래의 끓는점보다 더 낮은 온도에서 기화시킨다. 만약 물질이 열에 대해서 매우 민감할 경우, 증기 증류와 함께 감압 증류를 합치기도 한다. 증류 후에는 기체를 응축시키고, 물과 유기화합물의 2개의 상으로 분리하여 얻어낸다. 두 개의 섞이지 않는 액체가 각각의 온도에 해당하는 증기압을 독립적으로 발휘하기 위해 교반하며 가열 한다고 하자. 그러면 전체 계의 증기압이 증가한다. 두 개의 섞이지 않는 액체의 부분압의 합이 대기압을 넘어서면 끓게 된다. 이런 방법으로, 많은 유기화합물은 물에 녹지 않고 분해가 일어나지 않는 온도에서 순수하게 분리될 수 있다. 예를 들어 브로모벤젠(bromobenzene)은 끓는점이 156℃이지만 물과 함께 섞고 끓이면 끓는점이 95℃가 된다. 즉, 원래의 끓는점보다 무려 61℃나 낮은 온도에서 끓게 된다.