기술

증발

회전 증발 기법 및 증류 공정

증류 공정은 기화 및 후속 응결을 통해 액상 혼합물로부터 휘발성 용매를 제거하는 데 사용됩니다. 실험실에서, 화학자 및 생화학자들은 증류 공정과 회전 증발기를 자주 사용합니다.

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증류의 역사

“한 방울씩 분리”라고도 불리는 회전 증발의 역사적 발전은 수천 년 전에 시작됐습니다. 시간 경과에 따라 증류 공정이 어떻게 발전해왔는지에 대한 다채로운 역사는 아래 표에 나와 있습니다.

 

기원전 3,500년 페르시아인들은 장미 향수를 생산하기 위해 증류를 고안했습니다. 증류 기법은 유럽, 북아프리카 및 아시아 전역까지 빠르게 전파됐습니다. 증류 공정은 에센스 생산, 해수 담수화, 그리고 연금술에도 사용됐습니다.
2세기

종교적인 측면과 화학이 결합된 연금술의 인기가 높아지면서, 아무런 특성도 가지지 않는 기본 물질인 “근원적 물질(Prima Materia)”을 찾아내려는 움직임이 더욱 늘었습니다. 연금술사들은 화학적으로 천연 물질을 이 기본 물질로 바꾼 다음, 사람들이 원하는 새로운 특성, 가령 금의 특성을 기본 물질에 부여하고자 노력했습니다. 이러한 시도 끝에 연금술사들은 많은 화학적 화합물을 발견했고, 기존 공정 및 장비를 개선했으며, 오늘날 현대 화학에서도 여전히 사용되고 있는 새로운 방법들을 찾아냈습니다. 또한 이들은 오늘날에도 계속해서 사용되고 있는 증류 기술을 설계 관련 관점으로부터 발전시키기도 했습니다. 이러한 증류 장비의 4가지 표준구성품으로는 가열 중탕, 둥근바닥 플라스크, 헤드, 그리고 응축기가 있습니다.

17–18세기 이 당시의 초점은 기존 증류 기술을 향상시키는 데 맞춰졌습니다. 증류 장비는 단열 처리되었고, 기구는 금속 대신 유리로 제조하는 경우가 점차 늘었으며, 연속 증류 공정이 도입되었고, 물이 냉각제로 사용되었습니다. 증기 증류 공정 또한 이 시대에 발견되었습니다. 17세기 말, 아일랜드 물리학자 Robert Boyle(1627-1691)이 최초의 진공 증류를 실시했습니다.
19세기 최초의 정류 컬럼은 다단계 증류를 가능하도록 하기 위해 고안되었습니다. 유기 화학이 등장하면서, 실험실의 필요에 따라 새로운 증류 장비가 특정하게 설계되었습니다. 프랑스에서 주류업계가 재정적으로 개입하면서 산업 규모 역시 급속도로 커졌습니다. 또한 압력 조절기의 발명과 펌프의 발전으로 인해 진공을 보다 직접적으로 사용할 수 있게 됐습니다.
1950 – 1955년 C.C. Draig(1950)와 M.E. Volk(1955)는 자신들이 저술한 글을 통해 회전 증발기의 작동 원리를 공개했습니다. 이 공정은 플라스크 공정보다도 열전달률이 훨씬 높아서 생성물을 절약하고 생산량을 늘려주었습니다.
1957 Flawil에 소재한 BÜCHI Labortechnik는 최초의 회전 증발기를 시장에 선보였습니다.

증류 공정 및 그와 관련된 회전 증발 기술 

회전 증발기는 전 세계 화학자 및 생화학자들의 수요에 부응하기 위해 만들어졌습니다. Rotavapor®는 다양한 응축기를 갖춘 덕에 혼합 용매의 빠른 증류, 샘플의 효율적인 건조, 보다 빠른 동결 건조를 이용한 샘플 분취, 환류를 이용한 화학 합성, 천연 화합물 추출, 그리고 농축에 사용되고 있습니다. 회전 증발기를 사용하는 산업 어플리케이션은 무수히 많은데, 이러한 분야로는 원유 가공, 대마초제제 분리, 분자 요리, 향미 및 향료 생산 등 여러 가지가 있습니다.   

증류 공정에서의 증발 

증발은 액체 상태의 입자가 기체 상태로 변하는 과정입니다. 증발 공정은 압력 및 온도 조건이 비등점 곡선에 도달하는 즉시 시작됩니다. 이 지점에서는 모든 입자의 운동 에너지가 입자를 결합하고 있는 상호 인력의 힘을 극복하는 데 필요한 에너지만큼 충분히 높아집니다. 표면에 존재하는 아주 소수의 분자는 이제 문제가 아니며, 액체 상태로부터 탈출이 시작됩니다. 이제는 액체의 모든 부분에 걸쳐 액체에서 기체로 바뀌는 변화가 발생합니다. 비등점이 증류의 필수 요소인 것은 사라진 액체가 증발되는 동안보다 훨씬 빨리 기화하기 때문입니다. 기체의 몰 부피가 액체의 몰 부피보다 몇 배는 더 크기 때문에, 물질은 비등하는 중에 1,000 - 2,000배 팽창합니다. 증류 장비가 이 정도의 부피를 처리할 수 있는지 확인하는 데에는 세심한 주의가 필요합니다.  

증발 공정 중의 핵 비등 

증류 공정 중에 일어나는 비등의 첫 단계는 핵 비등입니다. 열을 가하면 용기의 벽 안을 둘러싸고 있는 기체의 기포가 팽창하기 시작합니다. 기화된 입자가 액체에서 빠져나와 이러한 기포에 합쳐짐으로써 기포가 더욱 커지게 됩니다. 기포의 부력이 벽과의 접착력을 이길 수 있는 지점에 다다르면, 기포가 용기 벽에서 일부 떨어져 나와 표면으로 떠오릅니다. 기포의 나머지 부분은 같은 지점에서 다음 기포를 생성하는 근원 역할을 합니다. 기포의 배후에 표류 흐름이 형성되면서 액체 내부의 혼합 작용이 더욱 활발해집니다. 액체의 온도가 높아질수록 더 많은 기포가 형성되며, 결국 연속적인 증기 막이 용기의 벽을 감싸게 됩니다. 이 단계를 막 비등이라고 부릅니다. 

그림 1. 핵 비등 

 

증발 공정 중의 열 전달 

비등의 중요한 양상 중 하나는 바로 열원에서 액체까지 이루어지는 열 전달입니다. 액체는 일반적으로 용기의 벽에서만 열원과 접촉하기 때문에, 액체의 바깥쪽 층이 제일 먼저 따뜻해집니다. 최상단의 층은 온도가 낮은 상태를 유지합니다. 온도가 높아진 층은 대류로 인해 상승하고, 온도가 낮은 층은 그 자리를 차지하게 됩니다. 이러한 현상은 온도의 균등화를 가져오지만 매우 느리게 진행됩니다. 핵 비등의 시작점에서 추가적으로 이뤄지는 혼합 작용으로 인해 열 전달이 촉진되긴 하나, 상황은 여전히 만족스럽지 않습니다. 회전 증발 기술을 사용하여 액체가 혼합기 또는 회전하는 플라스크 내부에서 움직이도록 두면 열 전달이 상당히 활발해질 수 있습니다. 이처럼 지속적인 혼합 또는 강제 대류를 일으키면 열 전달이 완벽하게 이뤄지고 기체 형태가 보다 잘 배출되며, 그 결과 증류 공정의 속도가 증가합니다. 

그림 2. 자유 대류
그림 3. 
  • 지연된 비등의 시작(1. 범핑), (2. 온도 분포, 3. 대류) 
  • 표면에서의 지연된 비등(1. 범핑). 

증류 공정에서의 응결 

응결은 이 비등 공정과 정반대로, 즉 물질이 기체 상태에서 액체 상태로 변하는 과정입니다. 비등 중 입자로 전달된 기화열을 이제는 입자에서 제거해야 하므로, 기체를 응결시키기 위해 냉각이 필요합니다.  

기화 지점을 벗어난 증기가 응결 구역에 도달합니다. 응축기의 온도가 증기의 응결 온도보다 낮기 때문에 증기는 응결되며, 증기의 분자가 응축기에 닿는 즉시 액체 막이 형성됩니다. 이 막이 열 전달을 지연시키므로 막을 없앨 수 있는 대책을 취해야 합니다. 따라서 응축기는 항상 세로 또는 사선 형태로 설계됩니다. 흘러내린 응결액은 수집 플라스크 안에 남아 수집됩니다. 응결될 기체의 부피가 생성된 액체의 부피보다 훨씬 크기 때문에, 열이 쉽게 배출되지 못합니다. 이 때문에 냉각기의 표면이 통상적으로 매우 큰 것입니다.  

증류 공정의 전반에 걸쳐 효율적으로 응결시킬 수 있도록 보장하기 위해, 끊임없이 새로 제공될 수 있는 냉매(예: 흐르는 수돗물) 또는 재순환 냉각기를 사용해 작업을 수행합니다. 비등 작용으로 인해 압력이 크게 증가합니다. 응결 단계에서는 매우 많은 양의 압력이 소멸합니다. 응축기는 펌프와 같은 역할을 합니다.  

기체가 회전 증발기를 따라 이동하는 방식 

증류는 기화와 후속 응결로 이루어져 있습니다. 기화 및 응결의 발생 지점은 일반적으로 완전히 분리되어 있으므로, 반드시 증기를 이동시켜야 합니다. 이는 쉽게 할 수 있습니다. 기체는 이용할 수 있는 공간 내에서 골고루 확산되기 때문에 증발기 측으로부터 액화가 이뤄지는 응축기 측으로 흘러갑니다. 이로 인해 부피가 동일한 액체 방울이 생성됩니다. 그리고 국부적으로 진공이 형성됩니다. 이리하여 응축기 측에 항상 기체가 유입되는 동안, 증발기 측은 동일한 양의 기체를 끊임없이 공급합니다. 생성된 압력의 동력학적 차이로 인해 증기가 빠른 속도로 기구를 통과해 이동합니다. 이러한 흐름을 유지하는 힘은 바로 기화 중에 기체에 전달되는 기화열입니다. 이 열은 응결 중에 기체에서 다시 빠져나갑니다. 따라서 이 현상을 열 펌프(P)라고도 부릅니다.

그림 4. 회전 증발기 내부의 열 펌프(P) 및 국부 온도차. 

 

응결 속도와 증발 속도를 서로 맞추는 것은 동압력 간의 균형 잡힌 차이를 유지하기 위해 중요합니다. 응축기 내에서 응결되는 물질보다 기화하는 물질이 많은 경우 기구 내부의 압력이 증가하며, 진공 펌프로 기화된 용매를 계속 끌어올린 다음 주변 환경으로 내보내야 합니다. 최선의 작업 방법은 비등 온도를 냉각수의 온도보다 20°C 가량 높이는 것입니다. 이렇게 하면 열의 균형을 평형 상태로 유지할 수 있습니다. 

증류 공정을 통한 분리 

증류는 두 가지 액체로 이루어진 혼합물을 나누는 분리 기법입니다. 증류 공정은 물질들의 증기압 간 차이를 기반으로 합니다. 혼합물은 기화할 때까지 가열되고 이후에 다시 응결됩니다. 이 공정에서는 휘발성이 더 강한 성분이 증기 상태로 축적되고, 따라서 응결액도 마찬가지로 축적되며, 그 결과 분리가 이뤄집니다. 농축된 증기는 증류 장비를 직접 통과하여 증기를 액화시키는 응축기에 도달하고, 이어서 수집 용기 내에 증류액으로 수집됩니다. 이와 동시에 휘발성이 더 낮은 성분은 증발 플라스크 내에 축적됩니다.  

두 물질의 비등점이 80°C 넘게 차이나는 경우에는 단일 증류로 혼합물을 분리할 수 있습니다. 단일 증류는 주로 휘발성이 강한 용매를 비등점이 높은 물질로부터 분리하는 데 사용됩니다. 여기서는 다시 얻게 되는 물질이 용매(용매의 정화)이든 잔여물(용매 제거를 통한 반응물의 정화)이든 차이가 없습니다. 분리할 두 성분의 비등점이 서로 지나치게 가까우면, 반드시 증류 공정을 여러 번 반복해야 합니다. 이러한 절차를 정류라고 부릅니다. 그렇지 않으면, 비등 온도의 차이가 적게 나는 두 액체를 분리하기 위해 분별 증류를 사용할 수 있습니다. 분별 증류에서는 유리 비드 또는 플라스틱 비드로 채워진 분별 컬럼이 가열 플라스크와 응축기 사이에 위치합니다. 분별 컬럼 내부의 유리 비드는 액체가 응결되었다가 다시 증발하고, 응결이 반복될 수 있는 표면을 더 많이 제공합니다. 

증류 공정에서 진공이 하는 역할 

진공은 모든 유형의 증발기에 대해 중요한 역할을 수행하는데, 이는 진공이 증류에 필요한 비등 온도를 낮춰주기 때문입니다. 진공 조절기를 설치했다면 수동 또는 자동으로 진공을 조절할 수 있습니다. 진공은 회전 증발기 바깥에 있는 진공원에서 강화됩니다. 이러한 진공원은 흔히 워터 제트 펌프 또는 다이어프램 펌프와 같은 실험실의 펌프거나, 아니면 실험실 내부의 진공 배관입니다. 실험실 펌프의 작동은 진공 조절기로 제어할 수 있으며, 이를 통해 물과 전기를 절약하고 펌프의 수명을 늘려 줍니다.  

Rotavapor®는 유리 어셈블리의 진공 연결부를 가로질러 위치하여 공기를 배출 및 재공급합니다. 이 연결부가 장비의 어느 곳에 위치해 있는지가 중요합니다. 연결부는 기화에 의해 축적된 국부적인 과압이 응결에 의해 다시 소멸하는 지점에 있어야 합니다. 이 지점은 상행 냉각기의 최상단 및 하행 냉각기의 최하단에 위치합니다.