지난 글에서 증류탑은 끓는점 차이로 물질을 나눈다고 말씀드렸어요. 그럼 끓는점이 거의 같은 두 물질은 어떻게 될까요? 결론부터 말하면 나눌 수는 있지만, 탑이 엄청나게 높아져요. 오늘은 그 이유를 상대휘발도라는 개념으로 쉽게 풀어 볼게요.
끓는점이 비슷하면 왜 어려울까?
섞인 액체를 끓이면 끓는점이 낮은 물질이 김으로 더 많이 올라가요. 하지만 끓는점이 높은 물질도 조금은 같이 올라갑니다. 증류는 “한쪽만 올라가는 것”이 아니라 “한쪽이 조금 더 올라가는 것”이에요.
끓는점 차이가 크면 한 번에 확 나뉘지만, 차이가 작으면 김과 액체의 성분이 거의 비슷하게 나와요. 그래서 조금씩 나뉘는 과정을 아주 많이 반복해야 합니다.
상대휘발도란 무엇일까?
상대휘발도는 두 물질 중 하나가 다른 하나보다 몇 배 더 잘 증발하는지를 나타내는 숫자예요. 엔지니어들은 끓는점보다 이 숫자를 먼저 봐요.
- 상대휘발도 2 이상: 꽤 잘 나뉘어요.
- 상대휘발도 1.1 근처: 아주 어려워요.
- 상대휘발도 1: 두 물질이 똑같이 증발해서 증류로는 못 나눠요.
예를 들어 프로판과 프로필렌은 끓는점이 약 6℃ 차이로, 상대휘발도가 1.1 안팎이에요. 업계에서 손꼽히는 “나누기 어려운 짝”입니다.
숫자 차이가 탑 높이를 얼마나 바꿀까?
두 물질을 각각 99% 순도로 나눈다고 할 때, 이론상 필요한 최소 칸 수를 계산해 보면 이렇습니다. 실제 탑은 보통 이보다 2배 정도 칸이 더 필요해요.
| 상대휘발도 | 최소 칸 수(이론) | 느낌 |
|---|---|---|
| 2.5 | 약 10칸 | 소형 탑으로 충분 |
| 1.5 | 약 23칸 | 보통 탑 |
| 1.2 | 약 50칸 | 꽤 높은 탑 |
| 1.1 | 약 96칸 | 공장에서 가장 높은 탑 중 하나 |
상대휘발도가 2.5에서 1.1로 줄었을 뿐인데, 필요한 칸 수는 약 10배가 돼요. 증류탑 이야기에서 말한 “층이 많은 아파트”가 정말 고층 빌딩이 되는 거죠.
증류가 너무 어려우면 다른 방법은 없을까?
있어요. 끓는점이 아닌 다른 차이를 이용하는 방법들이에요.
| 방법 | 이용하는 차이 | 쉽게 말하면 |
|---|---|---|
| 추출 증류 | 다른 물질과의 친한 정도 | 한쪽만 붙잡는 용매를 넣어 차이를 벌림 |
| 흡착 | 분자의 크기, 모양 | 특정 분자만 붙잡는 구멍 많은 알갱이 사용 |
| 막 분리 | 통과하는 속도 | 아주 촘촘한 체로 거르기 |
| 결정화 | 어는점 | 한쪽만 먼저 얼려서 건져 내기 |
다만 이런 방법들은 처리량이 작거나 비용이 많이 들 때가 많아서, 대량 생산에서는 여전히 높은 증류탑이 가장 흔한 답이에요.
💡 현직 엔지니어 시선
끓는점이 비슷한 물질을 나누는 탑은 꼭대기와 바닥의 온도 차이도 작아요. 엔지니어들은 이 점을 거꾸로 이용합니다. 꼭대기에서 나온 김을 압축해서 온도를 살짝 올린 뒤, 그 열로 바닥을 다시 끓이는 거예요. 이걸 열펌프 증류라고 하는데, 에너지를 크게 아낄 수 있어서 이런 “어려운 탑”에 자주 쓰여요. 어려운 분리일수록 에너지를 아끼는 아이디어가 더 중요해집니다.
3줄 요약
- 증류는 한쪽이 “조금 더” 증발하는 걸 반복하는 거라, 끓는점이 비슷하면 반복 횟수가 크게 늘어나요.
- 상대휘발도가 2.5에서 1.1로 줄면 필요한 칸 수는 약 10배가 돼요.
- 추출, 흡착, 막 분리 같은 대안도 있지만, 대량 생산에서는 여전히 높은 증류탑이 주로 쓰여요.
다음 글에서는 우리가 숨 쉬는 공기에서 산소, 질소, 아르곤을 어떻게 뽑아내는지 알아볼게요. 이것도 증류예요. 🙂