분별 증류 (Fractional Distillation)
쉽게 풀면
두 액체의 끓는점이 크게 다르면 그냥 끓여서 먼저 나오는 증기를 받으면 되지만, 끓는점이 비슷하면 한 번의 증류로는 잘 분리되지 않는다. 분별 증류는 증류 플라스크와 콘덴서 사이에 유리구슬이나 나선형 충전물이 채워진 긴 관(분별관)을 세워, 증기가 위로 올라가는 동안 응축과 재증발을 여러 번 반복하게 만든다. 이 과정을 거치며 끓는점이 낮은 성분은 점점 더 순수하게 위쪽으로 농축되고, 끓는점이 높은 성분은 아래로 되돌아간다. 원유 정제부터 실험실에서 용매를 정제하는 작업까지 폭넓게 쓰인다.
왜 중요한가
화학 반응의 결과나 물성 측정 결과는 반응물과 용매의 순도에 크게 좌우되기 때문에, 분별 증류는 실험 재현성을 확보하는 기초 정제 과정으로 유기합성·석유화학 논문에서 빈번히 언급됩니다. 석유화학공학에서는 원유를 휘발유, 등유, 경유 등 서로 다른 끓는점을 가진 성분으로 나누는 대표적인 산업 공정의 원리로도 다뤄집니다. 또한 새로운 분리막이나 촉매를 개발하는 연구에서, 기존 증류 공정과의 에너지 효율 비교 대상으로도 자주 등장합니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
수분과 산소를 제거하는 건조제와 함께 용매를 분별 증류해서 순도 높은 무수 용매를 얻었다는 뜻이다.
이 문장은 원유를 온도 구간별로 나누어 얻은 여러 성분(유분)이 각각 어떤 화합물로 이루어져 있는지 분석했다는 뜻입니다.
이 문장은 에탄올과 물이 특정 비율로 섞이면 일반적인 분별 증류만으로는 더 이상 순도를 높일 수 없어, 다른 보조 공정이 필요했다는 뜻입니다.
조금 더 깊게 보면
분별 증류의 분리 성능은 이론단(theoretical plate)이라는 개념으로 나타내는데, 이는 증기와 액체가 한 번 평형을 이루며 성분이 분리되는 가상의 단계 수를 의미하며 이론단 수가 많을수록 분리 효율이 높습니다. 다만 끓는점이 비슷한 성분들의 혼합물이 특정 조성에서 마치 순물질처럼 일정한 끓는점으로 함께 끓는 공비 혼합물을 이루면, 아무리 증류를 반복해도 그 조성 이상으로는 분리되지 않는 한계가 있습니다. 이런 경우에는 압력을 바꾸거나 제3의 물질을 첨가하는 공비 증류, 추출 증류 같은 보완적인 방법이 함께 쓰입니다.
주의할 점
끓는점이 낮은 압력에서 분리해야 하는 열에 약한 물질은 진공 증류(감압 증류)를 함께 사용한다.