비휘발도 (Relative Volatility)
쉽게 풀면
비휘발도는 한 성분이 다른 성분보다 얼마나 더 잘 증발하는지를 숫자 하나로 나타낸 값입니다. 이 값이 1보다 훨씬 크면 두 성분의 끓는 성질이 많이 달라서 증류로 쉽게 분리할 수 있고, 1에 가까울수록 두 성분이 비슷하게 증발해서 분리가 어려워집니다. 값이 정확히 1이 되면 아무리 증류를 반복해도 더 이상 분리가 되지 않는 공비 상태에 해당합니다.
왜 중요한가
비휘발도는 증류탑에서 필요한 이론단수와 환류비를 결정하는 데 직접적으로 영향을 주는 핵심 물성값이기 때문에, 증류 설계 논문에서 거의 빠짐없이 언급되는 개념입니다. 상대휘발도는 필요한 이론단수와 최소환류비 계산에 직접 들어가는 값이어서, 이 값이 작은 혼합물을 분리하려면 그만큼 탑을 높게 짓거나 환류비를 크게 잡아야 해 설비비와 에너지비가 함께 늘어납니다. 따라서 상대휘발도 추정치는 증류탑 설계 초기의 경제성 판단에서 가장 먼저 확인하는 물성 중 하나로 다뤄집니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
비휘발도 값을 통해 분리 난이도를 판단한 예입니다.
추출증류에서 비휘발도 증가 효과를 보여주는 예문입니다.
조금 더 깊게 보면
비휘발도는 각 성분의 증기압 또는 활동도계수를 이용해 계산되며, 이상용액에서는 순수 성분의 증기압 비로 근사할 수 있지만 비이상 용액에서는 활동도계수 보정이 필요합니다. 압력과 온도, 조성에 따라 값이 달라지므로 설계 시에는 운전 범위 전반에서의 거동을 함께 검토합니다. 상대휘발도는 두 성분의 기액평형비(K값)의 비로 정의되며 이 값이 1에 가까울수록 두 성분의 끓는점 특성이 비슷해 증류로 분리하기 어렵고 더 많은 이론단이 필요합니다. 상대휘발도는 일반적으로 온도와 조성에 따라 변하므로, 설계 시 탑 전체에서 평균값 또는 단별 값을 구분해 사용해야 정확도가 높아집니다.
주의할 점
비휘발도가 조성에 따라 크게 변하는 계에서는 평균값 하나로 단순화하면 설계 오차가 커질 수 있어, 조성 구간별 값을 함께 고려하는 것이 일반적입니다. 혼합물이 공비점을 가지면 그 조성에서 상대휘발도가 1이 되어 일반 증류로는 그 지점을 넘어설 수 없으며, 이 경우 공비증류나 추출증류 같은 별도 기법이 필요합니다.