증기압(Vapor Pressure) 정의/원리/중요성 등 총정리

1. 증기압의 정의

증기압(Vapor Pressure)이란 일정한 온도에서 액체(또는 고체)가 평형 상태에 도달했을 때, 그 물질의 증기가 가하는 압력을 의미합니다.

즉, 액상과 기상이 공존하며 동적 평형(dynamic equilibrium)을 이루는 상태에서의 기체 압력이 바로 증기압입니다.

공정엔지니어 관점에서 증기압은 단순한 물성치가 아니라,

• 저장 탱크 압력 설계
• 펌프 캐비테이션 판단
• 증류, 플래싱(Flashing) 거동 예측
• 안전밸브(PSV) 설정 기준
  과 직결되는 핵심 변수입니다.

사진과 같이 증기압 곡선은 물질에 따라 다르게 나타납니다. 출처: engineeringtoolbox.com

 

2. 증기압이 발생하는 물리적 원리

2.1 분자의 운동과 증발 현상

액체 내부의 분자들은 항상 열적 운동을 하고 있으며,
일부 분자는 표면에서 액체 분자 간 인력을 극복할 만큼 충분한 운동에너지를 가지게 됩니다.

이때 분자는 액상에서 이탈하여 기상으로 전이되며, 이를 증발(Evaporation)이라 합니다.

2.2 동적 평형 상태와 증기압

밀폐된 용기 내에서는:

• 증발 속도 = 응축 속도
  가 되는 지점에 도달하게 되며, 이때 형성되는 기체 압력이 바로 증기압입니다.

✔ 중요한 점은 증기압은 용기의 부피와 무관하며, 오직 물질 고유 특성과 온도에 의해 결정된다는 것입니다.

 

 

3. 증기압과 온도의 관계

3.1 온도 상승에 따른 증기압 증가

온도가 상승하면:

• 분자의 평균 운동에너지 증가
• 액상에서 기상으로 이탈 가능한 분자 수 증가
  → 결과적으로 증기압은 비선형적으로 증가합니다.

이 관계는 실무적으로 Clausius–Clapeyron 식으로 표현됩니다.

 

$$ \ln P = -\frac{\Delta H_{vap}}{RT} + C $$

• P : 증기압 (Vapor Pressure)
• ΔH_vap : 증발 엔탈피 (Enthalpy of Vaporization)
• R : 기체상수
• T : 절대온도 (K)
• C : 적분 상수

공정 시뮬레이션(HYSYS, Aspen)에서 VLE 계산의 이론적 기반이 되는 식입니다.

※ Antoine Equation은 특정 온도 범위에서만 유효하므로, 공정 시뮬레이션 시 적용 범위를 반드시 확인해야 합니다.

 

4. 증기압과 끓는점의 관계

4.1 끓는점의 정의

어떤 물질의 증기압이 외부 압력과 같아지는 온도를 끓는점(Boiling Point)이라 합니다.

• 1 atm = 101.325 kPa
  → 이 조건에서의 끓는점 = 정상 끓는점(Normal Boiling Point)

4.2 감압 조건과 끓는점 변화

외부 압력이 낮아지면:

• 동일 증기압에 도달하는 온도 감소
  → 끓는점 하락

이 원리는 다음 공정에서 활용됩니다.

• 감압 증류(Vacuum Distillation)
• 열 민감 물질의 저온 분리 공정

 

 

5. 공정엔지니어 실무에서의 증기압 중요성

5.1 펌프 캐비테이션(Cavitation)

펌프 흡입부 압력이 유체의 증기압 이하로 떨어질 경우,
액체가 순간적으로 기화하며 캐비테이션이 발생합니다.

따라서:

• NPSH 계산 시 증기압은 핵심 입력값
• 온도 상승 → 증기압 상승 → 캐비테이션 위험 증가

5.2 저장 탱크 및 배관 설계

• 고증기압 물질 → 탱크 내부 압력 상승
• 저온 조건에서도 높은 증기압을 가지는 물질 → Venting 및 PRV 설계 필수

특히 LPG, 암모니아, 특수가스 계열에서는 증기압 데이터가 안전 설계의 출발점입니다.

 

5.3 증류 및 상평형(VLE) 계산

증기압은:

• 상대 휘발도(Relative Volatility)
• Raoult’s Law, Antoine Equation
  의 기초 물성치로 활용됩니다.

증기압 데이터의 정확도가 떨어지면:
→ 분리 효율 예측 오류
→ Reflux Ratio, Tray 수 산정 오류로 직결됩니다.

 

 

6. 증기압 관련 대표적인 식과 모델

6.1 Antoine Equation

 

$$ \log_{10} P = A - \frac{B}{C + T} $$

• P : 증기압
• T : 온도 (보통 ℃ 기준)
• A, B, C : 물질 고유의 Antoine 상수

Aspen, HYSYS 물성 DB 또한 해당 계수를 기반으로 구성됩니다.

 

 

7. 정리 및 결론

증기압은 단순한 열역학 개념이 아니라, 공정 설계·운전·안전·트러블슈팅 전반을 관통하는 핵심 물성치입니다.

 

공정 엔지니어라면 증기압을:

• 암기 대상이 아닌
• 현상 해석의 기준축(reference) 으로 이해해야 합니다.

기초 개념을 정확히 복기하는 것이 복잡한 공정 문제를 빠르게 해석하는 가장 확실한 방법입니다.