Теоретическая пластина

Теоретическая тарелка во многих процессах разделения представляет собой гипотетическую зону или стадию, на которой две фазы, например жидкая и паровая фазы вещества, устанавливают равновесие друг с другом. Такие стадии равновесия также можно назвать стадией равновесия , идеальной стадией или теоретической тарелкой . Производительность многих процессов разделения зависит от наличия ряда равновесных стадий и повышается за счет увеличения количества таких стадий. Другими словами, наличие большего количества теоретических тарелок увеличивает эффективность процесса разделения, будь то дистилляция , абсорбция , хроматография , адсорбция или аналогичный процесс. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Приложения

Концепция теоретических тарелок и тарелок или равновесных стадий используется при разработке множества различных типов разделения. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Ректификационные колонны

Концепция теоретических тарелок при проектировании процессов дистилляции обсуждалась во многих справочных текстах. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Любое физическое устройство, обеспечивающее хороший контакт между паровой и жидкой фазами, присутствующими в дистилляционных колоннах промышленного масштаба или дистилляционных колоннах из стеклянной посуды лабораторного масштаба, представляет собой «тарелку» или «поднос». Поскольку реальная физическая пластина никогда не может быть стадией равновесия со 100% эффективной эффективностью, количество реальных пластин больше, чем необходимое теоретическое количество пластин.

N_{a}={\frac {N_{t}}{E}}

где $N_{a}$ — это количество фактических физических тарелок или лотков, $N_{t}$ количество теоретических тарелок или подносов и $E$ эффективность тарелки или лотка.

Так называемые тарелки с барботажными или клапанными крышками являются примерами устройств для контакта пара и жидкости, используемых в промышленных дистилляционных колоннах. Другим примером устройств, контактирующих с паром и жидкостью, являются иглы в лабораторных ректификационных колоннах Вигро .

Тарелки или тарелки, используемые в промышленных дистилляционных колоннах, изготавливаются из круглых стальных пластин и обычно устанавливаются внутри колонны с интервалами примерно от 60 до 75 см (от 24 до 30 дюймов) по высоте колонны. Такое расстояние выбрано в первую очередь из соображений простоты установки и простоты доступа для будущего ремонта или обслуживания.

Типичные барботажные тарелки, используемые в промышленных дистилляционных колоннах

Примером очень простого лотка является перфорированный лоток. Желаемый контакт между паром и жидкостью происходит, когда пар, текущий вверх через перфорационные отверстия, вступает в контакт с жидкостью, текущей вниз через перфорационные отверстия. В современной современной практике, как показано на диаграмме рядом, лучший контакт достигается путем установки пузырьковых колпачков или колпачков клапанов на каждом перфорационном отверстии, чтобы способствовать образованию пузырьков пара, протекающих через тонкий слой жидкости, поддерживаемый перегородкой на каждом тарелке.

Для проектирования перегонной установки или аналогичного химического процесса необходимо определить количество теоретических тарелок или тарелок (то есть гипотетических равновесных стадий) $N t$ , необходимых в процессе, принимая во внимание вероятный диапазон состава сырья и желаемый диапазон. степень разделения компонентов в выходных фракциях. В промышленных ректификационных колоннах непрерывного действия $N t$ определяют, начиная с верхней или нижней части колонны и рассчитывая балансы материалов, тепловые балансы и равновесное мгновенное испарение для каждой из последовательности стадий равновесия до тех пор, пока не будет достигнут желаемый состав конечного продукта. Процесс расчета требует наличия большого количества данных о равновесии пар-жидкость для компонентов, присутствующих в дистилляционном сырье, и процедура расчета очень сложна. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

В промышленной дистилляционной колонне количество $N t$ , необходимое для достижения заданного разделения, также зависит от количества используемого флегмы . Использование большего количества рефлюкса уменьшает количество требуемых тарелок, а использование меньшего количества рефлюкса увеличивает количество требуемых тарелок. Следовательно, расчет $N t$ обычно повторяется при различных скоростях рециркуляции. $Затем N t$ делится на эффективность тарелки E, чтобы определить фактическое количество тарелок или физических тарелок $N a$ , необходимых в разделительной колонне. Окончательный выбор конструкции количества тарелок, которые будут установлены в промышленной дистилляционной колонне, затем выбирается на основе экономического баланса между стоимостью дополнительных тарелок и стоимостью использования более высокой скорости рециркуляции.

Существует очень важное различие между терминологией теоретической тарелки, используемой при обсуждении обычных дистилляционных тарелок, и терминологией теоретической тарелки, используемой в приведенных ниже обсуждениях дистилляции или абсорбции в насадочном слое, хроматографии или других применений. Теоретическая тарелка в обычных перегонных тарелках не имеет «высоты». Это просто гипотетическая стадия равновесия. Однако теоретическая тарелка в насадочных слоях, хроматографии и других приложениях определяется как имеющая высоту.

Эмпирическую формулу, известную как корреляция Ван Винкля, можно использовать для прогнозирования эффективности тарелки Мерфри для дистилляционных колонн, разделяющих бинарные системы. ^{[ 4 ]}

Насадочные слои для дистилляции и абсорбции

дистилляционного и абсорбционного Процессы разделения с использованием насадочных слоев для контактирования пара и жидкости имеют эквивалентную концепцию, называемую высотой тарелки или эквивалентом высоты теоретической тарелки (HETP). ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 5 ]} HETP возникает из той же концепции стадий равновесия, что и теоретическая тарелка, и численно равна длине абсорбционного слоя, деленной на количество теоретических тарелок в абсорбционном слое (и на практике измеряется таким образом).

N_{t}={\frac {H}{\mathrm {HETP} }}

где $N_{t}$ - количество теоретических тарелок (также называемое «количеством тарелок»), $H$ - общая высота слоя, а $HETP$ - высота, эквивалентная теоретической тарелке.

Материалом в насадочных слоях может быть либо случайная насыпная насадка (шириной 1–3 дюйма), такая как кольца Рашига , либо структурированный листовой металл . Жидкости имеют тенденцию смачивать поверхность насадки, а пары контактируют со смоченной поверхностью, где происходит массоперенос .

Хроматографические процессы

Концепция теоретической тарелки была также адаптирована для хроматографических процессов Мартином и Сингом . ^{[ 6 ]} определение Золотая книга ИЮПАК дает . количества теоретических тарелок в хроматографической колонке ^{[ 7 ]}

В процессах хроматографии применяется то же уравнение, что и в процессах с насадочным слоем, а именно:

N_{t}={\frac {H}{\mathrm {HETP} }}

В насадочной колоночной хроматографии HETP также можно рассчитать с помощью уравнения Ван Деемтера . В капиллярной колоночной хроматографии HETP определяется уравнением Голея.

Другие приложения

Концепция теоретических тарелок или лотков применима и к другим процессам, таким как капиллярный электрофорез и некоторые виды адсорбции .

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Гэвин Таулер и Р.К. Синнотт (2007). Химико-технологическое проектирование: принципы, практика и экономика проектирования предприятий и процессов . Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-8423-1 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Кистер, Х.З. (1992). Проектирование дистилляции (1-е изд.). МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-034909-6 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Перри, Роберт Х. и Грин, Дон В. (1984). Справочник инженеров-химиков Перри (6-е изд.). МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-049479-7 .
^ Проектирование химической инженерии, Гэвин Таулер и Рэй Синнотт, 2013.
^
Концепция «теоретической пластины эквивалента высоты» (HETP) была придумана в 1922 году Уильямом А. Питерсом-младшим из Dupont Corporation в Уилмингтоне, штат Делавэр, США. Видеть:
- Питерс, Вашингтон младший (1922). «Эффективность и производительность ректификационных колонн» . Журнал промышленной и инженерной химии . 14 (6): 476–479. дои : 10.1021/ie50150a002 . См. стр. 476.
- (Мартин и Синдж, 1941), с. 1359.
^ Мартин, AJP; Synge, RLM (1941). «Новая форма хроматограммы с использованием двух жидких фаз» . Биохимический журнал . 35 (12): 1358–1368. дои : 10.1042/bj0351358 . ПМЦ 1265645 . ПМИД 16747422 .
^ Определение количества пластинок (в хроматографии) Золотая книга ИЮПАК

Внешние ссылки

Дистилляция, введение Минг Там, Университет Ньюкасла, Великобритания
Теория дистилляции Ивара Дж. Халворсена и Сигурда Скогестада, Норвежский университет науки и технологий, Норвегия.

[Towler-1] Jump up to: ^а ^б Гэвин Таулер и Р.К. Синнотт (2007). Химико-технологическое проектирование: принципы, практика и экономика проектирования предприятий и процессов . Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-8423-1 .

[Kister-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Кистер, Х.З. (1992). Проектирование дистилляции (1-е изд.). МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-034909-6 .

[Perry-3] Jump up to: ^а ^б ^с Перри, Роберт Х. и Грин, Дон В. (1984). Справочник инженеров-химиков Перри (6-е изд.). МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-049479-7 .

[4] Проектирование химической инженерии, Гэвин Таулер и Рэй Синнотт, 2013.

[5] Концепция «теоретической пластины эквивалента высоты» (HETP) была придумана в 1922 году Уильямом А. Питерсом-младшим из Dupont Corporation в Уилмингтоне, штат Делавэр, США. Видеть:
Питерс, Вашингтон младший (1922). «Эффективность и производительность ректификационных колонн» . Журнал промышленной и инженерной химии . 14 (6): 476–479. дои : 10.1021/ie50150a002 . См. стр. 476.

(Мартин и Синдж, 1941), с. 1359.

[6] Питерс, Вашингтон младший (1922). «Эффективность и производительность ректификационных колонн» . Журнал промышленной и инженерной химии . 14 (6): 476–479. дои : 10.1021/ie50150a002 . См. стр. 476.

[7] (Мартин и Синдж, 1941), с. 1359.

[6] Мартин, AJP; Synge, RLM (1941). «Новая форма хроматограммы с использованием двух жидких фаз» . Биохимический журнал . 35 (12): 1358–1368. дои : 10.1042/bj0351358 . ПМЦ 1265645 . ПМИД 16747422 .

[7] Определение количества пластинок (в хроматографии) Золотая книга ИЮПАК

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

v т и Химическое равновесие
Концепции	Химическая стабильность Хелатирование Динамическое равновесие Равновесная химия Стадия равновесия Бесплатная энергия Гиббс Гельмгольц Принцип Ле Шателье Разделение фаз Обратимая реакция Термодинамическое равновесие
Модели	Константа равновесия определение Фазовая диаграмма Диаграмма доминирования Правило фаз Коэффициент реакции Термодинамическая активность
Приложения	Буферный раствор Равновесие разворачивается Жидкостно-жидкостная экстракция
Конкретные равновесия	Кислотная диссоциация Функция кислотности Гаммета Константа связывания Селективность связывания Координационные комплексы Макроциклический эффект Константа диссоциации Гидролиз Самоионизация воды Раздел Коэффициент распределения Растворимость Эффект общего иона Пар–жидкость Закон Генри