Теоретической пластины во многих процессах разделения является гипотетической зоны или стадию , в которой две фазы, такие как жидкой и паровой фаз вещества, установить равновесие друг с другом. Такие стадии равновесия можно также называть стадией равновесия , идеальной стадией или теоретической тарелкой . Эффективность многих процессов разделения зависит от наличия ряда равновесных стадий и улучшается за счет большего количества таких стадий. Другими словами, чем больше теоретических тарелок, тем выше эффективность процесса разделения, будь то дистилляция , абсорбция , хроматография ,адсорбция или аналогичный процесс. [1] [2]
Приложения [ править ]
Концепция теоретических тарелок и тарелок или ступеней равновесия используется при проектировании многих различных типов разделения. [1] [2]
Дистилляционные колонны [ править ]
Концепция теоретических тарелок при разработке процессов дистилляции обсуждалась во многих справочных текстах. [2] [3] Любое физическое устройство, которое обеспечивает хороший контакт между паровой и жидкой фазами, присутствующими в промышленных дистилляционных колоннах или лабораторных стеклянных дистилляционных колоннах, представляет собой «тарелку» или «тарелку». Поскольку реальная физическая пластина никогда не может быть на 100% эффективной ступенью равновесия, количество реальных пластин больше, чем требуемые теоретические тарелки.
где - количество реальных физических тарелок или лотков, - количество теоретических тарелок или лотков и - эффективность тарелки или лотка.
Так называемые пузырьковые крышки или тарелки с клапанами являются примерами устройств, контактирующих с паром и жидкостью, используемых в промышленных ректификационных колоннах. Другим примером устройств, контактирующих с паром и жидкостью, являются шипы в лабораторных ректификационных колоннах Vigreux .
Тарелки или тарелки, используемые в промышленных ректификационных колоннах, изготовлены из круглых стальных тарелок и обычно устанавливаются внутри колонны с интервалами примерно от 60 до 75 см (от 24 до 30 дюймов) по высоте колонны. Это расстояние выбрано в первую очередь из-за простоты установки и легкости доступа для будущего ремонта или обслуживания.
Пример очень простого лотка - перфорированный лоток. Желаемый контакт между паром и жидкостью происходит, когда пар, текущий вверх через перфорационные отверстия, входит в контакт с жидкостью, текущей вниз через перфорационные отверстия. В современной практике, как показано на диаграмме рядом, лучший контакт достигается за счет установки колпачков-колпачков или колпачков клапанов на каждом перфорационном отверстии, чтобы способствовать образованию пузырьков пара, протекающих через тонкий слой жидкости, поддерживаемый водосливом на каждой тарелке.
Чтобы спроектировать дистилляционную установку или аналогичный химический процесс, необходимо определить количество теоретических тарелок или тарелок (то есть гипотетических ступеней равновесия), N t , необходимых в процессе, с учетом вероятного диапазона состава сырья и желаемого степень разделения компонентов в выходных фракциях. В промышленных колоннах фракционирования непрерывного действия N t определяют, начиная с верха или низа колонны и вычисляя материальные балансы, тепловые балансы и равновесные мгновенные испарения для каждой последовательности равновесных стадий до тех пор, пока не будет достигнут желаемый состав конечного продукта. Процесс расчета требует наличия большого количестваданные о парожидкостном равновесии для компонентов, присутствующих в сырье для перегонки, и процедура расчета очень сложна. [2] [3]
В промышленной дистилляционной колонне количество N t, необходимое для достижения заданного разделения, также зависит от количества используемого орошения . Использование большего количества флегмы уменьшает количество требуемых тарелок, а использование меньшего количества флегмы увеличивает количество требуемых тарелок. Следовательно, расчет N t обычно повторяется при различных скоростях рефлюкса. Затем N t делится на эффективность лотка E, чтобы определить фактическое количество лотков или физических тарелок N a., необходимо в разделительном столбце. Окончательный выбор конструкции количества тарелок для установки в промышленной дистилляционной колонне затем выбирается на основе экономического баланса между стоимостью дополнительных тарелок и стоимостью использования более высокой скорости орошения.
Существует очень важное различие между терминологией теоретической тарелки, используемой при обсуждении традиционных тарелок для перегонки, и терминологией теоретической тарелки, используемой в приведенных ниже обсуждениях дистилляции или абсорбции с уплотненным слоем, в хроматографии или других приложениях. Теоретическая тарелка в обычных тарелках для перегонки не имеет «высоты». Это просто гипотетическая стадия равновесия. Однако теоретическая тарелка в насадочных слоях, хроматографии и других применениях определяется как имеющая высоту.
Эмпирическая формула известен как корреляция Ван Уинкля может быть использована для прогнозирования эффективности Мерфрите пластины для ректификационных колонн , разделяющих бинарные системы. [4]
Слои дистилляции и абсорбции [ править ]
Процессы дистилляции и абсорбционного разделения с использованием уплотненных слоев для контактирования пара и жидкости имеют эквивалентную концепцию, называемую высотой тарелки или высотой, эквивалентной теоретической тарелке (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 абсорбирующем слое (и на практике измеряется в Сюда).
где - количество теоретических тарелок (также называемое «количество тарелок»), H - общая высота слоя, а HETP - высота, эквивалентная теоретической тарелке.
Материал в насадочных слоях может представлять собой насадку с беспорядочной разгрузкой (шириной 1-3 дюйма), такую как кольца Рашига, или структурированный листовой металл . Жидкости имеют тенденцию смачивать поверхность насадки, а пары контактируют со смачиваемой поверхностью, где происходит массоперенос .
Хроматографические процессы [ править ]
Концепция теоретической тарелки была также адаптирована для хроматографических процессов Мартином и Синге . [6] ИЮПАК «ы Золото Книга дает определение числа теоретических тарелок в хроматографической колонке. [7]
В хроматографических процессах применяется то же уравнение, что и для процессов с уплотненным слоем, а именно:
В хроматографии HETP также можно рассчитать с помощью уравнения Ван-Деемтера .
Другие приложения [ править ]
Концепция теоретических тарелок или тарелок применима и к другим процессам, таким как капиллярный электрофорез и некоторые типы адсорбции .
См. Также [ править ]
- Периодическая перегонка
- Непрерывная перегонка
- Экстракционная перегонка
- Уравнение Фенске
- Фракционная перегонка
- Метод МакКейба – Тиле
Ссылки [ править ]
- ^ a b Гэвин Таулер и Р.К. Синнотт (2007). Химико-технологическое проектирование: принципы, практика и экономика проектирования заводов и технологических процессов . Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 0-7506-8423-2.
- ^ а б в г д Кистер, HZ (1992). Дизайн дистилляции (1-е изд.). Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-034909-6.
- ^ a b c Перри, Роберт Х. и Грин, Дон У. (1984). Справочник инженеров-химиков Перри (6-е изд.). Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-049479-7.
- ^ Дизайн химической инженерии, Гэвин Таулер и Рэй Синнотт, 2013.
- ↑ Концепция «теоретической пластины, эквивалентной высоте» (HETP) была введена в 1922 году Уильямом А. Петерсом-младшим из корпорации Dupont в Уилмингтоне, штат Делавэр, США. Видеть:
- Питерс, WA, младший (1922). «Эффективность и производительность ректификационных колонн» . Журнал промышленной и инженерной химии . 14 (6): 476–479.См. Стр. 476.
- (Martin & Synge, 1941), стр. 1359.
- ^ Мартин, AJP; Synge, RLM (1941). «Новая форма хроматограммы с использованием двух жидких фаз» . Биохимический журнал . 35 (12): 1358–1368. DOI : 10.1042 / bj0351358 . PMC 1265645 .
- ^ Определение количества пластин (в хроматографии) Золотая книга ИЮПАК
Внешние ссылки [ править ]
- Дистилляция, введение Минг Там, Ньюкаслский университет, Великобритания
- Теория дистилляции Ивара Халворсена и Сигурда Скогестада, Норвежский университет науки и технологий, Норвегия
