Теоретическая тарелка во многих процессах разделения представляет собой гипотетическую зону или стадию, в которой две фазы, такие как жидкая и паровая фазы вещества, устанавливают равновесие друг с другом. Такие стадии равновесия могут также называться стадией равновесия , идеальной стадией или теоретической тарелкой . Эффективность многих процессов разделения зависит от наличия ряда стадий равновесия и повышается при предоставлении большего количества таких стадий. Другими словами, наличие большего количества теоретических тарелок повышает эффективность процесса разделения, будь то дистилляция , абсорбция , хроматография , адсорбция или подобный процесс. [1] [2]
Концепция теоретических тарелок и лотков или равновесных стадий используется при проектировании многих различных типов разделения. [1] [2]
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 промышленных дистилляционных колоннах или лабораторных стеклянных дистилляционных колоннах, представляет собой «тарелку» или «лоток». Поскольку фактическая физическая тарелка никогда не может быть эффективной на 100% стадией равновесия, число фактических тарелок больше, чем требуемых теоретических тарелок.
где — количество фактических, физических тарелок или поддонов, — количество теоретических тарелок или поддонов, — эффективность тарелки или поддона.
Так называемые колпачковые или колпачковые тарелки являются примерами устройств для контакта пара и жидкости, используемых в промышленных дистилляционных колоннах. Другим примером устройств для контакта пара и жидкости являются шипы в лабораторных ректификационных колоннах Вигре .
Тарелки или пластины, используемые в промышленных дистилляционных колоннах, изготавливаются из круглых стальных пластин и обычно устанавливаются внутри колонны с интервалом около 60–75 см (24–30 дюймов) по высоте колонны. Такой интервал выбирается в первую очередь для простоты установки и удобства доступа для будущего ремонта или обслуживания.
Примером очень простой тарелки является перфорированная тарелка. Желаемый контакт между паром и жидкостью происходит, когда пар, текущий вверх через перфорацию, вступает в контакт с жидкостью, текущей вниз через перфорацию. В современной практике, как показано на соседней схеме, лучший контакт достигается путем установки колпачков-барботажников или колпачков-клапанов на каждой перфорации, чтобы способствовать образованию пузырьков пара, текущих через тонкий слой жидкости, поддерживаемый водосливом на каждой тарелке.
Для проектирования дистилляционной установки или аналогичного химического процесса следует определить количество теоретических тарелок или пластин (то есть гипотетических равновесных стадий), N t , требуемых в процессе, принимая во внимание вероятный диапазон состава исходного сырья и желаемую степень разделения компонентов в выходных фракциях. В промышленных колоннах непрерывного фракционирования N t определяется путем начала либо сверху, либо снизу колонны и расчета материальных балансов, тепловых балансов и равновесных испарений для каждой из последовательности равновесных стадий 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 исходном сырье для дистилляции, и процедура расчета очень сложна. [2] [3]
В промышленной ректификационной колонне N t , необходимое для достижения заданного разделения, также зависит от количества используемого орошения . Использование большего количества орошения уменьшает количество требуемых тарелок, а использование меньшего количества орошения увеличивает количество требуемых тарелок. Следовательно, расчет N t обычно повторяется при различных скоростях орошения. Затем N t делится на эффективность тарелки, E, для определения фактического количества тарелок или физических тарелок, N a , необходимых в разделительной колонне. Окончательный выбор конструкции количества тарелок, которые должны быть установлены в промышленной ректификационной 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 обычных дистилляционных тарелок, и терминологией теоретической тарелки, используемой в обсуждениях ниже дистилляции или абсорбции в насадочном слое или в хроматографии или других приложениях. Теоретическая тарелка в обычных дистилляционных тарелках не имеет «высоты». Это просто гипотетическая стадия равновесия. Однако теоретическая тарелка в насадочных слоях, хроматографии и других приложениях определяется как имеющая высоту.
Эмпирическая формула , известная как корреляция Ван Винкля, может быть использована для прогнозирования эффективности тарелки Мерфри для ректификационных колонн, разделяющих бинарные системы. [4]
Процессы разделения дистилляцией и абсорбцией с использованием насадочных слоев для контакта пара и жидкости имеют эквивалентное понятие, называемое высотой тарелки или высотой, эквивалентной теоретической тарелке (ВЭТТ). [2] [3] [5] ВЭТТ возникает из той же концепции равновесных стадий, что и теоретическая тарелка, и численно равна длине абсорбционного слоя, деленной на количество теоретических тарелок в абсорбционном слое (и на практике измеряется именно таким образом).
где — число теоретических тарелок (также называемое «количеством тарелок»), H — общая высота слоя, а HETP — высота, эквивалентная теоретической тарелке.
Материал в насадочных слоях может быть либо беспорядочно сброшенной насадкой (шириной 1-3 дюйма), например, кольцами Рашига , либо структурированным листовым металлом . Жидкости имеют тенденцию смачивать поверхность насадки, а пары контактируют с увлажненной поверхностью, где происходит массоперенос .
Концепция теоретической тарелки была также адаптирована для хроматографических процессов Мартином и Синджем . [6] Золотая книга ИЮПАК дает определение числа теоретических тарелок в хроматографической колонке. [7 ]
В хроматографических процессах применяется то же уравнение, что и в процессах с уплотненным слоем, а именно:
В хроматографии на насадочных колонках HETP также можно рассчитать с помощью уравнения Ван-Деемтера . В капиллярной хроматографии HETP определяется уравнением Голея.
Концепция теоретических тарелок или лотков применима и к другим процессам, таким как капиллярный электрофорез и некоторые типы адсорбции .
