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]
Концепция теоретических тарелок и тарелок или стадий равновесия используется при разработке множества 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 дистилляционных колоннах промышленного масштаба или дистилляционных колоннах из стеклянной посуды лабораторного масштаба, представляет собой «тарелку» или «поддон». Поскольку реальная физическая пластина никогда не может быть стадией равновесия со 100% эффективной эффективностью, количество реальных пластин больше, чем необходимое теоретическое количество пластин.
где - количество фактических физических тарелок или лотков, - количество теоретических тарелок или лотков и - эффективность тарелок или лотков.
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.
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 стадий равновесия) 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 N t , необходимый 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]
Процессы дистилляционного и абсорбционного 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 в Сюда).
где – количество теоретических тарелок (также называемое «количество 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 .
Концепция теоретической тарелки была также адаптирована для хроматографических процессов Мартином и Сингом . [6] Золотая книга ИЮПАК дает определение количества теоретических тарелок в хроматографической колонке. [7]
В процессах хроматографии применяется то же уравнение, что и в процессах с насадочным слоем, а именно:
В насадочной колоночной хроматографии HETP также можно рассчитать с помощью уравнения Ван Деемтера . В капиллярной колоночной хроматографии HETP определяется уравнением Голея.
Концепция теоретических тарелок или лотков применима и к другим процессам, таким как капиллярный электрофорез и некоторые виды адсорбции .
