이론판

Theoretical plate

많은 분리 과정에서의 이론적 판은 물질의 액체나 증기 위상과 같은 두 단계가 서로 평형을 이루는 가상의 영역이나 단계를 말한다. 이러한 평형 단계는 평형 단계, 이상적인 단계 또는 이론적 트레이라고도 할 수 있다. 많은 분리 과정의 성능은 일련의 평형 단계를 갖는 것에 달려 있으며 그러한 단계를 더 많이 제공함으로써 향상된다. 즉, 더 많은 이론적 판을 갖는 것은 증류, 흡수, 크로마토그래피, 흡착 또는 유사한 공정으로 분리 과정의 효율성을 증가시킨다.[1][2]

적용들

이론적 판과 트레이 또는 평형 단계의 개념은 많은 다른 유형의 분리 설계에 사용된다.[1][2]

증류기둥

증류 과정을 설계할 때 이론적 판의 개념은 많은 참고 문헌에서 논의되어 왔다.[2][3] 산업용 규모의 증류기둥이나 실험실 규모의 유리제품 증류기둥에 존재하는 증기와 액체 단계 사이에 양호한 접촉을 제공하는 모든 물리적 기기는 "판" 또는 "트레이"를 구성한다. 실제의 물리적 판은 결코 100% 효율적인 평형 단계가 될 수 없기 때문에, 실제 판의 수는 필요한 이론 판보다 많다.

여기서 은 실제 물리적 플레이트 또는 트레이의 수, 은 이론 플레이트 또는 트레이의 수, E 은 플레이트 또는 트레이 효율이다.

소위 버블캡 또는 밸브캡 트레이라고 불리는 것은 산업용 증류기둥에 사용되는 증기 및 액체 접촉 장치의 예다. 증기 및 액체 접촉 장치의 또 다른 예로는 실험실 Vigreux 분류 기둥의 스파이크가 있다.

산업용 증류기둥에 사용되는 트레이나 판은 원형 강판으로 제작되며, 보통 기둥 높이에서 약 60~75cm(24~30인치) 간격으로 기둥 내부에 설치된다. 이 간격은 주로 설치의 용이성과 향후 수리 또는 유지보수를 위한 접근의 용이성을 위해 선택된다.

산업용 증류기둥에 사용되는 대표적인 버블캡 트레이

매우 간단한 트레이의 예는 구멍이 뚫린 트레이이다. 수증기와 액체 사이에 원하는 접촉은 천공을 통해 위쪽으로 흐르는 수증기가 천공을 통해 아래로 흐르는 액체와 접촉하면서 발생한다. 현재의 현대적 관행에서는, 인접한 도표에서 보와 같이, 각 트레이의 보에 의해 유지되는 얇은 액체 층을 통해 흐르는 증기 거품의 형성을 촉진하기 위해 각 구멍에 버블 캡이나 밸브 캡을 설치함으로써 더 나은 접촉을 달성한다.

증류 장치나 이와 유사한 화학 공정을 설계하기 위해서는 가능한 공급 원료 구성 범위와 출력 분율에서 원하는 구성 요소의 분리 정도를 고려하여 공정에 필요한 이론적 트레이 또는 플레이트 수(즉, 가설 평형 단계), N을t 결정해야 한다. 산업 연속적인 분류 기둥에서 N은 원하는t 최종 제품 구성이 달성될 때까지 각 평형 단계 승계에 대한 재료 균형, 열 균형 및 평형 플래시 기화를 계산하여 결정된다. 계산 과정에서는 증류 피드에 존재하는 성분에 대해 많은 양의 증기-액체 평형 데이터를 사용할 수 있어야 하며, 계산 절차는 매우 복잡하다.[2][3]

산업용 증류 컬럼에서 주어진 분리를 달성하기 위해 필요한t N은 사용된 환류량에 따라 달라진다. 환류를 더 많이 사용하면 필요한 플레이트 수가 감소하고 환류를 덜 사용하면 필요한 플레이트 수가 증가한다. 따라서 N의t 계산은 대개 다양한 환류율에서 반복된다. 그런 다음 N을t 트레이 효율 E로 나누어 분리 칼럼에 필요한 실제 트레이 또는 물리적 플레이트 수 N을a 결정한다. 그런 다음 산업용 증류기둥에 설치될 트레이 수의 최종 설계 선택은 추가 트레이 비용과 더 높은 환류율 사용 비용 사이의 경제적 균형을 바탕으로 선택된다.

기존의 증류 트레이를 논할 때 사용하는 이론 판 용어와 포장된 침대 증류 또는 흡수 또는 크로마토그래피 또는 기타 용도에 대한 아래의 논의에서 사용되는 이론 판 용어는 매우 중요한 구분이 있다. 기존 증류 트레이의 이론적 플레이트에는 "높이"가 없다. 그야말로 가상의 평형 단계다. 단, 포장된 침대, 크로마토그래피 및 기타 용도의 이론적 판은 높이를 갖는 것으로 정의된다.

Van Winkle의 상관관계로 알려진 경험적 공식은 이항계통을 분리하는 증류 기둥의 Murphree 판 효율을 예측하는 데 사용될 수 있다.[4]

증류 및 흡수 포장 침대

증류 및 흡수 분리 공정은 증기와 액체에 접촉하기 위해 포장된 침대를 사용하는 것으로 플레이트 높이 또는 이론적 플레이트(HETP)에 해당하는 높이로 언급되는 동등한 개념을 가지고 있다.[2][3][5] HETP는 이론판과 동일한 평형 단계의 개념에서 발생하며, 수적으로 흡수층 길이를 흡수층 내 이론판 수로 나눈 값과 같다(실제로 이러한 방법으로 측정).

여기서 는 이론판의 수("플레이트 카운트"라고도 함), HETP는 총 침대 높이, HETP는 이론판에 상당하는 높이다.

포장된 침대의 재료는 Raschig 링이나 구조화된 판금처럼 무작위 덤핑 포장(1-3인치 폭)이 될 수 있다. 액체는 포장 표면을 적시는 경향이 있고 증기는 질량이 전달되는 젖은 표면에 접촉한다.

크로마토그래픽 공정

이론 판 개념은 또한 마틴과 싱게에 의해 크로마토그래피 과정에 적용되었다.[6] IUPAC의 Gold Book은 크로마토그래피 컬럼의 이론적 플레이트 수에 대한 정의를 제공한다.[7]

포장된 침대 공정과 동일한 등식이 크로마토그래피 공정에서 적용된다.

크로마토그래피에서 HETP는 Van Remester 방정식으로 계산될 수도 있다.

기타 응용 프로그램

이론 플레이트나 트레이의 개념은 모세관 전기영동증 및 일부 흡착 유형과 같은 다른 과정에도 적용된다.

참고 항목

참조

  1. ^ a b Gavin Towler & R K Sinnott (2007). Chemical Engineering Design: Principles, Practice and Economics of Plant and Process Design. Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8423-1.
  2. ^ a b c d e Kister, H.Z. (1992). Distillation Design (1st ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-034909-6.
  3. ^ a b c Perry, Robert H. & Green, Don W. (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook (6th ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049479-7.
  4. ^ Gavin Tawler와 Ray Sinnott가 2013년에 만든 화학 엔지니어링 설계.
  5. ^ 높이 등가 이론판(H.E.T.P.)의 개념은 1922년 윌리엄 A에 의해 만들어졌다. 미국 델라웨어주 윌밍턴의 듀폰트 주식회사의 피터스 주니어. 참조:
  6. ^ Martin, A.J.P.; Synge, R.L.M. (1941). "A new form of chromatogram employing two liquid phases". Biochemical Journal. 35 (12): 1358–1368. doi:10.1042/bj0351358. PMC 1265645. PMID 16747422.
  7. ^ (크로마토그래피에서) IUPAC 골드북 수 정의

외부 링크

  • 영국 뉴캐슬대학교 명탐의 증류, 소개
  • 노르웨이 과학기술 대학 이바르 J. 할보르센과 시구르드 스코게스타드의 증류 이론