Теоретическая тарелка
Теоретическая тарелка (теоретическая ступень разделения) — теоретическая модель массообменных процессов в двухфазных средах, основанная на представлении массообменного устройства (тарелки) как теоретически идеальной, изолированной системы в состоянии термодинамического равновесия . Характеризует максимальную, теоретически возможную разницу концентраций компонентов в фазах при заданных условиях.
Синоним: теоретическая ступень разделения — точнее определяет физический смысл понятия.
Модель предполагает:
изолированность системы;
термодинамическое равновесие;
эквимольный межфазный массообмен ;
бесконечно большую (мгновенную) скорость достижения состояния равновесия. Любая изолированная система приходит со временем в состояние равновесия, система жидкость — пар при заданных температуре и давлении характеризуется равновесными концентрациями компонентов в фазах, при этом концентрации компонентов в жидкости и в паре всегда различны (первый закон Рауля ), исключением являются азеотропные смеси . Модель позволяет подобрать фазу или условия, при которых концентрация ключевого компонента в фазе — приёмнике будет выше, чем в фазе — источнике и на основании эмпирических данных рассчитать эту концентрацию, после чего становится возможным расчёт необходимого количества теоретических тарелок (теоретических ступеней разделения) для достижения поставленной цели процесса.
Модель вводит понятный и удобный в расчётах критерий — движущую силу процесса, численно равную разнице равновесной и текущей концентрации компонента в фазе. Скорость массопередачи пропорциональна движущей силе, а её направление определяется знаком (компонент переносится в ту фазу, где его концентрация ниже равновесной).
Недостатки модели: модель предполагает наличие термодинамического равновесия на каждой ступени (теоретической тарелке). Это принципиально невозможно, да и не нужно - реальный процесс в любом случае неравновесен, отклонения от модели учитываются в КПД реальной тарелки (см. ниже). Это преодолимый недостаток. Непреодолимый недостаток модели - предположение бесконечно большой скорости массообмена. В большинстве случаев им пренебрегают.
Так как термодинамическое равновесие в реальных условиях недостижимо, степень разделения компонентов между фазами на реальных устройствах всегда меньше теоретически возможной. Показателем качества реального устройства является его массообменный КПД, численно равный
отношению разниц концентраций компонента в жидкости и в паре реального устройства (обычно летучего компонента) к теоретически возможной.
Расчёт массообменного процесса сводится к определению минимально необходимого (при заданных материальных потоках ) числа теоретических тарелок (теоретических ступеней разделения), после чего определяется необходимое количество реальных массообменных устройств с учётом их КПД.
В насадочных колонных массообменных аппаратах изменение концентраций компонентов происходит непрерывно по высоте и неравномерно по ширине (из-за не идеальности потоков фаз) , строгий расчёт концентраций предполагает учёт гидродинамики движения сред. Значительно более простым способом расчёта является представление насадочного аппарата эквивалентным ему теоретически идеальным тарельчатым аппаратом, для чего насадочный аппарат делится по высоте на участки, в которых изменение концентрации компонентов должно соответствовать одной ступени разделения (теоретической тарелке). Такое деление условно, т.к. основано на опыте использования других аналогичных устройств, но, тем не менее, вполне предсказуемо. Геометрическая высота этого участка носит название ВЭТТ - высота, эквивалентная теоретической тарелке.
В хроматографии понятие теоретической тарелки также часто используется, но именно как понятие, для ориентировочной оценки эффективности хроматографической колонки. Модели процесса хроматографии ( в настоящее время есть две общепринятые модели) вводят формальные критерии, один называется "общее число теоретических тарелок" (модель теоретических тарелок Мартина), другой - "высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ)"(кинетическая модель Ван-Деемтера). Модели не содержат определения этих понятий, по-видимому, предполагается их полное соответствие аналогичным терминам, используемым в описании насадочных ректификационных колонн. Такое предположение, строго говоря, некорректно в связи с заведомой нестационарностью и неравновесностью хроматографического процесса. Но, учитывая, что модели носят описательно - иллюстративный характер и не предполагают материальный (количественный) расчёт, вполне допустимо.
Источник: Википедия
Связанные понятия
Термодинамическое состояние — совокупность макроскопических параметров, характеризующих состояние термодинамической системы. Выбор параметров конкретной термодинамической системы зависит от целей исследования, связь между параметрами носит название уравнения состояния. Количество независимых параметров, выделяемых среди всех описывающих термодинамическое состояние, называется числом термодинамических степеней свободы. Термодинамические состояния делятся на равновесные и неравновесные, изучаемыми...
Фактор отклика - термин, обычно используемый в хроматографии и спектроскопии, представляет соотношение между аналитическим сигналом и количеством аналита (анализируемого компонента). В идеальной ситуации, или для упрощения расчётов, фактор отклика принимают равным единице. Однако в реальных условиях он может принимать разные значения.
Модель Дила — Гроува — математическая модель, описывающая рост оксидных слоёв на поверхности различных материалов. В частности, используется для анализа термического окисления кремния при производстве полупроводниковых приборов.
Кориолисовы расходомеры — приборы, использующие эффект Кориолиса для измерения массового расхода жидкостей, газов. Принцип действия основан на изменениях фаз механических колебаний U-образных трубок, по которым движется среда. Сдвиг фаз пропорционален величине массового расхода. Поток с определенной массой, движущийся через входные ветви расходомерных трубок, создает кориолисову силу, которая сопротивляется колебаниям расходомерных трубок. Наглядно это сопротивление чувствуется, когда гибкий шланг...
Подробнее: Кориолисов расходомер
Равнове́сный тепловой процесс — тепловой процесс, в котором система проходит непрерывный ряд бесконечно близких равновесных термодинамических состояний.
Парадо́кс Ги́ббса — отсутствие непрерывности для энтропии при переходе от смешения различных газов к смешению тождественных газов, когда, например, при переходе от бесконечно мало отличающихся идеальных газов к тождественным расчётное значение энтропии смешения падает скачком до нуля, что представляется неожиданным и нелогичным.
Поверхность потенциальной энергии применяется для описания энергии системы, в особенности множества атомов, в терминах определённых параметров, обычно — координат атомов. Поверхность может определять энергию как функцию одной или нескольких координат. Если координата только одна, то поверхность называется кривой потенциальной энергии или профилем энергии.
Закон транзитивности термического равновесия (нулевой закон, нулевое начало термодинамики) вводит в физику представление об эмпирической температуре как физической величине, пригодной для характеристики состояния очень многих макроскопических объектов. Примером макроскопического объекта, не нуждающегося в использовании температуры и прочих термических величин для описания своего состояния, служит абсолютно твёрдое тело. Термические системы, то есть макроскопические системы, к которым применимо понятие...
Блочный Гамильтониан — гамильтониан, описывающий критическое поведение магнетика вблизи точки фазового перехода второго рода.
Компоненты (в термодинамике и химии) — независимые составляющие вещества системы, то есть индивидуальные химические вещества, которые необходимы и достаточны для составления данной термодинамической системы, допускают выделение из системы и независимое существование вне её. Изменения масс компонентов выражают все возможные изменения в химическом составе системы, а масса (количество вещества, число частиц) каждого вещества, выбранного в качестве компонента, не зависит от масс (количеств вещества...
Фа́зовая диагра́мма воды — графическое отображение равновесного состояния фаз воды (жидкости, водяного пара и различных модификаций льда). Строится в системе координат температура—давление.
Уравнение ренормгруппы (уравнение Каллана — Симанчика) — дифференциальное уравнение для корреляционных функций (пропагаторов), показывающее их независимость от масштаба рассмотрения. Оно имеет место, например, при рассмотрении динамики системы вблизи критической точки.
Фотометрическое титрование — группа методов объёмного (титриметрического) анализа, в которых конечная точка титрования определяется по изменению оптической плотности раствора в ходе химической реакции между титрантом и титруемым веществом.
Квазистатический процесс в термодинамике — идеализированный процесс, состоящий из непрерывно следующих друг за другом квазистатических состояний, в которых характеризующие систему термодинамические величины за время наблюдения не изменяются. Если каждое такое квазистатическое состояние системы близко к состоянию равновесия и, следовательно, систему в каждый момент времени можно считать находящейся в термодинамическом равновесии, то такие процессы называют равновесными, или, точнее, квазиравновесными...
Задача Стефана представляет собой особый вид краевой задачи для дифференциального уравнения в частных производных, описывающая изменение фазового состояния вещества, при котором положение границы раздела фаз изменяется со временем. Наличие границ раздела между фазами, которые не задаются явно и могут смещаться со временем, является характерной особенностью таких задач. Скорость смещения межфазных границ определяется дополнительным условием на границе раздела фаз, что приводит задачу к нелинейному...
Зако́ны Рау́ля — общее название открытых французским химиком Ф. М. Раулем в 1887 году количественных закономерностей, описывающих некоторые коллигативные (зависящие от концентрации, но не от природы растворённого вещества) свойства растворов.
Электротепловая аналогия — метод расчёта тепловых систем, сводящий их расчёт к расчёту эквивалентных линейных электрических схем. Для этого тепловые величины (температура, количество теплоты, тепловой поток…) заменяются их электрическими аналогами (напряжение, заряд, ток…). Затем рассчитывается электрическая схема и находится искомая тепловая величина. Метод опирается на тождество математического аппарата теплофизики и электротехники: распространение тепла и электрического тока описывается одними...
Кривая светового насыщения фотосинтеза — это графическое представление эмпирической взаимосвязи между интенсивностью света и фотосинтезом. По сути своей она представляет собой модификацию уравнения Михаэлиса-Ментен. Кривая показывает положительную корреляцию между интенсивностью света и скоростью фотосинтеза: по оси х отложены значения независимой переменной (освещенность), а по оси y — значение зависимой переменной (скорость фотосинтеза).
Метод дискретного элемента (DEM, от англ. Discrete element method) — это семейство численных методов предназначенных для расчёта движения большого количества частиц, таких как молекулы, песчинки, гравий, галька и прочих гранулированных сред. Метод был первоначально применён Cundall в 1971 для решения задач механики горных пород.
Структурная схема — это совокупность элементарных звеньев объекта и связей между ними, один из видов графической модели. Под элементарным звеном подразумевается часть объекта, системы управления и т. д., которая реализует элементарную функцию.
Обратимый процесс — равновесный термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении, проходя через одинаковые промежуточные состояния, причем система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, и в окружающей среде не остается макроскопических изменений. Количественным критерием обратимости/необратимости процесса служит возникновение энтропии — эта величина равна нулю при отсутствии необратимых процессов в термодинамической системе и положительна...
Переход Костерлица — Таулеса или переход Березинского — Костерлица — Таулеса (БКТ-переход) или топологический фазовый переход — фазовый переход в двумерной XY-модели. Это переход из состояния связанных пар вихрь-антивихрь при низких температурах в состояние с неспаренными вихрями и антивихрями при некоторой критической температуре. Переход назван в честь занимающихся конденсированными средами физиков Вадима Львовича Березинского, Джона М. Костерлица и Дэвида Дж. Таулеса. БКТ-переходы можно наблюдать...
Ближний порядок — упорядоченность во взаимном расположении атомов или молекул в веществе, которая (в отличие от дальнего порядка) повторяется лишь на расстояниях, соизмеримых с расстояниями между атомами, то есть ближний порядок — это наличие закономерности в расположении соседних атомов или молекул.
Термостре́ссовая конве́кция — явление переноса газа или жидкости вследствие неоднородности температурного распределения. В отличие от обычной конвекции наблюдается в отсутствии гравитационных сил.
Анализ размерности (чаще говорят «соображения размерности» или «метрические соображения») — инструмент, используемый в физике, химии, технике и нескольких направлениях экономики для построения обоснованных гипотез о взаимосвязи различных параметров сложной системы. Неоднократно применялся физиками на интуитивном уровне не позже XIX века.
Точка росы углеводородов (англ. hydrocarbon dew point HCDP) — температура (при заданном давлении), при которой углеводородные компоненты смеси газов (например, природного газа), начинают конденсироваться из газовой фазы.
Хроматографи́ческая коло́нка — устройство для хроматографии, используемое как для работы ручным методом, так и в составе специального агрегата, хроматографа.
Равнове́сие фаз в термодинамике — состояние, при котором фазы в термодинамической системе находятся в состоянии теплового, механического и химического равновесия.
Фазовые переходы второго рода — фазовые переходы, при которых вторые производные термодинамических потенциалов по давлению и температуре изменяются скачкообразно, тогда как их первые производные изменяются постепенно. Отсюда следует, в частности, что энергия и объём вещества при фазовом переходе второго рода не изменяются, но изменяются его теплоёмкость, сжимаемость, различные восприимчивости и т. д.
Сизифово охлаждение атомов (англ. Sisyphus cooling) это механизм понижения температуры атомов с помощью лазерного света до температур ниже достижимых с помощью доплеровского охлаждения (~500 μK). Охлаждение является результатом взаимодействия атомов с градиентом поляризации, созданной двумя распространяющимися навстречу лазерными пучками с ортогональной линейной поляризацией. Атомы, летящие в направлении световой волны в результате спонтанного перехода с верхнего на нижний уровень «одетого» состояния...
Квантовый вихрь (англ. quantum vortex) — топологический дефект, который проявляется в сверхтекучей жидкости и сверхпроводниках. Квантование циркуляции скорости в сверхпроводящих жидкостях отличается от квантования в сверхпроводниках, но сохраняется ключевое подобие, которое состоит в топологичности дефектов, а также в том, что они квантуются.
Третье начало термодинамики (теорема Нернста, тепловая теорема Нернста) — физический принцип, определяющий поведение энтропии при приближении температуры к абсолютному нулю. Является одним из постулатов термодинамики, принимаемым на основе обобщения значительного количества экспериментальных данных по термодинамике гальванических элементов. Теорема сформулирована Вальтером Нернстом в 1906 году. Современная формулировка теоремы принадлежит Максу Планку.
Стефановское течение — это явление возникновения гидродинамического течения среды в процессе испарения или роста капель.
Обме́нное смеще́ние (или: обме́нная анизотропи́я, анизотропи́я обме́нного взаимоде́йствия, однонапра́вленная анизотропи́я обме́на) — особенность петель гистерезиса перемагничивания магнитных материалов, проявляющаяся в несимметричном расположении петли относительно оси ординат. Наблюдается в слоистых и наноструктурных магнитных материалах, содержащих магнитно мягкую ферромагнитную и высокоанизотропную антиферромагнитную фазу.
Спектральная плотность излучения — характеристика спектра излучения, равная отношению интенсивности (плотности потока) излучения в узком частотном интервале к величине этого интервала. Является применением понятия спектральной плотности мощности к электромагнитному излучению.
Компара́тор — это техническое средство, естественные или специально создаваемые среды, позволяющие сличать друг с другом меры однородных величин или показания измерительных приборов, а также сравнивать участки (точки) шкал измерений.
Потенциал : * Потенциал — совокупность всех имеющихся возможностей, средств в какой-либо области, сфере, в широком смысле, «запасные» средства;
Термогравиметрия или термогравиметрический анализ (ТГ) — метод термического анализа, при котором регистрируется изменение массы образца в зависимости от температуры.
Показа́тель ослабле́ния (показатель экстинкции) — величина, обратная расстоянию, на котором поток излучения, образующего параллельный пучок, уменьшается за счет поглощения и рассеяния в среде в некоторое заранее оговоренное число раз.
Тепловой процесс (термодинамический процесс) — изменение макроскопического состояния термодинамической системы. Если разница между начальным и конечным состояниями системы бесконечно мала, то такой процесс называют элементарным (инфинитезимальным).
Пе́рвое нача́ло термодина́мики (первый закон термодинамики) — один из основных законов этой дисциплины, представляющий собой конкретизацию общефизического закона сохранения энергии для термодинамических систем, в которых необходимо учитывать термические, массообменные и химические процессы. В форме закона сохранения (уравнения баланса энергии) первое начало используют в термодинамике потока и в неравновесной термодинамике. В равновесной термодинамике под первым законом термодинамики обычно подразумевают...
Эффект наблюдателя (сознание наблюдателя) — группа гипотез о возможности влияния наблюдателя на элементарные частицы. Восходит к идеям создателей квантовой механики, и является следствием проблемы измерения квантовых эффектов. Ведущую роль в формировании реальности Нильс Бор отвел наблюдателю, чьи идеи потом легли в основу копенгагенской интерпретации. По мнению Бора без наблюдателя окружающая реальность представляет собой лишь вероятностную форму. Конкретная реальность появляется лишь с приходом...
Статистическим ансамблем физической системы называется набор всевозможных состояний данной системы, отвечающих определённым критериям. Примерами статистического ансамбля являются...
Подробнее: Статистический ансамбль
Диаграмма деформирования — графическое изображение зависимости между напряжениями (или нагрузками) и деформациями материала. Эта характеристика различна для различных материалов и определяется с помощью регистрации величины деформации при определённых приращениях (шагах) величины растягивающих или сжимающих усилий. По напряженно-деформированному состоянию можно определить многие характеристики материала.
Математические основы квантовой механики — принятый в квантовой механике способ математического моделирования квантовомеханических явлений, позволяющий вычислять численные значения наблюдаемых в квантовой механике величин. Были созданы Луи де-Бройлем (открытие волн материи), В. Гейзенбергом (создание матричной механики, открытие принципа неопределённости), Э. Шрёдингером (уравнение Шрёдингера), Н. Бором (формулировка принципа дополнительности). Завершил создание математических основ квантовой механики...
Термодинами́ческие ци́клы — круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых совпадают начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура и энтропия).
Гистогра́мма в математической статистике — это функция, приближающая плотность вероятности некоторого распределения, построенная на основе выборки из него.