Kolom penyulingan

Konsep pelat teoretis dalam perancangan proses penyulingan telah dibahas dalam banyak teks referensi.^[2][3] Setiap perangkat fisik yang menyediakan kontak yang baik antara fase uap dan cair yang ada dalam kolom penyulingan skala industri atau kolom penyulingan gelas skala laboratorium merupakan "pelat" atau "nampan". Karena pelat fisik aktual tidak pernah dapat menjadi tahap kesetimbangan yang 100% efisien, jumlah pelat aktual lebih banyak daripada pelat teoretis yang dibutuhkan.

${\displaystyle N_{a}={\frac {N_{t}}{E}}}$

di mana ${\displaystyle N_{a}}$ adalah jumlah pelat atau nampan fisik aktual, ${\displaystyle N_{t}}$ adalah jumlah pelat atau nampan teoretis, dan ${\displaystyle E}$ adalah efisiensi pelat atau nampan.

Yang disebut nampan tutup gelembung atau tutup katup adalah contoh perangkat kontak uap dan cair yang digunakan dalam kolom penyulingan industri. Contoh lain dari perangkat kontak uap dan cair adalah paku pada kolom fraksinasi Vigreux laboratorium.

Baki atau pelat yang digunakan dalam kolom penyulingan industri terbuat dari pelat baja bundar dan biasanya dipasang di dalam kolom dengan jarak sekitar 60 hingga 75 cm (24 hingga 30 inci) di sepanjang tinggi kolom. Jarak tersebut dipilih terutama untuk kemudahan pemasangan dan kemudahan akses untuk perbaikan atau perawatan di masa mendatang.

Contoh baki yang sangat sederhana adalah baki berlubang. Kontak yang diinginkan antara uap dan cairan terjadi ketika uap, yang mengalir ke atas melalui lubang-lubang, bersentuhan dengan cairan yang mengalir ke bawah melalui lubang-lubang tersebut. Dalam praktik modern saat ini, seperti yang ditunjukkan pada diagram di samping, kontak yang lebih baik dicapai dengan memasang tutup gelembung atau tutup katup pada setiap lubang untuk mendorong pembentukan gelembung uap yang mengalir melalui lapisan tipis cairan yang dipertahankan oleh bendungan pada setiap baki.

Untuk merancang unit penyulingan atau proses kimia serupa, jumlah pelat teoretis (yaitu tahapan kesetimbangan hipotetis), N_t, yang dibutuhkan dalam proses harus ditentukan, dengan mempertimbangkan kisaran komposisi bahan baku yang mungkin dan tingkat pemisahan komponen yang diinginkan dalam fraksi keluaran. Dalam kolom fraksinasi kontinu industri, N_t ditentukan dengan memulai dari bagian atas atau bawah kolom dan menghitung neraca massa, neraca panas, dan penguapan kilat kesetimbangan untuk setiap tahapan kesetimbangan hingga komposisi produk akhir yang diinginkan tercapai. Proses perhitungan membutuhkan ketersediaan data kesetimbangan uap-cair yang banyak untuk komponen yang ada dalam umpan penyulingan, dan prosedur perhitungannya sangat kompleks.^[2][3]

Dalam kolom penyulingan industri, N_t yang dibutuhkan untuk mencapai pemisahan tertentu juga bergantung pada jumlah refluks yang digunakan. Menggunakan lebih banyak refluks mengurangi jumlah pelat yang dibutuhkan dan menggunakan lebih sedikit refluks meningkatkan jumlah pelat yang dibutuhkan. Oleh karena itu, perhitungan N_t biasanya diulang pada berbagai laju refluks. N_t kemudian dibagi dengan efisiensi baki, E, untuk menentukan jumlah baki atau pelat fisik sebenarnya, N_a, yang dibutuhkan dalam kolom pemisah. Pilihan rancangan akhir dari jumlah baki yang akan dipasang dalam kolom penyulingan industri kemudian dipilih berdasarkan keseimbangan ekonomi antara biaya baki tambahan dan biaya penggunaan laju refluks yang lebih tinggi.

Terdapat perbedaan yang sangat penting antara terminologi pelat teoretis yang digunakan dalam pembahasan baki penyulingan konvensional dan terminologi pelat teoretis yang digunakan dalam pembahasan di bawah ini tentang penyulingan atau absorpsi unggun terkemas atau dalam kromatografi atau aplikasi lainnya. Pelat teoretis dalam baki penyulingan konvensional tidak memiliki "tinggi". Ini hanyalah tahap kesetimbangan hipotetis. Namun, pelat teoretis dalam unggun terkemas, kromatografi, dan aplikasi lainnya didefinisikan memiliki tinggi.

Rumus empiris yang dikenal sebagai Korelasi Van Winkle dapat digunakan untuk memprediksi efisiensi pelat Murphree untuk kolom distilasi yang memisahkan sistem biner.^[4]

Penyulingan dan absorpsi unggun terkemas

Proses pemisahan penyulingan dan absorpsi menggunakan unggun terkemas untuk kontak uap dan cairan memiliki konsep yang setara yang disebut tinggi pelat atau tinggi yang setara dengan pelat teoretis (HETP).^[2][3][5] HETP muncul dari konsep tahap kesetimbangan yang sama seperti pelat teoretis dan secara numerik sama dengan panjang unggun absorpsi dibagi dengan jumlah pelat teoretis dalam unggun absorpsi (dan dalam praktiknya diukur dengan cara ini).

${\displaystyle N_{t}={\frac {H}{\mathrm {HETP} }}}$

di mana ${\displaystyle N_{t}}$ adalah jumlah pelat teoretis (juga disebut "jumlah pelat"), H adalah tinggi unggun total dan HETP adalah tinggi yang setara dengan pelat teoretis.

Material dalam kolom isian dapat berupa isian acak (lebar 1-3 inci) seperti cincin Raschig atau lembaran logam terstruktur. Cairan cenderung membasahi permukaan isian dan uap bersentuhan dengan permukaan yang basah, di mana terjadi perpindahan massa.

Proses kromatografi

Konsep pelat teoretis juga diadaptasi untuk proses kromatografi oleh Martin dan Synge.^[6] Buku Emas IUPAC memberikan definisi jumlah pelat teoretis dalam kolom kromatografi.^[7]

Persamaan yang sama berlaku dalam proses kromatografi seperti pada proses kolom isian yaitu:

${\displaystyle N_{t}={\frac {H}{\mathrm {HETP} }}}$

Dalam kromatografi kolom isian, HETP juga dapat dihitung dengan persamaan Van Deemter. Dalam kromatografi kolom kapiler, HETP diberikan oleh persamaan Golay.

Penggunaan Lain

Konsep pelat atau baki teoritis berlaku untuk proses lain, serta seperti elektroforesis kapiler dan beberapa jenis adsorpsi.