Tekst źródłowy strony Półka teoretyczna

'''Półka teoretyczna (stopień teoretyczny)''' – hipotetyczna przestrzeń takich instalacji, jak np. kolumny [[rektyfikacja (destylacja)|rektyfikacyjne]], [[chromatografia gazowa|chromatograficzne]], [[ekstrakcja|ekstrakcyjne]], [[adsorpcja|adsorpcyjne]] lub [[absorpcja (chemia fizyczna)|absorpcyjne]], która charakteryzuje się określonym stanem [[równowaga termodynamiczna|równowagi termodynamicznej]], ustalonym między [[Faza termodynamiczna|fazami]] (np. ciecz i para, [[gaz]] i faza stała, dwie [[mieszalność cieczy|nie mieszające się ciecze]]).

W przypadku równowag ciecz–para rzeczywistym odpowiednikiem tej hipotetycznej przestrzeni jest pojedyncze urządzenie do [[destylacja równowagowa|destylacji równowagowej]]. Odpowiednikiem kolumny z umownie wyodrębnionymi stopniami, na których dochodzi do równowagi, jest zestaw destylatorów, stosowany w czasie [[destylacja wielostopniowa|destylacji wielostopniowej]] lub półkowa [[kolumna rektyfikacyjna]] (źródłosłów „półki teoretycznej”).

Wielkość półki teoretycznej różnych kolumn, w tym kolumn z wypełnieniem, wyraża się najczęściej w jednostkach wysokości. Stosowane jest pojęcie wysokości równoważnej półce teoretycznej <math>WRPT.</math> Sprawność aparatu wyraża się podając liczbę półek teoretycznych w kolumnie, czyli iloraz jej wysokości przez <math>WRPT.</math>

Określana sprawność dotyczy procesów wymiany masy między dwoma kontaktującymi się ośrodkami (przepływ przeciwprądowy lub przepływ fazy ruchomej nad powierzchnią fazy nieruchomej). Między oboma ośrodkami zachodzi wymiana składników, powodująca ciągłe zmiany składu obu faz w kierunku stanu równowagi. W warunkach rzeczywistych równowaga nie jest osiągana w żadnym z fragmentów kolumny, ponieważ prędkość [[dyfuzja|dyfuzji]] cząsteczek w obu ośrodkach do [[Granica faz|granicy faz]] oraz ich przenikania przez tę granicę jest zwykle bardzo mała. Osiągnięcie równowagi wymagałoby nieskończenie powolnego przemieszczania się faz względem siebie. Definiując pojęcie „półki teoretycznej” problemów związanych z szybkością procesów nie uwzględniono.

== Półka teoretyczna kolumny rektyfikacyjnej ==
[[Plik:Polka teor2.svg|thumb|300px|Półki teoretyczne [[kolumna rektyfikacyjna|kolumny rektyfikacyjnej]]<br />S – surówka, W – ciecz wyczerpana, D – destylat]]
Pojęcie półki teoretycznej bliżej ilustruje przykład procesu rektyfikacji mieszaniny [[zeotrop]]owej AB. Termodynamiczną równowagę ciecz–para w warunkach stałego ciśnienia przedstawia się na [[wykres fazowy|wykresach]] zależności [[Temperatura wrzenia|temperatury wrzenia]] i skraplania od składu mieszaniny AB. Kształt tzw. „rybki” zależy od wielkości odchyleń od [[prawo Raoulta|prawa Raoulta]], występujących w mieszaninie.

Skład cieczy i pary w stanie równowagi w stałej temperaturze T<sub>n</sub> (hipotetyczna półka <math>n</math>) wskazują punkty przecięcia izotermy z górną i dolną granicą [[obszar współistnienia|obszaru współistnienia]] cieczy i pary.

Za poziom T<sub>n-1</sub>, odpowiadający kolejnej półce teoretycznej (położonej bliżej kotła), uznaje się taką temperaturę, w której ciecz poziomu <math>n</math> całkowicie odparowuje. Tę temperaturę wskazuje punkt przecięcia linii składu cieczy <math>n</math> z linią [[Para nasycona|pary nasyconej]] (górna granica „rybki”). Analogicznie wyznacza się temperaturę na półce teoretycznej <math>n+1.</math> Znajduje się punkt przecięcia linii składu pary <math>n</math> z linią temperatur wrzenia (dolna granica „rybki”), czyli temperaturę, w której cała ilość pary <math>n</math> skrapla się.

Fizyczna wysokość rzeczywistej kolumny rektyfikacyjnej z wypełnieniem, równoważna tak zdefiniowanym półkom teoretycznym, jest zależna od wielu czynników, w tym od fizykochemicznych właściwości rozdzielanego roztworu, kształtu elementów wypełnienia, stosunku wymiarów wypełnienia do średnicy kolumny, prędkości przepływu faz. Liczbową wartość <math>WRPT</math> wyznacza się doświadczalnie dla określonej rzeczywistej kolumny i określonych warunków jej pracy. W kolumnie przeprowadza się destylację roztworu testowego. Wyniki oznaczeń wielkości i składu strumieni [[destylat]]u i [[ciecz wyczerpana|cieczy wyczerpanej]] umożliwiają obliczenie rzeczywistej liczby półek teoretycznych w całej kolumnie (np. [[Metoda McCabe’a-Thielego|metodą Mc Cabe’a i Thielego]]), a następnie – wysokości równoważnej jednej półce (iloraz wysokości kolumny przez liczbę półek)<ref>{{cytuj stronę| url = http://www.iic.pwr.wroc.pl/old_version/instrukcje/wrpt.pdf| tytuł = Wyznaczanie WRPT dla kolumny z wypełnieniem metodą McCabe’a i Thielego| opublikowany = www.iic.pwr.wroc.pl|język = pl| data dostępu = 2011-01-02}}</ref>.

== Półka teoretyczna kolumny chromatograficznej ==
[[Plik:Retentietijd.gif|thumb|150px|Czas retencji i poprawiony czas retencji z kolumny chromatograficznej<br />t<sub>M</sub> – czas retencji związków nie zatrzymywanych w kolumnie]]
[[Plik:Chromatogram 2.jpg|thumb|150px|Sposób określania W<sub>1/2</sub> i innych charakterystycznych wymiarów piku GC]]
W chromatografii gazowej ''wysokość równoważna półce teoretycznej'' <math>WRPT</math> decyduje o szerokości piku chromatograficznego<ref>{{cytuj książkę |autor = www.iupac.org| tytuł = Compendium of Chemical Terminology, IUPAC Gold Book |url = http://www.iupac.org/goldbook/P04694.pdf|wydanie = 2 |rok = 1997| język = en| data dostępu = 2010-12-31}}</ref>. Wartość <math>WRPT</math> jest zależna m.in. od średniej liniowej prędkości przepływu fazy ruchomej <math>u.</math> Zależność <math>WRPT</math> od <math>u</math> opisuje [[równanie van Deemtera]], które wskazuje możliwość wybrania optymalnej wartości <math>u</math> (najmniejsza wartość <math>WRTP,</math> największa sprawność kolumny).

W praktyce liczbę półek teoretycznych wyznacza się zwykle na podstawie [[czas retencji|czasu retencji]] <math>t_R</math> i szerokości wymywanego pasma [[analit]]u (np. szerokości piku w połowie wysokości, W<sub>1/2</sub>).
: <math>N = 8 \ln(2) \cdot \left(\frac{t_R}{W_{1/2}}\right)^2.</math>

Rzeczywista wartość <math>WRPT</math> jest ilorazem fizycznej długości kolumny (L) przez liczbę półek:
: <math>WRPT = H = \frac{L}{N}.</math>

== Przypisy ==
{{Przypisy}}

== Bibliografia ==
* {{cytuj książkę |autor = Praca zbiorowa | tytuł = Encyklopedia techniki – Chemia |wydanie = 4| wydawca = Wydawnictwa Naukowo-Techniczne| miejsce = Warszawa |rok = 1993| strony = 705 |isbn =83-204-1312-5}}
* {{cytuj książkę |nazwisko = Ciborowski |imię = Janusz |tytuł = Podstawy inżynierii chemicznej |wydawca = Wydawnictwa Naukowo-Techniczne| miejsce = Warszawa |rok = 1965|strony = 536–538 |język = pl}}
* {{cytuj książkę |nazwisko = Ciborowski |imię = Janusz |tytuł = Inżynieria chemiczna |wydanie = 2| wydawca = Wydawnictwa Naukowo-Techniczne| miejsce = Warszawa |rok = 1955|strony = 704–708 |język = pl}}
* {{cytuj książkę |nazwisko = Witkiewicz |imię = Zygfryd |nazwisko2= Hepter|imię2=Jacek |tytuł = Chromatografia gazowa| wydawca = Wydawnictwa Naukowo-Techniczne |wydanie=2 |miejsce = Warszawa |rok = 2009|język = pl}}
* {{cytuj stronę| url = http://web.archive.org/web/20110409051143/http://www.chem.ug.edu.pl:80/analiza/dydaktyka/slady_gc.pdf| tytuł = Chromatografia gazowa| autor = Uniwersytet Gdański, Wydział Chemii, Katedra Analizy Środowiska |rok = 1997|data = 2007| język = pl| data dostępu = 2010-12-31}}

{{Kontrola autorytatywna}}

[[Kategoria:Destylacja]]
[[Kategoria:Procesy rozdziału]]