Un plato teórico en muchos procesos de separación es una zona o etapa hipotética en la que dos fases, como las fases líquida y vapor de una sustancia, establecen un equilibrio entre sí. Dichas etapas de equilibrio también pueden denominarse etapa de equilibrio , etapa ideal o plato teórico . El rendimiento de muchos procesos de separación depende de tener una serie de etapas de equilibrio y se mejora al proporcionar más etapas de este tipo. En otras palabras, tener más platos teóricos aumenta la eficiencia del proceso de separación, ya sea un proceso de destilación , absorción , cromatografía , adsorción o similar. [1] [2]
El concepto de platos y bandejas teóricos o etapas de equilibrio se utiliza en el diseño de muchos tipos diferentes de separación. [1] [2]
El concepto de platos teóricos en el diseño de procesos de destilación se ha analizado en muchos textos de referencia. [2] [3] Cualquier dispositivo físico que proporcione un buen contacto entre las fases de vapor y líquido presentes en columnas de destilación a escala industrial o columnas de destilación de vidrio a escala de laboratorio constituye un "plato" o "bandeja". Dado que un plato físico real nunca puede ser una etapa de equilibrio 100% eficiente, el número de platos reales es mayor que los platos teóricos requeridos.
donde es el número de platos o bandejas físicas reales, es el número de platos o bandejas teóricas y es la eficiencia de los platos o bandejas.
Los llamados platos con tapa de burbuja o con tapa de válvula son ejemplos de dispositivos de contacto de vapor y líquido utilizados en columnas de destilación industriales. Otro ejemplo de dispositivos de contacto de vapor y líquido son los picos en las columnas de fraccionamiento Vigreux de laboratorio .
Las bandejas o placas que se utilizan en las columnas de destilación industrial están fabricadas con placas de acero circulares y, por lo general, se instalan dentro de la columna a intervalos de aproximadamente 60 a 75 cm (24 a 30 pulgadas) a lo largo de la altura de la columna. Ese espaciamiento se elige principalmente para facilitar la instalación y el acceso para futuras reparaciones o mantenimiento.
Un ejemplo de una bandeja muy simple es una bandeja perforada. El contacto deseado entre el vapor y el líquido se produce cuando el vapor, que fluye hacia arriba a través de las perforaciones, entra en contacto con el líquido que fluye hacia abajo a través de las perforaciones. En la práctica moderna actual, como se muestra en el diagrama adyacente, se logra un mejor contacto instalando tapas de burbuja o tapas de válvula en cada perforación para promover la formación de burbujas de vapor que fluyen a través de una capa delgada de líquido mantenida por un vertedero en cada bandeja.
Para diseñar una unidad de destilación o un proceso químico similar, se debe determinar el número de platos o bandejas teóricas (es decir, etapas de equilibrio hipotéticas), N t , requeridas en el proceso, teniendo en cuenta un rango probable de composición de la materia prima y el grado deseado de separación de los componentes en las fracciones de salida. En las columnas de fraccionamiento continuo industrial, N t se determina comenzando en la parte superior o inferior de la columna y calculando los balances de materiales, los balances de calor y las vaporizaciones instantáneas de equilibrio para cada una de las sucesiones de etapas de equilibrio hasta que se logre la composición deseada del producto final. El proceso de cálculo requiere la disponibilidad de una gran cantidad de datos de equilibrio vapor-líquido para los componentes presentes en la alimentación de destilación, y el procedimiento de cálculo es muy complejo. [2] [3]
En una columna de destilación industrial, el N t necesario para lograr una separación determinada también depende de la cantidad de reflujo utilizado. Si se utiliza más reflujo, se reduce el número de platos necesarios y si se utiliza menos, se aumenta el número de platos necesarios. Por lo tanto, el cálculo de N t suele repetirse a distintas velocidades de reflujo. A continuación, se divide N t por la eficiencia de los platos, E, para determinar el número real de platos o platos físicos, N a , necesarios en la columna de separación. La elección final del diseño del número de platos que se instalarán en una columna de destilación industrial se selecciona en función de un equilibrio económico entre el coste de los platos adicionales y el coste de utilizar una velocidad de reflujo más alta.
Existe una distinción muy importante entre la terminología de plato teórico utilizada en la discusión de los platos de destilación convencionales y la terminología de plato teórico utilizada en las discusiones que se presentan a continuación sobre destilación en lecho empacado o absorción o en cromatografía u otras aplicaciones. El plato teórico en los platos de destilación convencionales no tiene "altura". Es simplemente una etapa de equilibrio hipotética. Sin embargo, el plato teórico en lechos empacados, cromatografía y otras aplicaciones se define como que tiene una altura.
La fórmula empírica conocida como Correlación de Van Winkle se puede utilizar para predecir la eficiencia de la placa Murphree para columnas de destilación que separan sistemas binarios. [4]
Los procesos de separación por destilación y absorción que utilizan lechos empacados para el contacto de vapor y líquido tienen un concepto equivalente denominado altura de plato o altura equivalente a un plato teórico (HETP). [2] [3] [5] La HETP surge del mismo concepto de etapas de equilibrio que el plato teórico y es numéricamente igual a la longitud del lecho de absorción dividida por el número de platos teóricos en el lecho de absorción (y en la práctica se mide de esta manera).
donde es el número de platos teóricos (también llamado "número de platos"), H es la altura total del lecho y HETP es la altura equivalente a un plato teórico.
El material en los lechos empacados puede ser un relleno vertido al azar (de 1 a 3" de ancho), como anillos Raschig o chapa metálica estructurada . Los líquidos tienden a humedecer la superficie del relleno y los vapores entran en contacto con la superficie humedecida, donde se produce la transferencia de masa .
El concepto de plato teórico también fue adaptado para los procesos cromatográficos por Martin y Synge . [6] El Libro de Oro de la IUPAC proporciona una definición del número de platos teóricos en una columna de cromatografía. [7]
En los procesos de cromatografía se aplica la misma ecuación que para los procesos de lecho empacado, es decir:
En la cromatografía en columna empaquetada, el HETP también se puede calcular con la ecuación de Van Deemter . En la cromatografía en columna capilar, el HETP se calcula con la ecuación de Golay.
El concepto de platos o bandejas teóricas se aplica también a otros procesos, como la electroforesis capilar y algunos tipos de adsorción .
