Una placa teórica 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. Estas etapas de equilibrio también pueden denominarse etapa de equilibrio , etapa ideal o bandeja teórica . 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 placas teóricas aumenta la eficiencia del proceso de separación ya sea destilación , absorción , cromatografía , adsorción o proceso similar. [1] [2]
El concepto de placas y bandejas teóricas o etapas de equilibrio se utiliza en el diseño de muchos tipos diferentes de separación. [1] [2]
El concepto de placas teóricas en el diseño de procesos de destilación se ha discutido en muchos textos de referencia. [2] [3] Cualquier dispositivo físico que proporcione un buen contacto entre las fases de vapor y líquida presentes en columnas de destilación a escala industrial o columnas de destilación de material de vidrio a escala de laboratorio constituye una "placa" o "bandeja". Dado que una placa física real nunca puede ser una etapa de equilibrio 100% eficiente, el número de placas reales es mayor que las placas teóricas requeridas.
donde es el número de platos o bandejas físicos reales, es el número de platos o bandejas teóricos y es la eficiencia del plato o bandeja.
Los llamados platos de tapa de burbuja o de tapa de válvula son ejemplos de dispositivos de contacto de vapor y líquido utilizados en columnas de destilación industrial. Otro ejemplo de dispositivos de contacto de vapor y líquido son las púas de las columnas de fraccionamiento Vigreux de laboratorio .
Las bandejas o placas utilizadas en las columnas de destilación industrial están fabricadas con placas circulares de acero y generalmente 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 espacio se elige principalmente para facilitar la instalación y el acceso para futuras reparaciones o mantenimiento.
Un ejemplo de bandeja muy sencilla es una bandeja perforada. El contacto deseado entre vapor y 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 burbujas o tapas de válvula en cada perforación para promover la formación de burbujas de vapor que fluyen a través de una fina capa 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 platos teóricos (es decir, etapas de equilibrio hipotéticas), Nt , requeridos en el proceso, teniendo en cuenta un rango probable de composición de materia prima y la cantidad deseada . grado de separación de los componentes en las fracciones de salida. En las columnas industriales de fraccionamiento continuo, Nt se determina comenzando en la parte superior o inferior de la columna y calculando los balances de materia, los balances de calor y las vaporizaciones instantáneas en equilibrio para cada una de la sucesión de etapas de equilibrio hasta que se logra la composición del producto final deseado. El proceso de cálculo requiere la disponibilidad de una gran cantidad de datos sobre el 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 Nt requerido para lograr una separación determinada también depende de la cantidad de reflujo utilizado. Usar más reflujo disminuye la cantidad de placas requeridas y usar menos reflujo aumenta la cantidad de placas requeridas. Por lo tanto, el cálculo de N t suele repetirse a distintas velocidades de reflujo. Luego , Nt se divide por la eficiencia de la bandeja, E, para determinar el número real de bandejas o placas físicas, Na , necesarias en la columna de separación. La elección del diseño final del número de platos que se instalarán en una columna de destilación industrial se selecciona basándose en un equilibrio económico entre el coste de platos adicionales y el coste de utilizar una tasa de reflujo más alta.
Existe una distinción muy importante entre la terminología teórica de placas utilizada al analizar las bandejas de destilación convencionales y la terminología teórica de placas utilizada en las discusiones siguientes sobre destilación o absorción en lecho compacto o en cromatografía u otras aplicaciones. El plato teórico en las bandejas de destilación convencionales no tiene "altura". Es simplemente una hipotética etapa de equilibrio. Sin embargo, la placa teórica en lechos empaquetados, cromatografía y otras aplicaciones se define por tener una altura.
La fórmula empírica conocida como correlación de Van Winkle se puede utilizar para predecir la eficiencia del plato de 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] HETP surge del mismo concepto de etapas de equilibrio que la placa teórica y es numéricamente igual a la longitud del lecho de absorción dividida por el número de placas teóricas en el lecho de absorción (y en la práctica se mide en Por aquí).
donde es el número de platos teóricos (también llamado "recuento 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 empaque vertido al azar (de 1 a 3 pulgadas de ancho), como anillos Raschig o láminas de metal estructuradas . Los líquidos tienden a mojar la superficie del empaque y los vapores entran en contacto con la superficie mojada, donde ocurre la transferencia de masa .
El concepto de placa teórica también fue adaptado para procesos cromatográficos por Martin y Synge . [6] El Gold Book de la IUPAC proporciona una definición del número de placas teóricas en una columna de cromatografía. [7]
En los procesos de cromatografía se aplica la misma ecuación que para los procesos de lecho empaquetado, a saber:
En cromatografía en columna empaquetada, el HETP también se puede calcular con la ecuación de Van Deemter . En cromatografía en columna capilar, el HETP viene dado por la ecuación de Golay.
El concepto de placas o bandejas teóricas se aplica también a otros procesos, como la electroforesis capilar y algunos tipos de adsorción .
