placa teórica

El concepto de platos teóricos en el diseño de procesos de destilación se ha tratado en numerosos 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 en 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 el de platos teóricos requeridos.

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

dónde${\displaystyle N_{a}}$es el número de platos o bandejas reales y físicos,${\displaystyle N_{t}}$es el número de platos o bandejas teóricas y${\displaystyle E}$es la eficiencia del plato o bandeja.

Las denominadas bandejas de burbujeo o de válvula son ejemplos de dispositivos de contacto vapor-líquido utilizados en columnas de destilación industriales. Otro ejemplo de dispositivos de contacto vapor-líquido son las puntas en 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 entre 60 y 75  cm (24 a 30 pulgadas) a lo largo de su altura. Este espaciado se elige principalmente para facilitar la instalación y el acceso para futuras reparaciones o mantenimiento.

Un ejemplo de 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 mismas. En la práctica moderna actual, como se muestra en el diagrama adjunto, se logra un mejor contacto instalando tapas de burbujeo o válvulas en cada perforación para favorecer 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 bandejas teóricas (es decir, etapas de equilibrio hipotéticas), N _t , necesarias en el proceso, teniendo en cuenta un rango probable de composición de la materia prima y el grado de separación deseado de los componentes en las fracciones de salida. En las columnas de fraccionamiento continuo industriales, N _t se determina comenzando en la parte superior o inferior de la columna y calculando balances de materia, balances de calor y vaporizaciones instantáneas de equilibrio para cada una de las sucesiones de etapas de equilibrio hasta alcanzar 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 número de platos (N _t) necesario para lograr una separación determinada también depende de la cantidad de reflujo utilizada. Un mayor reflujo reduce el número de platos necesarios, mientras que un menor reflujo lo aumenta. Por lo tanto, el cálculo de N _t se suele repetir con diferentes tasas de reflujo. A continuación, N _t se divide por la eficiencia de los platos, E, para determinar el número real de platos físicos, N _a , necesarios en la columna de separación. La elección final del número de platos a instalar en una columna de destilación industrial se basa en un equilibrio económico entre el coste de los platos adicionales y el coste de utilizar una tasa de reflujo más alta.

Existe una distinción muy importante entre la terminología del plato teórico utilizada al hablar de platos de destilación convencionales y la terminología del plato teórico empleada en las siguientes discusiones sobre destilación en lecho empacado, absorción, 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, en lechos empacados, cromatografía y otras aplicaciones, el plato teórico se define con 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).

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

dónde${\displaystyle N_{t}}$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 relleno vertido aleatoriamente (de 2,5 a 7,5 cm de ancho), como anillos Raschig , o chapa metálica estructurada . Los líquidos tienden a mojar la superficie del relleno y los vapores entran en contacto con dicha superficie, donde se produce la transferencia de masa .

El concepto de plato teórico también fue adaptado para 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 cromatográfica. ^{[ 7 ]}

La misma ecuación se aplica en los procesos de cromatografía que en los procesos de lecho fijo, a saber:

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

En la cromatografía de columna empaquetada, el HETP también se puede calcular con la ecuación de Van Deemter . En la cromatografía de columna capilar, el HETP viene dado por la ecuación de Golay.

El concepto de platos o bandejas teóricas también se aplica a otros procesos, como la electroforesis capilar y algunos tipos de adsorción .