Plato teórico
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. Estas etapas de equilibrio también pueden denominarse etapa de equilibrio , etapa ideal o bandeja teórica . El desempeño 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 de destilación , absorción , cromatográfico ,adsorción o proceso similar. [1] [2]
Aplicaciones
El concepto de platos y bandejas teóricos o etapas de equilibrio se utiliza en el diseño de muchos tipos diferentes de separación. [1] [2]
Columnas de destilación
El concepto de platos teóricos 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 líquida y de vapor presentes en las columnas de destilación a escala industrial o en las columnas de destilación de material de vidrio a escala de laboratorio constituye una "placa" 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 teóricos y es la eficiencia del plato o bandeja.
Las denominadas bandejas con tapón de burbuja o con tapón de válvula son ejemplos de los dispositivos de contacto de vapor y líquido que se utilizan en las columnas de destilación industrial. Otro ejemplo de dispositivos de contacto de vapor y líquido son los picos en las columnas de fraccionamiento de laboratorio Vigreux .
Las bandejas o placas utilizadas en las columnas de destilación industrial están fabricadas con placas de acero circulares y generalmente se instalan dentro de la columna a intervalos de aproximadamente 60 a 75 cm (24 a 30 pulgadas) hacia arriba 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 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 burbujas o tapas de válvulas 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 bandejas o platos teóricos (es decir, etapas de equilibrio hipotéticas), N t , requeridos en el proceso, teniendo en cuenta un rango probable de composición de la materia prima y el valor deseado. grado de separación de los componentes en las fracciones de salida. En las columnas industriales de fraccionamiento continuo, 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 dedatos 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. El uso de más reflujo disminuye el número de placas necesarias y el uso de menos reflujo aumenta el número de placas necesarias. Por tanto, el cálculo de N t se repite habitualmente a distintas velocidades de reflujo. Luego, N t se divide por la eficiencia de la bandeja, E, para determinar el número real de bandejas o placas físicas, N a, necesario en la columna de separación. La elección de diseño final del número de bandejas que se instalarán en una columna de destilación industrial se selecciona luego en base a un equilibrio económico entre el costo de las bandejas adicionales y el costo de usar una tasa de reflujo más alta.
Existe una distinción muy importante entre la terminología de platos teóricos utilizada al discutir las bandejas de destilación convencionales y la terminología de platos teóricos utilizada en las discusiones siguientes sobre destilación o absorción en lecho empacado o en cromatografía u otras aplicaciones. El plato teórico en bandejas de destilación convencionales no tiene "altura". Es simplemente una etapa de equilibrio hipotética. Sin embargo, el plato teórico 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 de la placa Murphree para columnas de destilación que separan sistemas binarios. [4]
Lechos empaquetados de destilación y absorción
Los procesos de separación por destilación y absorción que utilizan lechos empaquetados para el contacto de vapor y líquido tienen un concepto equivalente denominado altura de placa o la altura equivalente a una placa teórica (HETP). [2] [3] [5] 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 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 lechos empaquetados puede ser empaquetadura de descarga aleatoria (1-3 "de ancho) como anillos Raschig o chapa metálica estructurada . Los líquidos tienden a mojar la superficie de la empaquetadura y los vapores entran en contacto con la superficie mojada, donde ocurre la transferencia de masa .
Procesos cromatográficos
El concepto de plato teórico también fue adaptado para procesos cromatográficos por Martin y Synge . [6] El IUPAC 's de oro libro 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 en los procesos de lecho empacado, a saber:
En cromatografía, el HETP también se puede calcular con la ecuación de Van Deemter .
Otras aplicaciones
El concepto de platos o bandejas teóricas se aplica también a otros procesos, como la electroforesis capilar y algunos tipos de adsorción .
Ver también
- Destilación por lotes
- Destilación continua
- Destilación extractiva
- Ecuación de Fenske
- Destilación fraccionada
- Método McCabe-Thiele
Referencias
- ↑ a b Gavin Towler y RK Sinnott (2007). Diseño de ingeniería química: principios, práctica y economía del diseño de plantas y procesos . Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8423-1.
- ↑ a b c d e Kister, HZ (1992). Diseño de destilación (1ª ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-034909-6.
- ^ a b c Perry, Robert H. y Green, Don W. (1984). Manual de ingenieros químicos de Perry (6ª ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049479-7.
- ^ Diseño de ingeniería química, por Gavin Tawler y Ray Sinnott, 2013.
- ^ El concepto de "plato teórico equivalente en altura" (HETP) fue acuñado en 1922 por William A. Peters, Jr. de la Dupont Corporation de Wilmington, Delaware, EE. UU. Ver:
- Peters, WA, Jr. (1922). "La eficiencia y capacidad de las columnas de fraccionamiento" . La Revista de Química Industrial y de Ingeniería . 14 (6): 476–479. doi : 10.1021 / ie50150a002 .Ver pág. 476.
- (Martin y Synge, 1941), pág. 1359.
- ^ Martin, AJP; Synge, RLM (1941). "Una nueva forma de cromatograma que emplea dos fases líquidas" . Revista bioquímica . 35 (12): 1358-1368. doi : 10.1042 / bj0351358 . PMC 1265645 . PMID 16747422 .
- ^ Definición del número de placas (en cromatografía) IUPAC Gold Book
enlaces externos
- Destilación, Introducción de Ming Tham, Universidad de Newcastle, Reino Unido
- Teoría de la destilación por Ivar J. Halvorsen y Sigurd Skogestad, Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, Noruega
- Procesos de separación
- Operaciones unitarias
- Ingeniería Química
- Cromatografia
- Destilación
