Placa teórica - Theoretical plate

Uma placa teórica em muitos processos de separação é uma zona ou estágio hipotético em que duas fases, como as fases líquida e vapor de uma substância, estabelecem um equilíbrio entre si. Esses estágios de equilíbrio também podem ser referidos como um estágio de equilíbrio , estágio ideal ou uma bandeja teórica . O desempenho de muitos processos de separação depende de ter uma série de estágios de equilíbrio e é aprimorado ao fornecer mais desses estágios. Em outras palavras, ter mais placas teóricas aumenta a eficiência do processo de separação, seja ele uma destilação , absorção , cromatografia , adsorção ou processo semelhante.

Formulários

O conceito de pratos e bandejas teóricas ou estágios de equilíbrio é usado no projeto de muitos tipos diferentes de separação.

Colunas de destilação

O conceito de pratos teóricos na concepção de processos de destilação foi discutido em muitos textos de referência. Qualquer dispositivo físico que forneça um bom contato entre as fases de vapor e líquido presentes em colunas de destilação em escala industrial ou colunas de destilação em escala de laboratório de vidro constitui uma "placa" ou "bandeja". Uma vez que uma placa física real nunca pode ser um estágio de equilíbrio 100% eficiente, o número de placas reais é maior do que as placas teóricas necessárias.

onde é o número real de placas ou bandejas físicas, é o número de placas ou bandejas teóricas e é a eficiência da placa ou bandeja.

As chamadas bandejas de tampa de bolha ou tampa de válvula são exemplos de dispositivos de contato de vapor e líquido usados ​​em colunas de destilação industrial. Outro exemplo de dispositivos de contato de vapor e líquido são as pontas em colunas de fracionamento de laboratório Vigreux .

As bandejas ou placas usadas em colunas de destilação industrial são fabricadas em placas de aço circulares e geralmente instaladas dentro da coluna em intervalos de cerca de 60 a 75 cm (24 a 30 polegadas) acima da altura da coluna. Esse espaçamento é escolhido principalmente para facilitar a instalação e o acesso para reparos ou manutenção futuros.

Bandejas de tampa de bolha típicas usadas em colunas de destilação industrial

Um exemplo de bandeja muito simples é uma bandeja perfurada. O contato desejado entre o vapor e o líquido ocorre quando o vapor, fluindo para cima através das perfurações, entra em contato com o líquido fluindo para baixo através das perfurações. Na prática moderna atual, como mostrado no diagrama adjacente, um melhor contato é alcançado instalando tampas de bolha ou tampas de válvula em cada perfuração para promover a formação de bolhas de vapor fluindo através de uma fina camada de líquido mantida por um açude em cada bandeja.

Para projetar uma unidade de destilação ou um processo químico semelhante, o número de bandejas ou placas teóricas (ou seja, estágios de equilíbrio hipotético), N t , necessário no processo deve ser determinado, levando em consideração uma faixa provável de composição da matéria-prima e a desejada grau de separação dos componentes nas frações de saída. Em colunas de fracionamento contínuo industrial, N t é determinado começando na parte superior ou inferior da coluna e calculando os balanços de material, balanços de calor e vaporizações de flash de equilíbrio para cada uma das sucessões de estágios de equilíbrio até que a composição do produto final desejada seja alcançada. O processo de cálculo requer a disponibilidade de uma grande quantidade de dados de equilíbrio líquido-vapor para os componentes presentes na alimentação da destilação, e o procedimento de cálculo é muito complexo.

Em uma coluna de destilação industrial, a N t necessário para atingir uma dada separação também depende da quantidade de refluxo utilizada. Usar mais refluxo diminui o número de placas necessárias e usar menos refluxo aumenta o número de placas necessárias. Portanto, o cálculo de N t é geralmente repetido em várias taxas de refluxo. N t é então dividido pela eficiência da bandeja, E, para determinar o número real de bandejas ou placas físicas, N a , necessárias na coluna de separação. A escolha final do projeto do número de bandejas a serem instaladas em uma coluna de destilação industrial é então selecionada com base em um equilíbrio econômico entre o custo de bandejas adicionais e o custo de usar uma taxa de refluxo mais alta.

Há uma distinção muito importante entre a terminologia de placa teórica usada na discussão de bandejas de destilação convencionais e a terminologia de placa teórica usada nas discussões abaixo de destilação ou absorção em leito fixo ou em cromatografia ou outras aplicações. O prato teórico em bandejas de destilação convencionais não tem "altura". É simplesmente um estágio de equilíbrio hipotético. No entanto, a placa teórica em leitos empacotados, cromatografia e outras aplicações é definida como tendo uma altura.

A fórmula empírica conhecida como Correlação de Van Winkle pode ser usada para prever a eficiência da placa de Murphree para colunas de destilação que separam sistemas binários.

Leitos empacotados de destilação e absorção

Os processos de destilação e separação por absorção usando leitos compactados para contato com vapor e líquido têm um conceito equivalente denominado altura da placa ou altura equivalente a uma placa teórica (HETP). O HETP surge do mesmo conceito de estágios de equilíbrio que o prato teórico e é numericamente igual ao comprimento do leito de absorção dividido pelo número de pratos teóricos no leito de absorção (e na prática é medido dessa forma).

onde é o número de pratos teóricos (também chamado de "contagem de pratos"), H é a altura total do leito e HETP é a altura equivalente a um prato teórico.

O material em leitos embalados pode ser embalagem descartada aleatoriamente (1-3 "de largura), como anéis Raschig ou folha de metal estruturada . Os líquidos tendem a molhar a superfície da embalagem e os vapores entram em contato com a superfície molhada, onde ocorre a transferência de massa .

Processos cromatográficos

O conceito de placa teórica também foi adaptado para processos cromatográficos por Martin e Synge . A IUPAC 's Gold Book fornece uma definição do número de pratos teóricos em uma coluna de cromatografia.

A mesma equação se aplica aos processos de cromatografia e aos processos de leito fixo, a saber:

Em cromatografia, o HETP também pode ser calculado com a equação de Van Deemter .

Outras aplicações

O conceito de placas ou bandejas teóricas também se aplica a outros processos, como eletroforese capilar e alguns tipos de adsorção .

Veja também

Referências

links externos