理論プレート

蒸留プロセスの設計における理論段の概念は、多くの参考書で議論されてきました。^{[ 2 ] [ 3 ]}工業規模の蒸留塔や実験室規模のガラス製蒸留塔に存在する蒸気相と液相の間に良好な接触を提供する物理的な装置はすべて、「プレート」または「トレイ」を構成します。実際の物理的なプレートは決して 100% 効率の平衡段にはなり得ないため、実際のプレートの数は必要な理論段の数よりも多くなります。

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

どこ${\displaystyle N_{a}}$実際の物理的な皿やトレイの数です。${\displaystyle N_{t}}$は理論上の皿またはトレイの数であり、${\displaystyle E}$プレートまたはトレイの効率です。

いわゆるバブルキャップ式またはバルブキャップ式トレイは、工業用蒸留塔で使用される気液接触装置の一例である。気液接触装置の別の例としては、実験室用ヴィグリュー分留塔のスパイクが挙げられる。

工業用蒸留塔で使用されるトレイまたはプレートは、円形の鋼板でできており、通常は 塔の高さに沿って約60～75cm（24～30インチ）間隔で塔内部に設置されます。この間隔は、主に設置の容易さと、将来の修理やメンテナンス時のアクセス性を考慮して選ばれています。

非常にシンプルなトレイの一例として、穴あきトレイが挙げられます。蒸気と液体の接触は、穴を通って上向きに流れる蒸気が、穴を通って下向きに流れる液体と接触することで実現します。現在の最新の手法では、隣の図に示すように、各トレイの堰によって維持される薄い液層を通過する蒸気泡の形成を促進するために、各穴にバブルキャップまたはバルブキャップを取り付けることで、より良好な接触を実現しています。

蒸留装置または同様の化学プロセスを設計するには、原料組成の想定範囲と出力分画における成分の望ましい分離度を考慮して、プロセスに必要な理論段数（すなわち、仮想平衡段数） N _tを決定する必要があります。工業用連続分留塔では、 N _tは、塔の上部または下部から開始し、所望の最終製品組成が達成されるまで、連続する各平衡段について物質収支、熱収支、および平衡フラッシュ蒸発を計算することによって決定されます。計算プロセスには、蒸留供給物に含まれる成分の大量の気液平衡データが利用可能である必要があり、計算手順は非常に複雑です。 ^{[ 2 ] [ 3 ]}

工業用蒸留塔では、所定の分離を達成するために必要なN _tは、使用する還流量にも依存します。還流量を増やすと必要な段数が減少し、還流量を減らすと必要な段数が増加します。そのため、N _tの計算は通常、さまざまな還流速度で繰り返されます。 次に、 N _tをトレイ効率Eで割って、分離塔に必要な実際の段数（物理的な段数）N _aを決定します。工業用蒸留塔に設置する段数の最終的な設計は、追加の段のコストとより高い還流速度を使用するコストとの経済的なバランスに基づいて選択されます。

従来の蒸留トレイに関する議論で使用される理論段の用語と、後述する充填層蒸留、吸収、クロマトグラフィー、その他の用途に関する議論で使用される理論段の用語には、非常に重要な違いがあります。従来の蒸留トレイにおける理論段には「高さ」がありません。それは単なる仮想的な平衡段です。しかし、充填層、クロマトグラフィー、その他の用途における理論段は、高さを持つものとして定義されます。

ヴァン・ウィンクルの相関式として知られる経験式は、二成分系を分離する蒸留塔のマーフリー段効率を予測するために使用できる。^{[ 4 ]}

蒸気と液体を接触させるために充填層を使用する蒸留および吸収分離プロセスには、理論段高または理論段相当高さ（HETP）と呼ばれる同等の概念があります。^{[ 2 ] [ 3 ] [ 5 ]} HETPは、理論段と同じ平衡段の概念から生じ、吸収層の長さを吸収層の理論段数で割った値に数値的に等しくなります（そして実際にこのように測定されます）。

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

どこ${\displaystyle N_{t}}$は理論段数（「段数」とも呼ばれる）、Hは全ベッド高さ、HETPは理論段に相当する高さである。

充填層内の材料は、ラシヒリングなどのランダムに充填された充填材（幅1～3インチ）または構造化された金属板のいずれかです。液体は充填材の表面を濡らす傾向があり、蒸気は濡れた表面に接触し、そこで物質移動が発生します。

理論段の概念は、MartinとSyngeによってクロマトグラフィープロセスにも応用されました。^{[ 6 ]} IUPACのゴールドブックには、クロマトグラフィーカラムの理論段数の定義が記載されています。^{[ 7 ]}

クロマトグラフィープロセスにおいても、充填層プロセスと同様の式が適用される。すなわち、次のようになる。

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

充填カラムクロマトグラフィーでは、HETPはVan Deemterの式を用いて計算することもできます。キャピラリーカラムクロマトグラフィーでは、HETPはGolayの式で与えられます。

理論段数や理論トレイの概念は、毛細管電気泳動や一部の吸着法など、他のプロセスにも適用されます。