OPERACIONES UNITARIAS
Las operaciones unitarias estudian principalmente la
transferencia y los cambios de energía, así como la transferencia y los cambios
de materiales que se llevan a cabo por medios físicos.
Cualquier
proceso que se pueda diseñar consta de una serie de operaciones físicas y
químicas que, en algunos casos son específicas del proceso considerado, pero en
otros, son operaciones comunes e iguales para varios procesos.
Generalmente un proceso puede descomponerse en la
siguiente secuencia:
1.- Materias Primas
2.- Operaciones físicas de acondicionamiento
3.- Reacciones químicas
4.- Operaciones físicas de separación
5.- Productos.
Un proceso puede descomponerse de la siguiente
forma:
CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS
Cada operación unitaria tiene como objetivo el
modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma más
útil a nuestros fines. Este cambio puede hacerse principalmente por tres
caminos:
· Modificando
su masa o composición (separación de fases, mezcla,)
· Modificando
el nivel o calidad de la energía que posee (enfriamiento, vaporización, aumento
de presión, ...)
· Modificando
sus condiciones de movimiento (aumentando o disminuyendo su velocidad o su
dirección).
De acuerdo con el criterio de cuál es la
transferencia más relevante, las operaciones unitarias se clasifican en:
OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE
MATERIA
Cuando se ponen en contacto dos fases que tienen
diferente composición es posible que ocurra la transferencia de algunos de los
componentes presentes de una fase hacia la otra y viceversa. Si se permite que
estas dos fases permanezcan en contacto durante un tiempo suficiente, se
alcanzará una condición de equilibrio bajo la cual no habrá ya transferencia
neta de componentes entre las fases.
La destilación es una
operación unitaria que consiste en la separación de los componentes de una
mezcla líquida (en la que todos los compuestos son más o menos volátiles ) por
evaporación y condensación sucesivas. La separación se basa en la diferencia de
volatilidades absolutas de los componentes, lo que tiene como consecuencia la
formación de un vapor de composición diferente a la del líquido del que
procede.
Aplicación
en la Industria
Esta operación en todos los niveles industriales de
producción, desde aplicaciones en industria farmacéutica y de química
fina, hasta la industria del petróleo y producción a gran escala. El
gran interés en la destilación proviene de la industria del petróleo para
obtener el combustible que usamos habitualmente, o tantos otros derivados
como los plásticos.
La absorción es una operación unitaria de
transferencia de materia que consiste en poner un gas en contacto con un
líquido para que éste disuelva determinados componentes del gas, que queda
libre de los mismos. La absorción puede ser física o química, según que el gas
se disuelva en el líquido absorbente o reaccione con él dando un nuevo
compuesto químico.
Aplicación en la Industria
- Algunas aplicaciones de la absorción
- Eliminación de gases ácidos como
H2S, CO2, SO2
-
Absorción del amoniaco
-
Climatización
-
Desempeñan un importante papel en la catálisis de las
reacciones de gas por las superficies solidas.
-
Se ha utilizado para la recuperación y concentración de las
vitaminas y otras sustancias biológicas y encuentra su utilidad en el
método denominado análisis cromatográfico, que consiste en la evaluación
de numerosos constituyentes presentes de forma simultánea en una solución
o gas.
Extracción , esta operación se realiza en un
sistema líquido-líquido, consiste en la separación de un componente diluido en
un solvente líquido por otro líquido prácticamente inmiscible o miscible
parcialmente con el primer solvente. En este caso, el componente, a extraer de
la disolución inicial, va de una fase líquida a otra fase líquida.
Aplicación
en la Industria
Extracción del ácido acético mezclado
con benceno, utilizando agua como solvente.
Se utiliza en la industria del
petróleo para la extracción del asfalto mediante propano líquido.
Adsorción consiste en
la eliminación selectiva de un componente gaseoso o líquido de una mezcla,
mediante un adsorbente sólido poroso, la separación está caracterizada por el
paso de la sustancia de la fase gaseosa o líquida a la fase sólida.
Aplicación
en la Industria
A nivel industrial se emplea para
secar corrientes de gases de su humedad. Se emplea un lecho de gel de sílice.
También se emplea en la eliminación de olores, decoloración de líquidos. Para
recuperar disolventes contaminantes.
OPERACIONES DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA
La evaporación es una operación unitaria consistente en la separación de una
mezcla líquida, generando a partir de la misma, por ebullición, un vapor
integrado por los componentes más volátiles de aquélla. Se utiliza para
concentrar disoluciones obteniéndose vapor del disolvente. Es una operación muy
empleada en diversas industrias, bien sea para aprovechar la disolución
concentrada.
Aplicación
en la Industria
- El proceso de evaporación consiste en la
eliminación de un líquido de una solución por tratamiento térmicos.
- Se utiliza en las siguientes industrias
- Industria lechera con evapores verticales de
tubos largos
- Industria avícola y frigorífica.
Conducción: Se produce cuando ponemos en contacto un cuerpo que se encuentra a
distinta temperatura, fluyendo el calor de donde hay más o menos temperatura.
Convención: El calor se transmite debido al movimiento de una masa fluida que
transporta y transfiriéndose a otra masa fluida con la que entra en contacto
durante su recorrido mediante una mezcla de porciones de ambas.
Puede ser natural o forzada:
· Natural: el
movimiento de fluidos se produce por diferentes densidades entre fluidos.
· Forzada: el
movimiento del fluido lo produce un elemento externo, como por ejemplo una
bomba, ventilador, etc.
Radiación: Es la transmisión de calor mediante ondas electromagnéticas. Todos los
cuerpos emiten radiación electromagnética, siendo su intensidad dependiente de
la temperatura y de la longitud de onda considerada.
Aplicación
en la industria
En términos generales , los principales usos
de los intercambiadores de calor son
·
Elevar la
temperatura de un fluido, usando otro más caliente.
·
Refrigerar un
fluido usando otro que se encuentra a menos temperatura.
·
Condensar gases.
· Evaporar líquidos.
OPERACIONES DE TRANSMISIÓN DE MATERIA Y ENERGÍA
Este sistema se basa en la transferencia de calor la cual hace referencia al transporte de calor de un punto a otro hasta que los cuerpos y su entorno alcancen el equilibrio térmico. El mecanismo de transferencia de calor a escala atómica se produce debido a los choques entre moléculas, dónde las partículas más energéticas le entregan energía a las menos energéticas. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado de la Segunda Ley de la Termodinámica.
Humidificación: La humidificación de aire se
consigue al poner en contacto el aire no saturado con agua, a una temperatura
tal que el aire aumenta su contenido de humedad. El agua se enfría al tener que
ceder calor para evaporar la porción de líquido que se incorpora al aire como
vapor de agua. Este enfriamiento del agua es quizá la faceta industrialmente
más importante de esta operación unitaria: el agua caliente procedente de la
refrigeración de las unidades de una planta puede enfriarse si se pone en
contacto con un gas (preferiblemente más frío) no saturado. El caudal de la
corriente de agua se reduce en una cierta cantidad por la evaporación de una
parte de la misma.
Aplicación
en la Industria
- Humidificación para la industria automotriz: Se utilizan principalmente en las cabinas de pintura que requieren de una humedad relativa constante del 72 por ciento, para reducir la evaporación de la pintura, garantizando que ésta sea aprovechada al máximo y evitar que haya filtraciones de polvo.
- Humidificación para la producción de papel: Se controla pérdida de humedad posterior al proceso secado. Un bajo nivel de humedad, menos del 50 por ciento, hace que el papel se encoja , se curve y pierda estabilidad en su forma. Para evitar esto, el nivel óptimo de humedad es de 55 por ciento.
Cristalización: La operación de cristalización es aquella por medio de la cual se separa un componente de una solución líquida transfiriéndolo a la prensa salida en forma de cristales que precipitan. en la cadena de operaciones unitarias de los procesos de fabricación se ubica después de la evaporación y antes de la operación de secado de los cristales y envasado. Este proceso físico por el por el cual un cuerpo adquiere la estructura cristalina puede realizarse por sublimación por fusión y posteriormente por enfriamiento de la masa fundida o por evaporación gradual del disolvente en una solución saturada.
Los tipos más frecuentes de cristalizadores son: cristalizadores de
tanque, en los que la sobresaturación se produce por enfriamiento sin
evaporación apreciable, cristalizadores-evaporadores, en los que la
sobresaturación se produce por evaporación sin enfriamiento apreciable ;
cristalizadores de vacío, en donde se combina la evaporación y el enfriamiento
adiabático.
Aplicación
en la Industria
Es una operación necesaria para todo producto
químico que se presenta comercialmente en forma de polvos o cristales, ya sea
el azúcar o sacarosa, la sal común o cloruro de sodio.
Secado
La operación de secado es un proceso
que implica transferencia de masa entre un gas y un sólido se transfiere por
evaporación hacia la fase gaseosa.
El secado es habitualmente la etapa
final de una serie de operaciones y con frecuencia, el producto que se extrae
de un secador para empaquetado.
Existen varios tipos de
operaciones de secado, que se diferencian entre sí por la metodología seguida
en el procedimiento de secado; puede ser por eliminación de agua de una
solución mediante el proceso de ebullición en ausencia de aire; también puede
ser por eliminación de agua mediante adsorción de un sólido, y por reducción
del contenido de líquido en un sólido, hasta un valor determinado mediante
evaporación en presencia de un gas.
Aplicación en la Industria
Su aplicación es común en la
industria de alimentos, así como, el secado de granos o madera, los cuales
tienen un gran contenido de humedad en ellos.
Existen procesos químicos
industriales importantes en los cuales conviene el secado, entre otros , está el
secado de la sal, la cual es pasada, una vez cristalizada por un túnel de aire,
para eliminar el exceso de humedad en la misma, también se puede mencionar el
secado del carbón, de productos alimenticios, de arena, entre otros.
OPERACIONES DE TRANSPORTE DE CANTIDAD DE
MOVIMIENTO
Se emplea para separar partículas sólidas de un
líquido, este dispositivo consiste en un recipiente de anchura considerable que
se alimenta por su fondo. La operación de sedimentación está pues controlada
por el transporte de cantidad de movimiento.
La sedimentación se
utiliza para separar las partículas sólidas dispersas en un líquido. La
diferencia de densidades entre las partículas sólidas y el líquido hace que,
aunque éste último tenga un movimiento ascendente y las partículas sólidas
sedimenten, depositándose en el fondo de donde son eliminadas en forma de
lodos. La viscosidad del líquido frena las partículas sólidas, que deben vencer
el rozamiento con el líquido en el movimiento de caída.
Aplicación en la Industria
La sedimentación se utiliza con mucha frecuencia en
la industria de la alimentación para separar la suciedad y sustancias extrañas
contenidas en las materias primas, para separar la suciedad y sustancias
extrañas contenidas en las materias primas, para separar cristales de las aguas
madres y el polvo o partículas de las corrientes de aire.
La filtración es la
separación de partículas sólidas a partir de un fluido mediante el paso del
fluido a través de un medio filtrante o pared separadora sobre el que se
depositan los sólidos. El fluido puede ser un líquido o un gas, y la corriente
valiosa procedente de un filtro puede ser el fluido, los sólidos o ambos
productos. En la filtración industrial, el contenido de sólidos de la
alimentación puede oscilar desde trazas hasta un porcentaje muy elevado.
Aplicación en la Industria
La filtración en la industria va
desde un simple “colado” hasta separaciones muy complejas. Se utiliza en la
industria farmacéutica para procesos de aguas residuales, industrias alimenticias.
También se aprecia en la eliminación del amoniaco o los nitritos del agua.
Filtros prensa
Filtro de arena
La centrifugación es
una técnica de separación que se utiliza para aislar o concentrar partículas
suspendidas en un líquido aprovechando la diferente velocidad de desplazamiento
según su forma, tamaño o peso al ser sometidas a una fuerza centrífuga. La
fuerza centrífuga es la que se ejerce sobre un cuerpo cuando éste gira
alrededor de un eje. Esta fuerza, cuya magnitud es directamente
proporcional a la masa del cuerpo, el radio de giro y la velocidad de giro (o
angular), es perpendicular al eje y tiende a alejar el cuerpo del mismo. La
fuerza centrífuga puede acelerar el proceso de sedimentación de partículas que
tienen tendencia a hacerlo espontáneamente (densidad superior a la del líquido),
o en aquellas que tienden a flotar (densidad inferior a la del líquido).
Aplicaciones en la
Industria
En la fabricación de aceites. Los productores de
aceite de oliva, por ejemplo, emplean las centrifugas para separar el contenido
graso del fruto del olivo, que es previamente molido y batido. De este modo, se
puede apartar el agua, el hueso, la pulpa y otros componentes para obtener solo
lo necesario.
En la fabricación de aceites. Los productores
de aceite de oliva, por ejemplo, emplean las centrífugas para separar el
contenido graso del fruto del olivo, que es previamente molido y batido. De
este modo, se puede apartar el agua, el hueso, la pulpa y otros componentes
para obtener solo lo necesario.
CONCLUSIONES
Las operaciones unitarias son de vital importancia
dentro de las industrias ya que estas tienen como objetivo facilitar el estudio
de todas las operaciones que se llevan a cabo dentro de un proceso productivo,
así como su desarrollo y supervisión, para ello es necesario conocer cada una
de las operaciones unitarias y relacionarlas entre ellas. Es por lo que como
futuros ingenieros consideramos que los conocimientos adquiridos dentro de esta
asignatura son esenciales para nuestro desarrolló profesional.
BIBLIOGRAFÍA
Marcilla
Gomis, A. (2003). Introduccion a Las Operaciones de Separacion. Calculo
Por Etapas de Equilibrio (2. Edicion). Digitalia- Universidad de Alicante.
Geankoplis,
C. J. (1998). Transport processes and unit operations: International
edition (3rd ed.). Pearson.
McCabe, W. L., Smith, J., & Harriott, P. (2004). Unit operations of chemical engineering (7th ed.). McGraw-Hill Professional.
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