Introducción a las operaciones unitarias.
Definición de las operaciones unitarias.
 |
| Fig. 1-Operaciones unitarias en una industria cervecera. |
 |
| Fig. 2-Gráfica de las definiciones de operaciones unitarias. |
“Las piezas que ensambladas forman los complejos industriales, constituyen la base de un estudio ordenado de la Ingeniería Química. Generalmente, en ellas se provocan cambios en el material de partida, que puede provenir del medio como son materias primas (agua, aire, madera, minerales, vegetales, animales entre otros) o que pueden tener su origen en los productos obtenidos en otras industrias. En el cual dichos cambios van a ser generados por la existencia de fenómenos de transporte, como lo son el transporte de energía (Transferencia de calor), transporte de materia (Transferencia de masa) y transporte de cantidad de movimiento (Mecánica de fluidos). Así, los cambios provocados son de naturaleza física y pueden provocar un intercambio de materiales, dando lugar a las operaciones de evaporación, cristalización, destilación, extracción, etc. En otras ocasiones no se busca el intercambio de materiales sino la separación de estas que existen previamente, como en el caso de la sedimentación, filtración o reducción de tamaño.
Además de operaciones físicas en los procesos industriales se realizan operaciones químicas, que provocan el cambio en la naturaleza de las materias primas, productos elaborados y mezclas, dando lugar a procesos tales como la oxidación, combustión, nitración, etc. Que también se conocen con el nombre de procesos unitarios.”
Según el trabajo “Operaciones y procesos unitarios” publicado por María García Urrutia.
“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. Mediante el estudio sistemático de estas operaciones, que constituyen la trama de la industria y los procesos industriales, se unifica y resulta más sencillo el tratamiento de todos los procesos.”
En adición, de acuerdo con el breve curso de “Operaciones Unitarias” publicado por Luis Cabrera Pérez nos menciona que:
"Un proceso está conformado por varias actividades que tienen un objetivo como tal que es el desarrollo de un producto final, a ese conjunto de actividades se les llama operaciones unitarias caracterizada porque en esta no se presentan reacciones. A su vez se puede añadir que por operación unitaria se entiende una etapa de un proceso químico en el que se busca transformar la composición mediante proceso físicos y fisicoquímicos."
 |
| Fig. 3-Secuencia de un proceso industrial. |
Clasificación de las operaciones unitarias (Según los fenómenos de transporte).
 |
| Fig. 4-Clasificación de las operaciones unitarias. |
Conceptos y aplicación industrial de las operaciones unitarias.
Transporte de materia:
 |
| Fig. 5-Transporte de materia (Destilación) |
La transferencia de materia o masa se da por la propensión de uno o más componentes de una mezcla al trasladarse desde la zona de mayor concentración hacia la zona de menor concentración. La transferencia concluye cuando se llega al equilibrio entre las fases debido a que ya no existe la fuerza impulsora. Este transporte puede ocurrir por difusión debido, generalmente, a un gradiente de concentración - másico o molar - que actúa como fuerza impulsora.
La transferencia de masa se da en operaciones unitarias como:
1- Extracción.
Se basa en la disolución de una mezcla (líquida o sólida) en un disolvente selectivo. Puede ser: Líquido-líquido o Sólido-líquido. Esta última se la conoce como lavado, lixiviación, etc.
La extracción aprovecha la diferencia de solubilidades de los componentes de la mezcla en el disolvente añadido, el número mínimo de componentes presentes en la extracción es tres.
Aplicación industrial.
 |
| Fig. 6-Penicilina (Operación unitaria de extracción) |
Ejemplo #1: La extracción líquido-líquido se usa mucho a escala industrial, especialmente en la industria del petróleo. Un claro ejemplo de esto es, la separación de los asfaltos del petróleo se realiza mediante un proceso de extracción con propano a baja temperatura.
Ejemplo #2: La penicilina es un producto farmacéutico purificado por extracción líquido-líquido con solvente como acetato de butilo o ciclohexanona.
2- Destilación.
Consiste en separar dos o más componentes de una mezcla líquida (en la que todos los componentes son más o menos volátiles) aprovechando la diferencia de volatilidades de los componentes que forman la mezcla. La destilación se consigue seleccionando la temperatura y presión de tal manera, que la fase liquida y vapor que se forman tengan concentraciones relativas diferentes.
Aplicación industrial.
 |
| Fig. 7-Petróleo (Operación unitaria de destilación) |
 |
| Fig. 8-Vino (Operación unitaria de destilación) |
Ejemplo #1: La destilación del petróleo es el proceso por el cual se obtienen los derivados del crudo mediante el aumento de la temperatura para llevar el crudo a distintos puntos de ebullición.
Ejemplo #2: Al exponer a altas temperaturas al vino, más precisamente a las uvas fermentadas, lo que lograremos con la exposición al calor es la evaporación del etanol (alcohol) dado que es uno de los componentes volátiles, con un punto de ebullición de 78 grados.
3- Absorción-Desaborción.
Es el fenómeno en la que los átomos, iones o moléculas de gases, líquidos o sólidos se disuelven en otra sustancia. La absorción 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 desabsorción o agotamiento es la operación unitaria contraria a la absorción, se verifica la transferencia de materia de uno o varios componentes desde la fase líquida a la fase gaseosa, Así un gas disuelto en un líquido es arrastrado por un gas inerte siendo eliminado del líquido.
Aplicación industrial.
 |
| Fig. 9-Sistema de absorción del amoniaco. |
Ejemplo #1: Los líquidos procedentes del gas natural son hidrocarburos líquidos que se recuperan de los gases del gas natural en plantas de proceso. Estos hidrocarburos incluyen: etano, propano, butanos, pentanos y otros componentes mas pesados.
Ejemplo #2: Otro ejemplo es la absorción de amoníaco del aire por medio de agua líquida.
Ejemplo #3: Eliminación de hidrocarburos volátiles contenidos en aguas contaminadas (ejemplo de desabsorción)
4- Adsorción-Dessorción.
La adsorción consiste en la eliminación de algunos componentes de una fase fluida mediante un sólido que lo retiene. En la operación de adsorción gas-sólido, desde la fase gaseosa se transfiere a la fase sólida uno o varios componentes, quedando los mismos retenidos sobre la superficie externa e interna de los sólidos constituyentes de la fase, o sólidos adsorbentes mientras que su operación inversa es la desorción, usada para la regeneración del adsorbente y para la recuperación del soluto.
Aplicación industrial.
 |
| Fig. 10-Planta industrial de absorción. |
Ejemplo #1: Desacidificación de agua potable en el que se reduce la concentración del dióxido de carbono disuelto en el agua (ejemplo de desorción)
Ejemplo #2: Eliminación hidrocarburos disueltos como disolventes, aceites hidráulicos, pegamentos, pinturas, refrigerantes y pesticidas, etc.
Transporte de energía
 |
| Fig. 11-Transporte de energía. |
Hace referencia a la transferencia 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.
La transferencia puede darse de tres modos:
Conducción: Se produce cuando la energía se propaga debido a los choques directos entre las partículas de un material a otro, de forma que cada choque las partículas ceden parte de su energía cinética a las partículas con las que interaccionan, todo ello sin que haya transporte neto de materia.
Convección: Sucede en los fluidos, y consiste en un transporte de energía asociado al desplazamiento de masa de los fluidos dentro del espacio que lo contiene, debido a las diferencias de densidad originadas por las distintas temperaturas de unas zonas y otras.
Radiación: La energía se transporta en forma de ondas electromagnéticas, que se propagan a la velocidad de la luz. El transporte de energía puede verificarse entre superficies separadas por el vacío, esto se debe a que su origen está en movimiento térmico de las partículas cargadas de la materia, lo que desencadena la emisión de partículas electromagnéticas.
La transferencia de energía se da en operaciones unitarias como:
1- Evaporación.
La evaporación es una operación unitaria que
tiene como objeto primordial concentrar una disolución compuesta por un soluto
no volátil y un disolvente volátil. En la gran mayoría de los evaporadores el
disolvente es el agua.
Aplicación industrial.
 |
| Fig. 12-Proceso de evaporación. |
 |
| Fig. 13-Elaboración de leche condensada. |
Ejemplo #1: En la
evaporación de salmuera para la producción de sal. En la evaporación, el
producto valioso, es el líquido concentrado, mientras que el vapor se condensa
y algunas veces es desechado.
Ejemplo #2: Obtención de la (leche condensada) en las pasteurizadoras.
2- Condensación.
Es la operación
inversa a la evaporación, por la que un vapor pasa a estado líquido al
intercambiar calor con un líquido frío.
Aplicación industrial.
 |
| Fig. 14-Condensador térmico. |
Ejemplo #1: Los
condensadores termodinámicos utilizados en la industria de la refrigeración.
Ejemplo #2: La formación de las nubes, producto del aire húmedo y caliente que sube a las capas superiores de la atmósfera y se encuentra con capas de aire frío.
3- Congelación.
La congelación es el proceso de transformación del agua en hielo por exposición a bajas temperaturas y se realiza en varias etapas. En una primera fase la temperatura del alimento desciende por debajo de 0ºC, pero aún no ha empezado a congelarse; es la etapa de subenfriamiento. La siguiente fase es la nucleación donde, de manera espontánea, se forman núcleos de hielo a partir de los cuales comenzarán a formarse los cristales. Por último, durante la fase de crecimiento de los cristales, estos crecerán hasta que toda el agua presente en el alimento termina por convertirse en hielo. Al finalizar el proceso, el alimento habrá alcanzado la temperatura del congelador.
Aplicación industrial.
 |
| Fig. 15-Congelación de pescado. |
Ejemplo #1: Congelación
de los alimentos, donde se disminuye el AW de los alimentos.
Ejemplo #2: Congelación del pescado para evitar la proliferación de la histamina.
Transporte de cantidad de movimiento:
 |
| Fig. 16-Transporte de cantidad de movimiento (Circulación de fluido) |
 | |
|
Se puede decir
que hace referencia al transporte de cantidad de movimiento de un punto a otro.
Por lo que se divide en grupos
Circulación de fluidos: Es el estudio de movimientos de los fluidos, generalmente se aplica para el transporte de un fluido en un medio solido y como aplicación industrial se observa en operaciones como filtración o cromatografía.
Además, cuando
existen 2 fluidos a diferentes velocidades en un medio solido como principio
ambos alcanzaran el equilibrio debido al rozamiento que existe en ambos,
generalmente se observa en una cromatografía líquido-líquido.
Aplicación industrial.
 |
| Fig. 18-Represa (Circulación de agua) |
Ejemplo #1: Las represas.
Ejemplo #2: Tubos Venturi.
Transporte de sólidos: Los solidos son, en general más difíciles que tratar que los fluidos, para transportarlos en los procesos se emplea desde el esfuerzo humano hasta instalaciones fijas como grúas, raquetas de faja, elevadores, etc.
Aplicación industrial.
 |
| Fig. 19-Elaboración de cemento (Transporte material) |
Ejemplo #1: Transporte de material en la elaboración del cemento.
Transporte en simultaneo de materia-energía.
 |
| Fig. 20-Transporte simultaneo de materia-energía |
Por tanto, tenemos operaciones unitarias como:
1- Humidificación-Deshumificación.
La
humidificación es una operación unitaria en la que tiene lugar una
transferencia simultánea de materia y calor sin la presencia de una fuente de
calor externa.
En la deshumidificación, agua fría se pone en contacto con aire húmedo. La materia transferida entre las fases es la sustancia que forma la fase líquida, que dependiendo de cómo estemos operando, o se evapora (humidificación), o bien se condensa (deshumidificación).
Aplicación industrial.
 | |
|
Ejemplo #1: Humidificación en la producción de
papel.
Ejemplo #2: Humidificación en la producción del tabaco.
2- Cristalización.
La cristalización es una operación unitaria de transferencia
de materia y energía en la que se produce la formación de un sólido (cristal o
precipitado) a partir de una fase homogénea (soluto en disolución o en un
fundido). La fuerza impulsora en ambas etapas es la sobresaturación y la
posible diferencia de temperatura entre el cristal y el líquido originada por
el cambio de fases. La cristalización es el proceso por el cual se forma un
sólido cristalino, ya sea a partir de un gas, un líquido o una disolución. La
cristalización es un proceso que se emplea en química con bastante frecuencia
para purificar una sustancia sólida. La cristalización
también es un proceso de separación líquido en el que hay transferencia de masa
de un soluto de la solución líquida a una fase cristalina sólida pura.
Aplicación industrial.
 | |
|
Ejemplo #1: Producción de sacarosa de azúcar de remolacha, donde la sacarosa se cristaliza de una solución acuosa.
Ejemplo #2: Cristalización del azúcar.
3- Secado.
El secado es una operación en la cual se
elimina parcial o totalmente, por evaporación, el agua de un sólido o un
líquido. El producto final es siempre sólido lo cual diferencia el secado de la
evaporación. En esta última, aunque hay eliminación de agua, se parte siempre
de un líquido para obtener un concentrado líquido. Aun cuando el objetivo
principal no sea secar un alimento, el secado puede producirse cuando se
efectúan otras operaciones de tratamiento o conservación.
Aplicación industrial.
 | |
|
Ejemplo #1: Secado de madera húmeda través de una corriente de gas.
4- Deshidratación.
Es
una peculiar modalidad de secado que consiste en la eliminación del agua de un
sólido por sublimación de esta, es decir, el agua del sólido proveniente
congelada se pasa directamente a vapor.
Aplicación industrial.
 | |
|
Ejemplo #1: El
café soluble.
Conclusiones.
Enlace de video explicativo.
Bibliografía.
García, M. (2012). Operaciones y procesos unitarios. Obtenido de https://issuu.com/ingenieriaarquitecturausat/docs/operaciones_y_procesos_unitarios/20
Ibarz, A. (2008). Operaciones unitarias en la ingeniería de alimentos. Obtenido de https://elibro.net/es/ereader/uleam/35857
Muñoz, V., & Maroto, A. (2013). Operaciones unitarias y reactores químicos. Obtenido de https://elibro.net/es/ereader/uleam/48624
Pinos, V. (2021). Los fenómenos de transporte: transferencias de cantidad de movimiento, calor y masa. Obtenido de https://www.ucuenca.edu.ec/component/content/article/273-espanol/investigacion/blog-de-ciencia/ano-2021/enero-2021/1860-transferencias-de-cantidad-de-movimiento
Procesos industriales. (2015). Obtenido de http://msiyoma.blogspot.com/2015/02/procesos-industriales.html
Comentarios
Publicar un comentario