operaciones unitarias

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DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGIAS E INGENIERÍA INGENIERIA
INDUSTRIAL
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OPERACIONES UNITARIAS
OPERACIONES UNITARIAS: Estas tienen como objetivo modificar las condiciones de una
determinada unidad de masa (reactivos) para conseguir una finalidad (productos).
Esta modificación se puede conseguir:
- Modificando su masa o composición.
- Modificando su nivel o cantidad de energía.
- Modificando las condiciones de movimiento: velocidad.
El estado de un cuerpo está absolutamente definido cuando están especificadas la cantidad de
materia y composición, cuando conocemos su energía y cuando conocemos las componentes de
la velocidad con las que dicho cuerpo está en movimiento; Estas magnitudes están determinadas
por la ley de conservación de la materia, energía y cantidad de movimiento. Para transformar
una cantidad de materia se producen transformaciones simultáneas de dos o más de estas
propiedades, estas propiedades aunque se den simultáneamente, por lo general es una de ellas la
que predomina sobre las otras.
De este modo para la clasificación de las operaciones unitarias se atiende a la propiedad que
predomina en una transformación. En base a ello la clasificación se hace en dos grandes grupos:
- Operaciones unitarias físicas.
- Operaciones unitarias químicas.
Operaciones unitarias físicas: Tienen estas transferencias básicas;
- De transferencia de materia.
- De transferencia de energía.
- De transferencia simultánea de materia y energía.
- De transferencia de cantidad de movimiento.
- Complementarias.
En todas las operaciones unitarias hay en común el concepto de fuerza impulsora, la cantidad de
la propiedad transferida por unidad de tiempo y por superficie, la cual es igual a la fuerza
impulsora iniciado por la resistencia que se opone.
Vamos a estudiar la fuerza impulsora para los tres tipos de propiedades.
Materia: la fuerza impulsora es igual a las diferencias de concentraciones, presiones en el seno
del fluido que estemos estudiando.
Energía: la fuerza impulsora se da cuando existe una diferencia de temperaturas en el seno de la
masa. por: Ing. Yeimmy Peralta.
Diseñado
Cantidad de movimiento: la fuerza impulsora es la diferencia de velocidades que existe entre
dos zonas del fluido.
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Energía: la fuerza impulsora se da cuando existe una diferencia de temperaturas en el seno de la
masa.
Cantidad de movimiento: la fuerza impulsora es la diferencia de velocidades que existe entre
dos zonas del fluido.
Operaciones unitarias químicas: La fuerza impulsora hay que considerarla en relación al aspecto
termodinámico (lo que nos indica el avance de la reacción es G<0). En relación con el aspecto
cinético, la velocidad de la reacción química depende de la temperatura y de las concentraciones
de los reactivos.
Operaciones Unitarias físicas regidas por transferencia de materia: Están basadas en un
fenómeno denominado difusión en donde las masas se ponen en movimiento o intentan
mezclarse como consecuencia de que existen en el fluido gradientes de concentración; Cuando
se colocan dos fases que no se encuentran en equilibrio en relación con un determinado
componente lo que ocurre es que dicho componente se transfiere de una a otra intentando
alcanzar el equilibrio. Aprovechando el fenómeno de la difusión se ponen en contacto fases
distintas y lo que sucede es que los componentes van a intentar igualarse y se realiza el diseño
de aparatos para lograr dicha separación, esta separación puede tener dos objetivos:
- Separar una sustancia que esté impurificando un fluido.
- Separar un compuesto que tenga un valor intrínseco mayor estando por libre.
También es posible la separación basándonos en la diferencia de velocidades de difusión a
través de una membrana porosa, es necesario realizarlo en repetidas ocasiones y no siempre es
más corriente la separación por transferencia entre fases.
Destilación
Es la operación unitaria más utilizada en ingeniería química y consiste en separar 2 o más
componentes de una mezcla líquida aprovechando sus diferencias en cuanto a la presión de
vapor; Se supone una sustancia líquida a una determinada temperatura, parte de las moléculas
de esta sustancia debido a que no todas tienen la misma velocidad, rompen la atracción de las
moléculas del líquido y pueden pasar a la fase gaseosa; En la fase gas no todas las moléculas
van a tener la misma energía, aquellas moléculas de las fase gaseosa con menor energía podrán
ser atrapadas por el líquido y tendremos una situación de equilibrio entre el líquido y el gas; El
manómetro no va a variar e indica la cantidad máxima de moléculas del líquido que podemos
tener en la fase de vapor, existe la misma velocidad en las moléculas de líquido a vapor como
de vapor a líquido.
La presión de vapor depende de la temperatura a que trabaje, de la naturaleza de la sustancia, las
sustancias con menor tendencia a pasar a gas son menos volátiles, la cantidad máxima de
moléculas en fase gas viene dada por la presión de vapor.
La mezcla
conseguirá
Diseñado
por:líquida
Ing. Yeimmy
Peralta.separar los compuestos por su volatilidad, la presión de vapor es
muy dependiente de la temperatura, a mayor temperatura mayor presión de vapor, hasta que esta
se iguale con la presión exterior (1 atmósfera), en este punto el líquido comienza a ebullir, sí la
mezcla está constituida por 2 componentes se llama mezcla binaria, sí hay más de 2
componentes se denomina mezcla multicomponente.
Destilación simple: Cuando el líquido está contenido en un recipiente denominado calderín,
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La mezcla líquida conseguirá separar los compuestos por su volatilidad, la presión de vapor es
muy dependiente de la temperatura, a mayor temperatura mayor presión de vapor, hasta que esta
se iguale con la presión exterior (1 atmósfera), en este punto el líquido comienza a ebullir, sí la
mezcla está constituida por 2 componentes se llama mezcla binaria, sí hay más de 2
componentes se denomina mezcla multicomponente.
Destilación simple: Cuando el líquido está contenido en un recipiente denominado calderín,
calentamos el líquido en su parte inferior, al calentar el líquido este se va evaporando y este
vapor es expulsado; Es una destilación Discontinua.
Cuando tenemos una destilación simple continua, donde constantemente introducimos líquido
en el calderín. También se calienta, pero en este caso también sale líquido además de vapor. El
líquido que queda en el calderín se mantiene constante.
Destilación súbita o flash : el alimento se introduce a temperatura elevada, se le da calor
externamente y se mantiene a una presión elevada pero sin que llegue a ebullición, entonces se
pasa el líquido regulando la entrada en la columna con una válvula; Dentro de la columna se
produce una expansión de los componentes más volátiles, y también una fase líquida más rica
en los compuestos más volátiles, en este caso no existe caldera, estarán en equilibrio los
componentes de vaporización y líquido dependiendo de las condiciones de entrada.
Regla de las fases: Enunciada por Josiah Willard Gibbs en el siglo XIX dice la relación que
existe entre el número de componentes independientes, el número de fases y el de posibilidades
de variación de un sistema en equilibrio.
- Componentes:C; número mínimo de sustancias que hay en el sistema y que son suficientes
para definirlo.
- Fase:F; parte homogénea con las mismas propiedades y composición.
- Libertades:L; número de factores que pueden influir en el equilibrio y que pueden ser
variables sin que se altere dicho equilibrio (P, T, composición). encuentran con frecuencia en la
industria química y del petróleo.
Diseñado por: Ing. Yeimmy Peralta.
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Disoluciones ideales: Dos componentes se ponen en contacto y no se produce intercambio de
calor (disolución ideal). Un soluto con poca tendencia a pasar a vapor y un disolvente con
tendencia a pasar a vapor. Se puede predecir la presión correspondiente a la disolución:
P1 = P1° X1
X1 = n1/nT
Rectificación: La destilación con reflujo se llama rectificación; la condensación se realiza por
medio de agua fría o serpentín, primero se ponen en contacto el vapor ascendente con el líquido
descendente, a medida que vamos subiendo los vapores van siendo más ricos en el componente
más volátil mientras que en el calderín, a medida que bajamos, el líquido es más rico en el
componente menos volátil.
Alimentación = Destilado + Residuo
Por el serpentín del calderín se hace pasar una corriente que se encuentre a mayor temperatura
de manera que se de la vaporización, La alimentación se coloca directamente en el calderín y se
va consumiendo de manera que desaparece todo en forma de destilado.
D. extractiva y D. azeotrópica: Se añade un tercer componente que en el caso de la extractiva
separa los dos componentes al formar un residuo con uno de los componentes y el otro queda
como destilado; En el caso de la destilación azeotrópica, el tercer componente forma un
azeótropo con uno de los otros dos, disminuye la presión de vapor de uno de ellos saliendo
como residuo o destilado. Estos métodos requieren de una posterior separación.
Destilación por arrastre de vapor: Se inyecta vapor de agua recalentado a la mezcla binaria que
se quiere separar, sobre todo cuando uno de los componentes se degrada con el vapor; Este
vapor reduce la presión parcial de los componentes a destilar con lo que la temperatura de
vaporización es menor, el agua no llega a condensar y por lo tanto sale de la columna
acompañando al destilado y por lo tanto se requiere una posterior separación del destilado del
agua.
Diseñado por: Ing. Yeimmy Peralta.
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Absorción
Es una operación unitaria regida por transferencias de materia que consiste en poner en contacto
un gas con líquido con el objetivo de que en él se disuelva alguno de los componentes del gas.
Desorción
Operación continúa a la absorción y en ella un gas disuelto en un líquido es arrastrado por un
gas inerte quedando eliminado del líquido inicial. En algunas ocasiones la desorción también se
emplea para determinar la destilación súbita.
La transferencia de materia tiene lugar porque la presión parcial del componente gaseoso en la
fase líquida es menor que la presión que tendría una disolución en fase líquida con ese gas. Esto
se basa en la ley de Henry que nos indica la máxima solubilidad de un gas en líquido.
Los aparatos empleados en estas técnicas son columnas en las que no se requiere caldera y
tampoco hace falta colocar ningún refrigerante. Dos tipos:
- Columnas de relleno.
- Columnas de platos.
Se diferencian de las anteriores en que se colocan dispositivos para facilitar el contacto entre las
fases. Se colocan en la parte superior torres de pulverización. También se hace pasar el líquido a
presión por la parte superior. El gas se introduce por la parte inferior y se dice que líquido y gas
van a contracorriente. También hay unos absorbedores especiales, los centrífugos, en los que se
aplica una energía cinética adicional por rotación al líquido.
Los procesos químicos en los que se aplica la absorción es la eliminación de gases ácidos;
secado del cloro (con H2SO4).
Diseñado por: Ing. Yeimmy Peralta.
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Extracción
Está basada en la disolución de uno o varios componentes de una mezcla en un disolvente
selectivo. La mezcla puede ser líquida o sólida:
- Extracción líquido-líquido: Se requiere que los dos líquidos que se ponen en contacto sean
inmiscibles. Representa una solución ventajosa con relación a la destilación porque permite
extraer varias sustancias que tengan un grupo funcional parecido. Para no utilizar la destilación
con arrastre de vapor se emplea este método.
- Extracción sólido- líquido: también llamada lavado, lixiviación, percolación... Si
pretendemos un componente no deseado de un sólido se denomina lavado. Lixiviación se
emplea cuando se desea extraer un componente valioso. Percolación se emplea para indicar que
existe el vertido de un líquido sobre un sólido.
Adsorción
Operación unitaria física regida por la transferencia de materia. Consiste en la eliminación de
algún componente de una fase fluida mediante un sólido que lo retiene. El fluido puede ser un
líquido o un gas. La adsorción es un fenómeno de superficie. En la superficie del sólido se dan
interacciones que hacen que las moléculas del fluido queden retenidas. Si son retenidas
mediante un enlace químico fuerte se denomina quimisorción. Si son retenidas mediante una
interacción débil se denomina fisisorción. El fenómeno contrario a la adsorción se denomina
desorción .
Los sólidos empleados han de tener una gran superficie de adsorción como es el caso del carbón
activo, gel de sílice, alúmina activada. Para que por ejemplo se de la adsorción tenemos 1 gramo
de carbón activo que presenta una superficie de 1000 m ².
En algunos casos la adsorción se denomina percolación ya que tengo una fase fluida y un
sólido, pues este nombre se usa cuando el fluido es un líquido.
Intercambio iónico
Es una operación unitaria física regida por transferencia de materia que consiste en la
sustitución de uno o varios iones de una disolución por otros que inicialmente forman parte de
la llamada resina de intercambio iónico.
Diseñado
En todapor:
operación
Ing. Yeimmy
quePeralta.
hay intercambio iónico hay reacción química, una reacción química lo
suficientemente rápida que lo que rige la velocidad del proceso es la diferencia de
concentraciones entre los componentes (difusión). Las resinas son neutras y formadas por iones;
al ponerse en contacto con el fluido se produce un intercambio iónico que produce dos tipos de
resinas:
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En toda operación que hay intercambio iónico hay reacción química, una reacción química lo
suficientemente rápida que lo que rige la velocidad del proceso es la diferencia de
concentraciones entre los componentes (difusión). Las resinas son neutras y formadas por iones;
al ponerse en contacto con el fluido se produce un intercambio iónico que produce dos tipos de
resinas:
- Resinas catiónicas: el anión es fijo e intercambian el catión.
- Resinas aniónicas: el catión es fijo e intercambian el anión.
En toda operación que hay intercambio iónico hay reacción química, una reacción química lo
suficientemente rápida que lo que rige la velocidad del proceso es la diferencia de
concentraciones entre los componentes (difusión). Las resinas son neutras y formadas por iones;
al ponerse en contacto con el fluido se produce un intercambio iónico que produce dos tipos de
resinas:
- Resinas catiónicas: el anión es fijo e intercambian el catión.
- Resinas aniónicas: el catión es fijo e intercambian el anión.
Diseñado por: Ing. Yeimmy Peralta.
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Reducción de tamaño y tamizado de sólidos
Principios generales
En la industria suele ser necesario desmenuzar los sólidos, mediante la aplicación de fuerzas
mecánicas. Las razones para esta reducción de tamaño son las siguientes:
(a)
La reducción de tamaño puede facilitar la extracción de un determinado constituyente
deseado, presente en una estructura compleja, como sucede, por ejemplo en la obtención de
harina a partir de granos de trigo, o de jarabe, a partir de caña de azúcar.
(b)
La reducción a un tamaño definido puede constituir una necesidad especifica de
producto, como sucede, por ejemplo, en la elaboración del azúcar para glasear, en la
preparación de especias y en el refinado del chocolate.
(c)
Una disminución del tamaño de partícula de un material aumenta la superficie del
sólido, lo que resulta favorable en muchos procesos de velocidad, por ejemplo:
el tiempo de secado de los sólidos húmedos se reduce mucho aumentando su área
superficial.
La velocidad de extracción de un soluto deseado crece al aumentar el área de contacto
entre el sólido y el disolvente.
El tiempo necesario para ciertas operaciones-horneo, escaldado, etc.- se puede reducir
troceando los productos sometidos al proceso.
La mezcla íntima suele facilitarse si las partículas son de tamaño más pequeño, lo que
constituye una consideración importante en la elaboración de algunos preparados, como sopas
empaquetadas, mezcla para alimentos, harinas de cereales, entre otros.
Mejorar y agilizar la transferencia de masa de los compuestos de un producto
determinado
Diseñado por: Ing. Yeimmy Peralta.
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Secado de Granos
El secado artificial produce la principal transformación del grano en la postcosecha y a su vez es
el procedimiento que más atención requiere para no afectar la calidad de éstos. De la energía
utilizada en el proceso de producción de granos, el secado insume alrededor del 50%. Tomando
en cuenta estos dos factores, es decir calidad y consumo energético, se puede apreciar la
importancia que adquiere su correcta realización.
Los objetivos principales del secado son: reducir la humedad de cosecha de los granos y
semillas a niveles seguros para el almacenamiento y óptimos para su comercialización. El
secado se puede realizar con aire natural o con aire caliente y generalmente nos referimos a
la temperatura del aire de secado y rara vez nos referimos a la temperatura del grano. Sin
embargo, la temperatura que el grano adquiere en los procesos de secado determinará si el
mismo mantiene la calidad inicial que poseía antes de iniciado dicho proceso.
Diseñado por: Ing. Yeimmy Peralta.