introduccion a las operaciones basicas

OPERACIONES BASICAS
INTRODUCCION
En las industrias de procesos químicos y físicos, así como en las de procesos biológicos y
de alimentos, existen muchas semejanzas en cuanto a la forma en que los materiales de
entrada o de alimentación se modifican o se procesan para obtener los materiales finales,
de salida o productos. Es posible considerar estos procesos químicos, físicos o biológicos,
aparentemente diferentes, y clasificarlos en una serie de etapas individuales y diferentes
llamadas " Operaciones Unitarias", siempre y cuando las transformaciones sean a nivel
macroscópico. Estas operaciones unitarias son comunes a todos los tipos de industrias de
proceso.
Un proceso puede ser cualquier conjunto de etapas u operaciones unitarias que apliquen
modificaciones de la composición química o ciertos cambios físicos en el material que se
va a preparar, aislar, mezclar, procesar, separar o purificar.
Ya que cada una de las etapas que constituyen un proceso se encuentra sujeta a
variaciones, el encargado del proceso debe especificar también las condiciones exactas
bajo las cuales debe llevarse a cabo cada etapa.
Todo el trabajo del analista debe ser cuantitativo y por ello, la Matemática constituye una
herramienta fundamental. Los cálculos para el balance de materia, que es fundamental
para el estudio de cualquier proceso puede expresarse por lo general, con confianza y
precisión, en términos de Matemática lineal si no se consideran los procesos atómicos y
nucleares.
En los estudios económicos para determinar qué condiciones de operación son más
rentables y al contabilizar las ventas y la distribución del ingreso en costos y ganancias,
incluyendo el reemplazo de la planta, los cálculos matemáticos son universales.
CONCEPTOS BÁSICOS
EQUILIBRIO
Existe para todas las combinaciones de fases, una condición llamada "equilibrio", para la
cual el intercambio neto de "propiedades" (por lo general, masa o energía en los procesos
químicos), es igual a cero y para todas aquellas combinaciones que no se encuentren en
equilibrio, la diferencia de concentración de alguna de sus propiedades entre la que tiene
en la condición existente y la que tendría en la condición de equilibrio, constituye una
fuerza motriz o una diferencia de potencia, que tiende a alterar el sistema, haciéndolo
tender hacia el equilibrio.
PATRONES DE FLUJO
En muchos de los procesos en los que se trasfiere energía o materia de una fase a otra, es
necesario poner en contacto dos corrientes a fin de permitir que las fases tiendan al
equilibrio de energía, materia o ambas. La transferencia puede llevarse a cabo con las dos
corrientes fluyendo en la misma dirección -flujo paralelo- o por el contrario, las corrientes
pueden fluir en direcciones opuestas, - flujo a contracorriente-.
OPERACIONES CONTINUAS E INTERMITENTES
Una operación continua es aquella en la cual el equipo opera de forma continua y estable
y por lo tanto a medida que se alimenta materia prima al proceso se está obteniendo y
saliendo el producto sin que exista cambio en la cantidad de materia dentro del equipo;
una operación intermitente -discontinua o batch- es aquella en la cual se alimenta de una
sola vez la materia prima al proceso y el producto se retira igualmente de un sólo sin que
existan entradas o salidas parciales de materiales.
OPERACIONES UNITARIAS
Los procesos químicos pueden consistir en diversas secuencias de etapas, cuyos principios
son independientes del material en proceso y de las características del sistema en
particular. Algunas de las etapas consisten en reacciones químicas, mientras que otras son
cambios físicos, la versatilidad del análisis de procesos consiste en la facilidad y capacidad
para la descomposición de procesos complejos en etapas físicas individuales, las cuales
reciben el nombre de "operaciones unitarias" y hacia las reacciones químicas.
Por ejemplo, la operación unitaria conocida como destilación se usa para purificar o
separar alcohol en la industria de las bebidas así también para separar hidrocarburos en la
industria del petróleo. El secado de granos y otros alimentos es similar al secado de
maderas, precipitados filtrados y estopa de rayón.
La operación unitaria "absorción" se presenta en la absorción de oxígeno del aire en los
procesos de fermentación o en una planta de tratamiento de aguas negras, así como en la
absorción de hidrógeno gaseoso en un proceso de hidrogenación líquida de aceites.
La evaporación de soluciones salinas en la industria química es similar a la evaporación de
soluciones de azúcar en la industria alimenticia.
El flujo de hidrocarburos líquidos en refinerías de petróleo y el flujo de leche en una planta
de productos lácteos se llevan a cabo de manera semejante.
Las operaciones unitarias estudian principalmente la transferencia y los cambios de
energía, transferencia y cambios de materiales que se llevan a cabo por medios físicos así
como también por medios fisicoquímicos.
CONSIDERACIONES GENERALES
La comprensión de los principios físicos de una operación y la formulación de esos
principios en una expresión matemática, son los primeros requerimientos para la
aplicación de los principios de las operaciones unitarias. En la práctica del análisis de
procesos siempre deben incorporarse valores numéricos a fin de detener una respuesta
práctica.
CLASIFICACION DE LAS OPERACIONES UNITARIAS
1.
Flujo de fluidos. Estudia los principios que determinan el flujo y transporte de los
fluidos de un punto a otro.
2.
Transferencia de calor. Esta operación unitaria concierne a los principios que
gobiernan la acumulación y transferencia de calor y de energía de un punto a otro.
3.
Evaporación. Un caso especial de transferencia de calor, que estudia la
evaporación de un disolvente volátil (como el agua) de un soluto no volátil como la
sal o cualquier otro tipo de material en solución.
4.
Secado. Separación de líquidos volátiles, por lo general agua, de los materiales
sólidos.
5.
Destilación. Separación de los componentes de una mezcla líquida por medio de
una ebullición basada en las diferencias de presión de vapor.
6.
Absorción. En este proceso se separa un componente gaseoso de una corriente de
gases por tratamiento con un líquido.
7.
Extracción Líquido-líquido. En este caso, el soluto de una solución líquida se separa
poniéndolo en contacto con otro disolvente líquido que es relativamente
inmiscible en la solvente original y en el cual el soluto es más soluble.
8.
Lixiviación Líquida-Sólido. Consiste en el tratamiento de un sólido finamente
molida con un líquido que disuelve y extrae un soluto contenido en el sólido.
9.
Cristalización. Se refiere a la extracción de un soluto tal como la sal, de una
solución por medio de la precipitación de dicho soluto.
10.
Separaciones mecánico-físicas. Emplean la separación de sólidos, líquidos o gases
por medios mecánicos o por diferencias en sus propiedades físicas tales como la
filtración, sedimentación o reducción de tamaño, que por lo general se clasifican
como operaciones unitarias individuales.
Debido a que estas operaciones tienen ciertos principios básicos o fundamentales
comunes, también pueden clasificarse según los procesos de transporte o de
transferencia:
1.
Transferencia de Momento. Se refiere a la que se presenta en los materiales en
movimiento. Como en operaciones unitarias de flujo de fluidos, sedimentación y
mezclado.
2.
Transferencia de Calor. En este proceso fundamental se considera la transferencia
de calor de un lugar a otro, se presenta en las operaciones unitarias de
transferencia de calor, secado, evaporación, destilación y otras.
3.
Transferencia de Masa. En este caso se transfiere masa de una fase a otra fase
diferente; el mecanismo básico es el mismo ya sea que las fases sean gaseosas,
sólidas o líquidas. Este proceso incluye destilación, absorción, extracción líquidolíquido y lixiviación.
OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA
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.
Esto constituye base física de las operaciones de transferencia de masa 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. En la mayor parte de los casos, las dos fases tienen una miscibilidad limitada, de
tal forma de que en el equilibrio existen dos fases que pueden separarse una de otra.
Con frecuencia, estas fases tienen composiciones diferentes entre sí y distintas también
de la composición que tenía cada fase antes de ponerse en contacto con la otra. Como
resultado de lo anterior las cantidades relativas de cada uno de los componentes que han
sido transferidos entre las fases, son distintas, lográndose de esta forma una separación.
Bajo condiciones adecuadas, la acción repetida de poner en contacto y separarlas a
continuación puede conducir a la separación casi completa de los componentes.
PROCESOS DE SEPARACIÓN
Cuando se plantea el problema de separar los componentes que forman una mezcla
homogénea se deben de aprovechar las diferencias que existen en las propiedades de los
constituyentes que forman la mezcla para efectuar su separación. Se debe analizar las
diversas propiedades químicas y físicas de los constituyentes con el objeto de determinar
en cuales de esas propiedades se observa una mayor diferencia entre los componentes, ya
que por lo general, cuanto mayor sea la diferencia de alguna propiedad, más fácil y
económica será la separación deseada.
Las operaciones unitarias se relacionan con los procesos de separación que se basan en las
diferencias que existen en las propiedades físicas más que en las químicas. Tales procesos
dependen de la diferencia de composición que presentan las fases en equilibrio o bien la
diferencia de velocidad de transferencia de masa que tienen los constituyentes de una
mezcla.
DESTILACION
Es el proceso de separación más utilizada en la industria, también se conoce como
fraccionamiento o destilación fraccionada, la separación de los constituyentes, se basa en
las diferencias de volatilidad. En la destilación, una fase vapor se pone en contacto con
una fase líquida, trasfiriéndose masa del líquido al vapor y del vapor al líquido. Por lo
general, el líquido y el vapor contienen los mismos componentes aunque en distintas
proporciones. En forma simultanea, se transfiere masa desde el líquido por evaporación y
desde el vapor por condensación. El efecto neto es un incremento en la concentración de
los componentes más volátiles en la fase vapor y de los menos volátiles en el líquido.
La destilación se utiliza mucho para separar mezclas líquidas en componentes más o
menos puras. Debido a que la destilación implica evaporación y condensación de la
mezcla, es una operación que necesita grandes cantidades de energía.
Una gran ventaja de la destilación es que no es necesario añadir componentes a la mezcla
para efectuar la separación.
Las aplicaciones de la destilación son muy diversas. El oxígeno puro se produce por
destilación del aire previamente licuado.
Las fracciones del petróleo (gases ligeros, nafta, gasolina, queroseno, diesel, aceite
lubricante y asfalto) se obtienen por destilación del petrolero crudo.
La destilación también se utiliza en la industria de las bebidas alcohólicas para separar el
etanol de los demás productos de la fermentación de carbohidratos.
ABSORCION Y DESORCION DE GASES
La absorción de gases involucra la transferencia de un componente soluble, presente en
una fase gaseosa, hacia un líquido absorbente de baja volatilidad. La desorcion es el
proceso inverso, es decir eliminación de un componente de la fase líquida por contacto
con una fase gaseosa.
En el caso más simple de absorción de gases, no existe vaporización del líquido
absorbente y el gas contiene sólo con constituyente soluble. Por ejemplo, al poner en
contacto una mezcla de amoníaco y aire con agua líquida a temperatura ambiente, el agua
absorbe amoníaco. Este es soluble en agua, mientras que el aire es poco soluble en ella. A
su vez, el agua no se evapora en cantidades apreciables a temperatura ambiente. Como
resultado, la única masa que se transfiere es la del amoníaco que pasa de la fase gaseosa a
la líquida.
En las operaciones de absorción, es necesario añadir un componente al sistema (este es,
el líquido absorbente).
En muchos casos, el soluto deberá separarse del líquido absorbente, para lo cual se
requerirá una columna de destilación, un desabsorbedor, o, algún otro proceso de
separación.
La desorcion o agotamiento es lo opuesto a la absorción. En este caso el gas soluble se
transfiere del líquido a la fase gaseosa.
La absorción y el agotamiento se utilizan con frecuencia en la industria. El ácido clorhídrico
se produce por la absorción en agua de cloruro de hidrógeno gaseoso.
La fermentación aerobia de los sedimentos y lados de aguas negras requiere la absorción
de aire. La carbonatación de refrescos involucra la absorción de dióxido de carbono.
SEPARACIÓN POR MEMBRANA
Algunos procesos de separación involucran la transferencia de masa a través de una
membrana plástica delgada. Aunque estas operaciones tienen relativamente poca
aplicación, son promisorias para problemas especiales de separación.
*
La diálisis es un proceso de separación en el que la masa se transfiere a través de
una membrana por efecto de un gradiente de concentración que actúa como
fuerza motriz. En su mayor aplicación industrial que es la fabricación de rayón
viscoso, el NaOH se separa de una solución acuosa que también contiene
hemicelulosa. La solución fluye por un lado de la membrana, mientras que por otro
fluye agua pura. La diferencia de concentraciones entre la solución y el agua pura,
obliga al hidróxido de sodio a pasar a través de la membrana, pero la hemicelulosa
se encuentra en suspensión coloidal en la solución y es demasiado grande para
pasar a través de los poros de la membrana.
*
La electrodiálisis utiliza una diferencia de potencial eléctrica como fuerza motriz
para iones en solución. Los iones positivos pasan a través de membranas
apropiadas al sentir la atracción de la terminal negativa, mientras los iones
negativos, viajando en dirección contraria, atraviesan una membrana para llegar a
la terminal positiva. Esta se utiliza para recuperar ácido gastado.
OTROS PROCESOS DE SEPARACIÓN
Un gran número de importantes operaciones unitarias, involucra la separación de
componentes de una mezcla, pero no se acostumbra agrupar dichas operaciones con los
procesos usuales de separación.
La evaporación, cristalización y secado, se basan en la transferencia simultánea de calor y
masa. En la evaporación, se concentra una solución líquida al evaporar parte del
disolvente. La evaporación tiene muchas aplicaciones en donde quiera que sea necesario
concentrar soluciones.
Si se evapora una solución hasta alcanzar la saturación con el soluto, una evaporación
adicional o un enfriamiento, resulta en una precipitación de cristales sólidos. Esto
constituye la base física de la cristalización, una operación unitaria que se utiliza para
separar solutos de una solución. Se utiliza en la industria para la fabricación de muchas
sales inorgánicas.
La operación de secado separa a un líquido de un sólido por vaporización del líquido.
La deshumidificación separa a un vapor de una fase gaseosa mediante el enfriamiento del
gas hasta la condensación del vapor.
Las mezclas de multifases pueden separarse en dos o más fracciones mediante varias
operaciones. En este caso la mezcla de fases debe ser heterogénea. La mezcla de
partículas sólidas puede separarse en diferentes tamaños por tamizado, elutriación, criba
o clasificación. Las partículas sólidas pueden separarse de líquidos por filtración,
centrifugación o sedimentación.
Las fases líquidas inmiscibles también pueden separarse por centrifugación.