Operaciones unitarias

Operaciones unitarias
La industria comprende múltiples actividades propias de cada rama particular y debe entenderse
como un sistema complejo de procesos que al operar utiliza innumerables materias primas y genera,
en consecuencia, gran variedad de residuos.
Cualquier proceso de transformación, separación o purificación puede ser dividido en lo que la
ingeniería denomina operaciones y procesos unitarios.
Tales operaciones y procesos unitarios se insertan en diferentes procesos industriales manteniendo
sus principios básicos, aunque su dinámica y la corriente de materiales varíen en cada proceso. La
caracterización de los procesos y operaciones unitarias permite entender, entre otras cosas, la lógica
de la generación de residuos de manera integrada a los procesos industriales.
Las operaciones unitarias son una parte del proceso en la cual ocurren cambios puramente físicos.
Por ejemplo: en la obtención de etanol, la destilación representa una operación unitaria de todo
el proceso.
Las operaciones unitarias se basan en la transferencia de calor, transferencia de masa, transferencia
de fluidos, transferencia de la cantidad de movimiento, operaciones con sólidos.
1. Operaciones unitarias basadas en la transferencia de masa.
Difusión
Concepto
Se da por una gradiente de concentración cuando un componente individual se mueve
a una segunda mezcla que está en contacto con la primera bajo una influencia de un
estímulo físico.
Tipos
Osmosis: es el paso del solvente a través de una membrana semipermeable de una
solución diluida a una solución más concentrada.
Diálisis: en este proceso del solvente pasa de la solución más concentrada atravesando
la membrana semipermeable para diluirse en la menos concentrada.
Aplicaciones.
La difusión tiene varias aplicaciones en la industria, como la obtención de agua
ultrapura, la concentración de proteínas de la leche para fabricar queso, recuperación
de aceites esenciales, recuperación de productos bioquímicos, tratamiento de aguas
residuales. La osmosis inversa se utiliza en la desalinización del agua.
Ilustración de los procesos de difusión.
2. Humidificación.
Concepto
Consiste en aumentar la cantidad de vapor de una corriente gaseosa; este aumento se
da cuando el gas pasa por el interior de una corriente de líquido que se evapora y en
cuya interface se da una transferencia simultanea de calor y masa.
Aplicaciones
La humidificación se aplica principalmente para el acondicionamiento de corriente
gaseosa, lo cual permite diseñar sistemas de aire acondicionado para conservar
alimentos frescos para secaderos de cereales y para torres de enfriamiento.
3. Secado.
Concepto
Separar pequeñas cantidades de agua u otro líquido de un material solido con el fin de
reducir el contenido de líquido residual hasta un valor aceptable. Los objetivos del
secado son: facilitar el manejo posterior, reducir costes de transporte, aumentar la
capacidad de los aparatos, proteger los productos hasta su uso.
Aplicaciones
En la industria de la fabricación de muebles, la madera debe tener un porcentaje de
humedad para comenzar a trabajarla. En la industria agroalimentaria siempre se debe
conseguir un porcentaje de humedad menor al 5% y así lograr que los microorganismos
no se reproduzcan y que los alimentos conserven sus propiedades.
4. Destilación
Concepto
Es separar mediante vaporización y condensación en los diferentes componentes
líquidos, solidos disueltos en líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los
diferentes puntos de ebullición de cada una de las sustancias.
Tipos
Destilación simple: Consiste en la vaporización parcial de una mezcla produciendo un
vapor más rico en componentes volátiles que la inicial, quedando lógicamente un
residuo más rico en los componentes menos volátiles.
Destilación al vacío: consiste en disminuir la presión en el montaje de destilación con
la finalidad de provocar una disminución del punto de ebullición del componente que
se pretende destilar. Se utiliza fundamentalmente cuando el punto de ebullición del
compuesto a destilar es superior a la temperatura de descomposición química del
producto. Para llevar a cabo este tipo de destilación es necesario un sistema de vacío y
un adaptador de vacío.
Destilación fraccionada: se emplea cuando es necesario separar soluciones de
sustancias con puntos de ebullición distintos pero cercanos. La principal diferencia que
tiene con la destilación simple es el uso de una columna de fraccionamiento. Esta
permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden con el líquido condensado
que asciende, por la utilización de diferentes platos.
Destilación por arrastre de vapor: es una técnica de destilación que permite la
separación de sustancias insolubles en H2O y ligeramente volátiles de otros productos
no volátiles. A la mezcla que contiene el producto que se pretende separar, se le
adiciona un exceso de agua, y el conjunto se somete a destilación.
En la matraz de destilación se recuperan los compuestos no volátiles y/o solubles en
agua caliente y en el matraz colector se obtienen los compuestos volátiles e insoluble
en agua.
Aplicaciones
La destilación es una de las operaciones unitarias más utilizadas en la industria, se
emplea para la destilación de bebidas alcohólicas, obtención de alcoholes puros,
desalinizar agua, refinamiento de petróleo en el que se obtienen naftas, gasolina,
aceites lubricantes, querosén y gases ligeros, recuperación de aceites esenciales.
Destilación simple
Destilación al vacío
Destilación por arrastre de vapor.
Destilación fraccionada del petróleo.
5. Separación de Mezclas Heterogéneas
5. Reducción de tamaño
Es la operación unitaria en la que el tamaño medio de los sólidos es reducido por la aplicación de
fuerzas de impacto, compresión, cizalla (abrasión) o cortado. La compresión se usa para reducir
sólidos duros a tamaños más o menos grandes; el impacto produce tamaños gruesos, medianos y
finos; la frotación o cizalla, produce
partículas finas y el cortado se usa para obtener tamaños prefijados (véase figura 7.5).
La reducción de tamaño es muy importante en la industria por las siguientes razones:
1. Facilita la extracción de un constituyente deseado que esté inserto en la estructura del sólido (por
ejemplo, la obtención de harina a partir de granos y de jarabe de la caña de azúcar).
2. Es posible obtener partículas de tamaño determinado cumpliendo con un requerimiento
específico (por ejemplo, el azúcar para los helados, la preparación de especias y el refinamiento del
chocolate).
3. Provoca un aumento de la relación superficie-volumen al incrementar la velocidad de
calentamiento o de enfriamiento, la de extracción de un soluto deseado y más.
4. Si el tamaño de las partículas de los productos que se mezclarán es homogéneo y de tamaño más
pequeño que el original, la mezcla se realiza de manera más fácil y rápida (como sucede en la
producción de formulaciones, sopas empaquetadas, mezclas dulces,entre otros).
PROCESOS UNITARIOS
Los procesos unitarios son tratamientos en los cuales las transformaciones se producen mediante
reacciones químicas genéricas, lo que significa que existe una ecuación química que representa el
proceso. Por ejemplo, la neutralización indica que siempre que se haga reaccionar un ácido con una
base se producirán una sal y agua, sin que se especifique de qué ácido, base y sal se trate.
Debido a que los procesos unitarios son representados por reacciones químicas, conviene recordar
que las reacciones químicas se conforman por reactivos y productos y dependiendo de ellos será el
proceso al que se refiera. En los balances de estos procesos está involucrada la estequiometría de
la reacción, ya que ésta cuantifica las materias primas (reactivos) y los productos en una reacción.