Las operaciones unitarias.
Definiciones de las operaciones unitarias
Según
Warren L. McCabe, Julian C. Smith y Peter Harriott:
Un método muy conveniente para organizar la materia de estudio que abarca la
ingeniería química se basa en dos hechos: 1) aunque el número de procesos
individuales es grande, cada uno puede ser fragmentado en una serie de etapas,
denominadas operaciones, que se repiten a lo largo de los diferentes procesos;
2)
las operaciones individuales tienen técnicas comunes y se basan en los mismos
principios científicos. Por ejemplo, en la mayoría de los procesos es preciso
mover los sólidos y los fluidos; transferir calor u otras formas de energía de
una sustancia a otra, y realizar operaciones como el secado, reducción del
tamaño, destilación y evaporación. El concepto de operación unitaria es el
siguiente: mediante el estudio sistemático de estas operaciones en sí mismos
—operaciones que evidentemente constituyen la trama de la industria y las
líneas de producción— se unifica y simplifica el tratamiento de todos los
procesos. Los aspectos estrictamente químicos de los procesos, se estudian en
un área compatible de la ingeniería química llamada cinética de la reacción.
Las operaciones unitarias se utilizan ampliamente para realizar las etapas
físicas fundamentales de la preparación de reactantes, separación y
purificación de productos, recirculación de los reactantes no convertidos, y
para controlar la transferencia de energía hacia o desde el reactor químico.
Las
operaciones unitarias son igualmente aplicables a procesos físicos y químicos.
Por ejemplo, la fabricación de sal común consta de la siguiente serie de
operaciones básicas: transporte de sólidos y líquidos, transmisión de calor,
evaporación, cristalización, secado y tamizado. En este caso no intervienen
reacciones químicas. Por otra parte, el cracking de petróleo, con o sin
catalizadores, es una típica reacción química realizada a gran escala. También
aquí las operaciones unitarias -transporte de sólidos y fluidos, destilación y
diversas separaciones mecánicas- son de una importancia vital y la reacción de
cracking no podría realizarse sin ellas. Las etapas estrictamente químicas se
llevan a cabo controlando el flujo de materia y energía hacia y desde la zona
de reacción.
Según
Christie J. Geankoplis: 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 productos químicos o biológicos. Es posible considerar
estos procesos químicos, físicos o biológicos, aparentemente distintos, y
clasificarlos en una serie de etapas individuales y diferentes llamadas
operaciones unitarias. Estas operaciones unitarias son comunes a todos los
tipos de industrias de proceso. Por ejemplo, la operación unitaria conocida
como destilación se usa para purificar o separar alcohol en la industria de las
bebidas y también para separar los hidrocarburos en la industria del petróleo.
Las
operaciones unitarias estudian principalmente la transferencia y los cambios de
energía, la transferencia y los cambios de materiales que se llevan a cabo por
medios físicos, pero también por medios fisicoquímicos. A continuación se
describen las operaciones unitarias importantes que se cubren en este libro, y
que corresponden a aquellas que se pueden combinar en diversas secuencias en un
proceso.
Clasificación de las operaciones unitarias.
- Flujo
de fluidos. Estudia los principios que determinan el flujo y transporte de
cualquier fluido de un punto a otro. Se denomina flujo al movimiento que hacen las partículas que constituyen un fluido.
- Transferencia de calor. Esta operación
unitaria concierne a los principios que gobiernan la acumulación y
transferencia de calor y de energía de un lugar a otro.
- Evaporación.
Éste es 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.
- Secado.
Separación de líquidos volátiles casi siempre agua de los materiales sólidos. Las operaciones para separar los componentes de una mezcla son: Decantación, Filtración, Vaporización, Destilación.
- Destilación.
Separación de los componentes de una mezcla líquida por medio de la ebullición
basada en las diferencias de presión de vapor.
- Absorción. En este proceso se separa un
componente gaseoso de una corriente por tratamiento con un líquido. Es una operación unitaria de transferencia de masa gas-liquido en el cual los componentes solubles de la mezcla gaseosa son transferida a un solvente liquido.
- Separación de membrana. Este proceso implica
separar un soluto de un fluido mediante la difusión de este soluto de un
líquido o gas, a través de la barrera de una membrana semipermeable, a otro
fluido.
- 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 solución.
- Adsorción.
En este proceso, un componente de una corriente líquida o gaseosa es retirado y
adsorbido por un adsorbente sólido. (Extracción de humedad, purificación de agua, tratamiento de aguas residuales)
- Lixiviación líquido-sólido. Consiste en el
tratamiento de un sólido finamente molido con un líquido que disuelve y extrae
un soluto contenido en el sólido.
- Cristalización.
Se refiere a la extracción de un soluto, como la sal, de una solución por
precipitación de dicho soluto. Ejemplo de cristalización natural: Formación de copos de nieve, Ejemplo de cristalización artificial: Producción de gemas sintéticas.
- Separaciones físico-mecánicas. Implica la
separación de sólidos, líquidos o gases por medios mecánicos, tales como
filtración, sedimentación o reducción de tamaño, que por lo general se
clasifican como operaciones unitarias individuales.
Muchas
de estas operaciones unitarias tienen ciertos principios básicos o
fundamentales comunes. Por ejemplo, el mecanismo de difusión o de transferencia
de masa se presenta en el secado, absorción, destilación y cristalización. La
transferencia de calor es común al secado, la destilación, la evaporación, etc.
Por lo tanto, es conveniente establecer la siguiente clasificación más
fundamental de los procesos de transporte o de transferencia.
Campo de aplicación en las industrias de las operaciones unitarias.
El
número de los diferentes productos alimenticios, de las operaciones y los
procedimientos relacionados con su producción es, en verdad, más grande. Es
más: cada fabricante de un producto determinado introduce en los métodos y el
equipo innovaciones que difieren de la tecnología tradicional y establecida
para ese producto; así, los procesos están en un estado de evolución
constantes.
El procesamiento de los alimentos es la selección y combinación de las operaciones unitarias para formar procesos unitarios y procesos totales más complejos.
Destilación: Corresponde a la separación de una mescla liquida basada en diferente de volatilidad. La operación puedes ser principalmente simple, súbita o extractiva. Se utilizan columnas de rellano y su campo de aplicación en el petróleo, solvente, licores, etc.
Absorción: La absorción es una operación de separación que consiste en la transferencia de uno o más componentes minoritarios de una corriente gaseosa a una corriente liquida, llamada disolvente.
Con
el objetivo de esta operación suele ser purificar una corriente gaseosa para su
procesamiento posteríos o su emisión a la atmosfera.
Extracción:
Es la extracción de un sólido, liquido, operación para separar los
constituyentes solubles de un sólido inerte con un solvente. La extracción
solido-liquido tiene gran importancia en un gran número de procesos
industriales.
En una industria petrolera para separar alimentaciones líquidas en función de su naturaleza química. Como ejemplo se tiene la separación entre hidrocarburos aromáticos, alifáticos y nafténicos.
Cristalización: La Cristalización es un proceso industrial en donde se forman partículas sólidas (cristales) a partir de una fase homogénea (que puede ser gas o líquida), pasando el sistema de un estado de desequilibrio al estado de equilibrio. impurezas/purificar productos. Ejemplo.
Cristalización del azúcar. La sacarosa y otros edulcorantes cuya presentación comercial es en cristales para ser disueltos en las bebidas, han atravesado un proceso de cristalización a partir del jarabe dulce del que se obtienen. Luego la mezcla es centrifugada para separar los cristales de la miel. El azúcar “rubia” o “morena”, no blanca, es justamente azúcar en su primera etapa de cristalización (sin refinar).
Secado: El secado es un método de conservación de alimentos, consistente en extraer el agua de estos, lo que inhibe la proliferación de microorganismos y dificulta la putrefacción.
El
azúcar húmedo se transporta por elevadores y bandas para alimentar las secadoras
que son elevadores rotatorios en los cuales el azúcar se coloca en contacto con
el aire caliente que entra en contracorriente.
