Operaciones Unitarias - Definición, Clasificación y Aplicación en la Industria.
OPERACIONES UNITARIAS
¿Qué son?
Es la expresión más sencilla e indivisible de un proceso de transformación de un producto en la industria, puede ser físico, químico, biológico o mecánico.
Definiciones según Autores.
Según Christie J. Geankoplis:
“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 fisicoquímico”.
Según Amanda Rojas:
“Una operación unitaria se define como un área del proceso o equipo donde se incorporan materiales, insumos o materias primas y ocurre una función determinada ya sean actividades básicas que forman parte del proceso”.
Warren L. McCabe, Julian C. Smith y Peter Harriott
definen a las operaciones unitarias como:
“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.”
Clasificación de las operaciones unitarias.
El
conjunto de operaciones unitarias se clasifica según la propiedad que se
transfiera en la operación y sea más relevante en la misma. Las operaciones
unitarias se clasifican en tres grupos que son:
- Transferencia de momento lineal.
- Transferencia de calor.
- Transferencia de masas.
- Transferencia de movimiento lineal.
q Flujo de fluidos.
Estudia los principios que determinan el flujo y
transporte de cualquier fluido de un punto a otro.
Ejemplos: en la elaboración de cervezas y la refinería de
petróleo.
- q Sedimentación.
La
remoción por efecto gravitacional de las partículas en suspensión presentes en
el agua
Ejemplos: Tratamiento de aguas residuales, arrecifes geológicos y la potabilización.
- q Mezclado.
Es
una operación durante el cual se efectúa una combinación uniforme de dos o más
componentes.
Ejemplos: manufactura del pan, pastas y productos de chocolates.
2.
Transferencia de calor.
En este proceso fundamental se considera como tal a la transferencia de calor que pasa de un lugar a otro. Se clasifica en:
- Evaporación
Este
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.
Ejemplos:
Agua desalinizada, concentración de leche.
- q Secado.
Separación
de líquidos volátiles casi siempre agua de los materiales sólidos.
Ejemplos:
Eliminación de bacterias, hongos y levaduras.
- q Destilación.
Separación
de los componentes de una mezcla líquida por medio de la ebullición basada en
las diferencias de presión de vapor.
Ejemplos:
Petróleo, solventes y licores.
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. Su clasificación es:
- q Absorción.
En
este proceso se separa un componente gaseoso de una corriente por tratamiento
con un líquido.
Ejemplo:
Eliminación de gases ácidos de corrientes.
- q 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.
- q 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.
Ejemplo:
Petróleo, lixiviados de minerales y la extracción de aceites.
- q 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.
Ejemplos:
concentración y deshidratación de la arcilla, clarificación del jugo y en la
manufactura de ingredientes lácteos.
- q Adsorción.
En
este proceso, un componente de una corriente líquida o gaseosa es retirado y
adsorbido por un adsorbente sólido.
Ejemplos:
Secar solventes, olores y gases.
Se
refiere a la extracción de un soluto, como la sal, de una solución por
precipitación de dicho soluto.
Ejemplo:
Obtención de los cristales y purificadores de productos.
- q 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.
Ejemplos:
elaboración
del café, elaboración de fármacos y secado, lavado de materiales.
Campos de Aplicación de las Operaciones Unitarias en la Industria
La industria de la producción masiva cada vez es
más exigente, cada día se fabrican productos de consumo continuo en mayor
volumen ya que las demandas de estos con mayores, muchos de los procesos usan
calderas para la generación de calor para una gran diversidad de aplicaciones
que se aprovechan en diferentes tipos de industria.
Campos de Aplicación:
Destilación.
La destilación es una de las operaciones unitarias más empleadas en la industria química, petroquímica, alimentaría, farmacéutica y cosmética, para la separación de los componentes que forman mezclas líquidas miscibles. Es altamente usada en la Industria Alimentaria como una operación de transferencia de masa.
Las
grandes industrias consumen un volumen de agua potable muy grande para sus
respectivos procesos de producción y esta queda contaminada al finalizarlos. En
este aspecto, la utilización de evaporadores industriales es un recurso mucho
más rentable económicamente que estar comprando agua de continuo.
La
aplicación industrial de la evaporación desempeña un papel fundamental en la
industria alimentaria debido a que es un sector que produce muchos residuos que
se mezclan con el agua y son difíciles de eliminar. Los evaporadores permiten
separar el alpechín de la producción de aceite o las salmueras para poder hacer
un nuevo uso del líquido.
La evaporación es
una de las operaciones unitarias más importantes de la ingeniería química. Esta
técnica se emplea en diferentes industrias, especialmente para la concentración
de sustancias (soluciones acuosas de azúcar, cloruro de sodio, hidróxido de sodio,
glicerina o jugos de frutas).
El proceso
consiste en la adición de calor a una solución para evaporar el disolvente, que
generalmente es agua o un compuesto orgánico. En la mayoría de los casos la
solución concentrada es el producto deseado y el solvente (agua) evaporado
suele desecharse.
Secado.
El secado es una
de las técnicas más antiguas, utilizadas en la conservación de alimentos, que
consiste en eliminar el agua de un alimento, impidiendo así el crecimiento
microbiano y retardando o inhibiendo las reacciones enzimáticas. Dentro de la
industria el secado de usa para:
Obtención de la
leche en polvo, Deshidratación del zumo de frutas, secado de granos a 35% de
humedad, secado de harina de maíz para quitarle la humedad, secado de granos de
café y plantas medicinales.
Cristalización.
La cristalización
es una unidad básica de operación muy extendida, que se utiliza básicamente
para producir y purificar productos sólidos, en la industria química, química
fina, alimentación, minería, etc. El sólido formado puede llegar a ser muy
puro, por lo que la cristalización también se emplea a nivel industrial como
proceso de purificación. La cristalización de sal, o tratamiento de salmueras,
es un proceso muy habitual en procesos industriales que generan aguas
residuales.
Absorción.
Como aplicaciones
de la absorción pueden citarse la elimina-ción de gases, de los gases de
chime-nea mediante distintas corrientes (agua a presión, solución de NaOH,o
soluciones de etanolaminas),la separación de hidro-carburos aromáticos
(benceno,tolueno y xileno) de los gases de coquería mediante aceites minerales,
el secado del cloro mediante la absorción del agua con ácido sulfúrico
concentrado.
Adsorción.
Las aplicaciones en las
industrias son: la absorción del amoniaco, eliminación de gases ácidos como
dióxido de carbono, hidrógeno de sulfuro y dióxido de azufre.
Conclusiones
Ø Las
operaciones unitarias tienen como objetivo transformar las condiciones de una
determinada cantidad de materia en modo más útil a nuestros fines.
Ø Sus procesos
pueden ejecutarse de distintas formas ya sea modificando su masa o cuerpo
modificando la calidad de la energía que posee el cuerpo en cuestión, ya sea
por enfriamiento, vaporización, aumento de presión; modificando las condiciones
relativas
Ø Las
operaciones más comunes se producen en reactores, intercambiadores de calor,
bombas, mezcladores y separadores y en cada proceso u operación unitaria se
cambian de una determinada cantidad de materia.
Ø Se clasifican
de acuerdo con las propiedades (materia, energía, cantidad de movimiento) que
se transfiera en la operación y sea la más relevante en la misma por otra parte
también se llama operación unitaria a una parte indivisible de cualquier
proceso de transformación donde hay un intercambio de energía del tipo de
físico, de una materia prima en otro producto de características diferentes.
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Vídeo Explicativo:
