Estefany Cortes Mendoza12090294Ing. BioqumicaResumen:Capitulo I y II del Libro Principios de operaciones unitarias OPERACIONES UNITARIAS EN LA INGENIERIA QUMICA La ingeniera qumica se define como la aplicacin de los principios de las ciencias fsicas junto con los principios de economa y relaciones humanas, a campos que ataen en forma directa a los procesos y equipo de proceso en los cuales se trata la materia con el fin de modificar su estado, contenido de energa o composicin.El trabajo de muchos ingenieros qumicos debera ser llamado ingeniera de procesos. El proceso puede ser cualquier conjunto de etapas que impliquen modificaciones de la composicin qumica o ciertos cambios fsicos en el material que se va a preparar procesar separar o purificar. A medida de que el proceso avanza los ingenieros bioquimicos deben complementar su trabajo con ayuda de otras ingenierias.El creciente uso de la termodinmica de dinmica de fluidos y las tcnicas matemticas tales como probabilidad y estadstica, manejo de matrices y variables complejas, es caracterstico de la prctica moderna de la ingeniera qumica. Con frecuencia, es necesario aplicar los principios de fsica y la fsicoqumica en las etapas de procesos que involucran cambios fsicos tales como vaporizacin, condensacin o cristalizacin. Todo trabajo del ingeniero debe ser cuantitativo y por ello las matemticas consiste en una herramienta fundamental de la ingeniera.CONCEPTOS BASICOSSe le llama equilibrio cuando el intercambio neto de propiedades( por lo general masa y energa en los procesos qumicos) es igual a cero. Por lo tanto dos cuerpos que tengan el mismo potencial elctrico con la misma temperatura estarn en equilibrio.FUERA MOTRIZPara todas aquellas combinaciones que no se encuentran un equilibrio, la diferencia de concentracin de algunas propiedades entre las que tienen en la condicin existentes y la que tendr en la condicin equilibrio, constituy una fuerza motriz. Cuando se ponen en contacto dos sustancias se observa una tendencia a cambio que conduce a la condicin del equilibrio. La diferencia entre la condicin existente y la condicin de equilibrio es la fuerza motriz.Al comparar la concentracin de una sustancia o mexcla existente con la cncentracin en la condicin de equilibrio, se genera una fuerza motriz, la cual tiende a cambiar las condiciones del sistema, dirigindolo hacia el equilibrio.SEPARACIONESLa separacin de una solucin o de alguna otra mezcla fisicamente homognea, requiere de una transferencia de un constituyente a una segunda fase que pueda separarse por medios fsicos de la mezcla residual.Dos fases slidas pueden ser muy difciles de separar; un lquido y un gas, o un slido, por lo general puede separarse sin dificultad; dos lquidos que tengan una densidad parecida y no presenten tensin interfacial, resisten prcticamente cualquier forma de separacin que no altere alguna de las fases.PATRONES DE FLUJOEn muchas de las operaciones en las que no se transfiere energa 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 energa, materia o ambas. La transferencia puede llevarse a cabo con las dos corrientes fluyendo en la misma direccin (flujo en paralelo). Si se usa flujo en paralelo, la cantidad que puede transferirse esta limitada por las condiciones de equilibrio que se alcanzarn entre las dos corrientes que se encuentran en contacto. Si, por el contrario, las corrientes fluyen en direcciones opuestas, es posible alcanzar una transferencia de mayores cantidades de materia o energa. Este patrn de flujo se conoce como flujo a contracorriente.El principio del flujo a contracorriente se utiliza en muchas operaciones de ingeniera qumica a fin de permitir una mayor transferencia de una propiedad que la que se tendra en el equilibrio entre las dos corrientes de salida. OPERACIONES CONTINUAS E INTERMITENTESEn la mayor parte de las operaciones de procesos qumicos, resulta ms econmico mantener una operacin continua y estable del equipo, con un mnimo de alteraciones y paros. Debido a que la operacin contina del equipo representa una mayor productividad y por ello menores costos unitarios, es con frecuencia ventajoso operar el equipo constantemente.Cuando se van a procesar pequeas cantidades de material, con frecuencia resulta ms conveniente cargar la cantidad total de material al equipo, procesarlo y retirar los productos. Esto se conoce con el nombre de operacin intermitente. Una operacin que vara con el tiempo recibe el nombre de transitoria o estado inestable, en contraste con la operacin conocida como estado estable, en el cual las condiciones no varan con el tiempo.En las operaciones intermitentes casi todo el ciclo es un arranque y paro transitorios. En una operacin continua, el tiempo durante el cual existe un arranque transitorio puede ser extremadamente pequeo en comparacin con la operacin en estado estable.OPERACIONES UNITARIAS La versatilidad de la ingeniera qumica se origina en el entrenamiento prctico de la descomposicin de procesos complejos en etapas fsicas individuales, las cuales reciben el nombre de operaciones unitarias,Cualquier proceso qumico, sin importar la escala, puede resolverse en una serie coordinada de lo que puede llamarse "acciones unitarias", como pulverizacin, mezclado, calentamiento, calcinacin, absorcin, condensacin, lixiviacin, precipitacin, cristalizacin, filtracin, disolucin, electrlisis, etc.INTEGRACION DE LAS OPERACIONES UNITARIASLa presentacin tradicional de las operaciones unitarias se compone de una coleccin de informacin terica y prctica sobre cada operacin unitaria, en forma de paquete.ANLISIS DE LAS OPERACIONES UNITARIASUna operacin unitaria puede analizarse utilizando un modelo fsico simple que reproduce la accin de la operacin; considerando el equipo empleado para la operacin; o bien empleando primero una expresin matemtica que describe la accin y la cual se ratifica con datos experimentales del proceso.El modelo fsico se establece mediante un estudio cuidadoso del mecanismo fsico bsico. Entonces el modelo se aplica a una situacin real, ya sea mediante una expresin matemtica o por un medio de una descripcin fsica.MODELOS FSICOS IMPORTANTES Un modelo que encuentra gran aplicacin en las operaciones unitarias, consiste en un dispositivo en el que se ponen en contacto dos corrientes o fases, permitiendo que se alcance el equilibrio, antes de separarse y extraerse. En otro modelo factible para la transferencia de una propiedad entre dos corrientes, se toman en cuenta los conductores de la propiedad, se evalan su nmero y velocidad de migracin y se llega a una expresin de Ia velocidad de transferencia entre dos corrientes, en un equipo de contacto. Esta velocidad de transferencia, multiplicada por el tiempo de contacto, da lugar a una expresin para cuantificar la transferencia alcanzada.OPERACIONES EN ETAPASEl modelo es un dispositivo al cual entran dos corrientes que interactan para alcanzar el equilibrio al salir de la etapa. Este modelo se conoce como etapa de equilibrio y se supone que siempre da lugar a la formacin de dos corrientes de producto que se encuentran en equilibrio. El tratamiento generalizado no requiere una especificacin de la propiedad que se transfiere ni de la naturaleza de las fases puestas en contacto.LAS OPERACIONES DE VELOCIDAD Las operaciones unitarias que involucran un contacto continuo, dependen de la velocidad de transferencia y por ello, reciben el nombre de operaciones de velocidad.La ecuacin de difusin, expresa el comportamiento transitorio de un gran nmero de propiedades, bajo la influencia de una fuerza motriz, para el transporte de la propiedad.

OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA Cuando se ponen en contacto dos fases que tienen diferente composicin es posible que ocurra la transferencia de algunos de los componentes presentes de una fase hacia la otra y viceversa. Esto constituye la base fsica de las operaciones de transferencia de masa. Si se permite que estas dos fases permanezcan en contacto durante un tiempo suficiente, se alcanzar una condicin de equilibrio bajo la cual no habr ya transferencia neta de componentes entre las fases.Cuando se plantea el problema de separar los componentes que forman una mezcla homognea, el ingeniero aprovecha las diferencias que existen en las propiedades de los constituyentes que forman la mezcla para efectuar su separacin. Se analizan las diversas propiedades qumicas y fsicas de los constituyentes, con el objeto de determinar en cules de esas propiedades se observa una mayor diferencia entre los componentes ya que por lo general, cuanto mayor sea la diferencia de alguna propiedad, ms fcil y econmica ser la separacin deseada.Las operaciones unitarias se relacionan con los procesos de separacin que se basan en las diferencias que existen en las propiedades fsicas, ms que en las qumicas.DESTILACINConocida como fraccionamiento o destilacin fraccionada. La separacin de los constituyentes se basa en las diferencias de volatilidad. En la destilacin, una fase vapor se pone en contacto con una fase lquido, transfirindose masa del lquido al vapor y del vapor al lquido. El lquido se encuentra a su temperatura de burbuja, mientras que el vapor en equilibrio est a su temperatura de roco. El efecto neto es un incremento en la concentracin de los componentes ms voltiles en la fase vapor y de los menos voltiles en el lquido.Debido a que la destilacin implica evaporacin y condensacin de la mezcla, es una operacin que necesita grandes cantidades de energa. Una gran ventaja de la destilacin es que no es necesario aadir componente a la mezcla para efectuar la separacin.ABSORCIN Y DESORCIN DE GASES La absorcin de gases involucra la transferencia de un componente soluble, presente en una fase gaseosa, hacia un lquido absorbente de baja volatilidad. La desorcin es el proceso inverso, es decir, eliminacin de un componente de la fase lquida por contacto con una fase gaseosa.En los equipos de absorcin, el lquido absorbente se encuentra a una temperatura inferior a su punto de burbuja, mientras que la fase gaseosa est muy por encima de su temperatura de roco.La desorcin o agotamiento, es lo opuesto a la absorcin. En este caso el gas soluble se transfiere del lquido a la fase gaseosa, debido a que la concentracin en el lquido es mayor que la correspondiente al equilibrio con el gas. Tanto la absorcin como el agotamiento se llevan a cabo en equipo de etapas mltiples y en menor grado, en equipo de contacto continuo.EXTRACCIN LQUIDO-LQUIDO En algunas ocasiones, una mezcla lquida puede separarse por cantata con un segundo disolvente lquido. La mezcla inicial se convierte en el refinado a medida que se agota en el soluto. La extraccin lquido-lquido tambin se conoce como extraccin con disolvente.La separacin de un componente de una solucin homognea se lleva a cabo mediante la adicin de otro constituyente insoluble; el disolvente, en el que el constituyente que se desea extraer de la solucin, llamado soluto, es preferencialmente soluble y hacia el cual se difundir a una velocidad caracterstica, hasta que se logren en ambas fases las concentraciones de equilibrio del soluto.La extraccin con disolvente se utiliza para eliminar componentes indeseables del aceite lubricante y otras fracciones de petrleo crudo, para separar al niobio del tantalio, para producir cido fosfrico concentrado y muchas otras aplicaciones.EXTRACCIN SLIDO-LQUIDO Los componentes de una fase slida pueden separarse por disolucin selectiva de la parte soluble de un slido con un disolvente adecuado. Esta operacin se conoce tambin como lixiviacin o lavado. El slido debe estar finamente dividido para que el disolvente lquido pueda hacer un contacto ms completo.La extraccin slido-lquido tambin se utiliza en la industria para la produccin de caf instantneo con el fin de extraer el caf soluble del grano. Otras aplicaciones industriales incluyen la extraccin de aceite de soya entre otras.ADSORCIN La adsorcin implica la transferencia de un constituyente de un fluido a la superficie de una fase slida. Para completar la separacin, el constituyente adsorbido debe separase del slido. La fase fluida puede ser un gas o un lquido. Estrictamente hablando, el trmino adsorbente se aplica a un slido que retiene al soluto en su superficie por la accin de fuerzas fsicas.Existen diversos tipos de adsorbentes como las mallas moleculares son adsorbentes sintticos especiales para separar mezclas por diferencias del tamao, polaridad o saturacin de enlaces carbono de las molculas.Los procesos que retienen solutos en slidos por diferentes medios, estn muy relacionados con la adsorcin. Uno de dichos procesos es el de intercambio inico, donde el soluto se retiene por el efecto de una reaccin qumica con la resina slida de intercambio inico. La formacin de clatratos es un fenmeno fsico que se aplica para separar mezclas con base en su forma molecular. El clatrato slido atrae y retiene a las molculas que tienen una forma molecular determinada.Las operaciones de transferencia de masa que implican la transferencia hacia una fase slida, se conocen tambin como procesos de absorcin e incluyen a todos los tipos de fuerzas de atraccin de los slidos. Es posible separar una mezcla de varios solutos adsorbibles utilizando un lecho fijo de adsorbente. Este proceso de separacin recibe el nombre de cromatografa. La separacin por cromatografa es un mtodo de anlisis qumico para muestras pequeas.SEPARACIONES POR MEMBRANA Algunos procesos de separacin involucran la transferencia de masa a travs de una membrana plstica delgada. La dilisis es un proceso de separacin en el que la masa se transfiere a travs de una membrana por efecto de un gradiente de concentracin, que acta como fuerza motriz. La solucin fluye por un lado de la membrana, mientras que por el otro fluye agua pura. La diferencia de concentraciones entre la solucin y el agua pura, obliga al hidrxido de sodio a pasar a travs de la membrana, pero la hemicelulosa se encuentra en suspensin coloidal en la solucin y es demasiado grande para pasar a travs de los poros de la membrana. La dilisis tambin se utiliza para recuperar cido sulfrico de aguas de desecho en las refineras de cobre, as como en la purificacin de sangre en riones artificiales. La electrodilisis utiliza una diferencia de potencial elctrico como fuerza motriz, para iones en solucin (5). Los iones positivos pasan a travs de membranas apropiadas al sentir la atraccin de la terminal negativa, mientras que los iones negativos, viajando en direccin contraria, atraviesan una membrana para llegar a la terminal positiva. De esta forma, pueden eliminarse tanto los iones positivos como los negativos.La electrodilisis se utiliza para recuperar cido gastado y para eliminar la sal del agua de pozos salobres. Tambin puede llegar a ser til en la purificacin de agua de mar, si se reducen los costos de las membranas y la energa. Tanto la dilisis como la electrodilisis implican la transferencia de masa a travs de una membrana, de una fase a una segunda fase. El uso de una membrana permite "filtrar" soluciones homogneas que no podran separarse con un filtro ordinario. Por esta razn, se le da el nombre de ultrafiltracin. La presin que se aplica debe exceder a la presin osmtica; en algunas ocasiones, tambin se le llama smosis inversa a este proceso. La difusin gaseosa es un proceso de separacin que hace recordar a la ultrafiltracin, aunque el mecanismo fsico es diferente. En la difusin gaseosa, se fuerza el paso de una mezcla gaseosa a travs de una barrera metlica porosa.OTROS PROCESOS DE SEPARACINLa evaporacin, cristalizacin y secado, se basan en la transferencia simultnea de calor y masa. En la evaporacin, se concentra una solucin lquida al evaporar parte del disolvente. Si se evapora una solucin hasta alcanzar la saturacin con el soluto, una evaporacin adicional o un enfriamiento, resulta en una precipitacin de cristales slidos. Esto constituye la base fsica de la cristalizacin, una operacin unitaria que se utiliza para separar solutos de una solucin.La operacin de secado, separa un lquido de un slido por vaporizacin del lquido. Esta importante operacin unitaria se estudia en el Cap. 18. La deshumidificacin separa un vapor de una fase gaseosa, mediante el enfriamiento del gas hasta la condensacin del vapor. Esta operacin de transferencia de masa es la base para el acondicionamiento de aire.Las mezclas de multifases pueden separarse en dos o ms fracciones mediante varias operaciones.Las mezclas de partculas slidas pueden separarse en diferentes tamaos por tamizado, elutriacin, criba o clasificacin. Las partculas slidas pueden separarse de lquidos por filtracin, centrifugacin o sedimentacin.EL CONCEPTO DE ETAPAS Una etapa puede definirse como una unidad de equipo en la cual se ponen en contacto ntimo dos fases distintas que despus se separan mecnicamente. Durante el contacto, varios componentes de la mezcla se redistribuyen entre las fases. Las dos fases resultantes alcanzan el equilibrio y tienen composiciones diferentes a las que tenan las fases iniciales.En una etapa de equilibrio, las dos fases se mezclan durante un tiempo suficiente para permitir que se establezca un equilibrio termodinmico entre las fases que salen de la etapa.Una etapa real no produce un cambio en composicin tan grande como el de una etapa de equilibrio. La eficiencia de etapa se define como la razn del cambio de composicin para una etapa real a la que se obtiene en una etapa de equilibrio. Debido a que una etapa de equilibrio da el mayor cambio posible de composicin para un conjunto de condiciones de operacin, recibe tambin el nombre de etapa terica o ideal. Las eficiencias de etapa dependen de la velocidad de transferencia de masa y del tiempo y rea de contacto en una etapa nica.EQUIPO PARA OPERACIONES EN ETAPASEl equipo para mezclar y separar las dos fases, depende de las caractersticas fsicas de las fases.Los gases y lquidos fluyen con facilidad de etapa a etapa, pero los slidos son ms difciles de transferir. Por esta razn, las operaciones de etapas en las que existe un movimiento de slidos a contracorriente con una fase 11uida son menos comunes. En otros casos, el slido debe transferirse mecnicamente de etapa a etapa.CONTACTO GAS-LQUIDOLas dos fases pueden mezclarse burbujeando el gas a travs del lquido. Las burbujas de gas se separan del lquido formando una fase gaseosa continua al alcanzar la superficie del lquido. Las etapas se construyen en una columna vertical, con objeto de que el lquido tenga un flujo descendente de etapa a etapa por gravedad. El gas fluye hacia arriba debido a la diferencia de presin que se mantiene mediante un compresor, un soplador o una caldera. Las etapas reales en una columna vertical se conocen como platos o platillos. Por muchos aos, los platos de capuchones fueron los ms utilizados en las columnas de destilacin y absorcin.Los platos perforados han alcanzado una gran popularidad en los ltimos aos debido a su simplicidad y bajo costo. El tipo ms comn de plato perforado es el plato de malla. El plato de malla consiste en una lmina metlica perforada con cientos de agujeros redondos. Los agujeros son por lo general de 1/8 a 1/2 plg de dimetro. El lquido fluye a travs del plato y las burbujas de gas suben a travs de los agujeros. Cuando se tienen altas velocidades de gas, el flujo de ste evita que el Ifquido descienda a travs de las perforaciones, pero cuando la velocidad del gas es baja, es posible que se produzcan fugas serias. Estas fugas o llanto, pueden reducir significativamente la eficiencia de la etapa.Un desarrollo ms reciente de platos perforados es el de los platos de vlvula.El dimetro de un plato depende en primer lugar del volumen de la fase gaseosa que sube a travs de la torre. La cada de presin en la fase gaseosa debe tener un valor especialmente bajo en las columnas que operan al vaco. El lquido debe fluir a travs del plato con una altura tal que cubra en forma adecuada las salidas de gas para todas las velocidades de flujo del mismo.La altura del lquido se controla con la velocidad del flujo del mismo y la altura del vertedero de salida. La cada de presin de la fase gaseosa, tambin depende de la altura del lquido sobre las salidas de gas.El arrastre es el acarreo de gotas de lquido en la fase gaseosa, hacia el plato superior. El arrastre ocurre cuando las velocidades de flujo de gas son muy elevadas, por lo que el dimetro de la columna debe ajustarse para que la velocidad de gas no origine arrastre (para un gasto de masa especfico). El arrastre tiende a disminuir la eficiencia de etapa y en consecuencia, se requieren etapas adicionales para lograr la separacin deseada. Para evitar el arrastre puede ser necesario utilizar una columna de mayor dimetro.La inundacin ocurre cuando existe un arrastre excesivo o bien, cuando se presenta un retroceso excesivo del lquido en el rebosadero. La inundacin resulta cuando se intenta hacer pasar demasiado lquido o demasiado gas a travs de la columna.CONTACTO LQUIDO-LQUIDOLos platos de capuchones y los de vlvulas no se utilizan en la extraccin lquido-lquido, debido a que el flujo inducido por gravedad no produce una dispersin adecuada de las fases.Los platos de malla con rebosadero se utilizan mucho para el contacto lquido-lquido, aunque la construccin de la columna es diferente a la que se emplea para el contacto gas-lquido. Puede dispersarse ya sea el lquido pesado o el ligero. El lquido que moja preferentemente al plato debe ser la fase continua. El dimetro de las perforaciones en un plato de malla oscila entre 1/8 y 1/4 plg. El nmero de perforaciones de un plato est determinado por la velocidad de flujo total de la fase dispersa. La altura del lquido en el plato depende de la presin necesaria para alcanzar la velocidad de flujo que se requiere para pasar por las perforaciones.Despus de mezclarse, las dos fases se pasan a un sedimentador en el que se permite su separacin, por medio de una sedimentacin por gravedad. Estos equipos reciben el nombre de mezclador-sedimentador. Se pueden emplear varios sistemas de flujo en los mezcladores-sedimentadores. Las etapas pueden ordenarse en sentido vertical para un flujo por gravedad de ambas fases.CONTACTO SLIDO-FLUIDO El contacto de un slido granular con un lquido o un gas en un sistema continuo de multietapas, se complica por los problemas que introduce el transporte de una fase slida de una a otra etapa.