OPERACIONES UNITARIAS en los procesos industriales

8/10/2019 OPERACIONES UNITARIAS en los procesos industriales

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Universidad Politécnica del Golfo de México

“Ciencia y Tecnología que Transforman

Carrera:

Ingeniería En Seguridad Y Automatización Industrial

Maestro:

José Alberto lázaro Garduza

Materia:

Ingeniería de procesos industriales

Alumno:

Daniel Rodríguez de la Cruz

Eduardo Pérez Hernández

Víctor armando Zacarías Jiménez

Marco Antonio López Castillo

Luis Ángel González Loera

Grado/Grupo:

3ro “a”



INTRODUCCIÓN

Operaciones unitarias

Una operación unitaria puede definirse como un área del proceso o un equipo donde se incorporanmateriales, insumos o materias primas y ocurre una función determinada, son actividades básicasque forman parte del proceso. Por ejemplo, la producción de pulpa o el descortezado en unafábrica de papel, o la destilación en un proceso de elaboración de productos químicos.

Sería prácticamente imposible estudiar el número casi infinito de procesos químicos que se Ilevana cabo en la industria diariamente, si no hubiera un punto en común a todos ellos.

Afortunadamente, esta conexión existe. Cualquier proceso que se pueda diseñar consta de unaserie de operaciones físicas y químicas que, en algunos casos son específicas del procesoconsiderado, pero en otros, son operaciones comunes e iguales para varios procesos.Generalmente un proceso puede descomponerse en la siguiente secuencia:

1.- Materias Primas

2.- Operaciones físicas de acondicionamiento

3.- Reacciones químicas

4.- Operaciones físicas de separación

5.- Productos

Cada una de estas operaciones es una operación unitaria. Este concepto fue introducido en 1915por el profesor Little, del Massachussets Institute of. Technology (M.I.T). La definición dadaentonces, fue la siguiente: "... todo proceso químico conducido en cualquier escala puededescomponerse en una serie ordenada de lo que pudieran Ilamarse OPERACIONES UNITARIAS,como pulverización, secado, cristalización, filtración, evaporación, destilación... El número de estasoperaciones básicas no es muy grande, y generalmente sólo unas cuantas de ellas intervienen enun proceso determinado."

Tienen como objetivo modificar las condiciones de una determinada unidad de masa paraconseguir una finalidad. Esta modificación se puede conseguir:



- Modificando su masa o composición.

- Modificando su nivel o cantidad de energía.

- Modificando las condiciones de movimiento: velocidad.

El estado de un cuerpo está absolutamente definido cuando están especificadas la cantidad demateria y composición, cuando conocemos su energía y cuando conocemos las componentes dela velocidad con las que dicho cuerpo está en movimiento.

De este modo para la clasificación de las operaciones unitarias se atiende a la propiedad quepredomina en una transformación. En base a ello la clasificación se hace en dos grandes grupos:

- Operaciones unitarias físicas.

- Operaciones unitarias químicas.

Operaciones unitarias físicas

- De transferencia de materia.

- De transferencia de energía.

- De transferencia simultánea de materia y energía.

- De transferencia de cantidad de movimiento.

- Complementarias.

En todas las operaciones unitarias hay en común el concepto de fuerza impulsora. La cantidad dela propiedad transferida por unidad de tiempo y superficie es igual a la fuerza impulsora partido dela resistencia.

Vamos a estudiar la fuerza impulsora para los tres tipos de propiedades.



Materia: la fuerza impulsora es igual a las diferencias de concentraciones, presiones... en el senodel fluido que estemos estudiando.

Energía: la fuerza impulsora se da cuando existe una diferencia de temperaturas en el seno de lamasa.

Cantidad de movimiento: la fuerza impulsora es la diferencia de velocidades que existe entre doszonas del fluido.

Operaciones unitarias y procesos unitarios. Para la obtención industrial de alimentos demáxima calidad, cada una de las etapas que conforman un determinado proceso industrial deberíaestar diseñada de un modo adecuado. En este libro se presentan de forma sistemática lainformación básica necesaria para diseñar toda una serie de procesos alimentarios y el equiponecesario para llevarlos a cabo. Cubre con detalle las operaciones unitarias más comunes de laingeniería de alimentos, incluyendo el modo de llevar a cabo cálculos de diseño específicos. Loscapítulos iniciales presentan aspectos básicos de la transferencia de materia, calor y cantidad demovimiento. Contiene un capítulo centrado en los balances macroscópicos de materia y energía,

que son necesarios en el planteamiento del modelo matemático de las diferentes operacionesunitarias. Los capítulos posteriores presentan descripciones detalladas de las operacionesunitarias, tanto desde sus aspectos fundamentales como sus aplicaciones. Cada capítulo concluyecon una serie de problemas resueltos como ejemplos aplicados de la teoría expuesta.

Características más importantes:

Presenta los balances necesarios para plantear el modelo matemático de cualquier tipo deoperación. Expone con detalle las operaciones unitarias más comunes de la ingeniería dealimentos. Discute el equipo utilizado en las operaciones de refrigeración, congelación,pasteurización, esterilización, evaporación y deshidratación. Proporciona información sobre lasoperaciones de destilación, absorción, adsorción, intercambio iónico y extracción sólido-líquido.Incluye una amplia colección de problemas resueltos.

El deseo de los autores es el de que esta obra llene un hueco existente en los estudios deIngeniería Alimentaria en los países de habla hispana, y sería una gran satisfacción que con elloayudásemos a entender y poder diseñar muchas operaciones unitarias vitales en la Industria de

Alimentos

ctivos lleguen al reactor pueden pasar por diferentes equipos. El objetivo de estos aparatos escolocar estos compuestos en las condiciones apropiadas de presión, temperatura, fase, etc.,

necesarias en el reactor.

3-después que los productos abandonan esta unidad deben ser procesados, modificando así sutemperatura, presión, pureza, etc., para poder salir al mercado.

En general, todos los equipos - excepto el reactor - son utilizados para producir cambiosfísicos: calentamiento, compresión, molienda, separación, etc.



Las operaciones físicas realizadas para producir estos cambios, tales como transmisión de calor,flujo de fluidos, destilación, etc., son llamadas operaciones unitarias.

Los cambios químicos que ocurren en el reactor o reacciones químicas como oxidación, nitración,polimerización, reducción, esterificación, etc., se conocen con el nombre de procesos unitarios.

La solución de casi cualquier problema de ingeniería química, que involucre una operación o unproceso unitario incluye los siguientes pasos:

1. realizar el balance de materia para calcular las masas de reactivos y productos.2. realizar el balance de energía para encontrar todas las interacciones energéticas del

proceso, fundamentalmente calor y trabajo. algunas veces es necesario resolver losbalances de materia y energía de manera combinada.

3. calcular las velocidades de reacción y de transferencia de masa, de lo cual se ocupan lacinética química y los fenómenos de transporte.

Clasificación de las operaciones unitarias.

Las operaciones unitarias son de naturaleza física. Se pueden dividir en 5 grandes grupos:

1. flujo de fluidos.2. transmisión de calor.3. mezclado.4. separación: destilación, extracción, absorción, adsorción, evaporación, cristalización,

humidificación, secado, filtración y centrifugación.5. manejo de sólidos: compresión, molienda, tamizado y fluidización. no hay una clara división

entre algunas operaciones. el funcionamiento de un evaporador continuo requiere deconocimientos sobre flujo de fluidos, transferencia de calor; así mismo la cristalización,como en la obtención del hidrosulfito, puede ocurrir en la evaporación, etc.

De este modo para la clasificación de las operaciones unitarias se atiende a la propiedad quepredomina en una transformación. En base a ello la clasificación se hace en dos grandes grupos:

1. operaciones unitarias físicas.2. operaciones unitarias químicas.3. operaciones unitarias físicas4. de transferencia de materia.5. de transferencia de energía.6. de transferencia simultánea de materia y energía.7. de transferencia de cantidad de movimiento complementarias.



En todas las operaciones unitarias hay en común el concepto de fuerza impulsora. La cantidad dela propiedad transferida por unidad de tiempo y superficie es igual a la fuerza impulsora partido dela resistencia.

Vamos a estudiar la fuerza impulsora para los tres tipos de propiedades.

Materia: la fuerza impulsora es igual a las diferencias de concentraciones, presiones en el seno delfluido que estemos estudiando.

Energía: la fuerza impulsora se da cuando existe una diferencia de temperaturas en el seno de lamasa.

Cantidad de movimiento: la fuerza impulsora es la diferencia de velocidades que existe entre doszonas del fluido.

Operaciones unitarias químicas

La fuerza impulsora hay que considerarla en relación al aspecto termodinámico (lo que nos indicael avance de la reacción es g<0). En relación con el aspecto cinético, la velocidad de la reacciónquímica depende de la temperatura y de las concentraciones de los reactivos.

O. U. físicas regidas por transferencia de materia

Están basadas en un fenómeno denominado difusión. Las masas se ponen en movimiento ointentan mezclarse como consecuencia de que existen en el fluido gradientes de concentración.Cuando se colocan dos fases que no se encuentran en equilibrio en relación con un determinadocomponente lo que ocurre es que dicho componente se transfiere de una a otra intentandoalcanzar el equilibrio.

Aprovechando este fenómeno de la difusión se ponen en contacto fases distintas y lo que sucedees que los componentes van a intentar igualarse y se realiza el diseño de aparatos para logrardicha separación. Esta separación puede tener dos objetivos:

1. separar una sustancia que esté impurificando un fluido.2. separar un compuesto que tenga un valor intrínseco mayor estando por libre.

También es posible la separación basándonos en la diferencia de velocidades de difusión a travésde una membrana porosa. Es necesario realizarlo en repetidas ocasiones y no siempre es máscorriente la separación por transferencia entre fases.

-tipos de o. U. regidas por transferencia de materia:

Destilación

Es la más utilizada en ingeniería química y consiste en separar 2 o más componentes de unamezcla líquida aprovechando sus diferencias en cuanto a la presión de vapor. Supongo unasustancia líquida a una determinada temperatura. Parte de las moléculas de esta sustancia debidoa que no todas tienen la misma velocidad, rompen la atracción de las moléculas del líquido ypueden pasar a la fase gaseosa. En la fase gas no todas las moléculas van a tener la mismaenergía. Aquellas moléculas de la fase gaseosa con menor energía podrán ser atrapadas por ellíquido y tendremos una situación de equilibrio entre el líquido y el gas. El manómetro no va a



variar e indica la cantidad máxima de moléculas del líquido que podemos tener en la fase de vapor.Existe la misma velocidad en las moléculas de líquido a vapor como de vapor a líquido.

La presión de vapor depende de la temperatura a que trabaje, de la naturaleza de la sustancia. Lassustancias con menor tendencia a pasar a gas son menos volátiles. La cantidad máxima demoléculas en fase gas viene dada por la presión de vapor.

“transferencia de calor y masa”

los fenómenos de transporte tienen lugar en aquellos procesos, conocidos como procesos detransferencia, en los que se establece el movimiento de una propiedad ( masa, momentum oenergía) en una o varias direcciones bajo la acción de una fuerza impulsora. Al movimiento de unapropiedad se le llama flujo

Los procesos de transferencia de masa son importantes ya que la mayoría de los procesosquímicos requieren de la purificación inicial de las materias primas o de la separación final deproductos y subproductos. Para esto en general, se utilizan las operaciones de transferencia demasa.

Con frecuencia, el costo principal de un proceso deriva de las separaciones (transferencia demasa). Los costos por separación o purificación dependen directamente de la relación entre laconcentración inicial y final de las sustancias separadas; sí esta relación es elevada, también seránlos costos de producción.6

en muchos casos, es necesario conocer la velocidad de transporte de masa a fin de diseñar oanalizar el equipo industrial para operaciones unitarias, en la determinación de la eficiencia deetapa, que debe conocerse para determinar el número de etapas reales que se necesita para unaseparación dada.

Algunos de los ejemplos del papel que juega la transferencia de masa en los procesos industrialesson: la remoción de materiales contaminantes de las corrientes de descarga de los gases y aguascontaminadas, la difusión de neutrones dentro de los reactores nucleares, la difusión de sustanciasal interior de poros de carbón activado, la rapidez de las reacciones químicas catalizadas ybiológicas así como el acondicionamiento del aire, etc.

En la industria farmacéutica también ocurren procesos de transferencia de masa tal como ladisolución de un fármaco, la transferencia de nutrientes y medicamento a la sangre, etc.

La ley de fick es el modelo matemático que describe la transferencia molecular de masa, ensistemas o procesos donde puede ocurrir solo difusión o bien difusión más convección. En estetrabajo, una idea central será el cálculo de los coeficientes de transferencia de masa paradiferentes sistemas (estados de agregación de la materia).

“fundamentos de la transferencia de masa”

La transferencia de masa cambia la composición de soluciones y mezclas mediante métodos queno implican necesariamente reacciones químicas y se caracteriza por transferir una sustancia através de otra u otras a escala molecular. Cuando se ponen en contacto dos fases que tienendiferente composición, la sustancia que se difunde abandona un lugar de una región de altaconcentración y pasa a un lugar de baja concentración.1, 2,3.



El proceso de transferencia molecular de masa, al igual que la transferencia de calor y demomentum estácaracterizado por el mismo tipo general de ecuación

En esta ecuación la velocidad de transferencia de masa depende de una fuerza impulsora(diferencia de concentración) sobre una resistencia, que indica la dificultad de las moléculas paratransferirse en el medio. Esta resistencia se expresa como una constante de proporcionalidad entre

la velocidad de transferencia y la diferencia de concentraciones denominado: "difusividad demasa". Un valor elevado de este parámetro significa que las moléculas se difunden fácilmente en elmedio.

“generalidades del transporte de masa molecular”

El transporte molecular ocurre en los 3 estados de agregación de la materia y es el resultado de ungradiente de concentración, temperatura, presión, o de aplicación a la mezcla de un potencialeléctrico.

A la transferencia macroscópica de masa, independiente de cualquier convección que se lleve acabo dentro de un sistema, se define con el nombre de difusión molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moléculas individuales a través de un fluidopor medio de los movimientos desordenados de las moléculas debido a su energía interna.Podemos imaginar a las moléculas desplazándose en líneas rectas con una velocidad uniforme ycambiando su dirección al rebotar con otras moléculas después de chocar. Entonces su velocidadcambia tanto en magnitud como en dirección. Las moléculas se desplazan en trayectoriasdesordenadas, y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y serdesviadas al azar. A la difusión molecular a veces se le llama también proceso de caminodesordenado.

Operaciones unitariasSon la base de la industria química y de transformación de materiales y puede definirse como unárea del proceso o un equipo donde se incorporan materiales, insumos o materias primas y ocurreuna función determinada, son actividades básicas que forman parte del proceso. Por ejemplo, laproducción de pulpa o el descortezado en una fábrica de papel, o la destilación en un proceso deelaboración de productos químicos. Las transformaciones ocurridas durante una operación unitariapueden estar referidas a: cambios en la masa de acuerdo a la cantidad de materia o composición,cambios en la energía referidas a la energía total (cualquiera que sea el tipo de energía) de que elcuerpo esté dotado, o cambios del movimiento de la sustancia original dado por variaciones en ladirección, sentido y velocidad. Estos cambios están regidos por las leyes de conservación de lamateria, la energía y la cantidad de movimiento

Secuencia de ordenamiento

Cualquier proceso que se pueda diseñar consta de una serie de operaciones físicas y químicasque, en algunos casos son específicas del proceso considerado, pero en otros, son operacionescomunes e iguales para varios procesos. Generalmente los procesos pueden descomponerse en lasiguiente secuencia:

1. materias primas2. operaciones físicas de acondicionamiento3. reacciones químicas4. operaciones físicas de separación



5. productos

Cada una de estas operaciones consta de una o varias operaciones unitarias. Concepto que fueintroducido en 1915 por el profesor Little, del Massachusetts institute of. Technology (m.i.t). ladefinición dada entonces, fue la siguiente: "... todo proceso químico conducido en cualquier escalapuede descomponerse en una serie ordenada de lo que pudieran llamarse operaciones unitarias,comopulverización, secado, cristalización, filtración, evaporación, destilación... el número de estasoperaciones básicas no es muy grande, y generalmente sólo unas cuantas de ellas intervienen enun proceso determinado." las operaciones unitarias se clasifican de acuerdo con la propiedadmateria, energía o cantidad de movimiento a que estén referidas o que se transfiera en laoperación y sea la más relevante en la misma.

Ejemplos

Sería prácticamente imposible estudiar el número casi infinito de procesos químicos (operacionesunitarias) que se llevan a cabo en la industria diariamente, si no hubiera un punto en común atodos ellos. Afortunadamente, esta conexión existe. Entre ellos podemos mencionar algunos:

combustión: es el proceso de oxidación rápida de una sustancia, acompañado de un aumentode calor y frecuentemente de luz. en el caso de los combustibles comunes, el proceso consisteen una combinación química con el oxígeno de la atmósfera que lleva a la formación de dióxidode carbono, monóxido de carbono y agua, junto con otros productos como dióxido de azufre,que proceden de los componentes menores del combustible.

hidratación: cuando un cuerpo seco (anhídrido), absorbe agua, aunque sea en forma dehumedad, se dice que este cuerpo está hidratado o que ha sufrido el fenómeno de hidratación.

oxidación: es la operación de introducir oxígeno en un cuerpo de manera que forme parte desu constitución íntima, tal sería el agua (h20) agregar un átomo de oxígeno y formar aguaoxigenada (h202) también llamada peróxido de hidrógeno 0 dióxido de hidrógeno. lacombustión es también un proceso típico de oxidación pues toma el oxígeno del aire paraquemar el carbono.

reducción: consiste en separar oxigeno de un cuerpo para que este resulte puro. en lametalurgia del hierro, por ejemplo se reduce el mineral formado por óxidos y al eliminarse eloxígeno queda el metal puro. un cuerpo reductor es el carbono; así tenemos que el carbono encaliente con ayuda de la flama reduce el óxido de plomo, de cobre, etc. al estado de plomo ycobre puro.

saponificación: cuando una sustancia grasa es tratada en caliente por medio de una lejíafuertemente alcalina, se transforma en jabón y se dice que se ha producido la saponificación.

hidrogenación: reacción que implica la combinación de hidrógeno con ciertos compuestosorgánicos no saturados, especialmente con los hidrocarburos. por ejemplo, al hidrogenar eleteno (c2h4) se obtiene etano (c2h6). la hidrogenación se usa también con moléculas más

complicadas, obteniéndose gran variedad de productos sintéticos importantes en el laboratorioy en la industria.

La reacción de hidrogenación se aplica a escala industrial en numerosos procesos, como lahidrogenación de los aceites vegetales para producir numerosas grasas comestibles, por ejemplola margarina el proceso de hidrogenación se aplica también en la producción de gasolina sintética.

craqueo o cracking: proceso químico por el cual un compuesto químico, normalmente orgánico,se descompone o fracciona en compuestos más simples. el craqueo se realiza ya sea por la

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aplicación de calor y alta presión, mediante el proceso conocido como craqueo térmico, o bienpor el craqueo catalítico, que es la combinación de calor y una catálisis. en las refineríasmodernas, primero se separa el petróleo por destilación fraccionada. a continuación, casi todaslas fracciones más pesadas son sometidas a craqueo. en el proceso siempre se formahidrógeno y carbono.

fermentación: proceso en el que ocurren cambios químicos en las sustancias orgánicasproducidos por la acción de enzimas llamadas fermentos, producidas por organismosdiminutos tales como el moho, las bacterias y la levadura. por ejemplo, la lactasa, un fermentoproducido por una bacteria que se encuentra generalmente en la leche, hace que ésta se agrie,transformando la lactosa (azúcar de la leche) en ácido láctico. el tipo de fermentación másimportante es la fermentación alcohólica, en donde la acción de la simaza segregada por lalevadura convierte los azúcares simples, como la glucosa y la fructosa, en alcohol etílico ydióxido de carbono. hay otros tipos de fermentación que se producen de forma natural, como laformación de ácido butanoico cuando la mantequilla se vuelve rancia, y de ácido etanoico(acético) cuando el vino se convierte en vinagre. 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 oproductos químicos o biológicos. es posible considerar estos procesos químicos, físicos obiológicos, aparentemente distintos, y clasificarlos en una serie de etapas individuales ydiferentes llamadas operaciones unitarias. estas operaciones unitarias son comunes atodos los tipos de industrias de proceso.

por ejemplo, la operación unitaria conocida como destilación se usa para purificar oseparar alcohol en la industria de las bebidas y también para separar los hidrocarburos enla industria del petróleo. el secado de granos y otros alimentos es similar al secado demaderas.

la operación unitaria absorción se presenta en la absorción de oxigeno del aire en losprocesos de fermentación o en una planta de tratamiento de aguas, así como en laabsorción de hidrógeno gaseoso en un proceso de hidrogenación líquida de aceites.la evaporación de salmueras en la industria química es similar a la evaporación desoluciones de azúcar en la industria alimenticia. la sedimentación de sólidos ensuspensiones en las industrias de tratamiento de aguas y minería, es una operaciónsimilar. el flujo de hidrocarburos líquidos en refinerías de petróleo y el flujo de leche en unaplanta de productos lácteos se llevan a cabo de manera semejante las operacionesunitarias estudian principalmente la transferencia y los cambios de energía, la transferenciay los cambios de materiales que se llevan a cabo por medios físicos, pero también pormedios fisicoquímicos. a continuación se describen las operaciones unitarias másimportantes y que corresponden a aquellas que se pueden combinar en diversassecuencias en un proceso.Clasificación de las operaciones unitarias

Flujo de fluidos . Estudia los principios que determinan el flujo y transporte de cualquierfluido de un punto a otro Transferencia de calor . Esta operación unitaria concierne a losprincipios que gobiernan la acumulación y transferencia de calor y de energía de un lugar aotro.Evaporación . Éste es un caso especial de transferencia de calor, que estudia laevaporación de un disolvente volátil (como el agua), de un soluto no volátil como la sal ocualquier otro tipo de material en solución. Secado. Separación de líquidos volátiles casisiempre agua de los materiales sólidos. Destilación. Separación de los componentes deuna mezcla líquida por medio de la ebullición basada en las diferencias de presión de

http://www.ecured.cu/index.php/Fermentaci%C3%B3n

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vapor.Absorción. En este proceso se separa un componente gaseoso de una corriente por

tratamiento con un líquido. Separación de membrana. Este proceso implica separar unsoluto de un fluido mediante la difusión de este soluto de un líquido o gas, a través de labarrera de una membrana semipermeable, a otro fluido Extracción líquido-líquido. Eneste caso, el soluto de una solución líquida se separa poniéndolo en contacto con otrodisolvente líquido que es relativamente inmiscible en la solución. Absorción. En esteproceso, un componente de una corriente líquida o gaseosa es retirado y adsorbido por unadsorbente sólido. Lixiviación líquido-sólido. Consiste en el tratamiento de un sólidofinamente 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 porprecipitación de dicho soluto Separaciones físico-mecánicas. Implica la separación desólidos, líquidos o gases por medios mecánicos, tales como filtración, sedimentación oreducción de tamaño, que por lo general se clasifican como operaciones unitariasindividuales.

muchas de estas operaciones unitarias tienen ciertos principios básicos o fundamentalescomunes. 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 alsecado, la destilación, la evaporación, etc. por lo tanto, es conveniente establecer lasiguiente clasificación más fundamental de los procesos de transporte o de transferencia.

procesos fundamentales de transporte

transferencia de momento lineal. se refiere a la que se presenta en los materiales enmovimiento, como en operaciones unitarias de flujo de fluidos, sedimentación y mezclado.transferencia de calor. en este proceso fundamental se considera como tal a latransferencia de calor que pasa de un lugar a otro; se presenta en las operacionesunitarias de transferencia de calor, secado, evaporación, destilación y otras...

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 líquido-líquido, separación pormembranas, adsorción y lixiviación.

Proceso unitario y operación unitaria

En un proceso unitario a diferencia de las operaciones unitarias, es en donde se presentan losfenómenos físicos y en algunos casos químicos, en cambio en las operaciones unitarias sonprincipios fundamentales de física

Operaciones o procesos los siguientes términos:

a) filtración. - operación unitaria

b) acidulación. - proceso unitario

c) disolución.- operación unitaria



d) neutralización. - proceso unitario

e) decantación. - operación unitaria

f) precipitación. -operación unitaria

g) evaporación. - operación unitaria

h) sulfhidración. - proceso unitario

i) saponificación.- proceso unitario

Objetivos:

• Conocimiento de los conceptos de algunas operaciones y procesos unitarios.

• Desarrollo de la habilidad para el trabajo con algunas de las operaciones y procesos queefectúan en el análisis químico.

Consideracionesteóricas:

• - establezca la diferencia que existe entre un proceso y una operación unitaria.

r. - que en un proceso unitario a diferencia de las operaciones unitarias, es en donde sepresentan los fenómenos físicos y en algunos casos químicos, encambio en las operacionesunitarias son principios fundamentales de física.

• - definir los siguientes términos:

• Disolución. - es una mezcla homogénea, es decir que consta de una sola fase formada pordos o más sustancias cuyos componentes no pueden separarse por medios mecánicos pero síen general por destilación.

• Solubilizacion. - es preparación de soluciones transparentes que dependen de que seasoluble la solución y se requiere una proporción relativamente grande entre 100% y 1000%.

• Trituración. - adición gradual de una disolución de concentración exactamente conocida aotra disolución de concentración desconocida hasta que se completa la reacción química entreambas disoluciones.

• Precipitación. - la reacción de un precipitado se caracteriza por la formación de un productoinsoluble o precipitado, el cual es un sólido insoluble que se separa de la solución. Lasreacciones de precipitación general requieren compuestos iónicos.

• Neutralización. - reacción química que elimina las propiedades acidas o básicas de unasustancia o disolución en general por combinación con una base o un ácido respectivamente.



3. - identifique si las soluciones de pH que se indican acontinuación son neutras, ácidas, oalcalinas.

PH= 3.5 acido fuerte

PH= 7.5 neutro

PH= 14 fuerte básico

PH=7 neutro

Tipo acetamida (ch csnh)

Algunos ejemplos de operaciones unitarias son:

Filtración. -separación de las partículas sólidas en suspensión en un fluido, mediante el pasoforzados de este a través de un medio filtrante o membrana sobre la cual depositan los sólidos.

Destilación. - separación de los componentes de una mezcla liquida por vaporización de lamisma. Al calentar primero se desprenden los componentes más volátiles y va quedando unresiduo líquido constituido por las sustancias de punto de ebullición más alto.

Centrifugación. - procedimiento de separación de líquidos mezclados o de partículas sólidas ensuspensión en un líquido por efecto de una fuerza centrífuga.

Trituración. -se usa pare reducir sólidos duros a tamaños menos grandes y más manejables.

Secado. - operación de separar un líquido que acompaña a un sólido.

Extracción. -operación química básica de separación de sustancias disueltas en liquidas.

Disolución. - mezcla de dos o más componentes cuyas propiedades varían al ser modificadassus proporciones.

Cristalización. - proceso físico por el cual un cuerpo adquiere la estructura cristalina. Puederealizarse por sublimación por fusión y posteriormente por enfriamiento de la masa fundida opor evaporación gradual del disolvente en una solución saturada.

Agitación. -operación química que consiste en crear movimientos turbulentos en un fluidomediante dispositivos mecánicos que actúan sobre el (agitadores). Se emplea industrialmentepara acelerar ciertas operaciones como la extracción, el mezclado y la absorción.

Dilución. - es una aplicación al problema de la medición de una corriente de flujos se basa enla adición de una sustancia soluble en el fluido.

Decantación. - es la separación por inclinación de un liquido de un sólido.



Evaporación. - paso de una sustancia del estado líquido al de vapor, a una temperatura inferiorala de ebullición y tiene lugar solo en la superficie del líquido además de que se produce enforma gradual.

Precipitación. - aparición de una fase sólida en el seno de una disolución se produce cuando laconcentración de soluto supera la máxima posible. Se usa en análisis como método depurificación de sustancias.

Algunos ejemplos de procesos unitarios son:

Oxidación. - proceso por el cual una especie química pierde electrones simultáneamente a laganancia de los mismos por otra sustancia.

Combustión. - reacción química entre una sustancia oxidante (comburente) y otra reductora(combustible) con desprendimiento de calor y eventualmente de luz.

Fermentación. - conjunto de reacciones químicas por las que una sustancia orgánica se

transforma en otra por medio de ciertos microorganismos y generalmente va acompañada degases.

Saponificación. - proceso químico por el cual los esteres se desdoblan en ácidos y alcohol poracción del agua son acciones reversibles, muy lentas y en general catolizadas por ácidosminerales o por alcalisis.

Sulfhidracion. - proceso de adicionar un reactivo que contenga sulfuro de hidrogeno.

Caseificación. - proceso unitario que implica al carbonato sódico con cal y la producciónelectrolítica de sosa cáustica con sal común produciendo hidróxido sódico.

Hidrogenación. - reacción química entre el hidrogeno molecular y un compuesto orgánico enpresencia de catalizadores.

Precipitación.- aparición de una fase sólida en el seno de una disolución se produce cuando laconcentración de poluto supera la máxima posible.

Electrolisis. - descomposición de sustancias que se encuentran disueltas o fundidas al paso dela corriente eléctrica. el proceso tiene lugar en una cuba electrolítico, de manera de que sobreel electrodos positivo y negativo se depositan los iones negativos y positivos respectivamente.

Alogenacion. - consiste en insertar un átomo de cualquier halógeno en una cadena decompuesto orgánico por desplazamiento de una doble ligadura.

Polimerización. - es el proceso en el cual se forman productos de alto peso molecular apartirde materias primas de bajo peso molecular.

Reducción. - proceso químico caracterizado por la aceptación de electrones por parte de unamolécula, átomo-ion.



Sulfonacion. - introducción del radical sulfurilo en un compuesto orgánico.

Nitración. - introducción del radical nitro (no ) en un compuesto orgánico, formado pornitrocompuestos.

Alquilación. - introducción de una cadena alifática en un compuesto cíclico por sustitución dehidrogeno por un radical alquinos.

Disolución: mezcla de dos o más componentes cuyas propiedades varían al ser modificadassus proporciones.

Selogró el objetivo pero esto no fue fácil sobre todo en el aspecto de la neutralización ya queera muy difícil obtener el pH neutro pues en ocasiones quedaba debajo de lo establecido yviceversa por lo que se obtuvo demasiada solución en los diferentes tubos y eso nos permitióobservar perfectamente la reacción.

En el proceso se logró cumplir con el objetivo al obtener pbs obteniéndolo en mayor cantidad

en el tubo dos con respecto al tres que aunque no se realizó la medicióngravimétrica del pbsobtenido se lograba observar a simple vista la diferencia de volumen debido a que solo sehabía tomado una pequeña muestra (10%) de pbcl.

Además se logró identificar cada una de las operaciones y procesos unitarios que intervinieronen la obtención de dicho producto.

Estos resultados se deben a que en el tubo tres solo se deposito una pequeña porcióncorrespondiente al 10% de pbcl extraído anteriormente del tubo uno.

La serie de proceso y operaciones que se siguieron

Son un buen método para la obtención del pbs aunque es necesario tener un poco experienciay cuidado para la cuestión de neutralización para poder así lograr el objetivo.Se llamaoperación unitaria a una parte indivisible de cualquier proceso de transformación, sea físico,químico o de naturaleza biológica, de una materia prima en otro producto de característicasdiferentes. Se entiende que los procesos de transformación en general y las operacionesunitarias, en lo particular, tienen como objetivo el modificar las condiciones de una determinadacantidad de materia en forma más útil a nuestros fines.

Puede definirse como un área del proceso o un equipo donde se incorporan materiales,insumos o materias primas en la que ocurre una función determinada, son actividades básicasque forman parte del proceso. Por ejemplo, la producción de pulpa o el descortezado en unafábrica de papel, o la destilación en un proceso de elaboración de productos químicos. Seríaprácticamente imposible estudiar el número casi infinito de procesos químicos que se llevan acabo en la industria diariamente, si no hubiera un punto en común a todos ellos.

Esta transformación puede realizarse de distintas formas: modificando la masa o composicióndel cuerpo primario ya sea mezclándolo, separándolo o haciéndolo reaccionar químicamente;modificando la calidad de la energía que posee el cuerpo en cuestión, ya sea por enfriamiento,vaporización, aumento de presión; modificando las condiciones relativas a la cinética del



cuerpo primario, ya sea aumentando o disminuyendo su velocidad o modificando la direcciónque tiene en el espacio.

Las operaciones unitarias son cada una de las acciones necesarias de transporte, adecuacióny/o transformación. El número de estas operaciones básicas no es muy grande y generalmentesólo unas cuantas de ellas intervienen en un proceso determinado.

De hecho, los cambios mencionados son los únicos cambios posibles que un cuerpo puedeexperimentar. Un cuerpo está absolutamente definido cuando están especificadas:

la cantidad de materia y su composición; la energía total (cualquiera que sea el tipo de energía) de que el cuerpo esté dotado; las componentes de dirección y velocidad de que está animado.

Lo descrito está basado experimentalmente y soportado matemáticamente por las leyes de laconservación:

ley de la conservación de la materia ley de la conservación de la energía ley de la conservación de la cantidad de movimiento

Cualquier proceso que se pueda diseñar consta de una serie de operaciones físicas y químicasque en algunos casos son específicas del proceso considerado, pero en otros, son operaciones

comunes e iguales para varios procesos. Generalmente, un proceso puede descomponerse en lasiguiente secuencia:

1. materias primas2. operaciones físicas de acondicionamiento3. reacciones químicas4. operaciones físicas de separación5. productos

Operaciones unitarias (ou)

fenómenos de transferencia que ocurren en un biodigestor: ft de movimiento, ft de masa y ft decalor.

balance de masa: capacidad de un biodigestor balance de energía: costo de operación.

además se debe tener en cuenta: diseño

términos de operación: variables de control (v. proceso y v. producto).



secuencia de operaciones (pre tratamiento, biotransformación, pos tratamiento): tecnología deprocesamiento (operaciones ensamblado-paso en los que se da transformaciones para obtener unproducto).

Pre tratamiento: o procesado previo, es el 1er proceso realizado para el acondicionamiento ypreparación del material (condiciones adecuadas) para asegurar la obtención eficiente del productoy ponerlo, por ejemplo, a biodisponibilidad de los microorganismos.Por ejemplo:

en un biodigestor: tamizado, triturado industria de petróleo y gas: tamizado, desbaste, desengrasado-desaceitado, dilaceración, pre-

aireación, desarenado en un medio de cultivo: desinfección, lavado, descontaminación. materia seca: deshidratación.

Operaciones unitarias importantes.1- Operaciones basadas en la transferencia de materia: Conceptos básicos. Destilación yrectificación. Extracción. Adsorción, absorción, Lixiviación.Practica 1ª: Extracción líquido-líquidoResolución de Ejercicios Balance de Materia. (PA)2- Operaciones basadas en transferencia de calor: Conceptos básicos.Cambiadores de calor. Evaporación.3.- Operaciones basadas en la transferencia simultánea de calor y de materia: Conceptos básicos.Equipos: enfriamiento de líquidos, liofilización.Practica 2ª: Destilación continua computarizada.Resolución de Ejercicios Balance de Energía. (PA)4.- Operaciones basadas en transferencia de cantidad de movimiento:Conceptos básicos. Equipos: circulación de fluidos en conducciones, flujo a través de lechos desólidos.5.- Operaciones con sólidos: Contenidos teóricos. Equipos: cristalización, secado, filtración.

Operaciones basadas en la transferencia de materia.-Difusión: Movimiento de un componente individual a través de una mezcla, llegando en algunoscasos a moverse por una segunda mezcla que se encuentra en contacto con la primera. Para elloes necesaria la influencia de un estímulofísico, y se puede llegar a una separación total o parcial deeste componente. La causa más frecuente de la difusión es un gradiente de

concentración en el componente que difunde.

HumidificaciónLa humidificación es una operación que consiste en aumentar la cantidad de vapor presente enuna corriente gaseosa; el vapor puede aumentar pasando el gas a través de un líquido que seevapora en el gas. Esta transferencia hacia el interior de la corriente gaseosa tiene lugar pordifusión y en la interfase hay, simultáneamente, transferencia de Calor y de materia.Los procesos que tiene lugar en la operación de humidificación son:1.- Una corriente de agua caliente se pone en contacto con una de aire seco (o con bajo contenidoen humedad).2.- Parte del agua se evapora, enfriándose así la interfase.



3.- El seno del líquido cede entonces calor a la interfase, y por lo tanto se enfría.4.- A su vez, el agua evaporada en la interfase se transfiere al aire, por lo que se

humidifica.

Humedad molar o saturación molar:Relación entre el número de moles de vapor y de gas contenido en una determinada masagaseosa.Ym = NV / ng = PV / pg = PV /P – PVHumedad absoluta o saturación absoluta:Relación entre el peso de vapor y el peso de gas contenido en una masa gaseosa.Y = (Mv / Mg) * Ym

Mv y Mg son, respectivamente, las masas moleculares del vapor y del gas.

Humedad relativa o saturación relativa:Cociente entre la presión parcial del vapor y la tensión del vapor a la misma temperatura.∂ = pv / pv *Humedad porcentual o saturación porcentual:Relación entre la humedad existente en la masa gaseosa y la que tendría si estuviera saturada.∂p = Y / Y* = (pv / pv *) (P – Pv

* /P – pv)

La presión de vapor o más comúnmente presión de saturación es la presión a la que a cadatemperatura las fases líquidas y vapor se encuentran en equilibrio; su valor es independiente de las

cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas. En la situación de equilibrio, lasfases reciben la denominación de líquido saturado y vapor saturado.

Los mecanismos que controlan elsecado de sólido dependen de suestructura y de losparámetros desecado (temperatura T, velocidadv y humedad relativa del aire),Contenido de humedad,dimensiones, superficie expuestaa la velocidad de transferencia,ycontenido de humedad deequilibrio de la partícula. Duranteel secado con aire constante,lacurva de secado puede serdividida en los siguientes cuatroperíodos de velocidad de secado:

I- Período Inicial : la evaporación ocurre como desde una superficie libre y, usualmente, latemperatura incrementa desde su valor inicial (To) hasta la temperatura de bulbo húmedo del aire(Twb).II- Período de velocidad constante (Nwc) : durante este período el secado aún se lleva a cabo porevaporación de la humedad desde una superficie saturada (evaporación desde una superficie libre)y el material permanece a Twb.III- Primer período de velocidad descendiente : El contenido de humedad al final del período develocidad constante es el contenido de humedad crítico ( Xcr ).IV- Segundo período de velocidad descendente : Este período representa las condicionescorrespondientes a una velocidad de secado



totalmente independiente de las condiciones externas.

El modelo que permite realizar el ajuste a las curvas y estimar el tiempo de secado es el siguiente:t =Este método ha sido probado en la práctica para el estudio de la cinética de secado de sólidosporosos y capiloporosos. Novoa (1995) estima el coeficiente de transferencia de masa mediante laexpresión:Kg = ms k (xi - xeq)/ADónde:k = coeficiente de velocidad de secado (min-1)Kg = coeficiente de transferencia de masa (kg/m2 min)Ms = peso del material seco (kg)Xi = humedad del material en un instante de tiempo (kg/kg)Xeq = humedad de equilibrio (kg/kg)x1eq = contenido de humedad del material durante el período inicial de secado o humedadCrítica(kg/kg)

x0 = humedad inicial del material ( kg/kg)

Destilación y rectificaciónLa destilación es la operación de separar, mediante evaporización y condensación, los diferentescomponentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados de una mezcla,aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada una de las sustancias ya que el punto deebullición es una propiedad intensiva, es decir, no varía en función

de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión

En el segundo tipo, Destilación diferencial o abierta, se calienta la mezcla hasta que se alcanza la

ebullición, retirando continuamente los vapores producidos. De esta manera el líquido seempobrece en los componentes más volátiles y se incrementa la temperatura de ebullición. Losvapores producidos son cada vez más pobres en:

componentes volátiles y aumenta su temperatura de condensación.

En la condensación cerrada el líquido producido está en contacto con el vapor,Estando ambos en equilibrio. La temperatura es intermedia entre la inicial y la finalDe condensación.V0 = V + L L y – y0=V0 y = V x + L y V y0 – xL = cantidad liquido condensado; V = vapor residual; y0 = composición liquido inicial; x, y =composición liquido condensado y vapor residualEn la condensación abierta , el líquido condensado se retira continuamente de la Presencia delvapor, operando a la temperatura de condensación, que disminuye continuamente al enriquecerselos vapores en el componente más volátil.RECTIFICACIÓN.-En esta operación circulan en contracorriente el vapor de una mezcla con su



Condensado en un equipo llamado columna de rectificación. El equipo de rectificación más sencilloestá formado por la columna, donde se Verifica el contacto entre líquido y vapor; el calderín,situado en la parte baja y donde se produce el calentamiento que origina la ebullición; y elcondensador de reflujo, situado en la parte superior de la columna y donde se produce el líquidoque

desciende en contacto con el vapor.

A la hora de plantearse el diseño o el análisis de una columna hay que considerar lossiguientesaspectos:1. Caudal, composición, presión y temperatura del alimento.2. Grado de separación deseado entre dos de los componentes.3. Presión de operación (que ha de ser inferior a la presión crítica de la mezcla)4. Pérdida de presión del vapor, especialmente para operaciones a vacío.5. Razón de reflujo mínima y razón de reflujo de operación.6. Mínimo número de etapas y número de etapas reales (eficiencia de la etapa).7. Tipo de condensador (total, parcial o una combinación de ambos).

8. Tipo de caldera (total o parcial).9. Tipo de contacto (columna de pisos, de relleno, o de ambos tipos).10. Altura de la columna.11. Piso de entrada del alimento.12. Diámetro de la columna.13. Dispositivos internos de la columna.

Biotransformación: proceso en el que se emplea un sistema enzimático para catalizar reaccionesy microorganismos para la producción de compuestos, en condiciones de trabajo adecuadas.Por ejemplo:

En un biodisgestor: preparar la materia prima la cual se debe mezclar por BM para obtener unarelación C-N adecuada; mantener pH, mantener las células uniformemente distribuidas; mantenerconstante y homogénea la temperatura; minimizar los gradientes de concentración de nutrientes;suministrar oxígeno y asegurar un ambiente estéril.

Biotransformaciòn de biomasa a biofuel por medio de microorganismos mediante hidrólisis yfermentación.

Pos t ra tamiento: serie de operaciones de soporte, que se realizan con el fin de recuperar, purificaro mejorar el producto final. Inciden de manera significativa en la calidad del producto y en el costetotal del biprocesador. El post-tratamiento a diferencia del pre tratamiento y bioprocesamiento, le

confiere un valor agregado al producto. Algunas operaciones unitarias, que conforman en downstream son: ultrafiltración, cromatografía,destilación, adsorción, cristalización Por ejemplo:

En el biodigestor: purificación para separar el CO2 del metano.

Las principales Operaciones Unitarias son:



1. Transporte de fluidos o flujo dinámica2. Evaporación3. Secado4. Destilación5. Absorción (algún componente es removido de una corriente de gas por medio de un líquido)6. Adsorción (algún componente es removido de una corriente de gas o líquido por medio de un

sólido)7. Separación por membrana

1. Extracción líquido-líquido2. Extracción líquido-sólido (sólidos finamente divididos se le extrae un soluto por medio de

un líquido)3. Cristalización4. Separación físico-mecánica (líquidos, sólidos o gases son clasificados por medios

mecánicos Ej. filtración, decantación, reducción de tamaño)

Muchas de las OU poseen mecanismos o principios básicos en común. Ejemplos:

1. Transferencia de movimiento: sedimentación, mezclado, y fluido dinámica.2. Transferencia de masa o difusión: secado, evaporación por membrana, absorción,destilación.

3. Transferencia de calor: secado, destilación, evaporación.

Las operaciones unitarias son comunes en los procesos industriales, sean químicos, físicos obiológicos y se refieren a las etapas individuales y diferenciables entre sí, en que pueden serdivididos tales procesos.

CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS



Cuando se ponen en contacto dos fases que tiene diferentes composiciones es posible que ocurrala transferencia de alguno de los componentes presentes de una fase hacia la otra y viceversa.Esto constituye la base física de las operaciones de transferencia de masa. Si se permite que estasdos fases permanezcan en contacto durante un tiempo suficiente se alcanzará una condición deequilibrio bajo la cual no habría ya transferencia neta de componentes entre las dos fase.

En la mayor parte de los casos de interés que se presentan en las operaciones unitarias detransferencia de masa, las dos fases tienen una miscibilidad limitada, de tal manera que en elequilibrio existen dos fases que pueden separarse una de otra. Los procesos de separación son losejemplos más representativos de las operaciones que se fundamentan en la transferencia demasa.

Ejemplos:

Destilación. Proceso más utilizado en la industria química. Se basa en la diferencia de volatilidadde los componentes. Absorción y Desorción de gases. La absorción de gases involucra latransferencia de un componente soluble, presente en una fase gaseosa, hacia un líquidoabsorbente de baja volatilidad. La desorción es el proceso inverso, es decir, la eliminación de uncomponente de la fase líquida por contacto con una fase gaseosa.

Extracción líquido-líquido. En algunas ocasiones una mezcla líquida puede separarse por contactocon un segundo disolvente, mientras que el resto de los componentes son insoluble

Extracción sólido-líquido. Los componentes de una fase sólida pueden separarse por disoluciónselectiva de la parte soluble de un sólido con un disolvente adecuado. Esta operación se conocetambién como lixiviación. El sólido debe estar finamente dividido para que el disolvente líquido

pueda hacer un contacto más completo. Por lo general el componente deseable es soluble,mientras que el resto es insoluble. Ejemplos: preparación de café, producción de café instantáneo,extracción de aceite.

Con base en la transferencia de calor

La transferencia de calor es un fenómeno que aplica a muchas operaciones y procesos unitarios.Sin embargo, hay un casi en el que es el mecanismo dominante y se denomina como tal:



transferencia de calor.

Los ejemplos más representativos aplican al diseño de intercambiadores y como mecanismo en laoperación de evaporación.

Con base en la transferencia de cantidad de movimientoEl trasporte de movimiento ocurre en los gases y líquidos que fluyen. La operación unitaria básicaes el flujo de fluidos o mecánica de fluidos.Que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos) así como las fuerzas que los provocan.La característica fundamental que define a los fluidos es su incapacidad para resistir esfuerzoscortantes (lo que provoca que carezcan de forma definida). También estudia las interacciones entreel fluido y el contorno que lo limita.Operaciones Unitarias Químicas

Combustión: proceso de oxidación rápida de una sustancia, acompañado de un aumento de calory frecuentemente de luz. En el caso de combustibles comunes, el proceso consiste en unacombinación química con el oxígeno de la atmósfera que lleva a la formación de dióxido decarbono, monóxido de carbono y agua, junto con otros productos como dióxido de azufre, queproceden de los componentes menores del combustible.

Hidratación: Cuando un cuerpo seco (anhídrido), absorbe agua, aunque sea en forma dehumedad, se dice que este cuerpo está hidratado o que ha sufrido el fenómeno de hidratación.

Oxidación: Introducción del oxígeno en un cuerpo de manera que forme parte de su constitucióníntima, tal sería el agua agregar un átomo de oxígeno y formar agua oxigenada también llamadaperóxido de hidrógeno.

Reducción: Separación del oxígeno de un cuerpo para que este resulte puro. En la metalurgia delhierro, por ejemplo se reduce el mineral formado por óxidos y al eliminarse el oxígeno queda elmetal puro. Un cuerpo reductor es el carbono; este caliente y con ayuda de la flama reduce elóxido de plomo, de cobre, etc. al estado de plomo y cobre puro.

Saponificación: Cuando una sustancia grasa es tratado en caliente por medio de una lejía



fuertemente alcalina, se transforma en jabón y se dice que se ha producido una saponificación.

Hidrogenación: Implica la combinación de hidrógeno con ciertos compuestos orgánicos nosaturados, especialmente con los hidrocarburos. La hidrogenación se usa también con moléculasmás complicadas, obteniéndose gran variedad de productos sintéticos importantes en el laboratorioy en la industria.La reacción de hidrogenación se aplica a escala industrial en numerosos procesos, como lahidrogenación de los aceites vegetales para producir numerosas grasas comestibles, por ejemplola margarina. El proceso de hidrogenación se aplica también en la producción de gasolina sintética.

Craqueo: Proceso químico por el cual un compuesto químico, normalmente orgánico, sedescompone o fracciona en compuestos más simples. Este proceso se realiza ya sea por laaplicación de calor y alta presión, mediante el proceso conocido como craqueo térmico, o bien porel craqueo catalítico, que es la combinación de calor y una catálisis. En las refinerías modernas,primero se separa el petróleo por destilación fraccionada. A continuación, casi todas las fraccionesmás pesadas son sometidas a craqueo.En el proceso se forma hidrógeno y carbono.

OPERACIONES UNITARIAS EN LA INDUSTRIA

Las OU son comunes en las diferentes industrias:



Las operaciones unitarias en el proceso de obtención de carbonato de calcio se representan Sedesarrollan dos tratamientos: con ácido clorhídrico: analítico, 37% de concentración (Tratamiento

A), y comercial, 27% de concentración (Tratamiento B).Y cinco ensayos por cada uno sinrepeticiones. El diseño experimental utilizado es completamente al azar, con cuatro variables derespuesta: Masa seca final (g), Gasto de reactivo (ml), Gasto de energía de secado (Watt*hora) y

Absorción atómica (% Ca2+).

El proceso de recuperación de solventes incluye en general las operaciones unitarias mostradas enla Figura 2.1.



Figura 3: Operaciones unitarias en la producción de azúcar

REFINO DEL AZUCAR DE CAÑA

El azúcar común blanco granulado tiene un porcentaje de sacarosa que es del 99.9%, y es una delas sustancias, más puras de todas las producidas a partir de materias primas naturales en grancantidad. El azúcar se obtiene a partir de la caña de azúcar y de la remolacha azucarera



El azúcar de caña se produce en dos bloques, principalmente de operaciones de proceso. Esimportante saber que el proceso preliminar tiene lugar cerca de donde crece la caña de azúcar yconsiste en las siguientes etapas:

1.- Lavado y molienda: La caña de azúcar se lava con chorros de agua para de esta maneraliberar cualquier desecho del campo, a continuación se corta en trozos cortos. Estos trozos sepasan a través de radios a elevada presión que sacan el jugo cargado de azúcar de las células



vegetales. Finalmente se añade agua a la molienda y así se extrae las últimas porciones de azúcardisponible. La pulpa de caña resultante se conoce como bagazo y se utiliza como combustible ypara la manufactura de tableros de fibra aislante

2.- Clarificación : Se añade lechada de cal [Ca (OH)2] al jugo azucarado, al cual se lo calienta. El jugo pasa a continuación a grandes recipientes de reposo en los que sedimentan y se extrae lamaterial coloidal coagulada y las sales cálcicas insolubles. El residuo extraído del fondo delclarificador se filtra para recuperar jugo adicional, que se recircula.

En la siguiente figura, podemos ver un diagrama de flujo de una gran refineria de azúcar

Como primera etapa, los cristales de azúcar en bruto se mezclan con jarabe de reciclado en

mezcladoras de modo que ablandan la película de melazas adherida a los cristales. Este jarabe seelimina en centrífugas y se recircula y se procesa para una posterior recuperación de azúcar. Loscristales de azúcar (ahora con un contenido de 99% de azúcar) se disuelven a continuación conagua caliente y se tratan en recipientes denominados tachos de inflado o defecación con hidróxidode cálcico y ácido fosfórico de modo a precipitar las sustancias extrañas que forman compuestosinsolubles con estos productos químicos. Se añade tierra diatomeas, un material porosoesponjoso, como un coadyuvante a la filtración. Sirve para proporcionar extensa cantidad desuperficie sólida que facilita la eliminación insoluble en la subsiguiente etapa de filtración



En la siguiente figura se muestra el enorme filtro del tipo de hojas utilizado en la planta.

.El jarabe azucarado se pasa a continuación lentamente a través de grandes lechos de gránulos decarbón de origen animal. El propósito de esta etapa es adsorber en la superficie del carbón dehuesos las sustancias de color y otras impurezas restantes. La solución de azúcar se liberaentonces del exceso de agua por ebullición en evaporadores calentados con vapor o calderas otachos. Algunas veces se añade un coadyuvante de filtración (tierra de diatomeas) para formar unmedio filtrante todavía más efectivo en la superficie de la malla o tejido. La filtración es unaseparación basada en el tamaño, mientras que la sedimentación es una separación basada en ladensidad.

3. Centrifugación: Se hace girar rápidamente una suspensión de sólidos en un líquido. La fuerzacentrífuga devisa a la rotación ayuda a la separación de las fases. Las centrífugas pueden operarde acuerdo con el principio de la sedimentación, siendo la fase más densa la que separa debido ala fuerza centrífuga de cesta donde la malla de la cesta retiene las partículas sólidas y la fuerzacentrífuga causa que el líquido fluya a través de los sólidos en la cesta más rápidamente que en unfiltro ordinario.

4. Tamizado : clasificación por tamaño del cristal. Las partículas se agitan sobre un tamiz. Laspartículas más pequeñas pasan a través del tamiz mientras las partículas mayores quedanretenidas.

5. Expresión : rodillos de molienda. Se utiliza fuerza mecánica para extraer líquido de unasustancia contenido ambos fase sólida y fase líquida.



6.- Lavado y lixiviación: eliminación de desechos, adición de agua a los rodillas de molienda,mezcladores. El material soluble se elimina de una mezcla de sólidos por disolución en undisolvente líquido-

7. Precipitación. Tanques de cal, tachos de defecación. Se añade un reactante químico a unasolución líquida de modo que provoca que alguna, pero no todas, de las sustancias en soluciónformen nuevos compuestos insolubles.

8. Evaporación : Evaporadores, tachos a vacío. Se añade calor a un líquido que contiene solutos ovolátiles en un disolvente volátil. El disolvente se evapora obteniéndose una solución másconcentrada. El disolvente puede recuperarse condensando el vapor.

Es importante saber que el efluente del reactor necesariamente es una mezcla de compuestosquímicos: el producto deseado, subproductos, reactantes no convertidos y posiblemente elcatalizador de la reacción. El producto deseado debe separarse de esta mezcla en formarelativamente pura, y se deberán los reactantes no convertidos y el catalizador para surecirculación. Todos los reactantes pueden necesitar unpre purificación. Para lo cual se necesita un

proceso de separación. El 50 a 90% del capital invertido corresponde al equipo de separación enprocesos petrolquímicos a gran escala en los que intervienen reacciones químicas.

La separación puede ser la principal función de un proceso completo, como se lo explicóanteriormente en el proceso de refino de azúcar y de procesos tan diversos como la deshidrataciónde alimentos, la separación de minerales por flotación y la manufactura de oxígeno del aire.

A continuación se presenta una tabla de las clases de procesos de separación



BALANCE DE ENERGÍA BIODIGESTORES

Mecanismos de transferencia de calor:Conducción: Se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía

cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductoreseléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francésFourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de laconducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calora través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente detemperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).



Convección:

Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que seproducirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otrapor un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si secalienta un líquido o un gas, su densidad suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en elcampo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío ymás denso desciende.

Radiación

La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: lassustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estarseparadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase defenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación puedendescribirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de laradiación electromagnética es la teoría cuántica.



EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN Liquido-LiquidoExtracción por etapas:Mezclador - sedimentadorTorres platos perforadosColumnas de bandejasExtracción por contacto continuo:Torres de pulverizaciónTorres de rellenoColumnas pulsadas

Extractores centrífugos



AbsorciónEs la operación unitaria que consiste en la separación de uno o más componentes de una mezclagaseosa con la ayuda de un solvente líquido con él, cual forma solución (un soluto, o variossolutos,se absorben de la fase gaseosa y pasan a la líquida). Este proceso implica una difusión molecular



turbulenta o una transferencia de masa del soluto a través del gas, que no se difunde y está enreposo, hacia un líquido, también en reposo. Un ejemplo esla absorción de amoníaco del aire por medio de agua líquida o una salmuera o el SO2 procedentede una tostación mediante DMA. Al proceso inverso dela absorción se le llama empobrecimiento odes absorción; cuando el gas es aire puro y el líquido es agua pura, el proceso se llama deshumidificación.LAVADOR DE GASES.Generalmente, el diseño pretende determinar:1. El mejor disolvente;2. La velocidad óptima del gas a través de la columna, es decir, el diámetro de ésta;3. La altura de la columna y sus elementos interiores, lo que significa la altura y el tipo de relleno oel número de pisos de contacto;4. El caudal óptimo del disolvente a través del absorbedor;5. Las temperaturas de las corrientes que entran a la columna y que salen de ella y la Cantidad decalor a eliminar para compensar el calor de disolución y otros efectos térmicos;6. Las presiones a las que deberán operar las columnas de absorción.7. El diseño mecánico de los recipientes (normalmente columnas o torre.

En el planteamiento del problema de diseño de una unidad de absorción de gases se especifican,generalmente, las magnitudes siguientes:1. caudal de gas;2. composición del gas, al menos con respecto al componente o a los componentes que debenabsorberse;3. presión de operación y pérdida de carga admisible a través del aparato;4. mínimo grado de recuperación de uno o más solutos, y, posiblemente,5. el disolvente a utilizar.

Tablas de solubilidades en agua:



En las industrias de procesos químicos y físicos, así como en las de procesos biológicos y dealimentos, existen muchas semejanzas en cuanto a la forma en que los materiales de entrada o dealimentación se modifican o se procesan para obtener los materiales finales o productos químicoso biológicos. Es posible considerar estos procesos químicos, físicos o biológicos, aparentementedistintos, y clasificarlos en una serie de etapas individuales y diferentes llamadas operacionesunitarias. 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 separaralcohol en la industria de las bebidas y también para separar los hidrocarburos en la industria delpetróleo. El secado de granos y otros alimentos es similar al secado de maderas.

La operación unitaria absorción se presenta en la absorción de oxigeno del aire en los procesos defermentación o en una planta de tratamiento de aguas, así como en la absorción de hidrógenogaseoso en un proceso de hidrogenación líquida de aceites.La evaporación de salmueras en la industria química es similar a la evaporación de soluciones deazúcar en la industria alimenticia. La sedimentación de sólidos en suspensiones en las industriasde tratamiento de aguas y minería, es una operación similar. El flujo de hidrocarburos líquidos enrefinerías de petróleo y el flujo de leche en una planta de productos lácteos se llevan a cabo demanera semejante.Las operaciones unitarias estudian principalmente la transferencia y los cambios de energía, latransferencia y los cambios de materiales que se llevan a cabo por medios físicos, pero tambiénpor medios fisicoquímicos. A continuación se describen las operaciones unitarias más importantesy que corresponden a aquellas que se pueden combinar en diversas secuencias en un proceso.

1.1.2 Clasificación de las operaciones unitarias

1.1.2.1. Flujo de fluidos . Estudia los principios que determinan el flujo y transporte de cualquierfluido de un punto a otro.

1.1.2.2. Transferencia de calor . Esta operación unitaria concierne a los principios que gobiernanla acumulación y transferencia de calor y de energía de un lugar a otro.1.1.2.3. Evaporación . Éste es un caso especial de transferencia de calor, que estudia laevaporación de un disolvente volátil (como el agua), de un soluto no volátil como la sal o cualquierotro tipo de material en solución.1.1.2.4. Secado. Separación de líquidos volátiles casi siempre agua de los materiales sólidos.1.1.2.5. Destilación. Separación de los componentes de una mezcla líquida por medio de laebullición basada en las diferencias de presión de vapor.1.1.2.6. Absorción. En este proceso se separa un componente gaseoso de una corriente portratamiento con un líquido.1.1.2.7. Separación de membrana. Este proceso implica separar un soluto de un fluido mediantela difusión de este soluto de un líquido o gas, a través de la barrera de una membranasemipermeable, a otro fluido.1.1.2.8. Extracción líquido-líquido. En este caso, el soluto de una solución líquida se separaponiéndolo en contacto con otro disolvente líquido que es relativamente inmiscible en la solución.1.1.2.9. Adsorción. En este proceso, un componente de una corriente líquida o gaseosa esretirado y adsorbido por un adsorbente sólido.1.1.2.10. Lixiviación líquido-sólido. Consiste en el tratamiento de un sólido finamente molido conun líquido que disuelve y extrae un soluto contenido en el sólido.1.1.2.11. Cristalización. Se refiere a la extracción de un soluto, como la sal, de una solución por



precipitación de dicho soluto.1.1.2.12. Separaciones físico-mecánicas. Implica la separación de sólidos, líquidos o gases pormedios mecánicos, tales como filtración, sedimentación o reducción de tamaño, que por lo generalse 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 másfundamental de los procesos de transporte o de transferencia.1.1.3 Procesos fundamentales de transporte

1.1.3.1. Transferencia de momento lineal. Se refiere a la que se presenta en los materiales enmovimiento, como en operaciones unitarias de flujo de fluidos, sedimentación y mezclado.1.1.3.2. Transferencia de calor. En este proceso fundamental se considera como tal a latransferencia de calor que pasa de un lugar a otro; se presenta en las operaciones unitarias detransferencia de calor, secado, evaporación, destilación y otras.

1.1.3.3. Transferencia de masa. En este caso se transfiere masa de una fase a otra fasediferente; el mecanismo básico es el mismo, ya sea que las fases sean gaseosas, sólidas olíquidas. Este proceso incluye destilación, absorción, extracción líquido-líquido, separación pormembranas, adsorción y lixiviación.

Humidificación

La humidificación es una operación que consiste en aumentar la cantidad de vapor presente enuna corriente gaseosa; el vapor puede aumentar pasando el gas a través de un líquido que seevapora en el gas. Esta transferencia hacia el interior de la corriente gaseosa tiene lugar pordifusión y en la interfase hay, simultáneamente, transferencia de calor y de materia. Los procesosque tiene lugar en la operación de humidificación son:1.- Una corriente de agua caliente se pone en contacto con una de aire seco (o con bajo contenidoen humedad).2.- Parte del agua se evapora, enfriándose así la interfase.3.- El seno del líquido cede entonces calor a la interfase, y por lo tanto se enfría.4.- A su vez, el agua evaporada en la interfase se transfiere al aire, por lo que se humidifica.Tipos de rellenoLos productos típicos de relleno y sus características son:RELLENO ALEATORIO.• Anillo Pall (Pall ring) en tamaño de 5/8 a 3 in • Silla Intalox (Intalox Sad dle) en ta-maño de 1/4 a 2 in

• Anillo Raschig (Raschig ring) en tamaño de 1/4 a 3 in • Anillo Lessing (Lessing ring) en tamaño de 3 a 6 in • Silla Berl (Berl saddle) en tamaño de 1/4 a 2 in RELLENO ESTRUCTURADO• A base de anillos raschig o partición cruzadaEsquema de la unidad de separación liquido-liquido usada en nuestro laboratorio.



Tipos de rellenos

OPERACIONES UNITARIAS en los procesos industriales

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