Introduccin

Operaciones UnitariasOperaciones unitariasEn las industrias de procesos qumicos y fsicos, as como en las de procesos biolgicos y de alimentos, existen muchas semejanzas en cuanto a la forma en que los materiales de entrada o de alimentacin se modifican o se procesan para obtener los materiales finales de productos qumicos o biolgicos.

Es posible considerar estos procesos qumicos, fsicos o biolgicos, aparentemente distintos, y clasificarlos en una serie de etapas individuales y diferentes llamadas operaciones unitarias. Estas operaciones unitarias son comunes a todos los tipos de industrias de proceso.PRODUCTOSFINALESPROCESOMATERIASPRIMASProcesos fundamentales de transporteTransferencia de momento lineal: Se refiere a la que se presenta en los materiales en movimiento, como en operaciones unitarias de flujo de fluidos, sedimentacin y mezclado.Transferencia de calor: En este proceso fundamental se considera como tal a la transferencia de calor que pasa de un lugar a otro, se presenta en las operaciones unitarias de transferencia de calor, secado, evaporacin, destilacin y otras.Transferencia de masa: En este caso se transfiere masa de una fase a otra fase diferente, el mecanismo bsico es el mismo, ya sea que las fases sean gaseosas, slidas o liquidas. Este proceso incluye destilacin, absorcin, extraccin liquido-liquido, separacin por membranas, adsorcin y lixiviacin.Clasificacin de las operaciones unitariasFlujo de fluidos. Estudia los principios que determinan el flujo y transporte de cualquier fluido de un punto a otro.

Transferencia de calor. Esta operacin unitaria concierne a los principios que gobiernan la acumulacin y transferencia de calor y de energa de un lugar a otro.

Evaporacin. ste es un caso especial de transferencia de calor, que estudia la evaporacin de un disolvente voltil (como el agua), de un soluto no voltil como la sal o cualquier otro tipo de material en solucin.

Secado. Separacin de lquidos voltiles casi siempre agua de los materiales slidos.

Destilacin. Separacin de los componentes de una mezcla lquida por medio de la ebullicin basada en las diferencias de presin de vapor.

Absorcin. En este proceso se separa un componente gaseoso de una corriente por tratamiento con un lquido.

Separacin de membrana. Este proceso implica separar un soluto de un fluido mediante la difusin de este soluto de un lquido o gas, a travs de la barrera de una membrana semipermeable, a otro fluido.

Extraccin lquido-lquido. En este caso, el soluto de una solucin lquida se separa ponindolo en contacto con otro disolvente lquido que es relativamente inmiscible en la solucin.

Adsorcin. En este proceso, un componente de una corriente lquida o gaseosa es retirado y adsorbido por un adsorbente slido.

Lixiviacin lquido-slido. Consiste en el tratamiento de un slido finamente molido con un lquido que disuelve y extrae un soluto contenido en el slido.

Cristalizacin. Se refiere a la extraccin de un soluto, como la sal, de una solucin por precipitacin de dicho soluto.

Separaciones fsico-mecnicas. Implica la separacin de slidos, lquidos o gases por medios mecnicos, tales como filtracin, sedimentacin o reduccin de tamao, que por lo general se clasifican como operaciones unitarias individuales.Proceso y Operacin UnitariaProceso: Conjunto o secuencia de operaciones unitarias que modifican una materia prima para transformarla en un producto comercial o insumo.

Operacin unitaria: Etapa de un proceso, donde se realiza una modificacin especfica de una corriente.Diagrama de bloquesDiagrama de flujosCorrientes de un ProcesoDescripcin y Representacin

Diagrama de bloques: Esquema simplificado del proceso donde se representan las principales etapas

Diagrama de flujos: Representacin esquemtica del proceso, donde se ilustran sus caractersticas esencialesSecuencia en que ocurren las operaciones unitarias. Equipos utilizados para realizar cada operacin.Flujos de materia y energa

Corrientes de un ProcesoFlujos de materia que ingresan (alimentacin) o salen (producto) de una operacin unitaria o equipoFormadas por varias sustancias o compuestos qumicosFormadas por ms de una fase (ej. slido en suspensin en un lquido)Una corriente se caracteriza por su composicin, su presin y su temperatura Fraccin msica o fraccin molarFraccin msica de A = Masa de A/Masa total Fraccin molar de A = Moles de A/Moles totales Las fracciones siempre suman 1 Fraccin msica Fraccin molar

ppm (parte por milln) = Fraccin x 106

Razn de composicinRazn msica = Masa de A/Masa de B Razn molar = Moles de A/Moles de BComposicin de una corriente

Sistemas de unidades Anlisis dimensionalMedicinDebe ser preciso, sin ambigedades. Por ejemplo, es ms claro decir que el plomo tiene una densidad de 11,34g/cm3, que decir que el plomo es denso

Para poder medir deben cumplirse las siguientes condiciones:Tener una definicin precisa (qu es longitud en el caso de una varilla)Tener un estndar (el metro, pi)Un medio de comparacin (colocar, el metro sobre la varilla y ver cuantas veces es mayor una de la otra)

Magnitud y unidadDimensin o Magnitud medibleUna propiedad fsica, como masa o fuerza, longitud, tiempo, temperatura o una combinacin de ellas considerada como una medida fundamental de una cantidad. Puede ser bsica, suplementaria o derivada.

UnidadUna cantidad definida y precisa de una determinada magnitud C.

EstndarNo todas las propiedades se pueden expresar en forma cuantitativa. Por ejemplo el olor y sabor. De las propiedades que se han reducido a medida unas pocas han llegado a considerarse bsicas, ellas son:Masa (m): cantidad de materiaLongitud (L): menor distancia entre dos puntosTiempo (t): intervalo entre dos sucesosTemperatura (T): potencial que moviliza el calor, o bien grado de fro o calor que determina el flujo de energa calrica de un cuerpo a otroDimensiones y Sistemas de unidadesSistema Internacional (SI) MKS (metro, kilogramo, segundo, C)cgs (centimetro, gramo, segundo, C)

Sistema Inglspls (pie, libra, segundo, F)

Unidades bsicas del Sistema InternacionalPropiedad fsicaNombre de la unidadSmboloLongitudMetromMasaKilogramokgTiempoSegundosCorriente elctricaAmperioATemperaturaKelvinKIntensidad luminosaCandelacdCantidad de sustanciaMolmol19Propiedad fsica Nombre de la unidad Smbolo rea Metro cuadrado m2 Volumen Metro cbico m3 Densidad Kg por metro cbico kg/m3. Fuerza Newton N (kg.m/s2) Presin Pascal Pa (N.m-2) Energa Julio (N m)J (kg m2 s-2) Carga elctrica Coulombio C (A.s) PotenciaWattsJ s-1Resistencia Ohmio (V.A-1) Unidades derivadas20Los sistemas mtrico y SI son sistemas decimales, en los que se utilizan prefijos para indicar fracciones y mltiplos de diez. Prefijo Smbolo Significado Ejemplo Tera T 1012 1 terametro(TM)=1x1012m Giga G 109 1 gigametro(Gm)=1x109m Mega M 106 1megametro(Mm)= 1x106m. Kilo K 103 1kilmetro(Km) = 1x103m. deci d 10-1 1decmetro(dm) = 1x10-1m centi c 10-2 1centmetro(cm)= 1x10-2m mili m 10-3 1milmetro(mm) = 1x10-3m. micro m 10-6 1micrmetro(mm) =1x10-6m nano n 10-9 1nanmetro(nm) = 1x10-9m pico p 10-12 1picmetro(pm) = 1x10-12m 21El sistema cgs1g masa(g)= 1 x 10-3 kg masa (kg)

1 cm= 1 x 10-2 m

1 dina = 1 g cm/s2

1 erg = 1 dina cm = 1 x 10-7 joule (J)

g = 980.665 cm/s2El sistema ingls (pls)1lb masa(lbm)= 0,45359 kg

1 pie = 0,30480 m

1 lbf = 4,4482 newtons (N)

1 pie lbf = 1,35582 newton m = 1 ,35582 joules (J)

g = 32,174 pie/s2

1 lb/pulg2 abs = 6,89476 x 103 N/m2

Mtodo de las equivalenciasMtodo de las igualdadesNmero de unidades de varios sistemas que expresen la misma magnitud.1 libra 453,6 g 0,4536 Kg1 BTU 252 cal 1055 JNmero de unidades en un sistema en funcin del nmero de unidades en otro.

Mtodos de Conversin de unidades Celsius100C0C-273CFahrenheit212F32F- 459FKelvin373k273k0.0 k

Conversin de unidades de Temperatura

Consistencia dimensionalAl sustituir las variables de una ecuacin por las dimensiones que correspondan, ambos trminos de la ecuacin tendrn las mismas dimensiones.

Ecuaciones dimensionalesEcuaciones adimensionales

Ecuaciones dimensionales homogneas: proceden de leyes fsicas.Las constantes son adimensionalesLos trminos tienen las mismas dimensionesDividir por uno de los trminos elimina las dimensiones y crea grupos adimensionales

Ecuaciones dimensionales heterogneas: suelen proceder de estudios experimentales. Las constantes tienen dimensiones.Se formulan en un sistema de unidades concreto.Ejemplo

Determinar las dimensiones de cada una de las variables: [x] = L, [a] = L/T2=LT-2, [t] = T2Igualar las dimensiones de cada variable: [x] =[a][t]2Sustituir las dimensiones de cada variable: L = (LT-2)(T)2Operar algebraicamente con las dimensiones (agrupar las dimensiones iguales y aplicar propiedades de potencias):

L = L (T-2) * (T)2 = L T (-2+2) = LT0 = L

La descarga por un tubo capilar horizontal se piensa que depende de la cada de presin por unidad de longitud, el dimetro y la viscosidad. Encuentre la forma de la ecuacin.DescargaQLT

Cada de presin por unidad de longitud

p/lMLTDimetroDL

ViscosidadMLT

L:M:T:

,,

El calor especfico de una sustancia viene dado por la ecuacin c=a+bt2 , donde a y b son constantes y t es la temperatura en grados centgrados. El calor necesario para aumentar la temperatura de una masa m de la sustancia desde 0C hasta TC es:c = a+b*t2 Q = m*c*TDatos:

a)

b)

c)