TIC 1 : Definición de las Operaciones Unitarias.

 

1. Definición de las Operaciones Unitarias.

Las operaciones unitarias son aquellas que implican tratamientos físicos a la materia prima con el objetivo de obtener los productos deseados a partir de esta. 
Generalmente un proceso puede descomponerse en la siguiente secuencia:

• Obedecen a las leyes de la conservación de la masa y la energía, así como también la cantidad de movimiento.

• Facilitan el transporte de la materia prima (este en estado líquido, sólido o gaseoso) hacia los reactores.

• Favorecen la separación efectiva de un componente específico de una mezcla de productos.

• Buscan modificar su condición a través del gradiente de una de sus propiedades fisicoquímicas.

• Esto se logra generando un gradiente en la masa, en la energía o en la cantidad movimiento.

No solo en la industria existen innumerables ejemplos de estas operaciones, sino además en la cocina. Por ejemplo, al batir una porción de leche líquida se obtiene crema y leche descremada.

2. Clasificación de las operaciones unitarias.

2.1 Transferencia De Materia.

Absorción.

Es la operación unitaria que consiste en la separación de uno o más componentes de una mezcla gaseosa con la ayuda de un solvente líquido con el, cual forma solución (un soluto, o varios solutos, se absorben de la fase gaseosa y pasan a la líquida).

Destilación.

La destilación es la operación de separar, mediante evaporización y condensación, los diferentes componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada una de las sustancias.

Extracción.

Se trata de una operación unitaria de transferencia de materia basada en la disolución de uno o varios de los componentes de una mezcla y de esta se recupera el solvente y el soluto por separado.

Adsorción.

Operación de separación en la que ciertos componentes de una fase fluida se transfieren hacia la superficie de un sólido, donde quedan unidos mediante fuerzas de naturaleza física (adsorción física) o bien

Posteriormente, el sólido adsorbente se libera del adsorbato mediante la operación de desorción.

2.2 Transferencia Simultanea De Materia Y Energía.

Cristalización.

Operación de separación líquido-sólido en la cual se produce la transferencia de un soluto desde una disolución a una fase sólida cristalina del mismo, mediante un cambio en la temperatura o en la composición.

Secado.

Operación de separación líquido-sólido cuyo objetivo es separar un líquido volátil de un sólido no volátil por vaporización.
Se diferencia de la evaporación en:

•  La relación de cantidad de agua evaporada a producto tratado es mucho menor en el secado.

• La temperatura de operación es por lo general menor, pues para secar no es necesario alcanzar la ebullición.

El secado suele ser la operación de acabado de los productos sólidos que tiene como finalidad facilitar su manipulación o su conservación. Se usa ampliamente en la industria agroalimentaria, pues por debajo de un 10% de humedad los microorganismos ya no son activos y por debajo del 5% de humedad los alimentos conservan mejor las propiedades nutritivas y los aromas.

2.3 Transferencia De Calor.

En esta operación unitaria concierne a los principios que gobiernan la acumulación y transferencia de calor y energía de un lugar a otro donde los mecanismo son

Conducción.

Se produce cuando ponemos en contacto un cuerpo que se encuentra a distinta temperatura, fluyendo el calor de donde hay más a menos temperatura.

Convención.

El calor se transmite debido al movimiento de una masa fluida que transporta el calor y transfiriéndosela a otra masa fluida con la que entra en contacto durante su recorrido mediante una mezcla de porciones de ambas.

Puede ser natural o forzada:

• Natural: El movimiento de fluidos se produce por diferentes densidades entre fluidos.                            
• Forzada: El movimiento del fluido lo produce un elemento externo, como por ejemplo una bomba, ventilador, etc.

Radiación.

Es la transmisión de calor mediante ondas electromagnéticas. Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética, siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada.

Evaporación.

 Su objetivo es la concentración de una disolución diluida por un soluto y por un disolvente volátil mediante la evaporación parcial de dicho componente.

 

2.4 Transferencia De Cantidad De Movimiento (Flujo De Fluidos)

Dentro de estas operaciones entrarían aquellas destinadas a impulsar el fluido

Filtración.

La filtración es una operación de separación sólido-fluido basada en la retención de las partículas de un tamaño superior a un valor dado por una malla filtrante. Se utiliza tanto para aprovechar el sólido presente en la suspensión a filtrar como para disminuir la turbidez de un líquido o eliminar las partículas suspendidas en un gas.

Estas se pueden dividir en 2 tipos

Fluidización y transporte neumático: Al hacer circular un gas sobre un lecho de sólido de pequeña granulometría, el sólido es arrastrado por éste y la corriente pierde presión. Si el caudal de fluido aumenta, el creciente rozamiento entre partículas y el gas hace que las partículas del lecho se mantengan suspendidas en el fluido y no descansando sobre otras, estando el lecho fluidizado.

Filtración: Permite la separación de sólidos de un fluido mediante una malla filtrante que retendrá aquellos sólidos de un tamaño superior al establecido cuando circule el fluido a través de ella.

Centrifugación.

La centrifugación está basada en la distinta velocidad de desplazamiento de las partículas en un medio líquido al ser sometidas a un campo centrífugo y es aplicable a separaciones sólido-líquido y a la separación de dos líquidos inmiscibles con o sin la presencia de sólidos. Tanto una como otra se basan en la diferencia de densidades entre ambas fases.

Existen tres tipos fundamentales de separadores centrífugos:

CENTRIFUGADOR "TUBULAR-BOWL". Gira a velocidades muy altas, generando fuerzas centrífugas del orden de 13.000 veces la fuerza de la gravedad. Está construido para operar con caudales de entre 200 y 2.000 L/h.

CENTRIFUGADOR "DISK-BOWL". Gira a una velocidad inferior al anterior y genera una fuerza centrífuga 7.000 veces la de la gravedad. Puede manejar caudales de hasta 20.000 L/h con cantidades moderadas de sólidos.

CENTRIFUGADOR "SOLID-BOWL". Su velocidad de giro provoca fuerzas centrífugas de 3.000 veces la de la gravedad. Es capaz de trabajar con corrientes que contienen gran cantidad de sólidos, separando hasta 50 T/h.

Sedimentación.

La sedimentación se utiliza para separar las partículas sólidas dispersas en un líquido. La diferencia de densidades entre las partículas sólidas y el líquido hace que, aunque éste último tenga un movimiento ascendente y las partículas sólidas sedimenten, depositándose en el fondo de donde son eliminadas en forma de lodos. La viscosidad del líquido frena las partículas sólidas, que deben vencer el rozamiento con el líquido en el movimiento de caída.

3. Campo de aplicación de las Operaciones Unitarias en la Industria .

Transferencia de Masa.

Refinación del petróleo .

Para separar los diversos hidrocarburos y derivados del petróleo, se lleva a cabo un método de destilación fraccionado que permite almacenar en diversas capas o compartimientos cada uno de estos compuestos derivados, a partir de la cocción del petróleo crudo. Los gases se elevan y las sustancias densas como el asfalto y la parafina caen por separado.

Existe un mayor contacto entre los vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes placas. Facilitando el intercambio de calor entre los vapores (que ceden) y los líquidos (que reciben). Ese intercambio produce un intercambio de masa, donde los líquidos con menor punto de ebullición se convierten en vapor, y los vapores de sustancias con mayor punto de ebullición pasan al estado líquido.

El petróleo crudo pasa primero por un horno, donde se calienta (hasta un máximo 400 °C), y se convierte en vapor, pasando luego hacia las altas torres. Una vez en las torres, los vapores ingresan (por debajo) y suben hasta llegar a las bandejas. Mientras los vapores van subiendo, se van enfriando, ya que pierden calor y se depositan automáticamente en sus respectivas bandejas. Luego de entrar en las bandejas, cada sustancia tiene ya su lugar determinado, mientras que el resto del petróleo que no se evaporó (crudo reducido) cae hacia la base.

De esta manera se obtienen: gasóleos, acpm, queroseno, turbosina, nafta y gases ricos en butano y propano. Los demás derivados del petróleo se obtienen luego, al realizarse otros procesos químicos al crudo reducido.

Transferencia de Calor.

Industria Láctea (Proceso de Pasterización).

La pasteurización es el tratamiento térmico mas usado para la conservación de alimentos, en este caso citamos en ejemplo de la leche pasteurizada por HTST (altas temperaturas en un corto tiempo).

Aquí la leche circula en un tubo o se desliza en una placa que se encuentra a una temperatura elevada. Esta placa o tubo es el medio que le transfiere calor al alimentos y por ende energía térmica es decir ocurre una fase de calentamiento. Este mecanismo de trasferencia de calor es por convección.

Transferencia Simultanea De Energia Y Masa.

Humificación en la industria automotriz.

Humidificación para la industria automotriz. Se utilizan principalmente en las cabinas de pintura que requieren de una humedad relativa constante del 72 por ciento, para reducir la evaporación de la pintura, garantizando que ésta sea aprovechada al máximo y evitar que haya filtraciones de polvo; en los bancos de lijado, para suprimir el polvo y la estática del ambiente, lo que reduce drásticamente el tiempo de lijado; y en las celdas de prueba de motores, donde las pruebas de emisiones de escape deben llevarse a cabo en un ambiente controlado de temperatura y humedad.

Transferencia De Cantidad Y Movimiento 

Industria Harinera 

En la industria, existen al menos dos formas para procesar el grano de maíz y sus derivados: por lotes y continua. El proceso continuo es conocido como extrusión y, entre otros, se utiliza para fabricar masa fresca. Se hace uso de bombas para que exista una correcta transferencia de flujo de fluido, asi evitando pérdida de flujo debido las capacidades de presión, sobre todo cuando se requiere del flujo de harinas viscosas a través de tuberías.

4. Conclusiones 

Una operación unitaria consiste en un área de proceso, cuyo objetivo es transformar la materia prima en producto terminado por medio de la generación de un gradiente en la masa, en la energía o en la cantidad movimiento. Como pasa en el caso de los procesos de destilación, absorción, centrifugación, tamización y adsorción.

Los diferentes tipos de Operaciones Unitarias describen y dan valor agregado a varias de las actividades que se llevan a cabo en las diferentes ingenierías, entre ellas, la Ingeniería Industrial. Ya que, esta serie de procesos, se ejecuta en Industrias de todo tipo: Textiles, de hidrocarburos, de alimentos, siderúrgica, entre muchas otras, es importante que el Ingeniero tenga los conocimientos necesarios y la capacidad de supervisar cada uno de los procesos mencionados anteriormente, es decir, etapas físicas, químicas, y bioquímicas.

5.Bibliografia 

• Becerra, V. (17 de enero de 2013). Slideshare. Obtenido de https://es.slideshare.net/vitoly12/operaciones-unitarias-16048476

• Castro. (s.f.). Obtenido de http://www4.ujaen.es/~ecastro/proyecto/index.html

• dSpace. (s.f.). Obtenido de https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/20298/1/tema_7.pdf

• Ingelibre. (28 de febrero de 2014). Obtenido de https://ingelibreblog.wordpress.com/2014/02/28/operaciones-basicas-transferencia-de-calor-calor-y-materia-y-de-movimiento/

• Senati . (2010). Obtenido de http://gomez2010.weebly.com/uploads/5/8/0/2/5802271/semana_19-operaciones_industriales.pdf

• Sgpwe. (2020). Obtenido de http://sgpwe.izt.uam.mx/files/users/uami/hja/file/Mec_Fluid_CBS/FenomenosDeTransporte_Bird_parte_Iv2.pdf

• UTN. (2019). Obtenido de http://frch.utn.edu.ar/docum/IP/Operaciones_Unitarias_I.pdf