INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA

ING. FERNANDO CANO LEGUA

Desde su concepción como base del estudio de las tecnologías que en su época significaban la transformación de materias primas en productos requeridos por el mercado, las operaciones unitarias han demostrado ser la piedra angular de numerosos procesos industriales y su valor práctico trasciende al incrementar la generación de utilidades para las empresas, en la medida que se incorporan nuevas tecnológicas que brindan mayor eficiencia a cada una de ellas.

Por ello, el estudio y comprensión de las operaciones unitarias y los procesos de separación juegan un papel relevante en el formación integral de los futuros ingenieros químicos, bioquímicos y ambientalistas con la firme convicción de que sus aplicaciones habrán de permitir que las organizaciones empresariales sean de permitir que las organizaciones empresariales sean competitivas en el ámbito internacional.

OPERACIONES UNITARIAS QUÍMICAS

Una operación unitaria puede definirse como un área del proceso o un

equipo donde se incorporan materiales, insumos o materias primas y

ocurre una función determinada, son actividades básicas que forman parte

del proceso. Por ejemplo, la producción de pulpa o el descortezado en una

fábrica 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 Ilevan a 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 una serie de

operaciones físicas y químicas que, 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 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 1915 por el profesor Little, del Massachussets Institute

of. Technology (M.I.T). La definición dada entonces, fue la siguiente: "...

todo proceso químico conducido en cualquier escala puede

descomponerse en una serie ordenada de lo que pudieran Ilamarse

OPERACIONES UNITARIAS, como pulverización, secado, cristalización,

filtración, evaporación, destilación... El número de estas operaciones

básicas no es muy grande, y generalmente sólo unas cuantas de ellas

intervienen en un proceso determinado."

CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS Y LOS PROCESOS DE TRANSPORTE

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 de productos químicos o biológicos. Es

posible considerar estos procesos químicos, físicos o biológicos, 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.

Por ejemplo, la operación unitaria conocida como destilación se usa para

purificar o separar alcohol en la industria de las bebidas y también para separar

los hidrocarburos en la industria del petróleo. El secado de granos y otros

alimentos es similar al secado de maderas, precipitados filtrados y estopa de

rayón.

La operación unitaria absorción se presenta en la absorción de oxigeno del aire

en los procesos de fermentación o en una planta de tratamiento de aguas, así

como en la absorción de hidrógeno gaseoso en un proceso de hidrogenación

líquida de aceites.

La evaporación de salmueras en la industria química es similar a la evaporación

de soluciones de azúcar en la industria alimenticia. La sedimentación de sólidos

en suspensiones en las industrias de tratamiento de aguas y minería, es una

operación similar. El flujo de hidrocarburos líquidos en refinerías de petróleo y el

flujo de leche en una planta de productos lácteos se llevan a cabo de manera

semejante.

Las operaciones unitarias estudian principalmente la transferencia y los cambios

de energía, la transferencia y los cambios de materiales que se llevan a cabo por

medios físicos, pero también por medios fisicoquímicos.

1. Flujo de fluidos. Estudia los principios que determinan el flujo y transporte de cualquier fluido de un punto a otro.

2. Transferencia de calor. Esta operación unitaria concierne a los principios que gobiernan la acumulación y transferencia de calor y de energía de un lugar a otro.

3. Evaporación. Éste es un caso especial de transferencia de calor, que estudia la evaporación de un disolvente volátil (como el agua), de un soluto no volátil como la sal o cualquier otro tipo de material en solución.

4. Secado. Separación de líquidos volátiles casi siempre agua de los materiales sólidos.

5. Destilación. Separación de los componentes de una mezcla líquida por medio de la ebullición basada en las diferencias de presión de vapor.

6. Absorción. En este proceso se separa un componente gaseoso de una

corriente por tratamiento con un líquido.

7. Separación de membrana. Este proceso implica separar un soluto de un fluido

mediante la difusión de este soluto de un líquido o gas, a través de la barrera de

una membrana semipermeable, a otro fluido.

8. Extracción líquido-líquido. En este caso, el soluto de una solución líquida se

separa poniéndolo en contacto con otro disolvente líquido que es relativamente

inmiscible en la solución.

9. Adsorción. En este proceso, un componente de una corriente líquida o

gaseosa es retirado y adsorbido por un adsorbente sólido.

10. Lixiviación líquido-sólido. Consiste en el tratamiento de un sólido

finamente molido con un líquido que disuelve y extrae un soluto contenido en

el sólido.

11. Cristalización. Se refiere a la extracción de un soluto, como la sal, de una

solución por precipitación de dicho soluto.

12. Separaciones físico-mecánicas. Implica la separación de sólidos, líquidos

o gases por medios mecánicos, tales como filtración, sedimentación o

reducción de tamaño, que por lo general se clasifican como operaciones

unitarias individuales.

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 más fundamental de los procesos de transporte o de transferencia.

Procesos fundamentales de transporte

1 . Transferencia de momento lineal. Se refiere a la que se presenta en los

materiales en movimiento, como en operaciones unitarias de flujo de

fluidos, sedimentación y mezclado.

2. Transferencia de calor. En este proceso fundamental se considera

como tal a la transferencia de calor que pasa de un lugar a otro; se

presenta en las operaciones unitarias de transferencia de calor, secado,

evaporación, destilación y otras.

3. Transferencia de masa. En este caso se transfiere masa de una fase a

otra fase diferente; el mecanismo básico es el mismo, ya sea que las

fases sean gaseosas, sólidas o líquidas. Este proceso incluye destilación,

absorción, extracción líquido-líquido, separación por membranas,

adsorción y lixiviación.

DISEÑO INTEGRADO Y SÍNTESIS DE PROCESOS

En el diseño de plantas de procesos químicos se involucran fundamentalmente dos áreas: la Síntesis de procesos y el Diseño de procesos.En la tarea de síntesis de procesos se determina la interconexión óptima entre las unidades del proceso como también el tipo de diseño de las unidades dentro del sistema de procesos, (Nishida,1981), para alcanzar unos objetivos de producción específicos.La tarea del diseño de procesos está enfocada a la determinación de las condiciones de operación de cada una de las unidades del proceso y los dimensionamientos que se requieren para la producción de dicho material o producto específicos.Por otro lado la tarea del control de procesos se centra en establecer las pautas de operación que aseguren un comportamiento estable del proceso satisfaciendo sus requerimientos en condiciones desfavorables tales como la acción de perturbaciones e incertidumbres en los modelos empleados en el diseño del sistema de control.

DISEÑO CONCEPTUAL, DISEÑO BÁSICO, DISEÑO DETALLADO

Las dos primeras etapas son realizadas por los ingenieros de procesos – en su

mayoría ingenieros químicos – mientras que la última es realizada por un equipo

de ingenieros mecánicos, civiles, eléctricos, instrumentistas, entre otros; luego el

punto de partida de todo proyecto de ingeniería de procesos parte del equipo de

ingenieros químicos encargados de los diseños conceptual y básico.

El diseño conceptual o síntesis de proceso es la etapa en la cual se arma la

topología del proceso, es decir el esquema o diagrama de flujo básico que

presenta la secuencia de operaciones necesarias para transformar las materias

primas en los productos deseados. Por simple que parezca, la conceptualización

del proceso es un tema complejo de alta responsabilidad, ya que los errores de

esta etapa se trasladarán y amplificarán en las etapas siguientes.

En esta etapa cuenta mucho la experiencia del ingeniero de procesos, ya que él

tendrá que seleccionar las operaciones y procesos unitarios que se deben incluir

en el proceso, considerando por supuesto aspectos no sólo técnicos sino

económicos y ambientales; además, no una única solución, por lo cual es

necesario ponderar los pro y contra de cada alternativa posible.

El diseño básico es la concreción del diseño conceptual en cuanto a la definición

de las variables de operación y los parámetros de construcción de los equipos.

El ingeniero de procesos en esta etapa debe calcular y seleccionar los equipos,

tuberías y accesorios que harán parte de la planta de proceso.

Los parámetros de construcción en este caso son las dimensiones básicas que se

refieren a diámetros y altura de tanques; tipo, altura, dimensiones y configuración

de las partes internas de columnas y reactores; tipo y potencia de bombas y

compresores…. en fin.

Antes que ser un diseño mecánico, el diseño básico es el cálculo de los

parámetros de construcción de los equipos requeridos en el proceso para

proceder a su compra o a su diseño mecánico

Finalmente, la ingeniería de detalle parte de la información generada por los

ingenieros de proceso en las anteriores etapas de diseño para proceder a los

diseños mecánicos, civiles, eléctricos y demás.

El trabajo del ingeniero de procesos como punto inicial en el diseño de

plantas de proceso es entonces claro: de su acierto depende el éxito y la

seguridad de la nueva planta, su desacierto no sólo puede representar

pérdida de dinero sino también de vidas.

El éxito de los ingenieros de procesos está fuertemente ligado a su

experiencia y de ahí que los nuevos ingenieros más que solo

documentarse deben practicar, ejercer y realizar sus diseños bajo la

supervisión de un ingeniero “veterano”, experimentado, como en las

antiguas artes de hace siglos cuando los iniciados progresaban bajo el

acompañamiento de su maestro.

Estas son algunas de las operaciones unitarias químicas:

COMBUSTIÓN es el proceso de oxidación rápida de una sustancia, acompañado

de un aumento de calor y frecuentemente de luz. En el caso de los combustibles

comunes, el proceso consiste en una combinación química con el oxígeno de la

atmósfera que Ileva a la formación de dióxido de carbono, monóxido de carbono y

agua, junto con otros productos como dióxido de azufre, que proceden de los

componentes menores del combustible.

HIDRATACION.- Cuando un cuerpo seco (anhídrido), absorbe agua, aunque sea

en forma de humedad, se dice que este cuerpo está hidratado o que ha sufrido el

fenómeno de hidratación.

OXIDACION.- Es la operación de introducir oxígeno en un cuerpo de manera que

forme parte de su constitución íntima, tal sería el agua (H20) agregar un átomo de

oxígeno y formar agua oxigenada ( H202 ) también Llamada peróxido de hidrógeno

0 dióxido de hidrógeno. La combustión es También un proceso típico de oxidación

pues toma el oxígeno del aire para quemar el carbono.

REDUCCION.- Consiste en separar oxigeno de un cuerpo para que este resulte puro. En la metalurgia del hierro, por ejemplo se reduce el mineral formado por óxidos y al eliminarse el oxígeno queda el metal puro. Un cuerpo reductor es el carbono; así tenemos que el carbono en caliente con ayuda de la flama reduce el óxido de plomo, de cobre, etc. al estado de plomo y cobre puro.

SAPONIFICACION.- Cuando una sustancia grasa es tratada en caliente por medio de una lejía fuertemente alcalina, se transforma en jabón y se dice que se ha producido la saponificación.

HIDROGENACION, reacción que implica la combinación de hidrógeno con ciertos compuestos orgánicos no saturados, especialmente con los hidrocarburos. Por ejemplo, al hidrogenar el eteno (C2H4) se obtiene etano (C2H6). La hidrogenación

se usa también con moléculas más complicadas, obteniéndose gran variedad de productos sintéticos importantes en el laboratorio y en la industria.La reacción de hidrogenación se aplica a escala industrial en numerosos procesos, como la hidrogenación de los aceites vegetales para producir numerosas grasas comestibles, por ejemplo la 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 aplicación de calor y alta presión, mediante el proceso conocido como craqueo térmico, o bien por el 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 fracciones más pesadas son sometidas a craqueo. En el proceso siempre se forma hidrógeno y carbono.

FERMENTACIÓN proceso en el que ocurren cambios químicos en las sustancias orgánicas producidos por la acción de enzimas Ilamadas fermentos, producidas por organismos diminutos tales como el moho, las bacterias y la levadura. Por ejemplo, la lactasa, un fermento producido 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 más importante es la fermentación alcohólica, en donde la acción de la simaza segregada por la levadura convierte los azúcares simples, como la glucosa y la fructosa, en alcohol etílico y dióxido de carbono. Hay otros tipos de fermentación que se producen de forma natural, como la formación de ácido butanoico cuando la mantequilla se vuelve rancia, y de ácido etanoico (acético) cuando el vino se convierte en vinagre.

POLIMERIZACIÓN

Es el proceso que se realiza al unir varias moléculas más pequeñas

(monómeros) en otras más grandes Polímeros. El número de unidades que

se repiten en una molécula grande se Ilama grado de polimerización.

Los materiales con un grado elevado de polimerización se denominan altos

polímeros.

Los homopolímeros son polímeros con un solo tipo de unidad que se

repite.

En los copolímeros se repiten varias unidades distintas. La mayoría de las

sustancias orgánicas presentes en la materia viva, como las proteínas, la

madera, la quitina, el caucho y las resinas, son polímeros; también lo son

muchos materiales sintéticos como los plásticos, las fibras, los adhesivos,

el vidrio y la porcelana.