Introducción

Jacqueline Concha Olmos

Unidad 01/2008

Operaciones unitariasEn 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.

PRODUCTOS

FINALES

PROCESOMATERIAS

PRIMAS

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 liquidas. Este proceso incluye destilación, absorción, extracción liquido-liquido, separación por membranas, adsorción y lixiviación.

Clasificación de las operaciones unitarias

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.

Proceso y Operación Unitaria

Proceso: Conjunto o secuencia de operaciones unitarias que modifican una materia prima para transformarla en un producto comercial o insumo.

Operación unitaria: Etapa de un proceso, donde se realiza una modificación específica de una corriente.

Diagrama de bloques Diagrama de flujos Corrientes de un Proceso

Descripción y Representación

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

• Diagrama de flujos: Representación esquemática del proceso, donde se ilustran sus características esenciales

Secuencia en que ocurren las operaciones unitarias.

Equipos utilizados para realizar cada operación.

Flujos de materia y energía

Corrientes de un Proceso Flujos de materia que ingresan (alimentación) o

salen (producto) de una operación unitaria o equipo

Formadas por varias sustancias o compuestos químicos

Formadas por más de una fase (ej. sólido en suspensión en un líquido)

Una corriente se caracteriza por su composición, su presión y su temperatura

Fracción másica o fracción molar Fracción másica de A = Masa de A/Masa total Fracción molar de A = Moles de A/Moles totales

Las fracciones siempre suman 1 Fracción másica ≠ Fracción molar

ppm (parte por millón) = Fracción x 106

Razón de composición Razón másica = Masa de A/Masa de B Razón molar = Moles de A/Moles de B

Composición de una corriente

Sistemas de unidades Análisis dimensional

Medición

Debe ser preciso, sin ambigüedades. Por ejemplo, es más 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:

1. Tener una definición precisa (qué es longitud en el caso de una varilla)

2. Tener un estándar (el metro, pié)

3. Un medio de comparación (colocar, el metro sobre la varilla y ver cuantas veces es mayor una de la otra)

Magnitud y unidad

Dimensión o Magnitud medibleUna propiedad física, como masa o fuerza, longitud, tiempo, temperatura o una combinación de ellas considerada como una medida fundamental de una cantidad. Puede ser básica, suplementaria o derivada.

UnidadUna cantidad definida y precisa de una determinada magnitud C.

EstándarNo 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 básicas, ellas son:

Masa (m): cantidad de materia

Longitud (L): menor distancia entre dos puntos

Tiempo (t): intervalo entre dos sucesos

Temperatura (T): potencial que moviliza el calor, o bien grado de frío o calor que determina el flujo de energía calórica de un cuerpo a otro

Dimensiones y Sistemas de unidades

Sistema Internacional (SI)

MKS (metro, kilogramo, segundo, ºC)

cgs (centimetro, gramo, segundo, ºC)

Sistema Inglés

pls (pie, libra, segundo, ºF)

Unidades básicas del Sistema Internacional

Propiedad física Nombre de la unidad

Símbolo

Longitud Metro m

Masa Kilogramo kg

Tiempo Segundo s

Corriente eléctrica Amperio A

Temperatura Kelvin K

Intensidad luminosa Candela cd

Cantidad de sustancia Mol mol

Propiedad física Nombre de la unidad

Símbolo

Área Metro cuadrado m2

Volumen Metro cúbico m3

Densidad Kg por metro cúbico kg/m3.

Fuerza Newton N (kg.m/s2)

Presión Pascal Pa (N.m-2)

Energía Julio (N m) J (kg m2 s-2)

Carga eléctrica Coulombio C (A.s)

Potencia Watts J s-1

Resistencia Ohmio (V.A-1)

Unidades derivadas

Los sistemas métrico y SI son sistemas decimales, en los que se utilizan prefijos para indicar fracciones y múltiplos de diez.

Prefijo Símbolo 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 1kilómetro(Km) = 1x103m.

deci d 10-1 1decímetro(dm) = 1x10-1m

centi c 10-2 1centímetro(cm)= 1x10-2m

mili m 10-3 1milímetro(mm) = 1x10-3m.

micro 10-6 1micrómetro(m) =1x10-6m

nano n 10-9 1nanómetro(nm) = 1x10-9m

pico p 10-12 1picómetro(pm) = 1x10-12m

El sistema cgs

1g 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/s2

El sistema inglés (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

Método de las equivalencias

Método de las igualdades

Número de unidades de varios sistemas que expresen la misma magnitud.

1 libra – 453,6 g – 0,4536 Kg1 libra – 453,6 g – 0,4536 Kg

1 BTU – 252 cal – 1055 J

Número de unidades en un sistema en función del número de unidades en otro.

sft

lb

ft

m

Kg

lb

sm

Kg

sm

kg68,0

1

3048,0

4536,0

111

sftn

lbn

smn

kgn

º3048,0

º4536,0

º

º

Métodos de Conversión de unidades

Celsius

100°’C

0°’C

-273°’C

Fahrenheit

212°’F

32°’F

- 459°’F

Kelvin

373k

273k

0.0 k

Conversión de unidades de Temperatura

Consistencia dimensionalAl sustituir las variables de una ecuación por las dimensiones que correspondan, ambos términos de la ecuación tendrán las mismas dimensiones.

Ecuaciones dimensionales Ecuaciones adimensionales

Ecuaciones dimensionales homogéneas: proceden de leyes físicas. Las constantes son adimensionales Los términos tienen las mismas dimensiones Dividir por uno de los términos elimina las dimensiones y crea

grupos adimensionales

Ecuaciones dimensionales heterogéneas: suelen proceder de estudios experimentales.

Las constantes tienen dimensiones. Se formulan en un sistema de unidades concreto.

Ejemplo

2

2

1atx

Determinar las dimensiones de cada una de las variables: [x] = L, [a] = L/T2=LT-2, [t] = T2

Igualar las dimensiones de cada variable: [x] =[a][t]2

Sustituir las dimensiones de cada variable: L = (LT-2)(T)2

Operar 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 caída de presión por unidad de longitud, el diámetro y la viscosidad. Encuentre la forma de la ecuación.

Descarga Q L³T ֿ¹

Caída de presión por unidad de longitud

Δp/l MLֿ²Tֿ²

Diámetro D L

Viscosidad µ MLֿ¹Tֿ¹

0,,,

D

l

pQF 1

1

1 zy

x Dl

pQ

000112213 111 )()( TLMTMLLTMLTL zyx

0123 111 zyx

011 y

012 11 yx

L:

M:

T:

11 x

11 y

41 z

,

, lpD

Q

/4

4D

l

pCQ

El calor específico de una sustancia viene dado por la ecuación c=a+bt2 , donde a y b son constantes y t es la temperatura en grados centígrados. El calor necesario para aumentar la temperatura de una masa m de la sustancia desde 0ºC hasta TºC es:

c = a+b*t2 Q = m*c*ΔT

Datos: )3

(3bT

aTm a)

)2( bTam b)

mbT2c)