OPERACIONES UNITARIAS

INTRODUCCIÓNUna operación unitaria se define como un área del proceso o equipo donde se incorporan materiales, insumos o materias primas y ocurre una función determinada ya sean actividades básicas que forman parte del proceso.  Generalmente un proceso puede descomponerse en la siguiente secuencia:1.- Materias Primas2.- Operaciones físicas de acondicionamiento 3.- Reacciones químicas4.- Operaciones físicas de separación 5.- Productos Éstos tienen como objetivo modificar las condiciones de una determinada unidad de masa para conseguir 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.

Para la clasificación de las operaciones unitarias se atiende a la propiedad que predomina 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.

MATERIA PRIMA

Operaciones físicas de

acondicionamiento

Reacciones Químicas

Operaciones físicas de separación

PRODUCTOS

DESTILACIÓN

Es la separación de los componentes de una mezcla liquida por vaporización y re condensación de la misma. Al calentar primero se desprenden los componentes más volátiles y va quedando un residuo liquido constituido por las sustancias de punto de ebullición mas alto.

La destilación es una operación utilizada con frecuencia para la purificación y aislamiento de líquidos orgánicos y aprovecha las volatilidades y puntos de ebullición de los componentes a separar. Depende de parámetros como: El equilibrio liquido vapor, temperatura, presión, composición y energía.

APLICACIÓN Clasificación de la destilación:

Destilación simple o sencilla: Es aplicable en los sistemas que contengan líquidos orgánicos de puntos de ebullición bastante diferenciados.

Destilación Fraccionada: Es una técnica para realizar una serie de pequeñas separaciones , en una operación sencilla y continua.

Destilación por Arrastre de vapor: Es una técnica que sirve fundamentalmente para separar sustancias insolubles en agua y literalmente volátiles, de otros productos no volátiles mezclados con ellas, es un sustituto de la destilación al vacio, y se realiza a temperaturas bajas.

Destilación a presión reducida o al vacio: Se utiliza en sustancias que no pueden purificarse por destilación a la presión ordinaria, por que se descomponen a temperaturas cercanas a su punto de ebullición normal.

LA DESTILACIÓN EN LA INDUSTRIA

Esta operación se aplica en todos los niveles industriales de producción, desde aplicaciones en industria farmacéutica y de química fina, hasta la industria del petróleo y producción a gran escala. Ejemplos más comunes es en la obtención de alcohol carburante, así como producción de gasolina y similares .

El gran interés en la destilación proviene de la industria del petróleo para obtener el combustible que usamos habitualmente, o tantos otros derivados como los plásticos. Gran parte de la investigación en destilación se ha realizado en este sector, que utiliza siempre la modalidad "continua" porque las cantidades en son muy grandes. En tanto, el método "batch" se utiliza en la industria pequeña y mediana -farmacéutica, alimenticia; de transistores, etc. El campo de uso de ambos tipos de destilación es muy vasto.

EQUIPOS DE DESTILACIÓN

Columnas de destilación: recipientes cilíndricos, verticales, con una entrada lateral por la que se introduce la alimentación.

Columnas de platos (contacto por etapas): los platos retienen una cierta cantidad de líquido en su superficie de manera que se hace borbotear el vapor que procede de la caldera y así se produce un intercambio.

Columnas de relleno: es una forma alternativa de poner en contacto el vapor con el líquido. Para ello suele tener una pequeña relación diámetro-altura.

SECADOLa operación de secado es un proceso que implica transferencia de masa entre ungas y un sólido, donde la humedad contenida en el sólido se transfiere por evaporación hacia la fase gaseosa.El secado es habitualmente la etapa final de una serie de operaciones y con frecuencia, el producto que se extrae de un secador para empaquetado.

Existen varios tipos de operaciones de secado, que se diferencian entre sí por la metodología seguida en el procedimiento de secado; puede ser por eliminación de agua de una solución mediante el proceso de ebullición en ausencia de aire; también puede ser por eliminación de agua mediante adsorción de un sólido, y por reducción del contenido de líquido en un sólido, hasta un valor determinado mediante evaporación en presencia de un gas.

APLICACIÓN INDUSTRIALSu aplicación es común en la industria de alimentos, así como, el secado de granos o madera, los cuales tienen un gran contenido de humedad en ellos.

Existen procesos químicos industriales importantes en los cuales conviene el secado, entre otros, está el secado de la sal, la cual es pasada, una vez cristalizada por un túnel de aire, para eliminar el exceso de humedad en la misma, también se puede mencionar el secado del carbón, de productos alimenticios, de arena, entre otros.

Es usual el uso del secado como medio de preservación de materiales biológicos, en ocasiones, se llega hasta el límite de deshidratación, para disminuir la actividad bacteriana o microbiológica en general. Esto se debe, a que la actividad microbiológica cesa a niveles de humedad menores del 10%.

EQUIPOS DE SECADOLas operaciones de secado pueden clasificarse ampliamente según que sean por lotes o continuas.

Secadores de bandejas: Consiste en un gabinete, de tamaño suficientemente grande para alojar los materiales a secar, en el cual se hace correr suficiente cantidad de aire caliente y seco. Secadores indirectos al vacío con anaqueles: Es un secador por lotes, que está formado por un gabinete de hierro con puertas herméticas, de modo que se trabaje al vacío. Los anaqueles están vacíos dónde se colocan las bandejas con los materiales húmedos. Secador continuo de túnel: Está formado por un túnel, por el cual pasan bandejas o carretillas con el material a secar, dentro del túnel, se hace fluir, generalmente a contracorriente, aire caliente, el cual sirve para secar los sólidos. Secadores Rotatorios: Consta de un cilindro hueco que gira sobre su eje, con una ligera inclinación, para permitir el desliz de los sólidos a secar hacia la boca de salida. Secadores por aspersión: se atomiza una suspensión líquida, la cual es recibida por una corriente a contraflujo de aire caliente que evapora el líquido, de modo que caen las partículas sólidas que se separan de la corriente de gas, por no ser volátiles.

ADSORCIÓN

Operación unitaria física regida por la transferencia de materia. Consiste en la eliminación de algún componente de una fase fluida mediante un sólido que lo retiene. El fluido puede ser un líquido o un gas. La adsorción es un fenómeno de superficie. En la superficie del sólido se dan interacciones que hacen que las moléculas del fluido queden retenidas.

Los sólidos empleados han de tener una gran superficie de adsorción como es el caso del carbón activo, gel de sílice, alúmina activada.

APLICACIÓN INDUSTRIAL

A nivel industrial se emplea para secar corrientes de gases de su humedad. Se emplea un lecho de gel de sílice. También se emplea en la eliminación de olores, decoloración de líquidos. Para recuperar disolventes contaminantes.

Una de las aplicaciones más conocidas de la adsorción, es la extracción de humedad del aire comprimido. También está presente en la industria alimentaria en la decoloración tanto en la azucarera como de aceites, en potabilización del agua, depuración de aguas residuales, eliminación de olores de gases industriales y desulfuración del gas natural.

EQUIPOS DE ADSORCIÓN

EVAPORACIÓN

La evaporación es un proceso por el cual una sustancia en estado líquido pasa al estado gaseoso, tras haber adquirido energía suficiente para vencer la tensión superficial.

La evaporación es utilizada para eliminar el vapor formado por ebullición de una solución líquida para así obtener una solución concentrada. En la gran mayoría de los casos, la evaporación vista como operación unitaria se refiere a la eliminación de agua de una solución acuosa.

APLICACIÓN INDUSTRIAL

El proceso de evaporación consiste en la eliminación de un líquido de una solución,por tratamientos térmicos.

Se utiliza en las siguientes industrias:

- Industria Lechera con evaporadores verticales de tubos largos.- Industria de jugos de frutas con evaporadores de película descendente y el de Hidrolizados película agitada.- Extractos.- Industria frigorífica.- Industria avícola.

EQUIPOSTIPOS DE EVAPORADORES:• Evaporador de tubo horizontal• Evaporador de tubo vertical• Evaporador vertical de tubos largos• Evaporador de película descendente• Evaporador de película ascendente• Evaporador de circulación forzada

Evaporador de simple efecto: Lleva a cabo la eliminación del vapor por medio de un solo equipo, la mayoría de los evaporadores se calientan con vapor de agua que condensa sobre tubos metálicos. Generalmente el vapor es de baja presión, inferior a 3 atm absolutas, y con frecuencia el líquido que hierve se encuentra a un vacío moderado.

Evaporador de efecto múltiple:Éste aumenta la evaporación por kilogramo de vapor de agua utilizando una serie de evaporadores entre el suministro de vapor vivo y el condensador. La presión en cada efecto es menor que la del efecto del cual recibe el vapor de agua y superior a la del efecto al cual suministra vapor.

CRISTALIZACIÓNLa operación de cristalización es aquella por media de la cual se separa un componente de una solución liquida transfiriéndolo a la fase sólida en forma de cristales que precipitan.En la cadena de operaciones unitarias de los procesos de fabricación se ubica después de la evaporación y antes de la operación de secado de los cristales y envasado. Este proceso físico por el cual un cuerpo adquiere la estructura cristalina. Puede realizarse por sublimación por fusión y posteriormente por enfriamiento de la masa fundida o por evaporación gradual del disolvente en una solución saturada.

APLICACIÓN INDUSTRIAL

Es una operación necesaria para todo producto químico que se presenta comercialmente en forma de polvos o cristales, ya sea el azúcar o sacarosa, la sal común o cloruro de sodio. Se presenta en la industria azucarera en este sentido.

Los cristales se han producido mediante diversos métodos de cristalización que van desde los más sencillos que consisten en dejar reposar recipientes que se llenan originalmente con soluciones calientes y concentradas, hasta procesos continuos rigurosamente controlados y otros con muchos pasos o etapas diseñados para proporcionar un producto que tenga uniformidad en la forma, tamaño de la partícula, contenido de humedad y pureza.

EQUIPOS Cristalizador de tubo con raspadores. Cristalizador tipo Swenson Walker. Cristalizador tipo tanque agitado con serpentines. Cristalizador de refrigeración por contacto directo. Cristalizador por evaporación. Cristalizador Oslo.

De acuerdo al tipo de método:• Magma circulante: Todos los cristales circulan a través de la zona del cristalizador donde la sobresaturación es generada.• Licor circulante: Solo el licor está circulante con la masa de cristales creciendo estática.• De superficie raspada: La cristalización es inducida por intercambio directo de calor con un medio enfriador a través de una superficie raspada para minimizar el ensuciamiento.• Cristalizadores de tanque: La cristalización es inducida por el enfriamiento de la alimentación ya sea en tanques agitados o estáticos o una chaqueta exterior.

ABSORCIÓNEs una operación unitaria regida por transferencias de materia que consiste en poner en contacto un gas con líquido con el objetivo de que en él se disuelva alguno de los componentes del gas.

Este proceso implica una difusión molecular turbulenta o una transferencia de masa del soluto A, a través del gas B, que no se difunde y está en reposo, hacia un líquido C, también en reposo.La absorción puede ser física o química, según el gas que se disuelva en el líquido absorbente o reaccione con él dando un nuevo compuesto químico.

APLICACIÓN INDUSTRIALAlgunas aplicaciones de la absorción:

• Eliminación de gases ácidos como H2S, CO2, SO2.• Preparación del agua de Seltz.• Absorción del amoniaco• Climatización •Pinturas•Preservar el vacío entre las paredes de las vasijas de Dewar diseñadas para almacenar aire o hidrógeno líquidos.•Desempeña un importante papel en la catálisis de las reacciones de gas por las superficies sólidas.•Se ha utilizado para la recuperación y concentración de las vitaminas y otras sustancias biológicas; y encuentra su utilidad en el método denominado análisis cromatográfico, que consiste en la evaluación de pequeñas cantidades de sustancia por al adsorción progresiva de numerosos constituyentes presentes de forma simultánea en una solución o gas.

EQUIPOS UTILIZADOS EN ABSORCIÓN

Las torres empacadas, o torres de relleno, utilizadas para el contacto continuo del líquido y del gas tanto en el flujo a contracorriente como a corriente paralela, son columnas verticales que se han llenado con empaque o con dispositivos de superficie grande. El líquido se distribuye sobre éstos y escurre hacia abajo, a través del lecho empacado, de tal forma que expone una gran superficie al contacto con el gas.

Empaque : El empaque de la torre debe proporcionar una superficie interfacial grande entre el líquido y el gas. Poseer las características deseables del flujo de fluidos. Empaques al azar: Los empaques al azar son aquellos que simplemente se arrojan en la torre durante la instalación y que se dejan caer en forma aleatoria.Empaques regulares: Los empaques regulares ofrecen una menor caída de presión para el gas y un flujo mayor.Soportes de empaque.Cuerpo de la torre: Esta puede ser según las condiciones de corrosión. Para facilitar su construcción y aumentar su resistencia, generalmente son circulares en la sección transversal.

DESORCIÓNOperación continua a la absorción y en ella un gas disuelto en un líquido es arrastrado por un gas inerte quedando eliminado del líquido inicial. En algunas ocasiones la desorción también se emplea para determinar la destilación súbita.

La transferencia de materia tiene lugar porque la presión parcial del componente gaseoso en la fase líquida es menor que la presión que tendría una disolución en fase líquida con ese gas.

Esto ocurre en un sistema que está en el estado del equilibrio de la absorción entre la fase a granel (solución del gas o del líquido) y una superficie adsorbente (sólido o límite que separa dos líquidos). Cuando la concentración (o la presión) de la sustancia en la fase a granel se baja, algo de la sustancia absorbida cambia al estado a granel.

APLICACIÓN INDUSTRIAL Y EQUIPOS

Utilizado para eliminar sustancias químicas dañinas del suelo y otros elementos como lodo o sedimentos, utilizando calor para transformarlas en gases . También se aplica en la destilación súbita. Los procesos químicos en los que se aplica la absorción es la eliminación de gases ácidos; secado del cloro (con H2SO4).

Los aparatos empleados en estas técnicas son columnas en las que no se requiere caldera y tampoco hace falta colocar ningún refrigerante. Dos tipos:- Columnas de relleno.- Columnas de platos.Se diferencian de las anteriores en que se colocan dispositivos para facilitar el contacto entre las fases. Se colocan en la parte superior torres de pulverización. También hay unos absorbedores especiales, los centrífugos, en los que se aplica una energía cinética adicional por rotación al líquido.

FILTRACIÓN

Es la operación Unitaria en la que el componente sólido insoluble de una suspensión sólido-líquido se separa del componente líquido haciendo pasar este último a través de una membrana porosa la cual retiene a los sólidos en su superficie (filtración de torta) o en su interior (Clarificación), gracias a una diferencia de presión existente entre un lado y el otro de dicha membrana.

Mediante el paso forzado de este atreves de un medio filtrante o membrana sobre la cual depositan los sólidos.

Es usada industrialmente, tiene varios tipos o clasificación dependiendo de lo que se esta separando. Existen la filtración por clarificación, la filtración por torta y las microfiltraciones y ultrafiltraciones.

APLICACIÓN INDUSTRIAL Y EQUIPO

La filtración en la industria va desde un simple "colado" hasta separaciones muy complejas. Se utiliza en la industria farmacéutica, para procesos de aguas residuales, industria alimenticia. También se aprecia en la eliminación del amoniaco y los nitritos del agua.

Los aparatos que se utilizan en filtración, constan básicamente de un soporte mecánico, conductos por los que entra y sale la dispersión y dispositivos para extraer la torta. Filtros prensa (discontinuo de presión):   En estos se coloca una tela o una malla sobre placas verticales, de manera tal que sean los bordes los que soporten a la tela.Filtro de arena: La filtración por lecho de arena permite obtener un agua de gran calidad.Filtro de carbón activo: las partículas son retenidas por un lecho filtrante de silex y antracita.Ultrafiltración: Es una operación de separación que comparte características de una filtración común y de la ósmosis inversa.

EXTRACCIÓN LÍQUIDO - LÍQUIDO

La extracción líquido-líquido, también conocida extracción de solvente, es un proceso químico empleado para separar componentes de una mezcla no homogénea mediante la relación de sus concentraciones en dos fases liquidas inmiscibles.

Se requiere que los dos líquidos que se ponen en contacto sean inmiscibles. Representa una solución ventajosa con relación a la destilación porque permite extraer varias sustancias que tengan un grupo funcional parecido. Para no utilizar la destilación con arrastre de vapor se emplea este método.

APLICACIÓN INDUSTRIALLa extracción líquido-líquido se utiliza en la industria del petróleo para la extracción del asfalto mediante propano líquido.La extracción sólido-líquido tiene las siguientes aplicaciones: obtención de aceites y grasas animales y vegetales, obtención de extracto de materia vegetal y animal. Industria minera (lixiviación), obtención de azúcar a partir de la remolacha.

- Se lleva a cabo la técnica de extracción cuando suponga un menor coste económico.- Se utiliza como alternativa a la destilación a vacío.- Extracción con propano líquido (más económico).- Como substituto de métodos químicos.- Separación de metales:*Uranio - Vanadio*Hafrio - Zirconio*Tungsteno - Molibdeno- Separación de productos de fisión en procesos de energía atómica.- Purificación de metales. Ejemplo: Cu- Purificación de sustancias químicas inorgánicas.

EQUIPOS DE EXTRACCIÓN

Utensilios de extracción líquido-líquido- Columnas de relleno: han de utilizarse en contracorriente. Por arriba alimentación y por abajo disolvente.- Columnas pulsadas: dotadas de movimiento de agitación, es decir, columnas girando alrededor de ellas.- Columnas pulsadas horizontales: suelen tener placas perforadas .- Tanques agitadores: mezcladores combinados con decantadores .

Extractores por etapas: se utiliza es de dos tipos principalmente:cascadas de mezclado-sedimentación de una y de varias etapastorres perforadas de varias etapas. Mezcladores: Son de dos tipos; mezcladores de flujo y tanques de mezclado.Sedimentadores: En la extracción continua, la dispersión que sale del mezclador debe pasarse a un sedimentador o decantador, en donde ocurre cuando menos la ruptura primaria. Extractores diferenciales de contacto continuo.