La operación unitaria es cada una de las etapas básicas de un proceso químico industrial. Involucra cambio físico químico y es un concepto que tiene más de 100 años, fue introducido en 1915 por Arthur D. Little (Ingeniero Químico muy importante en su tiempo y fundador de una empresa consultora que todavía existe).
Antes de 1915, ser químico industrial o ingeniero químico era muy difícil. Hace 100 años un químico industrial, tenía que aprenderse todos los procesos existentes en ese momento, por ejemplo: El proceso del acero, el proceso del ácido sulfúrico, el proceso del vinagre, etc. Supongamos que había 200 procesos, el Ingeniero Químico debía aprendérselo de memoria, había que tener mucha capacidad memorística.
Entonces Arthur se le ocurrió que en
todos los procesos químicos hay: bombas, intercambiadores de calor, en muchos
procesos químicos hay filtros, torres de destilación, en casi todas las
empresas hay reactores químicos, entre otros.
Por
otro lado, una definición más clara de operaciones unitarias, pueden definirse
como un área del proceso o equipo en donde se incorporan materiales, insumos o
materias primas y ocurre una función determinada, son actividades básicas que
forman parte del proceso. (Gonzáles, 2021)
En
síntesis, una operación unitaria es una etapa característica de un proceso
químico, a cualquier escala, que tiene como objetivo el modificar determinada
cantidad de materia en forma más útil a nuestros fines, mediante procesos
físicos y fisicoquímicos. (Parra, 2020)
Los únicos cambios que puede sufrir la materia son: en su masa o composición (separación de fases, reacción química, etc.), en el nivel o calidad de la energía que posee (enfriamiento, aumento de presión, etc.) o en sus condiciones de movimiento (aumentado o disminuyendo su velocidad o su dirección). (Ramírez, 2020)
Clasificación de las operaciones unitarias.
Las
operaciones unitarias se relacionan con los procesos de separación que se basan
en las diferencias que existen en las propiedades físicas, más que en las
químicas. Tales procesos dependen de la diferencia de composición que presentan
las fases en equilibrio o bien, en la diferencia de velocidad de transferencia
de masa que tienen los constituyentes de una mezcla.
CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS CON BASE A LA TRANSFERENCIA DE MASA.
DESTILACIÓN:
Esta operación unitaria también es conocida como fraccionamiento o destilación fraccionada. En la destilación, una fase vapor se pone en contacto con una fase líquida, transfiriéndose masa del líquido al vapor y del vapor al líquido. En forma simultánea, se transfiere masa desde el líquido por evaporación y desde el vapor por condensación.
La
destilación se utiliza mucho para separar mezclas líquidas en componentes más o
menos puros. Debido a que la destilación implica evaporación y condensación de
la mezcla, es una operación que necesita grandes cantidades de energía.
La
temperatura y el volumen de los materiales sometidos a ebullición dependen de
la presión. Puede utilizarse una presión elevada para disminuir el volumen y/o
incrementar la temperatura con objeto de facilitar la condensación; en otros
casos será necesario disminuir la presión para llevar al punto de ebullición
por debajo de la temperatura de descomposición térmica.
Tipos de destilación:
Existen algunos tipos de destilación, a continuación se describirán brevemente algunos.
- Destilación flash: La destilación flash, consiste en la vaporización de una fracción definida del líquido, en una forma tal que el vapor que se forma está en equilibrio con el líquido residual, la separación del vapor y el líquido, y posterior condensación del vapor. La alimentación se hace circular, por medio de la bomba, a través del calentador, se reduce la presión en la válvula y una íntima mezcla de vapor y líquido entra en el separador, en el que permanece suficiente tiempo para que se separen las corrientes de líquido y vapor.
- Destilación fraccionada: La destilación fraccionada es un proceso físico utilizado para separar mezclas de líquidos mediante el calor, y con un amplio intercambio calórico y másico entre vapores y líquidos. Se emplea principalmente cuando es necesario separar compuestos de sustancias con puntos de ebullición distintos pero cercanos. La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una columna de fraccionamiento. Ésta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes "platos" (placas). Esto facilita 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.
- Destilación Azeotrópica: Mezcla
azeotrópica es aquella mezcla líquida de dos o más componentes que poseen una
temperatura de ebullición constante y fija, esta mezcla azeotrópica se forma
debido a que al pasar al estado vapor se
comporta como un líquido puro, es decir como si fuese un solo componente, esto
se verifica en el hecho que el vapor producido por la evaporación parcial del
líquido tiene la misma composición que el líquido.
- Destilación simple con arrastre de vapor: La destilación por arrastre con vapor es una técnica para la separación de substancias insoluble en agua y ligeramente volátiles de otros productos no volátiles, sirve para separar aceites esenciales en de tejidos vegetales. La destilación por arrastre con vapor es una técnica para la separación de substancias insoluble en agua y ligeramente volátiles de otros productos no volátiles, sirve para separar aceites esenciales en de tejidos vegetales.
- Destilación seca: Se basa en calentar materiales sólidos sin ayuda de solventes líquidos, para producir gases que luego se condensan en otro recipiente.
Aplicación Industrial de la destilación:
La destilación se utiliza ampliamente en la obtención de bebidas alcohólicas, en el refinado del petróleo, en procesos de obtención de productos petroquímicos de todo tipo y en muchos otros campos de la industria. Es uno de los procesos de separación más extendidos. Ejemplos de destilación:
- La 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.
- La purificación de etanol: El proceso de separar el etanol (un alcohol) del agua, producto de su obtención en laboratorios, requiere de un proceso de destilación azeotrópica, en el que se adiciona benceno u otros componentes para modificar el azeótropo y permitir la separación.
- El procesamiento del carbón: En la obtención de combustibles orgánicos líquidos, a menudo se emplea el carbón o la madera en un procedimiento de destilación en seco, para condensar los gases emitidos en su combustión y emplearlos en diversos procesos industriales.
- La termólisis de sales minerales: Otro proceso de destilación en seco consistente en quemar sales minerales y obtener de ellas, a partir de la emanación y condensación de gases, diversas sustancias minerales de alta utilidad industrial.
(Romano,2017)
ABSORCIÓN Y DESORCIÓN.
Aplicación industrial de la adsorción:
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. Ejemplos:
- Eliminación de gases ácidos como H2S, CO2, SO2.
- Preparación del agua de Seltz.
- Absorción del amoniaco.
- Climatización.
Aplicación industrial de la desorción:
- 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 H₂SO).
(Rojas,
2020)
EXTRACCIÓN.
- Extracción liquido-liquido:
- Extracción solido-liquido o Lixiviación:
Consiste en la remoción o extracción de un componente soluble (soluto) contenido en un sólido mediante un solvente apropiado.
Aplicación industrial de la extracción:
La extracción presenta una amplia aplicación en la industria del petróleo para separar alimentaciones líquidas en función de su naturaleza química más que por su peso molecular o la diferencia de volatilidad. Como ejemplo se tiene:
- Separación entre hidrocarburos aromáticos, alifáticos y nafténicos. (Alava,2015)
INTERCAMBIO
IONICO.
Las
resinas pueden se catiónicas o aniónicas, según intercambien cationes o
aniones.
Se aplica a todo tipo de proceso de acondicionamiento de agua a nivel industrial (agua para calderas) o doméstica (lavavajillas). El ablandamiento de agua consiste en la eliminación de los cationes divalentes calcio y magnesio del agua, con lo que disminuye su dureza. Se realiza el intercambio en una columna catiónica, donde se sustituyen los iones indicados por sodio, que no forma sales insolubles.
Aplicación industrial del intercambio iónico:
- la ósmosis inversa
En procesos industriales, asociados a diversos sectores:
- En la industria agroalimentaria.
- En la industria química y farmacéutica.
- En la industria energética, electrónica y nuclear.
- Para el tratamiento de superficies.
- Para el aporte de agua de calderas.
- Para la potabilización del agua (eliminación de perclorato y uranio, entre otros)
(Fernández,2020)
CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS CON BASE A LA TRANSFERENCIA DE CALOR.
EVAPORACIÓN
Los términos evaporación o vaporización se aplican al paso del estado líquido al estado gaseoso. Cuando el fenómeno se produce únicamente en la superficie de la masa líquida se designa como evaporación. Si el paso a vapor tiene lugar afectando toda la masa líquida se denomina vaporización o ebullición.
Aplicación de la evaporación en la industria:
Se usan en las siguientes industrias: Industria lechera con evaporadores verticales de tubos largo, Industria de jugos de frutas con evaporadores de película descendente y el de hidrolizados película agitado, Industria frigorífica, Industria avícola.
CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS CON BASE A LA TRANSFERENCIA DE MASA Y ENERGÍA.
HUMIDIFICACIÓN.
La humidificación es una operación que consiste en aumentar la cantidad de vapor presente en una corriente gaseosa; el vapor puede aumentar pasando el gas a través de un líquido que se evapora en el gas. Esta transferencia hacia el interior de la corriente gaseosa tiene lugar por difusión y en la interfase hay, simultáneamente, transferencia de calor y de materia. (Pulla, 2010)
DESHUMIDIFICACIÓN.
La deshumidificación es una operación que consiste en reducir la cantidad de vapor presente en una corriente gaseosa, mediante una condensación parcial del vapor, que se separa.
Aplicación en la Industria:
El conocimiento de los procesos de humidificación y deshumidificación, así como sus cálculos implicados en ella, serán útiles en el diseño y análisis de diferentes sistemas de almacenamiento y procesado de alimentos. Así mismo, resulta impredecible conocer las propiedades de las mezclas aire vapor de agua en el diseño de sistemas tales como equipos de aire acondicionado para conservar alimentos frescos.
SECADO.
El secado es una operación unitaria simultanea de transferencia de calor y de masa , el calor es necesario para evaporar la humedad la cual es removida de la superficie del producto por medio de un agente secador extremo generalmente aire. (Enrique,2015)
- Directo (Aire): Continuo, Discontinuo.
- Indirecto (Fuente térmica)
Aplicaciones del secado:
- Proceso de granulación húmeda (elaboración de capsulas, polvos o tabletas)
- Producción de algunos materiales (hidróxido de aluminio lactosa seca y extractos en polvos)
- Reducción de volumen y peso de los materiales (disminución del costo por transporte y almacenamiento)
- Conservación y estabilidad de productos animales y vegetales para disminuir el crecimiento de hongos y bacterias.
La
liofilización es un proceso que tiene como objetivo separar el agua (u otro
solvente) de una disolución mediante congelación y posterior sublimación del
hielo a presión reducida. La liofilización es el proceso más suave para secar
productos y es el mejor método para secar compuestos orgánicos o inorgánicos
sin alterar su composición cualitativa o cuantitativa. El proceso de
liofilización se realiza a vacío y a baja temperatura y así, por ejemplo, es
posible evitar la desnaturalización de las proteínas. Los alimentos y los
materiales biológicos tales como células, tejidos, bacterias y vacunas se
convierten en productos secos, evitando el paso por su fase líquida, y en consecuencia
los cambios enzimáticos, biológicos y químicos. En este apartado nos
centraremos en el liofilizador de laboratorio, que se utiliza para liofilizar
muestras pequeñas de productos químicos.
El
proceso de liofilización puede describirse en cuatro fases:
Congelación: Se debe congelar rápidamente el
producto a una temperatura por debajo de su eutéctico. (Punto eutéctico: la
temperatura más baja a la que puede fundir una mezcla de sólidos con una
composición dada).
Tratamiento
a vacío: Es preciso
eliminar el aire y otros vapores no condensables de la cámara a fin de
facilitar la migración del vapor.
Calentamiento: Habitualmente se trabaja a temperatura
ambiente, pero si es necesario, se puede calentar la muestra congelada con
mucho cuidado para acelerar el proceso de secado. Esta fase no es conveniente
si los productos pueden variar sus propiedades por encima de la temperatura
ambiente.
Condensación
(o sublimación inversa):
Fijación de las moléculas de agua en forma de hielo sobre la superficie del
condensador del
El
objetivo de la liofilización es obtener un producto seco, que cuando se le
vuelve a añadir agua o disolvente, presente las mismas características que el
producto original (forma, color, aroma, sabor y textura). La liofilización
reduce las pérdidas de calidad debidas al deterioro de la muestra por
reacciones químicas i/o por degradación enzimática.
Este método ofrece una amplia gama de posibles aplicaciones:
- Para la conservación de las características de las sustancias originales (por ejemplo, productos farmacéuticos o café.
- Para conservar la forma original (por ejemplo, preparaciones animales, objetos arqueológicos, flores o libros.
- Para acondicionar el material (por ejemplo, fruta liofilizada en el yogur).
- Para la preparación de muestras para el análisis químico o bioquímico (por ejemplo, la investigación de los elementos traza en alimentos, lodos o suelos).
Filtración: Se denomina filtración al proceso unitario de separación de sólidos en una suspensión. Filtración es un proceso en el cual partículas sólidas que se encuentran en un fluido se separan mediante un medio filtrante, o filtro, que permite el paso del fluido a su través, pero retiene las partículas sólidas. Unas veces interesa recoger el fluido; otras, las partículas sólidas y, en algunos casos, ambas cosas. (Acqua, 2021)
La filtración sirve en gran medida como un proceso en la fabricación industrial que minimiza la contaminación de un producto al eliminar las impurezas y protege el sabor y la calidad del alimento o la bebida.
Precipitación y
sedimentación: La sedimentación consiste en la
separación por la acción de la gravedad para obtener una suspensión concentrada
y un líquido claro. La condición necesaria para ello, es que la densidad del
sólido sea mayor que la del fluido.
La sedimentación se utiliza con mucha frecuencia en la industria de la alimentación para separar la suciedad y sustancias extrañas contenidas en las materias primas, para separar cristales de las aguas madres y el polvo o partículas de las corrientes de aire.
Reducción
mecánica de tamaño y separación: La
Reducción de Tamaño es la operación unitaria en la que el tamaño medio de los
alimentos sólidos es reducido por la aplicación de fuerzas de impacto,
compresión, cizalla (abrasión) y/o cortado. La compresión se usa para reducir
sólidos duros a tamaños más o menos grandes. El impacto produce tamaños
gruesos, medianos y finos, la frotación o cizalla, produce partículas finas y
el cortado se usa para obtener tamaños prefijados.
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.
EVAPORACION.
APLICACIONES:
- Concentración de producto. Ejemplo obtención de la meladura en la [industria azucarera].
- Concentración de soluciones acuosas de azúcar, cloruro de sodio, hidróxido de sodio, glicerina, gomas, leche y jugo de naranja.
- Pre-concentración de la alimentación al secador
- Reducción de volumen: obtención de la [leche condensada] en las pasteurizadoras.
- Recuperación de agua o solvente. Ejemplo la obtención de NaOH sal común.
- Cristalización. Ejemplo
formación de los cristales de azúcar en los tachos.
SECADO.
Se refiere a la
eliminación de agua de los materiales de proceso y de otras sustancias. El
secado al sol permite retirar agua hasta niveles del 15% pero se requiere un
espacio bastante grande y son susceptibles a la contaminación y a pérdidas
debidas al polvo, los insectos, los roedores.
El secado o deshidratación de materiales biológicos (en especial los alimentos) se usa también como Técnica de preservación.
- Los microorganismos que provocan la descomposición de los alimentos no pueden crecer y multiplicarse en ausencia de agua.
- Los microorganismos dejan de ser activos cuando el contenido de agua se reduce por debajo del 10 % en peso. Sin embargo es necesario reducir este contenido de humedad por debajo del 5% en peso en los alimentos, para preservar el sabor y su valor nutritivo.
- Además, muchas de las enzimas que causan los cambios químicos en alimentos y otros materiales biológicos no pueden funcionar sin agua.
- Los
alimentos secos pueden almacenarse durante períodos bastante largos
DESTILACION.
ABSORCION
VENTAJAS Y APLICACIONES.
Un ejemplo es la absorción de SO2 de gases de combustión en
soluciones alcalinas. En la hidrogenación de aceites comestibles en la
industria alimenticia, se hace burbujear hidrógeno gaseoso en el aceite para
absorberlo en el mismo; entonces, el hidrógeno en solución reacciona con el
aceite en presencia de un catalizador. Estos equipos son columnas o torres en
las cuales ambas fases circulan en contracorriente: el gas entra por el fondo
de la columna y el líquido entra por el tope y desciende por gravedad.
EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
La extracción líquido-líquido es, junto a la destilación, la
operación básica más importante en la separación de mezclas homogéneas
líquidas. Consiste en separar una o varias sustancias disueltas en un
disolvente mediante su transferencia a otro disolvente insoluble, o
parcialmente insoluble, en el primero. La transferencia de materia se consigue
mediante el contacto directo entre las dos fases líquidas. Una de las fases es
dispersada en la otra para aumentar la superficie interfacial y aumentar el
caudal de materia transferida.
APLICACIONES INDUSTRIALES:
Extracción de compuestos aromáticos y naftenicos para la producción de aceites lubricantes. · Separación de aromáticos (Benceno, Tolueno, Xilenos) de las parafinas con Tetrametileno sulfona.
- Separación de metales pesados (Ni, Cu, Zn,…) de efluentes acuosos con ácidos ó aminas.
- Recuperación de Uranio.
- Extracción de Penicilina y Proteínas.
Conclusión.
Podemos
concluir que las operaciones unitarias son aquellos procesos de transformación
cuyo objetivo va a hacer cambiar o fabricar la materia prima a un producto
terminado, estos procesos que se dan para realizar este producto final se
pueden dar ya sea de manera física, química, biológica o mecánica.
Dentro del
estudio en las operaciones unitarias se tiene como fin alterar el producto
final a comodidad de la persona. La aportación que ha hecho las operaciones
unitarias dentro de la industria a mejorado y optimizado los tratamientos de
los procesos a dichos productos.
Según la
clasificación de las operaciones unitarias se puede concluir que esta es la
subdivisión de todos aquellos procesos físicos químicos que pueden ser
resultados de una operación, por ende, podemos decir que estás clasificación
que se le da a las operaciones unitarias son todas aquellas acciones necesarias
para que se dé un proceso de transformación correcto.
Independientemente
A qué campo industrial se dedique dicha empresa o industria siempre van a tener
una materia prima que vaya a sufrir cambios dentro los procesos y es ahí donde
aparecen las operaciones unitarias, modificando ese producto al campo
industrial que se dedique la empresa, sea de hidrocarburos o alimentaria, todas
deben aplicar el ingreso de materia prima y el proceso operativo con implementación
de las operaciones unitarias. Lógicamente sus procesos van a ser diferentes,
pero ambas van a tener el fin de transformar esa materia prima por ejemplo en
las industrias tanto lechera cómo cervecera se utilizan procesos como la
evaporización para la obtención de su producto final independientemente A qué
campo o a qué personas está dirigido el producto.
Las operaciones
unitarias en nuestro campo industrial son muy importantes y nos aportan
conocimientos qué nos permitirán entender los diferentes procesos y etapas que
suceden dentro de las empresas procesos como el secado, evaporado, fluidos,
humidificación, destilación, etc. Por ello es que un ingeniero industrial a la
hora de trabajar es polifuncional porque puede trabajar tanto en una empresa de
hidrocarburos como en una empresa fabricadora de leche, siempre involucrado en
los procesos operativos de la empresa.
Bibliografías.
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Proceso.pdf: http://www.icytal.uach.cl/efmb/apuntes/ITCL234/Te%C3%B3rico/Unidad-1/Operaciones%20Unitarias%20y%20Proceso.pdf
Facultad de Ingeniería-USAT. (14 de Mayo de 2012). Operaciones y Procesos
Unitarios. Obtenido de https://issuu.com/ingenieriaarquitecturausat/docs/operaciones_y_procesos_unitarios
Gomis, A. M. (2018). Universidad de Alicante . Obtenido
de https://core.ac.uk/download/pdf/16358082.pdf
Romano, J. (2017). Operaciones unitarias por trasnferencia de materia.
Obtenido de:
https://sites.google.com/site/oubioseparacionesupiig/introduccion/operaciones-unitarias-por-transferencia-de-materia
Rojas, A. (2020). Operaciones Unitarias. Obtenido de:
https://es.slideshare.net/acazro/operaciones-unitarias-30783593
Alava, K. (2015). Clasificación de las operaciones unitarias de acuerdo al
fenómeno que les precede. Obtenido de:
https://sites.google.com/site/upiigstudents/equilibrio-l
Fernández, G. (2020). Operación unitaria: Intercambio ionico. Obtenido de: https://www.industriaquimica.net/intercambio-ionico.html#:~:text=Es%20una%20operaci%C3%B3n%20unitaria%20que,la%20resina%20de%20intercambio%20i%C3%B3nico.
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