INTRODUCCIÓN










Se llama operación unitaria a una parte indivisible de cualquier proceso de transformación, sea físico, químico o de naturaleza biológica, de una materia prima en otro producto de características diferentes. Se entiende que los procesos de transformación en general y las operaciones unitarias, en lo particular, tienen como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma más útil a nuestros fines.

Puede definirse como un área del proceso o un equipo donde se incorporan materiales, insumos o materias primas en la que 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 llevan a cabo en la industria diariamente, si no hubiera un punto en común a todos ellos.

Esta transformación puede realizarse de distintas formas: modificando la masa o composición del cuerpo primario ya sea mezclándolo, separándolo o haciéndolo reaccionar quimicamente; modificando la calidad de la energia que posee el cuerpo en cuestión, ya sea por enfriamiento, vaporización, aumento de presión; modificando las condiciones relativas a la cinética del cuerpo primario, ya sea aumentando o disminuyendo su velocidad o modificando la dirección que tiene en el espacio.

Las operaciones unitarias son cada una de las acciones necesarias de transporte, adecuación y/o transformación. El número de estas operaciones básicas no es muy grande y generalmente sólo unas cuantas de ellas intervienen en un proceso determinado.

De hecho, los cambios mencionados son los únicos cambios posibles que un cuerpo puede experimentar. Un cuerpo está absolutamente definido cuando están especificadas:

  • la cantidad de materia y su composición;
  • la energía total (cualquiera que sea el tipo de energía) de que el cuerpo esté dotado;
  • las componentes de dirección y velocidad de que está animado.

Lo descrito está basado experimentalmente y soportado matemáticamente por las leyes de la conservación:
  • ley de la conservación de la materia
  • ley de la conservación de la energía
  • ley de la conservación de la cantidad de movimiento

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

Resumiendo:
Operaciones Unitarias (OU)
  • Fenómenos de transferencia que ocurren en un biodigestor: FT de movimiento, FT de masa y FT de calor.
  • Balance de masa: capacidad de un biodigestor
  • Balance de energía: costo de operación.
(TCM + TM + TC) + (BM + BE) = OU
Además se debe tener en cuenta:
  • Diseño
  • Términos de operación: variables de control (v. proceso y v. producto).
  • Secuencia de operaciones (pretramiento, biotransformación, postratamiento) : tecnología de procesamiento (operaciones ensambladas-pasos en los que se da transfromaciones para obtener un porducto).

Pretratamiento: o procesado previo, es el 1er proceso realizado para el acondicionamiento y preparación del material (condiciones adecuadas) para asegurar la obtención eficiente del producto y ponerlo, por ejemplo, a biodisponibilidad de los microorganismos.

Por ejemplo:
  • En un biodigestor: tamizado, triturado
  • Industria de petróleo y gas: tamizado, desbaste, desengrasado-desaceitado, dilaceración, pre-aireación, desarenado
  • En un medio de cultivo: desinfección, lavado, descontaminación.
  • Materia seca: deshidratación.






































Biotransformación: proceso en el que se emplea un sistema enzimático para catalizar reacciones y microorganismos para la producción de compuestos, en condiciones de trabajo adecuadas.
Por ejemplo:
  • En un biodisgestor: preparar la materia prima la cual se debe mezclar por BM para obtener una relación C-N adecuada; mantener ph, mantener las células uniformemente distribuidas; mantener constante y homogénea la temperatura; minimizar los gradientes de concentración de nutrientes; suministrar oxígeno y asegurar un ambiente estéril.
  • Biotransformaciòn de biomasa a biofuel por medio de microorganismos mediante hidrólisis y fermentación.

Postratamiento: serie de operaciones de soporte, que se realizan con el fin de recuperar, purificar o mejorar el producto final. Inciden de manera significativa en la calidad del producto y en el coste total del bioprocesado. El post-tratamiento a diferencia del pretratamiento y bioprocesamiento, le confiere un valor agregado al producto.
Algunas operaciones unitarias, que conforman en downstream son: ultrafiltración, cromatografía, destilación, adsorción, cristalización.
Por ejemplo:
  • En el biodigestor: purificación para separar el CO2 del metano.

Las principales Operaciones Unitarias son:
  • Transporte de fluidos o flujo dinámica
  • Evaporación
  • Secado
  • Destilación
  • Absorción (algún componente es removido de una corriente de gas por medio de un líquido)
  • Adsorción (algún componente es removido de una corriente de gas o líquido por medio de un sólido)
  • Separación por membrana
  • Extracción líquido-líquido
  • Extracción líquido-sólido (sólidos finamente divididos se le extrae un soluto por medio de un líquido)
  • Cristalización
  • Separación físico-mecánica (líquidos, sólidos o gases son clasificados por medios mecánicos Ej. filtración, decantación, reducción de tamaño)

Muchas de las OU poseen mecanismos o principios básicos en común. Ejemplos:
  • Transferencia de movimiento:sedimentación, mezclado, y fluido dinámica.
  • Transferencia de masa o difusión:secado, evaporación por membrana, absorción, destilación.
  • Transferencia de calor: secado, destilación, evaporación.

Las operaciones unitarias son comunes en los procesos industriales, sean químicos, físicos o biológicos y se refieren a las etapas individuales y diferenciables entre sí, en que pueden ser divididos tales procesos.


1. Procesos
View more PowerPoint from Heinz Lopez











CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS

Nueva imagen (3).JPG




Cuando se ponen en contacto dos fases que tiene diferentes composiciones es posible que ocurra la transferencia de alguno de los componentes presentes de una fase hacia la otra y viceversa. Esto constituye la base física de las operaciones de transferencia de masa. Si se permite que estas dos fases permanezcan en contacto durante un tiempo suficiente se alcanzará una condición de equilibrio bajo la cual no habría ya transferencia neta de componentes entre las dos fase.

En la mayor parte de los casos de interés que se presentan en las operaciones unitarias de transferencia de masa, las dos fases tiene una miscibilidad limitada, de tal manera que en el equilibrio existen dos fases que pueden separarse una de otra. Los procesos de separación son los ejemplos más representativos de las operaciones que se fundamentan en la transferencia de masa.

Nueva imagen (1).JPG



Ejemplos:

  • Destilación. Proceso más utilizado en la industria química. Se basa en la diferencia de volatilidad de los componentes. Absorción y Desorción de gases. La absorción de gases involucra la transferencia de un componente soluble, presente en una fase gaseosa, hacia un líquido absorbente de baja volatilidad. La desorción es el proceso inverso, es decir, la eliminación de un componente de la fase líquida por contacto con una fase gaseosa.
  • Extracción líquido-líquido. En algunas ocasiones una mezcla líquida puede separarse por contacto con un segundo disolvente, mientras que el resto de los componentes son insoluble
  • Extracción sólido-líquido. Los componentes de una fase sólida pueden separarse por disolución selectiva de la parte soluble de un sólido con un disolvente adecuado. Esta operación se conoce también como lixiviación. El sólido debe estar finamente dividido para que el disolvente líquido pueda hacer un contacto más completo. Por lo general el componente deseable es soluble, mientras que el resto es insoluble. Ejemplos: preparación de café, producción de café instantáneo, extracción de aceite.

Con base en la transferencia de calor

La transferencia de calor es un fenómeno que aplica a muchas operaciones y procesos unitarios. Sin embargo, hay un casi en el que es el mecanismo dominante y se denomina como tal: transferencia de calor.

Nueva imagen (2).JPG

Los ejemplos más representativos aplican al diseño de intercambiadores y como mecanismo en la operación de evaporación.


Con base en la transferencia de cantidad de movimiento
El trasporte de movimiento ocurre en los gases y líquidos que fluyen. La operación unitaria básica es el flujo de fluidos o mecánica de fluidos.

que estudia el movimiento de los fluidos (gase y líquidos) así como las fuerzas que los provocan. La característica fundamental que define a los fluidos es su incapacidad para resistir esfuerzos cortantes (lo que provoca que carezcan de forma definida). También estudia las interacciones entre el fluido y el contorno que lo limita.
Operaciones Unitarias Químicas

Combustión: proceso de oxidación rápida de una sustancia, acompañado de un aumento de calor y frecuentemente de luz. En el caso de combustibles comunes, el proceso consite en una combinación química con el oxígeno de la atmósfera que lleva a la foramción de dióxico de carbono, monóxido de carbono y agua, junto con otros productos como dióxido de azufre, que proceden de los componentes menores del combustible.

Hidratación: Cuando un cuerpo seco (anhídrico), absorbe agua, aunque sea en forma de humedad, se dice que este cuerpo está hidratado o que ha sufrido el fenómeno de hidratación.

Oxidación: Introdución del oxígeno en un cuerpo de manera que forme parte de su constitución íntima, tal sería el agua agregar un átomo de oxígeno y formar agua oxigenada también llamada peróxido de hidrógeno.

Reducción: Separación del oxígeno 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; este caliente y con ayuda de la flama reduce el óxido de plomo, de cobre, etc. al estado de plomo y cobre puro.

Saponificación: Cuando una sustancia grasa es tratado en caliente por medio de una lejía fuertemente alcalina, se transforma en jabón y se dice que se ha producido una sopanificación.

Hidrogenación: Implica la combinación de hidrógeno con ciertes compuestos orgánicos no saturados, especialmente con los hidrocarburos. 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: Proceso químico por el cual un compuesto químico, normalmente orgánico, se descompone o fracciona en compuestos más simples. Este proceso se realiza ya sea por la apliación 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 fraccionanda. A continuación, casi todas las fracciones más pesadas son sometidas a craqueo.
En el proceso se forma hidrógeno y carbono.

OPERACIONES UNITARIAS EN LA INDUSTRIA


Las OU son comunes en las diferentes industrias:


external image 1093


Las operaciones unitarias en el proceso de obtención de carbonato de calcio se representan en la Figura 1. Se desarrollan dos tratamientos: con ácido clorhídrico: analítico, 37% de concentración (Tratamiento A), y comercial, 27% de concentración (Tratamiento B)., y cinco ensayos por cada uno sin repeticiones. El diseño experimental utilizado es completamente al azar, con cuatro variables de respuesta: Masa seca final (g), Gasto de reactivo (ml), Gasto de energía de secado (Watt*hora) y Absorción atómica (% Ca2+).



external image Residuos01.jpg



El proceso de recuperación de solventes incluye en general las operaciones unitarias mostradas en la Figura 2.1.



Figura 3: Operaciones unitarias en la producción de azúcar
Figura 3: Operaciones unitarias en la producción de azúcar









REFINO DEL AZUCAR DE CAÑA

El azúcar comun blanco granulado tiene un porcentaje de sacarosa que es del 99.9%, y es una de las sustancias, mas puras de todas las producidads a partir de materias primas naturales en gran cantidad. El azúcar se obtiene a partir de la caña de azúcar y de la remolacha azucarera


external image sacarosa.gif


El azucar de caña se produce en dos bloques, pirncipalmente de operaciones de proceso. Es importante saber que el proceso preliminar tiene lugar cerca de donde crece la caña de azucar y consiste en las siguientes etapas:
azucar.jpg
1.- Lavado y molienda: La caña de azucar se lava con chorros de agua para de esta manera liberar cualquier desecho del campo, a continuación se corta en trozos cortos. Estos trozos se pasan a través de rodiññps a elevada presión que sacan el jugo cargado de azúcar de las células vegetales. Finalmente se añade agua a la molienda y asi se extrae las últimas porcionaes de azúcar disponible. La pulpa de cña resultante se conoce como bagazo y se utiliza como combustible y para la manufactura de tableros de fiba aislante

2.- Clarificación: Se añade lechada de cal[Ca(OH)2] al jugo azucarado, al cual se lo calienta. El jugo pasa a continuación a grandes recipientes de reposo en los que sedimenta y se extrae la material colidal coagulada y las sales cálcicas insolubles. El residuo extraído del fondo del clarficador se filtra para recuperar jugo adicional , que se recircula.


En la siguiente figura, podemos ver un diagrama de flujo de una gran refineria de azúcar


Diagrama de flujo.jpg


Como primera etapa, los cristales de azúcar en bruto se mezclan con jarabe de reciclado en mezcladoras de modo que ablandan la película de melazas adherida a los cristales. Este jarabe se elimina en centrífugas y se recircula y se procesa para una posterior recuperación de azúcar. los cristales de azúcar (ahora con un contenido de 99% de azúcar) se disuelven a continuacion con agua caliente y se tratan en recipientes denominados tachos de inflado o defecación con hidróxido de cálcico y ácido fosfórico de modo a precipitar las sustancias extrañas que forman compuestos insolubles con estos productos químicos. Se añade tierra diatomeas, un material poroso esponjosao, como un coadyuvante a la filtración. Sirve para proporcionar extensa cantidad de superficie sólida que facilita la eliminación insoluble en la subsiguiente etapa de filtración

En la siguiente figrua se muestra el enorme filtro del tipo de hojas utilizado en la planta.



equipo.png
.
El jarabe azucarado se pasa a continuacion lentamente a través de grandes lechos de granulos de carbón de origen animal. El propósito de esta etapa es adsorber en la superficie del carbón de huesos las sustancias de color y otras impurezas restantes. La solución de azúcar se libera entonves del exceso de agua por ebullicion en evaporadores calentados con vapor o calderas o tachos. Algunas veces se añade un coadyuvante de filtración (tierra de ditomeas) para formar un medio filtrante todavía más efectivo en la superficie de la malla o tejido. La filtración es una separación basada en el tamaño, mientras que la sedimentación es una separación basada en la densidad.

3. Centrifugación: Se hace girar rapidamente una suspensin de sólidos en un líquido. La fuerza centrífuga debisa a la rotación ayuda a la separación de las fases. Las centrífugas pueden operar de acuerdo con el principio de la sedimentación, siendo la fase más densa la que separa debido a la fuerza centrífuga de cesta donde la malla de la cesta retiene las particulas sólidas y la fuerza centrífuga causa que el líquido fluya a traés de los sólidos en la cesta más rapidamente que en un filtro ordinario.

4. Tamizado: clasificacion por tamaño del cristal. Las partículas se agitan sobre un tamiz. las partículas más pequeñas pasan a través del tamiz mientras las partículas mayores quedan retenidas.

5. Expresión: rodillos de molienda.Se utiliza fuerza mecánica para exztraer líquido de una sustancia contenido abos fase sólida y fase líquida.

6.- Lavado y lixiviación: eliminación de desechos,adición de agua a los rodillas de molienda, mezcladores. El material soluble se elimina de una ezcla de sólidos por disolución en un disolvente líquido-

7. Precipitación. Tanques de cal, tachos de defecación. Se añade un reactante químico a una solución líquida de modo que provoca que alguna, pero no todas, de las sustancias en solución formen nuevos compuestos insolubles.

8. Evaporación: Evaporadores, tachos a vacío. Se añade calor a un líquido que contiene solutos o volátiles en un disolvente volátil. El disolvente se evapora obteniéndose una solución más concentrada. El disolvente puede recuperarse condensando el vapor.

Es importante saber que el efluente del reactor necesariamente es una mezcla de compuestos químicos: el producto deseado, subproductos, reactantes no convertidos y posiblemente el catalizador de la reacción. El producto deseado debe separarse de esta mezcla en forma relativamente pura, y se deberán los reactantes no convertidos y el catalizador para su recirculación. Todos los reactantes pueden necesitar una prepurificación. Para lo cual se necesita un proceso de separación. El 50 a 90% del capital invertido corresponde al equipo de separacion en procesos petrolquímicos a gran escala en los que intervienen reacciones químicas.

La separación puede ser la principal función de un proceso completo, como se lo explicó anteriormente en el proceso de refino de azúcar y de procesos tan diversos como la deshidratación de alimentos, la separación de minerales por flotación y la manufactura de oxígeno del aire.

A continuación se presenta una tabla de las clases de procesos de separación

tabla.jpg


tabla 1.jpg

BALANCE DE ENERGÍA BIODIGESTORES







SEPARACIÓN GENERALIDADES





CURIOSIDADES

HISTORIA

INGENIERÍA QUÍMICA





Referencias:





external image clip_image001.gif