Operaciones unitarias y procesos unitarios
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. A continuación se describen las operaciones unitarias importantes que se cubren en este libro, y que corresponden a aquellas que se pueden combinar en diversas secuencias en un proceso.
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.
Intercambiadores de calor en uso en industria de lácteos para pasteurizar
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.
La evaporación ha sido implementada en la industria alcohólica.
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.
Torre de secado de leche, esta técnica es muy implementada en la industria de lácteos.
6. Absorción. En este proceso se separa un componente gaseoso de una corriente por tratamientocon un líquido.
Planta de tratamientos de rellenos sanitarios son implementados para recuperar el acido sulfidrico
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.
Es implementada en la extracción de aceites
9. Adsorción. En este proceso, un componente de una corriente líquida o gaseosa es retirado y
Adsorbido por un adsorbente sólido.
Filtración de cafeína por carbón activado
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.
Un ejemplo de lixiviación es la extracción de cafeína, en el proceso de descafeinado del café, debido a que la cafeína se encuentra dentro de un sólido (grano de café) y al extraerla con solvente orgánicos, estamos realizando una extracción solido-líquido.
ll. Cristalización. Se refiere a la extracción de un soluto, como la sal, de una solución por precipitación de dicho soluto.
Ejemplo de cristalización de cafeína para su venta.
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.
Factores de proceso
Las propiedades fisicas y químicas de la solución que se esta concentrando y del vapor que se separa tienen un efecto considerable sobre el tipo de evaporador que debe usarse y sobre la presión y la temperatura del proceso. A continuación se analizan algunas propiedades que afectan a los métodos de procesamiento.
1. Concentración en el liquido. Por lo general, la alimentación líquida a un evaporador es bastante diluida, por lo que su viscosidad, bastante baja, es similar a la del agua y se opera con coeficientes de transferencia de calor bastante altos. A medida que se verifica la evaporación, la solución se concentra y su viscosidad puede elevarse notablemente, causando una marcada disminución del coeficiente de transferencia de calor. Se requiere entonces una circulación o turbulencia adecuada para evitar que el coeficiente se reduzca demasiado.
2. Solubilidad. A medida que se calienta la solución y aumenta la concentración del soluto o sal, puede excederse el límite de solubilidad del material en solución y se formaran cristales. Esto limita la concentración máxima que puede obtenerse por evaporación de la solución. En la figura 8.1-l se muestran algunas solubilidades en agua de ciertas sales en función de la temperatura. En la mayoría de los casos, la solubilidad de la sal aumenta con la temperatura. Esto significa que, al enfriar a temperatura ambiente una solución concentrada caliente que proviene de un evaporador puede presentarse una cristalización.
3. Sensibilidad térmica de los materiales. Muchos productos, en especial los alimentos y otros
materiales biológicos, son sensibles a la temperatura y se degradan cuando ésta sube o el calentamiento es muy prolongado. Entre ellos están los materiales farmacéuticos; productos alimenticios como leche, jugo de naranja y extractos vegetales; y materiales químicos orgánicos delicados. La cantidad de degradación está en función de la temperatura y del tiempo.
4. Formación de espumas. En algunos casos, los materiales constituidos por soluciones cáusticas, soluciones de alimentos como leche desnatada y algunas soluciones de ácidos grasos, forman espuma durante la ebullición. Esta espuma es arrastrada por el vapor que sale del evaporador y puede producir pérdidas de material.
5 . Presión y temperatura. El punto de ebullición de la solución está relacionado con la presión del sistema. Cuanto más elevada sea la presión de operación del evaporador, mayor será la temperatura de ebullición. Además, la temperatura de ebullición también se eleva a medida que aumenta la concentración del material disuelto por la acción de la evaporación. Este fenómeno se llama elevación del punto de ebullición y se estudiara en la sección 8.4. Para mantener a un nivel bajo la temperatura de los materiales termosensibles suele ser necesario operar a presiones inferiores a 1 atm, esto es, al vacío.
6. Formación de incrustaciones y materiales de construcción. Algunas soluciones depositan materiales solidos llamados incrustaciones sobre las superficies de calentamiento. Estas incrustaciones se forman a causa de los productos de descomposición o por disminución de la solubilidad. El resultado es una reducción del coeficiente de transferencia de calor, lo que obliga a limpiar el evaporador. La selección de los materiales
Procesos de trasporte operaciones unitarias 3ª edición C.J Geankoplis
Operaciones unitarias en ingeniería química 3ª edición Warren L Mccabo
Procesos de trasferencia de calor Donald Q.Kern 3ª edición
