OPERACIONES UNITARIAS.

La ingeniería química.

Trata de procesos industriales en los que las materias primas se transforman o separan en productos útiles. El ingeniero químico tiene que desarrollar, diseñar y encargarse de la ingeniería del proceso completo, así como del equipo que se utiliza; selecciona las materias primas adecuadas; hace operar las plantas con eficiencia, seguridad y economía; y supervisa que los productos cumplan los requerimientos exigidos por los consumidores. (Warren L. McCabe, 2007).
Los cambios físicos se llevan a cabo para una variedad de propósitos, generalmente se llevan a cabo antes de someter los materiales a reacciones químicas para que las reacciones químicas ocurran sin problemas. Por ejemplo, en, la homogeneización, la pasteurización y el envasado son, cada una, operaciones unitarias que están conectadas para crear el proceso general.

Definiciones:

Arthur Dehon Little propuso el concepto de "operaciones unitarias" para explicar los procesos de la química industrial en 1916. En 1923, William H. Walker , Warren K. Lewis y William H. McAdams escribieron el libro "Los principios de la ingeniería química" y explicaron que la variedad de industrias químicas tienen procesos que siguen las mismas leyes físicas.

Por ejemplo, se requiere la misma ingeniería para diseñar un mezclador para napalm o papilla, incluso si el uso, el mercado, o los fabricantes son muy diferentes. Las operaciones unitarias forman los principios fundamentales de la ingeniería química. (Zambrano, 2019)

Este concepto fue introducido en 1915 por el profesor Little, del Massachussets Institute of Technology (M.I.T.). La definición dada entonces, fue la siguiente: “... todo proceso químico conducido en cualquier escala puede descomponerse en una serie ordenada de lo que pudieran llamarse operaciones unitarias. El número de estas operaciones básicas no es muy grande, y generalmente sólo unas cuantas de entre ellas intervienen en un proceso determinado.” (Gomis, 2018)

Según Warren L. McCabe, Julian C. Smith y Peter Harriott operaciones unitarias es: Un método muy conveniente para organizar la materia de estudio que abarca la ingeniería química se basa en dos hechos: aunque el número de procesos individuales es grande, cada uno puede ser fragmentado en una serie de etapas, denominadas operaciones, que se repiten a lo largo de los diferentes procesos; las operaciones individuales tienen técnicas comunes y se basan en los mismos principios científicos. Por ejemplo, en la mayoría de los procesos es preciso mover los sólidos y los fluidos; transferir calor u otras formas de energía de una sustancia a otra, y realizar operaciones como el secado, reducción del tamaño, destilación y evaporación.

Clasificación de las operaciones unitarias.

Transferencia de masa.

La transferencia de masa se da por la propensión de uno o más componentes de una mezcla al trasladarse desde la zona de mayor concentración hacia la zona de menor concentración. La transferencia cesa cuando se llega al equilibrio entre las fases debido a que ya no existe la fuerza impulsora. Este transporte puede ocurrir por difusión debido, generalmente, a un gradiente de concentración - másico (densidad o fracción másica) o molar (concentración o fracción molar) - que actúa como fuerza impulsora. También puede ocurrir por convección debido al movimiento del fluido. (Pinos, 2021)

Extracción: 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.

Destilación: La destilación es un proceso de separación físico en el que se evapora parcialmente una mezcla de productos, de forma que los compuestos más ligeros se concentran en la fase vapor y los más pesados se concentran en la fase líquida.

Absorción: Es una operación unitaria utilizada en la industria química y petrolera, cuya finalidad es separar uno o varios componentes de una mezcla gaseosa (corriente gaseosa) por disolución en un líquido (corriente líquida) llamado solvente.

Adsorción: Operación en el cual una mezcla gaseosa o líquida entra en contacto con un sólido (el adsorbente) y un componente de la mezcla (el adsórbato) se adhiere a la superficie del sólido.

Transporte de fluidos o transferencia de movimiento lineal.

Compresores: Un compresor industrial es un dispositivo que comprime aire y nos sirve para usar una amplia gama de herramientas neumáticas

Bombas: Por bomba industrial se entiende una máquina que transforma la energía mecánica que absorbe de un motor eléctrico, térmico, u otros, y la transfiere a un fluido como energía hidráulica, lo cual permite que el fluido sea transportado de un lugar a otro, a un nivel o a diferentes niveles

Conducciones de fluidos: Una conducción de fluidos se define como la estructura u obra que permite el transporte de un fluido desde una fuente hasta el destino requerido.

Transporte de cantidad de movimiento.

Filtración: El proceso de filtración es aquella operación de separación sólido - fluido en la que se produce la separación de partículas sólidas o gotas de líquidos o gases a través de un medio filtrante. En el caso de filtración sólido-líquido, el líquido separado se denomina filtrado, efluente, permeado o agua clara. (Ramirez, 2018)

Sedimentación: La sedimentación es la operación unitaria que consiste en separar, por acción de la gravedad, un sólido finamente dividido de un líquido en el que está suspendido, obteniendo un líquido clarificado y un lodo más o menos espeso con elevado porcentaje de sólidos. (Ramirez, 2018)

Centrifugación: La centrifugación es una técnica de separación que se utiliza para aislar o concentrar partículas suspendidas en un líquido aprovechando la diferente velocidad de desplazamiento según su forma, tamaño o peso al ser sometidas a una fuerza centrífuga. (Chávez, 2019)

Transferencia simultanea de calor y masa.

Existen operaciones en las que se da simultáneamente una transferencia de materia y una transmisión de calor, siendo ambos procesos controlantes del proceso de la operación. Hay simultáneamente dos fuerzas impulsoras separadas, que pueden ir en el mismo sentido o en sentidos opuestos.

Cristalización: La cristalización es la formación de partículas sólidas cristalinas en el seno de una fase homogénea. El proceso de formación de cristales consta de dos etapas: la nucleación y el crecimiento.

La liofilización o criodeshidratación: es una peculiar modalidad de secado que consiste en la eliminación del agua de un sólido por sublimación de esta, es decir, el agua del sólido previamente congelada se pasa directamente a vapor.

Transferencia de Calor.

Estas operaciones son sólo una parte de aquéllas controladas por la transferencia de energía, ya que un sistema y sus alrededores pueden intercambiar energía en forma de calor o en forma de trabajo.

Los intercambiadores de calor: son equipos cuyo objetivo es llevar una corriente de fluido a una temperatura determinada, calentándola o refrigerándola mediante otra corriente de fluido calentador o refrigerante.

La evaporación: es una operación unitaria consistente en la separación de una mezcla líquida, generando a partir de la misma, por ebullición, un vapor integrado por los componentes más volátiles de aquélla. Se utiliza para concentrar disoluciones obteniéndose vapor del disolvente.

Pasteurización: Es un tratamiento térmico de baja intensidad cuyo objetivo es la destrucción de la flora patógena, esto lo podemos ver en la elaboración de los jugos de fruta. (Gomis, 2018)

Operaciones físicas complementarias.

El triturado: es una operación unitaria importante en la cual el tamaño de partícula se reduce y se incrementa su área de superficie.

Mezclado: Se puede definir como una operación donde se efectúa una combinación uniforme de dos o más componentes alcanzando una distribución uniforme de los componentes mediante el flujo, el cual es generado por medios mecánicos. (baixardoc, 2020)

Aplicación de las Operaciones Unitarias en la Industria.

Las operaciones unitarias son aplicables a muchos procesos tanto físicos como químicos. Por ejemplo, el proceso empleado para la manufactura de la sal común consiste en la siguiente secuencia de operaciones unitarias: transporte de sólidos y líquidos, transferencia de calor, evaporación, cristalización, secado y tamizado. En este proceso no intervienen reacciones químicas. Por otro lado, el cracking del petróleo, con o sin ayuda de un catalizador, es una reacción química típica realizada a gran escala. Las operaciones unitarias que se efectúan en este proceso transporte de fluidos y sólidos, destilación y separaciones mecánicas diversas son todas de una importancia vital y la reacción de cracking no podría realizarse sin ellas. Las etapas químicas se llevan a cabo controlando el flujo de materia y energía hacia y desde la zona de reacción. Aunque las operaciones unitarias son una rama de la ingeniería, se basan de igual manera en la ciencia y la experiencia. Se deben combinar la teoría y la práctica para diseñar el equipo, construirlo, ensamblarlo, hacerlo operar y darle mantenimiento. (Warren L. McCabe, Julian C. Smith, Peter Harriot)

Conclusión.

El estudiar los distintos procesos que encontramos en variadas empresas industriales, esto se complica un poco ya que muchas de estas empresas tienen múltiples procesos e incluso combinan procesos por lo cual realizar este tipo de estudio es complicado, pero para facilitar su estudio, se los puede tomar por partes o por fases y estudiarlos por separados.

Tras conocer un poco de todas las operaciones unitarias que se efectúan durante el proceso que tiene una empresa industrial, se podrá encontrar rutas más fáciles para el mantenimiento y controlar el buen funcionamiento de las maquinarias y equipos que intervienen durante el proceso industrial.

Bibliografía

baixardoc. (2020). Operaciones físicas complementarias . https://baixardoc.com/preview/operaciones-fisicas-complementarias-1-1-5d0e906413b4b#:~:text=Las%20principales%20son%3A%20trituraci%C3%B3n%2C%20molienda,de%20s%C3%B3lidos%2C%20l%C3%ADquidos%20y%20gases.

Chávez, A. V. (23 de 05 de 2019). Prezi. Obtenido de Prezi: https://prezi.com/p/8qpv3zz_o-q6/operacion-unitaria-de-flotacion/#:~:text=Puede%20ser%20definida%20como%20un,%2Dagua%20y%20gas%2Daire.

Gomis, A. M. (2018). INTRODUCCIÓN A LAS OPERACIONES DE SEPARACIÓN. https://core.ac.uk/download/pdf/16358082.pdf.

lopez, M. (2020). Operación unitaria. https://www.wikiwand.com/es/Operaci%C3%B3n_unitaria.

Pérez, L. C. (2009). Curso breve sobre Operaciones Unitarias. Mexico: https://www.academia.edu/37556571/Operaciones_Unitarias.

Pinos, V. (2021). Cápsula | Los fenómenos de transporte: transferencias de cantidad de movimiento, calor y masa. https://www.ucuenca.edu.ec/component/content/article/273-espanol/investigacion/blog-de-ciencia/ano-2021/enero-2021/1860-transferencias-de-cantidad-de-movimiento#:~:text=La%20transferencia%20de%20masa%20se%20da%20en%20operaciones%20unitarias%20como,%2C%20f.

Ramirez, N. M. (2018). OPERACIONES DE SEPARACIÓN SÓLIDO-FLUIDO. https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/20298/1/tema_7.pdf.

Warren L. McCabe, J. C. (2007). OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA. CIUDAD DE MEXICO : https://aulavirtual.uleam.edu.ec/xisce/docs/cursos/1001244/Tarea1153194-16654452851.pdf.

Warren L. McCabe, Julian C. Smith, Peter Harriot. (s.f.). OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA. MEXICO: McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A.

Zambrano, M. (19 de 11 de 2019). Operaciones Unitarias. Obtenido de Operaciones Unitarias: https://operacionesunitariasindustrial.blogspot.com/2020/11/las-operaciones-unitarias-definiciones.html

Informe de introducción a las operaciones unitarias PDF

Diapositivas de la exposición

Video Explicativo: