APRENDIZAJE BASADO EN TIC #1

 OPERACIONES UNITARIAS, DEFINICIONES, CLASIFICACION Y CAMPO APLICATIVO EN LAINDUSTRIA

INTRODUCCIÓN.

Según A. Marcilla Gomis en su libro “Introducción a las operaciones de separación” menciona 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. Afortunadamente, esta conexión existe” (A. Marcilla Gomis 2002, pág. 11). Se encuentra varios procesos industriales y ninguno es idéntico, es importante saber que los principios que se aplican en los procesos son semejantes, descritos como la secuencia de cambios dela materia, la cual puede ocurrir tanto en el aspecto químico, como en el físico o incluso en ambos, es decir que el proceso llevado a cabo puede descomponerse en una serie sistematizada llamada operaciones unitarias. Este concepto fue introducido en 1915 por el profesor Little, del MassachussetsInstitute 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, como pulverización, secado, cristalización, filtración,evaporación, destilación, etc. El número de estas operaciones básicas no es muy grande, y generalmente sólo unas cuantas de entre ellas intervienen en un proceso determinado.” Con esta simplificación se ha reducido la complejidad del estudio de los procesos industriales, pues del conjunto de todos los procesos químicos que pueden imaginarse bastará con estudiar el grupo de las 25 ó 30 operaciones unitarias existentes. 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 obtenerlos materiales finales de productos químicos o biológicos.

¿QUÉ SON LAS OPERACIONES UNITARIAS?

La operación unitaria es la base de la industria química. En la industria química, las materias primas se modifican físicamente o se transforman químicamente para obtener productos terminados con valor agregado y mayor utilidad en el área de procesamiento. Se divide en acciones unitarias. Enel área de procesos, puede haber operaciones físicas o reacciones químicas, pero las reacciones químicas no son necesarias para que exista un proceso, pero siempre habrá operaciones físicas en cada proceso. Cuando en la industria química o áreas afines se quiere preparar o sintetizar algún producto a partir de materia prima por medio de un proceso largo y complicado, resulta conveniente dividir este proceso en etapas individuales simples que sean fáciles de analizar por separado. Estas etapas individuales que involucran un solo cambio o transformación se denominan operaciones unitarias. Según Christie J. Geankoplis: 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

Según Warren L. McCabe, Julian C. Smith y Peter Harriott: Un método muy conveniente para organizar la materia de estudio que abarca la ingeniería química se basa en dos hechos: 1). 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; 2). 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. El concepto de operación unitaria es el siguiente: mediante el estudio sistemático de estas operaciones en sí mismos, operaciones que evidentemente constituyen la trama de la industria y las líneas de producción se unifica y simplifica el tratamiento de todos los procesos. Según Amanda (2014), Una operación unitaria es “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 procesos”.

Tipos de operaciones unitarias 

Las operaciones unitarias son muy variadas y se pueden clasificar según cuatro criterios diferentes. Estos son: El tipo de transporte que las gobiernan. 

-Según su naturaleza. 

-Su régimen de trabajo. 

-El fin que persiguen.

CLASIFICACION DE LAS OPERACIONES UNITARIAS 

- En base a los procesos fundamentales de transferencia 

-Operaciones de separación físico-mecánicos 

EN BASE A LOS PROCESOS FUNDAMENTALES DE TRANSFERENCIA 

Transferencia de momento lineal 

Se refiere a la operación que se presente en materiales en movimiento como en operaciones unitariasde flujo de fluidos. 

Sedimentación y mezclado.

Ejemplos: La distribución de agua y de gas en las viviendas, el flujo de refrigerante en neveras y sistemas de refrigeración, el flujo de aire por ductos de refrigeración, flujo de gasolina, aceite, y refrigerante en automóviles, etc

Sedimentación

Es una operación de separación de fases fluido-sólido en la que las partículas sólidas se separan del fluido debido a que, por su mayor densidad, tienden a sedimentar debido a la gravedad. El fluido puede ser un líquido o gas.

Ejemplos: Potabilización del agua, tratamiento de aguas residuales, desarenador, etc.

Mezclado

Es una operación unitaria que permite una distribución al azar de partículas dentro de un sistema.

Ejemplos: Bicarbonato de sodio con agua, agua de mar, mezcla de aceite de cocina, jabón de tocador, cerveza, etc.

                                                        Transferencia de calor 

Se considera como la transferencia de calor de un lugar a otro, se presenta en las operaciones unitarias de secado, evaporación, destilación y otras.

 Secado

Consiste en separar pequeñas cantidades de agua u otro liquido de un material solido con el fin de reducir el contenido de líquido residual hasta un valor aceptablemente bajo.

Ejemplos: Estufas de secado, armarios de secado, secaderos de toberas y canales de secado.

 

Evaporación

Proceso físico, es el paso de un líquido al estado gaseoso, por absorción de energía (calor).

Ejemplos: Concentración de soluciones acuosas de azúcar, cloruro de sodio, hidróxido de sodio, glicerina, gomas, leche y jugo de naranja, obtención de la meladura en la industria azucarera

Destilación

Separación de los componentes de una mezcla liquida por medio de ebullición basada en las diferencias de presión de vapor.

Ejemplo: Refinación del petróleo, el cracking catalítico, procesamiento del carbón, producción de perfumes, obtención de bebidas alcohólicas, etc.

                                                     Transferencia de masa

En este caso se transfiere masa de una fase a otra diferente, el mecanismo básico es el mismo ya sea que las fases sean gaseosas, sólidas o líquidas; incluye operaciones como absorción, lixiviación, entre otras.

Absorción

Separación de uno o varios componentes de una mezcla gaseosa mediante su disolución selectiva en un líquido.

Ejemplos: Separación de los líquidos contenidos en el gas natural, eliminación de dióxido de azufre SO2 y óxidos de nitrógeno, etc

Extracción

El proceso se comprende como la recuperación por separado del solvente y el soluto. Ejemplo: Separación entre hidrocarburos aromáticos, alifáticos y nafta.

Lixiviación extracción (sólido-líquido)

La lixiviación consiste en la remoción o extracción de un componente soluble (soluto) contenido en un sólido mediante un solvente apropiado.

Ejemplos: Extracción de azúcar de la caña, fabricación de café y té solubles, extracción de aceites de semillas, etc.

Operaciones De Separación Físico-Mecánicos

Se considera como un grupo de procesos de separación que no se lleva a cabo a escala molecular ni se debe a diferencias entre las diversas moléculas presentes. La separación se logra usando fuerzas físico-mecánicas y no fuerzas moleculares o químicas ni difusión, incluyen la gravitación y la centrifugación, las fuerzas mecánicas propiamente dichas y las fuerzas cinéticas causadas por flujos.

Filtración

En la filtración, las partículas suspendidas en un fluido, ya sea líquido o gas, se separan mecánica o físicamente usando un medio poroso que retiene las partículas en forma de fase separada que permite el paso del filtrado sin sólidos.

Ejemplos: Filtros de agua, de aire, de aceites, redes de piscinas, tamizado de la harina, etc

Reducción de partículas

La reducción de tamaño es aquella operación en la que el tamaño medio de los alimentos sólidos es reducido por la aplicación de fuerzas de impacto, compresión o abrasión

Ejemplos: Extracción de jugos de pulpa, de azucares, y de aceites.

 

Centrifugación

La centrifugación es un proceso de separación que utiliza la acción de la fuerza centrífuga para promover la aceleración de partículas en una mezcla de sólido-líquido. Dos fases claramente distintas se forman en el recipiente durante la centrifugación.

Ejemplos: Industria láctea, tratamientos de aguas residuales, aceleración de la sedimentación, etc

CAMPO DE APLICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS EN LA INDUSTRIA.

         Destilación

La destilación es una técnica de laboratorio utilizada en la separación de sustancias miscibles. Separación de los componentes de una mezcla líquida por medio de la ebullición basada en las diferencias de presión de vapor.

Ejemplo: Mediante la destilación del petróleo se obtienen progresivamente todos aquellos compuestos de temperatura de ebullición parecida, y que tienen características también parecidas.

Secado

El secado es un método de conservación de alimentos, consistente en extraer el agua de estos, lo que inhibe la proliferación de microorganismos y dificulta la putrefacción.

El secado de alimentos mediante el sol y el viento para evitar su deterioro ha sido practicado desde la antigüedad.

Ejemplo: 

-Esta operación unitaria la encontramos en la industria del chocolate en la parte del secado de las pepas de cacao.

-El secado del azúcar se lleva a cabo en un tambor de secado. El movimiento delicado entre los cristales previene la formación de capas de cristales amorfos en la superficie del cristal y el principio contra corriente permite un proceso fácil y efectivo.

Separación de Membranas

El proceso implica separar el soluto del líquido mediante la difusión del soluto en el líquido y el gas a través de la barrera de una membrana semipermeable hacia otro líquido.

Ejemplo: La ósmosis inversa es especialmente adecuada para procesos como deshidratación, concentración, separación de materiales o tratamiento de residuos líquidos. Por un lado, es muy útil para concentrar sólidos disueltos o en suspensión, y por otro lado para obtener un vertido con concentraciones muy bajas de sólidos disueltos, muy utilizado en plantas de embotellado de agua purificada

Cristalización

La Cristalización es un proceso industrial en donde se forman partículas sólidas (cristales) a partir de una fase homogénea (que puede ser gas o líquida), pasando el sistema de un estado de desequilibrio al estado de equilibrio. Impurezas/purificar productos. Es un proceso físico por el cual, a partir de un gas, un líquido o una disolución, los iones, átomos o moléculas establecen enlaces hasta formar una red cristalina, la unidad básica de un cristal. La cristalización se emplea con bastante frecuencia en química para purificar una sustancia sólida.

Ejemplo: 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.

-Obtención de aspirinas.

-Cristalización de azúcar.

Adsorción

En este proceso, los componentes de la corriente de líquido o gas son eliminados y adsorbidos por el adsorbente sólido.

En este método, los componentes gaseosos se separan de la corriente mediante tratamiento con líquido.

La adsorción es la adhesión de átomos, iones o moléculas de un gas, líquido o sólido disuelto a una superficie. Este proceso crea una película de adsorbato en la superficie del adsorbente. Este proceso difiere de la absorción, en la que un fluido se disuelve o penetra en un líquido o sólido, respectivamente

Ejemplo: Un ejemplo obvio de adsorción es el carbón activado, que utilizan las empresas de agua para colocarlos en el agua para eliminar olores y sabores desagradables en el agua para que el producto pueda funcionar para consumo.

OPERACIONES UNITARIAS EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA.

En los procesos de producción de alimentos, en varias ocasiones aparece la necesidad de separar los componentes de una mezcla en fracciones y de describir los sólidos separados y predecir sus características. Para llevar a cabo estos procesos mayoritariamente se realiza de manera mecánica entre estos tenemos la filtración, sedimentación y tamizado.

La empresa Canteras San Agustín S.A se dedica a extracción de otros minerales: asbesto, polvo de fósiles silíceos, esteatita (talco), vermiculita, peolita, clorita, antimonio, magnesita, silicato de magnesio (polvo), silicio, etcétera; y otros materiales abrasivos: esmeril, corindón, etcétera. En esta cantera se realiza la Operación Unitaria de la trituración y moliendas.

La trituración presenta un papel importante para el tratamiento y elaboración de materias primas de múltiples tipos, existen numerosas técnicas de trituración, en esta industria se realiza la operación de trituración para sacar materiales que luego serán ocupados para la construcción de carreteras.

Es de suma importancia saber que hay diversas formas de reducir el tamaño de los materiales que puede ser por impacto, frotación, compresión o cortado.

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CONCLUSION:

Estudiar los diferentes procesos industriales se torna algo complejo ya que existe un sin número de estos, por eso se simplifica estos estudios realizándolos por partes o por fases en los procesos ya que estos tienen a ser iguales en otros procesos industriales y con estudiar por fases se pueden hacer muchas combinaciones y sacar diversos procesos.

Tenemos varios ejemplos de operaciones unitarias que se pueden ejecutar en muchos procesos como la destilación que sirve para procesos en la industria de perfumes, hidrocarburos, industria farmacéutica, bebidas alcohólicas entre otras y así como esta operación existen muchas más que se pueden implementar en diferentes procesos, por eso la importación de estudiarlas de esta manera.

Terminamos nuestro trabajo enfatizando la importancia de entender el problema de operación unitaria, pues es una metodología en el proceso que se brinda en algunas industrias y requiere la ayuda de la ingeniería como rama básica del conocimiento, esta metodología implica la aplicación de una serie de operación, porque es muy importante que campos como el de producción realicen cálculos y consideren estas condiciones en el proceso industrial. La utilidad o beneficio que puede proporcionar un ingeniero industrial tiene una amplia gama de aplicaciones en la práctica. Desde la acción unitaria más simple hasta la acción unitaria más proporcionamos soluciones eficientes para la industria.

BIBLIOGRAFÍA

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o        Pérez, L. C. (2007). Operaciones Unitarias.

o        Murphy, R. M. (2018). Introducción a Los Procesos Quimicos Regina M Murphy. Obtenido de

https://www.academia.edu/30616230/Introduccion_a_Los_Procesos_Quimicos_Regina_M_M urphy