Operaciones unitarias

Una operación unitaria se define como 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 proceso.
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
Éstos tienen como objetivo modificar las condiciones de una determinada unidad de
masa para conseguir una finalidad. Esta modificación se puede conseguir:
- Modificando su masa o composición.
- Modificando su nivel o cantidad de energía.
- Modificando las condiciones de movimiento: velocidad.

Para la clasificación de las operaciones unitarias se atiende a la propiedad que
predomina en una transformación. En base a ello la clasificación se hace en dos
grandes grupos:
- Operaciones unitarias físicas.
- Operaciones unitarias químicas. Operaciones unitarias físicas
- De transferencia de materia.
- De transferencia de energía.
- De transferencia simultánea de materia y energía.
- De transferencia de cantidad de movimiento.
- Complementarias.

Es la separación de los componentes de una
mezcla liquida por vaporización y re condensación
de la misma. Al calentar primero se desprenden
los componentes más volátiles y va quedando un
residuo liquido constituido por las sustancias de
punto de ebullición mas alto.
La destilación es una operación utilizada con
frecuencia para la purificación y aislamiento de
líquidos orgánicos y aprovecha las volatilidades y
puntos de ebullición de los componentes a
separar. Depende de parámetros como: El
equilibrio liquido vapor, temperatura, presión,
composición y energía.

Clasificación de la destilación:
Destilación simple o sencilla: Es aplicable en los sistemas
que contengan líquidos orgánicos de puntos de ebullición
bastante diferenciados.
Destilación Fraccionada: Es una técnica para realizar
una serie de pequeñas separaciones , en una operación
sencilla y continua.
Destilación por Arrastre de vapor: Es una técnica que sirve
fundamentalmente para separar sustancias insolubles en agua y literalmente
volátiles, de otros productos no volátiles mezclados con ellas, es un sustituto de la
destilación al vacio, y se realiza a temperaturas bajas.
Destilación a presión reducida o al vacio: Se utiliza en sustancias que no pueden
purificarse por destilación a la presión ordinaria, por que se descomponen a
temperaturas cercanas a su punto de ebullición normal.

Esta operación se aplica en todos los niveles industriales
de producción, desde aplicaciones en industria
farmacéutica y de química fina, hasta la industria del
petróleo y producción a gran escala.
Ejemplos más comunes es en la obtención de alcohol
carburante, así como producción de gasolina y similares .
El gran interés en la destilación proviene de la industria del
petróleo para obtener el combustible que usamos
habitualmente, o tantos otros derivados como los
plásticos. Gran parte de la investigación en destilación se
ha realizado en este sector, que utiliza siempre la
modalidad "continua" porque las cantidades en son muy
grandes.
En tanto, el método "batch" se utiliza en la industria
pequeña y mediana -farmacéutica, alimenticia; de
transistores, etc. El campo de uso de ambos tipos de
destilación es muy vasto.

 Columnas de destilación: recipientes cilíndricos, verticales, con una entrada
lateral por la que se introduce la alimentación.
 Columnas de platos (contacto por etapas): los platos retienen una cierta cantidad
de líquido en su superficie de manera que se hace borbotear el vapor que procede
de la caldera y así se produce un intercambio.
 Columnas de relleno: es una forma alternativa de poner en contacto el vapor con
el líquido. Para ello suele tener una pequeña relación diámetro-altura.

La operación de secado es un proceso que implica
transferencia de masa entre un
gas y un sólido, donde la humedad contenida en el
sólido se transfiere por evaporación hacia la fase
gaseosa.
El secado es habitualmente la etapa final de una
serie de operaciones y con frecuencia, el producto
que se extrae de un secador para empaquetado.

Existen varios tipos de operaciones de secado, que
se diferencian entre sí por la metodología seguida
en el procedimiento de secado; puede ser por
eliminación de agua de una solución mediante el
proceso de ebullición en ausencia de aire; también
puede ser por eliminación de agua mediante
adsorción de un sólido, y por reducción del
contenido de líquido en un sólido, hasta un valor
determinado mediante evaporación en presencia
de un gas.

Su aplicación es común en la industria de alimentos, así como, el secado de granos o
madera, los cuales tienen un gran contenido de humedad en ellos.
Existen procesos químicos industriales importantes en los cuales conviene el secado,
entre otros, está el secado de la sal, la cual es pasada, una vez cristalizada por un túnel
de aire, para eliminar el exceso de humedad en la misma, también se puede mencionar
el secado del carbón, de productos alimenticios, de arena, entre otros.
Es usual el uso del secado como medio de
preservación de materiales biológicos,
en ocasiones, se llega hasta el límite de
deshidratación, para disminuir la actividad
bacteriana o microbiológica en general.
Esto se debe, a que la actividad microbiológica
cesa a niveles de humedad menores del 10%.

Las operaciones de secado pueden clasificarse ampliamente según que sean por lotes
o continuas.
 Secadores de bandejas: Consiste en un gabinete, de tamaño suficientemente
grande para alojar los materiales a secar, en el cual se hace correr suficiente cantidad
de aire caliente y seco.
 Secadores indirectos al vacío con anaqueles: Es un secador por lotes, que está
formado por un gabinete de hierro con puertas herméticas, de modo que se trabaje al
vacío. Los anaqueles están vacíos dónde se colocan las bandejas con los materiales
húmedos.
 Secador continuo de túnel: Está formado por un túnel, por el cual pasan bandejas o
carretillas con el material a secar, dentro del túnel, se hace fluir, generalmente a
contracorriente, aire caliente, el cual sirve para secar los sólidos.
 Secadores Rotatorios: Consta de un cilindro hueco que gira sobre su eje, con una
ligera inclinación, para permitir el desliz de los sólidos a secar hacia la boca de salida.
 Secadores por aspersión: se atomiza una suspensión líquida, la cual es recibida por
una corriente a contraflujo de aire caliente que evapora el líquido, de modo que caen
las partículas sólidas que se separan de la corriente de gas, por no ser volátiles.

Operación unitaria física regida por la
transferencia de materia. Consiste en la
eliminación de algún componente de una fase
fluida mediante un sólido que lo retiene. El
fluido puede ser un líquido o un gas.
La adsorción es un fenómeno de superficie. En
la superficie del sólido se dan interacciones que
hacen que las moléculas del fluido queden
retenidas.
Los sólidos empleados han de tener una gran
superficie de adsorción como es el caso del
carbón activo, gel de sílice, alúmina activada.

A nivel industrial se emplea para secar corrientes de
gases de su humedad. Se emplea un lecho de gel de
sílice. También se emplea en la eliminación de olores,
decoloración de líquidos. Para recuperar disolventes
contaminantes.
Una de las aplicaciones más conocidas de la adsorción, es
la extracción de humedad del aire comprimido.
También está presente en la industria alimentaria en la
decoloración tanto en la azucarera como de aceites, en
potabilización del agua, depuración de aguas residuales,
eliminación de olores
de gases industriales y
desulfuración del gas natural.

La evaporación es un proceso por el cual una sustancia en estado líquido
pasa al estado gaseoso, tras haber adquirido energía suficiente para vencer
la tensión superficial.
La evaporación es utilizada para eliminar el vapor formado por ebullición de
una solución líquida para así obtener una solución concentrada. En la gran
mayoría de los casos, la evaporación vista como operación unitaria se refiere
a la eliminación de agua de una solución acuosa.

El proceso de evaporación consiste en la eliminación de un líquido de una solución,
por tratamientos térmicos.
Se utiliza en las siguientes industrias:
- Industria Lechera con evaporadores verticales de tubos largos.
- Industria de jugos de frutas con evaporadores de película descendente y el de
Hidrolizados película agitada.
- Extractos.
- Industria frigorífica.
- Industria avícola.

TIPOS DE EVAPORADORES:
• Evaporador de tubo horizontal
• Evaporador de tubo vertical
• Evaporador vertical de tubos largos
• Evaporador de película descendente
• Evaporador de película ascendente
• Evaporador de circulación forzada

Evaporador de simple efecto:
Lleva a cabo la eliminación del vapor por medio de un solo equipo, la mayoría de
los evaporadores se calientan con vapor de agua que condensa sobre tubos
metálicos. Generalmente el vapor es de baja presión, inferior a 3 atm absolutas, y
con frecuencia el líquido que hierve se encuentra a un vacío moderado.

 Evaporador de efecto múltiple:
Éste aumenta la evaporación por kilogramo de vapor de agua utilizando una serie
de evaporadores entre el suministro de vapor vivo y el condensador.
La presión en cada efecto es menor que la del efecto del cual recibe el vapor de
agua y superior a la del efecto al cual suministra vapor.

La operación de cristalización es aquella
por media de la cual se separa un
componente de una solución liquida
transfiriéndolo a la fase sólida en forma
de cristales que precipitan.
En la cadena de operaciones unitarias de
los procesos de fabricación se ubica
después de la evaporación y antes de la
operación de secado de los cristales y
envasado.
Este proceso físico por el cual un cuerpo
adquiere la estructura cristalina. Puede
realizarse por sublimación por fusión y
posteriormente por enfriamiento de la
masa fundida o por evaporación gradual
del disolvente en una solución saturada.

Es una operación necesaria para todo producto
químico que se presenta comercialmente en forma de
polvos o cristales, ya sea el azúcar o sacarosa, la sal
común o cloruro de sodio. Se presenta en la industria
azucarera en este sentido.
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.

 Cristalizador de tubo con raspadores.
 Cristalizador tipo Swenson Walker.
 Cristalizador tipo tanque agitado con serpentines.
 Cristalizador de refrigeración por contacto directo.
 Cristalizador por evaporación.
 Cristalizador Oslo.
De acuerdo al tipo de método:
• Magma circulante: Todos los cristales circulan a través de la zona del cristalizador
donde la sobresaturación es generada.
• Licor circulante: Solo el licor está circulante con la masa de cristales creciendo
estática.
• De superficie raspada: La cristalización es inducida por intercambio directo de
calor con un medio enfriador a través de una superficie raspada para minimizar el
ensuciamiento.
• Cristalizadores de tanque: La cristalización es inducida por el enfriamiento de la
alimentación ya sea en tanques agitados o estáticos o una chaqueta exterior.

Es una operación unitaria regida por
transferencias de materia que consiste en
poner en contacto un gas con líquido con el
objetivo de que en él se disuelva alguno de los
componentes del gas.
Este proceso implica una difusión molecular
turbulenta o una transferencia de masa del
soluto A, a través del gas B, que no se difunde y
está en reposo, hacia un líquido C, también en
reposo.
La absorción puede ser física o química, según
el gas que se disuelva en el líquido absorbente
o reaccione con él dando un nuevo compuesto
químico.

Algunas aplicaciones de la absorción:
• Eliminación de gases ácidos como H2S, CO2, SO2.
• Preparación del agua de Seltz.
• Absorción del amoniaco
• Climatización
•Pinturas
•Preservar el vacío entre las paredes de las vasijas de Dewar diseñadas
para almacenar aire o hidrógeno líquidos.
•Desempeña un importante papel en la catálisis de las reacciones de gas
por las superficies sólidas.
•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.

Las torres empacadas, o torres de relleno, utilizadas para el contacto continuo del
líquido y del gas tanto en el flujo a contracorriente como a corriente paralela, son
columnas verticales que se han llenado con empaque o con dispositivos de
superficie grande. El líquido se distribuye sobre éstos y escurre hacia abajo, a través
del lecho empacado, de tal forma que expone una gran superficie al contacto con el
gas.
Empaque : El empaque de la torre debe proporcionar una superficie interfacial
grande entre el líquido y el gas. Poseer las características deseables del flujo de
fluidos.
Empaques al azar: Los empaques al azar son aquellos que simplemente se arrojan
en la torre durante la instalación y que se dejan caer en forma aleatoria.
Empaques regulares: Los empaques regulares ofrecen una menor caída de presión
para el gas y un flujo mayor.
Soportes de empaque.
Cuerpo de la torre: Esta puede ser según las condiciones de corrosión. Para facilitar
su construcción y aumentar su resistencia, generalmente son circulares en la sección
transversal.

Operación continua a la absorción y en ella un gas
disuelto en un líquido es arrastrado por un gas
inerte quedando eliminado del líquido inicial. En
algunas ocasiones la desorción también se emplea
para determinar la destilación súbita.
La transferencia de materia tiene lugar porque la
presión parcial del componente gaseoso en la fase
líquida es menor que la presión que tendría una
disolución en fase líquida con ese gas.
Esto ocurre en un sistema que está en el estado del
equilibrio de la absorción entre la fase a granel
(solución del gas o del líquido) y una superficie
adsorbente (sólido o límite que separa dos
líquidos). Cuando la concentración (o la presión) de
la sustancia en la fase a granel se baja, algo de la
sustancia absorbida cambia al estado a granel.

Utilizado para eliminar sustancias químicas dañinas del
suelo y otros elementos como lodo o sedimentos,
utilizando calor para transformarlas en gases . 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
H2SO4).
Los aparatos empleados en estas técnicas son columnas
en las que no se requiere caldera y tampoco hace falta
colocar ningún refrigerante. Dos tipos:
- Columnas de relleno.
- Columnas de platos.
Se diferencian de las anteriores en que se colocan
dispositivos para facilitar el contacto entre las fases. Se
colocan en la parte superior torres de pulverización.
También hay unos absorbedores especiales, los
centrífugos, en los que se aplica una energía cinética
adicional por rotación al líquido.

Es la operación Unitaria en la que el componente
sólido insoluble de una suspensión sólido-líquido se
separa del componente líquido haciendo pasar este
último a través de una membrana porosa la cual
retiene a los sólidos en su superficie (filtración de
torta) o en su interior (Clarificación), gracias a una
diferencia de presión existente entre un lado y el otro
de dicha membrana.
Mediante el paso forzado de este atreves de un
medio filtrante o membrana sobre la cual depositan
los sólidos.
Es usada industrialmente, tiene varios tipos o
clasificación dependiendo de lo que se esta
separando. Existen la filtración por clarificación, la
filtración por torta y las microfiltraciones y
ultrafiltraciones.

La filtración en la industria va desde un simple "colado" hasta separaciones muy
complejas.
Se utiliza en la industria farmacéutica, para procesos de aguas residuales, industria
alimenticia. También se aprecia en la eliminación del amoniaco y los nitritos del
agua.
Los aparatos que se utilizan en filtración, constan básicamente de un soporte
mecánico, conductos por los que entra y sale la dispersión y dispositivos para
extraer la torta.
Filtros prensa (discontinuo de presión): En estos se coloca una tela o una malla
sobre placas verticales, de manera tal que sean los bordes los que soporten a la
tela.
Filtro de arena: La filtración por lecho de arena permite obtener un agua de gran
calidad.
Filtro de carbón activo: las partículas son retenidas por un lecho filtrante de silex
y antracita.
Ultrafiltración: Es una operación de separación que comparte características de
una filtración común y de la ósmosis inversa.

La extracción líquido-líquido, también
conocida extracción de solvente, es un proceso
químico empleado para separar componentes
de una mezcla no homogénea mediante la
relación de sus concentraciones en dos fases
liquidas inmiscibles.
Se requiere que los dos líquidos que se ponen
en contacto sean inmiscibles. Representa una
solución ventajosa con relación a la destilación
porque permite extraer varias sustancias que
tengan un grupo funcional parecido. Para no
utilizar la destilación con arrastre de vapor se
emplea este método.

La extracción líquido-líquido se utiliza en la industria del petróleo para la
extracción del asfalto mediante propano líquido.
La extracción sólido-líquido tiene las siguientes aplicaciones: obtención de aceites
y grasas animales y vegetales, obtención de extracto de materia vegetal y animal.
Industria minera (lixiviación), obtención de azúcar a partir de la remolacha.
- Se lleva a cabo la técnica de extracción cuando suponga un menor coste
económico.
- Se utiliza como alternativa a la destilación a vacío.
- Extracción con propano líquido (más económico).
- Como substituto de métodos químicos.
- Separación de metales:
*Uranio - Vanadio
*Hafrio - Zirconio
*Tungsteno - Molibdeno
- Separación de productos de fisión en procesos de energía atómica.
- Purificación de metales. Ejemplo: Cu
- Purificación de sustancias químicas inorgánicas.

Utensilios de extracción líquido-líquido
- Columnas de relleno: han de utilizarse en contracorriente. Por
arriba alimentación y por abajo disolvente.
- Columnas pulsadas: dotadas de movimiento de agitación, es decir,
columnas girando alrededor de ellas.
- Columnas pulsadas horizontales: suelen tener placas perforadas .
- Tanques agitadores: mezcladores combinados con decantadores .
Extractores por etapas: se utiliza es de dos tipos principalmente:
cascadas de mezclado-sedimentación de una y de varias etapas
torres perforadas de varias etapas.
Mezcladores: Son de dos tipos; mezcladores de flujo y tanques de
mezclado.
Sedimentadores: En la extracción continua, la dispersión que sale
del mezclador debe pasarse a un sedimentador o decantador, en
donde ocurre cuando menos la ruptura primaria.
Extractores diferenciales de contacto continuo.

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