Introduccion A Operaciones Unitarias PDF

Preview

Summary

Download Introduccion A Operaciones Unitarias PDF

Description

Introducción a las Operaciones Unitarias. Conceptos fundamentales

1

1.1. Proceso Recibe el nombre de proceso el conjunto de actividades u operaciones industriales que tienden a modificar las propiedades de las materias primas, con el fin de obtener productos que sirvan para cubrir las necesidades de la sociedad. Estas modificaciones que se realizan a las materias primas naturales van encaminadas a la obtención de productos que tengan una mayor aceptación en el mercado, o bien que presenten mayores posibilidades de almacenamiento o transporte. El conjunto de necesidades primarias que deben satisfacer al ser humano, individualmente o en sociedad no ha variado excesivamente a lo largo de la historia, pues tanto la alimentación, vestido y vivienda eran necesarios al hombre primitivo como lo son al actual para su supervivencia como individuo. La satisfacción de estas necesidades se lleva a cabo empleando, transformando y consumiendo los medios de los que se dispone en el entorno natural. En un primer nivel, de escaso desarrollo social, eran utilizados los productos naturales directamente, o con sólo unas pequeñas modificaciones físicas artesanales. Este sencillo esquema productivo fue cambiando a medida que se desarrolló la sociedad, de forma que actualmente ya no se utilizan directamente las materias primas para satisfacer las necesidades, sino que éstas son sometidas a transformaciones físicas y químicas, que las cambian en otros productos de propiedades diferentes. De esta forma, no sólo las materias primas son las que cubren las necesidades del consumidor, sino también aquellos productos derivados de la manipulación de dichas materias primas.

1.2. Ingeniería de los Procesos Alimentarios Por analogía con otras ramas de la ingeniería, se pueden dar distintas definiciones de la Ingeniería de los Procesos Alimentarios. Así, según una de estas definiciones, «la Ingeniería de los Procesos Alimentarios comprende la parte de la actividad humana en que los conocimientos de las ciencias físicas, naturales y

26

Operaciones Unitarias en la Ingeniería de Alimentos

económicas, se aplican de forma que a los productos agrícolas se les hace experimentar una modificación en su composición, contenido energético o estado físico». También puede definirse como «la ciencia de concebir, calcular, diseñar, hacer construir y hacer funcionar las instalaciones donde se efectúan, a escala industrial y del modo más económico posible, los procesos de transformación de los productos agrícolas». Por tanto, el ingeniero de las industrias alimentarias deberá conocer los principios básicos de la Ingeniería de Procesos, y ser capaz de desarrollar nuevas técnicas para la elaboración de los productos agrícolas. Asimismo, debe tener suficiente capacidad para poder diseñar los aparatos que deben utilizarse en un proceso determinado. El objeto fundamental de la Ingeniería de los Procesos Alimentarios es estudiar los principios y leyes que siguen las etapas físicas, químicas o bioquímicas de los distintos procesos, a fin de poder abordar el diseño de los aparatos en los que se llevan a cabo industrialmente dichas etapas de fabricación. Luego, se deben encaminar los estudios a los procesos de transformación de materias primas agrícolas en productos acabados, o que los conserven de tal modo que puedan permanecer sin cambio alguno por largos períodos de tiempo.

1.3. Transformación y comercialización de productos agrícolas Para que exista un funcionamiento eficiente en la comercialización de los productos agrícolas deberá ser fácil su manipulación y colocación en el mercado. Por regla general, los productos obtenidos directamente del campo no pueden comercializarse, sino que deben sufrir ciertas transformaciones. Incluso aquellos productos que se puedan utilizar directamente deben ser envasados adecuadamente, teniendo en cuenta las necesidades de mercado. Los productos agrícolas se utilizan, generalmente, para fines alimentarios, por lo que se deben adecuar convenientemente para su uso. En la manipulación de los productos agrícolas uno de los problemas que se presenta es el transporte de los productos desde el campo al consumidor, pues muchos de ellos tienen una vida corta, y debe pensarse en métodos de tratamiento y conservación de dichos productos para su uso posterior. Como ya se ha indicado anteriormente, muchos de estos productos no pueden ser usados directamente para la alimentación, sino que sirven como materia prima para la obtención de alimentos. En los países más avanzados se tiende a la elaboración de dichos productos en la zona de producción, evitando de este modo que aquellos productos perecederos se deterioren durante el transporte desde la zona de producción a la industria transformadora.

Introducción a las Operaciones Unitarias. Conceptos fundamentales 27

1.4. Diagramas de flujo. Descripción de algunos procesos alimentarios Los procesos alimentarios suelen esquematizarse mediante los denominados diagramas de flujo. Estos son esquemas de todo el proceso que indican las diferentes etapas de fabricación, así como el flujo de materias o energía involucrados en dicho proceso. Existen distintos tipos de diagramas de flujo, siendo el más utilizado el de bloques o rectángulos. En ellos cada etapa del proceso se representa por un rectángulo o bloque, que tiene entradas y salidas para indicar el sentido del flujo de materiales. Sobre el rectángulo se suele escribir la etapa que representa. Otros tipos de diagramas de flujo son los de equipo y de instrumentación. En las figuras 1.1, 1.2 y 1.3 se presentan diagramas de flujo para algunos procesos alimentarios.

1.5. Régimen estacionario y no estacionario Se entiende que un sistema se encuentra en régimen estacionario cuando todas las variables físicas permanecen constantes e invariables con el tiempo, en cualquier punto del sistema, pero pueden ser distintas de unos puntos a otros. Aceitunas

LAVADO

PRENSADO

Orujo

Aceite de prensa

SECADO CENTRIFUGACIÓN Orujo agotado

Aceite virgen

EXTRACCIÓN

Aceite de orujo

Figura 1.1. Obtención de aceite de oliva.

28

Operaciones Unitarias en la Ingeniería de Alimentos Fruta TRITURACIÓN Pulpa

PRENSADO Zumo 12 °Brix

Agua y aromas

PRECONCENTRACIÓN Zumo 15 °Brix TRATAMIENTO ENZIMÁTICO CLARIFICACIÓN

Agua

EVAPORACIÓN Zumo 70 °Brix ENFRIAMIENTO ALMACENAMIENTO

Figura 1.2. Elaboración de zumos concentrados de frutas.

Café tostado MOLIENDA Agua caliente

EXTRACCIÓN

Residuo sólido

Extracto de café (solución diluida) EVAPORACIÓN

Vapor de agua

Extracto de café (solución concentrada) SECADO

Agua

Café soluble

Figura 1.3. Elaboración de café soluble.

Introducción a las Operaciones Unitarias. Conceptos fundamentales 29

Por el contrario, cuando las variables intensivas características de la operación no sólo pueden variar a través del sistema en cada momento, sino que las correspondientes a cada punto del mismo varían con el tiempo, el régimen se denomina no estacionario. Las variables físicas a considerar pueden ser mecánicas o termodinámicas. Entre las primeras cabe citar el caudal, velocidad, etc., mientras que las termodinámicas son la viscosidad, concentración, temperatura.

1.6. Operaciones discontinuas, continuas y semicontinuas En los procesos de la industria, las operaciones llevadas a cabo pueden realizarse de diferentes modos. Se entiende como operación discontinua aquella en la que se carga la materia prima en el aparato, y después de realizarse la transformación requerida se descargan los productos obtenidos. Estas operaciones, llamadas también por cargas o intermitentes, se realizan en una serie sucesiva de etapas: 1. Carga del aparato con las materias primas. 2. Preparación de las condiciones para la transformación. 3. Transformación requerida. 4. Descarga de los productos. 5. Limpieza del aparato. La operación en discontinuo se desarrolla en régimen no estacionario, pues sus propiedades intensivas varían con el tiempo. Un ejemplo de este modo de operar es el prensado de las semillas oleaginosas para obtener aceite. Las operaciones continuas son aquellas en las que las etapas de carga, transformación y descarga se realizan simultáneamente. La limpieza del aparato se efectúa cada cierto tiempo, dependiendo de la naturaleza de la transformación y de las materias a tratar. Para realizar la limpieza debe pararse la producción. Las operaciones continuas se desarrollan en régimen estacionario, de modo que las variables intensivas características de la operación pueden variar en cada punto del sistema, pero las que se dan en cada punto no varían con el tiempo. En realidad es difícil que se llegue a un estado de régimen estacionario absoluto, pues puede haber ciertas fluctuaciones inevitables. Un ejemplo de operación en continuo puede ser la rectificación de mezclas de alcohol-agua. En algunos casos es muy difícil llegar a operar en continuo, y sólo se llega de un modo aproximado. Esta forma de operar se denomina semicontinua. Puede ocurrir que algunos materiales se carguen en el aparato y permanezcan en él cierto tiempo, de forma discontinua, mientras que otros entran o salen continuamente. De vez en cuando se necesitará descargar aquellos materiales que se vayan acumulando. Así, en la extracción de aceite por disolventes, se carga la harina y se alimenta de forma continua el disolvente; al cabo de cierto tiempo la harina se agota de aceite y debe reemplazarse.

30

Operaciones Unitarias en la Ingeniería de Alimentos

Las distintas formas de operar presentan ventajas y desventajas, citándose a continuación las correspondientes a operación en continuo. Ventajas de operación en continuo: 1. Se eliminan las etapas de carga y descarga. 2. Permite automatizar la operación, reduciendo la mano de obra. 3. La composición de los productos es más uniforme. 4. Presenta un mejor aprovechamiento térmico. Desventajas de operación en continuo: 1. Las materias primas deben poseer una composición uniforme para evitar las fluctuaciones de la operación. 2. La puesta en marcha de la operación suele ser costosa, por lo que deben evitarse las paradas. 3. Las fluctuaciones en la demanda de producto lleva consigo el que deba disponerse de cantidades considerables de materias primas y productos en almacén. 4. Debido a la automatización de la operación el equipo es más costoso y delicado. En las puestas en marcha y en las paradas de la operación en continuo, ésta transcurre de forma no estacionaria, pero una vez alcanzado el pleno funcionamiento puede considerarse que se ha llegado a régimen estacionario. Aunque esto no es exactamente cierto pues puede haber fluctuaciones muchas veces debidas a las variaciones existentes en la composición de las materias primas y también a modificaciones de agentes externos. Cuando se elige la forma de operación, deberán tenerse en cuenta las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas. Sin embargo, cuando se requieran producciones bajas, se trabajará discontinuamente, y en caso que quieran obtenerse producciones elevadas resulta más rentable operar una instalación en continuo.

1.7. Las Operaciones Unitarias. Clasificación Analizando los diagramas de flujo de los distintos procesos descritos en un apartado anterior, se observa que algunas de las etapas se repiten en todos ellos. Cada una de estas etapas se denomina Operación Básica o Unitaria, y son comunes a un gran número de procesos industriales. Las operaciones individuales tienen técnicas comunes y se basan en los mismos procesos científicos, esto hace que el estudio de estas operaciones se unifique y el tratamiento de todos los procesos resulte más sencillo. Dentro de las Operaciones Unitarias pueden distinguirse diferentes tipos, dependiendo de la naturaleza de la transformación llevada a cabo, así cabe distinguir etapas físicas, químicas y bioquímicas. a) Etapas físicas: Molienda, Tamizado, Mezcla, Fluidización, Sedimentación, Flotación, Filtración, Rectificación, Absorción, Extracción, Adsorción, Intercambio de calor, Evaporación, Secado, etc.

Introducción a las Operaciones Unitarias. Conceptos fundamentales 31

Etapas químicas: Refinado, Pelado químico. Etapas bioquímicas: Fermentación, Esterilización, Pasteurización, Pelado enzimático. Por tanto, el conjunto de etapas físicas, químicas y bioquímicas que tienen lugar en los procesos de transformación de los productos agrícolas constituyen las denominadas Operaciones Unitarias de las Industrias Alimentarias. La finalidad de las Operaciones Unitarias es la separación de dos o más sustancias presentes en una mezcla, o bien el intercambio de una propiedad debido a un gradiente. La separación se logra mediante un agente separador, que es distinto dependiendo de la propiedad que se transfiera. Según la propiedad transferida, las Operaciones Unitarias se pueden clasificar en distintos grupos, pues los cambios posibles que puede experimentar un cuerpo vienen definidos por la variación que experimenta en su masa, energía o su velocidad. Así, las Operaciones Unitarias se clasifican según el esquema: • Operaciones Unitarias de transferencia de materia. • Operaciones Unitarias de transmisión de calor. • Operaciones Unitarias de transporte de cantidad de movimiento. Además de las Operaciones Unitarias englobadas en cada uno de los apartados mencionados, existen aquellas de transferencia simultánea de calor y materia, y otras Operaciones que no se pueden englobar en ninguno de estos apartados, y que reciben el nombre de complementarias. Todas las Operaciones Unitarias que se engloban en estos apartados se encuentran en procesos físicos, pero se pueden considerar ciertas operaciones que incluyen también reacciones químicas. b) c)

1.7.1.

Operaciones Unitarias de transporte de cantidad de movimiento

En estas operaciones se estudian los procesos en que se ponen en contacto dos fases, cuya velocidad es distinta. Las diferentes operaciones incluidas en este apartado se suelen dividir en tres grandes grupos: Circulación interna de fluidos, circulación externa y movimiento de sólidos en el seno de fluidos. Circulación interna de fluidos: Estudio del movimiento de fluidos por el interior de tuberías. También se incluye el estudio de los aparatos utilizados en la impulsión de los fluidos (bombas, compresores, soplantes y ventiladores) y los mecanismos utilizados en la medición de las propiedades propias de los fluidos (diafragmas, venturímetros, rotámetros, etc.). Circulación externa de fluidos: El fluido circula por el exterior de un sólido. Se incluyen las operaciones de flujo de fluidos a través de lechos porosos fijos, lechos fluidizados (Fluidización) y transporte neumático. Movimiento de sólidos en el seno de fluidos: Es la base de la separación de un sólido que se halla en el seno de un fluido. Dentro de este tipo de separaciones se incluyen las siguientes operaciones: Sedimentación, Filtración y Ultrafiltración, entre otras.

32

Operaciones Unitarias en la Ingeniería de Alimentos

1.7.2.

Operaciones Unitarias de transferencia de materia

Estas operaciones están controladas por la difusión de un componente en el seno de una mezcla. A continuación se realiza una breve exposición de las distintas operaciones incluidas en este grupo. Destilación: Separación de dos o más componentes aprovechando la diferencia de presiones. Absorción: de un componente de una mezcla gaseosa por un líquido, según la solubilidad del gas en el líquido: puede ser con o sin reacción química. El proceso contrario es la desorción. Extracción: Se basa en la disolución de una mezcla (líquida o sólida) en un disolvente selectivo. Puede ser: Líquido-Líquido o Sólido-Líquido. Esta última también se la denomina, Lavado, Lixiviación, etc. Adsorción: También denominada Sorción. Consiste en la eliminación de uno o más componentes de un fluido (líquido o gas) por retención en la superficie de un sólido. Intercambio Iónico: Sustitución de uno o varios iones de una disolución por otros del agente intercambiador. 1.7.3.

Operaciones Unitarias de transmisión de calor

Estas Operaciones están controladas por los gradientes de temperatura. Dependen del mecanismo con que se transfiere el calor, distinguiéndose transmisión de calor por conducción, convección y radiación. Conducción: En medios materiales continuos, el calor fluye en sentido decreciente de temperaturas, y no existe movimiento macroscópico de materia. Convección: El flujo entálpico asociado a un fluido en movimiento se le denomina flujo convectivo de calor. La convección puede ser natural o forzada. Radiación: Transmisión de energía mediante ondas electromagnéticas. No se necesita un medio material para su transmisión. Basados en estos mecanismos de transmisión de calor se estudian los Tratamientos Térmicos (Esterilización y Pasteurización), Evaporación, Intercambiadores de Calor, Hornos, Placas solares, etc. 1.7.4.

Operaciones Unitarias de transferencia simultánea de materia-calor

En estas operaciones existe a la vez un gradiente de concentración y de temperatura. Humidificación y Deshumidificación: Tienen tres finalidades: Humidificación y deshumidificación de un gas y enfriamiento de líquidos. Cristalización: Formación de partículas sólidas cristalinas en el seno de una fase homogénea líquida.

Introducción a las Operaciones Unitarias. Conceptos fundamentales 33

Deshidratación: Eliminación de un líquido contenido en el seno de un sólido. La aplicación de calor hace pasar el líquido, contenido en el sólido, a fase vapor. La liofilización se basa en eliminar el líquido, que se encuentra en fase sólida, por sublimación a estado vapor. 1.7.5.

Operaciones Unitarias complementarias

Existen una serie de operaciones que no se incluyen en esta clasificación, por no basarse en ninguno de los fenómenos de transporte citados anteriormente. Así, dentro de este grupo se incluyen la Trituración, Molienda, Tamizado y Mezclado de sólidos y pastas, etc.

1.8. Planteamiento matemático de los problemas Los problemas que se plantean en el estudio de las Operaciones Unitarias son muy diversos, aunque en todas ellas se cumplen las leyes de conservación (materia, energía, cantidad de movimiento y estequiométricas) en las reacciones químicas. El aplicar las leyes de conservación a un problema determinado es efectuar un balance de la «propiedad» a estudiar en dicho problema. De forma general, la expresión de los balances de materia, energía y cantidad de movimiento, referidos a la unidad de tiempo, se pueden expresar como: Propiedad que Propiedad que Propiedad que = + 冢 entra al sistema冣 冢sale del sistema 冣 冢 se acumula 冣 Es decir, la entrada al sistema de la propiedad considerada es igual a la que sale más la que se acumula. De forma esquemática: E = S +A En los casos que exista reacción química, al realizar un balance para un componente, puede aparecer un término adicional de generación. En estos casos la expresión del balance será: E + G = S +A Al resolver un problema dado se presentan cierto número de incógnitas o variables (S), y de los balances se obtienen un conjunto de relaciones o ecuaciones (R). Según sea el valor de S y R se pueden presentar los siguientes casos: • Si S < R El problema está mal planteado o se repite alguna ecuación. • Si S = R El problema presenta una sola solución. • Si S > R Se pueden dar varias soluciones, encontrándose la mejor solución optimizando el proceso. Existen F = S – R variables de diseño.

34

Operaciones Unitarias en la Ingeniería de Alimentos

Los diferentes tipos de problemas que se presentan dependen del tipo de ecuaciones que se obtengan al efectuar los balances correspondientes. Así, se tienen: • Ecuaciones algebraicas: De fácil solución matemática, obteniéndose la solución por métodos an...