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Monografía Operaciones Unitarias y Procesos Unitarios

Introducción Los procesos químicos, en general, y cada operación unitaria en particular, tienen como objetivo modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma más útil para nuestros fines. Este cambio puede hacerse por tres caminos: modificando su masa o composición, modificando el nivel o calidad de la energía que posee y modificando su condición de movimiento. Estos son los tres cambios posibles y a cada uno le corresponde una ley de conservación: conservación de la materia, conservación de la energía y conservación de la cantidad de movimiento. El número de los diferentes productos alimenticios, de las operaciones y los procedimientos relacionados con su producción es, en verdad, más grande. Es más: cada fabricante de un producto determinado introduce en los métodos y el equipo innovaciones que difieren de la tecnología tradicional y establecida para ese producto; así, los procesos están en un estado de evolución constantes. Antes del siglo XVIII la industria química se había desarrollado sin la ayuda de los químicos o de la ciencia química de la época. Con el desarrollo de la química en los siglos XVIII y XIX aparecieron cada vez más sustancias, descubiertas o sintetizadas por los químicos, algunas de los cuales prometían superar con creces las propiedades de los productos naturales o al menos mejorarlos. Para la construcción y operación de plantas no se podía contar con la tradición, así que se tuvo que empezar desde cero utilizando los conocimientos del químico industrial y del ingeniero mecánico para el diseño y operación de las mismas. Pero como el ingeniero mecánico no tiene conocimientos de química y los

químicos no los tienen de mecánica ni de los procesos o gran escala, el método resultaba costoso por los tanteos y el entrenamiento que se debía dar a esas personas para que trabajaran juntos. Regresando a las operaciones unitarias en esta monografía hablaremos de ellas en la aplicación en procesos químicos, por lo tanto también desarrollaremos su definición y su clasificación de acuerdo a su operación. Porque en la descripción general de los procesos químicos existen diferentes operaciones involucradas. Unas llevan a inherentes diversas reacciones químicas, en cambio otros son meramente físicos. Podemos decir que cualquier proceso químico se puede diseñar a costa de operaciones unitarias.

Definición y origen de concepto de operación unitaria Origen Al crecer la industria química y salir los primeros egresados se descubrió la futilidad de impartir el conocimiento a través del método descriptivo y se hizo más hincapié en las técnicas del estudio de las Operaciones unitarias. Este concepto, se le debe a Arthur D. Little2 precisa que se tienen que estudiar las operaciones comunes en muchos procesos, por ejemplo, flujo de fluidos, transferencia de color, destilación etcétera, pues él dijo que: Cualquier proceso químico, llevado a la escala que sea, puede ser reducido a una serie coordinada de lo que llamamos operaciones unitarias, como pulverización, mezclado, calentamiento, calcinación, absorción, condensación, lixiviación, precipitación, cristalización, filtración, disolución, electrólisis, etc. El número de estas operaciones básicas no es muy grande y, relativamente pocos de ellos participan en un proceso particular. La complejidad de la ingeniería química se debe a la variedad de condiciones de temperaturas, presión, etc.; bajo las cuales deben llevarse a cabo las acciones unitarias en diferentes procesos, y de las

limitaciones en cuanto a materiales de construcción y diseño de aparatos, que son impuestos por el carácter físico y químico de las sustancias reaccionantes.* Estas manipulaciones tienen como característica el que los materiales no sufren cambios químicos, aunque sí físicos, como cambios de estado, concentración, presión y temperatura. La idea subyacente, tras este concepto de operaciones unitarias, era que si se creaban especialistas en cada una de ellas se podían después conjuntar las habilidades de ellos para diseñar un proceso nuevo. La aparición del concepto de operaciones unitarias permitió que la ingeniería química se fuera transformando poco a poco en un todo coherente y dejara de ser una simple mezcla de química con ingenie- ría química. Los ingenieros químicos probaron ser un elemento importantísimo en el diseño, construcción y manejo de las plantas relacionadas con la química; por ello la carrera se extendió por todo el mundo. Sin embargo los primeros ingenieros químicos tenían grandes dificultades para el diseño, pues había una gran carencia de datos fisicoquímicos y del comportamiento de éstos en los equipos. Los ingenieros mecánicos y civiles, sólo habían hecho estudios concienzudos sobre unos cuantos fluidos como el aire y el agua, pero los ingenieros químicos debían trabajar con una inmensa variedad de ellos. Los fisicoquímicos no estaban interesados en obtener los datos y las constantes cinéticas y fisicoquímicas necesarios, así que los ingenieros químicos tuvieron que darse a la tarea de obtenerlos. Por ello en casi todos los tecnológicos y universidades en donde se impartía la carrera comenzaron a efectuarse estudios serios sobre el comportamiento de los equipos utilizados en las plantas químicas y las propiedades de las sustancias que allí se procesaban y pronto se contó con la suficiente información para que apareciera el primer libro sobre operaciones unitarias: Principios de la ingeniería química, de Walker, Lewis y Mc Adams, en 1923, y en 1934 la primera edición del Chemical Engineers Handbook, de John H. Perry.

Definición de Operaciones Unitarias

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CONCEPTUALMENTE: se denomina OPERACIÓN UNITARIA a una parte INDIVISIBLE de cualquier proceso de transformación, de una materia prima en otro producto de características diferentes.

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EN LA PRÁCTICA puede definirse como el ÁREA DEL PROCESO o un EQUIPO donde se incorporan materiales, insumos o materias primas en donde ocurre una función determinada.

Cabe señalar que las operaciones unitarias se enfocan a los procesos de transformación física de la materia. La transformación química, biológica o bioquímica de la materia ocurre en los REACTORES, este tipo de transformaciones se agrupan en el concepto de PROCESOS UNITARIOS.

Clasificación de las operaciones unitarias de acuerdo a su función Flujo de fluidos Transferencia de calor Según su función

Mezclado

Separación Manejo de sólidos

Flujo de fluidos Operación unitaria relativa al flujo y transporte de un fluido de un punto a otro. Implica

• Estudio del flujo de las fases fluidas (líquido y vapor) a través de: canales, tuberías y accesorios (válvulas, codos, derivaciones, etc.) • Diseño de turbinas que aprovechan la energía de un fluido en movimiento. • Diseño de equipos de impulso de fluidos: Compresores para impulsar gases y bombas para impulsar líquidos. • Diseño de redes de tuberías.

Transferencia de calor Operación unitaria relacionada con los principios que gobiernan el transporte de calor de un lugar a otro. Implica • Estudiar las formas básicas de transferencia de calor: Conducción, convección y radiación. • Diseñar equipos de transferencia de calor: Intercambiadores de calor, Hornos, Calderas, Evaporadores, Torres de enfriamiento, etc. • Diseño de redes de intercambio de calor.

Mezclado Operación unitaria que consiste en obtener un producto en fase homogénea y composición uniforme a partir de 2 o más componentes que lo constituyan. Las propiedades físicas de una mezcla son distintas a las de sus componentes constituyentes. Tipos de Mezcladores • De flujos o corrientes • De paletas o brazos • De hélices o helicoidales • De turbinas o impulsos centrífugos

• Diversos MEZCLADOR DE CORRIENTES Unidad de proceso en la que dos o más corrientes independientes se unen para interferir una con otra y producir una sola corriente de salida.

Separación Son aquellas operaciones que transforman una mezcla de sustancias en dos o más productos que difieren en composición.

Manejo de solidos Es una operación unitaria en la cual el tamaño (de un sólido) se ve reducido a través de diferentes formas como pueden ser: •

Compresión: Usada para reducir solidos duros a un menos tamaño.

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Impacto: Sirve para producir tamaños gruesos, medianos y finos.

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Frotación: También conocido como Cizalla y produce partículas finas.

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Cortado: Usado para obtener el tamaño más pequeños fijados anteriormente.

Procesos químicos Los procesos químicos transforman materias primas en productos útiles que generan beneficios a los colaboradores y dueños de las empresas y a la comunidad en general. Estos productos se emplean como bienes de consumo y como productos intermedios para modificaciones químicas y físicas en la elaboración de productos de consumo. Aproximadamente una cuarta parte de la producción total de sustancias químicas se utiliza en la manufactura de otras, de modo que la industria química es la mejor cliente de sí misma. Un proceso industrial, técnicamente hablando, es el término en que se agrupan una serie de transformaciones físicas, químicas y biológicas, económicamente rentables, realizadas a una materias primas dadas para convertirlas en productos requeridos, con la posibilidad de que se obtengan subproductos.

Clasificación de los procesos químicos de acuerdo a su operación Los procesos químicos se dividen en intermitentes, semi-intermitentes, continuos y discretos. Procesos Intermitentes o por lotes: Llamados también procesos Bach, por lotes o por cochadas. En este tipo de proceso, una cantidad dada de materia prima se alimenta a un sistema casi instantáneamente, y por medios físicos o químicos se logra algún cambio o reacción; al final del cambio o al culminar la reacción se retiran los productos para iniciar una nueva operación. Se caracteriza porque la masa no atraviesa los límites del sistema entre el momento de la alimentación de los reactivos y el momento del vaciado de los productos. Es decir, no hay entrada ni salida de material al sistema mientras que ocurre el cambio.

En un proceso por lotes, la salida del proceso aparece en cantidades de materiales o lotes. Un proceso por lotes tiene un principio y un final; los procesos por lotes no son continuos ni discreto, pero tiene las características de ambos. El proceso por lotes generalmente se realiza sobre el comienzo y terminado. El producto de un proceso por lotes se denomina lote. Los procesos por lotes definen una subclase de procesos secuenciales. Los procesos por lotes generan un producto pero los procesos secuenciales no necesariamente necesitan generar un producto algunos ejemplos de procesos por lotes son el procesamiento de bebidas, productos biotecnológicos, fabricación, procesamiento de lácteos, procesamiento de alimentos, formulaciones farmacéuticas y jabones.

• Una unidad de procesamiento por lotes puede ser multipropósito; puede usarse para varias fases de procesamiento del lote y podría soportar la fabricación de múltiples productos dentro de la instalación. • Las plantas de fabricación por lotes son comparativamente más robustas que las continuas. • La instalación de fabricación de procesos por lotes es más fácil de escalar dependiendo del mercado demanda y requisitos. Algunos ejemplos de procesos continuos son la generación de electricidad, cemento / Clinker producción, fábrica de papel, etc. Procesos Semi-intermitentes: También llamados procesos semibatch, semicontinuos o semilotes. Aquí las entradas de materia prima son casi instantáneas, mientras que la salida de los productos es continua, ocurriendo el vaciado o evacuación de materia. También puede ocurrir el proceso contrario, es decir, hay entrada continua de materias primas pero no hay salida de productos, por lo tanto hay acumulación de materia en el proceso. Procesos Continuos: Llamados también procesos no intermitentes. Aquí tanto las entradas de materias primas como las salidas de los productos fluyen continuamente durante el transcurso del cambio físico o químico de las materias

primas. Hay un flujo continuo de material o producto. Procesando los materiales en diferentes equipos produce los productos. Cada equipo opera en un solo estado estacionario y realiza una función de procesamiento específica. Proceso discreto: En un proceso discreto, la salida del proceso aparece uno por uno o en discretas cantidades. Los productos se producen en lotes basados en materias primas comunes e historia de producción. En un proceso discreto, una cantidad específica de productos se mueve como una unidad o grupo de partes entre estaciones de trabajo algunos ejemplos de procesos discretos son el ensamblaje de relojes, la producción de automóviles, montaje de televisor, etc.

Conclusión Las operaciones unitarias y los procesos químicos son esenciales para la industria porque son parte fundamental para los procesos unitarios y todas las reacciones que conlleva. Las transformaciones ocurridas durante una operación unitaria, como antes ya fue mencionado, pueden referirse a cambios de masa de acuerdo a la cantidad de materia o composición, transferencias de calor, o cambios del movimiento de la sustancia original. Por lo tanto podemos llegar a la conclusión de que todo proceso químico enfocado en cualquier proporción puede descomponerse en una serie ordenada de operaciones unitarias.

Bibliografía •

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Valiente Antonio y Stivalet, R.Primo - La ingeniería Química, El poder de la transformación- Fac. De Química.UNAM-México-2011.

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Valiente Barderas, A. (2010). Las operaciones unitarias pasado, presente y futuro (1st ed., p. 35). México: Universidad Autónoma de México.

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Perry, R. (1992). Manual del ingeniero químico (6th ed., p. 254). México: McGraw-Hill....