Operaciones unitarias y su clasificación

Introducción

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 llevar a cabo el proceso, así como el equipo utilizado en el mismo.

El ingeniero utilizará la ciencia siempre que le permita resolver sus problemas, pero en la mayor parte de los casos, la ciencia no es capaz de proporcionarle una solución completa, y es entonces cuando se tiene que recurrir a la experiencia y a un buen criterio. Por esto, su capacidad profesional depende de esta habilidad para combinar todas las fuentes de información con el fin de obtener soluciones prácticas a los problemas.

Sin embargo, la amplitud y variedad de los procesos e industrias que reclaman los servicios de los ingenieros químicos son muy grandes, debido a esto, resulta practico dividir en sectores de estudio, en los tratados de tecnología química e industrias de proceso se reconocen dos grandes categorías, las operaciones unitarias y procesos unitarios, los cuales permiten tener una idea bastante completa del campo que abarca la ingeniería química.

De modo simple las distinguimos de la siguiente manera: las operaciones unitarias se caracterizan porque no se presentan reacciones y en los procesos unitarios sucede lo contrario, se provoca una reacción.

Las torres de destilación son la base de las refinerías, además de ser una de las operaciones unitarias mas reconocidas

Operaciones unitarias

El concepto de operación unitaria de acuerdo al texto, operaciones unitarias en ingeniería química de Warren L. McCabe y colaboradores, es el siguiente: mediante el estudio sistemático de estas operaciones en sí (operaciones que evidentemente constituyen la trama de la industria y los procesos) se unifica y resulta más sencillo el tratamiento de todos los procesos. Estas operaciones unitarias son comunes a todos los tipos de industrias de proceso.

Las operaciones unitarias son igualmente aplicables a procesos físicos y químicos. Por ejemplo, la fabricación de sal común consta de la siguiente serie de operaciones básicas: transporte de sólidos y líquidos, transmisión de calor, evaporación, cristalización, secado y tamizado. En este caso no intervienen reacciones químicas. Por otra parte, el cracking de petróleo, con o sin catalizadores, es una típica reacción química realizada a gran escala. También aquí las operaciones unitarias -transporte de sólidos y fluidos, destilación y diversas separaciones mecánicas- son de una importancia vital y la reacción de cracking no podría realizarse sin ellas.

Recuerda

Proceso es el conjunto o secuencia de operaciones unitarias que modifican una materia prima para transformarla en un producto comercial o insumo y operación unitaria se refiere a una etapa de un proceso donde se realiza una modificación específica de una corriente.

Las operaciones unitarias normalmente se dividen dos grandes ramas, que son las siguientes:

• Operaciones unitarias difusionales
• Operaciones unitarias no difusionales.

En general, todos los equipos utilizados en las operaciones unitarias tienen algún tipo de equivalencia con los aparatos utilizados en el laboratorio (destilación, evaporación, cristalización, filtración, etc.)

Operaciones unitarias difusionales

Las operaciones unitarias difusionales son todas aquellas en donde se establece un equilibrio dinámico entre fases, ya sea líquido – vapor, líquido – líquido o líquido – sólido. Las operaciones unitarias difusionales más importantes son las siguientes.

Destilación

Tiene como objetivo separar dos (o más) líquidos volátiles (es decir que tienen sus puntos de ebullición a temperaturas relativamente bajas) en sus componentes puros, o obtener cortes de un determinado rango de temperatura de ebullición. Se establece un equilibro líquido – vapor (L –V). A manera de ejemplo podemos mencionar la destilación del petróleo para obtener nafta, gas oil, etc. o la destilación de una mezcla de alcohol – agua para obtener alcohol de 96º.

Ejemplo de destilación a nivel laboratorio

Evaporación

Su objetivo es concentrar una solución diluida de un soluto no volátil (que tenga un punto de ebullición muy elevado) a fin de obtener una solución concentrada por ebullición de la solución eliminado así el solvente volátil. Se establece un equilibrio L – V. Usualmente se emplea para la obtención de soluciones concentrada de NaOH a partir de soluciones diluidas.

Ejemplo de evaporación a nivel laboratorio

Cristalización

El objetivo es obtener a partir de una solución concentrada de un soluto no volátil y un solvente volátil, el cristal más o menos puro del soluto, por enfriamiento de la solución o por eliminación del solvente volátil. Se establece un equilibrio S – L. Por ejemplo, la obtención de cristales de azúcar a partir de sus soluciones.

Ejemplo de cristalización en el laboratorio

Secado

Tiene como finalidad, eliminar de un sólido algún líquido volátil que lo embeba, haciéndole pasar un gas sobre el sólido. Es un equilibrio L – V. Por ejemplo el secado de cereales.

Ejemplo de secado en el laboratorio (mufla)

Extracción líquido - líquido

El fin de esta operación es la extracción de un soluto (líquido ó sólido) disuelto en un determinado solvente por medio de otro solvente (insoluble o parcialmente soluble en el primero) en donde el soluto es más soluble. Se establecen equilibrios L -L. Como ejemplo encontramos el tratamiento que se le da al alquitrán  para la producción de combustibles en la industria nuclear.

Extracción sólido – líquido

Su objetivo es la extracción de un soluto líquido disuelto en un solvente sólido por medio de un solvente líquido. Un ejemplo donde se emplea esta proceso es en la obtención de aceites vegetales a partir de distintas semillas (girasol, soja, etc.) por medio de un solvente orgánico.

Acondicionamiento de aire

Consiste en el calentamiento o enfriamiento de aire. Por ejemplo el secado de granos o enfriamiento de una cámara de un frigorífico o refrigerador.

Ejemplo de acondicionamiento de aire (refrigerador)

Operaciones unitarias no difusionales

Las operaciones unitarias no difusionales son aquellas en donde no se establece un equilibrio entre fases. Por ser más simples en sus cálculos, usualmente las operaciones unitarias no difusionales se estudian primero. Entre las operaciones unitarias no difusionales se pueden nombrar a las siguientes.

Flujo de fluidos

Estudia los principios que determinan el flujo y transporte de cualquier fluido de un punto a otro.

Separaciones físico - mecánicas

Implica la separación de sólidos, líquidos o gases por medios mecánicos, tales como filtración, sedimentación o reducción de tamaño, que por lo general se clasifican como operaciones unitarias individuales. Estas pueden ser las siguientes.

Molienda

Es una operación unitaria que reduce el volumen promedio de las partículas de una muestra sólida. Generalmente se habla de molienda cuando se tratan partículas de tamaños inferiores a 1" (1" = 2.54 cm) siendo el grado de desintegración mayor al de trituración. Los métodos de reducción más empleados en las máquinas de molienda son compresión, impacto, rotamiento de cizalla y cortado. Se utiliza fundamentalmente en la fabricación de cemento, en la preparación de combustibles sólidos pulverizados, molienda de escorias, fabricación de harinas, alimentos balanceados, etc.

Tamizado

El tamizado o cribado es un proceso mecánico que separa los materiales de acuerdo a su tamaño de partícula individual. La podemos encontrar en el control de molienda de diversos productos o materias primas (cemento, caliza, arcilla, etc.).

Sedimentación

Se trata de una operación de separación sólido-liquido en la que las partículas sólidas de una suspensión, más densas que el fluido, se separan de éste por la acción de la gravedad. Es una operación controlada por la transferencia de cantidad de movimiento.

Centrifugado

Es un proceso de separación mecánica de partículas a través de un fluido por acción de la fuerza de centrífuga. Algunos ejemplos de uso serian l separación de células de caldos de cultivo, el procesamiento de jugo de frutas, en la producción de cerveza, para la concentración de proteínas y la separación de cristales de licor madre, por mencionar algunos.

Transporte de sólidos

El transporte de sólidos se refiere al movimiento de los sólido:

• del punto de suministro de materia prima al inicio del proceso,
• del punto final del proceso hacia el lugar de almacenamiento,
• entre dos puntos del proceso,
• del lugar de almacenamiento a la línea de empacado y/o distribución.

Los principales tipos de equipos para el transporte son: cintas transportadoras, elevadores, grúas, camiones, y transporte neumático.

Operaciones unitarias a nivel laboratorio

Otra manera en la que las operaciones unitarias en la ingeniería química pueden ser agrupadas, es mediante cinco clases que consisten en:

• Procesos de flujo de fluidos, incluyendo el transporte de fluidos, filtración, y fluidización de sólidos.
• Los procesos de transferencia de calor, incluyendo la evaporación y el intercambio de calor.
• Los procesos de transferencia de masa, incluyendo la absorción de gas, destilación, extracción, adsorción, y el secado.
• Los procesos termodinámicos, incluyendo la licuefacción de gas y refrigeración.
• Los procesos mecánicos, incluyendo el transporte de sólidos, trituración y pulverización, y de cribado y tamizado.

Es probable que estos títulos sean parte de las materias en tu plan de estudio.

Referencias

• Warren, McCabe & Smith Julian. (1998) Operaciones unitarias en ingeniería química.
• Coulson J. M. y Richardson J. F. (2003). Ingeniería química, operaciones básicas. Tomo II. España: Reverté, S. A.