Operaciones y Procesos Unitarios

Operaciones Unitarias químicas

Una operación unitaria se define como un conjunto de actividades en las que intervienen  personas, insumos, materias primas, maquinaria y equipo, y en el que ocurren cambios físicos.  Estas actividades básicas forman parte del proceso. Por ejemplo, la extracción de pulpa de mango, el descortezado en una fábrica de papel, o la destilación en un proceso de elaboración de productos químicos.

Sería 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. Cualquier proceso que se pueda diseñar consta de una serie de fenómenos físicos y químicos que, en algunos casos son específicos del proceso considerado, pero en otros, son operaciones comunes e iguales para varios procesos. 

De manera general un proceso puede descomponerse en la siguiente secuencia:

1.- Materias Primas

2.- Operaciones físicas de acondicionamiento

3.- Proceso de reacción química

4.- Operaciones físicas de separación

5.- Productos

El concepto de Operaciones Unitarias fue introducido en 1915 por el profesor Little, del Massachussets Institute 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 OPERACIONES UNITARIAS, como por ejemplo: pulverización, secado, cristalización, filtración, evaporación, destilación...”. El número de estas operaciones básicas no es muy grande, y generalmente sólo unas cuantas de ellas intervienen en un proceso determinado."

 TIPOS DE OPERACIONES UNITARIAS

·         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.

En todas las operaciones unitarias hay en común el concepto de fuerza impulsora. La cantidad de la propiedad transferida por unidad de tiempo y superficie es igual a la fuerza impulsora partido de la resistencia. Analizamos la fuerza impulsora para los tres tipos de propiedades.

Materia: la fuerza impulsora es igual a las diferencias de concentraciones, presiones... en el seno del fluido que estemos estudiando.

Energía: la fuerza impulsora se da cuando existe una diferencia de temperaturas en el seno de la masa.

Cantidad de movimiento: la fuerza impulsora es la diferencia de velocidades que existe entre dos zonas del fluido.

Operaciones unitarias químicas

Tiene por objetivo distribuir de una forma distinta los átomos de una molécula para dar otra, es decir, el paso de los reactivos a los productos. Se da en los reactores químicos; para el diseño de estos se deben estudiar las siguientes características:

- Asegurarnos que los reactivos fluyan totalmente para conseguir la mezcla deseada.

- Proporcionar el tiempo de contacto necesario entre las sustancias y el catalizador (si lo hay) hasta lograr la extensión deseada de la reacción.

- Permitir que se adquieran las condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el modo y la velocidad deseadas, para lo cual hay que atender a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción.

Algunas de las operaciones unitarias químicas son:

COMBUSTIÓN es el proceso de oxidación rápida de una sustancia, acompañado de un aumento de calor y frecuentemente de luz. En el caso de los combustibles comunes, el proceso consiste en una combinación química con el oxígeno de la atmósfera que lleva a la formación de dióxido de carbono, monóxido de carbono y agua, junto con otros productos como dióxido de azufre, que proceden de los componentes menores del combustible.

HIDRATACION.- Cuando un cuerpo seco (anhídrido), absorbe agua, aunque sea en forma de humedad, se dice que este cuerpo está hidratado o que ha sufrido el fenómeno de hidratación.

OXIDACION.- Es la operación de introducir oxígeno en un cuerpo de manera que forme parte de su constitución íntima, tal sería el agua (H20) agregar un átomo de oxígeno y formar agua oxigenada ( H₂0₂ ) también Llamada peróxido de hidrógeno 0 dióxido de hidrógeno. La combustión es También un proceso típico de oxidación pues toma el oxígeno del aire para quemar el carbono.

REDUCCION.- Consiste en separar oxigeno de un cuerpo para que este resulte puro. En la metalurgia del hierro, por ejemplo se reduce el mineral formado por óxidos y al eliminarse el oxígeno queda el metal puro. Un cuerpo reductor es el carbono; así tenemos que el carbono en caliente con ayuda de la flama reduce el óxido de plomo, de cobre, etc. al estado de plomo y cobre puro.

SAPONIFICACION: Cuando una sustancia grasa es tratada en caliente por medio de una lejía fuertemente alcalina, se transforma en jabón ( la saponificación.).

HIDROGENACION, reacción que implica la combinación de hidrógeno con ciertos compuestos orgánicos no saturados, especialmente con los hidrocarburos. Por ejemplo, al hidrogenar el eteno (C₂H₄) se obtiene etano (C₂H₆). La hidrogenación se usa también con moléculas más complicadas, obteniéndose gran variedad de productos sintéticos importantes en el laboratorio y en la industria.

La reacción de hidrogenación se aplica a escala industrial en numerosos procesos, como la hidrogenación de los aceites vegetales para producir numerosas grasas comestibles, por ejemplo la margarina El proceso de hidrogenación se aplica también en la producción de gasolina sintética.

CRAQUEO O CRACKING, proceso químico por el cual un compuesto químico, normalmente orgánico, se descompone o fracciona en compuestos más simples. El craqueo se realiza ya sea por la aplicación de calor y alta presión, mediante el proceso conocido como craqueo térmico, o bien por el craqueo catalítico, que es la combinación de calor y una catálisis. En las refinerías modernas, primero se separa el petróleo por destilación fraccionada. A continuación, casi todas las fracciones más pesadas son sometidas a craqueo. En el proceso siempre se forma hidrógeno y carbono.

FERMENTACIÓN proceso en el que ocurren cambios químicos en las sustancias orgánicas producidos por la acción de enzimas Ilamadas fermentos, producidas por organismos diminutos tales como el moho, las bacterias y la levadura. Por ejemplo, la lactasa, un fermento producido por una bacteria que se encuentra generalmente en la leche, hace que ésta se agrie, transformando la lactosa (azúcar de la leche) en ácido láctico. El tipo de fermentación más importante es la fermentación alcohólica, en donde la acción de la simaza segregada por la levadura convierte los azúcares simples, como la glucosa y la fructosa, en alcohol etílico y dióxido de carbono. Hay otros tipos de fermentación que se producen de forma natural, como la formación de ácido butanoico cuando la mantequilla se vuelve rancia, y de ácido etanoico (acético) cuando el vino se convierte en vinagre.

POLIMERIZACIÓN. es el proceso que se realiza al unir varias moléculas más pequeñas (monómeros) en otras más grandes Polímeros. El número de unidades que se repiten en una molécula grande se llama grado de polimerización. Los materiales con un grado elevado de polimerización se denominan altos polímeros. Los homopolímeros son polímeros con un solo tipo de unidad que se repite. En los copolímeros se repiten varias unidades distintas. La mayoría de las sustancias orgánicas presentes en la materia viva, como las proteínas, la madera, la quitina, el caucho y las resinas, son polímeros; también lo son muchos materiales sintéticos como los plásticos, las fibras, los adhesivos, el vidrio y la porcelana.

La Industria

Líneas de Producción

Proceso que al combinarse dan origen a:

Operaciones Unitarias Mecánicas:  Filtración, Tamizado.

Operaciones Unitarias Físicas:  Destilación y Cristalización.

Operaciones Unitarias Químicas:  si trasmiten calor y energía.

Polimerización

Combustión