Introducción a las Operaciones Unitarias

Definición.

El estudio de la Ingeniería de Procesos se realiza analizando todas las formas de procesamiento físico y agrupándolas en un número pequeño de operaciones básicas, los cuales son llamadas Operaciones Unitarias. Las Operaciones Unitarias estudian principalmente la transferencia y los cambios de energía, transferencias y cambios de materiales que se llevan a cabo por medios físicos, pero también por medios físico-químicos. El Proceso es el conjunto de operaciones unitarias. Así, el concepto esencial es por lo tanto dividir los procesos físicos de alimentos en operaciones unitarias básicas cada uno de los cuales pueden encontrarse en forma independiente y los cuales dependen de principios físicos coherentes.

PROCESO = Σ OPERACIONES INDIVIDUALES

Figura A - Procesos

 

Figura A: Cada una de las etapas en que se puede dividir un proceso, apoyándose en técnicas comunes y en los mismos principios teóricos y métodos de cálculo.

 

Las operaciones unitarias son aplicables a muchos procesos tantos físicos como químicos. Por ejemplo, el proceso empleado para la manufactura de la sal común consiste en la siguiente secuencia de operaciones unitarias: transporte de sólidos y líquidos, transferencia de calor, evaporación, cristalización, secado y tamizado. En este proceso no intervienen reacciones químicas.

Proceso de manufactura de la Sal

Clasificación de las operaciones unitarias.

Las operaciones unitarias más comunes se producen en Reactores, intercambiadores de Calor, bombas, mezcladores y separadores, y en cada operación unitaria se cambian las condiciones de una determinada cantidad de materia de una o más de las siguientes formas:

• Modificando su masa o composición.
• Modificando el nivel o calidad de la energía que posee.
• Modificando sus condiciones de movimiento.

Cada operación unitaria tiene una fuerza impulsora, un gradiente en alguna propiedad, que da cuenta del mecanismo principal de transferencia.

Clasificaremos las operaciones unitarias en los siguientes 5 tipos:

Clasificación de las Operaciones Unitarias

Transferencia de masa.

Los procesos de transferencia de masa son importantes ya que la mayoría de los procesos químicos requieren de la purificación inicial de las materias primas o de la separación final de productos y subproductos. Consideraremos los siguientes 5 procesos:

Operación Unitaria	Definición	Ejemplo
Destilación	Separación de los componentes dé una mezcla líquida por medio de la ebullición basada en las diferencias de presión de vapor.	Elaboración de licores
Absorción	En este proceso se separa un componente gaseoso de una corriente por tratamiento con un líquido.	Eliminación de gases ácidos de corrientes
Extracción	Consiste en el tratamiento de un sólido finamente molido con un líquido que disuelve y extrae un soluto contenido en el sólido.	Obtención de aceites a partir de semillas vegetales
Adsorción	En este proceso, un componente de una corriente líquida o gaseosa es retirado y adsorbido por un adsorbente sólido.	Eliminación de clorofilas del aceite mediante tierras de diatomeas
Intercambio iónico	Es un proceso por medio del cual un sólido insoluble remueve iones de cargas positivas o negativas de una solución electrolítica y transfiere otros iones descarga similar a la solución en una cantidad equivalente.	Desmineralización de aguas

Transferencia 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.

Operación unitaria	Definición	Ejemplo
Evaporación	Un caso especial de transferencia de calor, que estudia la evaporación de un disolvente volátil (como el agua), de un soluto no volátil como la sal o cualquier otro tipo de material en solución.	Concentración de jarabes
Refrigeración	Enfriamiento de un sólido o líquido gracias al calor quitado por un fluido que cambia de fase liquida a gas.	Conservación en frio de vegetales
Escalado	Tratamiento térmico de corta duración y a temperatura moderada (95-100 °C)	Tratamiento previo a la esterilización, la congelación y la deshidratación
Pasteurización	Tratamiento térmico de baja intensidad cuto objetivo es la destrucción de la flora patógena.	Zumo de frutas
Esterilización	Tratamiento térmico de alta intensidad que consigue una suficiente destrucción de la flora patógena.	Conservas

Transferencia Simultánea de Calor y Masa.

La transferencia de calor y de masa es una ciencia básica que trata de la rapidez de transferencia de energía térmica. Tiene una amplia área de aplicación que va desde los sistemas biológicos hasta los aparatos domésticos comunes, pasando los procesos industriales, los aparatos electrónicos y el procesamiento de alimentos.

Operación unitaria	Definición	Ejemplo
Secado	Operación de transferencia de masa de contacto gas- sólido, donde la humedad que contiene el sólido se transfiere por evaporación hacia la fase gaseosa.	Eliminación de agua de cualquier alimento solido
Cristalización	La cristalización es una operación de transferencia de materia en la que se produce la formación de un sólido (cristal o precipitado) a partir de una fase homogénea.	Separación de cristales de sacarosas
Liofilización	Método de conservación de alimentos en el que confluyen distintos procesos. El resultado es un producto seco, pero con todas las características organolépticas de su estado original (aroma o el sabor).	Deshidratación de setas

Transporte de cantidad de movimiento.

En estas operaciones se estudian los procesos en que se ponen en contacto dos fases, cuya velocidad es distinta.

Operación unitaria	Definición	Ejemplo
Fluidización	Circulación de un fluido a través de un lecho de sólidos.	Congelación de guisantes, secado de especias.
Filtración	Separación de solidos suspendidos en un fluido reteniéndolo en un medio filtrante de menor tamaño.	Clarificación de la cerveza
Micro filtración y ultrafiltración	Separación de componentes de una suspensión o disolución mediante el uso de membranas.	Concentración de proteínas
Osmosis inversa	Separación de un soluto de una sustancia mediante una membrana y aplicación de una presión superior a la presión osmótica.	Desalinización de agua
Sedimentación	Separación de un sólido de una suspensión de diferencia de densidades entre el sólido y líquido.	Separación de la pulpa de los zumos
Centrifugación	Proceso de separación de partículas de distinto tamaño en un medio acuoso, éstas sedimentan hacia el fondo a una velocidad que depende de su peso.	Desnatado de la leche
Emulsificacion	Mezcla de dos líquidos inmiscibles, dispersándose uno de ellos en forma de pequeñas gotas en el otro.	Elaboración de la mayonesa

Operaciones físicas 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.

Operación unitaria	Definición	Ejemplo
Trituración	Proceso para reducir el tamaño de las partículas de una sustancia.	Uso extendido industrial
Molienda	Es una operación que permite la reducción del tamaño de la materia hasta tener una granulometría final deseada.	Uso extendido industrial
Tamizado	Consiste en la separación de una mezcla sólida y heterogénea en función del tamaño de sus partículas. Así, las partículas pequeñas atravesarán las aperturas del tamiz (o cedazo), mientras que las grandes no.	Uso extendido industrial
Mezclado de sólidos y pastas	Implica la interposición de dos o más componentes separados para formar un producto más o menos uniforme	Uso extendido industrial

Campo de aplicación de las operaciones unitarias en la industria.

Las operaciones unitarias son comunes en los procesos industriales, sean químicos, físicos o biológicos. Por tal motivo sus aplicaciones industriales son muy variadas pues dependen de los fines de cada industria.

Sería prácticamente imposible estudiar el número casi infinito de operaciones unitarias que se llevan a cabo en la industria diariamente, si no hubiera un punto en común a todos ellos. Afortunadamente, esta conexión existe. A continuación vamos a mencionar algunos ejemplos:

Destilación.

El principal objetivo de la destilación es separar los distintos componentes de una mezcla aprovechando para ello sus distintos grados de volatilidad. Otra función de la destilación es separar los elementos volátiles de los no volátiles de una mezcla.

Por ejemplo su aplicación es común:

Evaporación.

La evaporación es utilizada para eliminar el vapor formado por ebullición de una solución líquida para así obtener una solución concentrada. Este proceso consiste en la eliminación de un líquido de una solución, por tratamientos térmicos. Por ejemplo su aplicación es común:

Secado.

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.

Consiste en la eliminación total o parcial de la humedad que posee un cuerpo sólido. Por ejemplo su aplicación es común:

Absorción.

Consiste en poner en contacto un gas con líquido con el objetivo de que en él se disuelva alguno de los componentes del gas. Por ejemplo su aplicación es común:

Filtración.

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 o en su interior gracias a una diferencia de presión existente entre un lado y el otro de dicha membrana. Por ejemplo su aplicación es común:

Conclusión.

Mediante el estudio de las operaciones unitarias se busca conocer los procesos básicos que se utilizan en las industrias, comprendiendo que a partir de una materia prima se puede obtener un producto de calidad y a su vez una producción óptima.

Cabe destacar que las operaciones básicas dentro de las industrias pueden ser abordadas por la ingeniería aplicando en sus procesos las operaciones unitarias, éstas se basan igualmente en la ciencia y la experiencia. Hay que combinar la teoría y la práctica para diseñar el equipo, construirlo, montarlo, hacerlo funcionar y conservarlo. Para un estudio equilibrado de cada operación es preciso considerar conjuntamente la teoría y los aparatos, lo cual constituye el objetivo del estudio, compresión y aplicación de las operaciones unitarias en las diferentes ramas de la ingeniería.

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