OPERACIONES UNITARIAS OPERACIONES UNITARIAS: Estas tienen como objetivo modificar las condiciones de una determinada unidad de masa (reactivos) para conseguir una finalidad (productos). Esta modificación se puede conseguir: - Modificando su masa o composición. - Modificando su nivel o cantidad de energía. - Modificando las condiciones de movimiento: velocidad. El estado de un cuerpo está absolutamente definido cuando están especificadas la cantidad de materia y composición, cuando conocemos su energía y cuando conocemos las componentes de la velocidad con las que dicho cuerpo está en movimiento; Estas magnitudes están determinadas por la ley de conservación de la materia, energía y cantidad de movimiento. Para transformar una cantidad de materia se producen transformaciones simultáneas de dos o más de estas propiedades, estas propiedades aunque se den simultáneamente, por lo general es una de ellas la que predomina sobre las otras. De este modo para la clasificación de las operaciones unitarias se atiende a la propiedad que predomina en una transformación. En base a ello la clasificación se hace en dos grandes grupos: - Operaciones unitarias físicas. - Operaciones unitarias químicas. Operaciones unitarias físicas: Tienen estas transferencias básicas; - 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 por superficie, la cual es igual a la fuerza impulsora iniciado por la resistencia que se opone. Vamos a estudiar 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: La fuerza impulsora hay que considerarla en relación al aspecto termodinámico (lo que nos indica el avance de la reacción es G<0). En relación con el aspecto cinético, la velocidad de la reacción química depende de la temperatura y de las concentraciones de los reactivos. Operaciones Unitarias físicas regidas por transferencia de materia: Están basadas en un fenómeno denominado difusión en donde las masas se ponen en movimiento o intentan mezclarse como consecuencia de que existen en el fluido gradientes de concentración; Cuando se colocan dos fases que no se encuentran en equilibrio en relación con un determinado componente lo que ocurre es que dicho componente se transfiere de una a otra intentando alcanzar el equilibrio. Aprovechando el fenómeno de la difusión se ponen en contacto fases distintas y lo que sucede es que los componentes van a intentar igualarse y se realiza el diseño de aparatos para lograr dicha separación, esta separación puede tener dos objetivos: - Separar una sustancia que esté impurificando un fluido. - Separar un compuesto que tenga un valor intrínseco mayor estando por libre. También es posible la separación basándonos en la diferencia de velocidades de difusión a través de una membrana porosa, es necesario realizarlo en repetidas ocasiones y no siempre es más corriente la separación por transferencia entre fases. Destilación Es la operación unitaria más utilizada en ingeniería química y consiste en separar 2 o más componentes de una mezcla líquida aprovechando sus diferencias en cuanto a la presión de vapor; Se supone una sustancia líquida a una determinada temperatura, parte de las moléculas de esta sustancia debido a que no todas tienen la misma velocidad, rompen la atracción de las moléculas del líquido y pueden pasar a la fase gaseosa; En la fase gas no todas las moléculas van a tener la misma energía, aquellas moléculas de las fase gaseosa con menor energía podrán ser atrapadas por el líquido y tendremos una situación de equilibrio entre el líquido y el gas; El manómetro no va a variar e indica la cantidad máxima de moléculas del líquido que podemos tener en la fase de vapor, existe la misma velocidad en las moléculas de líquido a vapor como de vapor a líquido. La presión de vapor depende de la temperatura a que trabaje, de la naturaleza de la sustancia, las sustancias con menor tendencia a pasar a gas son menos volátiles, la cantidad máxima de moléculas en fase gas viene dada por la presión de vapor.
La mezcla líquida conseguirá separar los compuestos por su volatilidad, la presión de vapor es muy dependiente de la temperatura, a mayor temperatura mayor presión de vapor, hasta que esta se iguale con la presión exterior (1 atmósfera), en este punto el líquido comienza a ebullir, sí la mezcla está constituida por 2 componentes se llama mezcla binaria, sí hay más de 2 componentes se denomina mezcla multicomponente. Destilación simple: Cuando el líquido está contenido en un recipiente denominado calderín, calentamos el líquido en su parte inferior, al calentar el líquido este se va evaporando y este vapor es expulsado; Es una destilación Discontinua. Cuando tenemos una destilación simple continua, donde constantemente introducimos líquido en el calderín. También se calienta, pero en este caso también sale líquido además de vapor. El líquido que queda en el calderín se mantiene constante. Destilación súbita o flash : el alimento se introduce a temperatura elevada, se le da calor externamente y se mantiene a una presión elevada pero sin que llegue a ebullición, entonces se pasa el líquido regulando la entrada en la columna con una válvula; Dentro de la columna se produce una expansión de los componentes más volátiles, y también una fase líquida más rica en los compuestos más volátiles, en este caso no existe caldera, estarán en equilibrio los componentes de vaporización y líquido dependiendo de las condiciones de entrada. Regla de las fases: Enunciada por Josiah Willard Gibbs en el siglo XIX dice la relación que existe entre el número de componentes independientes, el número de fases y el de posibilidades de variación de un sistema en equilibrio. - Componentes:C; número mínimo de sustancias que hay en el sistema y que son suficientes para definirlo. - Fase:F; parte homogénea con las mismas propiedades y composición. - Libertades:L; número de factores que pueden influir en el equilibrio y que pueden ser variables sin que se altere dicho equilibrio (P, T, composición). encuentran con frecuencia en la industria química y del petróleo.
Disoluciones ideales: Dos componentes se ponen en contacto y no se produce intercambio de calor (disolución ideal). Un soluto con poca tendencia a pasar a vapor y un disolvente con tendencia a pasar a vapor. Se puede predecir la presión correspondiente a la disolución: P1 = P1 X1 X1 = n1/nt Rectificación: La destilación con reflujo se llama rectificación; la condensación se realiza por medio de agua fría o serpentín, primero se ponen en contacto el vapor ascendente con el líquido descendente, a medida que vamos subiendo los vapores van siendo más ricos en el componente más volátil mientras que en el calderín, a medida que bajamos, el líquido es más rico en el componente menos volátil. Alimentación = Destilado + Residuo Por el serpentín del calderín se hace pasar una corriente que se encuentre a mayor temperatura de manera que se de la vaporización, La alimentación se coloca directamente en el calderín y se va consumiendo de manera que desaparece todo en forma de destilado. D. extractiva y D. azeotrópica: Se añade un tercer componente que en el caso de la extractiva separa los dos componentes al formar un residuo con uno de los componentes y el otro queda como destilado; En el caso de la destilación azeotrópica, el tercer componente forma un azeótropo con uno de los otros dos, disminuye la presión de vapor de uno de ellos saliendo como residuo o destilado. Estos métodos requieren de una posterior separación. Destilación por arrastre de vapor: Se inyecta vapor de agua recalentado a la mezcla binaria que se quiere separar, sobre todo cuando uno de los componentes se degrada con el vapor; Este vapor reduce la presión parcial de los componentes a destilar con lo que la temperatura de vaporización es menor, el agua no llega a condensar y por lo tanto sale de la columna acompañando al destilado y por lo tanto se requiere una posterior separación del destilado del agua.
Absorción Es una operación unitaria regida por transferencias de materia que consiste en poner en contacto un gas con líquido con el objetivo de que en él se disuelva alguno de los componentes del gas. Desorción Operación continúa a la absorción y en ella un gas disuelto en un líquido es arrastrado por un gas inerte quedando eliminado del líquido inicial. En algunas ocasiones la desorción también se emplea para determinar la destilación súbita. La transferencia de materia tiene lugar porque la presión parcial del componente gaseoso en la fase líquida es menor que la presión que tendría una disolución en fase líquida con ese gas. Esto se basa en la ley de Henry que nos indica la máxima solubilidad de un gas en líquido. Los aparatos empleados en estas técnicas son columnas en las que no se requiere caldera y tampoco hace falta colocar ningún refrigerante. Dos tipos: - Columnas de relleno. - Columnas de platos. Se diferencian de las anteriores en que se colocan dispositivos para facilitar el contacto entre las fases. Se colocan en la parte superior torres de pulverización. También se hace pasar el líquido a presión por la parte superior. El gas se introduce por la parte inferior y se dice que líquido y gas van a contracorriente. También hay unos absorbedores especiales, los centrífugos, en los que se aplica una energía cinética adicional por rotación al líquido. Los procesos químicos en los que se aplica la absorción es la eliminación de gases ácidos; secado del cloro (con H2SO4).
Extracción Está basada en la disolución de uno o varios componentes de una mezcla en un disolvente selectivo. La mezcla puede ser líquida o sólida: - Extracción líquido-líquido: Se requiere que los dos líquidos que se ponen en contacto sean inmiscibles. Representa una solución ventajosa con relación a la destilación porque permite extraer varias sustancias que tengan un grupo funcional parecido. Para no utilizar la destilación con arrastre de vapor se emplea este método. - Extracción sólido- líquido: también llamada lavado, lixiviación, percolación... Si pretendemos un componente no deseado de un sólido se denomina lavado. Lixiviación se emplea cuando se desea extraer un componente valioso. Percolación se emplea para indicar que existe el vertido de un líquido sobre un sólido. Adsorción Operación unitaria física regida por la transferencia de materia. Consiste en la eliminación de algún componente de una fase fluida mediante un sólido que lo retiene. El fluido puede ser un líquido o un gas. La adsorción es un fenómeno de superficie. En la superficie del sólido se dan interacciones que hacen que las moléculas del fluido queden retenidas. Si son retenidas mediante un enlace químico fuerte se denomina quimisorción. Si son retenidas mediante una interacción débil se denomina fisisorción. El fenómeno contrario a la adsorción se denomina desorción. Los sólidos empleados han de tener una gran superficie de adsorción como es el caso del carbón activo, gel de sílice, alúmina activada. Para que por ejemplo se de la adsorción tenemos 1 gramo de carbón activo que presenta una superficie de 1000 m ². En algunos casos la adsorción se denomina percolación ya que tengo una fase fluida y un sólido, pues este nombre se usa cuando el fluido es un líquido. Intercambio iónico Es una operación unitaria física regida por transferencia de materia que consiste en la sustitución de uno o varios iones de una disolución por otros que inicialmente forman parte de la llamada resina de intercambio iónico.
En toda operación que hay intercambio iónico hay reacción química, una reacción química lo suficientemente rápida que lo que rige la velocidad del proceso es la diferencia de concentraciones entre los componentes (difusión). Las resinas son neutras y formadas por iones; al ponerse en contacto con el fluido se produce un intercambio iónico que produce dos tipos de resinas: - Resinas catiónicas: el anión es fijo e intercambian el catión. - Resinas aniónicas: el catión es fijo e intercambian el anión. En toda operación que hay intercambio iónico hay reacción química, una reacción química lo suficientemente rápida que lo que rige la velocidad del proceso es la diferencia de concentraciones entre los componentes (difusión). Las resinas son neutras y formadas por iones; al ponerse en contacto con el fluido se produce un intercambio iónico que produce dos tipos de resinas: - Resinas catiónicas: el anión es fijo e intercambian el catión. - Resinas aniónicas: el catión es fijo e intercambian el anión.
Reducción de tamaño y tamizado de sólidos Principios generales En la industria suele ser necesario desmenuzar los sólidos, mediante la aplicación de fuerzas mecánicas. Las razones para esta reducción de tamaño son las siguientes: (a) La reducción de tamaño puede facilitar la extracción de un determinado constituyente deseado, presente en una estructura compleja, como sucede, por ejemplo en la obtención de harina a partir de granos de trigo, o de jarabe, a partir de caña de azúcar. (b) La reducción a un tamaño definido puede constituir una necesidad especifica de producto, como sucede, por ejemplo, en la elaboración del azúcar para glasear, en la preparación de especias y en el refinado del chocolate. (c) Una disminución del tamaño de partícula de un material aumenta la superficie del sólido, lo que resulta favorable en muchos procesos de velocidad, por ejemplo: el tiempo de secado de los sólidos húmedos se reduce mucho aumentando su área superficial. La velocidad de extracción de un soluto deseado crece al aumentar el área de contacto entre el sólido y el disolvente. El tiempo necesario para ciertas operaciones-horneo, escaldado, etc.- se puede reducir troceando los productos sometidos al proceso. La mezcla íntima suele facilitarse si las partículas son de tamaño más pequeño, lo que constituye una consideración importante en la elaboración de algunos preparados, como sopas empaquetadas, mezcla para alimentos, harinas de cereales, entre otros. Mejorar y agilizar la transferencia de masa de los compuestos de un producto determinado
Secado de Granos El secado artificial produce la principal transformación del grano en la postcosecha y a su vez es el procedimiento que más atención requiere para no afectar la calidad de éstos. De la energía utilizada en el proceso de producción de granos, el secado insume alrededor del 50%. Tomando en cuenta estos dos factores, es decir calidad y consumo energético, se puede apreciar la importancia que adquiere su correcta realización. Los objetivos principales del secado son: reducir la humedad de cosecha de los granos y semillas a niveles seguros para el almacenamiento y óptimos para su comercialización. El secado se puede realizar con aire natural o con aire caliente y generalmente nos referimos a la temperatura del aire de secado y rara vez nos referimos a la temperatura del grano. Sin embargo, la temperatura que el grano adquiere en los procesos de secado determinará si el mismo mantiene la calidad inicial que poseía antes de iniciado dicho proceso.