DISEÑO EXPERIMENTALINTEGRANTES:

Mauricio Bedón Dannes Bustilos Erik Fajardo

Fecha: 04/05/2016Tema: Descripción de operaciones unitarias en experimentación.

Operación Unitaria

El concepto de operación unitaria es el siguiente: Operaciones que evidentemente constituyen la trama de la industria y las líneas de producción, se unifica y simplifica el tratamiento de todos los procesos.

Para el estudio de las operaciones unitarias, son fundamentales diversos principios científicos y técnicos. Algunos de ellos son leyes físicas y químicas elementales tales como la conservación de la masa y energía, equilibrios físicos, cinética y ciertas propiedades de la materia

Las operaciones unitarias se utilizan ampliamente para realizar las etapas físicas fundamentales de la preparación de reactantes, separación y purificación de productos, recirculación de los reactantes no convertidos, y para controlar la transferencia de energía hacia o desde el reactor químico. Las operaciones unitarias son aplicables a muchos procesos tanto 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. Por otro lado, el cracking del petróleo, con o sin ayuda de un catalizador, es una reacción química típica realizada a gran escala. Las operaciones unitarias que se efectúan en este proceso —transporte de fluidos y sólidos, destilación y separaciones mecánicas diversas— son todas de una importancia vital y la reacción de cracking no podría realizarse sin ellas. Las etapas químicas se llevan a cabo controlando el flujo de materia y energía hacia y desde la zona de reacción.

Aunque las operaciones unitarias son una rama de la ingeniería, se basan de igual manera en la ciencia y la experiencia. Se deben combinar la teoría y la práctica para diseñar el equipo, construirlo, ensamblarlo, hacerlo operar y darle mantenimiento. Para

un estudio completo de cada operación es preciso considerar de manera conjunta la teoría y el equipo

Operaciones continuas y discontinuas

En los procesos de la industria, las operaciones llevadas a cabo pueden realizarse de diferentes modos. Se entiende como operación discontinua aquella en la que se carga la materia prima en el aparato, y después de realizarse la transformación requerida se descargan los productos obtenidos. Estas operaciones, llamadas también por cargas o intermitentes, se realizan en una serie sucesiva de etapas:

1. Carga del aparato con las materias primas.

2. Preparación de las condiciones para la transformación.

3. Transformación requerida.

4. Descarga de los productos.

5. Limpieza del aparato.

La operación en discontinuo se desarrolla en régimen no estacionario, pues sus propiedades intensivas varían con el tiempo. Un ejemplo de este modo de operar es el prensado de las semillas oleaginosas para obtener aceite. Las operaciones continuas son aquellas en las que las etapas de carga, transformación y descarga se realizan simultáneamente. La limpieza del aparato se efectúa cada cierto tiempo, dependiendo de la naturaleza de la transformación y de las materias a tratar. Para realizar la limpieza debe pararse la producción. Las operaciones continuas se desarrollan en régimen estacionario, de modo que las variables intensivas características de la operación pueden variar en cada punto del sistema, pero las que se dan en cada punto no varían con el tiempo. En realidad es difícil que se llegue a un estado de régimen estacionario absoluto, pues puede haber ciertas fluctuaciones inevitables. Un ejemplo de operación en continuo puede ser la rectificación de mezclas de alcohol-agua. En algunos casos es muy difícil llegar a operar en continuo, y sólo se llega de un modo aproximado. Esta forma de operar se denomina semicontinua. Puede ocurrir que algunos materiales se carguen en el aparato y permanezcan en él cierto tiempo, de forma discontinua, mientras que otros entran o salen continuamente. De vez en cuando se necesitará descargar aquellos materiales que se vayan acumulando. Así, en la extracción de aceite por disolventes, se carga la harina y se alimenta de forma continua el disolvente; al cabo de cierto tiempo la harina se agota de aceite y debe reemplazarse.

Ventajas de operación en continuo:

1. Se eliminan las etapas de carga y descarga.

2. Permite automatizar la operación, reduciendo la mano de obra.

3. La composición de los productos es más uniforme.

4. Presenta un mejor aprovechamiento térmico.

Desventajas de operación en continuo:

1. Las materias primas deben poseer una composición uniforme para evitar las fluctuaciones de la operación.

2. La puesta en marcha de la operación suele ser costosa, por lo que deben evitarse las paradas.

3. Las fluctuaciones en la demanda de producto lleva consigo el que deba disponerse de cantidades considerables de materias primas y productos en almacén.

4. Debido a la automatización de la operación el equipo es más costoso y delicado. En las puestas en marcha y en las paradas de la operación en continuo, ésta transcurre de forma no estacionaria, pero una vez alcanzado el pleno funcionamiento puede considerarse que se ha llegado a régimen estacionario.

Aunque esto no es exactamente cierto pues puede haber fluctuaciones muchas veces debidas a las variaciones existentes en la composición de las materias primas y también a modificaciones de agentes externos. Cuando se elige la forma de operación, deberán tenerse en cuenta las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas. Sin embargo, cuando se requieran producciones bajas, se trabajará discontinuamente, y en caso que quieran obtenerse producciones elevadas resulta más rentable operar una instalación en continuo.

Analizando los diagramas de flujo de los distintos procesos descritos en un apartado anterior, se observa que algunas de las etapas se repiten en todos ellos. Cada una de estas etapas se denomina Operación Básica o Unitaria, y son comunes a un gran número de procesos industriales. Las operaciones individuales tienen técnicas comunes y se basan en los mismos procesos científicos, esto hace que el estudio de estas operaciones se unifique y el tratamiento de todos los procesos resulte más sencillo. Dentro de las Operaciones Unitarias pueden distinguirse diferentes tipos, dependiendo de la naturaleza de la transformación llevada a cabo, así cabe distinguir etapas físicas, químicas y bioquímicas.

a) Etapas físicas: Molienda, Tamizado, Mezcla, Fluidización, Sedimentación, Flotación, Filtración, Rectificación, Absorción, Extracción, Adsorción, Intercambio de calor, Evaporación, Secado, etc.

b) Etapas químicas: Refinado, Pelado químico.

c) Etapas bioquímicas: Fermentación, Esterilización, Pasteurización, Pelado enzimático.

Por tanto, el conjunto de etapas físicas, químicas y bioquímicas que tienen lugar en los procesos de transformación de los productos agrícolas constituyen las denominadas

Operaciones Unitarias de las Industrias Alimentarias. La finalidad de las Operaciones Unitarias es la separación de dos o más sustancias presentes en una mezcla, o bien el intercambio de una propiedad debido a un gradiente. La separación se logra mediante un agente separador, que es distinto dependiendo de la propiedad que se transfiera. Según la propiedad transferida, las Operaciones Unitarias se pueden clasificar en distintos grupos, pues los cambios posibles que puede experimentar un cuerpo vienen definidos por la variación que experimenta en su masa, energía o su velocidad. Así, las Operaciones Unitarias se clasifican según el esquema:

• Operaciones Unitarias de transferencia de materia.

• Operaciones Unitarias de transmisión de calor.

• Operaciones Unitarias de transporte de cantidad de movimiento.

Además de las Operaciones Unitarias englobadas en cada uno de los apartados mencionados, existen aquellas de transferencia simultánea de calor y materia, y otras Operaciones que no se pueden englobar en ninguno de estos apartados, y que reciben el nombre de complementarias. Todas las Operaciones Unitarias que se engloban en estos apartados se encuentran en procesos físicos, pero se pueden considerar ciertas operaciones que incluyen también reacciones químicas.

ANALISIS DIMENSIONAL

Muchos problemas importantes de ingeniería no pueden resolverse completamente por métodos matemáticos o teóricos. Los problemas de este tipo son frecuentes, sobre todo, en operaciones de flujo de fluidos, flujo de calor y difusión. Un método de abordar un problema para el que no es posible deducir una ecuación matemática, consiste en recurrir a la experimentación empírica. Por ejemplo, la pérdida de presión por fricción en una tubería circular, larga, recta y lisa depende de todas estas variables: la longitud y el diámetro de la tubería, la velocidad de flujo del líquido, así como de su densidad y viscosidad. Si se modifica cualquiera de estas variables, se modifica también la caída de presión. El método empírico para obtener una ecuación que relacione estos factores con la caída de presión requiere determinar el efecto de cada variable por separado, para lo cual es preciso efectuar una experimentación sistemática con cada una de las variables, mientras todas las demás se mantienen constantes. El procedimiento es laborioso y resulta difícil organizar o correlacionar los resultados obtenidos con el fin de encontrar una relación útil para los cálculos. Existe un método intermedio entre el desarrollo matemático formal y el estudio empírico.2 Este método se basa en el hecho de que, si existe una ecuación teórica entre las variables que afectan a un proceso físico, dicha ecuación debe ser dimensionalmente homogénea. Al tomar en cuenta esta condición, es posible reunir varios factores en un número menor de grupos adimensionales de variables. En la ecuación final aparecen los grupos como tales en vez de los factores por separado. Dicho método se denomina análisis dimensional, el cual es un tratamiento algebraico de los símbolos para unidades consideradas independientemente de la magnitud. Esto simplifica en forma considerable la tarea de encontrar los datos

experimentales apropiados para diseñar ecuaciones; también es útil en la revisión de la consistencia de las unidades en las ecuaciones, en las unidades de conversión y en el escalamiento de datos obtenidos en unidades de prueba modelo para predecir el funcionamiento de equipo a gran escala. En la formación de un análisis dimensional, se eligen las variables que se consideran importantes y se tabulan sus dimensiones. La elección de las variables es relativamente fácil, si las leyes físicas implicadas en una solución matemática son conocidas. Por ejemplo, las ecuaciones diferenciales fundamentales de flujo de fluidos, combinadas con las leyes de la conducción y difusión del calor, son suficientes para establecer las dimensiones y grupos adimensionales apropiados para un gran número de problemas de ingeniería química. En otras situaciones, la elección de las variables es especulativa y al probar las relaciones resultantes quizá sea necesario establecer si algunas variables quedan fuera o si algunas de las elegidas no se necesitan. Suponiendo que las variables se relacionan por una serie exponencial, en la cual la dimensión de cada término puede ser la misma que la de la cantidad primaria, se escribe una relación exponencial en la que los exponentes están relacionados a cualquier cantidad determinada

FORMACION DE OTROS GRUPOS ADIMENSIONALES

Es posible encontrar otras combinaciones. Sin embargo, es innecesario repetir el álgebra para obtener tales grupos adicionales. Los grupos pueden combinarse de cualquier forma que se desee: se multiplican y dividen, o se sacan recíprocos o múltiplos de ellos. Sólo es necesario que cada grupo original sea usado al menos una vez para encontrar nuevos grupos y que el ensamble final contenga exactamente el mismo número grupos.

De esta forma, algunas ecuaciones adimensionales pueden cambiarse en cualquier número de nuevas opciones. Esto se utiliza con frecuencia cuando se desea obtener un solo factor en un grupo

Bibliografía:

Ibarz, A., & Ribas, A. I. (2005). Operaciones unitarias en la ingeniería de alimentos. Mundi-Prensa Libros.

McCabe, W. L., Smith, J. C., & Harriot, P. Operaciones unitarias en ingeniería química, Cuarta Ediciónn, ED.