LECCIÓN EVALUATIVA UNIDAD 1

CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS ¿Qué es una operación unitaria?

Las operaciones unitarias son el conjunto de etapas elementales de un proceso de tratamiento o de producción. De acuerdo al origen del concepto de operaciones unitarias, pueden clasificarse de acuerdo al tipo de fenómenos predominantes que ocurren en ellas; por ejemplo, es posible clasificarlas en operaciones unitarias físico-mecánicas y en operaciones unitarias fisicoquímicas (operaciones de equilibrio de fases). Las operaciones unitarias físico-mecánicas incluyen etapas de transformación de la composición de una mezcla, así como en cambios de forma y tamaño. (Hernández Barajas, Días Paz, & Laines Canepa, 2010)

Generalmente un proceso puede descomponerse en la siguiente secuencia:

Fuente: (Marcilla Gomis, 1998)

Cada una de estas operaciones es una operación unitaria. Este concepto 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 lo que pudieran llamarse operaciones unitarias, como pulverización, secado, cristalización, filtración, evaporación, destilación, etc. El número de estas operaciones básicas no es muy grande, y generalmente sólo unas cuantas de entre ellas intervienen en un proceso determinado.” (Marcilla Gomis, 1998) Clasificación de las operaciones unitarias Cada operación unitaria tiene como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma más útil a nuestros fines. Este cambio puede hacerse principalmente por tres caminos:

• Modificando su masa o composición (separación de fases, mezcla,...) • Modificando el nivel o calidad de la energía que posee (enfriamiento,

vaporización, aumento de presión, ...)

• Modificando sus condiciones de movimiento (aumentando o disminuyendo su velocidad o su dirección).

Estos tres son los únicos cambios posibles que un cuerpo puede sufrir. De acuerdo con estas ideas, normalmente se clasifican las operaciones unitarias en función de la propiedad - materia, energía o cantidad de movimiento que se transfiere en la operación o la que sea más relevante. (Marcilla Gomis, 1998) Entre las operaciones unitarias físico-mecánicas se pueden citar al cribado, tamizado, reducción de tamaño (trituración y molienda), separación por gravedad (sedimentación), separación centrífuga (separador tipo ciclón), separación por campo eléctrico (precipitación electrostática), mezclado, filtración y flotación. (Hernández Barajas, Días Paz, & Laines Canepa, 2010) Las operaciones unitarias fisicoquímicas se explicarán más adelante. Debe notarse que en cualquier operación, por lo común se transferirá simultáneamente materia, energía y cantidad de movimiento pues las dos últimas propiedades están asociadas a la materia, por el hecho de existir. No obstante, la operación no vendrá controlada necesariamente por las tres transferencias, sino sólo por una o, por dos. De acuerdo con el criterio de cuál es la transferencia más relevante, las operaciones unitarias se clasifican en:

• operaciones de transferencia de materia • operaciones de transmisión de energía • operaciones de transmisión simultánea de materia y energía • operaciones de transporte de cantidad de movimiento

Operaciones de transferencia de materia: El objetivo general de estas operaciones es conseguir la separación de uno de los componentes de una fase, mediante la acción de la otra. Como lo es el caso del yodo y del cloroformo; cuando se ponen en contacto dos fases que no están en equilibrio desde el punto de vista de un determinado componente, éste se transfiere de una fase a otra, tendiendo al equilibrio. Aprovechando esta difusión entre fases se pueden diseñar distintos tipos de aparatos que pongan en íntimo contacto dos fases distintas. En ellas se encuentran:

• Destilación - rectificación: consiste en separar dos o más componentes de un mezcla líquida (todos los componentes son más o menos volátiles) aprovechando la diferencia de volatilidades de los componentes que forman la mezcla. Se consigue seleccionando la temperatura y presión de tal manera que la fase líquida y vapor que se forman tengan concentraciones relativas diferentes. Se puede llevar a cabo de dos formas básicas, la destilación sin reflujo (destilación simple) y destilación con reflujo (rectificación).

• Absorción - Desabsorción: Consiste en poner un gas en contacto con un líquido para que éste disuelva determinados componentes del gas, que queda libre de

los mismos. Puede ser física o química, según que el gas se disuelva en el líquido absorbente o reaccione con él dando un nuevo compuesto químico. La desabsorción es contraria a la absorción, en ella un gas disuelto en un líquido es arrastrado por un gas inerte siendo eliminado del líquido.

• Extracción: Se basa en la disolución de uno o varios de los componentes de una mezcla (líquida o que formen parte de un sólido) en un disolvente selectivo, aprovecha la diferencia de solubilidades de los componentes de la mezcla en el disolvente añadido, el número mínimo de componentes presentes en la extracción es tres. Existen dos tipos de extracción; extracción liquido-líquido y extracción sólido-líquido.

• Adsorción - Desorción: Consiste en la eliminación de algunos componentes de una fase fluida mediante un sólido que lo retiene, solamente los sólidos que posean una superficie específica elevada serán adsorbentes de interés: carbón activo, gel de sílice, alúmina activada, zeolitas, etc. La operación contraria a la adsorción se llama desorción, se realiza comúnmente para la regeneración del lecho sólido saturado de soluto, y para la recuperación del soluto adsorbido, si éste es económicamente rentable.

• Intercambio iónico: Consiste en la sustitución de uno o varios iones de una disolución por otros que forman inicialmente parte de la estructura de un sólido (resina de intercambio iónico). Esta operación se aplica sobre todo en procesos de acondicionamiento de agua a nivel industrial.

Operaciones de transmisión de energía: Las operaciones unitarias en las que la velocidad de transmisión de calor desempeña el papel controlante son la evaporación y la condensación.

• Evaporación - Condensación: Consiste en la separación de una mezcla líquida, generando a partir de la misma, por ebullición, un vapor integrado por los componentes más volátiles de aquélla. Se utiliza para concentrar disoluciones obteniéndose vapor del disolvente. La evaporación es análoga a la destilación simple, se diferencian en que en la evaporación, el alimento contiene un soluto cuyo punto de ebullición está muy por encima del punto de ebullición del disolvente, con lo que los vapores obtenidos en la operación son de disolvente puro. La condensación es la operación inversa a la evaporación, por la que un vapor pasa a estado líquido al intercambiar calor con un líquido frío.

Operaciones de transmisión simultánea de materia y energía: Son operaciones en las que se da simultáneamente una transferencia de materia y una transmisión de calor, siendo ambos procesos controlantes del proceso de la operación. Hay simultáneamente dos fuerzas impulsoras separadas, que pueden ir en el mismo sentido o en sentidos opuestos. En ellas se encuentran:

• Humidificación – Deshumidificación: Cuando una corriente de aire se pone en contacto con una corriente de agua, se transfiere agua y energía calorífica de una

corriente a otra modificándose las condiciones de humedad y temperatura. La humidificación de aire se consigue al poner en contacto el aire no saturado con agua, a una temperatura tal que el aire aumenta su contenido de humedad. La deshumidificación del aire se conseguirá siempre que se ponga en contacto aire húmedo con un líquido más frío, de modo que la temperatura del gas disminuya por debajo del punto de rocío y condense agua, disminuyendo la humedad absoluta del aire hasta el valor deseado.

• Cristalización: Es la formación de partículas sólidas cristalinas en el seno de una fase homogénea. El proceso de formación de cristales consta de dos etapas: la nucleación y el crecimiento. La nucleación es la formación, a partir de los iones o moléculas de soluto, de núcleos cristalinos de tamaño suficiente para mantenerse sin solubilizarse en la solución. El crecimiento es el proceso de aumento de tamaño de un núcleo cristalino, por adición de nuevos iones o moléculas.

• Secado: Elimina humedad de una sustancia, la fase previa a todo secado es la eliminación mecánica de agua mediante filtros-prensa o centrífugas, reduciéndose después por vía térmica la humedad que quede, siendo esta última fase la de secado. En ella se somete el producto húmedo a la acción de una corriente de aire caliente y seco, evaporándose el líquido con el consiguiente aumento de la humedad del aire.

• Liofilización (criodeshidratación): Es una modalidad de secado que consiste en la eliminación del agua de un sólido por sublimación de la misma, es decir, el agua del sólido previamente congelada se pasa directamente a vapor. La liofilización se lleva a cabo normalmente a alto vacío y a temperaturas por debajo del punto de fusión del agua, esta operación es normalmente discontinua. (Marcilla Gomis, 1998)

CONSERVACIÓN DE LA MASA Y BALANCES DE MATERÍA Clasificación de los procesos Los balances de masa o balances de materia se basan en la ley de la conservación de la materia, que establece que la materia no se crea ni se destruye, son utilizados en el diseño de un nuevo proceso o en el análisis de uno ya existente. Los procesos químicos pueden clasificarse en:

Intermitentes: La alimentación se introduce al sistema al principio del proceso, y todos los productos se extraen juntos tiempo después.

Continuo: Las entradas y salidas fluyen continuamente durante el proceso. Semiintermitente: Cualquier proceso que no es intermitente ni es continuo. En régimen permanente o estacionario: Todas las variables del proceso

(temperaturas, presiones, volúmenes, velocidades de flujo) no cambian con el tiempo, excepto, por fluctuaciones pequeñas alrededor de los valores promedio constantes.

Transitorio: Cualquiera de las variables del proceso cambia con el tiempo.

Los procesos intermitentes y semiintermitentes son operaciones en régimen no permanente y los procesos continuos pueden ser transitorios o estacionarios. El proceso intermitente se usa cuando se producen cantidades pequeñas de producto en una única ocasión, mientras que para producciones grandes se usan procesos continuos en régimen permanente. Ecuación general de balance Un balance o inventario sobre una sustancia en un sistema (una unidad del proceso, varias unidades o el proceso completo) puede escribirse de la siguiente forma general: Entrada (entra a través de las fronteras del sistema) + Generación (producida dentro del sistema) – Salida (sale a través de las fronteras del sistema) – Consumo (consumida dentro del sistema) = Acumulación (acumulada dentro del sistema). Esta ecuación general de balance puede escribirse para cualquier sustancia que entre o salga de cualquier proceso, para cualquier especie atómica (balance parcial de masa) o para las masas totales de los flujos de entrada y salida (balance total de masa). Se pueden escribir dos tipos de balances:

Balances diferenciales: Indican lo que está sucediendo en un sistema en un instante de tiempo. Cada término de la ecuación de balance es una velocidad (velocidad de entrada, velocidad de producción) y tiene unidades de la unidad de la cantidad balanceada dividida entre una unidad de tiempo (g/s, barriles/día). Este tipo de balance se aplica generalmente a procesos continuos.

Balances integrales: Describen lo que ocurre entre dos instantes de tiempo. Cada término de la ecuación de balance es una cantidad de la cantidad balanceada y tiene las unidades correspondientes (g, barriles). Este tipo de balance se aplica generalmente a procesos intermitentes siendo ambos instantes de tiempo el momento en que se efectúa la entrada y el momento previo a la extracción del producto.

Balances en procesos continuos en régimen permanente Para cualquier sustancia involucrada en el proceso el término de acumulación en la ecuación de balance debe ser igual a cero, de lo contrario, la cantidad de la sustancia en el sistema debe necesariamente cambiar con el tiempo y, por definición, el proceso no se llevaría a cabo en régimen permanente. Así pues, para los procesos continuos en régimen permanente, la ecuación general de balance se simplifica en:

𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 + 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜

Balances integrales en procesos intermitentes

Cuando ocurren reacciones químicas en procesos intermitentes, como las fronteras del

sistema no son atravesadas ni por reactivos ni por productos entre el momento inicial

y el momento en el cual termina la reacción, la ecuación de balance se reduce a:

𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 + 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 + 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜

Esta ecuación es idéntica a la ecuación para procesos continuos, excepto que en este caso los términos de entrada y salida denotan las cantidades inicial y final de la sustancia balanceada en vez de las velocidades de flujo de la misma en los flujos de alimentación y producción continuos.

Balances integrales sobre procesos semiintermitentes y continuos

Los balances integrales también pueden escribirse para procesos semiintermitentes y

continuos. El procedimiento consiste en escribir un balance diferencial del sistema y

después integrarlo entre dos instantes de tiempo.

Balances totales y por componentes

Para cada unidad de proceso o sistema se puede escribir un balance total y varios

balances por componente. En un balance total se considera la masa total de cada

corriente implicada en el proceso, en un balance por componentes se considera

solamente la masa del componente analizado en cada una de las corrientes

involucradas en el proceso. Se pueden plantear una gran cantidad de ecuaciones de

balance de materia para un sistema o proceso, sin embargo, no todas las ecuaciones

planteadas serán independientes.

Sea M el número de ecuaciones independientes y sea N el número de variables de

procesos desconocidas. Si M<N (el sistema de ecuaciones planteado tiene N-M grados

de libertad), el sistema de ecuaciones no se puede resolver. En ese caso, se deben

especificar valores para algunas variables o se deben encontrar relaciones adicionales

entre las variables.

Si M>N (hay más ecuaciones planteadas que incógnitas), el sistema no puede ser

resuelto. Se debe, entonces, proceder a eliminar ecuaciones innecesarias.

Si M=N existe una solución para el sistema de ecuaciones. En este caso, el número de variables de proceso cuyo valor se desconoce será igual al número de ecuaciones de balance de materia independientes. (Gómez Quintero)

Balances para sistemas reactivos

Cuando en un proceso ocurren reacciones químicas, para el balance de materia se debe tener en cuenta la estequiometría, una ecuación estequiométrica representa a una reacción química e indica el número de moléculas o moles de reactivos y de productos que participan de la reacción. Los coeficientes que se asignan a cada sustancia al balancear la ecuación se llaman coeficientes estequiométricos y al cociente entre dos coeficientes estequiométricos de una misma ecuación se le denomina cociente estequiométrico. Los cocientes estequiométricos se usan como factores de conversión para calcular cantidades consumidas de reactantes o producidas de productos. Si uno de los reactivos se suministra en menor cantidad a la estequiométrica mientras los demás se suministran en las cantidades estequiométricas, aquel se consume primero y se conoce como reactivo limitante y los otros se conocen como reactivos en exceso: Un reactivo es limitante si está presente en menor cantidad que su proporción estequiométrica con respecto a cualquier otro reactivo. Algunas reacciones son irreversibles, es decir, la reacción se lleva a cabo en una dirección (de reactivos a productos) y la concentración del reactivo limitante se aproxima a cero. La composición de equilibrio para estas reacciones es la que corresponde al consumo completo del reactivo limitante. Otras reacciones son reversibles, es decir, los reactivos forman productos y los productos reaccionan en sentido opuesto para volver a formar los reactivos. Se alcanza un punto en el que las velocidades de las dos reacciones son iguales. En este punto, las composiciones no cambian y la mezcla de reacción se encuentra en equilibrio químico. (Anónimo, Balances de materia, 2011)

Base de cálculo

Para plantear correctamente un balance de materia, es necesario elegir una base de

cálculo y referir a ella todos los términos del balance. Del mayor o menor acierto de su

elección dependerá la menor o mayor complejidad de los cálculos posteriores. En orden

de preferencia decreciente, debe elegirse como norma general como base de cálculo:

Una determinada cantidad de uno de los componentes de la mezcla que no sufra

reacción química y que entre y salga del sistema con el mismo caudal y formando

parte de la misma corriente.

Una determinada cantidad de uno de las corrientes de entrada o salida del

sistema: puede elegirse aquella de la que se conocen el mayor número de datos.

Un determinado espacio de tiempo. (Anónimo, Tema 4)

BIBLIOGRAFÍA

Anónimo. (Enero de 2011). Balances de materia. Obtenido de

http://blog.utp.edu.co/balances/files/2011/01/BMSINREACCI%C3%93N.pdf

Anónimo. (s.f.). Tema 4. Obtenido de Balances de materia:

http://www3.uclm.es/profesorado/giq/contenido/fund_quimicos/Tema_4.pdf

Gómez Quintero, C. (s.f.). Apuntes de Procesos Químicos para Ingeniería de Sistemas.

Obtenido de

https://procesosbio.wikispaces.com/file/view/Balance+de+materia.pdf

Hernández Barajas, J., Días Paz, R. C., & Laines Canepa, J. R. (14 de Mayo de 2010).

División Académica de Ciencias Biológicas. Obtenido de Licenciatura en

Ingeniería Ambiental:

http://www.archivos.ujat.mx/oferta_educativa/dacbiol/plan_estudio_lic_ing_a

mbiental2010/Area_de_Formacion_Sustantiva_Profesional/F1333OPERACION

ES_UNITARIAS.pdf

Marcilla Gomis, A. (1998). Introducción a las operaciones de separación - Cálculo por

etapas de equilibrio. Alicante: Publicaciones Universidad de Alicante.