introducciÓn a las operaciones unitarias. conceptos fundamentales
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INTRODUCCIÓN A LAS OPERACIONES
UNITARIAS. CONCEPTOS
FUNDAMENTALES
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BIBLIOGRAFIA
UNIDAD I – MECANICA DE FLUIDOS
White Frank. Mecánica de Fluidos.
Ibarz R., A.; Barbosa C. Operaciones Unitarias en la
Ingeniería de Alimentos.
Yunus Cengel. Mecánica de Fluidos
UNIDAD II – BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA
Reklaitis G. Balance de Materia y energía.
Valiente, A. Problemas de balance de materia y energía
UNIDAD III – TRANSFERENCIA DE CALOR
Incropera F. Fundamentos de Transferencia de calor.
Yunus Cengel. Transferencia de Calor
EVALUACIÓN
Practicas Dirigidas (P.D.): Cada semana en horas de practicas. Intervenciones en
clases.
Examen de Practica (E.P.): Una semana antes del examen de unidad.
Promedio de practica = (P.D. + E.P.)/2
(P.C.)
Examen de Unidad. (E.U.) Problemas: Aplicativos. No se repiten preguntas de
examenes y/o practicas dirigidas o calificadas de otros años. (14-12 puntos)
Teoría: Definiciones, preguntas de criterio o demostración de formulas (6-8 puntos)
Promedio de Unidad = (P.C. + 2xE.U.)/3
(U-I)
PROCESO
Recibe el nombre de proceso el conjunto de actividades
u operaciones industriales que tienden a modificar las
propiedades de las materias primas, con el fin de
obtener productos que sirvan para cubrir las
necesidades de la sociedad.
Materias Primas
Cambios físicos, químicos y
bioquimicos Producto
Operaciones físicas
de
acondicionamiento
Operaciones físicas
de separación
DESCRIPCIÓN DE ALGUNOS PROCESOS
AGROINDUSTRIALES Café
tostado
Extracto de café
(solución diluida)
Extracto de café
(solución concentrada)
Café soluble
Agua
caliente
Residuo
sólido
Vapor
de agua
Agua
EXTRACCIÓN
MOLIENDA
EVAPORACIÓN
SECADO
OPERACIÓN UNITARIA
Operación Básica o Unitaria: cada una de las
operaciones o etapas individuales con una función
específica diferenciada que, coordinadas, permiten
llevar a cabo un proceso químico-industrial.
MATERIAS
PRIMAS
ACONDICIONAMIENTO
DE MATERIAS PRIMAS
Transformación
Química
Operaciones Físicas de
Separación
Operaciones Físicas de
Purificación
PRODUCTOS
SUBPRODUCTOS
RECIRCULACION DE
MATERIAS PRIMAS
PRODUCTOS
DE REACCION
Las etapas se repiten en los
distintos procesos, se basan en
principios científicos comunes y
tienen técnicas de cálculo
semejantes e independientes de
la industria en que se apliquen y
del producto que se obtenga.
CLASIFICACIÓN DE LAS O.U. SEGÚN LA
PROPIEDAD QUE SE TRANSFIERE
Cantidad de
movimiento Calor Materia
• Fluidización
• Sedimentación
• Filtración
• Microfiltración
• Ultrafiltración
• Ósmosis inversa
• Mezcla
• Emulsificación
• Centrifugación
• Flotación
• Refrigeración
• Congelación
• Evaporación
• Pasteurización
• Esterilización
• Escaldado
• Secado
• Cristalización
• Liofilización
• Destilación
• Extracción
• Lixiviación
• Adsorción
• Intercambio iónico
• Absorción
• Secado
• Cristalización
• Liofilización
• Ósmosis inversa
CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS
SEGÚN SU APLICACIÓN
Separación Conservación
• Destilación
• Absorción
• Extracción
• Lixiviación
• Filtración
• Ultrafiltración
• Microfiltración
• Ósmosis Inversa
• Adsorción
• Intercambio Iónico
• Evaporación
• Cristalización
• Sedimentación
• Centrifugación
• Congelación
• Refrigeración
• Liofilización
• Secado
• Pasteurización
• Escaldado
• Esterilización
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS PRINCIPALES
OPERACIONES UNITARIAS AGROINDUSTRIALES
Basadas en la Transferencia de cantidad de
movimiento:
Fluidización: Circulación de un fluido a través de un
lecho de sólidos (congelación de guisantes, secado de
especias)
Filtración: Separación de un sólido suspendido en un
fluido reteniéndolo en un medio filtrante de menor
tamaño de poro que el sólido (clarificación de la
cerveza)
Microfiltración y Ultrafiltración: Separación de los
componentes de una suspensión o disolución mediante
el uso de membranas. (Concentración de proteínas).
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS PRINCIPALES
OPERACIONES UNITARIAS AGROINDUSTRIALES
Basadas en la Transferencia de cantidad de
movimiento:
Ósmosis Inversa: Separación de un soluto de una
solución mediante una membrana y aplicación de una
presión superior a la presión osmótica y que se oponga
a ésta. El disolvente atraviesa la membrana en
dirección opuesta al gradiente de concentración, en un
lado de la membrana se concentra el soluto y en el
otro el disolvente (desalinización de agua).
Sedimentación: Separación de un sólido de una
suspensión por diferencia de densidades entre el
sólido y el líquido (separación de la pulpa en zumos)
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS PRINCIPALES
OPERACIONES UNITARIAS AGROINDUSTRIALES
Basadas en la Transferencia de cantidad de
movimiento:
Centrifugación: Separación de un sólido de una
suspensión o de dos líquidos de densidades diferentes
por acción de una fuerza centrífuga (desnatado de la
leche)
Mezcla: Consisten en alcanzar una distribución
uniforme de dos componentes. Si son líquidos esta
operación se realiza por agitación. Si son sólidos se
realiza por volteo, agitación, fluidización…. (Mezclado
de ingredientes).
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS PRINCIPALES
OPERACIONES UNITARIAS AGROINDUSTRIALES
Basadas en la Transferencia de cantidad de
movimiento:
Emulsificación: Mezcla de dos líquidos inmiscibles,
dispersándose uno de ellos (fase discontinua, dispersa
o interna) en forma de pequeñas gotas o glóbulos en el
otro (fase continua, dispersante o externa)
(elaboración de mayonesa).
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS PRINCIPALES
OPERACIONES UNITARIAS AGROINDUSTRIALES
Basadas en la Transferencia de Materia:
Destilación: Separación de los componentes de una
mezcla líquida o gaseosa mediante un vapor o líquido,
respectivamente, generados por calefacción o
enfriamiento de la mezcla original (elaboración de
licores)
Lixiviación: Separación de los componentes de una
mezcla sólida por contacto con un disolvente ajeno a la
misma (obtención de aceite a partir de semillas
vegetales mediante disolventes)
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS PRINCIPALES
OPERACIONES UNITARIAS AGROINDUSTRIALES
Basadas en la Transferencia de Materia:
Adsorción: Separación de los componentes de una
mezcla fluida mediante un sólido adsorbente ajeno a
la misma. Fenómeno de superficies (eliminación de
clorofilas del aceite mediante tierras de diatomeas).
Intercambio Iónico: Separación de algunos de los
iones de una disolución líquida mediante un sólido
iónico que intercambia ciertos iones del mismo signo
con aquéllos (desmineralización de aguas).
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS PRINCIPALES
OPERACIONES UNITARIAS AGROINDUSTRIALES
Basadas en la Transferencia de Calor:
Evaporación: Separación de una mezcla líquida
mediante un vapor generado a partir de la misma por
ebullición, que contiene los componentes más volátiles de
aquélla (concentración de jarabes).
Refrigeración: Enfriamiento de un sólido o líquido
gracias al calor quitado por un fluido que cambia de fase
líquida a gas. Este gas es comprimido, enfriado y
expandido para que vuelva de nuevo a quitar calor al
sistema. Refrigeración por compresión (Conservación en
frío de vegetales)
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS PRINCIPALES
OPERACIONES UNITARIAS AGROINDUSTRIALES
Basadas en la Transferencia de Calor:
Escaldado: Tratamiento térmico de corta duración y a temperatura moderada (algunos minutos a 95-100 ºC). Objetivo: aumentar la densidad del producto, reducir la concentración de oxígeno en el interior del envase, eliminación de gases ocluidos en los tejidos, inactivación enzimática… (Tratamiento previo a la esterilización, la congelacióny la deshidratación).
Pasteurización: Tratamiento térmico de baja intensidad cuyo objetivo es la destrucción de la flora patógena y la reducción de la flora banal en los alimentos poco ácidos (leche) o conseguir una estabilización del producto en alimentos ácidos (zumos de frutas)
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS PRINCIPALES
OPERACIONES UNITARIAS AGROINDUSTRIALES
Basadas en la Transferencia de Calor:
Esterilización: Tratamiento térmico de alta intensidad
que consigue una suficiente destrucción de las floras
patógena y banal, incluyendo las formas esporuladas,
para que queden garantizadas la salud pública (12
reducciones decimales de Clostridium botulinum) y que
el producto sea suficientemente estable para permitir un
almacenamiento de larga duración a temperatura
ambiente (conservas).
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS PRINCIPALES
OPERACIONES UNITARIAS AGROINDUSTRIALES
Basadas en la Transferencia de Materia y Calor:
Secado: Separación de un líquido que impregna un sólido, mediante un gas, normalmente aire, ajeno al mismo (eliminación de agua de cualquier alimento sólido)
Cristalización: Separación de un componente de una disolución líquida mediante contacto con una fase sólida generada a partir de aquélla. Se basa en la diferencia de solubilidades (separación de cristales de sacarosa).
Liofilización: Separación del líquido que impregna un sólido mediante su congelación y ulterior sublimación a vacío (deshidratación de setas).
RÉGIMEN ESTACIONARIO
Se entiende que un sistema se encuentra en régimen
estacionario cuando todas las variables físicas
permanecen constantes e invariables con el tiempo, en
cualquier punto del sistema, pero pueden ser distintas
de unos puntos a otros.
RÉGIMEN NO ESTACIONARIO
Cuando las variables intensivas características de la
operación no sólo pueden variar a través del sistema
en cada momento, sino que las correspondientes a
cada punto del mismo varían con el tiempo, el régimen
se denomina no estacionario.
OPERACIONES DISCONTINUAS
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.
ETAPAS
Carga del aparato con las materias primas.
Preparación de las condiciones para la transformación.
Transformación requerida.
Descarga de los productos.
Limpieza del aparato.
OPERACIONES DISCONTINUAS
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.
Vapor
Saturado
Liquido
Saturado
OPERACIONES CONTINUAS
Son aquellas en las que las etapas de carga,
transformación y descarga se realizan
simultáneamente.
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.
OPERACIONES CONTINUAS
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.
Un ejemplo de operación en continuo puede ser la
rectificación de mezclas de alcohol-agua.
OPERACIONES CONTINUAS
Ventajas
Se eliminan las etapas de carga y descarga.
Permite automatizar la operación, reduciendo la
mano de obra.
La composición de los productos es más uniforme.
Presenta un mejor aprovechamiento térmico.
OPERACIONES CONTINUAS
Desventajas
Las materias primas deben poseer una composición
uniforme para evitar las fluctuaciones de la
operación.
La puesta en marcha de la operación suele ser
costosa, por lo que deben evitarse las paradas.
Las fluctuaciones en la demanda de producto lleva
consigo el que deba disponerse de cantidades
considerables de materias primas y productos en
almacén.
Debido a la automatización de la operación el equipo
es más costoso y delicado.
OPERACIONES SEMI CONTINUAS
En algunos casos es muy difícil llegar a operar en
continuo, y sólo se llega de un modo aproximado.
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.
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.
CLASIFICACIÓN DE LA MECÁNICA DE FLUÍDOS
Hidrostática
Hidráulica
Hidrodinámica
Neumática
Estudio fluidos en reposo
Estudio fluidos en movimiento
Mecánica fluido aplicada a gases
Aplicaciones técnicas
DEFINICION DE FLUIDO
Un fluido es una sustancia que se
deforma continuamente bajo la acción
de esfuerzos cortantes.
La materia se encuentra en las
siguientes formas:
Sustancia
Sustancia
DEFINICION DE FLUIDO
Solido: Esfuerzo → Deformación → Rotura
Para esfuerzo de tensión, compresión y corte
(tangencial)
Fluido: Corte → Deformación infinita → Fluye
Tensión
Corte
Compresión
Presión
Corte Corte
Reposo Fluye
DEFINICION DE FLUIDO
Líquidos:
Fluidos cuyas moléculas pueden cambiar de
posición una respecto a las otras, pero restringidas
por las fuerzas de cohesión, a fin de mantener un
volumen relativamente fijo.
Gases:
Fluidos cuyas moléculas prácticamente no se hallan
restringidas por fuerzas de cohesión. El gas no
tiene forma ni volumen definidos
Diferencia entre un líquido y un gas:
Un gas, llena todo el espacio que tiene a
disposición; un líquido forma una superficie libre.
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
Fuerza y Masa:
La comprensión de las propiedades de los fluidos
requiere una cuidadosa diferenciación entre la
masa y peso.
Masa (m) La masa es la magnitud física que permite
expresar la cantidad de materia que contiene un
fluido.
Peso (w) es la cantidad que pesa un cuerpo, es decir,
la fuerza con la que el cuerpo es atraído hacia la
tierra por acción de la gravedad.
2T
MLm.g=w ].[
.2
NNewtons
mKg
Relación Peso-Masa
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
FUERZA
La fuerza es igual a la variación temporal de la
cantidad de movimiento, o si la masa es constante
2.. TLMmaF
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
PRESION
Fuerza ejercida sobre un área unitaria de una sustancia.
Si la fuerza ejercida en cada unidad de área de un elemento
es la misma, se dice que la presión es uniforme
Dimensiones:
A
Fp
F
A
Fuerza
Normal
A
Fp
cosA Fuerza Oblicua
F
ML T1 2
Pasm
N 11 22
.s
mkgN
1 105 2bar N m
21.. smkg
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
DENSIDAD
Relación entre la masa y el volumen de un fluido.
Designada con letra griega (rho)
Ejemplo:
Densidad del agua: H2O = 1000 Kg/m3; a 4ºC, 1atm.
Densidad del agua de mar: H2O = 1025 Kg/m3; a
20ºC, 1atm
Densidad del Aire: Aire = 1.23 Kg/m3; a 20ºC, 1atm.
=m
V
M
L3 3m
Kg
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
Densidad
En el gráfico se muestra la densidad del agua como
función de la temperatura.
=m
V
M
L3
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
Peso específico
Relación entre peso del fluido y volumen:
Designada con letra griega (gamma)
Ejemplo:
N
m322L
Mg.
V
m.g
V
w=
T
39810
m
Nagua
31.12
m
Naire
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
Volumen Específico
Recíproco de la densidad, es el volumen que ocupa la
unidad de masa:
Ejemplo:
Densidad del agua H2O = 1000 Kg/m3 a 4ºC, 1atm.
Kg
mVs
31
Kg
mVs
33101
1000
1
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
GRAVEDAD ESPECIFICA O DENSIDAD RELATIVA
A menudo resulta conveniente indicar el peso especifico o densidad de un fluido en términos de su relación con el peso especifico o densidad de un fluido común (referencia).
La gravedad especifica es el cociente de la densidad de una sustancia entre la densidad de un fluido de referencia, típicamente el agua a 4°C (líquidos).
La gravedad especifica es el cociente del peso especifico de una sustancia entre el peso especifico del agua a 4°C.
w
s
w
ssg
Donde el subíndice s se refiere a la sustancia cuya gravedad
especifica o densidad se esta determinando y el subíndice w se
refiere al fluido de referencia (agua a 4°C)
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
VISCOSIDAD
Propiedad de los fluidos de oponer resistencia al
deslizamiento.
En los líquidos depende principalmente de la
cohesión entre las moléculas del fluido.
En los gases depende principalmente del grado de
agitación molecular
La viscosidad determina los esfuerzos de corte
internos.
h
v = 0
Esfuerzo Cortante
v velocidad constante de
la placa sólida deslizante
h distancia corta
Flujo de tensión en el líquido (σ xy ).
Area de accion
de la tension
Gradiente uniforme de velocidad vy
x
y
σ xy = f (dvy /dx)
Perfil inicial de velocidad en
el líquido: v = 0
Deformacion: Gradiente
uniforme de velocidad hasta
alcanzar un equilibrio
dinámico
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
VISCOSIDAD
Los conceptos de velocidad de deformación (gradiente
de velocidad) y esfuerzo cortante se usan para describir
la deformación de un fluido y su flujo.
VISCOSIDAD
La viscosidad es una propiedad de los líquidos que
describe la magnitud de la resistencia por fuerzas
de corte en el líquido.
dV
dX
Shear stress
Esfuerzo cortante
(F/A)
Gradiente uniforme de
perfil de velocidad(Uniform velocity profile gradient) Shear rate
Velocidad de deformación
(dV/dX)
Figura 1.1: Flujo laminar en cizalla simple. dXdV
AF .
, donde F es la fuerza que actúa en un área A, V la velocidad y X es
la distancia entre las placas, y η el coeficiente de viscosidad o
viscosidad Newtoniana.
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
Fluido Ideal
Fluido donde no existen efectos de fricción entre
capas adyacentes.
Capas se deslizarán unas sobre otras sin resistencia.
No existe formación de remolinos o disipación de
energía debido a la fricción.
v
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
Fluido Real
Fluido donde existen efectos de fricción entre
partículas adyacentes.
Para que el flujo ocurra se deben vencer estas
fuerzas de resistencia.
En dicho proceso se produce una conversión de
energía en calor.
v
