Descomposición de los procesos en etapas u operaciones unitarias. Flujo de materiales, energía e información.

Aponte Tomas – Valenzuela Nelson07/09/2012

OPERACIONES BASICAS

INTRODUCCION

En las industrias de procesos químicos y físicos, así como en las de procesos biológicos y de alimentos, existen muchas semejanzas en cuanto a la forma en que los materiales de entrada o de alimentación se modifican o se procesan para obtener los materiales finales, de salida o productos. Es posible considerar estos procesos químicos, físicos o biológicos, aparentemente diferentes, y clasificarlos en una serie de etapas individuales y diferentes llamadas " Operaciones Unitarias", siempre y cuando las transformaciones sean a nivel macroscópico. Estas operaciones unitarias son comunes a todos los tipos de industrias de proceso.

Un proceso puede ser cualquier conjunto de etapas u operaciones unitarias que apliquen modificaciones de la composición química o ciertos cambios físicos en el material que se va a preparar, aislar, mezclar, procesar, separar o purificar.

Ya que cada una de las etapas que constituyen un proceso se encuentra

sujeta a variaciones, el encargado del proceso debe especificar también las condiciones exactas bajo las cuales debe llevarse a cabo cada etapa.

Todo el trabajo del analista debe ser cuantitativo y por ello, la Matemática constituye una herramienta fundamental. Los cálculos para el balance de

materia, que es fundamental para el estudio de cualquier proceso puede expresarse por lo general, con confianza y precisión, en términos de Matemática lineal si no se consideran los procesos atómicos y nucleares.

En los estudios económicos para determinar qué condiciones de operación son más rentables y al contabilizar las ventas y la distribución del ingreso en costos y ganancias, incluyendo el remplazo de la planta, los cálculos matemáticos son universales.

CONCEPTOS BÁSICOS

EQUILIBRIO

Existe para todas las combinaciones de fases, una condición llamada "equilibrio", para la cual el intercambio neto de "propiedades" (por lo general, masa o energía en los procesos químicos), es igual a cero y para todas aquellas combinaciones que no se encuentren en equilibrio, la diferencia de concentración de alguna de sus propiedades entre la que tiene en la condición existente y la que tendría en la condición de equilibrio, constituye una fuerza motriz o una diferencia de potencia, que tiende a alterar el sistema, haciéndolo tender hacia el equilibrio.

PATRONES DE FLUJO

En muchos de los procesos en los que se trasfiere energía o materia de una fase a otra, es necesario poner en contacto dos corrientes a fin de permitir que las fases tiendan al equilibrio de energía, materia o ambas. La transferencia puede llevarse a cabo con las dos corrientes fluyendo en la misma dirección -flujo paralelo- o por el contrario, las corrientes pueden fluir en direcciones opuestas, - flujo a contracorriente-.

OPERACIONES CONTINUAS E INTERMITENTES

Una operación continua es aquella en la cual el equipo opera de forma continua y estable y por lo tanto a medida que se alimenta materia prima al proceso se está obteniendo y saliendo el producto sin que exista cambio en la cantidad de materia dentro del equipo; una operación intermitente -discontinua o batch- es aquella en la cual se alimenta de una sola vez la materia prima al proceso y el producto se retira igualmente de un sólo sin que existan entradas o salidas parciales de materiales.

OPERACIONES UNITARIAS

Los procesos químicos pueden consistir en diversas secuencias de etapas, cuyos principios son independientes del material en proceso y de las características del sistema en particular. Algunas de las etapas consisten en reacciones químicas, mientras que otras son cambios físicos, la versatilidad del análisis de procesos consiste en la facilidad y

capacidad para la descomposición de procesos complejos en etapas físicas individuales, las cuales reciben el nombre de "operaciones unitarias" y hacia las reacciones químicas.

Por ejemplo, la operación unitaria conocida como destilación se usa para purificar o separar alcohol en la industria de las bebidas así también para separar hidrocarburos en la industria del petróleo. El secado de granos y

otros alimentos es similar al secado de maderas, precipitados filtrados y estopa de rayón.

La operación unitaria "absorción" se presenta en la absorción de oxígeno del aire en los procesos de fermentación o en una planta de tratamiento de aguas negras, así como en la absorción de hidrógeno gaseoso en un proceso de hidrogenación líquida de aceites.

La evaporación de soluciones salinas en la industria química es similar a la evaporación de soluciones de azúcar en la industria alimenticia.

El flujo de hidrocarburos líquidos en refinerías de petróleo y el flujo de leche en una planta de productos lácteos se llevan a cabo de manera semejante.

Las operaciones unitarias estudian principalmente la transferencia y los cambios de energía, transferencia y cambios de materiales que se llevan a cabo por medios físicos así como también por medios fisicoquímicos.

CONSIDERACIONES GENERALES

La comprensión de los principios físicos de una operación y la formulación de esos principios en una expresión matemática, son los primeros requerimientos para la aplicación de los principios de las operaciones unitarias. En la práctica del análisis de procesos siempre deben incorporarse valores numéricos a fin de detener una respuesta práctica.

CLASIFICACION DE LAS OPERACIONES UNITARIAS

1. Flujo de fluidos. Estudia los principios que determinan el flujo y transporte de los fluidos de un punto a otro.

2. Transferencia de calor. Esta operación unitaria concierne a los principios que gobiernan la acumulación y transferencia de calor y de energía de un punto a otro.

3. 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.

4. Secado. Separación de líquidos volátiles, por lo general agua, de los materiales sólidos.

5. Destilación. Separación de los componentes de una mezcla líquida por medio de una ebullición basada en las diferencias de presión de vapor.

6. Absorción. En este proceso se separa un componente gaseoso de una corriente de gases por tratamiento con un líquido.

7. Extracción Líquido-líquido. En este caso, el soluto de una solución líquida se separa poniéndolo en contacto con otro disolvente líquido que es relativamente inmiscible en la solvente original y en el cual el soluto es más soluble.

8. Lixiviación Líquida-Sólido. Consiste en el tratamiento de un sólido finamente molida con un líquido que disuelve y extrae un soluto contenido en el sólido.

9. Cristalización. Se refiere a la extracción de un soluto tal como la sal, de una solución por medio de la precipitación de dicho soluto.

10. Separaciones mecánico-físicas. Emplean la separación de sólidos, líquidos o gases por medios mecánicos o por diferencias en sus propiedades físicas tales como la filtración, sedimentación o reducción de tamaño, que por lo general se clasifican como operaciones unitarias individuales.

Debido a que estas operaciones tienen ciertos principios básicos o fundamentales comunes, también pueden clasificarse según los procesos de transporte o de transferencia:

1. Transferencia de Momento. Se refiere a la que se presenta en los materiales en movimiento. Como en operaciones unitarias de flujo de fluidos, sedimentación y mezclado.

2. Transferencia de Calor. En este proceso fundamental se considera la transferencia de calor de un lugar a otro, se presenta en las operaciones unitarias de transferencia de calor, secado, evaporación, destilación y otras.

3. Transferencia de Masa. En este caso se transfiere masa de una fase a otra fase diferente; el mecanismo básico es el mismo ya sea que las fases sean gaseosas, sólidas o líquidas. Este proceso incluye destilación, absorción, extracción líquido-líquido y lixiviación.

OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA

Cuando se ponen en contacto dos fases que tienen diferente composición es posible que ocurra la transferencia de algunos de los componentes presentes de una fase hacia la otra y viceversa.

Esto constituye base física de las operaciones de transferencia de masa si se permite que estas dos fases permanezcan en contacto durante un tiempo

suficiente, se alcanzará una condición de equilibrio bajo la cual no habrá ya transferencia neta de componentes entre las fases. En la mayor parte de los casos, las dos fases tienen una miscibilidad limitada, de tal forma de que en el equilibrio existen dos fases que pueden separarse una de otra.

Con frecuencia, estas fases tienen composiciones diferentes entre sí y distintas también de la composición que tenía cada fase antes de ponerse en contacto con la otra. Como resultado de lo anterior las cantidades relativas de cada uno de los componentes que han sido transferidos entre las fases, son distintas, lográndose de esta forma una separación. Bajo condiciones adecuadas, la acción repetida de poner en contacto y separarlas a continuación puede conducir a la separación casi completa de los componentes.

PROCESOS DE SEPARACIÓN

Cuando se plantea el problema de separar los componentes que forman una mezcla homogénea se deben de aprovechar las diferencias que existen en las propiedades de los constituyentes que forman la mezcla para efectuar su separación. Se debe analizar las diversas propiedades químicas y físicas de los constituyentes con el

objeto de determinar en cuales de esas propiedades se observa una mayor diferencia entre los componentes, ya que por lo general, cuanto mayor sea la diferencia de alguna propiedad, más fácil y económica será la separación deseada.

Las operaciones unitarias se relacionan con los procesos de separación que se basan en las diferencias que existen en las propiedades físicas más que en las químicas. Tales procesos dependen de la diferencia de composición que presentan las fases en equilibrio o bien la diferencia de velocidad de transferencia de masa que tienen los constituyentes de una mezcla.

DESTILACION

Es el proceso de separación más utilizada en la industria, también se conoce como fraccionamiento o destilación fraccionada, la separación de los constituyentes, se basa en las diferencias de volatilidad. En la destilación, una fase vapor se pone en contacto con una fase líquida, transfiriéndose masa del líquido al vapor y del vapor al líquido. Por lo general, el líquido y el vapor contienen los mismos componentes aunque en distintas proporciones. En forma simultanea, se transfiere masa desde el líquido por evaporación y desde el vapor por condensación. El efecto neto es un incremento en la concentración de los componentes más volátiles en la fase vapor y de los menos volátiles en el líquido.

La destilación se utiliza mucho para separar mezclas líquidas en componentes más o menos puras. Debido a que la destilación implica evaporación y condensación de la mezcla, es una operación que necesita grandes cantidades de energía.

Una gran ventaja de la destilación es que no es necesario añadir componentes a la mezcla para efectuar la separación.

Las aplicaciones de la destilación son muy diversas. El oxígeno puro se produce por destilación del aire previamente licuado.

Las fracciones del petróleo (gases ligeros, nafta, gasolina, queroseno, diesel, aceite lubricante y asfalto) se obtienen por destilación del petrolero crudo.

La destilación también se utiliza en la industria de las bebidas alcohólicas para separar el etanol de los demás productos de la fermentación de carbohidratos.

ABSORCION Y DESORCION DE GASES

La absorción de gases involucra la transferencia de un componente soluble, presente en una fase gaseosa, hacia un líquido absorbente de baja volatilidad. La desorción es el proceso inverso, es decir eliminación de un componente de la fase líquida por contacto con una fase gaseosa.

En el caso más simple de absorción de gases, no existe vaporización del líquido absorbente y el gas contiene sólo con constituyente soluble. Por ejemplo, al poner en contacto una mezcla de amoníaco y aire con agua líquida a temperatura ambiente, el agua absorbe amoníaco. Este es soluble en agua, mientras que el aire es poco soluble en ella. A su vez, el agua no se evapora en cantidades apreciables a temperatura ambiente. Como resultado, la única masa que se transfiere es la del amoníaco que pasa de la fase gaseosa a la líquida.

En las operaciones de absorción, es necesario añadir un componente al sistema (este es, el líquido absorbente).

En muchos casos, el soluto deberá separarse del líquido absorbente, para lo cual se requerirá una columna de destilación, un desabsorbedor, o, algún otro proceso de separación.

La desorción o agotamiento es lo opuesto a la absorción. En este caso el gas soluble se transfiere del líquido a la fase gaseosa.

La absorción y el agotamiento se utilizan con frecuencia en la industria. El ácido clorhídrico se produce por la absorción en agua de cloruro de hidrógeno gaseoso.

La fermentación aerobia de los sedimentos y lados de aguas negras requiere la absorción de aire. La carbonatación de refrescos involucra la absorción de dióxido de carbono.

SEPARACIÓN POR MEMBRANA

Algunos procesos de separación involucran la transferencia de masa a través de una membrana plástica delgada. Aunque estas operaciones tienen relativamente poca aplicación, son promisorias para problemas especiales de separación.

* La diálisis es un proceso de separación en el que la masa se transfiere a través de una membrana por efecto de un gradiente de concentración que actúa como fuerza motriz. En su mayor aplicación industrial que es la fabricación de rayón viscoso, el NaOH se separa de una solución acuosa que también contiene hemicelulosa. La solución fluye por un lado de la membrana, mientras que por otro fluye agua pura. La diferencia de concentraciones entre la solución y el agua pura, obliga al hidróxido de sodio a pasar a través de la membrana, pero la hemicelulosa se encuentra en suspensión coloidal en la solución y es demasiado grande para pasar a través de los poros de la membrana.

* La electrodiálisis utiliza una diferencia de potencial eléctrica como fuerza motriz para iones en solución. Los iones positivos pasan a través de membranas apropiadas al sentir la atracción de la terminal negativa, mientras los iones negativos, viajando en dirección contraria, atraviesan una membrana para llegar a la terminal positiva. Esta se utiliza para recuperar ácido gastado.

OTROS PROCESOS DE SEPARACIÓN

Un gran número de importantes operaciones unitarias, involucra la separación de componentes de una mezcla, pero no se acostumbra agrupar dichas operaciones con los procesos usuales de separación.

La evaporación, cristalización y secado, se basan en la transferencia simultánea de calor y masa. En la evaporación, se concentra una solución líquida al evaporar parte del disolvente. La evaporación tiene muchas aplicaciones en donde quiera que sea necesario concentrar soluciones.

Si se evapora una solución hasta alcanzar la saturación con el soluto, una evaporación adicional o un enfriamiento, resulta en una precipitación de cristales sólidos. Esto constituye la base física de la cristalización, una operación unitaria que se utiliza para separar solutos de una solución. Se utiliza en la industria para la fabricación de muchas sales inorgánicas.

La operación de secado separa a un líquido de un sólido por vaporización del líquido.

La des humidificación separa a un vapor de una fase gaseosa mediante el enfriamiento del gas hasta la condensación del vapor.

Las mezclas de multifases pueden separarse en dos o más fracciones mediante varias operaciones. En este caso la mezcla de fases debe ser heterogénea. La mezcla de partículas sólidas puede separarse en diferentes tamaños por tamizado, elutriación, criba o clasificación. Las partículas sólidas pueden separarse de líquidos por filtración, centrifugación o sedimentación.

Las fases líquidas inmiscibles también pueden separarse por centrifugación.