SEMANA 02:

TIPOS DE OPERACIONES EN LOS PROCESOS INDUSTRIALES

Equipos de operaciones físicas: Intercambiadores de calor, filtros, sedimentadores, columnas de destilación, columnas de absorción.

Equipos de transformación: reactores batch y continuos, fermentadores etc.

TIPOS DE OPERACIONES EN LOS PROCESOS INDUSTRIALES

I. OPERACIÓN Y PROCESO UNITARIO

Cualquier proceso que se pueda diseñar consta de una serie de operaciones físicas y químicas que, en algunos casos son específicas del proceso considerado, pero en otros, son operaciones comunes e iguales para varios procesos. Cada una de estas operaciones consta de una o varias operaciones unitarias.

En la industria existen 2 diferenciables por los cambios que se dan en la materia a tratar, denominadas operaciones unitarias (físicas) cuando solo existe cambio físico y procesos unitarios (químicas) cuando existe cambio químico.

Cada operación unitaria tiene una fuerza impulsora, un gradiente de alguna propiedad, que identifica el mecanismo principal de transferencia.

I.1. OPERACIONES UNITARIAS:

Las operaciones físicas realizadas para producir estos cambios, tales como transmisión de calor, flujo de fluidos, destilación, etc., son llamadas “Operaciones unitarias”

Clasificación de las operaciones unitarias físicas

Las operaciones unitarias son de naturaleza física. Se pueden dividir en 5 grandes grupos:

1. Flujo de fluidos, o transferencia de masa

2. Transmisión de calor.

3. Transferencia de calor y masa.

4. Transporte de cantidad de movimiento.

5. Operaciones físicas complementarias. No hay una clara división entre algunas operaciones. El funcionamiento de un evaporador continuo requiere de conocimientos sobre flujo de fluidos, transferencia de calor; así mismo la cristalización, evaporación, etc.

Ejemplos de operaciones Unitarias:

Molienda y trituración, Cristalización, Sublimación, Destilación, Humidificación, extracción, adsorción, absorción, lixiviación, ebullición, condensación, evaporación, cristalización Centrifugación, Decantación, Tamizado, Evaporación, Mezclado, Sedimentación, Fermentación Pasteurización. etc.

1. Transferencia de masa o materia (Flujo de fluidos): Cuando se ponen en contacto 2 fases que tienen diferente composición, durante tiempo suficiente donde se alcanza el equilibrio, es posible la transferencia de algunos componentes solubles limitadamente, terminada la cual se separa mecánicamente las fases. Objeto: Es la de separar los componentes de una mezcla.

Ejemplo: Separación de 2 fluidos y de un fluido – sólido

2. Operaciones controladas por la transferencia de calor:Las dos formas de intercambiar energía (Calor y trabajo) un sistema con sus alrededores.

Controla en las siguientes operaciones: Aislamiento térmico, calentamiento o refrigeración de fluidos sin cambio de fase, intercambio de calor con cambio de fase: Evaporación y condensación.

Ejm:

Evaporación: El aire circula a través de una superficie impregnada de agua, de la cual extrae el vapor para humidificar el ambiente.

3. Transferencia simultánea de materia y calor:

Siempre hay 2 fases en íntimo contacto. En la interface se producen los fenómenos de transporte (materia y calor) en el mismo sentido o en sentidos opuestos.

Ejemplos:

SECADO

El secado es una operación unitaria básica, para el manejo de productos sólidos. Entre las operaciones unitarias. En términos generales, el término secado se refiere a la eliminación de líquidos, en cantidades grandes, de un material sólido, por medio de vapor arrastrado por un gas. El líquido a remover, es generalmente agua, no obstante hay otros.

Métodos de secado

De acuerdo con el tipo de proceso de secado, se puede separar en proceso continuo y proceso batch. En general, se comprende por secado continuo, el secado en procesos en los que no hay acumulación de sólidos en un recipiente cerrado. El proceso batch, es el proceso en el cual se alimenta un secador y se termina la operación en el momento en que se extrae todo el material alimentado.

De acuerdo con las condiciones en que se realiza el secado, pueden mencionarse los secadores en los cuales el calor se añade directamente a los materiales, por medio de aire caliente y a presión atmosférica. Otro método de secado consiste el secado al vacío, en el cual se trabajan materiales termolábiles. Finalmente está el secado en la liofilización, el agua se sublima directamente del material congelado.

4. Transporte de cantidad de movimiento

Se presenta cuando se ponen en contacto 2 fases ó 2 zonas de un fluido con distinta velocidad. La interacción entre las moléculas (Viscosidad) tiende a hacer que las velocidades se igualen. Este fenómeno descrito como rozamiento, es aprovechado en las operaciones de separación entre sólidos y fluidos.

5. Complementarias

Existen operaciones auxiliares, difíciles de clasificar, cuyo objetivo es el de acondicionamiento de las materias primas y productos sólidos, para que tengan el tamaño y presentación adecuados para posteriores tratamientos. Entre las principales tenemos: Trituración, molienda, tamizado, mezcla de sólidos y pastas, almacenaje de sólidos, líquidos y gases.

Ejemplos:

MESCLADO DE FLUIDOS: El mezclado es una operación farmacéutica cuyo objetivo fundamental es conseguir la máxima interposición entre varios componentes, que inicialmente se encuentran separados o parcialmente mezclados, y una distribución lo más homogénea posible de los mismos. Si ello se consigue, se producirá una situación teórica ideal, mezcla perfecta.

Mezclado de dos líquidos miscibles, tales como alcohol etílico y agua.

Disolución de sólidos en líquidos, tales como sal en agua.

Dispersión de un gas en un líquido en forma de burbujas pequeñas, como en el caso del oxígeno del aire en una suspensión de microorganismos para la fermentación, o para el proceso de activación de lodos en el tratamiento de aguas de desperdicio.

Suspensión de partículas sólidas finas en un líquido, tal como en la hidrogenación catalítica de un líquido, donde las partículas del catalizador sólido y las burbujas de hidrógeno se dispersan en un líquido.

Agitación de un fluido para aumentar la transferencia de calor entre dicho fluido y un serpentín o una camisa en las paredes del recipiente.

Productos que utilizan procesos de mezclado:

Comprimidos, cápsulas, sobres o inhaladores de polvo seco:

• Mezcla de partículas sólidas (mezcla de polvos).

• Jarabes: mezclas de líquidos miscibles.

• Emulsiones y cremas: mezcla de líquidos no miscibles.

• Pastas y suspensiones: dispersiones de partículas sólidas.

PASTEURIZACIÓN

La pasteurización, a veces denominada pasterización, es el proceso térmico realizado a líquidos (generalmente alimentos) con el objeto de reducir los agentes patógenos que puedan contener: bacterias, protozoos, mohos y levaduras, etc

• Pulverización: A través de procedimientos mecánicos, eléctricos o de aire comprimido, se produce una pulverización del agua en pequeñísimas partículas (micrones) que se evaporan en el ambiente.

Aplicaciones:

En Laboratorios, cámaras de conservación, almacenes, granjas, cultivo de setas y flores, imprentas, industria de la piel y textil, etc.

I.2. PROCESO UNITARIO

Reactor donde se desarrolla la reacción química, la materia prima se convierte en los productos. Según la permanencia en el reactor se clasifican en:

1. DISCONTINUAS O BATCH (CARGAS)

En operaciones a pequeña escala o existe extrema corrosión las operaciones continuas no son muy favorables y se prefiere las discontinuas o Batch o por cargas, cargando la materia prima en el equipo, llevar a cabo la transformación deseada y descargar los productos resultantes, desarrollándose en régimen no estacionario o transitorio por lo que las variables características de la operación pueden variar con las coordenadas espaciales (x, y y z) y con el tiempo t. Se representa en los esquemas siguientes

Esquema de una operación discontinua

Modelo de mezcla completa o perfecta: Si la mezcla es total y perfectamente homogeneizada y a la misma temperatura en todos sus puntos.

2. CONTINUAS: Donde el tiempo no es una variable a considerar excepto durante la puesta en marcha y parada. La variables características de la operación (Composición Ci, P,T) pueden variar de un punto a otro de la instalación Coordenadas (x, y z), pero aquellas condiciones que reinan en cada punto no

varían con el tiempo. Se trata de operaciones con régimen estacionario, permanente ó uniforme.Ejm: Unidad de destilación atmosférica, crackeo de petróleo etc.En el esquema se representa este tipo de operación continua

No hay mezcla en absoluto, la materia se mueve por el interior del reactor sin que haya mezcla en la dirección de flujo. Dos puntos vecinos de la corriente en la dirección de flujo tienen condiciones distintas, no hay acumulación de materia. El fluido avanza por el interior del reactor como movidos por un pistón.

Aparatos usados: Reactor continúo agitado (RCA) y Reactor tubular de flujo pistón (RTFP).

3. SEMICONTINUA

Cuando una o más materiales se cargan en un equipo donde permanecen durante cierto tiempo mientras otros salen o entran continuamente del mismo. El régimen de funcionamiento será no estacionario o transitorio.

Ejm: Recuperadores de calor se muestra en el esquema, consistente en depósitos calorifugados, cargados de un relleno especial, generalmente metálico, que operan alternativamente acumulando calor durante un cierto periodo y cediéndolo después durante otro periodo de tiempo al invertir las corrientes.

CONCLUSION: TIPOS DE OPERACIONES UNITARIAS