Operaciones Unitarias

Cualquier proceso que se pueda diseñar consta de una serie de operaciones físicas y químicas, cada una de estas operaciones es una operación unitaria.

Todos los procesos elaborados a cualquier escala pueden descomponerse en una serie de operaciones, cada operación tiene un fin dentro del proceso. Existen diferentes operaciones como pulverización, secado, cristalización, filtración, evaporación, destilación, etc.

Clasificación

Cada operación unitaria tiene como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia. Este cambio puede hacerse de tres maneras:

De acuerdo con el criterio de cuál es la transferencia más relevante, las operaciones unitarias se clasifican en:

Equilibrio y fuerzas impulsoras

Una fuerza impulsora es una fuerza motriz que ocasiona que se lleve a cabo un cambio en la materia, por ejemplo:

La fuerza impulsora de la transferencia de calor es un cambio en las temperaturas: el café cede su calor al ambiente, por eso se "enfría"
La fuerza impulsora en un flujo de corriente eléctrica es la diferencia de potencial eléctrico, lo que conocemos como voltaje y nos permite cargar nuestros aparatos eléctricos
La fuerza impulsora para el flujo de los fluidos es la diferencia de presión

Operaciones unitarias controladas por la transferencia de materia

Destilación

Consiste en la separación de dos o más componentes de una mezcla líquida (en la que todos los componentes son más o menos volátiles) aprovechando la diferencia de volatilidades de los componentes que forman la mezcla.

Esta operación unitaria hace uso de la vaporización y la condensación de sustancias, aprovecha características como la diferencia de los puntos de ebullición para la separación de los componentes.

Existen diferentes tipos de destilación:

Simple
Fraccionada: emplea una columna de fraccionamiento, en la cual la destilación se produce de manera sucesiva, lo que permite obtener una mayor concentración del soluto de interés.
Al vacío: emplea la presión del vacío, lo cual permite disminuir el punto de ebullición de las sustancias.
Azeotrópica: Se emplea para romper azeótropos y generalmente emplea agentes separadores.
Por arrastre de vapor: se emplea una inyección directa de vapor de agua.
Seca: se emplea para materiales sólidos que se subliman

Algunas aplicaciones de la destilación son:

Refinación del petróleo
Purificación de etanol
Producción de perfumes
Obtención de bebidas alcohólicas
Desalinización de agua de mar
Obtención de azúcares
Obtención de glicerina

Absorción

Consiste en poner un gas en contacto con un líquido para que éste disuelva determinados componentes del gas. La absorción puede ser física o química, según que el gas se disuelva en el líquido absorbente o reaccione con él dando un nuevo compuesto químico.

Es un fenómeno de volumen, ya que, se da cuando una sustancia se introduce en la estructura de otra.

Ejemplo

Los gases que contienen dióxido de azufre, como los gases de las calderas, se pueden poner en contacto con la piedra caliza para formar un insoluble sulfito de calcio.

Extracción

Se basa en la disolución de uno o varios de los componentes de una mezcla en un disolvente selectivo. Aprovecha la diferencia de solubilidades de los componentes de la mezcla en el disolvente añadido.

La extracción puede ser líquido-líquido o sólido-líquido, dependiendo del soluto de interés. Se requiere de un disolvente que pueda mezclase con el producto de interés pero que sea parcial o totalmente inmiscible con el solvente portador.

Las ventajas de esta separación es que se pueden separar componentes sensibles al calor

Aplicaciones:

Separación de hidrocarburos aromáticos, alifáticos y nafténicos
Separación de antibióticos
Recuperación de proteínas de sustratos naturales
Refinación de aceites lubricantes y disolventes
Obtención de ceras parafínicas
Obtención de metales costosos como uranio y vanadio.

Adsorción

Eliminación de componentes de una fase líquida mediante un sólido que lo retiene. Es un fenómeno de superficie: las moléculas, átomos o iones adsorbidos están confinados en la superficie de los poros del sólido, unidos por fuerzas de Van der Waals, o por verdaderos enlaces químicos. En este último caso se habla de quimisorción.

Solamente los sólidos que posean una superficie específica elevada serán adsorbentes de interés: carbón activo, gel de sílice, alúmina activada, zeolitas, etc.

La cantidad de soluto adsorbido es función de la naturaleza y área específica superficial del adsorbente y del soluto, así como de la presión o concentración de estos y la temperatura del sistema.

Aplicaciones:

Extracción de humedad de aire comprimido
Purificación de agua
Tratamiento de aguas residuales
Eliminación de olores, sabores o colores no deseados

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). Los poros de una resina contienen iones positivos y negativos formando una sal. En estado seco los iones mantienen su posición media en la estructura, pero cuando se sumergen en un líquido polar, uno o varios iones quedan libres para desplazarse hacia el seno del líquido mientras otros iones de carga equivalente pasan del líquido al sólido, de modo que la resina permanece eléctricamente neutra. Cuando la resina contiene iones negativos fijos y sólo puede intercambiar cationes se llama resina catiónica. En caso contrario se llama resina aniónica.

Aplicaciones

Ablandamiento de agua, eliminación de iones de calcio y magnesio
Ablandamiento de jugos de azúcar
Decoloración de jarabes de caña después de evaporar
Desmineralización de suero de leche
Recuperación y eliminación de metales
Producción de sosa y cloro
Inmovilización de enzimas

Operaciones unitarias controladas por transmisión de calor

Evaporación: operación unitaria consistente 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.
Condensación: operación inversa a la evaporación, por la que un vapor pasa a estado líquido al intercambiar calor con un líquido frío. No se puede considerar una operación de separación aunque tiene gran interés en la industria.

Operaciones unitarias controladas por la transferencia simultanea de materia y calor

Humidificación

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 principal aplicación de la humidificación y de la deshumidificación es en el acondicionamiento de aire y en el secado de gases.

También se emplea en el diseño de sistemas como aire acondicionado para conservar alimentos frescos, granos de cereal y torres de enfriamiento en plantas de procesado de alimentos.

Cristalización

Se lleva a cabo la formación de partículas sólidas cristalinas en el seno de una fase homogénea. El proceso 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.

Puede llevarse a cabo a través de varios métodos, tales como la alteración selectiva de la temperatura o la presión, así como la mezcla con otros químicos y sustancias.

Aplicaciones

Elaboración de ácido acetilsalicílico
Winterización de aceites
Cristalización de azúcar
Sublimación regresiva
Purificación de silicio

Secado

Se emplea para la eliminación de humedad de una sustancia. 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. El punto final de secado se da cuando se encuentra en equilibrio con el ambiente, es decir, la humedad es la misma.

Sirve como método para conservar diferentes productos debido a la extracción del agua, esto inhibe la proliferación de microorganismos así como la putrefacción.

Aplicaciones

Secado de cereales
Secado de granos de café
Secado de chiles

Liofilización

Es un derivado del secado que consiste en la eliminación del agua de un sólido por sublimación de la misma, el agua del sólido previamente congelada se pasa directamente a vapor con condiciones determinadas de presión (vacío) y temperatura.

Etapas

Congelación inicial: Existen diferentes tipos de congelaciones, las principales son la gradual (-1 °C por minuto) y la rápida (nitrógeno líquido) y se emplean dependiendo de las características del producto.
Sublimación o desecación primaria: Es la etapa en la que la mayor parte del agua libre pasa a vapor.
Desorción o desecación secundaria: Se eliminan las últimas trazas de vapor de agua, se lleva a cabo a una temperatura inferior a la de desnaturalización del producto y se logra una humedad final con valores inferiores al 1 %.

Aplicaciones

Materiales no vivientes: plasma sanguíneo, suero, soluciones de hormonas, productos farmacéuticos y alimentos
En células vivas destinadas a permanecer en ese estado por largos períodos de tiempo. Incluyen bacterias, virus y levaduras (pero no células de mamíferos).
Trasplantes quirúrgicos de especies tales como arterias, piel y huesos.

Referencias

Aplicaciones del intercambio iónico. Disponible en: https://dardel.info/IX/applications_ES.html
Enciclopedia de ejemplos. Disponible en: https://www.ejemplos.co/
Marcilla A. (1998). Introducción a las operaciones de separación: cálculos por etapas de equilibrio. Publicaciones Universidad de Alicante ISBN: 84-7908-405-7
Procesos industriales. Disponible en: https://proindusitriales.blogspot.com/