Cul es el propsito de toda Operacin Unitaria?Modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia, en forma mas til a nuestros fines.Cmo se logra este propsito? Existen 3 (tres) vas para lograrlo: a) Modificando su masa o su composicin (ej: mezcla, separacin de fases). b) Modificando el nivel o la calidad (clase, tipo) de energa que posee (ej: enfriamiento, vaporizacin, etc.). c) Modificando sus condiciones de movimiento (ej: cambios en la direccin, aumento o disminucin de la velocidad). Cmo se clasifican las Operaciones Unitarias? En base a las 3 (tres) vas expuestas, se tiene: Las Operaciones Unitarias se clasifican en funcin de la propiedad (materia, energa, cantidad de movimiento) que se transfiere en la Operacin o de la propiedad que sea mas relevante. Qu significa: la propiedad ms relevante? En toda Operacin Unitaria se transfieren SIMULTANEAMENTE: masa, energa y cantidad de movimiento. Sin embargo, las Operaciones Unitarias no son controladas NECESARIAMENTE por las 3 (tres) transferencias. Son controladas por UNA o, a lo sumo, DOS transferencias. Por ello, puede establecerse cul o cules son las transferencias mas relevantes. Clasificacin de las Operaciones Unitarias En base a las transferencias ms relevantes, las Operaciones Unitarias se clasifican en: Operaciones de Transferencia de Materia. Operaciones de Transferencia de Energa. Operaciones de Transferencia SIMULTANEA de Materia y Energa. Operaciones de Transferencia de Cantidad de Movimiento.Qu Operaciones se estudian en Operaciones III? Operaciones de Transferencia de Materia. Operaciones de Transferencia SIMULTANEA de Materia y Energa.Importante: Ambos tipos de Operaciones se estudiarn en ESTADO ESTACIONARIO Una operacin o proceso unitario continuo puede operar de dos formas:o En estado estacionario: cuando todos los parmetros que definen lascorrientes que llegan o salen del equipo, como as tambin los quecontrolan el equipo (temperatura, presin, caudal, pH, etc.) no varan con eltiempo.o En estado no estacionario: cuando los parmetros mencionadosanteriormente varan con el tiempo. Esta situacin normalmente sucedecuando se pone en marcha (o se para) una planta o un equipo determinado.

Cules son unas ? Operaciones de Transferencia de Masa: Absorcin Desorcin. Se define absorcin como una operacin unitaria regida por transferencias de materia que consiste en poner en contacto un gas con lquido con el objetivo de que en l se disuelva alguno de los componentes del gas.Desorcin operacin continua a la absorcin y en ella un gas disuelto en un lquido es arrastrado por un gas inerte quedando eliminado del lquido inicial. En algunas ocasiones la desorcin tambin se emplea para determinar la destilacin sbita.La absorcin puede ser: fsica o qumica. La absorcin fsica usa la ventaja de la diferencia de solubilidad de los componentes gaseosos para removerlos entre las fases gas y liquido. La absorcin qumica requiere que el gas a ser removido reaccione con un componente en el liquido y permanezca en el. La absorcin qumica involucra reacciones qumicas reversibles e irreversibles; las reacciones reversibles hacen posible reciclar el lquido solvente.

Destilacin. La destilacin es un proceso que consiste separar los distintos componentes de una mezcla mediante el calor. Para ello que se calienta esa sustancia, normalmente en estado lquido, para que sus componentes ms voltiles pasen a estado gaseoso o de vapor y a continuacin volver esos componentes al estado lquido mediante condensacin por enfriamiento.TIPOS DE DESTILACIN

Destilacin simple

Es el mtodo que se usa para la separacin de lquidos con punto de ebullicin inferior a 150C a presin atmosfrica de impurezas no voltiles o de otros lquidos miscibles que presenten un punto de ebullicin al menos 25C superior al primero de ellos. Es importante que la ebullicin de la mezcla sea homognea y no se produzcan proyecciones. Para evitar estas proyecciones suele introducirse en el interior del aparato de destilacin ndulos de materia que no reaccione con los componentes. Normalmente se suelen utilizar pequeas bolas de vidrio.

Destilacin fraccionada

La destilacin fraccionada es un proceso de destilacin de mezclas muy complejas y con componentes de similar volatilidad. Consiste en que una parte del destilado vuelve del condensador y gotea por una larga columna a una serie de placas, y que al mismo tiempo el vapor que se dirige al condensador hace burbujear al lquido de esas placas. De esta forma, el vapor y el lquido interaccionan de forma que parte del agua del vapor se condensa y parte del alcohol del lquido se evapora. As pues, la interaccin en cada placa es equivalente a una redestilacin, y si se construye una columna con el suficiente nmero de placas, se puede obtener un producto destilado del altsima pureza, como el alcohol de 96%; en una nica destilacin. Adems, introduciendo gradualmente la disolucin original de baja concentracin del componente a destilar en un punto en mitad de la columna, se podr separar prcticamente todo este componente del disolvente mientras desciende hasta la placa inferior, de forma que no se desperdicie nada del componente a destilar.

Este proceso se utiliza mucho en la industria, no slo para mezclas simples de dos componentes, como alcohol y agua en los productos de fermentacin, u oxgeno y nitrgeno en el aire lquido, sino tambin para mezclas ms complejas como las que se encuentran en el alquitrn de hulla y en el petrleo. La columna fraccionadora que se usa con ms frecuencia es la llamada torre de burbujeo, en la que las placas estn dispuestas horizontalmente, separadas unos centmetros, y los vapores ascendentes suben por unas cpsulas de burbujeo a cada placa, donde burbujean a travs del lquido. Las placas estn escalonadas de forma que el lquido fluye de izquierda a derecha en una placa, luego cae a la placa de abajo y all fluye de derecha a izquierda. La interaccin entre el lquido y el vapor puede ser incompleta debido a que puede producirse espuma y arrastre de forma que parte del lquido sea transportado por el vapor a la placa superior. En este caso, pueden ser necesarias cinco placas para hacer el trabajo de cuatro placas tericas, que realizan cuatro destilaciones. Un equivalente barato de la torre de burbujeo es la llamada columna apilada, en la que el lquido fluye hacia abajo sobre una pila de anillos de barro o trocitos de tuberas de vidrio.

La nica desventaja de la destilacin fraccionada es que una gran parte, aproximadamente el 50%, del destilado condensado debe volver a la parte superior de la torre y eventualmente debe hervirse otra vez, con lo cual hay que suministrar ms energa en forma de calor. Por otra parte, el funcionamiento continuo permite grandes ahorros de calor, porque el destilado que sale puede ser utilizado para precalentar la mezcla que entra.

Cuando la mezcla est formada por varios componentes, estos se extraen en distintos puntos a lo largo de la torre. Las torres de destilacin industrial para petrleo tienen a menudo 100 placas, con al menos diez fracciones diferentes que son extradas en los puntos adecuados. Se han utilizado torres de ms de 500 placas para separar istopos por destilacin.

Destilacin por vapor

Si dos lquidos insolubles se calientan, ninguno de los dos es afectado por la presencia del otro (mientras se les remueva para que el lquido ms ligero no forme una capa impenetrable sobre el ms pesado) y se evaporan en un grado determinado solamente por su propia volatilidad. Por lo tanto, dicha mezcla siempre hierve a una temperatura menor que la de cada componente por separado. El porcentaje de cada componente en el vapor slo depende de su presin de vapor a esa temperatura. Este principio puede aplicarse a sustancias que podran verse perjudicadas por el exceso de calor si fueran destiladas en la forma habitual.

Destilacin al vaco

Otro mtodo para destilar sustancias a temperaturas por debajo de su punto normal de ebullicin es evacuar parcialmente el alambique. Por ejemplo, la anilina puede ser destilada a 100 C extrayendo el 93% del aire del alambique. Este mtodo es tan efectivo como la destilacin por vapor, pero ms caro. Cuanto mayor es el grado de vaco, menor es la temperatura de destilacin. Si la destilacin se efecta en un vaco prcticamente perfecto, el proceso se llama destilacin molecular. Este proceso se usa normalmente en la industria para purificar vitaminas y otros productos inestables. Se coloca la sustancia en una placa dentro de un espacio evacuado y se calienta. El condensador es una placa fra, colocada tan cerca de la primera como sea posible. La mayora del material pasa por el espacio entre las dos placas, y por lo tanto se pierde muy poco.

Destilacin molecular centrfuga

Si una columna larga que contiene una mezcla de gases se cierra hermticamente y se coloca en posicin vertical, se produce una separacin parcial de los gases como resultado de la gravedad. En una centrifugadora de alta velocidad, o en un instrumento llamado vrtice, las fuerzas que separan los componentes ms ligeros de los ms pesados son miles de veces mayores que las de la gravedad, haciendo la separacin ms eficaz. Por ejemplo, la separacin del hexafluoruro de uranio gaseoso, UF6, en molculas que contienen dos istopos diferentes del uranio, uranio 235 y uranio 238, puede ser llevada a cabo por medio de la destilacin molecular centrfuga.

Sublimacin

Si se destila una sustancia slida, pasndola directamente a la fase de vapor y otra vez a la fase slida sin que se forme un lquido en ningn momento, el proceso se llama sublimacin. La sublimacin no difiere de la destilacin en ningn aspecto importante, excepto en el cuidado especial que se requiere para impedir que el slido obstruya el aparato utilizado. La rectificacin de dichos materiales es imposible. El yodo se purifica por sublimacin.

Destilacin destructiva

Cuando se calienta una sustancia a una temperatura elevada, descomponindose en varios productos valiosos, y esos productos se separan por fraccionamiento en la misma operacin, el proceso se llama destilacin destructiva. Las aplicaciones ms importantes de este proceso son la destilacin destructiva del carbn para el coque, el alquitrn, el gas ciudad y el amonaco, y la destilacin destructiva de la madera para el carbn de lea, el cido etanoico, la propanona y el metanol. Este ltimo proceso ha sido ampliamente desplazado por procedimientos sintticos para fabricar distintos subproductos. El craqueo del petrleo es similar a la destilacin destructiva.

Lixiviacin (Extraccin Slido Lquido). Lalixiviacin, o extraccin slido-lquido, es un proceso en el que undisolventelquido pasa a travs de un slido pulverizado para que se produzca la disolucin de uno o ms de los componentes solubles del slido.

Cules son las otras? Operaciones de Transferencia SIMULTANEA de Materia y Energa. Humidificacin - Deshumidificacin. HumidificacinLa humidificacin es una operacin que consiste en aumentar la cantidad de vapor presente en una corriente gaseosa; el vapor puede aumentar pasando el gas a travs de un lquido que se evapora en el gas. Esta transferencia hacia el interior de la corriente gaseosa tiene lugar por difusin y en la interfase hay, simultneamente, transferencia de calor y de materia.A grandes rasgos, elprocesoque tiene lugar en la operacin de humidificacin es el siguiente: Una corriente de agua caliente se pone en contacto con una de aire seco (o con bajo contenido en humedad), normalmente aire atmosfrico. Parte del agua se evapora, enfrindose as la interfase. El seno del lquido cede entonces calor a la interfase, y por lo tanto se enfra. A su vez, el agua evaporada en la interfase se transfiere al aire, por lo que se humidifica. DeshumidificacinLa deshumidificacin es una operacin que consiste en reducir la cantidad de vapor presente en una corriente gaseosa, mediante una condensacin parcial del vapor, que se separa.

Secado. Qu produce una Transferencia de Propiedades? Lo que es comn en todas las Operaciones Unitarias: LA FUERZA IMPULSORA. Caso particular: Qu ocurre cuando la FUERZA IMPULSORA es nula?. Respuesta: El sistema se encuentra en una condicin tal que no puede experimentar ningn cambio en forma espontnea. Qu significa: No puede experimentar ningn cambio espontneamente? Quiere decir que el Sistema se halla en ESTADO DE EQUILIBRIO. Por lo tanto: Es posible establecer ciertas condiciones operativas, bajo las cuales todo sistema se encuentra en estado de equilibrio.Qu tipos de Equilibrio estudiaremos en Operaciones III? Bsicamente, 3 (tres) tipos de Equilibrio: Equilibrio Gas Lquido. Equilibrio Lquido Vapor. Equilibrio Slido Lquido. Si bien tambin existe, no estudiaremos el Equilibrio Lquido Lquido. Qu presentan en comn estos Tres tipos de Equilibrio? Los sistemas que estudiaremos estn conformados solamente por DOS fases. Estos sistemas tienen en comn 3 (tres) principios:

PRINCIPIO N1 Para condiciones operativas fijas (generalmente P y T), existe una serie de relaciones en el equilibrio. Las mismas pueden presentarse grficamente, bajo la forma de CURVA DE EQUILIBRIO (tambin llamada: Curva de Distribucin de Equilibrio).PRINCIPIO N2 Para un sistema en equilibrio, NO hay difusin NETA de los componentes entre las fases.PRINCIPIO N3 Cuando un sistema NO est en equilibrio, la difusin de los componentes sucede de tal forma que el sistema alcanza la condicin de equilibrio. Si hay tiempo suficiente, prevalecern por ltimo las concentraciones en el equilibrio.

OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOSLos pasos en la obtencin de cualquier producto qumico, tal como el descrito en la Figura 2 y tambin en los smbolos de la Figura 1, pueden clasificarse en tres grandes grupos: Con pocas excepciones, la parte ms importante de cualquier planta qumica esel reactor, donde ocurre el cambio qumico de reactivos a productos.Antes de que los reactivos lleguen al reactor pueden pasar por diferentes equipos. El objetivo de estos aparatos es colocar estos compuestos en las condiciones apropiadas de presin, temperatura, fase, etc., necesarias en el reactor.Despus que los productos abandonan esta unidad deben ser procesados, modificando as su temperatura, presin, pureza, etc., para poder salir al mercado.En general, todos los equipos - excepto el reactor - son utilizados para producircambios fsicos: calentamiento, compresin, molienda, separacin, etc.Las operaciones fsicas realizadas para producir estos cambios, tales como transmisin de calor, flujo de fluidos, destilacin, etc., son llamadas Operaciones Unitarias.Loscambios qumicosque ocurren en el reactor o reacciones qumicas como oxidacin, nitracin, polimerizacin, reduccin, esterificacin, etc., se conocen con el nombre de Procesos Unitarios.La solucin de casi cualquier problema de ingeniera qumica, que involucre una operacin o un proceso unitario incluye los siguientes pasos:Realizar el B/M para calcular las masas de reactivos y productos.Realizar el B/E para encontrar todas las interacciones energticas del proceso, fundamentalmente calor y trabajo. Algunas veces es necesario resolver los balances de materia y energa de manera combinada.Calcular las velocidades de reaccin y de transferencia de masa, de lo cual se ocupan la cintica qumica y los fenmenos de transporte.

Figura 1. Smbolos usados para representar equipos

CLASIFICACIN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS. Las operaciones unitarias son de naturaleza fsica. Se pueden dividir en 5 grandes grupos:Flujo de fluidos.Transmisin de calor.Mezclado.Separacin: Destilacin, extraccin, absorcin, adsorcin, evaporacin, cristalizacin, humidificacin, secado, filtracin y centrifugacin.Manejo de slidos: Compresin, molienda, tamizado y fluidizacin. No hay una clara divisin entre algunas operaciones. El funcionamiento de un evaporador continuo requiere de conocimientos sobre flujo de fluidos, transferencia de calor; as mismo la cristalizacin, como en la obtencin del hidrosulfito, puede ocurrir en la evaporacin, etc.

Figura 2. Diagrama del proceso de obtencin de hidrosulfito de sodio

CLASIFICACIN DE LOS PROCESOS UNITARIOS. Son aquellos que requieren de una o ms operaciones, en las que ocurren transformaciones qumicas.Los procesos unitarios estn clasificados de acuerdo con el tipo de reaccin qumica involucrada. En 1945, en su texto "The Chemical Process Industries" el profesor R. N. Shreve clasific los principales procesos unitarios de la siguiente manera: Combustin Oxidacin Neutralizacin Formacin de silicatos Electrlisis Doble descomposicin Calcinacin Nitracin Esterificacin Reduccin Amonlisis Halogenacin Sulfonacin Hidrlisis Hidrogenacin Alquilacin Reaccin de Friede-Crafts Condensacin Polimerizacin Fermentacin Pirlisis Aromatizacin Isomerizacin Los cuales presentan semejanzas y disparidades entre s, pero las similitudes son aparentes y no se pueden tratar de una manera genrica como se hace con las operaciones unitarias.

OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOSProcesos:

La continua interaccin entre estos 8 factores claves es la base para los procesos.

Procesos:

En la figura se representa un esquema muy simplificado del marco de relaciones existentedesde el punto de vista de circulacin de la materia y energa manufacturadas.

Procesos:La relacin existente entre el medio natural y la sociedad industrial implica la existencia de un flujo de materia y energa entre ambos. Dentro de este intercambio continuo podemos distinguir dos tipos de procesos:1. Procesos NATURALES, como pueden ser la funcin cloroflica, la accin de plantas y animales o la produccin de alimentos por agricultura, fermentacin, etc. 2. Procesos ARTIFICIALES, que dan como resultado productos que generalmente no se encuentran en la naturaleza. Estos ltimos, los procesos artificiales, son los propiamente denominados PROCESOS QUMICOS. Procesos NaturalesLo ms sencillo es hacerlo con ejemplos: La erosin es un proceso o transformacin natural.La fotosntesis es un proceso o transformacin natural.La evaporacin es un proceso o transformacin natural.En rigor, todo lo que ocurre en la naturaleza, son procesos o transformaciones naturales, y una caractersticas de todos ellos es que se desarrollan durante un lapso de tiempo (ninguno es instantneo). Procesos Naturales

Erosin, otro proceso natural irreversible.

Ninguno de los procesos que tienen lugar en la naturaleza es reversible. La difusin de un gas, la mezcla de dos lquidos, las deformaciones inelsticas de un cuerpo, las reacciones qumicas o la conduccin de calor desde un foco caliente a uno fro, son procesos irreversibles.

Procesos qumicosUn proceso qumico es un conjunto de operaciones qumicas y/o fsicas que permiten la transformacin de materias iniciales en productos subproductos finales diferentes. Un producto es diferente de otro si tienen distintas propiedades tanto qumicas como fsicas:Ejemplo:Distinta composicin, estado de la materia distinto (slido, lquido, gaseoso), densidad, punto de ebullicin, etc.En la descripcin general de cualquier proceso qumico existen diferentes operaciones involucradas. Unas llevan inherentes diversas reacciones qumicas. En cambio otros pasos son meramente fsicos, es decir, sin reacciones qumicas presentes. Podemos decir que cualquier proceso qumico que se pueda disear consta de una serie de operaciones fsicas y qumicas. Cada una de estas operaciones es una operacin unitaria dentro del proceso global

Operaciones UnitariasCada una de las acciones necesarias de transporte, adecuacin y/o tranformacin de las materias primas implicadas en un proceso qumico. En general un proceso qumico se puede descomponer mediante una secuencia de diagramas de bloques, estableciendo relaciones entre las operaciones llevadas a cabo con su correspondiente bloque.

Ejemplo: Planta Tratamiento Agua

Principales operaciones del tratamiento de aguas residuales. Se indica en cada operacin el apartado en el que se describe.

Nivel de tratamientoContaminante tratadoOperacin empleadaPretratamientoSlidos gruesosSedimentacinTrituracin y dispersinCribadoAceites y grasasSedimentacinTratamiento primarioSlidos en suspensinSedimentacin con o sin floculacinFlotacinpHNeutralizacinTratamiento secundarioMateria orgnicaLagunas de aireacinFilttros percoladoresFangos activadosDigestin aerobia o anaerobiaMicrofiltracinSlidos en suspensinSedimentacin con o sin flotacinTratamiento terciarioDiversos contaminantesespecficosSedimentacin sin flotacinFiltracinAdsorcinIntercambiador inicoDestilacinsmosis inversaElectrodilisisCongelacinExtraccinIncineracin de lquidosTratamientos diversosDiversos contaminantesespecficosPrecipitacinOxidacin o reduccinDesorcinDesinfeccnCloracinOzonizacinIrradiacin

Procesos Quimicos/Operaciones UnitariasLos procesos qumicos en general y cada operacin unitaria en particular tienen como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma ms til a nuestros fines. Este cambio puede realizarse por tres caminos: Modificando su masa o composicin (separacin de fases, mezcla, reaccin qumica). Modificando el nivel o calidad de la energa que posee (enfriamiento, vaporizacin, aumento de presin, etc). Modificando sus condiciones de movimiento (aumentando o disminuyendo su velocidad o su direccin). Procesos Quimicos/Operaciones UnitariasLos tres cambios mencionados anteriormente son los nicos cambios posibles que un cuerpo puede experimentar. Un cuerpo est absolutamente definido cuando estn especificadas: Cantidad de materia y composicin. Energa total (interna, elctrica, magntica, potencial, cintica). Las componentes de velocidad de que est animado.Este hecho experimental tiene su expresin matemtica en tres leyes de conservacin: Ley de conservacin de la materia. Ley de conservacin de la energa. Ley de conservacin de la cantidad de movimiento.

Procesos Quimicos/Operaciones Unitarias

Proceso qumico: conjunto de operaciones qumicas y fsicas interconectadas y tendientes a la transformacin de materias primas (iniciales) en productos. Cada una de estas operaciones (fsicas o qumicas) es una operacin unitaria dentro del proceso global.Proceso Qumico = Procesos unitarios + Operaciones unitarias (Cambios qumicos) (Cambios fsicos) (Operaciones unitarias qumicas) (Operaciones unitarias fsicas)Proceso unitario: Comercializacin de una reaccin qumica bajo tales condiciones que sea econmicamente factible.Operacin unitaria: Cambios fsicos asociados al manejo industrial de materiales qumicos o sus aliados.

Ejemplos:Procesos unitarios(Operaciones Unitarias Qumicas.)Operaciones unitarias(Operaciones Unitarias Fsicas.)Principios: Reacciones qumicas (reactores)Principios:Transferencia de materiaTransferencia de energa (calor)Transporte de cantidad de movimientoCombustinFlujo (mecnica) de fluidosOxidacinTransferencia de calor NeutralizacinEvaporacinElectrlisisHumidificacinReduccinAbsorcinFermentacinAdsorcinIsomerizacinExtraccin con solventeHidrogenacinDestilacin y sublimacinPirlisis y craqueoMezcladoIntercambio inicoFiltracinHidrlisisCentrifugacinHalogenacinReduccin y aumento de tamao de partculaEsterificacinSecadoAlquilacinSedimentacin

Ejemplos:

ESQUEMAS DE PROCESOS INDUSTRIALES Qu es un proceso? Es una secuencia de actividades que tienen un inicio y un final, donde hay entradas y salidas, donde se genera valor agregado.

Esquema de produccin de H2SO4

Figura. Diagrama de flujo del proceso de produccin de ter Etil Tert-Butlico (ETBE)

Diagrama del proceso de Haber-Bosch.

PLANTA PILOTO DE HIDROTRATAMIENTO

PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA