OPERACIONES UNITARIAS: definición, clasificación y campo de aplicación en las industrias

 Operaciones Unitarias

Definiciones

Una Operación Unitaria es la secuencia básica de un proceso que implica un cambio físico o químico, como: 

• separación
• Cristalización
• Evaporación
• Filtración
• Polimerización
• Isomerización y otras reacciones  

Por ejemplo, en el procesamiento de tratamiento de leche, la homogeneización, la pasteurización y el envasado aséptico son cada una operación unitaria que componen un proceso general. 

Un proceso puede requerir muchas operaciones unitarias para obtener el producto deseado a partir de las materias primas (Prodel SA, 2022) 

Los cambios físicos se llevan a cabo para una variedad de propósitos, generalmente se llevan a cabo antes de algunos de los materiales a reacciones químicas para que las reacciones químicas ocurran sin problemas.

Los pasos, estadios o unidades que son independientes del material que se procesa, o bien, otras características del sistema en particular. Se ha restringido a aquellos estadios donde los cambios son esencialmente físicos y afectan a la materia sin afectar sus propiedades químicas.(Orozco, 1998)

Un método muy conveniente para organizar la materia de estudio que abarca la ingeniería química se basa en dos hechos:

El concepto de operación unitaria es el siguiente: mediante el estudio sistemático de estas operaciones en sí mismas —operaciones que evidentemente constituyen la trama de la industria y las líneas de producción— se unifica y simplifica el tratamiento de todos los procesos.

Por ejemplo, en la mayoría de los procesos es preciso mover los sólidos y los fluidos; transferir calor u otras formas de energía de una sustancia a otra, y realizar operaciones como: 

     Las operaciones unitarias se utilizan ampliamente para realizar las etapas físicas fundamentales de la preparación de reactivos, separación y purificación de productos, recirculación de los reactivos no convertidos, y para controlar la transferencia de energía hacia o desde el reactor químico.

Las operaciones unitarias son aplicables a muchos procesos tanto físicos como químicos. Por ejemplo, el proceso empleado para la fabricación de la sal común consiste en la siguiente secuencia de operaciones unitarias: 

 En este proceso no intervienen reacciones químicas. 

Por otro lado, el cracking del petróleo, con o sin ayuda de un catalizador, es una reacción química típica realizada a gran escala. Las operaciones unitarias que se efectúan en este proceso —transporte de fluidos y sólidos, destilación y separaciones mecánicas diversas— son todas de una importancia vital y la reacción de cracking no podría realizarse sin ellas. 

Aunque las operaciones unitarias son una rama de la ingeniería, se basan de igual manera en la:

Se deben combinar la teoría y la práctica para diseñar el equipo, construirlo, ensamblarlo, hacerlo operar y darle mantenimiento.(McCabe, Smith y Harriott, 2007)

Clasificación de las Operaciones Unitarias

Dentro de las Operaciones Unitarias pueden distinguirse diferentes tipos, dependiendo de la naturaleza de la transformación llevada a cabo, así cabe distinguir etapas físicas, químicas y bioquímicas.

a) Etapas físicas: Molienda, Tamizado, Mezcla, Fluidización, Sedimentación, Flotación, Filtración, Rectificación, Absorción, Extracción, Adsorción, Intercambio de calor, Evaporación, Secado, etc.

b) Etapas químicas: Refinado, Pelado químico.        

c) Etapas bioquímicas: Fermentación, Esterilización, Pasteurización, Pelado enzimático.

 Por tanto, el conjunto de etapas físicas, químicas y bioquímicas que tienen lugar en los procesos de transformación de los productos agrícolas constituyen las denominadas Operaciones Unitarias de las Industrias Alimentarias. La finalidad de las Operaciones Unitarias es la separación de dos o más sustancias presentes en una mezcla, o bien el intercambio de una propiedad debido a un gradiente. La separación se logra mediante un agente separador, que es distinto dependiendo de la propiedad que se transfiera.

Según la propiedad transferida, las Operaciones Unitarias se pueden clasificar en distintos grupos, pues los cambios posibles que puede experimentar un cuerpo vienen definidos por la variación que experimenta en su masa, energía o su velocidad.

Así, las Operaciones Unitarias se clasifican según el esquema:

Operaciones unitarias de transporte de cantidad de movimiento.

En estas operaciones se estudian los procesos en que se ponen en contacto dos fases, cuya velocidad es distinta. Las diferentes operaciones incluidas en este apartado se suelen dividir en tres grandes grupos: Circulación interna de fluidos, circulación externa y movimiento de sólidos en el seno de fluidos.

Estudio del movimiento de fluidos por el interior de tuberías. También se incluye el estudio de los aparatos utilizados en la impulsión de los fluidos (bombas, compresores, soplantes y ventiladores) y los mecanismos utilizados en la medición de las propiedades propias de los fluidos (diafragmas, venturímetros, rotámetros, etc.).

El fluido circula por el exterior de un sólido.

Se incluyen las operaciones de flujo de fluidos a través de lechos porosos fijos, lechos fluidizados (Fluidización) y transporte neumático.

Es la base de la separación de un sólido que se encuentra en el seno de un fluido. Dentro de este tipo de separaciones se incluyen las siguientes operaciones: Sedimentación, Filtración y Ultrafiltración, entre otras.

Operaciones unitarias de transferencia de materia.

Estas operaciones están controladas por la difusión de un componente en el seno de una mezcla. A continuación, se realiza una breve exposición de las distintas operaciones incluidas en este grupo:

Destilación: Separación de dos o más componentes aprovechando la diferencia de presiones.

Absorción: de un componente de una mezcla gaseosa por un líquido, según la solubilidad del gas en el líquido: puede ser con o sin reacción química. El proceso contrario es la desorción.

Extracción: Se basa en la disolución de una mezcla (líquida o sólida) en un disolvente selectivo. Puede ser: Líquido-Líquido o Sólido-Líquido. Esta última también se la denomina, Lavado, Lixiviación, etc.

Adsorción: También denominada Sorción. Consiste en la eliminación de uno o más componentes de un fluido (líquido o gas) por retención en la superficie de un sólido.

Intercambio Iónico: Sustitución de uno o varios iones de una disolución por otros del agente intercambiador.

Operaciones unitarias de transmisión de calor.

Estas operaciones están controladas por los gradientes de temperatura. Depende del mecanismo con que se transfiere el calor, distinguiéndose transmisión de calor por conducción, convección y radiación.

Basados ​​en estos mecanismos de transmisión de calor se estudian los Tratamientos Térmicos (Esterilización y Pasteurización), Evaporación, Intercambiadores de Calor, Hornos, Placas solares, etc.

EJEMPLOS

Cada una de estas etapas se denomina Operación Básica o Unitaria, y son comunes a un gran número de procesos industriales. Las operaciones individuales tienen técnicas comunes y se basan en los mismos procesos científicos, esto hace que el estudio de estas operaciones se unifique y el tratamiento de todos los procesos resulte más sencillo, también son conocidas como Operaciones Complementarias. 

Aplicaciones en las industrias.

Las operaciones unitarias son pasos individuales y distintos en un proceso de producción que involucran una transformación física, química y biología de materiales o sustancias. Estas operaciones son fundamentales para diversas funciones industriales. A continuación, algunas operaciones unitarias y sus aplicaciones en la vida industrial.

absorción

La absorción juega un papel crucial en diversos sectores industriales. Por ejemplo, en la purificación del agua y se utiliza en este proceso para eliminar contaminantes y hacerla más segura para el consumo.

Destilación.

Se utiliza para separar componentes líquidos de una mezcla calculada en sus puntos de ebullición. En la industria química se emplea para purificar sustancias químicas y en la producción de bebidas alcohólicas como el Wishky y el vodka.

Secado.

Consiste en eliminar el agua u otros solventes de un producto sólido o líquido. Se aplica en la industria alimentaria para la producción de alimentos deshidratados, en la industria farmacéutica para la preparación de medicamentos en polvo, y en la industria química la obtención de productos en polvo.

Evaporación. 

Se utiliza para concentrar soluciones líquidas eliminando el solvente mediante el calentamiento. Este proceso se encuentra en la producción de leche condensada, jugos concentrados y en la industria química para concentrar soluciones.

Desorción. 

La operación de desorción se lleva a cabo poniendo en contacto al carbón activado cargado con solución de sosa cáustica y cianuro de sodio, en condiciones de alta temperatura y presión.

El término de la desorción del carbón activado es necesario realizar el proceso de reactivación del carbón, proceso cuyo fin es de gran importancia, ya que al someter al carbón a altas temperaturas los poros y sitios activos se reactivan, habilitando al carbón activado para la posterior operación de adsorción.

Cristalización. 

El proceso de cristalización es una técnica ampliamente utilizada en la industria para obtener sustancias sólidas puras. Se basa en la formación de cristales a partir de una solución sobresaturada. En este proceso intervienen diferentes etapas, entre las cuales se destacan:

• Proceso de enfriamiento:

En este proceso, la solución se enfría gradualmente para que las sustancias disueltas se vayan depositando en forma de cristales. El enfriamiento puede realizarse de manera controlada, permitiendo la formación de cristales de mayor tamaño y mejorando la pureza del producto final.

• Proceso de evaporación:

En este proceso, el solvente de la solución se evapora lentamente, lo que provoca que los solutos se vayan concentrando hasta llegar a la saturación. Luego, se continúa evaporando hasta alcanzar una concentración sobresaturada, lo que conduce a la formación de cristales.

• Proceso de destilación: 

En este proceso, se utiliza la diferencia en los puntos de ebullición de los componentes de una solución para separarlos. La solución se calienta y el vapor producido se condensa y se recoge, obteniendo así los componentes en forma pura. Este proceso se utiliza en la obtención de sustancias cristalinas a partir de soluciones líquidas.

Filtración. 

El proceso de filtración permite eliminar impurezas y partículas no deseadas de los materiales utilizados en la fabricación de productos. Esto ayuda a mejorar la calidad final del producto, evitando contaminaciones y garantizando que cumpla con los estándares requeridos. La filtración también puede ayudar a eliminar o reducir la presencia de bacterias y otros microorganismos, asegurando la seguridad y la salud de los consumidores .

Extracción líquido-líquido.

La implantación de la operación de extracción líquido-líquido a gran escala en procesos industriales fue más tardía que el resto de operaciones, destilación y absorción. Sin embargo, la importancia del proceso de extracción líquido-líquido ha ido en aumento debido a la creciente demanda de productos sensibles a la temperatura, mayores requisitos de pureza, equipos más eficientes y la disponibilidad de disolventes más selectivos.

La extracción líquido-líquido presenta una amplia aplicación en la industria del petróleo para separar alimentos líquidos en función de su naturaleza química más que por su peso molecular o la diferencia de volatilidad. Como ejemplo se tiene la separación entre hidrocarburos aromáticos, alifáticos y nafténicos.

Importancia de las operaciones unitarias en las industrias.

Aunque el número de procesos individuales dentro de la ingeniería es muy grande, cada uno de ellos puede dividirse en una serie de etapas, denominadas operaciones, que se repiten a lo largo de los distintos procesos. Las operaciones individuales poseen técnicas comunes y se basan en los mismos principios científicos. Por ejemplo, en la mayor parte de los procesos es preciso mover sólidos y fluidos, transmitir calor u otras formas de energía desde una sustancia a otra.

Las operaciones unitarias son igualmente aplicables a procesos físicos y químicos.

Enlace de vídeo:  https://www.youtube.com/watch?v=VEjcZadU32k

Enlace diapositivas: https://drive.google.com/file/d/1YjVg8WlTI1ZLivH_98yberESbee_dEdd/view?usp=sharing

Conclusión:

• Las operaciones unitarias son importantes en el sector industrial por distintos motivos que impactan en el futuro como por ejemplo; e ciencia de procesos, calidad del producto, innovación tecnológica, entre otros. Las operaciones unitarias son fundamentales para el futuro de la industria, ya que fomentan la eficiencia, la calidad del producto, la innovación, la sostenibilidad ambiental y la capacidad de adaptación de los procesos. Es esencial que estas operaciones continúen progresando y perfeccionándose para afrontar los desafíos y aprovechar las oportunidades que surjan en el panorama industrial del futuro.

• Para concluir con el trabajo, logramos identificar que las operaciones unitarias son fundamentales para optimizar y mejorar la producción y cumplir con los estándares de calidad, sabemos que las operaciones son fundamentales en la física y química en mayor de los tipos de procesos. 

• La implementación de operaciones unitarias en diversas industrias ha demostrado ser fundamental para la optimización de procesos y la producción eficiente de productos finales. A lo largo de las investigaciones realizadas, se ha evidenciado que las operaciones unitarias son piezas clave en la ingeniería de procesos industriales, ya que permiten la manipulación y transformación de materias primas en productos deseados.

• Las operaciones unitarias proporcionan los cimientos para la eficiencia y la calidad en la producción industrial. Al comprender y aplicar adecuadamente estas operaciones, las empresas pueden optimizar los procesos, reducir costos, mejorar la calidad del producto y cumplir con los estándares regulatorios. Además, el desarrollo continuo de nuevas tecnologías y métodos en las operaciones unitarias permite a las industrias mantenerse competitivas y adaptarse a los cambios en el mercado y en las demandas de los consumidores.

Bibliografía.

McCabe, W., Smith, J. y Harriott, P. (2007). Operaciones Unitarias en ingeniería química. Madrid: McGraw-Hill Interamericana de España SL

Orozco, M. (1998). Operaciones Unitarias. México: Limusa SA, Noriega Editores.

Prodel SA (2022). Prodel SA Obtenido de https://www.prodel.es/subareas/operaciones-unitarias/

Carlos. (2019). STEEMIT . Obtenido de https://steemit.com/stem-espanol/@carlos84/importancia-de-las-operaciones-unitarias-dentro-de-la-ingenieria

DÍQUIMA . (2020). Obtenido de https://www.diquima.upm.es/old_diquima/Investigacion/proyectos/chevic/catalogo/COLUMNAS/Aplic3.htm#:~:text=La%20extracci%C3%B3n%20l%C3%ADquido%2Dl %C3%ADquido%20presenta,hidrocarburos%20arom%C3%A1ticos%2C%20alif%C3%A1ticos%20y%20naft%C3%A9nicos.

Martín y Javier. (2024). LA INDUSTRIAL . Obtenido de https://www.laindustrialeventos.com/aplicaciones-industriales-de-la-filtracion/

Martínez y Javier. (2024). LA INDUSTRIAL . Obtenido de https://www.laindustrialeventos.com/aplicaciones-industriales-de-la-filtracion

Albert, I. y Gustavo, B. (2011). Operaciones Unitarias en Ingeniería. México. Obtenido de https://books.google.es/books?hl=es&lr=&id=daoSAQAAQBAJ&oi=fnd&pg=PA25&dq=libros+operaciones+unitarias&ots=ALkghNh8dY&sig=tqe2DJdEwW7iUWcJBs4xO0kRAgI#v=onepage&q&f=true