OPERACIONES UNITARIAS EN INGENÍERIA QUÍMICA

DÍAZ SEPÚLVEDA PEDRO LUIS

CODIGO: 2110031

DOCENTE

PH.D. MARIO ÁLVAREZ CIFUENTES

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

INTRODUCCIÓN A LA INGENÍERIA QUÍMICA

BUCARAMANGA

2011

1. INTRODUCCIÓN

En 1915, en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) los profesores

Walter, Lewis, y McAdams le dieron forma al primer paradigma que impulsó la

ingeniería química. Se trata de operaciones comunes a muchos procesos

industriales, resultado de la alta demanda para producción a gran escala, que

necesitan un control de la estructura y composición química de los productos.

Desde entonces se decidió incluir en el plan de estudios de los ingenieros

químicos, la asignatura Operaciones Unitarias.

Por eso, la asignatura es considerada como una rama imprescindible y clave

en la materia de estudio de la ingeniería, ya que representa todo el campo de

aplicación industrial, dada la naturaleza de sus procesos que deben ser

eficaces y económicos.

Luego para entender la importancia de las Operaciones Unitarias, se indagará

su concepto, y después se abarcará su clasificación de acuerdo a la propiedad

que predomina en una transformación, es decir, en operaciones físicas y

químicas.

2. PLANTEAMIENTO

El presente trabajo tiene como objetivos primarios, informar sobre las

operaciones unitarias, dando a conocer conceptos generales y cualitativos,

basándose en libros especializados en el tema, de alta confianza; después a

partir de ellos se llegará una conclusión final y unificadora.

El cuerpo del trabajo, comprende el desarrollo del objetivo, mediante mapas

conceptuales, gráficos y demás recursos educativos, que permitan facilitar la

aprehensión de lo expuesto.

Además, el objetivo secundario, es mi expectativa esperada, es decir, que los

lectores comprendan el tan importante marco teórico y práctico de las

operaciones unitarias, una asignatura considerada a mi parecer como clave en

el éxito experimental de todos los ingenieros químicos.

3. DESARROLLO

Para comenzar a entender las Operaciones Unitarias, primero recordemos su

definición. Según McCabe es la siguiente: mediante el estudio sistemático de

estas operaciones en sí mismos –operaciones que evidentemente constituyen

la trama de la industria y las líneas de producción- se unifica y simplifica el

tratamiento de todos los procesos1.

Para ampliar mas el concepto, lea el siguiente que fue introducido por el

profesor Little en 1915, del Massachussets Institute of Technology (MIT):

“... todo proceso químico conducido en cualquier escala puede descomponerse

en una serie ordenada de lo que pudieran llamarse operaciones unitarias, como

pulverización, secado, cristalización, filtración, evaporación, destilación, etc. El

número de estas operaciones básicas no es muy grande, y generalmente sólo

unas cuantas de entre ellas intervienen en un proceso determinado.”2

De acuerdo a lo anterior, se deduce que la aplicación es definitivamente

industrial, y que sus objetivos son economizar los procesos y unificarlos en una

serie de etapas repetitivas, para así llegar a un producto manufacturado final.

Es decir que un proceso determinado será, por tanto, la combinación de

operaciones unitarias.

1 Mc.Cabe, Smith & Peter Harriott, Operaciones Unitarias en Ingeniería Química, 4ª edición, McGraw Hill, 1991, p. 5.

2 Gomis Marcilla, Introducción a las Operaciones de Separación: Cálculo por Etapas de Equilibrio, edición electrónica, Universidad de Alicante, 1999, p.12.

Además, en cada proceso se cambian las condiciones de una determinada

cantidad de materia, es decir, de las siguientes formas:

Modificando sus condiciones de movimiento (aumentando o

disminuyendo su velocidad o su dirección).

Modificando su masa o composición (separación de fases, mezcla,

reacción química,…).

Modificando el nivel o calidad de la energía que posee (enfriamiento,

vaporización, aumento de presión,…).

Luego los procesos involucrados son tanto físicos como químicos, que se

pueden medir, y para tal fin se necesita un sistema de unidades. Pero como la

industria es de carácter internacional, hay diferentes sistemas de unidades:

Sistema Internacional de Unidades (SI); unidades CGS (centímetro-gramo-

segundo) y unidades de ingeniería (fps). Todos estos sistemas son aceptados,

y por ello siempre se debe convertir las unidades correctamente, para que no

hallan malinterpretaciones y errores cuando se comparte un proceso entre

industrias.

En fin, podemos concluir que las Operaciones Unitarias se clasifican de la

siguiente forma: (ver figura 1)

Ahora para definir todas las operaciones, se ocuparía demasiado espacio, así

que por cuestiones estéticas, solo daré el concepto de las más relevantes.

Empezando por la Destilación, es un método para separar dos o más

componentes de una mezcla líquida aprovechando la diferencia en las

volatilidades; depende de la distribución de las sustancias entre una fase

gaseosa y una fase líquida (ejemplo: solución de amoníaco en agua con

1. Filtración

2. Sedimentación

3. Clasificación hidráulica

4. Flotación

5. Centrifugación

1. Intercambiador de Calor

2. Evaporación

3. Condensación

4. Sublimación

1. Absorción

2. Destilación

3. Extraccion

4. Adsorción

5. IntercambioIónico

1. Cristalización

2. Secado

3. Liofilización

4. Humidificación

1. Trituración

2. Molienda

3. Tamizado

4. Mezclado

5. Almacenaje materiales

TRANSFERENCIA DE MASA

TRANSFERENCIA DE CALOR

TRANSFERENCIA DE CALOR Y

MASA SIMULTÁNEA

CANTIDAD DE MOVIMIENTO

OPERACIONES FISICAS

COMPLEMENTARIAS

OPERACIONES UNITARIAS

QUÍMICASFÍSICAS REACTORES

Figura 1

presencia de oxigeno). Cuanto mayor sea la diferencia de volatilidades entre

los componentes de la mezcla, mayor será la diferencia entre la composición

del líquido y del vapor que se generan. Así, la mezcla líquida a su punto de

ebullición desprenderá vapores más ricos en componentes volátiles. Los

vapores se condensarán aparte constituyendo el destilado. Además cabe

aclarar que la destilación es un proceso diferente a la operación unitaria

evaporación. Por último, esta operación es considerada la más utilizada en

ingeniería química y, de hecho es la más importante de todas las operaciones

de transferencia de masa.

Otro es la Absorción, es una operación en la cual una mezcla gaseosa se

pone en contacto con un líquido, a fin de disolver de manera selectiva uno o

más componentes del gas y de obtener una solución de éstos en el líquido. Los

procesos químicos en los que se aplica la absorción es la eliminación de gases

ácidos, por ejemplo, el secado del cloro (con H2SO4).

La Extracción se puede diferenciar en dos tipos: extracción líquido-líquido, es

la separación de componentes de una solución líquida por contacto con otro

líquido insoluble; ya que tiene muchas ventajas en cuanto a las instalaciones

sencillas, y la selección del disolvente para componentes químicos similares, a

comparación de la destilación, se usa mucho a escala industrial, especialmente

en la industria del petróleo. El otro tipo es extracción sólido-líquido o también

llamada Lixiviación. Esta última es la disolución preferente de uno o más

componentes de una mezcla sólida por contacto con un disolvente líquido. Esta

operación es muy antigua, y recibió muchos nombres, tal como “la colada”,

pero por lo común se usa el término extracción. Las industrias metalúrgicas,

son las que más utilizan esta operación.

La Adsorción 4.4 p.27

5. BIBLIOGRAFÍA

Mc.Cabe, Smith & Peter Harriott, OPERACIONES UNITARIAS EN

INGENIERÍA QUÍMICA, 7ª edición, McGraw Hill, impreso en México 2007,

1189 páginas, ISBN: 970-10-6174-9

Orozco, OPERACIONES UNITARIAS, 1ª edición, Editorial Limusa, impreso

en México 1998, 200 páginas, ISBN: 968-18-5518-3

J. Costa López, Cervera March, Cunill García, Esplugas Vidal, Mans Teixidó

& Mata Álvarez, CURSO DE INGENIERÍA QUÍMICA: INTRODUCCIÓN A

LOS PROCESOS, LAS OPERACIONES UNITARIAS Y LOS FENÓMENOS

DE TRANSPORTE, 2ª edición, Reverté. S.A., impreso en España 1998, 440

páginas, ISBN: 84-291-7126-6

Mc.Cabe, Smith & Peter Harriott, OPERACIONES UNITARIAS EN

INGENIERÍA QUÍMICA, 4ª edición, McGraw Hill, impreso en México 1991

T. Michael Duncan y Jeffrey A. Reimer, CHEMICAL ENGINEERING,

DESIGN AND ANALYSIS: AN INTRODUCTION, Cambridge University

Press, 1998, 380 páginas, ISBN: 0-521-63041-X

Regina Murphy, INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS QUÍMICOS:

PRINCIPIOS, ANÁLISIS Y SÍNTESIS, serie Ingeniería Química, McGraw

Hill, impreso en México 2007, 680 páginas, ISBN-13: 978-970-10-6199-2

Foust, Wenzel, Clump, Maus & Andersen, PRINCIPIOS DE

OPERACIONES UNITARIAS, 2ª edición, CECSA, impreso en México 2004,

751 páginas, ISBN: 968-26-0776-0

Perry, Green & Maloney, PERRY MANUAL DEL INGENIERO QUÍMICO, 3ª

edición, McGraw Hill, impreso en México 1996, ISBN: 968-422-096-0

Gomis Marcilla, INTRODUCCIÓN A LAS OPERACIONES DE

SEPARACIÓN: CÁLCULO POR ETAPAS DE EQUILIBRIO, edición

ilustrada, Universidad de Alicante, 1999, 221 páginas, ISBN: 84-7908-405-7

McCabe & Smith, OPERACIONES BÁSICAS DE INGENIERÍA QUÍMICA,

edición en español, Editorial Reverté, impreso en España 1981, 564

páginas, ISBN: 84-291-7360-9