Definición
Una Operación Unitaria es una etapa individual y fundamental en un proceso industrial que involucra un cambio físico o químico específico en una cantidad determinada de materia prima, con el objetivo de modificar sus condiciones, ya sea su masa, composición o alguna otra característica, para lograr un propósito particular en la producción o síntesis de productos químicos o materiales. Estas operaciones unitarias son esenciales para simplificar procesos largos y complicados en la industria química y áreas afines, permitiendo un análisis detallado y una gestión eficiente de cada transformación específica.
“Esta definición se enfoca en la idea de que una operación unitaria es una secuencia básica de un proceso industrial que involucra un cambio físico o químico en una sustancia” (Prodel).
“Esta definición es similar a la primera y se expande un poco más al explicar que cada operación unitaria tiene como objetivo modificar las condiciones de una cantidad de materia para hacerla más útil” (Cuadro Comparativo).
“Esta definición se acerca a la idea de que las operaciones unitarias son una forma de descomponer un proceso industrial complejo en etapas simples y manejables. Se enfoca en la conveniencia de dividir un proceso largo y complicado en cambios o transformaciones individuales que son más fáciles de analizar por separado” (Gonzales A, 2021).
Clasificación de las Operaciones Unitarias
Las operaciones unitarias
son procesos individuales o etapas en una operación de procesamiento químico o
físico que involucran cambios físicos o químicos en los materiales o sustancias
involucradas. Estas operaciones se utilizan en una amplia variedad de
industrias, como la química, la alimentaria, la farmacéutica, la petroquímica y
muchas otras.
Las operaciones unitarias se pueden
clasificar en varias categorías principales en función de sus funciones y
objetivos. Aquí hay una clasificación común de las operaciones unitarias:
1. Operaciones de Transferencia de Masa
Destilación: Es un proceso de separación que se basa en las diferencias de volatilidad de los componentes líquidos de una mezcla. Se calienta la mezcla para vaporizar los componentes con menor punto de ebullición y luego se condensan para obtener los componentes puros.
Extracción: Se trata de transferir selectivamente un soluto de una fase líquida o sólida a otra fase líquida utilizando un solvente adecuado. El soluto se disuelve en el solvente, lo que permite su separación de manera más eficiente.
Absorción: Es un proceso en el cual los componentes gaseosos de una corriente son transferidos a un líquido absorbente. Los componentes se disuelven en el líquido absorbente, lo que permite su separación de la corriente gaseosa.
Adsorción: Consiste en la captura de moléculas en una superficie sólida, generalmente utilizando adsorbentes como carbón activado. Las moléculas se adhieren a la superficie sólida, permitiendo su separación de una corriente gaseosa o líquida.
2. Operaciones de Transferencia de Calor
Calentamiento y enfriamiento: Es la transferencia de calor
para aumentar o disminuir la temperatura de un fluido o sólido. Se aplica calor
para elevar la temperatura y se aplica enfriamiento para reducirla.
Evaporación: Es el cambio de fase de un líquido a vapor, generalmente utilizado para concentrar soluciones. Durante la evaporación, el líquido absorbe calor y se transforma en vapor.
Condensación: Es el cambio de fase de vapor a líquido. Durante la condensación, el vapor libera calor y se transforma nuevamente en líquido.
Calefacción por radiación: Es la transferencia de calor a
través de radiación electromagnética. La radiación térmica se emite desde una
fuente de calor y se transfiere a los objetos o superficies circundantes sin
necesidad de un medio de contacto directo.
3. Operaciones de Transferencia de Materia y Energía
Separación: Es la división de una mezcla en sus componentes
individuales. Se utilizan diferentes métodos de separación según las
propiedades de los componentes, como la diferencia de densidad, solubilidad,
punto de ebullición, entre otros.
Cristalización: Es el proceso en el cual se forman cristales
sólidos a partir de una solución saturada. La solución se enfría o se evapora
gradualmente, lo que provoca la precipitación de los componentes en forma de
cristales ordenados y definidos.
Deshidratación: Es el proceso de eliminación de agua o solventes de un producto. Durante la deshidratación, se aplica calor o se utiliza un método de separación para extraer el agua o solventes presentes en el producto, lo que resulta en la reducción del contenido de humedad.
4. Operaciones de Procesamiento de Sólidos
Trituración y molienda: Son procesos utilizados para reducir
el tamaño de partícula de sólidos. La trituración implica la fractura de los
sólidos en partículas más pequeñas, mientras que la molienda consiste en la
reducción adicional del tamaño de las partículas mediante la acción de fuerzas
mecánicas.
Tamizado: Es un método de separación que se utiliza para
separar partículas según su tamaño. Se pasa la mezcla de partículas a través de
una malla o tamiz, y las partículas más pequeñas pasan a través de los poros
mientras que las más grandes quedan retenidas.
Granulación: Es el proceso de aglomeración de partículas en
gránulos más grandes. Esto se logra mediante la adhesión de partículas más
pequeñas con la ayuda de un aglutinante o mediante la aplicación de fuerza
mecánica para formar gránulos más grandes y uniformes.
Secado: Es la eliminación de humedad de sólidos mediante la aplicación de calor o el uso de métodos de deshidratación. El objetivo del secado es reducir el contenido de humedad de los sólidos, lo que puede mejorar su estabilidad, conservación y facilitar su procesamiento posterior.
5. Operaciones Biológicas
Fermentación: Es un proceso en el que microorganismos como
bacterias o levaduras se utilizan para producir productos químicos o alimentos.
Esto resulta en la producción de productos deseados como alcohol, ácido
láctico, enzimas u otros compuestos químicos.
Biopelícula: Se refiere al cultivo de células en una
superficie sólida o matriz. Las biopelículas pueden ser encontradas en diversos
entornos, como en la naturaleza, en sistemas de alcantarillado o en
dispositivos médicos, y pueden tener aplicaciones en la producción de
biocombustibles, tratamiento de aguas residuales y biotecnología.
Biorremediación: Es el uso de microorganismos, como
bacterias, hongos o plantas, para eliminar o degradar contaminantes del medio
ambiente. Este enfoque se utiliza para mitigar la contaminación en suelos,
aguas subterráneas y otros entornos contaminados.
6. Operaciones de Transferencia de Fuerza y Energía Mecánica
Filtración: Es un proceso de separación en el que se utiliza un medio poroso para separar sólidos suspendidos de un líquido. La filtración se utiliza comúnmente en la purificación de líquidos, clarificación de soluciones y eliminación de impurezas sólidas.
Agitación y mezcla: Se refiere al movimiento mecánico de
fluidos o sólidos con el objetivo de promover la homogeneización y la mezcla de
componentes. Este proceso se utiliza ampliamente en la industria química,
farmacéutica y alimentaria para mezclar ingredientes, disolver sustancias y
promover reacciones químicas.
Campo de Aplicación de las Operaciones Unitarias en la Industria
Se aplican en una amplia gama de procesos en la producción, procesamiento y fabricación de productos. Cada operación unitaria se centra en una función específica, y su aplicación puede variar según la industria y el tipo de producto que se esté produciendo.
Operaciones de Transferencia de Masa
Destilación
La destilación es ampliamente utilizada debido a su capacidad para separar y purificar diferentes componentes líquidos de una mezcla. Una de las aplicaciones más comunes de la destilación es:
Refinación de petróleo
La destilación fraccionada es esencial para obtener los productos derivados del petróleo, para llevarlo a cabo el petróleo es llevado a un horno donde se introduce en una torre de destilación donde las fracciones más pesadas descienden de un nivel a otro, mientras que las fracciones más volátiles ascienden hasta concentrarse en el nivel correspondiente a su temperatura de condensación, entre los productos refinados que se obtienen son gasolina, diésel, queroseno y lubricantes.
Refinería de petróleo
Nota: Representación
del petróleo crudo separado en fracciones mediante destilación fraccionada. Hmong.
Extracción
Tiene numerosas aplicaciones en la industria debido a su
capacidad para separar componentes de una mezcla utilizando solventes
selectivos. Un ejemplo de su aplicación es la obtención de:
Aceite de Coco
Alguna de sus aplicaciones está en la extracción de aceite
de coco, que esta pasa por un proceso de trituración, los trozos de coco
triturados se colocan en una prensa para extraer el aceite. El aceite de coco
se separa del residuo sólido y del agua a través de procesos de filtración y
centrifugación.
Extracción de aceite de coco
Nota: Proceso
de extracción del aceite de coco por medio de una prensa.
Adsorción
Utiliza para transferir un
componente selecto de una fase gaseosa o líquida a un solvente líquido.
Absorción de gases
contaminantes
En la industria del control de la
contaminación del aire, se utiliza la absorción para eliminar gases
contaminantes, como dióxido de azufre (SO2) y óxido de nitrógeno (NO), de las
corrientes de gases de chimeneas industriales.
Torres de relleno
Nota: Las torres están rellenas por un material inerte y el líquido se introduce por la parte superior formando una película sobre los elementos de relleno para lograr una gran superficie de contacto.
Operaciones de Transferencia de Calor
Evaporación
Utilizada en la industria alimentaria
para concentrar soluciones líquidas, separar componentes y eliminar solventes.
Pulpa de fruta
En la industria se emplea en la producción de jugos de frutas concentrados, donde se lleva a cabo la eliminación del contenido de agua del jugo. Esto se realiza de manera que todos los elementos sólidos, como los azúcares de la fruta, los minerales y las vitaminas, permanezcan en una solución más densa y concentrada.
Partes básicas de un evaporador
Nota: Existen una amplia variedad de evaporadores, pero la mayoría de ellos coinciden con las presentes características básicas.
Condensación
Se utiliza en diversas industrias
y aplicaciones para cambiar el estado de una sustancia de vapor a líquido.
Refrigeración
Los sistemas de refrigeración y aire acondicionado utilizan la condensación para cambiar el refrigerante gaseoso a su estado líquido. Esto es esencial para eliminar el calor del espacio refrigerado o acondicionado y mantenerlo a la temperatura deseada.
Sistema de condensación evaporativa en refrigeración
industrial
Nota: En las
torres abiertas, se utiliza agua como fluido refrigerante del proceso y
posteriormente se refrigera mediante enfriamiento evaporativo en una torre
separada del proceso o del condensador. articae.com
Calefacción por radiación
Para calentar objetos o
superficies de manera eficiente y controlada.
Industria del plástico
La calefacción por radiación se
aplica en la termoformación de plásticos, donde se derrite el material plástico
y se moldea en productos como envases, piezas automotrices y componentes
electrónicos.
Termoformado
Nota: El
termoformado es un proceso de trasformación de plástico que involucra una
lámina de plástico que es calentada y que toma la forma del molde sobre el que
se coloca.
Operaciones de Transferencia de Materia y Energía
Cristalización
Se utiliza para purificar
sustancias sólidas y obtener cristales de alta pureza
Producción del azúcar
En la producción de azúcar, la
cristalización se utiliza para obtener cristales de sacarosa a partir del jugo
de caña de azúcar
Cristalización proceso de la industria azucarera
Deshidratación
Proceso de eliminación o reducción del contenido de agua de una sustancia o
material. La eliminación del agua es esencial en muchas aplicaciones
industriales debido a sus efectos en la estabilidad, calidad y vida útil de los
productos, así como en la eficiencia de ciertos procesos
Deshidratación de pasas
La deshidratación se emplea para eliminar el exceso de agua de alimentos,
como frutas, verduras y carne, con el objetivo de prolongar su vida útil.
Ejemplos comunes incluyen la deshidratación de frutas para hacer pasas
Deshidratado
de frutas
Nota: Se considera que es uno de los métodos más antiguos que se utilizan para
la preservación de alimentos
Operaciones de Transferencia de Fuerza y Energía Mecánica
Filtración
Separar partículas sólidas de un
fluido (líquido o gas) mediante el paso del fluido a través de un medio poroso,
como un filtro o tamiz.
Industria del agua
La filtración es fundamental en
el tratamiento de agua potable y aguas residuales. Se utiliza para eliminar
partículas, sedimentos y microorganismos del agua para hacerla segura para el
consumo humano o para su devolución al medio ambiente.
Sistemas de filtración
Nota: Tratamiento
primario del agua y aguas residuales
Mezclado
Proceso de combinar dos o más
sustancias de manera que se integren uniformemente en una sola mezcla
homogénea.
Industria de la construcción
El mezclado se emplea en la
producción de hormigón y mortero, donde se combinan cemento, arena, agua y
agregados para crear materiales de construcción.
Camión Mixer
Conclusión
En conclusión, las operaciones unitarias representan elementos fundamentales en la industria, desempeñando un papel esencial en la modificación de características físicas o químicas de la materia prima con el propósito de alcanzar objetivos específicos en la producción de productos químicos y materiales. La clasificación de estas operaciones en categorías tales como transferencia de masa, transferencia de calor, transferencia de materia y energía, procesamiento de sólidos, operaciones biológicas y transferencia de fuerza y energía mecánica, proporciona una estructura coherente para lograr entender su diversidad y aplicaciones en diversos campos industriales. Su presencia permite la simplificación de procesos complejos y una gestión eficaz de cada transformación, contribuyendo de manera significativa a la optimización de la producción y la calidad de los productos en la industria.
Conclusión Grupal
El conocimiento de las operaciones unitarias, sus definiciones, clasificaciones y su campo de aplicación es de suma importancia para los futuros profesionales de la industria como seremos nosotros. Estas operaciones constituyen la columna vertebral de los procesos industriales y proporcionan la base fundamental para comprender y optimizar sistemas complejos. Además, esta comprensión no solo impulsa la eficiencia y la optimización de la producción, sino que también contribuye significativamente a la seguridad en el entorno industrial. Finalmente en una frase en conjunto podemos aportar que; “Dominar las operaciones unitarias es esencial para avanzar con éxito en el campo industrial y contribuir al desarrollo sostenible y seguro de la industria”.
Video de exposición:
Bibliografía
OPERACIONES UNITARIAS - Prodel, S.A. (s.f.).
Prodel, S.A. https://www.prodel.es/subareas/operaciones-unitarias/
Lovato, A., & Lovato, A. (2023).
Definicion de operaciones unitarias. Cuadro Comparativo. https://cuadros-comparativos.com/definicion-de-operaciones-unitarias/
González, A. (2021). Operaciones unitarias.
Lifeder. https://www.lifeder.com/operaciones-unitarias/
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Geankoplis. C. J. (1998). Procesos de
transporte y operaciones unitarias (3ª Edición). https://fenomenosdetransporte.files.wordpress.com/2008/05/geankopolis.pdf
