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• Estefany RJ

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TRABAJO FINAL – OPERACIONES UNITARIAS Existe un conjunto de Operaciones Industriales dedicadas a alterar o cambiar las propiedades de las materias primas, cuyo propósito es el obtener productos que permitan cubrir las necesidades de la sociedad y el ser humano, siendo satisfechas empleando, transformando y consumiendo aquellos medios de los que se disponen en el entorno natural. En las industrias de procesos químicos y físicos, así como en las de procesos biológicos y de alimentos, existen muchas semejanzas en cuanto a la forma en que los materiales de entrada o de alimentación se modifican o se procesan para obtener los materiales finales de productos químicos o es posible considerar estos procesos químicos, físicos o biológicos, aparentemente distintos, y clasificarlos en una serie de etapas individuales y diferentes llamadas operaciones unitarias, las mismas que son comunes a todos los tipos de industrias. En consecuencia, se pueden definir a las Operaciones Unitarias como un área del proceso o un equipo donde se incorporan materiales, insumos o materias primas y ocurre una función determinada, pues son actividades básicas que forman parte del proceso. Las transformaciones realizadas durante una operación unitaria pueden estar referidas a: cambios en la masa de acuerdo a la cantidad de materia o composición, variaciones en la energía referidas a la energía total (cualquiera que sea el tipo de energía) de que el cuerpo esté dotado, o cambios del movimiento de la sustancia original dado por variaciones en la dirección, sentido y velocidad. Estos cambios están regidos por las leyes de conservación de la materia, la energía y la cantidad de movimiento. Es entonces que se desarrollarán algunas de ellas a continuación: 1. Secado El secado es una operación unitaria basada en la transferencia de materia y calor. Específicamente se puede definir como un proceso en el que se da un intercambio simultáneo de calor y masa, entre el ambiente de secado y el sólido. En tal caso, cuando un sólido húmedo es sometido a un secado térmico, se da la ocurrencia de dos procesos de manera simultánea: - Inicialmente se parte de la transferencia de calor (energía) de los alrededores para poder evaporar la humedad de la superficie. - Seguidamente se da la transferencia de la humedad interna hacia la superficie del sólido. De estos dos procesos mencionados dependerá la velocidad con la que se efectuará el secado. Para que se ejecute el secado, la humedad presente debe ganar al calor de sus alrededores y de este modo poder evaporarse, para así ser liberado por un gas transportador. La acumulación de vapor sobre la superficie de secado influye en la rapidez del proceso, siendo importante destacar que el manejo adecuado de estas condiciones es clave para lograr un resultado satisfactorio. -

Condiciones Externas: Durante la transferencia de calor en la cual se quiere eliminar el agua en forma de vapor de la superficie de la partícula, algunas condiciones toman un papel relevante como son: temperatura, flujo de aire, humedad, área de superficie expuesta al calor y presión. Pues estas condiciones son importantes para remover la humedad de la superficie durante la etapa inicial de secado. Un dato relevante es que en algunos materiales el exceso de evaporación en la superficie, puede causar encogimiento, esto después de que la

humedad inicial ha sido removida dando lugar a altos porcentajes de humedad del interior hacia la superficie, formando tensiones dentro del material y originando deformaciones en consecuencia. -

Condiciones Internas: Los factores que pueden determinar la rapidez de secado son: temperatura, contenido de humedad y naturaleza física dentro de la partícula. Durante el periodo de transferencia de calor hacia un material húmedo, un gradiente de temperatura se genera dentro del material mientras la evaporación de la humedad es dada en la superficie. La evaporación ocasiona que la humedad del material se transporte desde el interior hacia la superficie, lo cual sucede por medio de mecanismos como: la difusión, flujo capilar y presión interna generada por el encogimiento durante el secado.

Métodos de Secado Para quitar la humedad de un sólido existen dos métodos. El primero es la evaporación, que ocurre cuando la presión del vapor de la humedad en la superficie del sólido iguala a la presión parcial del gas en el aire. Esto sucede por el incremento de la temperatura de la humedad hasta el punto de ebullición. Pero si el material es sensible al calor, entonces la temperatura a la cual la evaporación ocurre, puede descender, bajando la presión (evaporación en vacío). Si la Presión disminuye y baja más allá del punto triple, entonces la fase líquida no tendría lugar y la humedad en el producto estaría congelada. Por otra parte el otro método es la vaporización, dada cuando el secado se realiza por convección, ocasionando el paso del aire caliente sobre el sólido húmedo. El aire es enfriado por el sólido y la humedad es transferida hacia el aire y en tal caso la presión del vapor de la humedad sobre el sólido es menor que la presión parcial del gas en el aire.

Fases de Secado De acuerdo a observaciones experimentales se han dividido en dos fases de secado: a velocidad constante y a velocidad decreciente de secado. El contenido de humedad durante estas dos fases se da en el punto de transición y es llamado punto crítico, lo que se conoce como humedad crítica (Xcrit) y es determinada como periodo inicial de la etapa constante.

Humedad contra tiempo En el gráfico se puede observar el comportamiento de la humedad con respecto al tiempo durante el proceso de secado. La parte uniforme corresponde al periodo de velocidad constante y la no uniforme a la velocidad decreciente. La humedad de equilibrio Xeq, es función de la humedad relativa y de la temperatura para una determinada sustancia.

Tasa de secado contra humedad en exceso En la figura se muestra la curva de secado contra la humedad en exceso (X--Xeq) y de esta manera se observa la velocidad del proceso. Aplicación en la Industria Es comúnmente aplicado en la industria alimenticia, así como, en el secado de granos o madera, los cuales tienen un gran contenido de humedad en ellos. Existen procesos químicos industriales importantes en los cuales conviene el secado, entre ellos, encontramos el secado de la sal, la cual es pasada, una vez cristalizada por un túnel de aire, para eliminar el exceso de humedad en la misma, también se puede hacer mención del secado del carbón, de productos alimenticios, de arena, entre otros. Es usual el uso del secado como medio de preservación de materiales biológicos, en ocasiones, se llega hasta el límite de deshidratación, para disminuir la

actividad bacteriana o microbiológica en general. Esto se debe, a que la actividad microbiológica cesa a niveles de humedad menores del 10%. Cabe mencionar también que el secado es habitualmente dado en la etapa final de una serie de operaciones, pues con frecuencia, el producto se extrae de un secador para ser empaquetado.

2. Filtración La filtración es una Operación Unitaria básica, de gran utilización en la industria química, la misma que se explica como la separación de partículas sólidas de una suspensión mediante un medio filtrante que deja pasar el líquido y retiene el sólido. Las partículas sólidas retenidas sobre el medio filtrante van formando un lecho poroso, a través del cual circula el fluido, denominado torta filtrante.

En general, los poros del medio filtrante tendrán una forma tortuosa y serán mayores que las partículas que deben separarse, operando el filtro de forma eficaz únicamente después de que un depósito inicial haya sido retenido en el medio. A media que avanza el proceso de filtración aumenta el espesor de la torta por lo que la resistencia al paso del fluido es cada vez mayor, pudiéndose llevar a cabo la operación de las siguientes maneras: -

Filtración a presión constante: El caudal disminuye con el tiempo. Filtración a caudal constante: La presión aumenta al avanzar la filtración.

En la mayor parte de casos en la industria lo que interesa son los sólidos, siendo sus propiedades físicas y tamaño de gran importancia. Los filtros también son muy

variados: la elección del más adecuado así como de las condiciones óptimas de operación, son función de diversos factores entre los que cabe resaltar los siguientes: - Las propiedades del fluido, especialmente viscosidad, densidad y propiedades corrosivas. - La naturaleza del sólido: tamaño y forma de las partículas, distribución de tamaños y características del relleno. - La concentración de los sólidos en la suspensión a filtrar. - La cantidad de material a tratar y su valor. - Si el producto que interesa es el sólido, el fluido o ambos. - Caudal de suspensión a tratar. - Necesidad de lavado del sólido filtrado. Tipos de Filtración - Filtración por gravedad: Se realiza utilizando un embudo de tipo cónico en el cual se introduce un papel de filtro preparado con pliegues, de modo que al pasar el líquido de la disolución a través de el, quedará retenido en el papel la parte sólida, pasando limpia la parte líquida. Este tipo de filtración es de gran utilidad para casos como:  Para la filtración de impurezas de tipo insoluble, cuando realizamos un proceso de cristalización.  Para la filtración de un agente desecante en pleno proceso de secado.  Para todas las filtraciones en las que se desecha el sólido, pues lo que interesa es la disolución. - Filtración a presión reducida: Es bastante más rápida que la filtración por gravedad. Para llevar a cabo una filtración a presión reducida, es necesario realizar una conexión a una fuente de vacío para lo que se suele conectar la bomba a un embudo tipo Büchner o una placa filtrante. El embudo Büchner es un embudo fabricado en cerámica cerrado por el fondo y agujereado del miso material con la finalidad de dejar pasar el líquido que queramos filtrar. El fondo del embudo se cubre con un papel de filtro, donde quedará retenido el sólido. La filtración al vacío, con embudos de este tipo se utilizan en casos como:  Filtración de cristales en procesos de cristalización.  Filtraciones de sólidos en procesos de precipitaciones.  Filtraciones donde nuestra intención es aislar el componente sólido, queramos descartar o no la disolución.

- Filtración con placa filtrante: La superficie filtrante tiene forma de disco y es una placa de textura porosa, cuyos poros son de determinado tamaño, de manera que impida el paso de sólidos. La filtración por este método se realiza también al vacío, a través de un proceso similar al utilizado en la filtración con Büchner, pudiendo ser usado tanto si nos interesa el producto sólido o la disolución, en tres casos diferentes:  Filtración de los cristales en diferentes procesos de cristalización.  Filtración de la parte sólida en procesos de precipitación.  Filtración de agentes desecantes en los procesos de secado.  Filtraciones sobre soportes sólidos. - Filtración sobre celita: La celita es un sólido que suele ser utilizado como un soporte de filtrado. Se encuentra constituida principalmente por sílice. Generalmente se usa para filtrar al vacío suspensiones de tipo coloidal, de texturas gelatinosas o sólidos constituidos de partículas muy finas, por lo general de naturaleza inorgánica, que pudiesen traspasar otros tipos de filtros, en cambio en la celita, quedan retenidos. La celita se usa solamente para filtrar sólidos con impurezas que se quieran eliminar. Aplicación en la Industria La filtración en la industria va desde un simple "colado" hasta separaciones muy complejas. Se utiliza en la industria farmacéutica, para procesos de aguas residuales, industria alimenticia. También se aprecia en la eliminación del amoniaco y los nitritos del agua.

3. Reducción de Tamaño La Reducción de Tamaño es la operación unitaria en la que el tamaño medio de los alimentos sólidos es reducido por la aplicación de fuerzas de impacto, compresión, cizalla (abrasión) y/o cortado. La compresión se usa para reducir sólidos duros a tamaños más o menos grandes. El impacto produce tamaños gruesos, medianos y finos, la frotación o cizalla, produce partículas finas y el cortado se usa para obtener tamaños prefijados. Los fines de la reducción de tamaño son muy importantes en la industria por las siguientes razones:  Facilita la extracción de un constituyente deseado que se encuentre dentro de la estructura del sólido, como la obtención de harina a partir de granos y jarabe a partir de la caña de azúcar.

 Se pueden obtener partículas de tamaño determinado cumpliendo con un requerimiento específico del alimento, como ejemplo la azúcar para helados, preparación de especies y refino del chocolate.  Aumento de la relación superficie-volumen incrementando, la velocidad de calentamiento o de enfriamiento, la velocidad de extracción de un soluto deseado, etc.  Si el tamaño de partículas de los productos a mezclarse es homogéneo y de tamaño más pequeño que el original, la mezcla se realiza más fácil y rápido, como sucede en la producción de formulaciones, sopas empaquetadas, mezclas dulces, entre otros.

Se reconoce la existencia de dos etapas en la rotura tanto de materiales muy duros como frágiles: 1. Fractura a lo largo de fisuras existentes en el material 2. Formación de nuevas fisuras con posterior fractura. También se conoce que sólo un pequeño porcentaje de la energía suministrada al equipo es usada para la operación de rotura. Se han reportado eficiencias menores al 2%, lo cual indica que el proceso es extremadamente ineficiente. Gran parte de la energía suministrada se libera como calor, lo cual debe considerarse especialmente si se procesan alimentos. Estudios teóricos indican que la energía suministrada por unidad de masa procesada para producir un pequeño cambio en tamaño puede expresarse como una función del tipo ley de la potencia con respecto al tamaño de las partículas: Donde K es una constante del material, y x es el tamaño de la partícula (diámetro), se conoce como la ley general de la ruptura, y es una interpretación general de varias leyes presentadas por diferentes autores. Donde kV es un factor de forma de volumen (por ejemplo si la partícula es esférica, kv=π/6), N1 y N2 representan el número de partículas antes y después de la molienda respectivamente. La nueva superficie generada durante la ruptura puede calcularse a partir de las superficies inicial y final: Caracterización de las partículas sólidas Para caracterizar partículas sólidas se debe hacer énfasis en algunas propiedades que pertenecen a la partícula individual y sobre las cuales se centra el estudio del comportamiento de partículas sólidas en la reducción de tamaño. Entre ellas se tienen el volumen, área superficial, masa, densidad, tamaño y forma de la partícula siendo estas últimas tres las de mayor importancia. -

Densidad: las partículas de sólidos homogéneos tienen la misma densidad que el material de origen, mientras que cuando son sólidos

heterogéneos, al romperse, presentan diferentes densidades entre sí y con el sólido de origen. -

Forma de las partículas: la forma de las partículas irregulares se define en función de un factor de forma λ (θ, esfericidad) el cual es independiente del tamaño de la partícula. Si se define Dp como "diámetro de la partícula" que es la longitud de la dimensión de definición, el factor de forma está relacionado con éste valor. El diámetro de la partícula se usa para formular la ecuación genérica del volumen de la Partícula y de la superficie de la partícula. Se trabaja con una partícula en forma de cubo y luego se generaliza llegando a:

El volumen de la partícula (Vp) es: Vp = a Dp3 (I) Y la superficie de la partícula (Sp) es: Sp = 6bDp2(II) Con a y b como constantes que definen la forma de la partícula. Maquinaria Rebanadoras, Formadoras de Cubos, Ralladoras, Cortadoras de Taza, Preaplastadora, Molino de Martillo, Molino de Impacto Fino, Molino clasificador, Molino de Chorro de Aire, Molino de Bola, Molino de Disco, Molino de Rodillo y Formadores de Pulpa. Aplicación Industrial 4. Extracción La extracción es una operación unitaria de transferencia de materia basada en la disolución de uno o varios de los componentes de una mezcla (liquida o que formen parte de un sólido) en un disolvente selectivo. Se hace la distinción entre la extracción solido-líquido y la extracción liquido-liquido según que la materia a extraer este en un sólido o en un líquido, respectivamente. En este último caso, el disolvente ha de ser inmiscible con la fase liquida que contiene el soluto. - Extracción liquido-liquido La extracción de un componente de una mezcla liquida mediante un disolvente presenta en ocasiones ventajas respecto a efectuar la separación por destilación: Las instalaciones son más sencillas, Hay posibilidad de separar componentes sensibles al calor sin necesidad de realizar una destilación a vacío, La selectividad del disolvente para componentes de naturaleza química similar permite separaciones de grupos de componentes, imposibles de lograr basándose solo en el punto de ebullición. Equipos de extracción El equipo para la extracción líquido-liquido depende de la forma en que se realice el proceso. Cuando el sistema está formado por estadios, hay dos fases bien diferenciadas: mezcla íntima y separación posterior que a su vez presentan aspectos diferentes según el proceso sea continuo o discontinuo: Extractores anulares rotatorios, Extractores de disco rotatorio, Columnas de extracción, Extractores centrífugos, Extractor podbielniak, Extractor luwesta.

Equilibrio ternario Una de las formas de recoger los datos de equilibrio en sistemas ternarios son los diagramas triangulares. En la figura se muestra un diagrama triangular equilátero. Los vértices del triángulo representan compuestos puros, un punto sobre un lado correspondería a una mezcla binaria y un punto en el interior del triángulo representaría una mezcla ternaria. La composición de una mezcla puede determinarse por lectura directa en el diagrama. La concentración de los componentes en el diagrama se muestra como fracción molar o fracción másica. Llamaremos Coeficiente de Distribución o Coeficiente de Reparto “ Ki” entre las 2 fases separadas R y E, a la relación entre las concentraciones que alcanza ese componente en ambas fases en EQUILIBRIO.

También encontramos el diagrama de triangulo rectángulo:

Balance de materia

F0 + S = R + E = M Balance de masa componente “A”. F0(XFo)A + S(YS)A = R(XR)A + E(YE)A = M(XM)A S: Flujo de alimentación del solvente o disolvente. E: Flujo de extracto obtenido. F0: Flujo de Alimentación del material fresco. R: Flujo de los lodos o refinados. X: Fracción en peso según las corrientes de masa de F ó R. Y: Fracción en peso según las corrientes de S ó E. -

Extracción solido-líquido Esta operación se conoce también por lixiviación, percolación o lavado, según las aplicaciones a las que se la destine. Si se pretende eliminar un componente no deseado de un sólido, se habla de lavado. Si el componente extraído es el valioso se denomina lixiviación- vertido de un líquido sobre un sólido- que al objetivo perseguido.

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Extracción en etapas múltiples La extracción en una etapa se usa un contacto de equilibrio para transferir el soluto A de una fase líquida a otra. Para transferir más soluto se puede repetir el contacto en una sola etapa, mezclando la corriente de salida con disolvente nuevo. De esta manera se logra un mayor porcentaje de extracción del soluto A. Sin embargo, este procedimiento desperdicia corriente de disolvente y además, da lugar a la formación de un producto a diluido en las corrientes de salida de extracto. Para usar menos disolvente y obtener una corriente de extracto de salida más concentrada, generalmente se usa el contacto a contracorriente en etapas múltiples.

Aplicación en la Industria Un ejemplo práctico de un proceso de extracción con fluido supercrítico es la descafeinización del café. Primero, los granos de café se remojan en agua para hacer la extracción más selectiva y posteriormente se cargan en un tanque de extracción a través del cual circula el CO2 supercrítico para disolver la cafeína. En un tanque depurador, la cafeína se transfiere del CO2 al agua, también a presión elevada. La extracción se continúa hasta que el contenido de cafeína de los granos, originalmente de 0.7 a 3%, se reduzca a menos de 0.02%. Al final del ciclo por lotes, el agua se despresuriza y destila totalmente de la cafeína. En un proceso alternativo, la cafeína se separa del CO2 por adsorción sobre carbón activado. En ambos casos, la extracción con fluido supercrítico no afecta el sabor ni el aroma característico del café.

5. Lixiviación En la extracción de sólidos, o lixiviación, el material soluble se disuelve de su mezcla con un sólido inerte mediante un disolvente líquido. El material disuelto, o soluto, se recupera después por cristalización o evaporación. En lixiviación, un material soluble se disuelve a partir de su mezcla con un inerte sólido por medio de un líquido disolvente. En la imagen se muestra esquemáticamente un diagrama de flujo en una planta típica de lixiviación. Consiste en una serie de unidades, en cada una de las cuales el sólido procedente de la etapa anterior se mezcla con el líquido procedente de la unidad siguiente y la mezcla se deja sedimentar. El sólido se pasa entonces a la unidad siguiente y el líquido a la unidad anterior. A medida que el líquido fluye de una unidad a otra se va enriqueciendo en el soluto, mientras que el sólido al fluir entre las unidades se va empobreciendo en el soluto. El sólido descargado desde un extremo del sistema está agotado mientras que la disolución que sale por el otro extremo está concentrada en el soluto. La eficacia de la extracción depende de la cantidad de disolvente y del número de unidades. En principio, el soluto no extraído puede reducirse hasta cualquier cantidad deseada si se utiliza una cantidad suficiente de disolvente y de número de unidades.

Velocidad de lixiviación Se pasa por una difusión del solvente desde el seno de la solución a la superficie del sólido a través de la matriz, luego una disolución (o reacción) del soluto en (con) el solvente, difusión del soluto disuelto a través de la matriz y finalmente por una transferencia del soluto desde la superficie del sólido al seno de la solución. No existe una teoría completamente definida para la lixiviación Si el sólido es poroso: la difusión del soluto puede describirse con una difusividad efectiva, teniendo en cuenta la fracción de espacio vacío y la tortuosidad de los poros. En sustancias biológicas: las paredes celulares introducen complejidad adicional en el sistema. Caso de remolacha azucarera (20% de células rotas: lavado; 80% células enteras: difusión a través de la pared celular) Velocidad controlada por disolución Cuando el sólido puro se disuelve en el solvente, el mecanismo controlante es la velocidad de disolución: La velocidad de transferencia de masa (NA) de un soluto A , desde una partícula de sólido puro de superficie S, que se está disolviendo en un volumen de solución V es:

Velocidad controlada por difusión en el sólido Se puede utilizar una D efectiva (Ley de Fick) Equipos para la lixiviación -

Lechos fijos Azúcar: se extrae el 95% del azúcar (con agua caliente, sale solución 12% en peso) Lechos móviles: Aceites vegetales, Soja, girasol Tanques en serie.

Diagramas de equilibrio

Lixiviación en una etapa:

Balance global de soluciones líquidas: Lo + V2 = L1 + V1 = M Balance de soluto (A) : Lo . yA,o+ V2 . xA,2= L1 .yA,1+ V1 . xA,1= M. xA,M Balance de sólido insoluble (B): B = No. Lo + 0 = N1.L1 + 0 = NM.M Lixiviación en múltiples etapas:

Aplicación en la Industria -

El azúcar se separa de la remolacha con agua caliente Los aceites vegetales se recuperan a partir de semillas mediante la lixiviación con disolventes orgánicos. La extracción de colorantes se realiza a partir de materias sólidas por lixiviación con alcohol o sosa.

CONCLUSIONES -

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Las operaciones unitarias son el área del proceso donde se incorpora toda la materia necesaria para una función determinada que es su finalidad, todo esto con una cierta secuencia. La Extracción es una operación unitaria utilizada para varios procesos industriales conocidos, siendo la Lixiviación un proceso de interés ya que se utiliza para la extracción de minerales.

BIBLIOGRAFIA -

Procesos y operaciones unitarias, C.J. Geankoplis, 3ra Edición, pág. 3-10 Operaciones unitarias, Martha Orozco, Edit. Limusa. 1ra Edición, Pág 45-50 Operaciones unitarias en la ingeniería de alimentos , Alberto Ibarz Ribas, Edit. Mundi Prensa, 1ra Edicion.