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OPERACIONES UNITARIAS 1

UNIDAD III: PRENSADO.

1. Defina el objetivo de la operación unitaria del prensado. El objetivo del prensado es la separar un líquido de un sólido, de un sistema de dos fases (solido-liquido), mediante la compresión, permitiendo que el líquido escape al mismo tiempo que se retiene el sólido. 2. ¿En qué radica la importancia del prensado a nivel industrial? En que el prensado puede aplicarse a sistemas donde es difícil utilizar la filtración, debido a que no se pueden bombear con facilidad. También se emplea cuando se desea una extracción más completa del líquido o como una operación después de la filtración. 3. ¿Cuáles son los criterios más importantes para la clasificación de prensas?  Prensa disco Los dos discos, o las dos ruedas de prensa, convergen en un espacio muy estrecho en el fondo. Este es el punto de máxima compresión, pudiendo ser 14 veces mayor que la presión de alimentación. Las ruedas de las prensas tienen canales por los que circula el líquido proveniente del producto descolonizado, y están cubiertas por una lámina. Se usan ruedas de 1.5 metros de diámetro en prensas de gran tamaño que requieren 80 HP y producen 1 tonelada / hora de sólidos. El prensado de materiales fibrosos como los pozos de café. 

Prensa rodillos rígidos perforados Es para la descolonización de pulpa de papel, especialmente para los procesos de una sola etapa de una suspensión entre 2 o un 5 por 100 de sólidos y que se deshidrata hasta un 50 por 100. También se usa para el procesamiento de cítricos. Los dos rudos rotan uno hacia el otro, y la carga y el grado de deslocalización depende del tamaño del hueco entre los discos, así como la velocidad de la alimentación y la consistencia de los sólidos. El fondo del recipiente esta sellado de manera que la suspensión pueda bombearse hacia los rodillos con presiones de hasta 140 kPa y estos actúen como filtros a presión hasta

que la torta comprimida entre ellos una vez que se a separado de la suspensión por la rotación de los rulos. Las máquinas de mayor tamaño con unos rodillos de 1.5 metros de diámetro y 7 metros de longitud pueden producir hasta 37 Toneladas /hra. 

Prensa Tornillo El tornillo rotatorio tiene una inclinación constante hacia como un diámetro de .3 metros. La presión para exprimir el jugo de una fruta se consigue disminuyendo la apertura final mediante un cono hidráulico ajustable y haciendo el eje del tornillo más ancho hacia el punto de descarga.

4. ¿Cuáles son los criterios más importantes para la selección de prensas? Para seleccionar el tipo de prensa a usar en un trabajo dado, se deben considerar:  El tipo de operación a desarrollar, tamaño de la pieza, potencia requerida, y la velocidad de la operación. Para la mayoría de las operaciones de punzonado, recortado y desbarbado, se usan generalmente prensas del tipo manivela o excéntrica. En estas prensas, la energía del volante se puede transmitir al eje principal, ya sea directamente o a través de un tren de engranes. La prensa de junta articulada se ajusta idealmente a las operaciones de acuñado, prensado o forja. Tienen una carrera corta y es capaz de imprimir una fuerza extrema (Lopéz González, 2009). 5. ¿En qué consiste el concepto de velocidad de prensado? Escriba su ecuación descriptiva. 6. ¿En qué consiste el concepto de potencia en la operación de prensado? Escriba su ecuación descriptiva. 7. ¿Cuáles son los criterios principales que hay que considerar en el diseño de prensas? En diseño de prensas, conocer el número de piezas diarias que se pretenden fabricar, los materiales a trabajar y los procesos de deformación es muy importante para adecuar el diseño de la prensa a las necesidades del trabajo a efectuar, así este trabajo se realizara con mayor eficiencia.

UNIDAD IV: BIOSEPARACIONES. 8. ¿En qué consiste la filtración por membranas en el ámbito industrial? Los procesos de membrana se utilizan para concentrar o bien fraccionar un líquido en dos de diferente composición. La membrana es una barrera permeoselectiva entre dos medios fluidos, que permite la transferencia de determinados componentes de un medio al otro a través de ella y evita el paso de otros componentes, el transporte se realza aplicando una fuerza impulsora. (Duarte, 2016) 9. ¿Cuáles son los criterios para la caracterización de membranas? Dé ejemplos.  Criterios estructurales  Criterios funcionales  Criterios de biocompatibilidad También podemos considerar algunas características como el tamaño del poro, distribución del poro, volumen libre, cristalinidad, rechazo, factor de separación y el factor de enriquecimiento. Ejemplos:  Celulosas regeneradas, celobiosas o hemicelulosas. Se caracterizan por ser estructuras sumamente hidrofílicas y de aspecto homogéneo, que absorben agua para formar un verdadero hidrogel. Tal consistencia permite la obtención de membranas muy finas y sin embargo suficientemente resistentes.  Celulosas modificadas. Mediante sustitución de las funciones alcohólicas de la glucosa se modifican las propiedades de superficie de las membranas de celulosa regenerada, si bien mantienen el mismo mecanismo de acción, es decir la difusión de solutos a través de un “hidrogel”.  Polímeros sintéticos. Este grupo engloba una amplia variedad de membranas de muy diferente composición con la característica común de ser de origen sintético. Las

membranas son asimétricas y anisótropas; de estructura sólida y con espacios vacíos, a diferencia de lo indicado sobre las zonas amorfas de las membranas de celulosa regenerada. (III, 1996) 10. ¿Cuáles son los factores más relevantes en selección de membranas?  El proceso de filtración  Las posibilidades de limpieza  La mínima caída de presión  Los costos favorables de fabricación  La posibilidad de cambio de la membrana (Barragan, 2008)

la

11. ¿Cuáles son los criterios más importantes en el diseño de membranas? En el diseño de las unidades de ósmosis inversa aparecen ciertas dificultades que deben tenerse presentes para que la unidad resultante pueda aplicarse con éxito al problema de separación que se pueda plantear. Entre estas dificultades podrán citarse: a) Las membranas suelen ser frágiles y no pueden aguantar altas presiones de trabajo. b) La capa de polarización por concentración, que se debe intentar eliminar, dificulta la transferencia de materia y, además, produce el ensuciamiento de las membranas. c) Las membranas suelen ser voluminosas, por lo que deben buscarse diseños que presenten una densidad de empaquetamiento elevada, con el fin de reducir las dimensiones del recipiente que las contiene, pues éste debe operar a presión. d) Deben evitarse los altos costos que representa el remplazamiento de las membranas (Ibarz, 2005). 12. Defina el concepto de nanofiltración y mencione una aplicación a nivel industrial. La nanofiltración es una tecnología de filtración de membrana de ultra/baja presión con el mismo fundamento que la osmosis inversa y difusión controlada. La diferencia principal es el grado de retención que logran estas membranas, operando en rangos más altos de corte de peso molecular (10 a 100 Å).

Figura 1. Las aplicaciones para los sistemas de NF   

Ablandamiento Separación especifica de metales pesados por proceso de chorro para la reutilización del agua. Reducción de contenidos de sales de la ligera agua salobre.

La nanofiltración es un proceso utilizado en la purificación de agua. Este proceso consiste en la separación de contaminantes y agua basada en el tamaño molecular. Por lo regular, la nanofiltración se utiliza como proceso de eliminación de sustancias orgánicas, entre las que se encuentran iones multivalentes, microcontaminantes y, de forma moderada, sales univalentes. 13. Defina el concepto de Microfiltración y mencione una aplicación a nivel industrial. La microfiltración es una tecnología confiable y eficiente para la remoción de sólidos y recuperación de productos en todo tipo de líquidos. La microfiltración tiene un grado de filtración más pequeño que un filtro multimedia y las membranas usadas para la microfiltración tienen un tamaño de poro de 0.1–10 µm. Por tener una porosidad tan pequeña, estos filtros tienen la ventaja adicional de retener bacterias y virus, a pesar de que los virus son más pequeños que los poros de la membrana de microfiltración. Esto es porque los virus se pueden acoplar a las bacterias.

Algunos ejemplos de aplicaciones de la microfiltración son:       

Esterilización por frío de bebidas y productos farmacéuticos. Aclaramiento de zumos de frutas, vinos y cerveza. Separación de bacterias del agua (tratamiento biológico de aguas residuales). Tratamiento de efluentes. Separación de emulsiones de agua y aceite. Pre-tratamiento del agua para nano filtración y ósmosis inversa. Separación sólido-líquido para farmacias e industrias alimentarias.

14. Defina el concepto de Electrodiálisis y mencione una aplicación a nivel industrial. La electrodiálisis es un proceso de separación electroquímica en el que las membranas cargadas y una diferencia de potencial eléctrico se usan para separar especies iónicas y otros componentes no cargados de una solución acuosa. La electrodiálisis hoy en día es utilizada ampliamente para la desalación del agua salobre y, en algunas zonas del mundo, es el proceso principal para la producción de agua potable (Salamanca, 2000). 15. Menciones las principales técnicas electroforéticas y bajo qué criterios se encuentran clasificadas. Las modalidades electroforéticas básicas se distinguen por la existencia o no de un medio estabilizante en la zona donde se mueven las partículas cargadas. Así se distingue entre electroforesis de zona o libre. La electroforesis libre se caracteriza por ser una fase liquida única separación entre los electrodos. Tiene un valor histórico pues fue a primera que se desarrolló en su modalidad convencional con un tubo más o menos sofisticado en forma de U, o bien mediante el empleo de un tubo estrecho capilar en la modalidad de la isotactoforesis. La electroforesis zonal puede llevarse cabo de manera diferente, según la configuración o situación del medio estabilizante, que puede estar en forma plana (papel, membrana, capa, fina) o bien

en una columna conteniendo material pulverizado compacto (M. Valcárcel Cases, 1988). UNIDAD VI: TRANSPORTE DE SÓLIDOS. 25. Defina el objetivo de la operación unitaria del transporte de sólidos. El transporte de sólidos se refiere al movimiento de los sólidos del punto de suministro de materia prima al inicio del proceso, del punto final del proceso hacia el lugar de almacenamiento, entre dos puntos del proceso, del lugar de almacenamiento a la línea de empacado y/o distribución (Cabrejos & Jofre, 2004). 26. ¿Cuál es la importancia del transporte de sólidos a nivel industrial? Sistemas de transporte de solidos se utilizan ampliamente en la industria para transportar materiales solidos porque son extremadamente versátiles, adecuados y económicos para muchos procesos. El transporte de sólidos se ha practicado por más de un siglo en el mundo y hoy se puede encontrar sistemas de este tipo en las más variadas industrias: la minería, industria del cemento y construcción, química y farmacéutica, plásticos, de alimentos, papel, vidrio, energía, etc (Cabrejos & Jofre, 2004). 27. ¿En qué consisten los equipos de transporte neumático? Dé un ejemplo e incluya su diagrama. El objetivo principal de un sistema de transporte neumático es transportar materiales sólidos a granel desde un punto a otro por medio de un flujo de gas a presión, ya sea positiva o negativa, y a través de una cañería. Materiales particulados finos en el rango de los micrones hasta partículas de 20 mm se pueden transportar en forma horizontal y/o vertical, desde algunos metros hasta máximo dos kilómetros de distancia, y con capacidades de hasta 1000 t/h a través de cañerías de hasta 500 mm de diámetro. La Figura 1 muestra esquemáticamente los componentes básicos de un sistema de transporte neumático en fase diluída, continuo y de baja presión positiva (inferior a 1 bar). En este tipo de sistemas de transporte neumático, el material es transportado en suspensión dentro de

la cañería, las partículas se distribuyen uniformemente en toda la sección transversal de la cañería (flujo homogéneo), la concentración de sólidos es relativamente baja (inferior a 10 kgs de sólidos por kg de gas) y la velocidad de transporte es relativamente alta. El soplador provee el flujo y la presión de aire necesario para transportar al material desde el punto de alimentación hasta el punto de descarga. El alimentador introduce las partículas sólidas dentro de la cañería donde se mezclan con el gas de transporte y a un flujo controlado para evitar sobrecargar la línea. Sistemas de presión positiva requieren de un mecanismo de sello para alimentar el material (generalmente a presión ambiente) dentro de la cañería que está presurizada. En el ejemplo se muestra además un tornillo de flujo másico como alimentador (para asegurar flujo másico de descarga en el silo), una válvula rotatoria tipo ‘airlock’, una tee en la unión con la cañería, los silos de almacenamiento, la cañería, codos y un filtro de mangas (Cabrejos & Jofre, 2004).

Figura 2.

28. ¿En qué consisten los equipos de transporte mecánico? Dé un ejemplo e incluya su diagrama. Se encargan del movimiento de los sólidos y puede llevarse a cabo mediante la gravedad, manualmente o aplicando una dada potencia. Los sólidos pueden transportarse empacados o a granel. En relación con la industria de alimentos, los equipos de manejo de sólidos, exceptuando los de transporte neumático, camiones y grúas, pueden clasificarse en: 

Cintas transportadoras.

 

Transportadores de cadena: raspadores y de baldes o cangilones o capachos. Transportadores de tornillos (CONICET Bahía Blanca, 2012).

Ejemplo: Transportado de Tornillo (de Rosca o Sin Fin) (Figura X) El transportador de rosca consiste en un eje de acero, sobre el cual se desarrolla una espiral, que gira dentro de un canal. El eje es propulsado por un motor y el acople se produce a través de engranajes o cadenas. Este transportador se utiliza para el movimiento de materiales abrasivos y no abrasivos, en horizontal y oblicuo con pendiente que no supere los 30º. Puede transportar cereales, carbón, arena, piedra, Clinker de cemento, etc. La longitud máxima de transporte no debe superar los 30 metros, pues más allá de esa distancia los esfuerzos de torsión que se producen son muy elevados. El diámetro máximo a utilizar es de 0,60 metros. Este tipo de transporte se utiliza principalmente para movilización de granos en silos de campaña y se los denomina “chimango” (UBA, 2016).

Figura 3. Transportador de tornillo sin fin. 29. ¿Cuáles son los factores más importantes a considerar en la selección del equipo? Para la elección o diseño de un correcto sistema de transporte, es necesario tener en cuenta los siguientes factores: 



Capacidad del transportador: los sistemas de transporte formados por bandas móviles engarzadas, permiten el transporte de grandes cantidades de material a velocidades relativamente altas. Longitud de desplazamiento

 



Elevación: debido a que el aumento en la altura hace más fácil el transporte de uno y otro modo. Requisitos de procesamiento: el proceso productivo puede continuar a la vez que se trasporte el sólido, llevando a cabo operaciones simples como el enfriamiento o el lavado. Costos: es un factor importante a tener en cuenta, por el que, en ocasiones, se sustituye por un medio tradicional, como puede ser el medio terrestre (Machuca & Hervás, 2012).

30. ¿Cuáles son los factores más importantes a considerar en el diseño de este tipo de equipos? En la industria se utilizan varios métodos para el transporte, pero de todos ellos el neumático proporciona mejores resultados en el transporte de productos secos, finos y a granel. El transporte se diseña en función de la trayectoria que se lleva a cabo:    



Transporte horizontal de materiales: utiliza transportadores de banda articular, de arrastre continuo. Transporte vertical: utiliza los de banda de flujo continuo. Elevación con trayectorias combinadas. Distribución helicoidal: se usan tornillos sinfín, de forma que, en su avance de giro, se produzcan sobre el producto un avance perpendicular. Transporte con vagones: se deposita el material en los mismos, siendo fácilmente manejables (Machuca & Hervás, 2012).

31. ¿En qué consiste el cálculo de la potencia requerida para el transporte de sólidos? Ejemplo de cálculo de potencia para transportador de tornillo sin fin (transportador mecánico) CAPACIDAD: Q

ton D 2 πφγsn 60 = hra 4

( )

POTENCIA: Q ( HP )=KLQγ Dónde: D: diámetro del tornillo (metros). s: paso del tornillo (generalmente s: 0.7D). n: velocidad del tornillo (rpm). Toma valores según los distintos materiales transportados y el diámetro del tornillo. Para materiales livianos, entre 100 y 200 rpm. γ : Peso específico aparente del material a transportar (Ton/m3). φ : Rendimiento volumétrico. El canal no se llena completamente con el

material, suele ser 0.5. K: constante que varía con el peso y abrasividad del material a transportar tomando los siguientes valores. Materiales livianos y no abrasivos (ej. cereales): 0.018. Materiales pesados y no abrasivos (ej. Carbón): 0.020. Materiales pesados y abrasivos (ej. clinker): 0.024. L: longitud del tornillo (metros) (UBA, 2016).

Bibliografía Barragan, J. A. (2008). Caracterizacion del uso de la ultrafiltracion Tangencial Para la Concentracion. Escuela Politecnica Nacional .

Cabrejos, F., & Jofre, M. (2004). TRANSPORTE NEUMÁTICO DE MATERIALES SÓLIDOS A GRANEL. CHILE. CONICET Bahía Blanca. (Marzo de 2012). Capítulo 12: Transporte Mecánico de Sólidos. Obtenido de Centro Científico Tecnológico Bahía Blanca: http://www.criba.edu.ar/cinetica/solidos/Capitulo12.pdf Duarte, S. (29 de Mayo de 2016). Universidad Nacional Abierta y a Distancia . Obtenido de http://datateca.unad.edu.co/contenidos/211616/Articulos/Material_exten dido/11_Tecnologia_de_membranas.pdf Ibarz, A. (2005). Operaciones unitarias en la ingeniería de alimentos. Madrid: Mundiprensa. III, M. d.-I. (29 de Junio de 1996). Evaluación De Los Diferentes Tipos De Membranas De Hemodiálisis. Madrid . Obtenido de http://gesdoc.isciii.es/gesdoccontroller? action=download&id=06/11/2012-9e1855329d Lopéz González, R. M. (2009). Propuesta de control para una prensa excéntrica de mesa fija con transmición de engranajes y sistema hidraulico de sobrecarga. México: IPN. M. Valcárcel Cases, A. G. (1988). Técnicas analíticas de separación. Reverté. Machuca, D., & Hervás, M. (2012). Operaciones Unitarias y Proceso Químico. QUIE0108. (Primera ed.). España: IC Editorial. Salamanca, U. A. (2000). Electrodialisis. Salamanca: ETAP. UBA. (Marzo de 2016). Transporte de Sólidos. Obtenido de Universidad de Buenos Aires: http://materias.fi.uba.ar/7202/MaterialAlumnos/08_Apunte %20TteSolidos.pdf