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Operación unitaria

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Ingeniería química
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Procesos unitarios
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Archivo:LOC MI0086 QuincyMine TIF 00027aS.png
Un proceso de extracción de mineral dividido en sus operaciones unitarias constituyentes (Quincy Mine, Hancock, MI, ca. 1900).

En ingeniería química y sus campos relacionados, una operación unitaria es un paso básico en un proceso industrial. Las operaciones unitarias implican cambios físicos (predominantemente) o transformaciones químicas, e incluyen procesos como separación, cristalización, evaporación, filtración, polimerización, isomerización y otros tipos de reacciones.[1][2] Los cambios físicos se llevan a cabo con diversos propósitos, generalmente para acondicionar los materiales antes de someterlos a reacciones químicas, asegurando que estas ocurran de manera eficiente y controlada.[3]

Por ejemplo, en el procesamiento de leche, la homogeneización, la pasteurización y el envasado son operaciones unitarias individuales que se conectan para crear el proceso completo de producción de leche pasteurizada y homogeneizada.[4] Un proceso industrial puede requerir muchas operaciones unitarias para transformar las materias primas en el producto final deseado.

Historia

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Históricamente, las diferentes industrias químicas se consideraban procesos independientes con principios específicos. El químico e ingeniero estadounidense Arthur Dehon Little propuso por primera vez el concepto de "operaciones unitarias" en 1916 para unificar los principios subyacentes a los diversos procesos de la química industrial.[5]

En 1923, William H. Walker, Warren K. Lewis y William H. McAdams publicaron el influyente libro The Principles of Chemical Engineering (Los principios de la ingeniería química), donde explicaron que, a pesar de la aparente diversidad de las industrias químicas, todas comparten procesos que siguen las mismas leyes físicas.[6] Walker, Lewis y McAdams agruparon estos procesos similares bajo el concepto de "operaciones unitarias". Cada operación unitaria obedece las mismas leyes físicas y puede aplicarse en todas las industrias químicas relevantes. Por ejemplo, los principios de diseño de un mezclador son los mismos para mezclar napalm o para mezclar papilla, independientemente de las diferencias en el uso final, el mercado o los fabricantes. Las operaciones unitarias constituyen, por tanto, los fundamentos de la ingeniería química.[7]

Relación con los procesos unitarios

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En ingeniería química, las etapas donde se producen cambios predominantemente físicos se conocen como operaciones unitarias, mientras que aquellas donde ocurren reacciones químicas se denominan procesos unitarios.[8] Ambos conceptos constituyen los principios fundamentales de todo tipo de industrias químicas y son la base para el diseño de plantas químicas, fábricas y equipos.[9]

A menudo, las operaciones unitarias deben realizarse antes de los procesos unitarios para acondicionar los materiales, de modo que las reacciones químicas ocurran de manera óptima. Asimismo, las operaciones unitarias suelen ser necesarias después de la reacción química para separar el producto principal de los subproductos o impurezas. Cabe destacar que existen procesos mixtos que combinan ambos conceptos, como la destilación reactiva, la extracción reactiva o la absorción reactiva, donde la reacción química y la separación física ocurren simultáneamente en el mismo equipo.[10]

Clasificación de las operaciones unitarias

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Las operaciones unitarias pueden clasificarse en varias categorías según los mecanismos físicos o químicos involucrados.[1]

Clasificación general

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Una clasificación tradicional agrupa las operaciones unitarias en cinco clases principales:

  1. Procesos de flujo de fluidos: incluyen el transporte de fluidos, la filtración y la fluidización de sólidos.
  2. Procesos de transferencia de calor: incluyen la evaporación y el intercambio de calor en sus diversas formas.
  3. Procesos de transferencia de masa: incluyen la absorción de gases, la destilación, la extracción (líquido-líquido o sólido-líquido), la adsorción y el secado de sólidos.
  4. Procesos termodinámicos: incluyen la licuefacción de gases y la refrigeración.
  5. Procesos mecánicos: incluyen el transporte de sólidos, la trituración y pulverización, y el cribado y tamizado.

Clasificación por operaciones fundamentales

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Otra forma de clasificar las operaciones unitarias es según las operaciones fundamentales que involucran elementos de más de una categoría:

  • Combinación (mezcla): operaciones que combinan dos o más corrientes o fases (ej. mezclado, agitación).
  • Separación: operaciones que dividen una corriente en dos o más componentes (ej. destilación, cristalización, filtración, centrifugación).
  • Reacción: operaciones donde ocurre una transformación química (propiamente, procesos unitarios).

Existen operaciones unitarias "puras", que implican solo transporte físico (como el flujo de fluidos o la transferencia de calor sin reacción), y procesos fisicoquímicos mixtos, que requieren modelar tanto el transporte físico como la reacción química. Estos últimos son típicos de los reactores catalíticos y constituyen la disciplina de la ingeniería de reacciones químicas.[11]

Clasificación por tipo de transferencia de masa

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Considerando específicamente la transferencia de masa, las operaciones unitarias pueden clasificarse en:[12]

  • Difusionales: operaciones en las que se establece un equilibrio dinámico entre fases, ya sea líquido-vapor, líquido-líquido o líquido-sólido. Incluyen la destilación, la evaporación, la cristalización, el secado, la extracción líquido-líquido, la extracción sólido-líquido y el acondicionamiento de aire.
  • No difusionales: operaciones en las que no se establece un equilibrio entre fases. Incluyen el flujo de fluidos, la molienda, el tamizado, la sedimentación, la filtración, la centrifugación y el transporte de sólidos.

Modelización de operaciones unitarias

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El diseño de las operaciones unitarias se basa en principios de conservación (masa, energía y cantidad de movimiento) y en leyes de equilibrio y cinética. En general, se formulan ecuaciones para un elemento diferencial (volumen de control) o para una etapa ideal, considerando los flujos de entrada y salida de cada componente. Estas ecuaciones, que suelen ser diferenciales o algebraicas, se resuelven para determinar los parámetros de diseño (dimensiones del equipo, condiciones operativas) y se selecciona la solución óptima entre varias alternativas posibles.[1]

Por ejemplo, la destilación en una columna de platos se analiza mediante balances de masa y energía para cada plato, utilizando relaciones de equilibrio vapor-líquido (como la ley de Raoult o modelos de coeficientes de actividad) y eficiencias conocidas. La combinación de las ecuaciones de todos los platos da un sistema de ecuaciones para toda la columna. Existe un rango de soluciones posibles: una mayor relación de reflujo permite menos platos y viceversa. El ingeniero debe encontrar la solución óptima considerando la altura de la columna, el volumen de retención y los costos de construcción y operación.[10]

Ejemplos de operaciones unitarias comunes

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A continuación se enumeran algunas de las operaciones unitarias más frecuentes en la industria química y de procesos:[13]

Véase también

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Referencias

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  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 McCabe, Warren L.; Smith, Julian C. (2005). «1 (Introduction)». Unit Operations of Chemical Engineering (7.ª edición). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-284823-6. 
  2. ↑ Geankoplis, Christie J. (2018). «1 (Introduction to Engineering Principles)». Transport Processes and Separation Process Principles (5.ª edición). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-418018-2. 
  3. ↑ Towler, Gavin; Sinnott, Ray (2013). «2 (Process Design)». Chemical Engineering Design: Principles, Practice and Economics of Plant and Process Design (2.ª edición). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-096659-5. 
  4. ↑ Kessler, H. G. (2002). «6 (Milk Processing)». Food and Bio Process Engineering: Dairy Technology. A. Kessler. ISBN 978-3-9802378-5-7. 
  5. ↑ «Arthur Dehon Little». Scatter Acorns That Oaks May Grow. MIT Libraries. Archivado desde el original el 11 de marzo de 2009. Consultado el 13 de noviembre de 2013. 
  6. ↑ «Arthur D. Little, William H. Walker, and Warren K. Lewis». Science History Institute. Consultado el 20 de marzo de 2018. 
  7. ↑ Bird, R. Byron; Stewart, Warren E. (2007). «1 (Viscosity and the Mechanisms of Momentum Transport)». Transport Phenomena (2.ª edición). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-11539-8. 
  8. ↑ Smith, J. M.; Van Ness, H. C. (2005). «1 (Introduction)». Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics (7.ª edición). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-310445-4. 
  9. ↑ Couper, James R. (2012). «2 (Process Design)». Chemical Process Equipment: Selection and Design (3.ª edición). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-12-396959-0. 
  10. ↑ 10,0 10,1 Seader, J. D.; Henley, Ernest J. (2016). «1 (Separation Processes)». Separation Process Principles (4.ª edición). John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-22522-6. 
  11. ↑ Fogler, H. Scott (2016). «1 (Mole Balances)». Elements of Chemical Reaction Engineering (5.ª edición). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-388751-8. 
  12. ↑ Treybal, Robert E. (1980). «1 (Introduction)». Mass Transfer Operations (3.ª edición). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-065176-0. 
  13. ↑ Perry, Robert H.; Green, Don W. (1997). Perry's Chemical Engineers' Handbook (7.ª edición). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-049841-9. 

Lecturas complementarias

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  • McCabe, Warren L.; Smith, Julian C. (2005). Unit Operations of Chemical Engineering (7.ª edición). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-284823-6. 
  • Geankoplis, Christie J. (2018). Transport Processes and Separation Process Principles (5.ª edición). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-418018-2. 
  • Seader, J. D.; Henley, Ernest J. (2016). Separation Process Principles (4.ª edición). John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-22522-6. 
  • Treybal, Robert E. (1980). Mass Transfer Operations (3.ª edición). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-065176-0. 

Enlaces externos

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