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                                                          OPERACIONES UNITARIAS

Operación Unitaria es la secuencia básica de un proceso que implica un cambio físico o químico, como separación, cristalización, evaporación, filtración, polimerización, isomerización y otras reacciones. Por ejemplo, en el procesamiento de tratamiento de leche, la homogeneización, la pasteurización y el envasado aséptico son cada una operación unitaria que componen un proceso general. Un proceso puede requerir muchas operaciones unitarias para obtener el producto deseado a partir de las materias primas.

Las operaciones unitarias son procesos fundamentales en ingeniería química que modifican la masa, energía o impulso de sustancias para obtener productos deseados. Incluyen técnicas como destilación, absorción, extracción y adsorción, esenciales en la purificación y producción industrial. Su diseño se basa en leyes de conservación y fuerzas impulsoras, y su aplicación abarca desde la refinación de petróleo hasta el tratamiento de aguas.

Las Operaciones Unitarias son aplicables a muchos procesos tanto físicos como químicos. Por ejemplo, el proceso empleado para la producción de la sal común consiste en la siguiente secuencia de operaciones unitarias: transporte de sólidos y líquidos, transferencia de calor, evaporación, cristalización, secado y tamizado. En este proceso no intervienen reacciones químicas. Por otro lado, el cracking del petróleo, con o sin ayuda de un catalizador, es una reacción química típica efectuada a gran escala. Las operaciones unitarias que se efectúan en este proceso – transporte de fluidos y sólidos, destilación y separaciones mecánicas diversas – son todas de una importancia vital y la reacción de cracking no podría realizarse sin ellas. Las etapas químicas se llevan a cabo controlando el flujo de materia y energía hacia y desde la zona de reacción.

Clasificación de las Operaciones Unitarias Basada en los Procesos de Transferencia y Operaciones de Separación Físico-Mecánicas

Las operaciones unitarias son procesos fundamentales en la ingeniería industrial y química que transforman materias primas en productos mediante cambios físicos o químicos. Se agrupan principalmente en tres tipos de procesos de transferencia: transferencia de calor, transferencia de masa y transferencia de cantidad de movimiento. A su vez, las operaciones de separación físico-mecánicas son esenciales para dividir y purificar materiales.

A continuación, se explican en detalle los procesos de transferencia junto con ejemplos y se incluyen las operaciones de separación físico-mecánicas.

Procesos de Transferencia de Calor

La transferencia de calor ocurre cuando existe una diferencia de temperatura, permitiendo que la energía térmica fluya de una zona caliente a una fría. Las operaciones unitarias basadas en este principio son fundamentales en el control de la temperatura en muchas aplicaciones industriales.

Conducción

La conducción es la transferencia de calor a través de un medio sólido o entre sólidos en contacto directo sin que haya movimiento del material.

Ejemplo: La conducción de calor a través de una pared metálica en un intercambiador de calor.

Convección

La convección es la transferencia de calor en un fluido debido al movimiento del mismo. Puede ser natural (por diferencias de densidad) o forzada (mediante ventiladores o bombas).

Ejemplo: Enfriamiento de agua en un radiador de coche mediante convección forzada.

Radiación

La radiación es la transferencia de energía térmica en forma de ondas electromagnéticas. No requiere de un medio material.

Ejemplo: La transferencia de calor por radiación solar a la superficie terrestre.

Evaporación

La evaporación es la transformación de un líquido en vapor, utilizando calor para romper las moléculas del líquido y generar un cambio de fase.

Ejemplo: La evaporación de agua en torres de refrigeración industriales para enfriar maquinaria. 

Procesos de Transferencia de Masa

La transferencia de masa involucra el movimiento de partículas de una región de mayor concentración a una de menor concentración. Esto ocurre entre fases o dentro de la misma fase, siendo clave en operaciones de separación.

Destilación

Proceso de separación de componentes en una mezcla líquida basada en sus puntos de ebullición diferentes. Es una forma de transferencia de masa donde los componentes más volátiles se evaporan y luego se condensan.

Ejemplo: Separación de etanol y agua en la producción de alcohol mediante destilación fraccionada.

Absorción

En este proceso, un componente gaseoso es absorbido por un líquido debido a su solubilidad.

Ejemplo: Eliminación de dióxido de carbono de una corriente de gases mediante su absorción en una solución de hidróxido de sodio.

Adsorción

Es el proceso por el cual moléculas en un fluido (líquido o gas) se adhieren a la superficie de un sólido por fuerzas físicas o químicas.

Ejemplo: Uso de carbón activado para adsorber impurezas en la purificación de agua potable.

Secado

El secado implica la eliminación de la humedad de un sólido mediante la transferencia de masa entre el sólido y el aire circundante.

Ejemplo: Secado de madera en hornos industriales.

Cristalización

Es el proceso de formación de cristales sólidos a partir de una solución cuando la concentración del soluto excede su solubilidad.

Ejemplo: Producción de sal a partir de agua de mar por evaporación y posterior cristalización.

Procesos de Transferencia de Cantidad de Movimiento

Estos procesos están relacionados con el movimiento de fluidos y sólidos, donde la cantidad de movimiento (masa por velocidad) se transfiere debido a la aplicación de fuerzas como la presión o la gravedad.

Flujo de Fluidos

El flujo de fluidos es el movimiento de líquidos o gases dentro de canales o tuberías. Se clasifican en flujo laminar (ordenado) y flujo turbulento (caótico).

Ejemplo: Transporte de petróleo crudo a través de oleoductos

Filtración

La filtración implica la separación de sólidos en suspensión de un fluido al hacerlos pasar a través de un medio poroso.

Ejemplo: Filtración de sedimentos en agua potable usando un filtro de arena.

Sedimentación

En la sedimentación, las partículas sólidas suspendidas en un líquido se separan por acción de la gravedad, descendiendo al fondo del recipiente.

Ejemplo: Tratamiento de aguas residuales donde los sólidos se sedimentan en estanques.

Centrifugación

La centrifugación utiliza una fuerza centrífuga para separar sólidos de líquidos o líquidos de diferentes densidades.

Ejemplo: Separación de componentes en la leche para producir nata y leche desnatada.

Operaciones de Separación Físico-Mecánicas

Este grupo de operaciones incluye procesos que implican la separación de mezclas de materiales sólidos y líquidos, sin cambios químicos ni de fase.

Tamizado

El tamizado consiste en la separación de partículas de diferentes tamaños mediante el uso de mallas o rejillas.

Ejemplo: Clasificación de minerales en la industria minera mediante tamices vibratorios.

Trituración y Molienda

Estas operaciones se utilizan para reducir el tamaño de partículas sólidas mediante fuerzas mecánicas.

Ejemplo: Trituración de rocas en la industria del cemento para producir partículas más finas.

Decantación

La decantación es la separación de líquidos inmiscibles o sólidos sedimentados de un líquido vertiendo la fase superior sin mezclar las fases.

Ejemplo: Separación de aceite y agua en la industria petroquímica.

Flotación

La flotación es un proceso que separa sólidos de líquidos utilizando agentes espumantes para que las partículas sólidas floten a la superficie.

Ejemplo: Separación de minerales metálicos en la minería mediante flotación con burbujas de aire. 

Campo de Aplicación de las Operaciones Unitarias en la Industria

Las operaciones unitarias son procesos fundamentales en la ingeniería química y otras disciplinas relacionadas, que permiten la transformación de materias primas en productos finales a través de una serie de etapas secuenciales. Estas operaciones son esenciales para optimizar la producción, mejorar la eficiencia energética y asegurar la calidad de los productos.

Aplicaciones en Diferentes Industrias

1. Industria Química

En la industria química, las operaciones unitarias son cruciales para la producción de una amplia gama de productos químicos, como ácidos, bases y polímeros. Procesos como la destilación, absorción y extracción se utilizan para separar y purificar los componentes químicos, asegurando la calidad y consistencia del producto final.

Un ejemplo puede ser una destilación simple:

“La destilación simple es un procedimiento en el que los vapores producidos de un líquido son llevados directamente a un condensador, dentro del cual baja la temperatura de los vapores y se produce su condensación.” (Bolívar, 2023)

2. Industria de Alimentos

La producción de alimentos depende en gran medida de las operaciones unitarias para procesos como la pasteurización, evaporación y secado. Estos procesos ayudan a conservar los alimentos, mejorar su calidad y prolongar su vida útil. Por ejemplo, la pasteurización se utiliza para eliminar microorganismos patógenos en productos lácteos y jugos.

Por ejemplo, para la pasterización de la leche:

“Se define como un proceso térmico utilizado para reducir la cantidad de bacterias y otros microorganismos presentes en los alimentos, específicamente en los líquidos.” (Sebastián, 2019)

3. Industria Farmacéutica

En la industria farmacéutica, las operaciones unitarias son esenciales para la fabricación de medicamentos. Procesos como la cristalización, filtración y secado aseguran que los productos farmacéuticos sean puros y eficaces. La cristalización, por ejemplo, se utiliza para obtener principios activos en forma pura a partir de soluciones.

“Los jarabes son soluciones líquidas concentradas con multitud de aplicaciones, desde jarabes para la tos y jarabes de azúcar hasta jarabes farmacéuticos. Su versatilidad los convierte en un componente vital en diversas industrias, incluidas la medicina, la alimentación y las bebidas.” (polly, s.f.)

4. Ingeniería Ambiental

Las operaciones unitarias juegan un papel vital en el tratamiento de aguas residuales y la gestión de residuos. Procesos como la filtración, sedimentación y adsorción se utilizan para eliminar contaminantes y proteger el medio ambiente. Estos procesos son fundamentales para cumplir con las normativas ambientales y asegurar la sostenibilidad.

“Cualquier industria o negocio debe llevar a cabo las acciones necesarias para una gestión de residuos líquidos apropiada y segura. En ese sentido, el tratamiento de residuos líquidos, además de ser obligatorio en la mayoría de casos, también puede ofrecer importantes beneficios para la industria.” (Telwesa, 2022)

5. Industria del Petróleo y Gas

La refinación de petróleo y la producción de gas natural dependen de operaciones unitarias como la destilación fraccionada, el craqueo y la absorción. Estos procesos permiten separar y purificar los productos derivados del petróleo, como gasolina, diésel y gas licuado, asegurando su calidad y eficiencia.

“En la elaboración de la gasolina, el sentido común nos dice que si tenemos moléculas con más átomos de carbono de los que necesitamos, hay que romper las cadenas que unen los átomos de carbono para obtener moléculas más chicas, cuyo número de carbono sea de cinco a nueve.” (Madrid, 2020)

Las operaciones unitarias son esenciales en diversas industrias, permitiendo la transformación eficiente y efectiva de materias primas en productos finales. Su aplicación en la industria química, de alimentos, farmacéutica, ambiental y del petróleo y gas demuestra su importancia para la producción industrial y la protección del medio ambiente.

CONCLUSIÓN

Las Operaciones Unitarias son el pilar fundamental de la Ingeniería Industrial, ya que nos permite descomponer y analizar procesos complejos en componentes más simples y comprensibles, facilitando una visión detallada y sistemática de cada etapa productiva y a su vez a través de su estudio, se adquiere una comprensión profunda del funcionamiento de los sistemas industriales, lo que abre la puerta a su optimización y perfeccionamiento continuo. Esto no solo impulsa la eficiencia y productividad de los procesos, sino que también contribuye de manera significativa a la reducción de costos y a una gestión más sostenible de los recursos, alineándose con los principios de responsabilidad ambiental.

De manera general, en un entorno industrial caracterizado por la competitividad y la constante evolución tecnológica, el dominio de las operaciones unitarias se traduce en la capacidad de diseñar y gestionar sistemas de producción más eficientes, seguros y adaptables a las necesidades cambiantes del mercado, de este modo, comprender y aplicar estos conceptos permite no solo mejorar los procesos existentes, sino también innovar en la creación de nuevos métodos y tecnologías que optimicen el rendimiento industrial.

Como estudiantes, desarrollar un pensamiento crítico y analítico en torno a las operaciones unitarias que nos preparan para enfrentar los desafíos del sector con una perspectiva proactiva y creativa, consolidándonos como profesionales capaces de generar soluciones integrales e innovadoras, esto nos enriquece posesionándonos como agentes de cambio en la transformación industrial, contribuyendo activamente en el progreso y la sostenibilidad de las organizaciones en un mundo cada vez más dinámico y exigente.

BIBLIOGRAFÍA

Bolívar, G. (30 de 03 de 2023). lifeder. Obtenido de lifeder: https://www.lifeder.com/destilacion-simple/

Madrid, M. (01 de 06 de 2020). portaldelpetroleo. Obtenido de portaldelpetroleo: https://portaldelpetroleo.com/elaboracion-de-la-gasolina/

polly. (s.f.). ace-chn.mx. Obtenido de ace-chn.mx: https://ace-chn.mx/blog/proceso-de-fabricacion-de-jarabe/

S.A, P. (2022). Equipamiento didactico y científico . Lego Educación.

Santander, U. I. (215). Operaciones Unitarias. Construimos Futuro .

Sebastián. (03 de 05 de 2019). circuitoproductivo. Obtenido de circuitoproductivo: https://circuitoproductivo.com/pasteurizacion-de-la-leche-que-es/

Telwesa. (23 de 03 de 2022). Telwesa. Obtenido de Telwesa: https://telwesa.com/tratamiento-de-residuos-liquidos/

Jamaica Aldana, O. R. (2015). Diseño de una estrategia experimental para la enseñanza de principios fisicoquímicos relacionados con las operaciones unitarias involucradas en la extracción de aceites esenciales. https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/handle/unal/56177/omarricardojamaicaaldana.2015.pdf?sequence=1

McCabe, W. L., Smith, J. C., & Harriott, P. (2007). Operaciones Unitarias en Ingeniería Química (7ª ed.). McGraw-Hill.

Geankoplis, C. J. (2006). Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias (4ª ed.). Pearson Educación.

Coulson, J. M., & Richardson, J. F. (2000). Coulson & Richardson's Chemical Engineering: Volume 2 - Particle Technology and Separation Processes (5ª ed.). Butterworth-Heinemann.

Perry, R. H., & Green, D. W. (2007). Perry's Chemical Engineers' Handbook (8ª ed.). McGraw-Hill.

Foust, A. S., Wenzel, L. A., Clump, C. W., Maus, L., & Andersen, L. B. (1980). Principles of Unit Operations (2ª ed.). John Wiley & Sons