Operaciones unitarias: concepto, tipos y ejemplos
¿Qué son las operaciones unitarias?
Cuando en la industria química o áreas afines se quiere preparar o sintetizar algún producto a partir de materia prima por medio de un proceso largo y complicado, resulta conveniente dividir este proceso en etapas individuales simples que sean fáciles de analizar por separado. Estas etapas individuales que involucran un solo cambio o transformación se denominan operaciones unitarias.
Una operación unitaria puede involucrar cambios tanto físicos como químicos. Estos cambios pueden ser muy variados e ir desde algo tan simple como el secado de un producto sólido, hasta una reacción controlada de polimerización catalizada en un reactor químico.
La ingeniería química se basa en las operaciones unitarias. De hecho, la forma en que estas se relacionan entre sí y los equipos que se utilizan en ellas, proporcionan la base para el diseño, construcción y control de las plantas químicas.
Tipos de operaciones unitarias
Las operaciones unitarias son muy variadas y se pueden clasificar según cuatro criterios diferentes. Estos son:
- El tipo de transporte que las gobiernan.
- Según su naturaleza.
- Su régimen de trabajo.
- El fin que persiguen.
Estos criterios se describen a continuación:
1. Clasificación según el tipo de transporte que las gobiernan
Este es el principal criterio de clasificación que utilizan los ingenieros químicos. Las operaciones unitarias buscan modificar los materiales de entrada para obtener lo que se quiere en la salida.
Lo anterior implica bien sea modificar su masa o composición, lo que implica una transferencia de materia; modificar su nivel o calidad de energía, lo que implica transferencia de energía; o modificar su velocidad o dirección de movimiento, lo que implica transferencia de cantidad de movimiento.
Según cuál o cuáles de estos tipos de transporte controlen la operación unitaria, éstas se pueden clasificar en:
Operaciones de transferencia de materia
Estas son aquellas en las que hay una transferencia de masa hacia o desde las sustancias involucradas en el proceso. Estas operaciones unitarias incluyen:
- Los procesos de extracción tanto sólido-líquido como líquido-líquido.
- Los procesos de rectificación.
- La absorción y la desabsorción.
- La adsorción y la desorción.
Operaciones de transferencia de energía
Estas operaciones incluyen todos los procesos en los que se transfiere calor hacia o desde el sistema, pero sin que ocurra la pérdida o ganancia de materia. Es decir que solo hay una corriente de entrada y una de salida, pudiendo o no ocurrir un cambio físico. Estas operaciones unitarias incluyen:
- El intercambio de calor sin cambio de fase o de estado.
- Procesos de evaporación y condensación.
- Los procesos de sublimación y deposición.
- Procesos de fusión y de solidificación.
Operaciones de transferencia de materia y energía
En estas operaciones unitarias se utiliza la transferencia de energía, generalmente en forma de calor, para llevar a cabo la separación o la unión de varias fases, por lo que también ocurre una transferencia de masa. Algunos ejemplos de operaciones con transferencia de materia y energía incluyen:
- La humidificación y la deshumidificación.
- El secado.
- La liofilización.
- La destilación.
Operaciones de transferencia de cantidad de movimiento
Estas operaciones unitarias son las que involucran mover un cuerpo de un lugar a otro sin llevar a cabo ninguna otra transformación. Este tipo de operaciones incluye:
- La circulación de fluidos.
- El transporte de sólidos.
Operaciones complementarias
Estas son operaciones adicionales a las ya mencionadas y que no encajan bien en ninguna de las otras clases. Algunos ejemplos son:
- Sedimentación.
- Circulación de fluidos a través de lechos porosos.
- Agitación de líquidos.
2. Clasificación según su naturaleza
De acuerdo a este criterio, las operaciones unitarias se pueden clasificar en:
Operaciones unitarias físicas
Estas operaciones unitarias implican cualquier cambio físico en el que la naturaleza de las sustancias involucradas permanece constante. Es decir, en ellas no ocurren reacciones químicas de ningún tipo.
Operaciones unitarias químicas
Como su nombre lo indica, estas operaciones unitarias involucran la ocurrencia de reacciones químicas que transforman las sustancias químicas de la materia prima en otras sustancias diferentes. Estas operaciones unitarias son la esencia y la razón de ser de la industria química.
Operaciones unitarias biológicas
Son similares a las operaciones unitarias químicas, pero con la única diferencia de que las reacciones químicas las llevan a cabo organismos biológicos vivos tales como bacterias, hongos y levaduras.
3. Clasificación según su régimen de trabajo
Además de la clasificación anterior, las operaciones unitarias tanto físicas como químicas y biológicas también se pueden separar en dos tipos dependiendo de si se llevan a cabo o no de manera ininterrumpida:
Operaciones unitarias por lotes
Son aquellas operaciones en las que la producción o la transformación se da en pasos discretos secuenciales. Generalmente se utilizan en plantas pequeñas o cuando se buscan productos finos o de alta pureza.
Tanto las operaciones unitarias físicas, como las químicas y las biológicas se pueden llevar a cabo por lotes. En el caso de las operaciones químicas, generalmente involucran el uso de un reactor cerrado dentro del cual se añade la materia prima, se cierra para llevar a cabo la reacción química durante un período preestablecido de tiempo, y luego se abre para retirar los productos.
Operaciones unitarias continuas
Son las que se llevan a cabo de manera ininterrumpida. En estos casos tanto la alimentación de materia prima como la remoción o eliminación del producto se hacen de manera continua y de allí su nombre.
4. Clasificación según el fin que persiguen
Finalmente, se pueden distinguir distintos tipos de operaciones unitarias según su finalidad. En este caso, se pueden distinguir 3 grandes categorías:
Operaciones de combinación
Estas incluyen las operaciones de mezclado de dos o más sustancias o fases para obtener una única fase final lo más homogénea posible.
Operaciones de reacción
Corresponden a las operaciones en las que se llevan a cabo transformaciones químicas.
Operaciones de separación
Generalmente se utilizan para purificar reactivos antes de una reacción, o para separar los productos de los reactivos sin reaccionar, del solvente (o de la humedad) o de cualquier impureza antes del proceso de empaquetado.
Ejemplos de operaciones unitarias
Destilación
Es una operación unitaria que involucra la transferencia de calor y materia, que consiste en la separación de mezclas líquidas en base a diferencias en su volatilidad (por lo cual también tienen diferentes puntos de ebullición). La mezcla líquida es calentada hasta su punto de ebullición a una presión preestablecida.
La fase de vapor será más rica en los componentes más volátiles, por lo que al re-condensarla se logra separar a estos de las sustancias menos volátiles que se quedan en el fondo del destilador.
Existen diferentes tipos de destilación con diferentes grados de complejidad para separar distintos tipos de mezclas:
- Destilación simple: consiste en una sola etapa de vaporización y una sola condensación. Se usa cuando las diferencias de volatilidad son grandes o cuando uno de los componentes es mucho más volátil que los demás.
- Destilación fraccionada: es básicamente una técnica en la que se llevan a cabo muchas destilaciones pequeñas y escalonadas en las que progresivamente se van separando los componentes en distintas fracciones. Se utiliza cuando las presiones de vapor de los componentes son similares.
- Destilación al vacío: El vacío disminuye el punto de ebullición de los líquidos por lo que permite destilarlos a una menor temperatura. Esto es deseable cuando hay riesgo de descomposición a temperaturas altas. También sirve para separar mezclas azeotrópicas como algunas mezclas etanol agua.
- Destilación por arrastre con vapor: Consiste en burbujear vapor de agua en una mezcla de líquidos en la que uno de ellos es ligeramente volátil e insoluble en agua. El vapor de agua literalmente arrastra al vapor de dicho líquido y al condensar se separan en dos fases. También sirve para destilar líquidos orgánicos inestables térmicamente a una temperatura menor que su punto normal de ebullición.
Secado
Es una operación unitaria de transferencia de materia en la que el solvente (muchas veces agua) que empapa a un sólido se transfiere por evaporación a la fase gaseosa para ser eliminado, dejando al sólido más seco que antes.
El secado se puede llevar a cabo haciendo pasar una corriente del sólido húmedo por un túnel de secado en el que se hace pasar aire seco caliente en contracorriente. En este caso, se trata de un proceso de secado continuo.
También se puede llevar a cabo en bandejas que se colocan en gabinetes cerrados por los que se hace pasar aire caliente. En dicho caso estamos en presencia de un secado por lotes.
Finalmente, existen también los secadores rotatorios y los secadores por presión, así como la aspersión en una corriente de aire caliente. Esta última se utiliza en algunos casos para la preparación de café instantáneo.
Adsorción
Es un fenómeno de superficie en el que una sustancia disuelta o en fase gaseosa se adhiere a la superficie de un sólido. Los sólidos son materiales adsorbentes porosos con superficies muy altas y que permiten la adsorción de grandes cantidades de soluto o de gas. El carbón activado es un ejemplo común de un adsorbente utilizado tanto en el laboratorio como en la industria.
Un ejemplo de la aplicación de la adsorción sobre carbón activado es en el proceso de descafeinado del café y del té.
Absorción
La absorción consiste en la disolución de un componente de una mezcla gaseosa en un líquido. Es una operación unitaria de transporte de materia que se utiliza mucho para eliminar contaminantes tales como el dióxido de carbono o el sulfuro de hidrógeno del aire antes de ser descargado al medio ambiente.