OPERACIONES UNITARIAS...2018/03/13 · 2.1 EVAPORACION Como proceso físico es el paso de un...
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SENA. Centro Agropecuario “La Granja”. Programa de Articulación con la Media.
Versión 1.0 Año: 2013.
OPERACIONES UNITARIAS
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SENA. Centro Agropecuario “La Granja”. Programa de Articulación con la Media Versión 1.0 Año: 2013
OPERACIONES UNITARIAS
1. INTRODUCCION
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 biológicos. Es posible considerar estos procesos
químicos, físicos o biológicos, aparentemente distintos, y clasificarlos en
una serie de etapas individuales y diferentes llamadas operaciones
unitarias.
2. CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS
A continuación se dará una breve descripción de las más
importantes.
2.1. Evaporación
2.2. Secado.
2.3. Destilación
2.4. Absorción
2.5. Extracción liquido- liquido
2.6. Adsorción
2.7. Lixiviación liquido-liquido
2.8. Separaciones físico-mecánicas
2.1 EVAPORACION
Como proceso físico es el paso de un líquido al estado gaseoso, por
absorción de energía (calor). La evaporación ocurre en la superficie del
líquido y este término no se debe confundir con la ebullición que es el
movimiento provocado por las burbujas de vapor que atraviesan la
masa de un líquido que se calienta.
APLICACIONES
Concentración de producto. Ejemplo obtención de la meladura
en la [industria azucarera].
Concentración de soluciones acuosas de azúcar, cloruro de
sodio, hidróxido de sodio, glicerina, gomas, leche y jugo de
naranja.
Pre-concentración de la alimentación al secador
Reducción de volumen: obtención de la [leche condensada] en
las pasteurizadoras.
Recuperación de agua o solvente. Ejemplo la obtención de
NaOH sal común.
Cristalización. Ejemplo formación de los cristales de azúcar en
los tachos.
Operaciones basadas en el transporte de:
Materia
Calor
Materia +
Calor
Cantidad de
movimiento
Extracción
Rectificación, destilación
Absorción - desabsorción
Adsorción – desadsorción
Liquido - liquido
Solido - liquido
Intercambio de calor
Evaporación
Condensación
Congelación
Humidificación
Deshumidificación
Secado
Liofilización
Circulación de fluidos
Transporte de fluidos
Operaciones complementarias
Filtración
Sedimentación
Circulación de fluidos
Agitación de líquidos
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TIPOS GENERALES DE EVAPORADORES
Marmita abierta o artesa.
Evaporador de tubos horizontales con circulación natural
Evaporador vertical con circulación natural.
Evaporador vertical de tubos largos
Evaporador de circulación forzada
La forma más simple de un evaporador es una marmita abierta o artesa
en la cual se hierve el líquido. El suministro de calor proviene de la
condensación de vapor de agua en una chaqueta o en serpentines
sumergidos en el líquido. En algunos casos, la marmita se calienta a
fuego directo. Estos evaporadores son económicos y de operación
simple, pero el desperdicio de calor es excesivo. En ciertos equipos se
usan paletas o raspadores para agitar el líquido.
FACTORES QUE INFLUYEN EN LA EVAPORACIÓN:
La concentración de la solución
El tipo de soluto o solvente
Sensibilidad térmica de los materiales
La presión y temperatura
pH y formación de espuma
MÉTODOS DE OPERACIÓN DE EVAPORADORES
Evaporador de un efecto o etapa simple
Evaporadores múltiples a corriente
Evaporadores múltiples a contra corriente
2.2 SECADO
Se refiere a la eliminación de agua de los materiales de proceso y de
otras sustancias.
El secado al sol permite retirar agua hasta niveles del 15% pero se
requiere un espacio bastante grande y son susceptibles a la
contaminación y a pérdidas debidas al polvo, los insectos, los roedores.
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El secado o deshidratación de materiales biológicos (en especial
los alimentos) se usa también como Técnica de preservación.
Los microorganismos que provocan la descomposición de
los alimentos no pueden crecer y multiplicarse en ausencia
de agua.
Los microorganismos dejan de ser activos cuando el
contenido de agua se reduce por debajo del 10 % en peso.
Sin embargo es necesario reducir este contenido de
humedad por debajo del 5% en peso en los alimentos, para
preservar el sabor y su valor nutritivo.
Además, muchas de las enzimas que causan los cambios
químicos en alimentos y otros materiales biológicos no
pueden funcionar sin agua.
Los alimentos secos pueden almacenarse durante períodos
bastante largos.
METODOS GENERALES DE SECADO Los métodos y procesos de
secado pueden clarificarse de diferentes maneras:
De acuerdo al modo de contacto de la FUENTE DE CALOR.
a) Secado por contacto directo
El calor necesario para la vaporización del agua lo suministra el
aire.
b) Secado indirecto
El calor es suministrado por una fuente térmica a través de una
superficie metálica en contacto con el objeto a secar.
De acuerdo con las condiciones físicas usadas para adicionar
calor y extraer el vapor de agua:
a) Secado a presión atmosférica El calor se añade por
contacto directo con aire caliente a presión atmosférica, y el
vapor de agua formado se elimina del mismo aire.
b) Secado al vacío
La evaporación del agua se verifica con más rapidez a
presiones bajas, y el calor se añade indirectamente por contacto
con una pared metálica o por radiación (también puede usar
temperaturas bajas con vacío para ciertos materiales que
pueden decolorarse o descomponerse a temperaturas altas).
c) Secado por congelación (liofilización)
El agua se sublima directamente del material congelado.
EQUIPOS PARA SECADO
SECADO EN BANDEJAS
SECADORES CONTINUOS DE TÚNEL.
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SECADOR ROTATORIO
SECADORES DE TAMBOR
SECADORES POR ASPERSIÓN
Los granos de una cosecha contienen aproximadamente de 30 a
35% de humedad y para poder almacenarlos sin problemas durante
un año deben secarse hasta un 13% de humedad en peso.
2.3 DESTILACION
La destilación es un proceso de separación físico en el que se evapora
parcialmente una mezcla de productos, de forma que los compuestos
más ligeros se concentran en la fase vapor y los más pesados se
concentran en la fase líquida.
APLICACION
El objetivo principal de la destilación consiste en separar una mezcla de
varios componentes aprovechando sus diferentes volatilidades, o bien,
separar materiales volátiles de otros no volátiles.
La destilación constituye una de las principales técnicas de laboratorio
para purificar líquidos volátiles.
La destilación se utiliza ampliamente en la obtención de bebidas
alcohólicas, en el refinado del petróleo, en procesos de obtención de
productos petroquímicos de todo tipo y en muchos otros campos de la
industria. Es uno de los procesos de separación más extendidos.
TIPOS DE DESTILACIÓN
DESTILACIÓN EN EQUILIBRIO O INSTANTÁNEA (FLASH)
En este proceso, que se verifica en una sola etapa, la mezcla líquida se
vaporiza parcialmente. Se permite que el vapor establezca un equilibrio
con el líquido, y entonces se separan las fases de vapor y de líquido.
DESTILACIÓN SIMPLE.
En este proceso, Se coloca la mezcla de los líquidos en el matraz de
destilación. Luego, se coloca un tapón en la boca del matraz y un
termómetro para controlar la temperatura.
Se calienta la mezcla. Primero entrará en ebullición el líquido de menor
punto de ebullición. El vapor ascenderá y pasará por el tubo
refrigerante. Por el tubo refrigerante pasa agua fría que reduce la
temperatura del vapor, condensándolo.
Se recoge el destilado en un matraz.
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DESTILACIÓN SIMPLE CON ARRASTRE DE VAPOR
La destilación por arrastre con vapor es una técnica para la separación
de substancias insoluble en agua y ligeramente volátiles de otros
productos no volátiles, sirve para separar aceites esenciales en de
tejidos vegetales.
2.4 ABSORCION
Es una operación unitaria utilizada en la industria química y petrolera,
cuya finalidad es separar uno o varios componentes de una mezcla
gaseosa (corriente gaseosa) por disolución en un líquido (corriente
líquida) llamado solvente.
Después de la destilación, la absorción es la operación unitaria de
purificación más importante.
VENTAJAS Y APLICACIONES.
Un ejemplo es la absorción de SO2 de gases de combustión en
soluciones alcalinas. En la hidrogenación de aceites comestibles en la
industria alimenticia, se hace burbujear hidrógeno gaseoso en el aceite
para absorberlo en el mismo; entonces, el hidrógeno en solución
reacciona con el aceite en presencia de un catalizador.
Estos equipos son columnas o torres en las cuales ambas fases
circulan en contracorriente: el gas entra por el fondo de la columna y el
líquido entra por el tope y desciende por gravedad.
2.5 EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
La extracción líquido-líquido es, junto a la destilación, la operación
básica más importante en la separación de mezclas homogéneas
líquidas. Consiste en separar una o varias sustancias disueltas en un
disolvente mediante su transferencia a otro disolvente insoluble, o
parcialmente insoluble, en el primero. La transferencia de materia se
consigue mediante el contacto directo entre las dos fases líquidas. Una
de las fases es dispersada en la otra para aumentar la superficie
interfacial y aumentar el caudal de materia transferida.
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Esquema idealizado de una operación de extraccion liquido-liquido.
Para mayor información, ver video extracción líquido - líquido.
APLICACIONES INDUSTRIALES:
Extracción de compuestos aromáticos y naftenicos para la
producción de aceites lubricantes.
Separación de aromáticos (Benceno, Tolueno, Xilenos) de las
parafinas con Tetrametileno sulfona.
Separación de metales pesados (Ni, Cu, Zn,…) de efluentes
acuosos con ácidos ó aminas.
Recuperación de Uranio.
Extracción de Penicilina y Proteínas.
2.6 ADSORCION
Operación en el cual una mezcla gaseosa o líquida entra en contacto
con un sólido (el adsorbente) y un componente de la mezcla (el
adsorbato) se adhiere a la superficie del sólido.
ADSORBENTES COMERCIALES
Carbón Activado
Zeolitas Tamices Moleculares
Gel de Sílice
Alúmina Activada
TIPOS DE ADSORCIÓN
Adsorción eléctrica
Cuando la atracción entre el soluto y el adsorbente sea de tipo eléctrico,
siendo el intercambio iónico el ejemplo más representativo por lo que a
menudo se le llama adsorción por intercambio, que es un proceso
mediante el cual los iones de una sustancia se concentran en una
superficie como resultado de la atracción electrostática en los lugares
cargados de la superficie.
Adsorción física
O también conocida por fuerzas de Van der Waals producto a las
fuerzas que la producen donde la molécula adsorbida no está fija en un
lugar específico de la superficie, sino más bien está libre de trasladarse
dentro de la interface. Ocurre fundamentalmente a temperaturas bajas.
La adsorción de la mayoría de las sustancias orgánicas en el agua con
carbón activado se considera de naturaleza física.
Adsorción química
Es cuando el adsorbato sufre una interacción química con el
adsorbente, las energías de adsorción son elevadas, del orden de las
de un enlace químico, debido a que el adsorbato forma unos enlaces
fuertes localizados en los centros activos del adsorbente. Esta
adsorción suele estar favorecida a una temperatura elevada.
La mayor parte de los fenómenos de adsorción son combinaciones de
las tres formas de adsorción y de hecho, no es fácil distinguir entre
adsorción física y química.
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APLICACIONES
Adsorción para el secado del aire,
Purificación del agua,
Eliminación de olores, color y sabor no deseados ya sea de
gases, soluciones azucaradas o aceites empleados en
perfumerías,
Tratamiento de residuales,
Obtención de nitrógeno entre otras.
Diferentes procesos de sorción.
Para mayor información, ver video de adsorción
2.7 LIXIVIACION O EXTRACCION SOLIDO-LIQUIDO
Consiste en la remoción o extracción de un componente soluble (soluto)
contenido en un sólido mediante un solvente apropiado
APLICACIONES DE LA LIXIVIACIÓN:
Extracción de componentes deseados:
Extracción de azúcar de la caña o remolacha
Fabricación de café y té solubles (instantáneos)
Extracción de aceites de semillas oleaginosas
Extracción de componentes, tales como:
Pigmentos
Aceites esenciales
Pectinas
Gomas
Vitaminas
Colágeno
Extracción de componentes no deseados.
Cafeína
Lactosa
Colesterol
Grasa
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PROCESOS DE LIXIVIACIÓN PARA SUSTANCIAS BIOLÓGICAS.
En la industria de procesos biológicos y alimenticios, muchos productos
se separan de su estructura natural original por medio de una lixiviación
líquido-sólido. Un proceso importante es la lixiviación de azúcar de la
remolacha con agua caliente.
En la producción de aceites vegetales, se emplean disolventes
orgánicos como hexano, acetona y éter, para extraer aceite de
cacahuate, soya, semillas de lino, semillas de ricino, semillas de girasol,
semillas de algodón, harina, pasta de palo e hígado de hipogloso.
En la industria farmacéutica se obtiene una gran diversidad de
productos por lixiviación de raíces, hojas y tallos de plantas. En la
producción de café “instantáneo” soluble, el café tostado y molido se
somete a una lixiviación con agua pura.
FACTORES A CONTROLAR EN UNA LIXIVIACION:
TIPO DE SOLVENTE A UTILIZAR:
El solvente empleado debe solubilizar al soluto (agua azúcar; alcohol pectina y gomas; solventes orgánicos grasas y aceites)
TEMPERATURA DEL PROCESO:
Al aumentar la temperatura del proceso:
Aumenta la solubilidad del soluto en el solvente
Aumenta el coeficiente de difusión del solvente en las partículas de sólido
Lo que provoca una mayor velocidad de extracción Sin embargo, temperaturas muy elevadas pueden deteriorar el producto o provocar la evaporación del solvente
Se debe encontrar la temperatura más adecuada para cada caso en
particular
TAMAÑO DE PARTÍCULA DEL SOLIDO
Cualquiera que sea el método de extracción empleado,
generalmente la materia prima (sólido) que contiene al soluto debe
acondicionarse (corte, trituración, molienda) para propiciar el
contacto con el solvente y facilitar su extracción
2.8 SEPARACIONES FISICO-MECANICOS
Se considera como un grupo de procesos de separación que no se lleva
a cabo a escala molecular ni se debe a diferencias entre las diversas
moléculas presentes.
La separación se logra usando fuerzas físico-mecánicas y no fuerzas
moleculares o químicas ni difusión, Estas fuerzas físico-mecánicas
actúan sobre partículas, líquidos o mezclas de partículas y líquidos, y no
necesariamente sobre moléculas individuales.
Las fuerzas físico-mecánicas incluyen la gravitación y la centrifugación,
las fuerzas mecánica propiamente dichas y las fuerzas cinéticas
causadas por flujos. Las corrientes de partículas o fluidos se separan
debido a los diferentes efectos que sobre ellas producen estas fuerzas.
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FILTRACION
En la filtración, las partículas suspendidas en un fluido, ya sea líquido o
gas, se separan mecánica o físicamente usando un medio poroso que
retiene las partículas en forma de fase separada que permite el paso del
filtrado sin sólidos.
SEDIMENTACION
La sedimentación es una operación unitaria consistente en la
separación por la acción de la gravedad de las fases sólida y
líquida de una suspensión diluida para obtener una suspensión
concentrada y un líquido claro.
REDUCCION DE PARTICULAS
La reducción de tamaño es aquella operación en la que el tamaño
medio de los alimentos sólidos es reducido por la aplicación de fuerzas
de impacto, compresión o abrasión.
A la pulverización y formación de partículas de muy pequeño tamaño se
denomina también trituración.
Los objetivos de la reducción de tamaño son:
Desintegración
Obtener granulometría o distribución de tamaños determinados
Las ventajas de la reducción de tamaño en el procesado de alimentos
son las siguientes:
Aumento de la relación superficie/volumen incrementa la
velocidad de deshidratación, calentamiento, enfriamiento,
extracción.
Cuando se combina un proceso de cribado pueden obtenerse
partículas de un tamaño predeterminado.
Cuando el tamaño de partícula de los productos que van a
mezclarse es homogéneo el mezclado de los ingredientes
resulta más eficaz.
EQUIPOS UTILIZADOS EN LA REDUCCION DE TAMAÑO
TRITURADORES DE QUIJADA
TRITURADORES GIRATORIOS
TRITURADORES DE RODILLOS
MOLINOS DE MARTILLOS
MOLINOS GIRATORIOS
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Tipo de equipo para reducción de tamaño: a) Triturador giratorio b)
Triturador de rodillos
Reducción de alimentos fibrosos
Alimentos fibrosos: Carnes, frutas y verduras.
Rebanadoras
Cortadoras en cubos
Cortadoras en escamas
Ralladoras
Máquinas para la elaboración de pulpa
Reducción de tamaño de alimentos secos
Molinos de bolas
Molinos de discos:
Molinos de disco único
Molinos de disco doble
Molinos de clavijas y discos
Molinos de martillos
Molinos de rodillos
Efecto sobre los alimentos
Viscosidad y textura
o Líquidos
Importante: Selección del agente emulsificante
y estabilizante.
Leche: Aumento de la viscosidad
Sólidos
o Determina la textura:
Composición del alimento
Condiciones de homogenización
Operaciones posteriores
o Emulsiones cárnicas
o Productos lácteos:
o Mantequilla
o Margarina y emulsiones de bajo contenido graso (w/o)
o Helados y pasteles
o Color, aroma y vida útil
CENTRIFUGACION
La centrifugación es un proceso de separación que utiliza la acción de
la fuerza centrífuga para promover la aceleración de partículas en una
mezcla de sólido-líquido. Dos fases claramente distintas se forman en el
recipiente durante la centrifugación.
El centrifugado o el concentrado que es el líquido flotante.
Un ejemplo en la industria lechera es la separación de la crema de la
leche para obtener leche descremada. La separación por gravedad
requiere muchas horas, mientras que con la separación por
centrifugación en un separador de crema, se logran los mismos
resultados en pocos minutos. La separación por centrifugación se usa
en muchas industrias alimenticias, tales como cervecerías,
procesamiento de aceites vegetales, concentración de proteínas de
pescado, procesamiento de jugos de frutas para eliminar materiales
celulares, etc.
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AUTOEVALUACION
Centrifugador
En equipos de cinco, explicar por medio de una exposición una
de las operaciones unitarias vistas en esta guía.
BIBLIOGRAFIA
Proceso de transporte y operaciones 3ra edición autor C.J.
Geankopolis
·Problemas de Ingeniería Química. Tomo I. Editorial Aguilar
