1. Procesos Productivos
Descomposición de los procesos en etapas u
operaciones unitarias. Flujo de materiales, energía e
información.
Alumnos: Lezcano Mauro – Perez Ortigoza Esteban –
Aponte Tomas – Valenzuela Nelson
07/09/2012

2. OPERACIONES BASICAS
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 salida o productos. Es
posible considerar estos procesos químicos, físicos o biológicos,
aparentemente diferentes, y clasificarlos en una serie de etapas individuales
y diferentes llamadas " Operaciones Unitarias", siempre y cuando las
transformaciones sean a nivel macroscópico. Estas operaciones unitarias son
comunes a todos los tipos de industrias de proceso.
Un proceso puede ser
cualquier conjunto de
etapas u operaciones
unitarias que apliquen
modificaciones de la
composición química o
ciertos cambios físicos en el
material que se va a
preparar, aislar, mezclar,
procesar, separar o
purificar.
Ya que cada una de las
etapas que constituyen un
proceso se encuentra
sujeta a variaciones, el encargado del proceso debe especificar también las
condiciones exactas bajo las cuales debe llevarse a cabo cada etapa.
Todo el trabajo del analista debe ser cuantitativo y por ello, la Matemática
constituye una herramienta fundamental. Los cálculos para el balance de

3. materia, que es fundamental para el estudio de cualquier proceso puede
expresarse por lo general, con confianza y precisión, en términos de
Matemática lineal si no se consideran los procesos atómicos y nucleares.
En los estudios económicos para determinar qué condiciones de operación
son más rentables y al contabilizar las ventas y la distribución del ingreso en
costos y ganancias, incluyendo el remplazo de la planta, los cálculos
matemáticos son universales.
CONCEPTOS BÁSICOS
EQUILIBRIO
Existe para todas las combinaciones de fases, una condición llamada
"equilibrio", para la cual el intercambio neto de "propiedades" (por lo
general, masa o energía en los procesos químicos), es igual a cero y para
todas aquellas combinaciones que no se encuentren en equilibrio, la
diferencia de concentración de alguna de sus propiedades entre la que tiene
en la condición existente y la que tendría en la condición de equilibrio,
constituye una fuerza motriz o una diferencia de potencia, que tiende a
alterar el sistema, haciéndolo tender hacia el equilibrio.
PATRONES DE FLUJO
En muchos de los procesos en los que se trasfiere energía o materia de una
fase a otra, es necesario poner en contacto dos corrientes a fin de permitir
que las fases tiendan al equilibrio de energía, materia o ambas. La
transferencia puede llevarse a cabo con las dos corrientes fluyendo en la
misma dirección -flujo paralelo- o por el contrario, las corrientes pueden fluir
en direcciones opuestas, - flujo a contracorriente-.
OPERACIONES CONTINUAS E INTERMITENTES

4. Una operación continua es aquella en la cual el equipo opera de forma
continua y estable y por lo tanto a medida que se alimenta materia prima al
proceso se está obteniendo y saliendo el producto sin que exista cambio en
la cantidad de materia dentro del equipo; una operación intermitente -
discontinua o batch- es aquella en la cual se alimenta de una sola vez la
materia prima al proceso y el producto se retira igualmente de un sólo sin
que existan entradas o salidas parciales de materiales.
OPERACIONES UNITARIAS
Los procesos químicos
pueden consistir en
diversas secuencias de
etapas, cuyos principios
son independientes del
material en proceso y
de las características del
sistema en particular.
Algunas de las etapas
consisten en reacciones
químicas, mientras que
otras son cambios
físicos, la versatilidad
del análisis de procesos
consiste en la facilidad y
capacidad para la descomposición de procesos complejos en etapas físicas
individuales, las cuales reciben el nombre de "operaciones unitarias" y hacia
las reacciones químicas.
Por ejemplo, la operación unitaria conocida como destilación se usa para
purificar o separar alcohol en la industria de las bebidas así también para
separar hidrocarburos en la industria del petróleo. El secado de granos y

5. otros alimentos es similar al secado de maderas, precipitados filtrados y
estopa de rayón.
La operación unitaria "absorción" se presenta en la absorción de oxígeno del
aire en los procesos de fermentación o en una planta de tratamiento de
aguas negras, así como en la absorción de hidrógeno gaseoso en un proceso
de hidrogenación líquida de aceites.
La evaporación de soluciones salinas en la industria química es similar a la
evaporación de soluciones de azúcar en la industria alimenticia.
El flujo de hidrocarburos líquidos en refinerías de petróleo y el flujo de leche
en una planta de productos lácteos se llevan a cabo de manera semejante.
Las operaciones unitarias estudian principalmente la transferencia y los
cambios de energía, transferencia y cambios de materiales que se llevan a
cabo por medios físicos así como también por medios fisicoquímicos.
CONSIDERACIONES GENERALES
La comprensión de los principios físicos de una
operación y la formulación de esos principios en
una expresión matemática, son los primeros
requerimientos para la aplicación de los
principios de las operaciones unitarias. En la
práctica del análisis de procesos siempre deben
incorporarse valores numéricos a fin de detener
una respuesta práctica.

6. CLASIFICACION DE LAS OPERACIONES UNITARIAS
1. Flujo de fluidos. Estudia los
principios que determinan
el flujo y transporte de los
fluidos de un punto a otro.
2. Transferencia de calor. Esta
operación unitaria
concierne a los principios
que gobiernan la
acumulación y transferencia
de calor y de energía de un
punto a otro.
3. Evaporación. Un caso especial de transferencia de calor, que estudia la
evaporación de un disolvente volátil (como el agua) de un soluto no
volátil como la sal o cualquier otro tipo de material en solución.
4. Secado. Separación de líquidos volátiles, por lo general agua, de los
materiales sólidos.
5. Destilación. Separación de los componentes de una mezcla líquida por
medio de una ebullición basada en las diferencias de presión de vapor.
6. Absorción. En este proceso se separa un componente gaseoso de una
corriente de gases por tratamiento con un líquido.
7. Extracción Líquido-líquido. En este caso, el soluto de una solución
líquida se separa poniéndolo en contacto con otro disolvente líquido
que es relativamente inmiscible en la solvente original y en el cual el
soluto es más soluble.
8. Lixiviación Líquida-Sólido. Consiste en el tratamiento de un sólido
finamente molida con un líquido que disuelve y extrae un soluto
contenido en el sólido.

7. 9. Cristalización. Se refiere a la extracción de un soluto tal como la sal, de
una solución por medio de la precipitación de dicho soluto.
10. Separaciones mecánico-físicas. Emplean la separación de sólidos,
líquidos o gases por medios mecánicos o por diferencias en sus
propiedades físicas tales como la filtración, sedimentación o reducción
de tamaño, que por lo general se clasifican como operaciones unitarias
individuales.
Debido a que estas operaciones tienen ciertos principios básicos o
fundamentales comunes, también pueden clasificarse según los procesos de
transporte o de transferencia:
1. Transferencia de Momento. Se refiere a la que se presenta en los
materiales en movimiento. Como en operaciones unitarias de flujo de
fluidos, sedimentación y mezclado.
2. Transferencia de Calor. En este proceso fundamental se considera la
transferencia de calor de un lugar a otro, se presenta en las
operaciones unitarias de transferencia de calor, secado, evaporación,
destilación y otras.
3. Transferencia de Masa. En este caso se transfiere masa de una fase a
otra fase diferente; el mecanismo básico es el mismo ya sea que las
fases sean gaseosas, sólidas o líquidas. Este proceso incluye
destilación, absorción, extracción líquido-líquido y lixiviación.
OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA
Cuando se ponen en contacto dos fases que tienen diferente composición es
posible que ocurra la transferencia de algunos de los componentes presentes
de una fase hacia la otra y viceversa.
Esto constituye base física de las operaciones de transferencia de masa si se
permite que estas dos fases permanezcan en contacto durante un tiempo

8. suficiente, se alcanzará una condición de equilibrio bajo la cual no habrá ya
transferencia neta de componentes entre las fases. En la mayor parte de los
casos, las dos fases tienen una miscibilidad limitada, de tal forma de que en
el equilibrio existen dos fases que pueden separarse una de otra.
Con frecuencia, estas fases tienen composiciones diferentes entre sí y
distintas también de la composición que tenía cada fase antes de ponerse en
contacto con la otra. Como resultado de lo anterior las cantidades relativas
de cada uno de los componentes que han sido transferidos entre las fases,
son distintas, lográndose de esta forma una separación. Bajo condiciones
adecuadas, la acción repetida de poner en contacto y separarlas a
continuación puede conducir a la separación casi completa de los
componentes.
PROCESOS DE SEPARACIÓN
Cuando se plantea el problema de separar los
componentes que forman una mezcla homogénea
se deben de aprovechar las diferencias que
existen en las propiedades de los constituyentes
que forman la mezcla para efectuar su separación.
Se debe analizar las diversas propiedades químicas
y físicas de los constituyentes con el objeto de
determinar en cuales de esas propiedades se observa una mayor diferencia
entre los componentes, ya que por lo general, cuanto mayor sea la diferencia
de alguna propiedad, más fácil y económica será la separación deseada.
Las operaciones unitarias se relacionan con los procesos de separación que
se basan en las diferencias que existen en las propiedades físicas más que en
las químicas. Tales procesos dependen de la diferencia de composición que
presentan las fases en equilibrio o bien la diferencia de velocidad de
transferencia de masa que tienen los constituyentes de una mezcla.

9. DESTILACION
Es el proceso de separación más utilizada en la industria, también se conoce
como fraccionamiento o destilación fraccionada, la separación de los
constituyentes, se basa en las diferencias de volatilidad. En la destilación, una
fase vapor se pone en contacto con una fase líquida, transfiriéndose masa del
líquido al vapor y del vapor al líquido. Por lo general, el líquido y el vapor
contienen los mismos componentes aunque en distintas proporciones. En
forma simultanea, se transfiere masa desde el líquido por evaporación y
desde el vapor por condensación. El efecto neto es un incremento en la
concentración de los componentes más volátiles en la fase vapor y de los
menos volátiles en el líquido.
La destilación se utiliza mucho para separar mezclas líquidas en componentes
más o menos puras. Debido a que la destilación implica evaporación y
condensación de la mezcla, es una operación que necesita grandes
cantidades de energía.
Una gran ventaja de la destilación es que no es necesario añadir
componentes a la mezcla para efectuar la separación.
Las aplicaciones de la destilación son muy diversas. El oxígeno puro se
produce por destilación del aire previamente licuado.
Las fracciones del petróleo (gases ligeros, nafta, gasolina, queroseno, diesel,
aceite lubricante y asfalto) se obtienen por destilación del petrolero crudo.
La destilación también se utiliza en la industria de las bebidas alcohólicas
para separar el etanol de los demás productos de la fermentación de
carbohidratos.

10. ABSORCION Y DESORCION DE GASES
La absorción de gases involucra
la transferencia de un
componente soluble, presente
en una fase gaseosa, hacia un
líquido absorbente de baja
volatilidad. La desorción es el
proceso inverso, es decir
eliminación de un componente de la fase líquida por contacto con una fase
gaseosa.
En el caso más simple de absorción de gases, no existe vaporización del
líquido absorbente y el gas contiene sólo con constituyente soluble. Por
ejemplo, al poner en contacto una mezcla de amoníaco y aire con agua
líquida a temperatura ambiente, el agua absorbe amoníaco. Este es soluble
en agua, mientras que el aire es poco soluble en ella. A su vez, el agua no se
evapora en cantidades apreciables a temperatura ambiente. Como resultado,
la única masa que se transfiere es la del amoníaco que pasa de la fase
gaseosa a la líquida.
En las operaciones de absorción, es necesario añadir un componente al
sistema (este es, el líquido absorbente).
En muchos casos, el soluto deberá separarse del líquido absorbente, para lo
cual se requerirá una columna de destilación, un desabsorbedor, o, algún
otro proceso de separación.
La desorción o agotamiento es lo opuesto a la absorción. En este caso el gas
soluble se transfiere del líquido a la fase gaseosa.
La absorción y el agotamiento se utilizan con frecuencia en la industria. El
ácido clorhídrico se produce por la absorción en agua de cloruro de
hidrógeno gaseoso.

11. La fermentación aerobia de los sedimentos y lados de aguas negras requiere
la absorción de aire. La carbonatación de refrescos involucra la absorción de
dióxido de carbono.
SEPARACIÓN POR MEMBRANA
Algunos procesos de separación involucran la transferencia de masa a través
de una membrana plástica delgada. Aunque estas operaciones tienen
relativamente poca aplicación, son promisorias para problemas especiales de
separación.
* La diálisis es un proceso de separación en el que la masa se transfiere a
través de una membrana por efecto de un gradiente de concentración
que actúa como fuerza motriz. En su mayor aplicación industrial que es
la fabricación de rayón viscoso, el NaOH se separa de una solución
acuosa que también contiene hemicelulosa. La solución fluye por un
lado de la membrana, mientras que por otro fluye agua pura. La
diferencia de concentraciones entre la solución y el agua pura, obliga al
hidróxido de sodio a pasar a través de la membrana, pero la
hemicelulosa se encuentra en suspensión coloidal en la solución y es
demasiado grande para pasar a través de los poros de la membrana.
* La electrodiálisis utiliza una diferencia de potencial eléctrica como
fuerza motriz para iones en solución. Los iones positivos pasan a través
de membranas apropiadas al sentir la atracción de la terminal
negativa, mientras los iones negativos, viajando en dirección contraria,
atraviesan una membrana para llegar a la terminal positiva. Esta se
utiliza para recuperar ácido gastado.
OTROS PROCESOS DE SEPARACIÓN

12. Un gran número de importantes operaciones unitarias, involucra la
separación de componentes de una mezcla, pero no se acostumbra agrupar
dichas operaciones con los procesos usuales de separación.
La evaporación, cristalización y secado, se basan en la transferencia
simultánea de calor y masa. En la evaporación, se concentra una solución
líquida al evaporar parte del disolvente. La evaporación tiene muchas
aplicaciones en donde quiera que sea necesario concentrar soluciones.
Si se evapora una solución hasta alcanzar la saturación con el soluto, una
evaporación adicional o un enfriamiento, resulta en una precipitación de
cristales sólidos. Esto constituye la base física de la cristalización, una
operación unitaria que se utiliza para separar solutos de una solución. Se
utiliza en la industria para la fabricación de muchas sales inorgánicas.
La operación de secado separa a un líquido de un sólido por vaporización del
líquido.
La des humidificación separa a un vapor de una fase gaseosa mediante el
enfriamiento del gas hasta la condensación del vapor.
Las mezclas de multifases pueden separarse en dos o más fracciones
mediante varias operaciones. En este caso la mezcla de fases debe ser
heterogénea. La mezcla de partículas sólidas puede separarse en diferentes
tamaños por tamizado, elutriación, criba o clasificación. Las partículas sólidas
pueden separarse de líquidos por filtración, centrifugación o sedimentación.
Las fases líquidas inmiscibles también pueden separarse por centrifugación.