Operaciones Unitarias en Procesos Químicos: Fundamentos y Aplicaciones

¿Qué son las Operaciones Unitarias?

Una operación unitaria es cada una de las acciones de transporte, acondicionamiento y/o transformación de las materias primas implicadas en un proceso químico. Existen alrededor de 30 operaciones unitarias.

Tipos de Operaciones Unitarias

Absorción

La absorción es una operación básica controlada por la transferencia de materia, que consiste en la separación o eliminación de uno o varios componentes de una mezcla gaseosa mediante un líquido que los disuelve.

Tipos de equipos de absorción:

• Tanques agitados (con o sin burbujeo)
• Columnas de absorción:
  • De pared mojada
  • De platos
  • De relleno
  • De burbujeo
  • De pulverización

Aplicaciones:

• Tanques agitados: Industria farmacéutica.
• Columnas de pared mojada: Determinación de solubilidades de gases y líquidos, y puntos de difusión.
• Columnas de burbujeo: Eliminación de gases contaminantes (CO₂, SO₂, SH₂), eliminación de VOCs.

Adsorción

La adsorción es una operación básica controlada por la transferencia de materia, que consiste en la separación o eliminación de uno o varios componentes de una mezcla fluida mediante un sólido que los retiene.

• Adsorción: Fase fluida en estado gaseoso.
• Percolación: Fase fluida en estado líquido.

Equipos:

• Columnas de relleno
• Tanques agitados

Aplicaciones:

• Secado de corrientes
• Eliminación de olores
• Eliminación del sabor en agua doméstica
• Desulfuración de gas natural
• Decoloración de líquidos

Destilación/Rectificación

La destilación o rectificación es una operación básica controlada por la transferencia de materia, que consiste en separar los componentes de una mezcla líquida por vaporización parcial de la misma y condensación del vapor generado. Es especialmente útil para la separación de compuestos con volatilidades muy diferentes.

Equipos de rectificación:

• Columnas de platos
• Columnas de relleno

Extracción

La extracción es una operación básica controlada por la transferencia de materia, que consiste en la separación de los componentes de una mezcla mediante un disolvente inmiscible en ella. Puede ser sólido-líquido o líquido-líquido.

Extracción líquido-líquido:

Ventajas frente a la destilación:

1. Instalaciones más sencillas.
2. Separación de componentes sensibles al calor sin necesidad de destilación al vacío.
3. Permite extraer grupos de componentes.

Equipos:

• Torres de extracción con agitación mecánica
• Columnas de platos perforados
• Columnas de pulverización
• Columnas de relleno

Aplicaciones:

• Industria farmacéutica
• Industria alimentaria
• Industria petroquímica

Extracción sólido-líquido:

• Si el componente extraído es valioso, se denomina lixiviación.
• Si el componente extraído no es deseado, se denomina lavado.
• Si se vierte líquido sobre el sólido, se denomina percolación.

Equipos:

• Equipos de lecho fijo por cargas
• Equipos de lecho móvil
• Tanques agitados

Aplicaciones:

• Extracción de aceites y grasas animales y vegetales
• Lixiviación de minerales

Intercambio Iónico

El intercambio iónico se basa en reacciones químicas entre los iones que se encuentran en una disolución y aquellos que se encuentran en una fase sólida (resina), insoluble en la disolución y que está en contacto con ella.

Aplicaciones:

• Desionización del agua
• Ablandamiento del agua

Evaporación

La evaporación es una operación unitaria que consiste en concentrar una disolución por evaporación de parte del disolvente. Se aplica a disoluciones formadas por un disolvente volátil y un soluto no volátil.

Cristalización

La cristalización es una operación de separación líquido-sólido durante la cual se produce la transferencia de un soluto desde una disolución líquida a una fase sólida cristalina del mismo, mediante un cambio en la temperatura y/o concentración.

Etapas:

1. Sobresaturación
2. Nucleación
3. Crecimiento de cristales

Equipos:

• Cristalizadores tipo tanque: Cuando la solubilidad cambia mucho con la temperatura.
• Cristalizadores-evaporadores: Cuando la solubilidad no cambia con la temperatura.
• Cristalizadores al vacío: Cuando se trabaja a baja temperatura.

Aplicaciones:

• Cristalización de la sacarosa
• Obtención de sales
• Purificación de productos

Secado

Diferencias entre secado y evaporación:

• La relación "cantidad de agua evaporada/producto tratado" es mucho más pequeña en el secado.
• La temperatura de operación es muy inferior en el secado, no es preciso alcanzar la ebullición.

Filtración

La filtración consiste en separar las partículas sólidas suspendidas en un fluido mediante un medio filtrante que solamente permite el paso del fluido, mientras que los sólidos quedan depositados en él.

Fluidización

La fluidización consiste en la suspensión de las partículas sólidas de un lecho en el seno de un fluido que lo atraviesa en dirección ascendente.

Ventajas frente a los lechos fijos:

1. Elevados grados de mezcla: Las partículas sólidas se mezclan intensamente, favoreciendo la homogeneidad de composición y temperatura en el lecho.
2. Posibilidad de operación en continuo.
3. Tamaño de lecho reducido: Para una misma cantidad de tratamiento, se precisa un lecho fluidizado de menor tamaño que un lecho fijo.

Desventajas:

1. Degradación mecánica de los sólidos: Las partículas del lecho se degradan debido a la intensa mezcla y fricción entre los sólidos.
2. Erosión interna de los materiales del lecho: Debido al número elevado de choques.
3. Limitación en cuanto al tipo de sólidos: No se pueden emplear sólidos que presenten problemas de reblandecimiento, desmenuzamiento, aglomeración o volatilidad.
4. Dificultad en el establecimiento de modelos de flujo.
5. Dificultad en el cambio de escala.

Aplicaciones:

• Craqueo catalítico
• Combustión de carbón
• Secado de productos
• Lavado
• Reactores biológicos

Flotación

La flotación permite separar componentes de una mezcla de sólidos por su diferencia de densidad y propiedades superficiales.

Aplicaciones:

• Tratamiento de efluentes que contienen metales pesados.
• Tratamiento de compuestos orgánicos, aceites, grasas y colorantes.
• Separación de proteínas.
• Separación de aceites.
• Tratamiento de suelos: Eliminación de pesticidas, aceites y elementos radiactivos.
• Tratamiento de aguas residuales.

Sedimentación

La sedimentación permite separar partículas sólidas existentes en una suspensión, generalmente líquida, por acción de la gravedad.

Aplicaciones:

• Tratamiento de aguas residuales: Separación de lodos.