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Introducción a las Operaciones Unitarias

A continuación, explicaremos un tema clave para cualquier estudiante o profesional de la ingeniería: Las Operaciones Unitarias. Si alguna vez te has preguntado cómo la industria organiza y ejecuta procesos de transformación, ¡la respuesta está aquí! 

Antes de empezar, te sugerimos visualizar este vídeo...

1. Definición de las Operaciones Unitarias

Para poder reforzar que son las Operaciones Unitarias, vamos a presentar tres conceptos referentes a las mismas de diferentes autores:

McCabe et al. (1991), las definen como: "[...] un paso de procesamiento en un sistema de producción industrial donde tienen lugar una transformación física de la materia". Además, destacan que las operaciones unitarias permiten realizar cambios en la forma física, fase, temperatura o composición de una sustancia, sin cambiar su estructura química. 

Geankoplis (1998), por otro lado, las describe como la serie de etapas individuales que tiene como objeto de estudio la transferencia y los cambios de energía, la transferencia y los cambios de materiales que se llevan a cabo por medios físicos, pero también por medios fisicoquímicos. 

A.D. Little (1914), lo define como cualquier proceso químico, sin importar su escala, el cual puede descomponerse en una serie de lo que se denominan "operaciones unitarias", constituyen los pasos físicos básicos comunes a muchos procesos. El reto está en los diferentes requerimientos (temperatura, presión, materiales) bajo los cuales esas operaciones deben llevarse a cabo.


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Ahora bien, ¿qué son las Operaciones Unitarias?



De acuerdo con la bibliografía utilizada para el blog, podemos describirla entonces como las etapas donde se producen cambios netamente físicos los cuales se llevan a cabo en un proceso de transformación en la industria.

2. Clasificación de las Operaciones Unitarias

Es conveniente establecer la clasificación de las operaciones unitarias, de acuerdo con los procesos de transporte o de transferencia:

I. Transferencia de Momento Lineal. Se refiere a la que se presenta en los materiales en movimiento. 


II. Transferencia de Calor. En este proceso fundamental se considera como tal a la transferencia de calor que pasa de un lugar a otro.

III. 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.


IV.  Separación Físico-Mecánico. Aquella mediante la cual una mezcla se transforma en dos o más productos de composición diferente aumentando la concentración de alguno de los componentes.


Para un mejor entendimiento, puedes visualizar a continuación un flyer elaborado por nosotros donde están clasificadas las principales operaciones unitarias de acuerdo con su tipo de transferencia.



Algunos Ejemplos...


Transferencia de Masa

En la Transferencia de masa, un ejemplo clásico es la destilación del petróleo crudo en una refinería para producir una variedad de productos derivados del petróleo, como la gasolina, el diésel, el queroseno y otros combustibles y productos químicos.

  • Calentamiento del Petróleo Crudo. El petróleo crudo se calienta en una caldera para convertirlo en vapor, y dado que sus componentes tienen diferentes puntos de ebullición, este proceso de calentamiento separa los componentes en vapores en función de sus temperaturas de ebullición. 
  • Columna de Destilación. Los vapores se introducen en una columna de destilación o torre de fraccionamiento, la cual consta de varios platos o bandejas y se encuentra a diferentes temperaturas a medida que asciende. Para ello, los vapores se separan según su peso molecular: los más ligeros (gases licuados de petróleo y nafta) ascienden hacia la parte superior, mientras que los más pesados (queroseno, diésel y asfalto) se condensan en las bandejas inferiores para ser recolectados por separado.
  • Procesamiento Adicional. Los productos obtenidos en la destilación. pueden someterse a procesos adicionales para mejorar su calidad y cumplir con las especificaciones requeridas. Por ejemplo, el queroseno puede ser hidro tratado para eliminar impurezas y aumentar su punto de inflamación.



    Transferencia de Calor

    • Calentamiento por microondas. En electrodomésticos como hornos de microondas, la transferencia de calor se logra mediante la generación de microondas que calientan selectivamente los alimentos y líquidos en su interior.
    • Refrigeración en sistemas de aire acondicionado y refrigeración. Los sistemas de aire acondicionado y refrigeración utilizan la transferencia de calor para eliminar el calor del aire en espacios interiores o para mantener productos perecederos frescos en sistemas de refrigeración comercial.
    • Tratamiento térmico del acero. En la fabricación de productos de acero, como la temple y revenido, la transferencia de calor se utiliza para cambiar las propiedades mecánicas del material.


    Transferencia de Momento Lineal

    • Transporte de fluidos en tuberías: En una planta química, petroquímica o de tratamiento de agua, los fluidos se mueven a través de tuberías utilizando bombas y válvulas para mantener el flujo y la presión requeridos.
    • Mezcla de fluidos en tanques o reactores: En operaciones de síntesis química, los reactores y tanques de mezcla requieren una agitación adecuada para garantizar que los reactivos se mezclen de manera homogénea. Las hélices o impulsores transfieren momento al fluido para lograr esta mezcla.
    • Operaciones de separación de gas y líquido: En las torres de separación de petróleo y gas, el flujo de momento permite la separación de las fases gaseosa y líquida. Se utilizan separadores y dispositivos de control para dirigir el flujo de manera adecuada.



        Separación Físico - Mecánica

        • Filtración. Un ejemplo común es la filtración de café molido para obtener café líquido. 
        • Tamizado. Por ejemplo, en la industria de la construcción, se puede tamizar arena para obtener diferentes tamaños de grano. 
        • Centrifugación. Por ejemplo, en la industria de alimentos, se usa para separar el suero de la leche al hacer queso. 
        • Decantación. Un ejemplo es dejar reposar el aceite y el agua en un recipiente, donde el aceite flota en la parte superior.


        3. Campo de Aplicación de las Operaciones Unitarias en la Industria


        Las operaciones unitarias constituyen la base de todos los procesos industriales donde se busca trasformar materias primas en productos útiles. Cada industria, independientemente de su escala o especialización, depende de una o varias operaciones unitarias como etapas fundamentales para alcanzar la calidad, pureza y eficiencia productivas deseadas. 
        Estas operaciones, que involucran transferencia de masas, energía y cantidad movimiento, permiten controlar fenómenos físicos como la evaporación, filtración, destilación o secado. 
         


        En conjunto, hacen posible el diseño y funcionamiento de plantas industriales modernas, tales como:

        • Industria química y petroquímica. Utiliza operaciones como destilación fraccionada, absorción de gases o extracción líquida, esenciales para separar componentes del petróleo, producir combustibles y obtener materias primas químicas básicas.


        • Industria alimentaria. Aplica operaciones como pasteurización, secado y evaporación para conservar alimentos, eliminar microorganismos y mejorar la textura o concentración de productos.


        • Industria farmacéutica. Emplea operaciones de filtración, cristalización y secado para la obtención de principios activos y formulación de medicamentos con pureza controlada.


        • Tratamiento de aguas y medio ambiente. Usa filtración, sedimentación y adsorción para eliminar contaminantes y recuperar agua limpia.


        • Minería y metalurgia. Aplica flotación, lixiviación y separación sólido-líquido para extraer y concentrar metales.


        “Toda planta industrial, sin importar su finalidad, puede descomponerse en una secuencia de operaciones unitarias que constituyen el esqueleto técnico del proceso productivo”.
        (Geankoplis, 2018).


        Importancia en el Desarrollo Industrial

        El conocimiento y correcta aplicación de las operaciones unitarias permiten:
        • Optimizar los recursos energéticos y materiales, reduciendo costos y residuos.
        • Mejorar la seguridad industrial y el control de calidad en cada etapa del proceso.
        • Diseñar procesos sostenibles, con menor impacto ambiental y mayor eficiencia.
        • Innovar tecnológicamente, al combinar operaciones tradicionales con métodos modernos.



        4. Conclusiones


        En conclusión, las Operaciones Unitarias representan el fundamento de la Ingeniería Química al comprender los procesos físicos mediante los cuales se modifican las condiciones de las materias primas, clasificándose en base a los procesos de transferencia (calor, masa, momento) y separación físico-mecánicas.

        Así pues, como futuros ingenieros industriales, el dominio de estos conceptos nos prepara para identificar, analizar y resolver problemas en distintas etapas de la producción, optimizar el uso de recursos, mejorar la eficiencia energética, diseñar equipos adecuados a las necesidades de cada proceso y garantizar la seguridad operativa dentro de las plantas industriales. 


        5. Bibliografía   

        A.D. Little. (1914). Chemical Engineering and Chemical Process Technology, capítulo de “Chemical Engineering Operations” en la enciclopedia EOLSS.

        C.J. Geankopolis. (1998). PROCESOS DE TRANSPORTE Y OPERACIONES UNITARIAS. COMPAÑÍA EDITORIAL CONTINENTAL, S.A. DE C.V. MÉXICO. https://fenomenosdetransporte.wordpress.com/wp-content/uploads/2008/05/geankopolis.pdf 

        Geankoplis, C. J. (2018). Transport Processes and Separation Process Principles: Including Unit Operations (5th ed.). Pearson Education. 

        EcuRed. (2020). Operaciones Unitarias. https://www.ecured.cu/index.php?title=Operaciones_Unitarias&oldid=3745045

        I. Martín; R. Salcedo; R. Font. (2011). Operaciones separación sólido-fluido. https://rua.ua.es/server/api/core/bitstreams/12be8172-6b2d-4c89-b491-d8bb0a899df4/content   

        W.L McCabe; J. C. Smith; P. Harriot. (2017). OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERIA QUIMICA. McGRAW-HILLPNTERAMERICANA DE ESPAÑA, S. A. U. https://ingenieriapetroquimicaunefazulia.wordpress.com/wp-content/uploads/2011/05/operaciones-unitarias-a.pdf

        S. Galán. (2014). APUNTES DE OPERACIONES DE SEPARACIÓN POR TRANSFERENCIA DE MATERIA I. https://www.cartagena99.com/recursos/fisica/apuntes/Apuntes.pdf 

        Universidad de Sevilla. (2017). MEZCLADO DE SÓLIDOS. https://personal.us.es/mfarevalo/recursos/tec_far/mezclado_solidos.pdf