1. INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA
ING. FERNANDO CANO LEGUA

2. Desde su concepción como base del estudio de las tecnologías que
en su época significaban la transformación de materias primas en
productos requeridos por el mercado, las operaciones unitarias han
demostrado ser la piedra angular de numerosos procesos industriales
y su valor práctico trasciende al incrementar la generación de
utilidades para las empresas, en la medida que se incorporan nuevas
tecnológicas que brindan mayor eficiencia a cada una de ellas.
Por ello, el estudio y comprensión de las operaciones unitarias y los
procesos de separación juegan un papel relevante en el formación
integral de los futuros ingenieros químicos, bioquímicos y
ambientalistas con la firme convicción de que sus aplicaciones
habrán de permitir que las organizaciones empresariales sean de
permitir que las organizaciones empresariales sean competitivas en
el ámbito internacional.

3. OPERACIONES UNITARIAS QUÍMICAS
Una operación unitaria puede definirse como un área del proceso o un
equipo donde se incorporan materiales, insumos o materias primas y
ocurre una función determinada, son actividades básicas que forman parte
del proceso. Por ejemplo, la producción de pulpa o el descortezado en una
fábrica de papel, o la destilación en un proceso de elaboración de
productos químicos.
Sería prácticamente imposible estudiar el número casi infinito de procesos
químicos que se Ilevan a cabo en la industria diariamente, si no hubiera un
punto en común a todos ellos. Afortunadamente, esta conexión existe.

4. Cualquier proceso que se pueda diseñar consta de una serie de
operaciones físicas y químicas que, en algunos casos son específicas
del proceso considerado, pero en otros, son operaciones comunes e
iguales para varios procesos. Generalmente un proceso puede
descomponerse en la siguiente secuencia:
1.- Materias Primas
2.- Operaciones físicas de acondicionamiento
3.- Reacciones químicas
4.- Operaciones físicas de separación
5.- Productos

5. Cada una de estas operaciones es una operación unitaria. Este concepto
fue introducido en 1915 por el profesor Little, del Massachussets Institute
of. Technology (M.I.T). La definición dada entonces, fue la siguiente: "...
todo proceso químico conducido en cualquier escala puede
descomponerse en una serie ordenada de lo que pudieran Ilamarse
OPERACIONES UNITARIAS, como pulverización, secado, cristalización,
filtración, evaporación, destilación... El número de estas operaciones
básicas no es muy grande, y generalmente sólo unas cuantas de ellas
intervienen en un proceso determinado."

6. CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS Y LOS PROCESOS DE
TRANSPORTE
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. Estas operaciones unitarias son comunes a
todos los tipos de industrias de proceso.
Por ejemplo, la operación unitaria conocida como destilación se usa para
purificar o separar alcohol en la industria de las bebidas y también para separar
los hidrocarburos en la industria del petróleo. El secado de granos y otros
alimentos es similar al secado de maderas, precipitados filtrados y estopa de
rayón.

7. La operación unitaria absorción se presenta en la absorción de oxigeno del aire
en los procesos de fermentación o en una planta de tratamiento de aguas, así
como en la absorción de hidrógeno gaseoso en un proceso de hidrogenación
líquida de aceites.
La evaporación de salmueras en la industria química es similar a la evaporación
de soluciones de azúcar en la industria alimenticia. La sedimentación de sólidos
en suspensiones en las industrias de tratamiento de aguas y minería, es una
operación similar. 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, la transferencia y los cambios de materiales que se llevan a cabo por
medios físicos, pero también por medios fisicoquímicos.

8. 1. Flujo de fluidos. Estudia los principios que determinan el flujo
y transporte de cualquier fluido 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 lugar a otro.
3. Evaporación. Éste es 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 casi siempre agua de
los materiales sólidos.
5. Destilación. Separación de los componentes de una mezcla
líquida por medio de la ebullición basada en las diferencias de
presión de vapor.

9. 6. Absorción. En este proceso se separa un componente gaseoso de una
corriente por tratamiento con un líquido.
7. Separación de membrana. Este proceso implica separar un soluto de un fluido
mediante la difusión de este soluto de un líquido o gas, a través de la barrera de
una membrana semipermeable, a otro fluido.
8. 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 solución.
9. Adsorción. En este proceso, un componente de una corriente líquida o
gaseosa es retirado y adsorbido por un adsorbente sólido.
10. Lixiviación líquido-sólido. Consiste en el tratamiento de un sólido
finamente molido con un líquido que disuelve y extrae un soluto contenido en
el sólido.

10. 11. Cristalización. Se refiere a la extracción de un soluto, como la sal, de una
solución por precipitación de dicho soluto.
12. Separaciones físico-mecánicas. Implica la separación de sólidos, líquidos
o gases por medios mecánicos, tales como filtración, sedimentación o
reducción de tamaño, que por lo general se clasifican como operaciones
unitarias individuales.
Muchas de estas operaciones unitarias tienen ciertos principios básicos o
fundamentales comunes.
Por ejemplo, el mecanismo de difusión o de transferencia de masa se presenta en
el secado, absorción, destilación y cristalización. La transferencia de calor es
común al secado, la destilación, la evaporación, etc. Por lo tanto, es conveniente
establecer la siguiente clasificación más fundamental de los procesos de transporte
o de transferencia.

11. Procesos fundamentales de transporte
1 . Transferencia de momento lineal. 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
como tal a la transferencia de calor que pasa 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, separación por membranas,
adsorción y lixiviación.

12. DISEÑO INTEGRADO Y SÍNTESIS DE PROCESOS
En el diseño de plantas de procesos químicos se involucran fundamentalmente
dos áreas: la Síntesis de procesos y el Diseño de procesos.
En la tarea de síntesis de procesos se determina la interconexión óptima entre
las unidades del proceso como también el tipo de diseño de las unidades
dentro del sistema de procesos, (Nishida,1981), para alcanzar unos objetivos
de producción específicos.
La tarea del diseño de procesos está enfocada a la determinación de las
condiciones de operación de cada una de las unidades del proceso y los
dimensionamientos que se requieren para la producción de dicho material o
producto específicos.
Por otro lado la tarea del control de procesos se centra en establecer las
pautas de operación que aseguren un comportamiento estable del proceso
satisfaciendo sus requerimientos en condiciones desfavorables tales como la
acción de perturbaciones e incertidumbres en los modelos empleados en el
diseño del sistema de control.

13. DISEÑO CONCEPTUAL, DISEÑO BÁSICO, DISEÑO DETALLADO
Las dos primeras etapas son realizadas por los ingenieros de procesos – en su
mayoría ingenieros químicos – mientras que la última es realizada por un equipo
de ingenieros mecánicos, civiles, eléctricos, instrumentistas, entre otros; luego el
punto de partida de todo proyecto de ingeniería de procesos parte del equipo de
ingenieros químicos encargados de los diseños conceptual y básico.
El diseño conceptual o síntesis de proceso es la etapa en la cual se arma la
topología del proceso, es decir el esquema o diagrama de flujo básico que
presenta la secuencia de operaciones necesarias para transformar las materias
primas en los productos deseados. Por simple que parezca, la conceptualización
del proceso es un tema complejo de alta responsabilidad, ya que los errores de
esta etapa se trasladarán y amplificarán en las etapas siguientes.

14. En esta etapa cuenta mucho la experiencia del ingeniero de procesos, ya que él
tendrá que seleccionar las operaciones y procesos unitarios que se deben incluir
en el proceso, considerando por supuesto aspectos no sólo técnicos sino
económicos y ambientales; además, no una única solución, por lo cual es
necesario ponderar los pro y contra de cada alternativa posible.

15. El diseño básico es la concreción del diseño conceptual en cuanto a la definición
de las variables de operación y los parámetros de construcción de los equipos.
El ingeniero de procesos en esta etapa debe calcular y seleccionar los equipos,
tuberías y accesorios que harán parte de la planta de proceso.
Los parámetros de construcción en este caso son las dimensiones básicas que se
refieren a diámetros y altura de tanques; tipo, altura, dimensiones y configuración
de las partes internas de columnas y reactores; tipo y potencia de bombas y
compresores…. en fin.
Antes que ser un diseño mecánico, el diseño básico es el cálculo de los
parámetros de construcción de los equipos requeridos en el proceso para
proceder a su compra o a su diseño mecánico

16. Finalmente, la ingeniería de detalle parte de la información generada por los
ingenieros de proceso en las anteriores etapas de diseño para proceder a los
diseños mecánicos, civiles, eléctricos y demás.

17. El trabajo del ingeniero de procesos como punto inicial en el diseño de
plantas de proceso es entonces claro: de su acierto depende el éxito y la
seguridad de la nueva planta, su desacierto no sólo puede representar
pérdida de dinero sino también de vidas.
El éxito de los ingenieros de procesos está fuertemente ligado a su
experiencia y de ahí que los nuevos ingenieros más que solo
documentarse deben practicar, ejercer y realizar sus diseños bajo la
supervisión de un ingeniero “veterano”, experimentado, como en las
antiguas artes de hace siglos cuando los iniciados progresaban bajo el
acompañamiento de su maestro.

18. Estas son algunas de las operaciones unitarias químicas:
COMBUSTIÓN es el proceso de oxidación rápida de una sustancia, acompañado
de un aumento de calor y frecuentemente de luz. En el caso de los combustibles
comunes, el proceso consiste en una combinación química con el oxígeno de la
atmósfera que Ileva a la formación de dióxido de carbono, monóxido de carbono y
agua, junto con otros productos como dióxido de azufre, que proceden de los
componentes menores del combustible.
HIDRATACION.- Cuando un cuerpo seco (anhídrido), absorbe agua, aunque sea
en forma de humedad, se dice que este cuerpo está hidratado o que ha sufrido el
fenómeno de hidratación.
OXIDACION.- Es la operación de introducir oxígeno en un cuerpo de manera que
forme parte de su constitución íntima, tal sería el agua (H20) agregar un átomo de
oxígeno y formar agua oxigenada ( H2
02
) también Llamada peróxido de hidrógeno
0 dióxido de hidrógeno. La combustión es También un proceso típico de oxidación
pues toma el oxígeno del aire para quemar el carbono.

19. REDUCCION.- Consiste en separar oxigeno de un cuerpo para que este resulte
puro. En la metalurgia del hierro, por ejemplo se reduce el mineral formado por
óxidos y al eliminarse el oxígeno queda el metal puro. Un cuerpo reductor es el
carbono; así tenemos que el carbono en caliente con ayuda de la flama reduce el
óxido de plomo, de cobre, etc. al estado de plomo y cobre puro.
SAPONIFICACION.- Cuando una sustancia grasa es tratada en caliente por
medio de una lejía fuertemente alcalina, se transforma en jabón y se dice que se
ha producido la saponificación.
HIDROGENACION, reacción que implica la combinación de hidrógeno con ciertos
compuestos orgánicos no saturados, especialmente con los hidrocarburos. Por
ejemplo, al hidrogenar el eteno (C2
H4
) se obtiene etano (C2
H6
). La hidrogenación
se usa también con moléculas más complicadas, obteniéndose gran variedad de
productos sintéticos importantes en el laboratorio y en la industria.
La reacción de hidrogenación se aplica a escala industrial en numerosos
procesos, como la hidrogenación de los aceites vegetales para producir
numerosas grasas comestibles, por ejemplo la margarina El proceso de
hidrogenación se aplica también en la producción de gasolina sintética.

20. CRAQUEO O CRACKING, proceso químico por el cual un compuesto químico,
normalmente orgánico, se descompone o fracciona en compuestos más simples. El
craqueo se realiza ya sea por la aplicación de calor y alta presión, mediante el
proceso conocido como craqueo térmico, o bien por el craqueo catalítico, que es la
combinación de calor y una catálisis. En las refinerías modernas, primero se separa
el petróleo por destilación fraccionada. A continuación, casi todas las fracciones más
pesadas son sometidas a craqueo. En el proceso siempre se forma hidrógeno y
carbono.
FERMENTACIÓN proceso en el que ocurren cambios químicos en las sustancias
orgánicas producidos por la acción de enzimas Ilamadas fermentos, producidas por
organismos diminutos tales como el moho, las bacterias y la levadura. Por ejemplo, la
lactasa, un fermento producido por una bacteria que se encuentra generalmente en
la leche, hace que ésta se agrie, transformando la lactosa (azúcar de la leche) en
ácido láctico. El tipo de fermentación más importante es la fermentación alcohólica,
en donde la acción de la simaza segregada por la levadura convierte los azúcares
simples, como la glucosa y la fructosa, en alcohol etílico y dióxido de carbono. Hay
otros tipos de fermentación que se producen de forma natural, como la formación de
ácido butanoico cuando la mantequilla se vuelve rancia, y de ácido etanoico (acético)
cuando el vino se convierte en vinagre.

21. POLIMERIZACIÓN
Es el proceso que se realiza al unir varias moléculas más pequeñas
(monómeros) en otras más grandes Polímeros. El número de unidades que
se repiten en una molécula grande se Ilama grado de polimerización.
Los materiales con un grado elevado de polimerización se denominan altos
polímeros.
Los homopolímeros son polímeros con un solo tipo de unidad que se
repite.
En los copolímeros se repiten varias unidades distintas. La mayoría de las
sustancias orgánicas presentes en la materia viva, como las proteínas, la
madera, la quitina, el caucho y las resinas, son polímeros; también lo son
muchos materiales sintéticos como los plásticos, las fibras, los adhesivos,
el vidrio y la porcelana.