Las operaciones unitarias han sido desarrolladas y documentadas en los estudios de ingeniería química, ya que la ingeniería química trata de procesos industriales en los que las materias primas se transforman o separan en productos útiles.
El ingeniero químico tiene que desarrollar, diseñar y llevar a cabo el proceso, así como elegir el camino que se utilizara en el mismo.
El ingeniero utilizara la ciencia siempre y cuando le permita resolver sus problemas. Sin embargo, en la mayor parte de los casos, la ciencia no es capaz de proporcionarle una solución completa, y entonces tendrá que recurrir a la experiencia y su buen criterio.
Su capacidad profesional depende de está habilidad para combinar todas las fuentes de información con el fin de obtener soluciones practicas a los problemas que se le presenten
En la cita anterior, McCabe crea conciencia de todas las habilidades que el especialista en operaciones unitarias debe tener, además de la experiencia para lograr la purificación de las substancias que se obtienen mediante un proceso químico. Es verdad que la parte científica es muy importante, pero muchas veces surgen ideas ingeniosas cuando se está tratando de ejecutar los procesos a nivel piloto, y eso no está establecido científicamente, ya que surge de la experiencia y posteriormente se documenta para que cuando se encuentren nuevos problemas se intente aplicar una solución similar.
En la actualidad, existen nuevos problemas, ya no de la industria química, sino de la calidad del ambiente, el cual ha sido deteriorado paulatinamente por acción del hombre que al buscar una forma más confortable de vida y avanzando en el descubrimiento de la ciencia y el uso de la tecnología descuido el medioambiente. Entre los problemas que ha ocasionado destacan la contaminación de los mares y ríos, el deterioro de las selvas tropicales, las especies en peligro de extinción, la contaminación atmosférica y el decremento de la capa de ozono, entre otros.
Tomando conciencia de esto, se ha visto la necesidad de preparar especialistas en el área de la tecnología ambiental (ingenieros en tecnología ambiental) para que se encarguen de controlar y mejorar, en la medida de lo posible, estos problemas.
Al observar las características de estos problemas, por ejemplo, la contaminación atmosférica, se observa que está se produce por la mezcla de productos químicos depositados en las corrientes de aire, estos productos químicos se vierten en la atmósfera mediante la eliminación de vapores y gases de los procesos de la industria química a través de las chimeneas, los escapes de los vehículos, la propulsión de las turbinas y de los aviones y cohetes, etc.
Una mezcla de gases con partículas dispersas de sustancias químicas, las cuales son nocivas para la salud.
Purificar o limpiar el aire extrayendo todas esas sustancias químicas que no deben ser parte de la composición del aire.
Entonces se retoma a los principios de la ingeniería química, aplicando los conocimientos generados a lo largo de muchos años de investigación y de la experiencia adquirida, la que ha enseñado a transportar, cambiar el estado físico y químico de las sustancias y a establecer los medios para la separación de estas, estos conocimientos se han denominado operaciones unitarias.
En Ingeniería en Tecnología Ambiental, utilizaras las operaciones unitarias para mejorar las condiciones del ambiente y de los ecosistemas, por tal motivo, está asignatura se denomina Operaciones unitarias ambientales. Tu función como ingeniero en tecnología ambiental será la identificación de problemas ambientales, reconocer los agentes contaminantes, formular hipótesis para eliminarlos, proponer los equipos para su tratamiento y establecer la secuencia logia para aplicar el tratamiento.
Por tanto, comenzaras por identificar las operaciones unitarias más utilizadas. Revisalas en la siguiente figura:
Ilustración 1. Principales operaciones unitarias.
Adicionalmente, revisa la siguiente tabla donde se recopila una breve descripción de las operaciones unitarias.
| Absorción | | Se utiliza en la purificación de corrientes gaseosas. La operación consiste en absorber uno o varios gases presentes en una corriente gaseosa que se disuelve en un líquido absorbente. |
| Adsorción | | Es una operación de transferencia de masa. La operación unitaria consiste en la separación de una mezcla líquida o gaseosa por adherencia a la superficie del sólido |
| Centrifugación | | Está operación unitaria se trata de una separación por gravedad en donde la fuerza que actúa sobre el líquido se incrementa enormemente utilizando la fuerza centrífuga. |
| Condensación | | En la condensación se hace pasar una sustancia en forma de vapor, al estado líquido por medio de la transferencia de calor. |
| Cristalización | | Está operación unitaria consiste en obtener sólidos de forma cristalina a partir de una solución líquida saturada. |
| Decantación | | Consiste en separar dos líquidos de diferentes densidades, pasado un tiempo de reposo de los dos líquidos se forman dos fases, después por decantación se separa el líquido más denso y el ligero. |
| Decapado | | Está operación unitaria consiste en eliminar la capa incrustante de óxidos u otros materiales de las superficies metálicas. |
| Destilación | | Es un proceso de separación que consiste en eliminar uno o más de los componentes de una mezcla volátil por medio de la transferencia de masa y calor simultánea. |
| Electrodeposición | | Está operación se utiliza para concentrar los iones metálicos de una solución de manera sencilla. |
| Evaporación | | Está operación consiste en proporcionar calor suficiente para que se evapore una disolución. |
| Extracción | | Hay dos tipos de extracción líquido-sólido y la extracción líquido-líquido. La extracción sólido-líquido, percolación o lixiviación, consiste en tratar un sólido que está formado por dos o más sustancias con disolvente que disuelve preferentemente uno de los dos sólidos (soluto). La extracción líquido-líquido consiste en poner una mezcla líquida en contacto con un líquido miscible, que selectivamente extrae uno o más de los componentes de la mezcla. |
| Filtración | | Es la operación unitaria de separación de sólidos de un líquido por medio de un medio poroso. |
| Flotación | | Se concentran los minerales principalmente sulfuros, esto se hace mediante agitación y aireación, aunque algunas veces también se agregan algunas sustancias químicas de tal manera que se forman espumas o burbujas que permiten la concentración de minerales. |
| Fundición | | Es el proceso de fusión en el cual los materiales que se forman conforme se suceden las reacciones químicas, se separan en dos o más capas. |
| Intercambio iónico | | Las operaciones de intercambio iónico son básicamente reacciones químicas de sustitución entre un electrolito en solución y un electrolito con el cual se pone en contacto la solución. |
| Molienda | | Se refiere a subdividir un material en mayor o menor cuantía |
| Prensado | | Es la separación de líquido de un sistema de dos fases de sólido-líquido mediante la compresión, en condiciones que permiten que el líquido escape al mismo tiempo que se retiene el sólido entre las superficies de compresión. |
| Reacción | | Se refiere a las reacciones químicas que se generan en la mayoría de los procesos químicos. |
| Secado | | Con ella se elimina la humedad residual que contiene los productos sólidos, para hacerlos así más aceptables para su comercialización o su empleo posterior. También se utiliza para separar los sólidos de una disolución por medio del secado por atomización. |
| Sedimentación | | La sedimentación implica el asentamiento por gravedad de las partículas sólidas suspendidas en un líquido. |
Las operaciones unitarias se fundamentan en los principios básicos de la física, la química, la biología y se apoyan en las matemáticas para la propuesta de modelos específicos de aplicación debidos a sus características de transferencia.
Las operaciones unitarias se dividen para su estudio en tres grandes áreas:
· Transferencia de momentum o mecánica de fluidos.
· Transferencia de calor
· Transferencia de masa.
Como ves, estamos estudiando procesos de transferencia, esto implica que para transferir algo o moverlo de un lugar a otro es necesario contar con una fuerza impulsora o una diferencia de potencial, es aquí en donde las leyes básicas de la impulsora o una diferencia de potencias, es así en donde las leyes básicas de la física actúan. El agente impulsor en la mecánica de fluidos es la diferencia de presión (fuerza sobre área de aplicación) entre dos puntos. Para la transferencia de calor es necesario que exista una diferencia de temperaturas (gradiente de calor) y para la transferencia de masa debe existir una diferencia de concentración (cantidad de masa por volumen).
Las operaciones unitarias se basan en estos tres principios para su transferencia.
Ilustración 2. Las operaciones unitarias y la forma de transporte.
De forma general, se puede establecer una ecuación general que describa el transporte molecular.
Nota que la velocidad de transferencia está dada por una fuerza impulsora con respecto a una resistencia para su transferencia.
Existen tres tipos de procesos de transferencia de calor (convección, conducción y radiación). Al respecto revisa la siguiente tabla donde encontraras un resumen de estos tres procesos:
| | ||
| Conducción. es la transferencia de calor a través de un material fijo por contacto directo, sin intercambio, mezcla o flujo de cualquier material | Convección. Es la transferencia de calor entre partes relativamente calientes y frías de un fluido por medio de mezcla. Existe la convención natural: el movimiento se da por la diferencia de densidades que tiene por consecuencia una diferencia de temperaturas. Convección forzada: cuando el movimiento es inducido externamente. | Radiación. Involucra la transferencia de energía radiante desde una fuente a un receptor. Cuando la radiación se emite desde una fuente a un receptor, parte de la energía se absorbe por el receptor y parte es reflejada por él. |
