OPERACIONES UNITARIAS I QUINTO SEMESTRE INGENIERIA EN ALIMENTOS Ing. MSc. Araceli Pilamala 1.

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1 OPERACIONES UNITARIAS I QUINTO SEMESTRE INGENIERIA EN ALIMENTOS Ing. MSc. Araceli Pilamala 1

2 ELEMENTO DE COMPETENCIA I Analizar en detalle la generación de energía mediante la utilización de vapor, gas natural y energía eléctrica. Ing. MSc. Araceli Pilamala 2

3 Contenidos Cognitivos 1.Introducción a las operaciones unitarias. 2.Conceptos fundamentales de operaciones unitarias. 3.Generación de energía mediante la utilización de gas. 4.Generación de energía mediante la utilización de vapor. 5.Generación de energía mediante la utilización de energía eléctrica. Ing. MSc. Araceli Pilamala 3

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5 MATERIAS PRIMAS ACONDICIONAMIENTO DE MATERIAS PRIMAS ESQUEMA DE UN PROCESO INDUSTRIAL SIMPLIFICADO OPERACIONE S FISICAS DE SEPARACION OPERACIONES DE TRANSFORMACION productos Ing. MSc. Araceli Pilamala 5

6 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. PRODUCTOS FINALES PROCESO MATERIAS PRIMAS Ing. MSc. Araceli Pilamala 6

7 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE PROCESOS 3. Deben escribirse todos los datos posibles sobre las corrientes. 1.Cada UNIDAD es representada por un rectángulo o la gráfica que le corresponda. 2. Los FLUJOS DE MATERIA están representados por líneas que entran y salen de las unidades. F = 100 kg/h Bz = 0,5 Tol = 0,5 A= ? Bz = 0,9 Tol = 0,1 B= ? Bz = 0,02 Tol = 0,98 Ing. MSc. Araceli Pilamala 7

8 PROCESO Es el conjunto de actividades u operaciones industriales que tienden a modificar las propiedades de las materias primas, con el fin de obtener productos que sirvan para cubrir las necesidades de la sociedad. Estas modificaciones que se realizan a las materias primas naturales van encaminadas a la obtención de productos que tenga una mayor aceptación en el mercado, o bien que presenten mayores posibilidades de almacenamiento o transporte. Ing. MSc. Araceli Pilamala 8

9 El conjunto de necesidades primarias que deben satisfacer al ser humano, individualmente o en sociedad no ha variado excesivamente a lo largo de la historia, pues tanto la alimentación, vestido y vivienda eran necesarios al hombre primitivo como lo han hecho para su supervivencia. Ing. MSc. Araceli Pilamala 9

10 La satisfacción de estas necesidades se lleva a cabo empleando, transformando y consumiendo los medios de los que se dispone en el entorno natural. Este sencillo esquema productivo fue cambiando a medida que se desarrollo la sociedad, de forma que actualmente ya no se utilizan directamente las materias primas para satisfacer las necesidades, sino que estas son sometidas a transformación físicas y químicas, que las cambian en otros productos de propiedades diferentes. Ing. MSc. Araceli Pilamala 10

11 PROCESO INDUSTRIAL ENERGIA SERVICIOS ASPECTOS SOCIOPOLITICOS ASPECTOS ECONOMICOS DISPONIBILIDAD Y COSTE REGULACIONES AMBIENTALES TECNOLOGIA DISPONIBLE MERCADO MATERIAS PRIMAS PRODUCTOS Ing. MSc. Araceli Pilamala 11

12 INGENIERIA DE LOS PROCESOS ALIMENTARIOS  Se enfoca en comprender los principios y leyes que siguen las etapas físicas, químicas o bioquímicas de los distintos procesos.  Encaminar que por procesos de transformación de materias primas agrícolas se obtenga el producto acabado o que los conserven de tal modo que puedan permanecer sin cambio alguno por largos periodos de tiempo. Ing. MSc. Araceli Pilamala 12

13 OPERACIÓN UNITARIA Etapa de un proceso, donde se realiza una modificación específica de una corriente. Pueden distinguirse diferentes tipos dependiendo de la naturales de la transformación llevada a cabo.  Etapas físicas  Etapas químicas  Etapas bioquímicas Ing. MSc. Araceli Pilamala 13

14 Físicas Químicas Bioquímica Molienda, tamizado, Mezcla, Fluidización, Sedimentación, Flotación, Filtración, Rectificación, Absorción, Extracción, Adsorción, Intercambio de calor, Evaporación, secado, etc Refinado, Pelado Químico Fermentación, Pasteurización, Esterilización, Pelado Enzimático Ing. MSc. Araceli Pilamala 14

15 Según la propiedad transferida, las OU se pueden clasificar en distintos grupos: Ing. MSc. Araceli Pilamala 15

16 OU DE TRANSPORTE DE CANTIDAD DE MOVIMIENTO Se estudian los procesos en que se ponen en contacto dos fases, cuya velocidad es distinta. Se suelen dividir en tres grupos: Circulación interna de fluidos Circulación externa de fluidos Movimiento de sólidos en el seno de fluidos Movimiento, en el interior de tuberías y aparatos utilizados para la impulsión y medición Incluyen operaciones de flujo de fluidos a través de lechos porosos fijos, lechos fluidizados y transporte neumático Incluye operaciones como sedimentación, filtración y ultrafiltración Ing. MSc. Araceli Pilamala 16

17 CIRCULACION INTERNA DE FLUIDOS CIRCULACIÓN POR EL EXTERIOR DE UN SÓLIDO Ing. MSc. Araceli Pilamala 17

18 MOVIMIENTO DE SÓLIDOS DENTRO DEL FLUIDO Ing. MSc. Araceli Pilamala 18

19 DESTILACION Separación de dos o mas componentes aprovechando la diferencia de presiones ABSORCION Separación de uno o más componentes de una mezcla gaseosa con la ayuda de un solvente líqui do con el cual forma solución. OU DE TRANSFERENCIA DE MATERIA Ing. MSc. Araceli Pilamala 19

20 EXTRACCIÓN Se basa en la disolución de una mezcla (liquida o solida) en un disolvente selectivo. Puede ser:  Liquido – liquido  Solido – Liquido ADSORCION Es la eliminación de uno o mas componentes de un fluido (liquido o gas) por retención en la superficie de un solido. Ing. MSc. Araceli Pilamala 20

21 INTERCAMBIO IONICO Sustitución de uno o varios iones de una disolución por otros del agente intercambiador Ing. MSc. Araceli Pilamala 21

22 OU DE TRANSFERENCIA DE CALOR Están controladas por los gradientes de temperatura. Dependiendo del mecanismo con que se transfiere el calor. Basados en estos mecanismos de transmisión de calor se estudian los tratamientos térmicos (esterilización y pasteurización), Evaporación, Intercambiadores de calor, hornos, placas solares etc. CONDUCCIONCONVECCIONRADIACION Ing. MSc. Araceli Pilamala 22

23 CONDUCCION En medio materiales continuos, el calor fluye en sentido decreciente de temperaturas, y no existe movimiento macroscópico de materia CONVECCION El flujo entalpico asociado a un fluido en movimiento, puede ser natural o forzada Ing. MSc. Araceli Pilamala 23

24 RADIACION Transmisión de calor mediante ondas electromagnéticas, sin necesidad de un medio material para su transmisión Ing. MSc. Araceli Pilamala 24

25 OU DE TRANSFERENCIA SIMULTANEA DE MATERIA-CALOR Existe a la vez un gradiente de concentracion y de temperatura. Humidificación y deshumidificacion Cristalización Deshidratación Liofilización Ing. MSc. Araceli Pilamala 25

26 HUMIDIFICACIÓN Aumentar la cantidad de vapor presente en una corriente gaseosa; el vapor puede aumentar pasando el gas a través de un líquido que se evapora en el gas. DESHUMIDIFICACIÓN Reducir la cantidad de vapor presente en una corriente gaseosa, mediante una condensación parcial del vapor, que se separa. Ing. MSc. Araceli Pilamala 26

27 CRISTALIZACION Formación de partículas solidas cristalinas en el seno de una fase homogénea liquida DESHIDRATACION Eliminación de un liquido contenido en el seno de un solido Ing. MSc. Araceli Pilamala 27

28 LIOFILIZACION Se basa en eliminar el liquido que se encuentra en fase solida, por sublimación a estado vapor Ing. MSc. Araceli Pilamala 28

29 OU COMPLEMENTARIAS Existen una serie de operaciones que no se incluyen en esta clasificación por no basarse en ninguno de los fenómenos de transporte citados anteriormente. Así dentro de este grupo se incluyen: Trituración Molienda Tamizado Mezclas de solidos etc. Ing. MSc. Araceli Pilamala 29

30 REGIMEN ESTACIONARIO NO ESTACIONARIO OPERACION CONTINUA DISCONTINUA SEMICONTINUA METODOS DE TRABAJO EN LAS OPERACIONES UNITARIAS Ing. MSc. Araceli Pilamala 30

31 COMPORTAMIENTO DE UN SISTEMA CON RESPECTO AL TIEMPO Estado estacionario: si sus propiedades no varían con el tiempo. Q1Q1 Q2Q2 Q 1 = Q 2 h = cte Ing. MSc. Araceli Pilamala 31

32 Estado no estacionario o transitorio si las propiedades o condiciones de un sistema cambian en el tiempo. El nivel del líquido y el caudal de salida varían con el tiempo h ≠ cte Ing. MSc. Araceli Pilamala 32

33 OPERACIÓN DISCONTINUA (batch o por lotes) OPERACIÓN CONTINUA Ing. MSc. Araceli Pilamala 33

34 OPERACIÓN SEMICONTINUA Ing. MSc. Araceli Pilamala 34

35 VENTAJAS DE LAS OPERACIONES CONTINUAS  Economía de escala  Fácil recuperación de calor  Automatización  Eliminación de tiempos muertos.  Mayor uniformidad de los productos  Mayor producción por unidad de volumen Ing. MSc. Araceli Pilamala 35

36 DESVENTAJAS DE LAS OPERACIONES CONTINUAS  Se requiere uniformidad de composición de materias primas y reaccionantes.  Difícil adaptación de la producción al consumo.  Arranque y parada complicados.  Equipo de instrumentación y control costoso. Ing. MSc. Araceli Pilamala 36

37 Operaciones continuas, discontinuas y semicontinuas  Ejemplos de operaciones continuas son las implicadas en la obtención de productos a gran escala (etileno, benceno, amoníaco, etc.)  Ejemplo de operaciones discontinuas son la filtración, la cristalización, los reactores de fabricación de colorantes y productos farmacéuticos o el templado del acero Ing. MSc. Araceli Pilamala 37

38 Operaciones continuas, discontinuas y semicontinuas Ejemplo de operaciones semicontinuas son la lixiviación de minerales o el secado de materiales en corriente de aire. En general es más rentable operar bajo condiciones continuas, sin embargo, gracias a la evolución tecnológica es importante analizar cada caso para evaluar la mejor manera de obtener los productos deseados. Ing. MSc. Araceli Pilamala 38

39 FLUJO CONTRACORRIENTE PARALELO CRUZADO CONTACTO ENTRE FASES CONTINUO POR ETAPAS REPETIDO METODOS DE TRABAJO EN LAS OPERACIONES UNITARIAS Ing. MSc. Araceli Pilamala 39

40 OPERACIÓN CON FLUJO EN PARALELO Ing. MSc. Araceli Pilamala 40

41 OPERACIÓN CON FLUJO EN CONTRACORRIENTE CONTACTO CONTINUO Ing. MSc. Araceli Pilamala 41

42 OPERACIÓN CON FLUJO CRUZADO Ing. MSc. Araceli Pilamala 42

43  Diagrama de bloques  Diagrama de flujos  Corrientes de un Proceso Descripción y Representación Ing. MSc. Araceli Pilamala 43 Elaboración de zumos concentrados de frutas.

44 Diagrama de bloques : Esquema simplificado del proceso donde se representan las principales etapas Ing. MSc. Araceli Pilamala 44

45 Diagrama de flujos : Representación esquemática del proceso, donde se ilustran sus características esenciales  Secuencia en que ocurren las operaciones unitarias.  Equipos utilizados para realizar cada operación.  Flujos de materia y energía Ing. MSc. Araceli Pilamala 45 DIAGRAMA DE LA PLANTA DE POSTRES LÁCTEOS

46 Corrientes de un proceso  Flujos de materia que ingresan (alimentación) o salen (producto) de una operación unitaria o equipo  Formadas por varias sustancias o compuestos químicos  Formadas por más de una fase (ej. sólido en suspensión en un líquido)  Una corriente se caracteriza por su composición, su presión y su temperatura Ing. MSc. Araceli Pilamala 46

47 Refinación del azúcar de caña Ing. MSc. Araceli Pilamala 47

48 Fracción másica o fracción molar  Fracción másica de A = Masa de A/Masa total  Fracción molar de A = Moles de A/Moles totales Las fracciones siempre suman 1 Fracción másica ≠ Fracción molar  ppm (parte por millón) = Fracción x 10 6 Razón de composición  Razón másica = Masa de A/Masa de B  Razón molar = Moles de A/Moles de B Composición de una corriente Ing. MSc. Araceli Pilamala 48