UNIVERSIDAD ABIERTA Y A DISTANCIA DE MEXICO
ASIGNATURA:
OPERACIONES UNITARIAS
PROFESOR:
MARCELA VILLAR RODRÍGUEZ
UNIDAD NO. 1
PRINCIPIOS DE OPERACIONES UNITARIAS
ACTIVIDAD 1
PROBLEMAS AMBIENTALES
ALUMNO:
MARIA TERESA APARICIO TELLO
MATRICULA:
AL13500056
GRUPO:
TA-TOUA-1802-B1-001
Desarrollo: Para esta actividad, deberás realizar lo siguiente: 2.-Investiga las características de las siguientes operaciones unitarias: cristalización, ultrafiltración, adsorción, absorción, evaporación, humidificación, destilación, intercambio iónico, extracción, lixiviación, filtración, sedimentación, mezclado, centrifugación, diálisis, separación de gases, ósmosis inversa, decantación, flotación y secado. Cristalización: Es la operación por medio de la cual se separa un componente de una disolución líquida para ser transferido a la fase sólida. En otras palabras, es el proceso inverso al de la disolución. Ultrafiltración (UF) es un tipo de filtración por membranas en la cual la presión hidrostática fuerza un líquido contra una membrana semipermeable. Los sólidos suspendidos y los solutos de alto peso molecular son retenidos, mientras que el agua y los solutos de bajo peso molecular atraviesan la membrana. Este proceso de separación es usado en industria e investigación para purificar y concentrar soluciones macromoleculares Ultrafiltración no es fundamentalmente diferente a otros procesos como microfiltración, nanofiltración o separación de gases, excepto en los tamaños de las moléculas que retienen. Ultrafiltración es aplicada en casos de flujo cruzado o flujo sin salida. Adsorción se debe a la presencia de fuerzas intermoleculares sin balancear, de las moléculas que se encuentran en la superficie de un sólido o un líquido (interfase), por lo cual atraen a las moléculas de otras sustancias con las que se ponen en contacto, equilibrando de esta manera las fuerzas atractivas y disminuyendo la energía superficial. evaporación es un proceso físico que consiste en el paso lento y grad ual de un estado líquido hacia un estado gaseoso. Absorción es una operación unitaria de transferencia de materia que se utiliza para (separar) eliminar uno o varios componentes de una corriente gaseosa utilizando un disolvente. .Humidificación es una operación que consiste en 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. Esta transferencia hacia el interior de la corriente gaseosa tiene lugar por difusión y en la interfase hay, simultáneamente, transferencia de calor y de materia.
Destilación es el proceso que se utiliza para llevar a cabo la separación de diferentes líquidos, o sólidos que se encuentren disueltos en líquidos, o incluso gases de una mezcla, gracias al aprovechamiento de los diversos puntos de ebullición de cada sustancia partícipe, mediante la vaporización y la condensación. Los puntos de ebullición de las sustancias son una propiedad de tipo intensiva, lo que significa que no cambia en función de la masa o el volumen de las sustancias, aunque sí de la presión.
Intercambio iónico. Operación de separación basada en la transferencia de materia fluidosólido.Involucra la transferencia de uno o más iones de la fase fluida al sólido por intercambio o desplazamiento de iones de la misma carga, que se encuentran unidos por fuerzas electrostáticas a grupos funcionales superficiales. La eficacia del proceso depende del equilibrio sólido-fluido y de la velocidad de transferencia de materia. Los sólidos suelen ser de tipo polimérico, siendo los más habituales los basados en resinas sintéticas. Extracción es la técnica empleada para separar un producto orgánico de una mezcla de reacción o para aislarlo de sus fuentes naturales. Puede definirse como la separación de un componente de una mezcla por medio de un disolvente. Lixiviación. Es un proceso en el que un disolvente líquido se pone en contacto con un sólido pulverizado produciéndose la disolución de uno de los componentes del sólido. Filtración es la operación unitaria que se utiliza para separar partículas sólidas (insolubles) contenidas en fluidos (líquidos o gases ), mediante el paso del fluido a través de una superficie con orificios de determinado tamaño Sedimentación o decantación consiste en la separación, por la acción de la gravedad de las partículas suspendidas cuyo peso específico es mayor que el del agua y no pueden retenerse en las unidades de pretratamiento, por su finura o densidad, ni pueden separarse por flotación.
Mezcla: es un sistema formado por dos o más sustancias, donde cada una conserva sus propiedades y características. Centrifugación: Es una operación unitaria en donde se tiene por objeto separa r elementos de una mezcla (sean sólidos de líquidos o líquidos de líquidos) debido a la diferencia de densidad, por efecto de la aceleración centrífuga. Aumentando el efecto de sedimentación por gravedad. Diálisis: es una técnica basada en un principio físico-químico denominado ósmosis. Éste consiste en un intercambio de sustancias, a través de una membrana. Dicho trasvase dependerá del grado de concentración de las sustancias y de las características de la membrana, fundamentalmente de su superficie y de su permeabilidad. Separación de Gases: El gradiente de presión es la fuerza que permite el transporte en la separación gaseosa. El gas atraviesa la membrana de una manera continua con respecto al flujo de gas de alimentación. La alimentación en la parte de arriba de la membrana se encuentra a presión elevada, mientras que el permeato, en la parte de abajo, se encuentra a baja presión. Descripción del Proceso Solución Difución Adsorción Difusión Desorción Porosas Densas En las membranas porosas el gas puede pasar a través de ellas por medio de convección, difusión de knudsen o tamizado molecular la separación gaseosa se realiza a través de membranas densas y se describe con el modelo de Solución-Difusión Según este mecanismo la permeabilidad depende de la difusividad, la solubilidad, y el gradiente de concentración del gas en la membrana. Osmosis Inversa: Proceso en el cual se fuerza al agua a pasar a través de una membrana semi-permeable, desde una solución más concentrada en sales disueltas u otros contaminantes a una solución menos concentrada, mediante la aplicación de presión.
Decantación : es un proceso que se ocupa de la separación de un sólido o líquido denso de otro fluido que se caracteriza por ser menos denso y entonces por esta característica ocupará la parte de arriba de la mezcla que forman ambos. Es ampliamente usado para separar mezclas de tipo heterogéneas que están conformadas por una sustancia sólida y una líquida o bien por dos sustancias líquidas densas. Flotación:Esto es, un método de tratamiento en el que predominan los fenómenos físicos, que se emplea para la separación de partículas de una fase líquida. En otras palabras, se trata de un proceso de separación de materias de distinto origen que se efectúa desde sus pulpas acuosas por medio de burbujas de gas y a base de sus propiedades hidrofílicas e hidrofóbicas. Secado: Consiste en la reducción del contenido de solvente del producto por medio de una evaporación o una sublimación.
2.-Después de investigar, clasifica las operaciones unitarias en transferencias de calor y de masa y flujo de fluidos.
Transferencias de calor
Secado Evaporación destilación Extracción Humidificación cristalización,
Masa
Absorción Adsorción Extracción Lixiviación separación de gases decantación, intercambio iónico
Flujo de fluidos
Sedimentación Filtración Ultrafiltración Ósmosis Inversa Emulsificación Centrifugación Flotación Dialisis Mezclado
3.-Integra veinte operaciones unitarias de las investigadas y repórtalas de acuerdo a la
siguiente tabla.
numero Tipo de operación unitaria
Fundamento y características
Tres ejemplos aplicativos en el área ambiental
1
La cristalización es un método de separación en el que se produce la formación de un sólido (cristal o precipitado) a partir de una fase
La cristalización de sal, o tratamiento de salmueras,
La cristalización transferencia de materia y energía
-Los cristalizadores
Ultrafiltración (UF)
Adsorción transferencia de masa.
Evaporación
Absorción
homogénea, líquida o gaseosa. El sólido formado puede llegar a ser muy puro, por lo que la cristalización
es el proceso de tratamiento o depuración de agua
ULTRAFILTRACIÓN La ultrafiltración (UF) es un proceso de separación de membrana que permite la reducción de los sólidos suspendidos como partículas, coloides, quistes, bacterias y virus por medios mecánicos. Las membranas de UF eliminan los sólidos suspendidos en base al tamaño del poro
Industria e investigación para purificar y concentrar soluciones macromoleculares
.
-Depuración de aguas -Tratamiento de agua potable - Desulfuración del gas natural (eliminación del H2S) -Eliminación de agua de efluentes gaseosos (secado) -Control de sabor y olor. -Eliminación de microcontaminantes.
La adsorción puede definirse como la tendencia de un componente del sistema a concentrarse en la interfase, donde la composición interfacial es diferente a las composiciones correspondientes al seno de las fases La adsorción es una de las operaciones más utilizadas en la etapa de concentración de caldos acuosos diluidos. Es un proceso físico que consiste en el paso lento y gradual de un estado líquido hacia un estado gaseoso, tras haber adquirido suficiente energía para vencer la tensión superficial. A diferencia de la ebullición, la evaporación se puede producir a cualquier temperatura, siendo más rápido cuanto más elevada sea esta. No es necesario que toda la masa alcance el punto de ebullición. Cuando existe un espacio libre encima de un líquido, una parte de sus moléculas está en forma gaseosa La absorción es una operación unitaria de transferencia de materia que consiste en poner un gas en contacto con un líquido para que éste disuelva determinados componentes del gas, que queda libre de los mismos. La absorción puede ser física o química, según que el gas se disuelva en el líquido absorbente o reaccione con él dando un nuevo compuesto químico.
Regeneración de aguas residuales depuradas.
- Fraccionamiento de proteínas -Recuperación de antibióticos en la industria farmacéutica
La evaporación en vacío es usada en la industria alimentaria para la conservación de alimentos. En el área del Medioambiental: -salmueras - Otros efluentes -Purines - Lodos y fangos - Otros efluentes Un ejemplo es la absorción de amoníaco A del aire B por medio de agua líquida C. en el tratamiento de agua potable para remover sustancias orgánicas, en el tratamiento terciario de aguas residuales, en la remediación del agua subterránea. También se la utiliza en el tratamiento de agua en los hogares y para tratar el agua que se utiliza en acuarios y en piscinas de natación.
Humidificación
Destilación transferencia simultanea de calor y masa.
Intercambio iónico.
Extracción
Lixiviación
La humidificación es una operación que consiste en 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. Esta transferencia hacia el interior de la corriente gaseosa tiene lugar por difusión y en la interfase hay, simultáneamente, transferencia de calor y de materia. La destilación es un proceso que consiste separar los distintos componentes de una mezcla mediante el calor. Para ello que se calienta esa sustancia, normalmente en estado líquido, para que sus componentes más volátiles pasen a estado gaseoso o de vapor y a continuación volver esos componentes al estado líquido mediante condensación por enfriamiento. El intercambio iónico es una operación de separación basada en la transferencia de materia fluido-sólido En el proceso de intercambio iónico ocurre una reacción química en la que los iones móviles hidratados de un sólido son intercambiados por iones de igual carga de un fluido. Este proceso consiste en pasar el fluido sobre un intercambiador catiónico y/o aniónico sólido, reemplazando los cationes y/o aniones por el ion hidrógeno (H y/o el ion hidroxilo (OH-) respectivamente.
*Humidificación para la industria de insumos médicos. *humidificación se utiliza también como agente activador y para prevenir desequilibrios químicos. *Humidificación para la producción de papel.
De transferencia de materia basada en la disolución de uno o varios componentes de una mezcla -líquido o sólido- en un disolvente selectivo. En este último caso el disolvente debe ser inmiscible con la fase líquida que contiene el soluto.
Las aplicaciones importantes de la extracción sólido-líquido en la industrias alimenticias
La lixiviación consiste en la remoción o extracción de un componente soluble (soluto) contenido en un sólido mediante un solvente Apropiado. La lixiviación es una operación de transferencia de masa por lo que es indispensable que exista un contacto íntimo entre el solvente y el soluto contenido en el sólido.
Extracción de componentes de pigmentos, aceites esenciales, gomas (carragenina, goma guar, goma xantano), vitaminas y colágeno.
-La destilación por membranas para tratamiento de aguas residuales -Separación de ácido láctico por destilación reactiva -las bebidas alcohólicas que incluyen destilación en su proceso de elaboración -Ablandamiento, separación de calcio y magnesio. Desmineralización -Tratamiento de agua. Proceso muy utilizado en las fábricas textiles. En la industria de alimentos y bebidas, hidrometalúrgica, acabado de metales, química y petroquímica, agua subterránea y potable, nuclear, ablandamiento industrial del agua.
son: extracción de aceites y grasas animales y vegetales, lavado de precipitados, obtención de extractos de materias animales o vegetales, obtención de azúcar, fabricación de té y café instantáneo, entre otras.
Filtración
Es un método de separación de mezclas heterogéneas sólido-líquido y gas-sólido.
Para la remoción de partículas sólidas en las plantas de tratamiento de agua Industria del aceite: pulido de aceites, blanqueo y winterización. -Agroquímica: producción de insecticidas - Petroquímica: separación de distintos componentes como la posibilidad de obtención de parafinas cristalinas --Recuperación y refino de metales: por ejemplo, filtración de sales de zinc, cobre, níquel, etc.
Sedimentación
Es un proceso de separación mecánica, en la -Separación de aceite-alpehín cual las partículas suspendidas en un liquido o en un gas, pueden sedimentar por efecto -Clarificación de jugos en de la gravedad, debido a que tienen un peso azucareras especifico mayor que el líquido o gas. -Separación de levaduras durante la fermentación de la cerveza -Desfangado y clarificación de vinos. -Clarificación enzimática -Floculación de aguas para bebidas refrescantes -Tratamiento residuales.
Mezcla
Tal como se indicó previamente las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas. Una mezcla homogénea es un tipo de mezcla en la cual no se distinguen sus componentes y en la que la composición es uniforme y cada parte de la solución posee las mismas propiedades. Una mezcla heterogénea es un
de
efluentes
-el agua y el aceite El aire es un ejemplo de una mezcla homogénea de las sustancias gaseosas nitrógeno, oxígeno y cantidades menores de otras sustancias.
tipo de mezcla en la cual es posible observar los componentes
Centrifugación
La sal, el azúcar, y numerosas sustancias se disuelven en agua formando mezclas homogéneas.
es un método para separar sustancias sólidas de líquidas de distinta densidad en una -purificación de aceites mezcla, siempre y cuando las primeras sean combustibles y lubricantes insolubles, empleando para ello la fuerza giratoria o fuerza centrífuga. -Remoción de sólidos y clarificación de los efluentes La centrifugación es una técnica de sedimentación, acelerada gracias al uso de -Recuperación de cromo fuerza centrífuga. Se aplica al análisis o a la separación de mezclas de partículas, células, -Obtención de enzimas orgánulos o moléculas. -Tratamiento residuales.
Diálisis
Separación de Gases:
Osmosis Inversa
de
aguas
La diálisis es una forma de filtración molecular. Es un proceso que separa moléculas de acuerdo con su tamaño, mediante el empleo de membranas semipermeables que contienen poros de dimensiones inferiores a las macromoleculares. Estos poros permiten que moléculas pequeñas, tales como las de los disolventes, sales y metabolitos pequeños, se difundan a través de la membrana pero bloqueen el tránsito de moléculas mayores.
Clarificación del zumo de frutas
El gradiente de presión es la fuerza que permite el transporte en la separación gaseosa. El gas atraviesa la membrana de una manera continua con respecto al flujo de gas de alimentación. La alimentación en la parte de arriba de la membrana se encuentra a presión elevada, mientras que el permeato, en la parte de abajo, se encuentra a baja presión. Descripción del Proceso Solución Difución Adsorción Difusión Desorción Porosas Densas En las membranas porosas el gas puede pasar a través de ellas por medio de convección, difusión de knudsen o tamizado
-Recuperación de hidrógeno de corriente de producto de plantas de amoniaco
-Tratamiento del agua potable -Depuración
de
aguas
-Fraccionamiento de proteínas
-Recuperación de hidrógeno de procesos de refinería de petróleo -Separación de metano de componentes de bio-gas - Enriquecimiento del aire con oxígeno con propósitos médicos y la industria metalúrgica
-Remoción de vapor de agua de gas natural y otros gases La ósmosis es un fenómeno físico-químico de -Agua potable difusión pasiva que implica un movimiento neto de agua a través de una membrana –Potabilización de agua de mar selectivamente permeable que limita dos compartimentos, es provocado por la diferencia de concentración (gradiente) de
una solución acuosa entre ambos –Potabilización compartimentos. La ósmosis es un fenómeno salobre biológico importante para la fisiología celular – Agua ultrapura de los seres vivos.
– Agua
para farmacéutica
de
agua
industria
–Reutilización de aguas
Decantación
Flotación
Secado
Se conoce como decantación a una técnica física, la cual tiene el fin de separar las mezclas de carácter heterogenias, la cual es una combinación de dos sustancias que tienen fases distintas, en la cual se pueden separar los sólidos de los líquidos, o estos mismo mientras sean más densos que los otros líquidos, que por presentar esas características debe estar en la parte superior de determinada mezcla.
La flotación puede ser definida como un proceso de separación de partículas (o agregados) o gotas vía adhesión a burbujas de aire. Las unidades burbujas - partículas (gotas) presentan una densidad aparente menor al del medio acuoso y "levitan" o "flotan" hasta la superficie de un reactor (celda de flotación) o interfase líquido/aire, de donde son removidos.
El secado consiste en la separación de la humedad de los sólidos por una corriente de aire.
Extracción de aceites y grasas ciclo hexano y sulfuro de carbono. Como disolventes de colas y pegamentos mezcla de hexanos Como disolventes de lacas y barnices trementina, tolueno. la decantación en proceso de tratamiento de agua residual . Medio Ambiente (separación sólido/líquido o líquido/líquido). Tratamiento de compuestos orgánicos (plantas de extracción por solvente), aceites, grasas y colorantes (ágatas). Separación de proteínas, impurezas en la industria del azúcar, separación de aceites, grasas, tensoactivos (detergentes), remoción de olor y residuos sólidos de la industria de alimentos, espesamiento de lodos activados, microorganismos (algas, hongos, bacterias), metales en química analítica. Procesos de granulación húmeda (elaboración de cápsulas, polvos o tabletas). Producción de algunos materiales (hidróxido de aluminio, lactosa seca y extractos en polvo). Reducción del volumen y peso de los materiales (disminución
del costo por transporte y almacenamiento). Conservación y estabilidad de productos animales y vegetales para disminuir el crecimiento de hongos y bacterias.
1. Problemas ambientales y subir el archivo de la investigación en la herramienta tarea Actividad 2. Operaciones unitarias.
Para la participación en el foro realiza lo siguiente:
Describe en el Foro la justificación de por qué seleccionaste las operaciones unitarias que utilizarías para la solución del problema seleccionado (documenta dicha justificación con al menos tres argumentos razonados). Para ello responde a las siguientes preguntas.
Identifica un problema ambiental en donde utilices las operaciones unitarias. ¿Cuál es la problemática ambiental que abordas (causas, consecuencias, responsables y agentes afectados)? La contaminación por compuestos de cromo en aguas subterráneas en el municipio de Tultitlán, Edo. de México, al norte de la Ciudad de México. Los pozos se localizan en la vecindad del cementerio industrial de la ex-planta de Cromatos de México, S.A., donde se encuentran confinadas inadecuadamente 75,000 toneladas de residuos.
CAUSAS: La empresa Cromatos de México, cuya actividad era la producción de compuestos de cromo. Durante los primeros años de funcionamiento de la planta industrial, los residuos del proceso, especialmente aquellos provenientes de los hornos de oxidación cuyo aspecto era parecido a la grava, fueron depositados en sitios aledaños. Debido a su estado físico granular dichos residuos sólidos se ofrecieron como material para rellenar calles y depresiones de la zona. Tras la clausura de dicha empresa, los residuos solubles de Cr (VI) (con coloración amarilla y aspecto de grava) fueron depositados en el cementerio industrial inaugurado en el año de 1983. Sin embargo, dicho confinamiento no fue el adecuado, los residuos mencionados reposan directamente sobre el suelo natural y el confinamiento no cuenta con sistema de recuperación de lixiviados. CONSECUENCIAS Este hecho ha ocasionado que el agua pluvial haya empezado a disolver el cromo distribuyéndolo lentamente en el subsuelo contaminando las aguas subterráneas de los mantos acuíferos y pozos de industrias vecinas a una velocidad mayor a la esperada De acuerdo con la Norma Oficial Mexicana NOM-052-SEMARNAT2005, se considera al cromo como un constituyente tóxico, que corresponde a cualquier
sustancia química contenida en un residuo y que hace que éste sea peligroso por su toxicidad, ya sea ambiental, aguda o crónica. Por otra parte la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994 establece que la concentración máxima de cromo total en agua para uso y consumo humano no debe ser mayor a 0.05 mg/L. Y los efectos negativos sobre el ambiente
RESPONSABLES : Cementerio industrial de la ex-planta de Cromatos de México, S.A. y las autoridades locales y federales. AGENTES AFECTADOS: En el caso específico de los ex trabajadores de Cromatos de México, se encontró que el 70% de éstos tenía concentraciones de cromo en orina superiores a 6 partes por millón. Los resultados de esta investigación demostraron que en Lechería los residuos de cromo generados por la empresa Cromatos de México afectaban gravemente a la población. Presenta una contaminación considerable de los pozos más cercanos-al cementerio, debida a la lixiviación de sales de cromato contenidas en los residuos del confinamiento. El alto gasto en el consumo de agua por parte de las industrias circundantes ha evitado la contaminaci6n de mantos acuíferos más profundos y por lo tanto la dispersión del contaminante hacia zonas más alejadas.
¿Cuántas operaciones unitarias te pueden ayudar a resolver la problemática planteada? (señala como mínimo cinco) precipitación, intercambio iónico, ósmosis inversa, absorción, Filtración y centrifugación
¿Qué operación unitaria es la más importante para resolver el problema ambiental? absorción es un método instrumental de la química analítica que permite medir las concentraciones específicas de un material en una mezcla y determinar una gran variedad de elementos. Esta técnica se utiliza para determinar la concentración de un elemento particular (el analito) en una muestra En absorción atómica la cantidad de luz absorbida, después de pasar a través de la flama, determina la cantidad de analito existente en la muestra. Como la cantidad de energía que pasa por la flama es conocida, y la cantidad restante en el otro lado (el detector) se puede medir, es posible, a partir de la ley de Beer-Lambert, calcular cuántas de estas transiciones tienen lugar, y así obtener una señal que es proporcional a la concentración del elemento que se mide
CONCLUSION Se llama operación unitaria a una parte indivisible de cualquier proceso de transformación, sea físico, químico o de naturaleza biológica, de una materia prima en otro producto de características diferentes. Se entiende que los procesos de transformación en general y las operaciones unitarias, en lo particular, tienen como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma más útil a nuestros fines.
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