En ingeniería química y campos relacionados, una operación unitaria es un paso básico en un proceso . Las operaciones unitarias implican un cambio físico o una transformación química como la separación, la cristalización, la evaporación, la filtración, la polimerización, la isomerización y otras reacciones. Por ejemplo, en el procesamiento de la leche, intervienen las siguientes operaciones unitarias: homogeneización , pasteurización y envasado . Estas operaciones unitarias están conectadas para crear el proceso general. Un proceso puede requerir muchas operaciones unitarias para obtener el producto deseado a partir de los materiales de partida o materias primas.
Históricamente, las diferentes industrias químicas se consideraban procesos industriales diferentes y con principios diferentes. Arthur Dehon Little desarrolló el concepto de "operaciones unitarias" para explicar los procesos de la química industrial en 1916. [1] En 1923, William H. Walker , Warren K. Lewis y William H. McAdams escribieron el libro Los principios de la ingeniería química y explicaron que la variedad de industrias químicas tienen procesos que siguen las mismas leyes físicas. [2] Resumieron estos procesos similares en operaciones unitarias. Cada operación unitaria sigue las mismas leyes físicas y puede usarse en todas las industrias químicas relevantes. Por ejemplo, se requiere la misma ingeniería para diseñar un mezclador para napalm o papilla, incluso si el uso, el mercado o los fabricantes son muy diferentes. Las operaciones unitarias forman los principios fundamentales de la ingeniería química.
Las operaciones unitarias de ingeniería química constan de cinco clases:
Las operaciones unitarias de ingeniería química también se incluyen en las siguientes categorías que involucran elementos de más de una clase:
Además, existen algunas operaciones unitarias que combinan incluso estas categorías, como la destilación reactiva y los reactores de tanque agitado . Una operación unitaria "pura" es un proceso de transporte físico, mientras que un proceso químico/físico mixto requiere modelar tanto el transporte físico, como la difusión, como la reacción química. Esto suele ser necesario para diseñar reacciones catalíticas y se considera una disciplina separada, denominada ingeniería de reacciones químicas .
Las operaciones unitarias de ingeniería química y el procesamiento unitario de ingeniería química forman los principios principales de todo tipo de industrias químicas y son la base de los diseños de plantas químicas, fábricas y equipos utilizados.
En general, las operaciones unitarias se diseñan escribiendo los balances de la cantidad transportada para cada componente elemental (que puede ser infinitesimal) en forma de ecuaciones, y resolviendo las ecuaciones para los parámetros de diseño, luego seleccionando una solución óptima de las varias posibles y luego diseñando el equipo físico. Por ejemplo, la destilación en una columna de platos se analiza escribiendo los balances de masa para cada plato, donde el equilibrio vapor-líquido y la eficiencia conocidos, el goteo de salida y el goteo de entrada comprenden los flujos de masa totales, con un subflujo para cada componente. Combinando una pila de estos se obtiene el sistema de ecuaciones para toda la columna. Hay un rango de soluciones, porque una relación de reflujo más alta permite menos platos, y viceversa. El ingeniero debe entonces encontrar la solución óptima con respecto a la retención de volumen aceptable, la altura de la columna y el costo de construcción.
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