OPERACIONES UNITARIAS
Aquí les dejo un pequeño taller sobre operaciones unitarias ya resuelto.
1. ¿Cómo se clasifican las
operaciones unitarias según la propiedad que se transfiere? Explíquelas
Cantidad de movimiento
|
Calor
|
Materia
|
Fluidización
Sedimentación
Filtración
Microfiltración
Ultrafiltración
Osmosis inversa
Mezcla
Emulsificación
Centrifugación
Flotación
|
Refrigeración
Congelación
Evaporación
Pasteurización
Esterilización
Escaldado
Secado
Cristalización
Liofilización
|
Destilación
Extracción
Lixiviación
Adsorción
Intercambio iónico
Absorción
Secado
Cristalización
Liofilización
Osmosis inversa
|
Basadas en la Transferencia de cantidad de movimiento
La fuerza impulsora es la diferencia de
velocidades que existe entre dos zonas del fluido.
Fluidización: Circulación de un fluido a través
de un lecho de sólidos (congelación de guisantes, secado de especias)
Filtración: Separación de un sólido
suspendido en un fluido reteniéndolo en un medio filtrante de menor tamaño de
poro que el sólido (clarificación de la cerveza)
Microfiltración y Ultrafiltración: Separación de los componentes de una suspensión o disolución mediante el
uso de membranas. (Concentración de proteínas).
Ósmosis Inversa: Separación de un
soluto de una solución mediante una membrana y aplicación de una presión
superior a la presión osmótica y que se oponga a ésta. El disolvente atraviesa
la membrana en dirección opuesta al gradiente de concentración, en un lado de
la membrana se concentra el soluto y en el otro el disolvente (desalinización
de agua).
Sedimentación: Separación de un sólido de una
suspensión por diferencia de densidades entre el sólido y el líquido (separación
de la pulpa en zumos)
Centrifugación: Separación de un
sólido de una suspensión o de dos líquidos de densidades diferentes por acción
de una fuerza centrífuga (desnatado de la leche)
Mezcla: Consisten en alcanzar una distribución uniforme de dos
componentes. Si son líquidos esta operación se realiza por agitación. Si son
sólidos se realiza por volteo, agitación, fluidización…. (Mezclado de
ingredientes).
Emulsificación: Mezcla de dos
líquidos inmiscibles, dispersándose uno de ellos (fase discontinua, dispersa o
interna) en forma de pequeñas gotas o glóbulos en el otro (fase continua,
dispersante o externa (elaboración de mayonesa).
Basadas en la Transferencia de Materia
Están basadas en un fenómeno denominado difusión.
Las masas se ponen en movimiento o intentan mezclarse como consecuencia de que
existen en el fluido gradientes de concentración. Cuando se colocan dos fases
que no se encuentran en equilibrio en relación con un determinado componente lo
que ocurre es que dicho componente se transfiere de una a otra intentando
alcanzar el equilibrio.
Destilación: Separación de los componentes de
una mezcla líquida o gaseosa mediante un vapor o líquido, respectivamente,
generados por calefacción o enfriamiento de la mezcla original (elaboración
de licores)
Lixiviación: Separación de los componentes de
una mezcla sólida por contacto con un disolvente ajeno a la misma (obtención
de aceite a partir de semillas vegetales mediante disolventes)
Adsorción: Separación de los componentes de
una mezcla fluida mediante un sólido adsorbente ajeno a la misma. Fenómeno de
superficies (eliminación de clorofilas del aceite mediante tierras de
diatomeas).
Intercambio Iónico: Separación de algunos
de los iones de una disolución líquida mediante un sólido iónico que
intercambia ciertos iones del mismo signo con aquéllos (desmineralización de
aguas).
Basadas en la Transferencia de Calor
Son solo una parte de aquellas que están regidas por un intercambio de
energía.
- Aislamiento térmico.
- Calentamiento (o enfriamiento) de fluidos: intercambio de calor sin cambio de fase.
- Evaporación, condensación, sublimación (liofilización), solidificación (cristalización): intercambio de calor con cambio de fase. La sublimación y la solidificación se engloban dentro de las O.U.F. regidas por transferencia simultánea de materia y calor.
Evaporación: Separación de una mezcla líquida
mediante un vapor generado a partir de la misma por ebullición, que contiene
los componentes más volátiles de aquélla (concentración de jarabes).
Refrigeración: Enfriamiento de un sólido o
líquido gracias al calor quitado por un fluido que cambia de fase líquida a
gas. Este gas es comprimido, enfriado y expandido para que vuelva de nuevo a
quitar calor al sistema. Refrigeración por compresión (Conservación en frío
de vegetales)
Congelación: Reducción de la temperatura de un
sólido o líquido por debajo del punto de congelación, con lo que una proporción
elevada del agua que contiene cambia de fase formando cristales de hielo (Conservación
en frío de carnes, pescados…).
Escaldado: Tratamiento térmico de corta
duración y a temperatura moderada (algunos minutos a 95-100 ºC). Objetivo:
aumentar la densidad del producto, reducir la concentración de oxígeno en el
interior del envase, eliminación de gases ocluidos en los tejidos, inactivación
enzimática… (Tratamiento previo a la esterilización, la congelación y la
deshidratación).
Pasteurización: Tratamiento térmico
de baja intensidad cuyo objetivo es la destrucción de la flora patógena y la
reducción de la flora banal en los alimentos poco ácidos (leche) o
conseguir una estabilización del producto en alimentos ácidos (zumos de
frutas)
Esterilización: Tratamiento térmico
de alta intensidad que consigue una suficiente destrucción de las floras patógena
y banal, incluyendo las formas esporuladas, para que queden garantizadas la
salud pública (12 reducciones decimales de Clostridium botulinum) y que
el producto sea suficientemente estable para permitir un almacenamiento de
larga duración a temperatura ambiente (conservas).
Basadas en la Transferencia de Materia y Calor
Puede darse que al poner en contacto 2 fases
entre si se dé un intercambio de materia y calor en sentidos contrarios.
Secado: Separación de un líquido que impregna un sólido,
mediante un gas, normalmente aire, ajeno al mismo (eliminación de agua de cualquier
alimento sólido)
Cristalización: Separación de un
componente de una disolución líquida mediante contacto con una fase sólida
generada a partir de aquélla. Se basa en la diferencia de solubilidades (separación
de cristales de sacarosa).
Liofilización: Separación del líquido que
impregna un sólido mediante su congelación y ulterior sublimación a vacío (deshidratación
de setas). [2, 3]
2. Explicar la ley de Henry,
ley de Raoult, ANN, HDMS, trasferencia de calor en estado inestable, porque varía
Deff, PVOD.
Ley de Henry: Enuncia que
a una temperatura constante, la cantidad de gas disuelta en un líquido es
directamente proporcional a la presión parcial que ejerce ese gas sobre el
líquido. Matemáticamente se formula del siguiente modo:
C = k * P
Donde:
p es la presión
parcial del gas.
c es la
concentración del gas.
k
es la constante de Henry, que depende de la naturaleza del gas, la temperatura
y el líquido. [4]
La ley de Henry se
puede usar para determinar la presión parcial de un gas en el seno de un
fluido. [5]
presión parcial = concentración gas disuelto/constante de Henry
Ley de Raoult: establece que la
relación entre la presión de vapor de cada componente en una solución ideal es
dependiente de la presión de vapor de cada componente individual y de la
fracción molar de cada componente en la solución.
Si un soluto tiene
una presión de vapor medible, la presión de vapor de su disolución siempre es
menor que la del disolvente puro. De esta forma la relación entre la presión de
vapor de la disolución y la presión de vapor del disolvente depende de la
concentración del soluto en la disolución. Esta relación entre ambos se formula
mediante la Ley de Raoult mediante la cual: la presión parcial de un disolvente
sobre una disolución P1 está dada por la presión de vapor del
disolvente puro Po1, multiplicada por la fracción molar
del disolvente en la disolución X1.
Es decir que la
presión de vapor del soluto crece linealmente con su fracción molar. En una
solución que sólo contenga soluto, se tiene que X1=1-X2,
donde X2 es la fracción molar del soluto, pudiendo escribir la
formulación de la ley como:
Se puede ver de esta
forma que una disminución en la presión de vapor, ΔP es directamente
proporcional a la concentración del soluto presente. [6]
ANN: Las redes de neuronas
artificiales (denominadas habitualmente como RNA o en inglés como:
"ANN") son un paradigma de aprendizaje y procesamiento automático
inspirado en la forma en que funciona el sistema nervioso de los animales. Se
trata de un sistema de interconexión de neuronas en una red que colabora para
producir un estímulo de salida.
Las redes neuronales
consisten en una simulación de las propiedades observadas en los sistemas
neuronales biológicos a través de modelos matemáticos recreados mediante mecanismos
artificiales (como un circuito integrado, un ordenador o un conjunto de
válvulas). El objetivo es conseguir que las máquinas den respuestas similares a
las que es capaz de dar el cerebro que se caracterizan por su generalización y
su robustez.
Una red neuronal se
compone de unidades llamadas neuronas. Cada neurona recibe una serie de
entradas a través de interconexiones y emite una salida. [7]
HDMS: cuando se hace vacio durante
todo el proceso de deshidratación osmótica (VDO), o pulsos de vacio (PVOD)
ocurre, además el mecanismo difusional, el llamado mecanismo hidrodinámico
(HDMS), que consiste en que el gas presente en los poros se expande y sale
gradualmente. Una vez restaurada la presión del sistema, el gradiente de
presión actúa como fuerza impulsora provocando la compresión del gas remanente
y permitiendo que la disolución exterior ocupe dicho espacio y se aumente el
área de contacto interfacial, causando un incremento en la transferencia de
masa y por lo tanto una cinética más rápida. [8]
Transferencia
de calor en estado inestable: En el
proceso de transferencia de calor en estado inestable o transitorio se
caracteriza por que los fenómenos térmicos varían con el tiempo y la posición
en el elemento o material. La difusividad térmica es una propiedad de los
materiales que caracteriza los procesos de transferencia de calor de estado
inestable. Por ejemplo, durante el frenado, el perfil de temperatura a través
de un forro es transitorio, y por consiguiente, el flujo de calor está asociado
a la difusividad térmica. [9]
Deff:
es la difusión efectiva de una sustancia a través de un
sólido, que representa en si el promedio de las variaciones de la difusividad
en tres direcciones coordenadas. El
coeficiente de difusión aumenta con la temperatura. [10,
11]
PVOD:
La deshidratación osmótica utilizando vacio es una técnica que consiste en el
intercambio interno de gases ocluidos en la matriz de un producto por un
liquido o solución escogida, en este proceso se aplica un sistema de vacío que
promueve la impregnación de los capilares de los tejidos y cuando las presión
atmosférica es restablecida los poros son extensamente inoculados con la
solución externa y dependiendo del radio de compresión aplicado. Esto trae como
consecuencia la disminución de la actividad de agua (Aw) del alimento, ya que
si se utiliza una solución concentrada de soluto (solución osmótica), se
obtiene un producto de humedad intermedia (AHI). [12]
4. Escribir los modelos
matemáticos y sus curvas que describen el comportamiento reologico de fluidos
alimenticios.
Modelo de Bingham: es un modelo utilizado para describir el
comportamiento de productos plásticos.
g = g0 + M’ ýn
donde
g0 es el umbral de fluencia, ýn es la velocidad de
deformación o gradiente de velocidad y M es la viscosidad plástica.
Entre
los alimentos típicamente plásticos se encuentran el puré de patata y la nata
batida, el chocolate fundido y algunas grasas como margarinas y mantequillas.
El
modelo de Bingham ha sido utilizado para describir el comportamiento reológico
de pastas de fécula de mandioca, suero de puré de albaricoque a gradientes de
deformación bajos, de geles de pectina y de algunos zumos naturales de manzana.
Modelo de Ostwald-De Waale: también conocido como ley de la potencia,
modelo utilizado para describir el comportamiento reológico de los fluidos
pseudoplásticos.
g = K
ýn
donde
K es el índice de consistencia de flujo y n es el índice de comportamiento al
flujo. K da una idea de la consistencia del producto y n de la desviación del
comportamiento al flujo respecto al newtoniano. Esta ecuación es una de las más
utilizadas para describir el flujo de los derivados de fruta que se comportan
como pseudoplásticos.
Modelo Casson: modelo utilizado para describir el
comportamiento reológico de los fluidos pseudoplásticos. que viene definido por
la ecuación:
g0.5 =
K0C + KC ý0.5
Modelo de WELTMANN: modelo matemático utilizado para cuantificar
la dependencia del tiempo de los alimentos.
La expresión matemática propuesta por Weltmann
g = g0 - log t
relaciona
la viscosidad plástica con el tiempo de aplicación de un determinado gradiente
de velocidad a través del coeficiente temporal de ruptura tixotrópica (B), el
cual representa, en cierta manera, la cantidad de estructura que se degrada
durante el cizallamiento. El parámetro g0 indica la tensión tangencial
necesaria para que comience a degradarse la estructura que origina la
tixotropía.
Una
modificación de esta ecuación ha sido utilizada para analizar la dependencia
del tiempo al flujo de varios alimentos, como la clara de huevo, el zumo de
tomate, los aderezos de ensalada y el puré de albaricoque.
g = g0
- B ln t
Modelo de HAHN:
log (g - ge)
= g0 - B1 t
donde
g0, al igual que en el modelo de Weltmann, indica el esfuerzo
cortante inicial necesario para que comience a degradarse la estructura que da
lugar a la tixotropía. El valor de B1 informa sobre la velocidad del
proceso de degradación de la estructura y depende de la resistencia estructural
del fluido frente al cizallamiento que se aplica. g es el esfuerzo cortante y ge
es el esfuerzo cortante de equilibrio.
Modelo
de TIU y BOGER: Este modelo permite caracterizar de forma completa el
comportamiento reológico de materiales cuyo comportamiento se podría definir
como plástico, pseudoplástico y dependiente del tiempo:
g = k (g0
+ KH ýn)
este
modelo asume que el parámetro estructural k varía con el tiempo según una
ecuación cinética de segundo orden, válida para k > ke:
dk/dt = Kt (k - ke)^2
en
la que la constante Kt es una constante de velocidad que es función de la
velocidad de deformación y debe ser determinada experimentalmente.
Modelo de FIGONI y SHOEMAKER: Este modelo supone que la disminución del esfuerzo
cortante es una suma de funciones cinéticas de primer orden:
g - ge = Pi
(g0i - gei) exp (-Kit)
donde
ge es el esfuerzo cortante del equilibrio, g0 es el
esfuerzo cortante correspondiente al tiempo inicial y Ki las
constantes cinéticas de degradación de la estructura.
Modelo de Maxwell:
g + Ug
= M ý
donde
U es el tiempo de relajación definido como la relación entre la viscosidad
newtoniana (M) y el módulo de elasticidad (G).
Este
modelo resulta ser excesivamente simple, por lo que tiene el defecto de ser
demasiado restringido ya que solamente puede ser aplicado cuando el
comportamiento viscoelástico es lineal y, por lo tanto, no es adecuado cuando
lo que se pretende representar es un comportamiento no lineal como el observado
en los materiales reales. Es por esto, que son necesarias expresiones más
complicadas que modelicen de forma más apropiada los comportamientos
viscoelásticos no lineales. [13]
5. Explicar: el coeficiente de transferencia de masa y el
de calor dependen del material y no de las propiedades del fluido donde se
encuentra el material.
La anterior afirmación
es falsa puesto que los coeficientes de transferencia de masa y de calor no
dependen del material sino de las propiedades del medio donde se encuentra el
material.
6. ¿Que indica el numero de
Fourier, Biot, carta de Heisler?
Número
de Fourier: es un número adimensional que caracteriza la
conducción de calor. Conceptualmente es la relación entre la velocidad de la
conducción de calor y la velocidad del almacenamiento de energía. Se define
como:
En donde:
α es la difusividad térmica.
t es el tiempo característico.
d es la longitud a través de la que la
conducción de calor ocurre.
Número
de Biot (Bi): es un número adimensional utilizado en
cálculos de transmisión de calor en estado transitorio (inestable-estado).
Relaciona la transferencia de calor por conducción dentro de un cuerpo y la
transferencia de calor por convección en la superficie de dicho cuerpo.
En donde:
h es el coeficiente
de transferencia de calor en la superficie en W/m2K. También llamado
coeficiente de película.
L es una longitud
característica en m, definida generalmente como el volumen del cuerpo dividido
por su superficie externa total.
k es la conductividad térmica del material
del cuerpo W/mK.
Carta
de Heisler: son diagramas de temperatura transitoria para
una pared plana grande, un cilindro largo y una esfera. [1]
_______________________________________________________________________________
BIBLIOGRAFIA
[1] Cengel Yunus A.;
Transferencia de calor; 2ª edición; Págs 211-213, 217-220
[2] Costa, J. y cols. “Curso de Ingeniería
Química”. Reverté. 2002. Cap. Las Operaciones Unitarias
[14] http://images.google.com.co/imgres?imgurl=http://homepages.mty.itesm.mx/jllopez/flui.jpg&imgrefurl=http://homepages.mty.itesm.mx/jllopez/flui.htm&usg=__5kcVkL-BK5mS-TKzXdv1cW_9520=&h=849&w=640&sz=92&hl=es&start=13&um=1&itbs=1&tbnid=T_aSqvNkFCA7GM:&tbnh=145&tbnw=109&prev=/images%3Fq%3Dmodelos%2Breologico%26um%3D1%26hl%3Des%26safe%3Doff%26sa%3DX%26tbs%3Disch:1
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