Operaciones unitarias (2016)

Apunte Español
Universidad Universidad de Valencia (UV)
Grado Ciencias Ambientales - 2º curso
Asignatura Fundamentos de Ingeniería Ambiental
Año del apunte 2016
Páginas 5
Fecha de subida 11/04/2016
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OPERACIONES UNITARIAS. DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN.
La resolución de un problema ambiental generado por un corriente contaminado presenta múltiples alternativas posibles. Hay una gran cantidad de variedades de procesos de tratamiento, pero todos ellos están constituidos por un número relativamente pequeño de etapas físicas, químicas y/o biológicas comunes a diferentes procesos.
Normalmente, el numero de etapas de tipo físico es siempre superior al de etapas químicas o biológicas, incluso hay procesos de tratamiento en que no hay ninguna etapa de reacción. Si se profundiza en el estudio de estas etapas físicas, se puede comprobar que su número es limitado y que, además, se repiten en diferentes sistemas de tratamiento.
Esta observación da lugar al concepto de operación básica o unitaria, es como normalmente se les denomina a las etapas en la industria química y que la ingeniería ambiental ha ido adaptando a partir de esta. Desde el punto de vista pedagógico resulta mucho más útil y sencillo estudiar las operaciones básicas (limitadas) que los sistemas completos de tratamiento (infinitas variaciones). Si se conocen las diferentes operaciones unitarias que la tecnología actual pone a nuestro servicio, se pueden acoplar de tal forma que se pueda diseñar un sistema de tratamiento para un caso concreto.
El concepto de operación básica o unitaria, que la ingeniería ambiental coge de la ingeniera química, se va acuñar a inicios del siglo XX. La importancia de este concepto reside en el hecho de que a partir de él, se puedo llegar a una primera sistematización en el estudio de los procesos de transformación. Una misma operación se aplica a diferentes procesos con independencia del sistema considerado. Por ejemplo, una operación de filtrado del fango producido en una estación depuradora de aguas residuales para disminuir su contenido de agua, es un proceso análogo a un filtrado para la eliminación de partículas sólidas de una emisión atmosférica.
La profundización en el estudio de estas etapas físicas, gracias a la intensa búsqueda en este campo, ha permitido llegar a la conclusión de que todas las operaciones básicas responden a tres fenómenos físicos análogos, denominados fenómenos de transporte, los cuales se rigen por leyes que son esencialmente similares. En todas las operaciones básicas se produce el transporte de al menos una de las tres propiedades: materia, energía y/o cantidad de movimiento. Estos fenómenos de transporte (que se pueden producir tanto en el seno de sólidos y fluidos como entre sólidos y fluidos) son consecuencia de la existencia de gradientes de concentración de estas propiedades y representan a tendencia del sistema a llegar a un equilibrio.
Así, por ejemplo, en el caso de la circulación de fluidos la energía que se disipa por fragmento se traduce en un transporte de cantidad de movimiento entre las zonas del fluido que se desplazan a diferente velocidad. El transporte de calor tiene lugar entre regiones del sistema con diferente concentración energética, es decir, con diferente temperatura. El transporte de materia representa el cambio de composición de una mezcla (líquida o gaseosa) como consecuencia del desplazamiento de alguno o algunos de los componentes de las zonas donde su concentración es mayor a zonas donde es menor.
Es importante hacer una distinción entre los procesos de transporte de las tres propiedades en el seno de un fluido y el transporte por el desplazamiento del fluido. El primero, tal como se ha indicado, es consecuencia exclusiva de la existencia de una fuerza impulsora (un desequilibrio o gradiente de concentraciones) que tiende al equilibrio; el segundo es consecuencia simplemente del movimiento del fluido.
Los tres fenómenos de transporte (cantidad de movimiento, materia y energía) se producen casi siempre simultáneamente, pero su importancia relativa varía en cada caso de forma que el más lento es el fenómeno que controla el proceso, es decir, el que determina la velocidad global del proceso y, en consecuencia, el que determina el tamaño del equipo en el cual se desarrollará la operación concreta. Así, las operaciones unitarias se pueden clasificar según el fenómeno que controla el proceso: - Operaciones basadas en el transporte de la cantidad de movimiento.
- Operaciones basadas en el transporte de energía.
- Operaciones basadas en el transporte de materia.
OPERACIONES UNITARIAS BASADAS EN EL TRANSPORTE DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO: Estas operaciones corresponden fundamentalmente al transporte de fluidos y se pueden clasificar en dos grandes grupos: a) De flujo interno, es decir, el fluido circula por el interior de conducciones.
a. El estudio de la circulación de fluidos en conducciones se ocupa del cálculo de la pérdida de presión del fluido para determinar el diámetro de la conducción o la potencia de la bomba o del compresor necesario para hacerlo circular.
b) De flujo externo, es decir, un sólido se desplaza en el seno de un fluido.
a. Filtrado: operación de separación de un sólido en suspensión en un fluido al hacer pasar la mezcla por un medio permeable al fluido e impermeable al sólido.
b. Sedimentación: separación sólido-líquido por acción de la gravedad. El líquido se deja en reposo de forma que el sólido, con una densidad mayor, cae al fondo por gravedad.
c. Centrifugación: separación de dos fases de densidad parecida mediante la acción de un campo de fuerza centrífuga originada por un sistema mecánico de rotación.
OPERACIONES UNITARIAS BASADAS EN EL TRANSPORTE DE ENERGÍA: La transmisión de energía en forma de calor puede ocurrir de muchos procesos, pero solo en algunas la velocidad de transmisión de calor es la etapa que controla el proceso. Algunas etapas de estas operaciones con interés por la ingeniería ambiental son: - Intercambiador de calor. La operación consiste en la transmisión de calor entre dos fluidos a diferentes temperaturas, separadas por una pared metálica o de algún material de alta conductividad térmica, es decir, que ofrezca poca resistencia a la transmisión de calor. La operación se puede llevar a cabo con cambio de fase o sin este (el elevado calor latente de vaporización del agua hace que normalmente se utilice vapor de de agua como fluido calefactor).
Esta operación se utiliza en la digestión anaerobia que se ha planteado en el ejemplo del sistema de tratamiento de aguas residuales. El proceso se realiza a una temperatura superior a la ambiental, por lo que es necesario calentar el sistema mediante un intercambiador de calor (se puede utilizar como fluido calefactor el vapor de agua que se obtiene a partir de la recuperación energética del metano que producen las transformaciones biológicas desarrolladas en la digestión).
- Evaporación. Consiste en la eliminación del disolvente de una solución para aumentar la concentración del soluto. El calor cedido por el valor se utiliza para hacer hervir la solución diluida, de la cual se evapora el disolvente. Esta operación puede ser económicamente viable frente a los tratamientos biológicos para tratar agua con materia orgánica: si la concentración de materia orgánica es baja (entre 50 y 4000mg DQO/L), la mejor alternativa es el tratamiento biológico aerobio; para concentraciones más altas (entre 4000 y 50000mg DQO/L), el tratamiento biológico anaerobio, y por aguas con una presencia de contaminantes orgánicos muy elevada (> 50000mg DQO/L), la mejor alternativa suele ser la evaporación.
OPERACIONES UNITARIAS BASADAS EN EL TRANSPORTE DE MATERIA: En este apartado se consideran las operaciones unitarias en las cuales la etapa que controla el proceso es la transferencia de materia. Tienen como objetivo separar los componentes o grupos de componentes de una fase, generalmente homogénea. La figura muestra un esquema general de este tipo de operaciones. Cuando el agente separador (materia o energía) interacciona con el corriente de alimentación, se generan dos o más corrientes de salida de diferente composición, la cual cosa permite separar o concentrar determinados agentes contaminantes de un determinado corriente.
Absorción. La absorción consiste en la separación de los componentes de una mezcla gaseosa mediante un líquido que absorbe preferentemente uno de los componentes. Por ejemplo, la eliminación de SO2 de gases de combustión mediante soluciones básicas para evitar emitirlo a la atmosfera. El aireado en los procesos bilógicos aerobios también consiste en una absorción en el cual se pone en contacto aire con una mezcla de reacción con la finalidad de transferir el oxigeno al medio de reacción.
- Destilación-rectificación. La destilación consiste en separar dos o más componentes de una mezcla líquida a partir de las diferencias entre sus presiones de vapor. La mezcla líquida, al entrar en ebullición, produce un vapor que es más rico en los componentes más volátiles que la mezcla original. El liquido que falta se empobrece en estos componentes más volátiles. En la rectificación se producen la separación de una mezcla líquida o gaseosa por contacto con un vapor o líquido producidos por el calentamiento o enfriamiento de la mezcla original. Las dos fases son el vapor a la temperatura de condensación y el líquido a la temperatura de ebullición. La transferencia de materia se produce en los dos sentidos: la fase gaseosa se enriquece en los componentes más volátiles y la fase liquida en los menos volátiles. Estas operaciones son típicas por separar componentes con la finalidad de reutilizarlos en un determinado proceso industrial.
- Secamiento. Consiste en reducir el contenido de un líquido, generalmente agua, que impregna un sólido, mediante un gas, generalmente aire. En estas operaciones se producen una transferencia de materia del interior de un sólido hasta la superficie por difusión y, en serie, una evaporación desde la superficie al seño del aire circundante. Esta operación se suele utilizar en estaciones depuradoras de aguas residuales para la deshidratación de los fangos digeridos mediante áreas de secamiento por contacto directo con el aire atmosférico.
- Separación por membranas. Los procesos de separación por membranas constituyen un grupo de operaciones básicas relativamente nuevas en comparación con las operaciones clásicas de transferencia de materia (absorción, destilación, etc.), pero son cada vez más importantes en cuanto a las aplicaciones. Un ejemplo característico es la osmosis inversa, que separa un soluto de una disolución forzando al disolvente a través de una membrana mediante la aplicación de una presión mayor que la osmótica (la presión osmótica es la que se da cuando se equilibran una solución concentrada y una diluida a través de una membrana haciendo pasar el disolvente de la diluida a la concentrada). Así, con la ósmosis inversa se consigue, a partir de una determinada solución, una solución más concentrada y otra más diluida. Un aplicación típica es la obtención de agua potable a partir del agua marina (planta de desalación).
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