El documento describe las operaciones unitarias básicas en los procesos industriales. Explica que las operaciones unitarias incluyen procesos como transporte de fluidos, transferencia de calor, evaporación, secado, destilación, absorción, y más. También describe varios tipos de operaciones unitarias de separación de sólidos como tamices gruesos, tamices mecánicos, tamices finos, entre otros. El objetivo final de las operaciones unitarias es modificar las condiciones de la materia para hacerla más útil en la industria

1. OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS
MC. TEMISTOCLES MENDIVIL REYNOSO

2. Competencia de curso:
Identificar las operaciones unitarias básicas en el proceso de operación de
fluidos y sólidos, la interacción de sólidos y líquidos que definan
metodologías de operaciones en la industria para el desarrollo de procesos
industriales en el desarrollo de procesos unitarios definidos y probados
Primer elemento de competencia:
Identificar la importancia de las operaciones unitarias , la
separación de materiales sólidos y sedimentación mediante la
utilización de las leyes que gobiernan la separación de sólidos en
fluidos en el manejo de materiales.

3. Procesos de las Operaciones Unitarias
La Ing. química es una rama de la ingeniería, cuya base son las
operaciones unitarias que adecuadamente ordenadas y
coordinadas constituyen un proceso químico tal y como opera
a escala industrial.
La fabricación de una sal común consta de la siguiente serie de
operaciones básicas:
•Transporte del sólido y liquido.
•Transmisión de calor.
•Evaporación.
•Cristalización
•Secado.
•Tamizado

4. Esquema general de un proceso químico industrial

5. Sectores de la Ing. química
•Operaciones unitarias o básicas.(Físicas, simultaneas o posteriores)
•ING, de Reacción Química. (estudio de las etapas de esta)
•Estudio de los procesos químicos.(descripción del comportamiento OP. UNiT.)

6. Operaciones básicas o unitarias
Mediante el estudio sistemático de estas operaciones en si –operaciones que
evidentemente constituyen la trama de la industria y los procesos- se
unifica y resulta más sencillo el tratamiento de todos los procesos.
Los procesos químico-Industriales pueden desdoblarse en
una serie de etapas u operaciones unitarias que
aparecen de forma reiterativa, se basan en principios
científicos análogos y tienen técnicas de calculo
comunes. Ejemplos:
Transporte de fluidos, separaciones por tamizado,
filtración, centrifugación, sedimentación, etc.
Calentamiento o enfriamiento de sustancias.
Separaciones basadas en transferencia de materia,
como la extracción, absorción, adsorción, secado, etc.

7. 1.-Flujo de fluidos. determinan el flujo y transporte de cualquier fluido
de un punto a otro.
2.-Transferencia de calor. gobiernan la acumulación y transferencia
de calor y de energía de un lugar a otro.
3.- Evaporación. caso especial de transferencia de calor, que
estudia la evaporación de un disolvente volátil (como el agua), de
un soluto no volátil como la sal o cualquier otro tipo de material en
solución.
4.- Secado. Separación de líquidos volátiles casi siempre agua de los
materiales sólidos.
5.- Destilación. Separación de los componentes de una mezcla
líquida por medio de la ebullición basada en las diferencias de
presión de vapor.
6.- Absorción. En este proceso se separa un componente gaseoso de
una corriente por tratamiento con un líquido.

8. 7.- de membrana. Este proceso implica separar un soluto de un fluido
mediante la difusión de este Separación soluto de un líquido o gas, a través
de la barrera de una membrana semipermeable, a otro fluido.
8.- Extracción líquido-líquido. En este caso, el soluto de una solución líquida
se separa poniéndolo en contacto con otro disolvente líquido que es
relativamente inmiscible en la solución.
9.- Adsorción. En este proceso, un componente de una corriente líquida o
gaseosa es retirado y adsorbido por un adsorbente sólido.
10.- Lixiviación líquido-sólido. Consiste en el tratamiento de un sólido
finamente molido con un líquido que disuelve y extrae un soluto contenido
en el sólido.
11.- Cristalización. Se refiere a la extracción de un soluto, como la sal, de una
solución por precipitación de dicho soluto.
12.- Separaciones físico-mecánicas. Implica la separación de sólidos, líquidos
o gases por medios mecánicos, tales como filtración, sedimentación o
reducción de tamaño, que por lo general se clasifican como operaciones
unitarias individuales.

9. Objetivo de procesos y operaciones unitarias básicas
Modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia
en una forma mas útil para alcanzar un fin.
Modificando su masa y composición
(Separación, mezcla de fases, reacción química)
Modificando su nivel o calidad de energía
(enfriamiento, vaporización, etc)
Modificando sus condiciones de movimiento
(aumento o disminución de velocidad, cambio de dirección)

10. 1.- Transferencia de momento lineal. Se refiere a la que se presenta en
los materiales en movimiento, como en operaciones unitarias de flujo
de fluidos, sedimentación y mezclado.
2.- Transferencia de calor. En este proceso fundamental se considera
como tal a la transferencia de calor que pasa de un lugar a otro; se
presenta en las operaciones unitarias de transferencia de
calor, secado, evaporación, destilación y otras.
3.- Transferencia de masa. En este caso se transfiere masa de una fase
a otra fase diferente; el mecanismo básico es el mismo, ya sea que las
fases sean gaseosas, sólidas o líquidas. Este proceso incluye
destilación, absorción, extracción líquido-líquido, separación por
membranas, adsorción y lixiviación.

11. Esquema particularizado de un Proceso Químico industrial
Así, un proceso será la combinación de diferentes operaciones unitarias

12. Situación actual y evolución futura de los procesos y
operaciones unitarias
¿Qué factores afectan el cambio y la evolución de
los procesos y operaciones unitarias?
•La utilización de la matemática.
•Uso generalizado de ordenadores.
• protección del medio ambiente.
•Diversificación de las fuentes de energía.
¿Que podemos deducir?

13. Estación depuradora de aguas residuales (E.D.A.R.)
Línea de agua.
Línea de fango.
Constan de una serie de operaciones unitarias calcificadas en 4 tipos que
son el Pre-tratamiento, tratamiento primario, tratamiento secundario y
terciario.

14. Separación de sólidos por tamizado (Screening)
El tamizado (Screening) es un dispositivo con aberturas,
generalmente de tamaño uniforme, que se utiliza para
retener los sólidos encontrados en el agua a tratar
Los materiales gruesos podrían causar:
(1) daños en el equipo para procesos posteriores.
(2) reducir la fiabilidad global de proceso de tratamiento y la eficacia,
(3) contaminar las vías fluviales.

15. Todos los aspectos de eliminación por tamizado y transporte se
deben considerar en la aplicación de dispositivos de
screening, incluyendo
(1) el grado de eliminación, debido a los posibles efectos sobre los
demás procesos.
(2) la salud y la seguridad de los operadores como, las aguas
residuales contienen organismos patógenos y atraen a los insectos.
(3) el posible olor.
(4) Requisitos para el manejo, transporte y disposición,
(5) opciones de eliminación.

16. Clasificación de la separación de sólidos por tamizado

17. Tamices gruesos tienen aberturas transparentes que van desde 6
a 150 mm; Mallas finas tienen aberturas de menos de 6 mm.
Micro Tamices generalmente tienen aberturas de la pantalla
menos de 50 micras.
El elemento de screening puede consistir en barras paralelas,
varillas o alambres, rejilla, malla de alambre, placas perforadas, y
las aberturas pueden ser de cualquier forma, pero en general
son ranuras circulares o rectangulares.

18. Coarse Screens (Bar Racks)
En el tratamiento de aguas residuales, se utilizan para proteger las
bombas, válvulas, tuberías y otros accesorios evitando el daño o la
obstrucción por trapos y objetos grandes.
Hand-Cleaned Coarse Screens (Limpieza manual)
se utilizan con frecuencia por delante de las bombas de aguas
residuales ,en pequeñas estaciones de bombeo y se utiliza a veces en
las obras de captación de pequeñas y medianas plantas de
tratamiento de aguas residuales. A menudo se utiliza para la detección
de residuos en standby, en los canales de derivación de servicio
durante períodos de alto flujo, cuando los tamices mecánicos están
siendo reparados, o en caso de un fallo de alimentación.

19. Mechanically Cleaned Bar Screens (limpieza mecánica)
El diseño a evolucionado con los años para reducir los problemas
de operación y mantenimiento y mejorar las capacidades de
eliminación de screenings. Muchos de los diseños más nuevos
incluyen un amplio uso de materiales resistentes a la corrosión,
como acero inoxidable y plásticos (ABS, etc.). Estos según la forma
en que estén automatizados se pueden clasificar de diferente
manera.

20. CHAIN DRIVEN . (Accionamiento de cadena es una manera
de transmitir potencia mecánica a partir de un lugar a otro)

21. Reciprocating Rake (Climber) Screen ( en escalera)
Imita los movimientos de una
persona al usar un rastrillo.
Una ventaja importante es que
todas las piezas que requieren
mantenimiento están por encima de
la línea de flotación y pueden ser
inspeccionadas y mantenidas sin
eliminar el agua del canal.
Como resultado, la rejilla de tipo
rastrillo alternativo puede tener una
capacidad limitada en la
manipulación de cargas pesadas
por tamizado, en particular en
canales profundos donde una largo
'alcance' es necesario

22. Catenary Screen
El rastrillo se mantiene contra el bastidor por el peso de la cadena. Si
los objetos pesados ​se atascan en las barras, los rastrillos pasaran por
encima de ellos en vez de atascarse. Tiene una gran dimensión por lo
tanto requiere mayor espacio para la instalación.

23. Continuous Belt Screen (cinturón
continuo)
Son un desarrollo relativamente
nuevo para el uso en aplicaciones
de cribado. Un gran número de
elementos de cribado (rastrillos) se
unen a las cadenas de
accionamiento.
Los ganchos que sobresalen de
los elementos de la cadena se
proporcionan para capturar los
sólidos grandes, tales como
latas, palos y trapos.

24. Diseño de Instalaciones Coarse Screen
Consideraciones en el diseño de las instalaciones cribado incluyen
(1) Ubicación;
(2) velocidad de aproximación;
(3) aberturas claras entre barras o una malla;
(4) Pérdida de carga a través de ellas ;
(5) Manipulación, transformación y eliminación;
(6) control.

25. La s perdidas hidráulicas a través de las aperturas de las Screens
(tamices), esta en fusión de la velocidad de aproximación y la velocidad
a través de las barras.
Estas perdidas d carga pueden ser estimadas usando:
1 v2 u2
hc
C 2g
hc =Perdidas hidráulicas
C =coeficiente de descarga empírico
V= velocidad de flujo a través de la apertura
U= velocidad de aproximación
g= 9.81 m/s2

26. Ley de conservación de la energía
(la energía no es creada ni destruida sino que ésta sólo pasa por
transformaciones),
La energía total de un fluido en cualquier punto de un sistema
hidráulico es la misma
E1=E2

27. La energía total en cualquier punto de un sistema hidráulico está
compuesta de tres componentes:
•Energía potencial.
•Energía debido a la presión.
• Energía cinética.
Es aplicable a flujos ideales que no tienen “pérdidas” de energía entre
los puntos 1 y 2.

28. Debido a que los fluidos reales siempre experimentan pérdidas debido
a la fricción entre el fluido y las paredes de la tubería, éstas deben
incluirse en la ecuación.
Estas restricciones incluyen: válvulas, cambios de dirección de flujo
(en codos, bifurcaciones, etc.), cambios en el diámetro de la tubería
(reducciones o ensanchamientos)

29. Las perdidas atreves de los tamices esta en función
de la velocidad de flujo y sus aberturas
Cd = Coeficiente de descarga

30. Ejercicio1 y 2:
1.- Determine la acumulación de la perdida de carga a través
de una apertura con 50% del área de flujo es bloqueada
debido ala acumulación de sólidos.
u=velocidad de aproximación= 0.6m/s
V=velocidad de flujo a través de la apertura= 0.9 m/s
Área de flujo= 0.19m2
C=0.7
2.- Estima la acumulación de perdidas a través de la apertura
(reduciendo el área un 50% resulta en un aumento en la velocidad
del doble) si c=0.6,

31. Ejercicio3:
Calcular la velocidad del flujo de descarga de la Figura cuando la
válvula del tanque está abierta. La diferencia de elevación entre los
puntos 1 y 2 es de 4m.
Asuma que no hay pérdidas de carga entre los dos puntos
Si el tanque en cuestión es relativamente grande, podemos asumir
entonces que la velocidad de flujo en la superficie del tanque, a medida
que éste se vacía, es relativamente pequeña

32. Fine Screens ( Tamices mas finos)
Con el objetivo de desarrollar la misma función pero eliminando
partículas de menor tamaño, se tiende actualmente a la instalación de
tamices, provistos de una malla fina (después de pantallas de barras
gruesas).
Consiste, en una filtración sobre un soporte mucho mas delgado que
unas rejas, a las que pueden complementar afinando su función.
Normalmente las aberturas de los tamices oscilan entre 0.5 y 6 mm.
Estos introducen una perdida de carga mucho mayor que los tamices
gruesos.

33. Existen básicamente tres tipos de tamices finos:
•Static Wedgewire Screens (estáticos).
•Drum Screens (rotativos).
•Step Screens (escalera móvil).

34. •Static Wedgewire Screens (estáticos).
Consisten en pequeñas barras de acero inoxidable con forma de cuña
hacia el flujo. Gran superficie es necesaria para la instalación y estos
tamices deben limpiarse una o dos veces al día con agua caliente a
alta presión para eliminar la acumulación de grasa.

35. •Drum Screens (rotativos).
Está montados en un cilindro que gira en un canal de flujo. Sus
construcciones varían con respecto a la dirección del flujo a través del
medio de detección.
Las aguas residuales fluyen ya sea en un extremo del tambor, hacia
fuera a través del tamiz con la colección de los sólidos en la superficie
interior, o al revés, o la colección de los sólidos en la parte exterior , el
agua fluyendo al interior.

36. Step screens (escalera móvil)
El diseño consta de dos pasos en forma de conjuntos de placas
delgadas verticales, una fija y uno móvil.
Las placas fijas y móviles alternan a través de la anchura de un canal
abierto, juntas forman una cara, tamiz. Las placas móviles giran en un
movimiento vertical. A través de este movimiento sólidos capturados en
la superficie del tamiz se elevan automáticamente hasta siguiente paso
fijo, y finalmente son transportados a la parte superior de del tamiz
donde se descargan a una tolva. El patrón circular de las placas en
movimiento proporciona una función de auto-limpieza para cada paso.

37. Step screens (escalera móvil)

38. Diseño e instalación de tamices mas finos
Una instalación debe tener un mínimo de dos pantallas, cada uno con la
capacidad de manejar caudales máximos. En climas más fríos, el agua
caliente o el vapor son más eficaces para la eliminación de grasa.
La pérdida de carga depende del tamaño y la cantidad de sólidos en
las aguas residuales, el tamaño de las aberturas, y el método y la
frecuencia de limpieza.

39. La perdida de carga a través de tamices mas finos difiere de los
tamices gruesos. Esta perdida de carga puede ser obtenida de la
siguiente ecuación:
Q= Cual, flujo volumétrico o proporción de descarga a través de la abertura
A= Área efectiva de la apertura del tamiz

40. Ley de conservación de la masa (Ecuación de continuidad)
La masa no puede ser creada ni destruida
El caudal de un fluido dentro de un conducto cerrado debe ser igual
en todas sus secciones.
Para un fluido incompresible como el agua, se cumple ρ1 = ρ2 y así la
Ecuación se reduce a:

41. Diseño de rejillas de limpieza manual

42. Un procedimiento para el diseño de las rejillas es el siguiente:
1. Con el gasto (caudal) de diseño y la velocidad mínima
recomendada, calcular el área libre (Sección Transversal ) al paso del
agua (A = Q/v).
2. Proponer el tirante del agua en el canal (h) (antes del tamiz).
3. Calcular la suma de las separaciones entre barras (bg).
4. Proponer las características del emparrillado: espesor (S) y separación
entre barras (e).
5. Calcular el ancho del canal, con la expresión
6. Calcular el número de barras, n = (bg/e) -1.

43. Ejemplo :
Los gastos de agua residual previstos para el diseño de una planta de
tratamiento son: Medio = 40 l/s
Máximo instantáneo=100 l/s
Máximo extraordinario=150 l/s
Solución:
Se propone la construcción de dos canales con rejillas de limpieza manual,
cada uno diseñado con la mitad del gasto máximo instantáneo (50 l/s).
consideran las siguientes condiciones de operación:
1. Velocidad mínima del agua en el canal de 0.6 m/s
2. Velocidad máxima del paso del agua entre rejas de 0.75 m/s, para evitar
que los sólidos retenidos de menor dimensión sean arrastrados.
3. Inclinación de las rejas de 60º con respecto a la horizontal.
4. Se proponen las siguientes características del emparrillado: espesor S =
0.005 m y separación entre barras e = 0.025 m

44. 1.- Q = Av
0.050 (m3/s) = A x 0.6 (m/s)
A = 0.0833 m2 (área efectiva total a través de las aperturas)
2.- proponer el ancho del canal para así deducir el tirante de agua antes de
las rejillas:
Ancho del canal(b) = 0.60 m (propuesto)
A=bxh
h1= 0.083 m2/0.60 m =0.1383 m
3.-Cáculo de bg (suma de las separaciones entre barras)
bg= 495.8 mm = 0.496 m
6.- Calcular el numero de barras n = (bg/e) -1.
n= 18

45. 7. Calculo de la longitud de las barras o altura del rack para la
construcción de la rejilla :
tome en cuenta que la rejilla tiene una inclinación de 60°
A (libre)= hipotenusa x bg
h(barras)= 0.1383 m /sen 60° = 0.1596 m
Ejercicio :
Calcule las dimensiones de una rejilla para en gasto (caudal) 35 l/s

46. Ejercicio:
Diseñe un tamiz del tipo estático de barras gruesas (Coarse Screens).
Los gastos de agua residual previstos para el diseño de este son:
Un caudal (Q) =0.631 m3/s , con una velocidad (V) promedio de 0.60
m/s, ángulo de inclinación de 60° y un tirante o profundidad (h1)del
flujo de 1.12 m
Solución:
1.-Con el gasto (caudal) de diseño y la velocidad recomendada,
calcular el área libre (Sección Transversal ) al paso del agua (A =
Q/v). Calcular la suma de las separaciones entre barras (bg).
2.- Calcular el ancho total de las aberturas (separación entre barras),
w=bg/tamaño de la abertura
3.- Proponiendo la separación deseada (abertura), calcular el
numero de aberturas (n)
n=w/ancho propuesto de abertura

47. ¿Cuantas barras usaríamos para determinado numero aberturas?
Ejemplo:
4.- calcular el ancho del canal (b)
b= ancho total de la aberturas + (ancho de barra)(núm. De barras)
5.- Calcular la altura mínima que estará sumergida de las rejillas,( el
largo de las barras que formaran la rejilla o tamiz)
sin ɵ = a/c
C=?
Se debe dejar al menos 0.6m sobre el nivel o la profundidad que manejara el canal (h1)

48. 6.- Determinar la eficiencia, (Ec)
Ec = ancho total de las aberturas/ ancho del canal
7.- Determinar la perdida de carga usando barras rectangulares
con las caras en semicírculo en dirección al flujo usando:
s 43 v 2
hc ( ) sen
e 2g
= factor de forma. Depende del tipo de barra
v = velocidad del caudal