Introducción
Unidad 2 · Equipos y operaciones unitarias
En la Unidad 2 estudiamos equipos que materializan tres ejes de la ingeniería de procesos:
- transferencia de calor,
- transferencia de masa y
- flujo de fluidos.
Clasificarlos con criterio ambiental permite distinguir cómo sus principios físicos inciden en la remediación: desde capturar contaminantes en aire y el agua, hasta recuperar energía térmica que, de otro modo, se perdería o mover fluidos con menor huella energética. Por cada eje se presenta una tecnología convencional, probada y ubicua en industria (química, alimentaria, metalúrgica, automotriz, petrolera, etc.), junto con una tecnología emergente/avanzada con potencial para escalar en remediación y reciclaje en nuestro planeta futuro, que estará sometido a mayor estrés hídrico, energético y material.
Transferencia de calor — Intercambiador de tubo y coraza
Convencional · Recuperación y servicio de calor/enfriamiento
Calor
Convencional
Intercambiador de tubo y coraza
Dos fluidos separados por pared metálica (tubos/coraza) intercambian calor por conducción y convección.
Características clave
- Deflectores en coraza (turbulencia).
- Múltiples pasos.
- Amplio rango de P/T.
- Sensible al fouling (ensuciamiento).
Definición
- Equipo de superficies para transferir calor entre corrientes sin mezcla directa; alta robustez y flexibilidad.
Área de importancia
- Industria química.
- Petróleo y gas.
- Alimentos.
- Papel.
- Energía.
Uso típico
- Calentar/enfriar corrientes.
- Condensar.
- Precalentar.
- Recuperar calor.
Relevancia ambiental
- Recupera calor residual.
- Reduce combustible.
- Habilita integración térmica.
- Disminuye emisiones.
Limitaciones
- Ensuciamiento.
- Dilataciones diferenciales.
- Limpieza del lado coraza en ciertos cabezales.
Descripción conceptual: Transferencia por gradiente de temperatura (ΔT) a través de pared; coeficientes de película y área gobiernan el calor intercambiado.
Transferencia de calor — Bomba de calor industrial (HTHP)
Avanzada · Electrificación del calor de proceso
Calor
Avanzada
Bomba de calor de alta temperatura
Eleva el nivel térmico de un foco frío (calor residual) a uno útil de proceso.
Características clave
- Salida >90–120 °C.
- Refrigerantes de bajo GWP.
- Integración con red térmica existente.
Definición
- Ciclo con evaporador‑compresor‑condensador; transfiere calor del foco frío al caliente con COP alto.
Área de importancia
- Alimentos.
- Farmacéutica.
- Papel.
- Textil.
- Secado eficiente.
Uso típico
- Precalentar alimentaciones.
- Generar agua de proceso.
- Regenerar calor de efluentes tibios.
Relevancia ambiental
- Reduce combustibles fósiles.
- Disminuye emisiones.
- Aprovecha calor residual.
- Electrifica procesos.
Limitaciones
- Capex.
- Adaptación a perfiles térmicos.
- Control.
- Selección de refrigerante.
Descripción conceptual: El ciclo de compresión "bombea" calor contra el gradiente de T; útil cuando la integración pasiva no basta.
Transferencia de masa — Torre de absorción (scrubber húmedo)
Convencional · Remoción de gases ácidos/VOC
Masa
Convencional
Torre de absorción
Contacto gas‑líquido a contracorriente; el contaminante del gas se transfiere al líquido.
Características clave
- Alta área interfacial.
- Redistribución de líquido.
- Caída de presión moderada.
- Evitar colmatación.
Definición
- Columna con empaques/platos y rociadores; puede incluir control de pH y demister (captador de niebla).
Área de importancia
- Química fina.
- Metalurgia.
- Automotriz (pinturas).
- Gases de combustión.
Uso típico
- Lavado de gases y emisiones.
- Neutralización húmeda con álcalis/oxidantes.
Relevancia ambiental
- Abate HCl.
- Abate SO₂.
- Abate NH₃.
- Abate H₂S.
- Abate VOC.
- Control de olores.
- Mejora seguridad.
Limitaciones
- Genera corrientes líquidas a tratar.
- Riesgo de arrastre.
- Ensuciamiento.
Descripción conceptual: La transferencia depende de coeficientes gas/líquido, área interfacial y equilibrio (Ley de Henry); se busca máximo contacto con caída de presión razonable.
Transferencia de masa — Membranas RO/NF para reúso
Avanzada · Barrera semipermeable impulsada por presión
Masa
Avanzada
Ósmosis inversa / Nanofiltración
El solvente permea la membrana; los solutos quedan en el concentrado.
Características clave
- Alto rechazo de sales.
- Alto rechazo de microcontaminantes.
- Exige pretratamiento.
- Mitiga bioincrustación (fouling).
- Mitiga incrustación.
Definición
- Películas compuestas delgadas; módulos en espiral; separación por tamaño/carga (NF) y presión osmótica (RO).
Área de importancia
- Potabilización/desalinización.
- Reúso municipal e industrial.
- Alimentos y bebidas.
Uso típico
- Polishing de efluentes.
- Desalinización de agua salobre.
- Reducción de dureza/color.
Relevancia ambiental
- Permite reúso.
- Reduce extracción de fuentes vírgenes.
- Habilita ZLD al integrarse con concentración.
Limitaciones
- Consumo energético (mitigar con recuperación).
- Gestión de salmuera.
- Bioincrustación.
Descripción conceptual: Flujo de solvente guiado por presión efectiva (ΔP−π) y propiedades de membrana; el pretratamiento es crítico.
Flujo de fluidos — Bomba centrífuga con variador (VFD)
Convencional · Impulsión eficiente y control H–Q
Flujo
Convencional
Bomba centrífuga + VFD
Convierte energía mecánica en presión/velocidad para transportar líquidos; el VFD ajusta el punto de operación.
Características clave
- Optimización energética con control de velocidad.
- Materiales y sellos según corrosión/abrasión.
Definición
- Máquina hidráulica regida por curvas H–Q y NPSH; la velocidad específica guía la selección.
Área de importancia
- Agua potable.
- Agua residual.
- Alimentos.
- Petróleo y gas.
- Minería.
- Químico.
Uso típico
- Impulsión de agua/efluentes.
- Alimentación a equipos de proceso.
- Recirculaciones.
Relevancia ambiental
- Reduce consumo eléctrico.
- Reduce cavitación.
- Alarga vida de sellos.
- Mejora confiabilidad.
Limitaciones
- Selección basada en el sistema completo (succión, pérdidas, válvulas).
- Compatibilidad de materiales.
Descripción conceptual: Ajustar la velocidad mueve la curva de la bomba; el punto de operación es el cruce con la curva del sistema.
Flujo de fluidos — Microturbina Pump‑as‑Turbine (PAT)
Avanzada · Recuperación de energía en reducciones de presión
Flujo
Avanzada
PAT
Bomba operada en modo turbina para generar energía a partir de una caída de presión.
Características clave
- Sencilla y de bajo costo frente a turbinas.
- Potencia ~ caudal·ΔP.
- Compatible con VFD y control.
Definición
- Recuperación de energía en puntos de reducción de presión (ΔP) de redes o procesos.
Área de importancia
- Redes de agua potable/industrial.
- Derivaciones en PTAR.
- Riego presurizado.
Uso típico
- Generación eléctrica local.
- Asistencia a cargas internas.
- Sustitución de válvulas disipadoras.
Relevancia ambiental
- Reduce la huella energética de mover agua.
- Apoya metas de carbono.
Limitaciones
- Ventanas operativas estrechas.
- Requiere estudio hidráulico para no afectar servicio ni seguridad.
Descripción conceptual: Convierte pérdidas en trabajo útil; diseño basado en curvas inversas de la bomba y estadística de caudales/ΔP del sitio.
Glosario de siglas y símbolos
Significados y notas de uso
ΔT
Diferencia de temperatura entre dos puntos (°C o K).
ΔP
Caída de presión (Pa, kPa o bar).
π
Presión osmótica (Pa), relevante en membranas.
P/T
Presión/Temperatura; variables de diseño del equipo.
HTHP
High‑Temperature Heat Pump — Bomba de calor de alta temperatura.
COP
Coeficiente de desempeño = calor útil / trabajo eléctrico.
GWP
Global Warming Potential — Potencial de calentamiento global (relativo a CO₂=1).
RO
Reverse Osmosis — Ósmosis inversa.
NF
Nanofiltration — Nanofiltración.
ZLD
Zero Liquid Discharge — Cero descarga líquida.
VFD
Variable Frequency Drive — Variador de frecuencia.
H–Q
Curva Altura–Caudal de una bomba (H en m; Q en m³/s o L/s).
NPSH
Net Positive Suction Head — Altura neta positiva de succión (requerida/disponible).
PAT
Pump as Turbine — Bomba operando como turbina.
PTAR
Planta de Tratamiento de Aguas Residuales.
VOC
Volatile Organic Compounds — Compuestos orgánicos volátiles.
HCl
Ácido clorhídrico.
SO₂
Dióxido de azufre.
NH₃
Amoníaco.
H₂S
Sulfuro de hidrógeno.
Referencias
Material del curso y textos de apoyo (formato APA)
- UnADM. (2024). Planificación Unidad 2 [Guía de actividades]. TOUA_PLANIFICACION_U2.pdf.
- UnADM. (2024). Unidad 1 y 3 – Contenidos y planificaciones [Material complementario]. TOUA_U1_Contenido_2024‑2.pdf; TOUA_U3_Contenido_2024‑2.pdf; TOUA_U3_Planificación_2025_S2B1.pdf.
- Geankoplis, C. J., Hersel, A., & Lepek, D. (2018). Transport Processes and Separation Process Principles (5th ed.). Pearson.
- McCabe, W. L., Smith, J. C., & Harriott, P. (2005). Unit Operations of Chemical Engineering (7th ed.). McGraw‑Hill.
Conclusiones
Balance entre madurez y potencial
La clasificación propuesta equilibra madurez tecnológica y potencial de futuro. Intercambiadores de tubo y coraza, torres de absorción y bombas centrífugas siguen siendo los caballos de batalla por su robustez y disponibilidad. En paralelo, HTHP, membranas avanzadas y PAT muestran caminos para descarbonizar, reusar agua y reducir costos energéticos. Con estos insumos estructurados, el cuadro sinóptico será directo de armar y quedará listo para integrarse a la evidencia de aprendizaje.