introduccion a la ingenieria quimica

Ingeniería Química 1-11
INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA
CÓDIGO: 25/96-0109
CURSO: 1999-2000
Carga docente: 7 créditos (4,5 teóricos + 2,5 prácticos) (segundo cuatrimestre)
Departamento: Ingeniería Química
Profesor/es: Teoría: Mª José Fernández
Prácticas: Mª José Fernández, Juan Carlos Asensi y Carlos Lillo.
OBJETIVOS
Esta “Introducción a la Ingeniería Química” es la primera asignatura de la
especialidad que cursan los alumnos de la titulación Ingeniero Químico, y en
consecuencia sus objetivos son:
a) Dar una visión general de lo que constituye la Ingeniería Química, con
información descriptiva y cualitativa de las Operaciones Unitarias e industrias
de proceso químico.
b) Dar conocimientos básicos y herramientas de cálculo para que el estudiante
pueda formular y resolver balances de materia y energía en sistemas donde
ocurren procesos químicos, y al mismo tiempo establecer las bases para
cursos posteriores de fenómenos de transporte, operaciones unitarias, etc.
PROGRAMA
Teoría
TEMA 1. LA INGENIERÍA QUÍMICA
1. Definición y antecedentes de la Ingeniería Química. Labor de un ingeniero químico a
través de ejemplos.
2. Sectores de la Ingeniería Química.
3. Modos de operación
3.1. Operaciones continuas, discontinuas y semicontinuas.
3.2. Régimen estacionario y no estacionario.
Ingeniería Química 2-11
INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA
TEMA 2. LAS OPERACIONES UNITARIAS
1. Mecanismos y fenómenos de transporte.
2. Concepto de operaciones unitarias. Clasificación.
2.1. Operaciones unitarias controladas por la transferencia de materia: Destilación y
Rectificación, Absorción-Desorción, Extracción, Adsorción e Intercambio
Iónico.
2.2. Operaciones unitarias controladas por la transmisión de calor: Aislamiento
térmico, Calefacción o Refrigeración de fluidos, Evaporación y Condensación.
2.3. Operaciones unitarias controladas por la transferencia simultánea de calor y
materia: Acondicionamiento de gases, Enfriamiento de líquidos, Cristalización,
Secado, Liofilización.
2.4. Operaciones unitarias controladas por el transporte de cantidad de movimiento:
Circulación de fluidos por el interior de conducciones, Fluidización, Filtración,
Sedimentación, Flotación, Centrifugación.
2.5. Operaciones unitarias complementarias: Trituración y Molienda, Tamizado,
Mezclado de sólidos.
2.6. Operación unitaria química: Tipos de reactores.
TEMA 3. INTRODUCCIÓN A LOS CÁLCULOS EN INGENIERÍA QUÍMICA
1. Sistemas de unidades. Factores de conversión.
2. Análisis dimensional. Aplicación a ejemplos.
3. Representaciones gráficas: escala decimal, logarítmica, semilogarítmica, diagramas
triangulares, cálculo de pendientes y ajuste por mínimos cuadrados.
4. Resolución de ecuacioens por métodos iterativos: por tanteo, iteración lineal, método
de Newton.
5. Resolución de ecuaciones simultáneas por el método gráfico.
6. Integración no analítica
6.1. Gráfico: conteo de cuadros, forma gráfica de la regla de Simpson.
6.2. Numérico: método de los trapecios, fórmula de Poncelet, fórmula de Simpson.
7. Diferenciación gráfica: técnica de diferenciación por áreas iguales.
Ingeniería Química 3-11
INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA
TEMA 4. BALANCES DE MATERIA: FUNDAMENTOS
1. Introducción a los balances de materia..
1.1. Ley de conservación de la materia.
1.2. Ecuación generalizada del balance de materia.
2. Planteamientos sencillos del balance de materia.
2.1. La ecuación general del balance.
2.2. Balance en procesos continuos y en régimen estacionario.
2.3. Balances integrales en procsos discontinuos.
2.4. Balances integrales sobre procesos semiintermitentes y contínuos.
3. Aplicación de balance de materia a sistemas de una unidad.
3.1. Presentación de la información en diagrama de flujo.
3.2. Base de cálculo: cómo y cuándo se debe utilizar.
3.3. Evaluación de la contabilidad de un problema. ¿Hay suficientes datos para
resolver un problema?.
3.4. Perfil de un procedimiento sugerido en la resolución de problemas de balance de
materia.
4. Aplicación de balances de materia a sistemas de varias unidades.
5. Aplicación de balances de materia a sistemas provistos de recirculación y/o
desviación (bypass).
6. Aplicación de balances de materia a sistemas reactivos.
6.1. Generalidades sobre estequiometría de reacciones químicas (una reacción).
Reactivo limitante, reactivo en exceso, fracción de exceso, conversión
fraccionaria, grado de avance.
6.2. Generalidades sobre estequiometría de reacciones químicas (varias reacciones).
Rendimiento y selectividad.
6.3. Aplicación de balances de materia a sistemas reactivos.
6.3.1. Balance de materia de especies moleculares. Balance de materia de
especies atómicas. Empleo del grado de avance.
6.3.2. Aplicación a sistemas con recirculación y/o bypass. Conversión en una
etapa. Conversión global.
6.3.5. Aplicación a sistemas que poseen purga. Justificación de la necesidad
de instalar purgas en sistemas reactivos que contienen alguna sustancia inerte.
6.4. Aplicación de balances de materia a sistemas con reacción de combustión.
Estequiometría de la reacción. Aire teórico. Aire en exceso. Aplicación a varios
sistemas.
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TEMA 5. BALANCES DE MATERIA: SISTEMAS DE UNA SOLA FASE Y
SISTEMAS DE VARIAS FASES
1. Sistemas de una fase.
1.1. Introducción. Fuentes generales de información sobre las propiedades físicas de
sustancias puras y mezclas de éstas. (Sugerencias bibliográficas, cálculo a partir
de correlaciones empíricas y medidas en el laboratorio).
1.2. Densidad de líquidos y sólidos.
1.3. Gases ideales.
1.3.1. Ecuación del gas ideal. Condiciones estandar.
1.3.2. Mezcla de gases ideales. Presión parcial. Volumen parcial.
1.4. Gases reales.
1.4.1. Ecuaciones de estado viriales.
1.4.2. Ecuaciones de estado cúbicas.
1.4.3. Ecuaciones de estado del factor de compresibilidad. Cálculo del factor de
compresibilidad.
1.4.4. Mezcla de gases reales. Regla de Kay.
2. Sistema de varias fases.
2.1. Introducción. Propiedades físicas y leyes que gobiernan el comportamiento de
un sistema de dos fases.
2.2. Equilibrio de fases de sistemas de un componente.
2.2.1. Diagrama de fases. Comportamiento excepcional del agua. Presión de
vapor. Temperatura de ebullición, de sublimación y de fusión. Punto triple.
Punto crítico.
2.2.2. Cálculo de presiones de vapor. Ecuación de Clausius-Clapeyron. Gráficas
de Cox, y ecuación de Antoine.
2.3. Regla de las fases de Gibbs. Variables intensivas y extensivas. Definición y
cálculo del número de grados de libertad de un sistema.
2.4. Sistema gas-líquido: Un componente condensable.
2.4.1. Aplicación de la ley de Raoult.
2.4.2. Definición de vapor saturado, vapor sobrecalentado y grado de
sobrecalentamiento.
2.4.3. Sistema aire / agua. Humedad relativa, molal, absoluta y porcentaje de
saturación.
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INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA
2.5. Sistemas multicomponentes líquido-vapor: Varios componentes condensables.
2.5.1. Fuentes de datos de equilibrio líquido-vapor tabulados.
2.5.2. Cálculo de datos del equilibrio líquido-vapor. Leyes de Raoult (disolución
ideal) y Henry. Punto de burbuja y de rocío.
2.5.3. Obtención de datos del equilibrio líquido-vapor (para sistema de dos
componentes) a partir de diagramas Txy ó Pxy.
2.6. Disoluciones de sólidos en líquidos.
2.6.1. Solubilidad y saturación. Fuentes de datos tabulados.
2.6.2. Diagrama de fases. Caso de sales polihidratadas. Aplicación de la regla de
la palanca.
2.6.3. Propiedades coligativas de las disoluciones. Presión de vapor, puntos de
ebullición y punto de congelación.
2.7. Líquidos inmiscibles y parcialmente miscibles.
2.7.1. Miscibilidad y coeficientes de reparto. Caso de dos componentes, siendo
dos de ellos parcialmente miscibles entre sí y totalmente miscibles con el
tercero.
2.7.2. Diagramas triangulares. Aplicación de la regla de la palanca.
TEMA 6. BALANCES DE ENERGÍA
1. Introducción a los balances de energía: sistemas cerrados y sistemas abiertos
2. Balances de energía mecánica
3. Balances de energía en sistemas no reactivos de una sola fase
4. Balances de energía en sistemas no reactivos con cambio de fase: Evaporación,
Humidificación adiabática
4.1. Carta psicrométrica
5. Balances de energía en procesos reactivos
5.1. Procedimientos generales
5.2. Reactores adiabáticos
5.3. Reacciones de combustión
5.4. Poder calorífico
5.5. Temperatura de llama adiabática
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INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA
TEMA 7. BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA EN RÉGIMEN NO
ESTACIONARIO.
1. Balances diferenciales.
1.1. Balances de materia.
1.2. Balances de energía para procesos no reactivos de una sola fase.
TEMA 8. EJEMPLOS DE PROCESOS DE LA INDUSTRIA QUÍMICA
1. Obtención de ácido sulfúrico a partir de pirita
2. Producción de sosa a partir de salmuera
3. Fermentación de grano para la producción de alcohol etílico
Prácticas
Los alumnos deben realizar dos tipos de ejercicios prácticos.
A) Resolución de problemas de balance de materia y energía mediante una hoja de
cálculo.
Son diez sesiones de 2 horas y media en un aula de informática.
1.
2.
3.
4.
5.
Aprendizaje y manejo de la hoja de cálculo.
Obtención de rectas de calibrado y de ecuaciones cinéticas.
Balance de materia en un absorbedor.
Problemas de combustión.
Uso de ecuaciones de estado. Obtención de la gráfica generalizada de
compresibilidad.
6. Construcción de diagramas de equilibrio líquido-vapor xy, Txy.
7. Cálculo del caudal volumétrico de una mezcla de gases. Cálculo de temperaturas de
rocío, etc.
8. Balances de energía en un evaporardor adiabático de 6 unidades.
9. Cálculo de temperatura de llama de un compuesto orgánico.
10. Aprendizaje del manejo y resolución de problemas sencillos en el simulador de
Ingeniería Química CHEM-CAD.
Ingeniería Química 7-11
INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA
B) Ejercicio de bibliografía.
El objetivo es que el alumno conozca y aprenda a manejar la bibliografía
fundamental en Ingeniería Química, como el Manual del Ingeniero Químico (Perry), y
manuales de tecnología química. (Ullmann, Kirk-Othmer)
OBSERVACIONES
Evaluación:
Se hacen exámenes escritos de conceptos teóricos y resolución de problemas
numéricos.
También se hace otro examen consistente en la resolución de problemas con la hoja
de cálculo en el aula de informática.
En la evaluación también se tiene en cuenta los ejercicios de problemas que entregan
semanalmente los alumnos y el trabajo bibliográfico.
BIBLIOGRAFÍA
Se utilizará fundamentalmente :
− “Principios elementales de los procesos químicos” 2ª Ed., R. Felder y R.W.
Rousseau ; Addison-Wesley Iberoamericana (1991).
Otros textos complementarios :
− “Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering”, 5ª Ed., D.M.
Himmelbalu, Prentice Hall, Englewood Cliffs, Nueva Jersey (1989).
− “Balances de materia, energía y cantidad de movimiento. Notas de clase” 2ª Ed.,
C. Sola y J.M. Lema.
− “Curso de Química Técnica. Introducción a los procesos, las operaciones
unitarias y los fenómenos de transporte en la Ingeniería Química”, J. Costa
López y col. Reverté, S.A. (1984).
− “Ingeniería Química. 1. Conceptos generales”, E. Costa Novella y col. Alhambra
Universidad (1983).
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INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA
CÓDIGO: 25/96-109
CURSO: 1999-2000
Carga docente: 7 créditos (4,5 teóricos + 2,5 prácticos) (segundo cuatrimestre)
Departamento: Ingeniería Química
Profesor/es: Teoría: Mª José Fernández
Prácticas: Mª José Fernández, Juan Carlos Asensi y Carlos Lillo.
OBJETIVOS
a) Dar una visión general de lo que constituye la Ingeniería Química, con
información descriptiva y cualitativa de las Operaciones Unitarias e
industrias de proceso químico.
b) Dar conocimientos básicos y herramientas de cálculo para que el estudiante
pueda formular y resolver balances de materia y energía en sistemas donde
ocurren procesos químicos, y al mismo tiempo establecer las bases para
cursos posteriores de fenómenos de transporte, operaciones unitarias, etc.
PROGRAMA
Teoría
1. La ingeniería química
2. Las operaciones unitarias
3. Introducción a los cálculos en ingeniería química
4. Balances de materia: fundamentos
5. Balances de materia: sistemas de una sola fase y sistemas de varias fases
6. Balances de energía
7. Balances de materia y energía en régimen no estacionario.
8. Ejemplos de procesos de la industria química
Prácticas
Los alumnos deben realizar dos tipos de ejercicios prácticos.
A) Resolución de problemas de balance de materia y energía mediante una hoja de
cálculo. Son diez sesiones de 2 horas y media en un aula de informática, en las que
se resuelven problemas de la combustión, construcción de diagramas de equilibrio
líquido-vapor xy, Txt, cálculo de temperatura de llama, etc.
B) Ejercicio de bibliografía con el objetivo que el alumno conozca y aprenda a manejar
la bibliografía fundamental en Ingeniería Química, como el Manual del Ingeniero
Químico (Perry), y manuales de tecnología química. (Ullmann, Kirk-Othmer)
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INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA
Evaluación:
Se hacen exámenes escritos de conceptos teóricos y resolución de problemas
numéricos.
También se hace otro examen consistente en la resolución de problemas con la hoja
de cálculo en el aula de informática.
En la evaluación también se tiene en cuenta los ejercicios de problemas que entregan
semanalmente los alumnos y el trabajo bibliográfico (ver anexo I)
BIBLIOGRAFÍA
Se utilizará fundamentalmente :
− “Principios elementales de los procesos químicos” 2ª Ed., R. Felder y R.W.
Rousseau ; Addison-Wesley Iberoamericana (1991).
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INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA
ANEXO I: CRITERIO DE EVALUACIÓN
INGENIERO QUÍMICO
ASIGNATURA: INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA
NOTA FINAL DE LA ASIGNATURA
CALIFICACIÓN SOBRE 100 PUNTOS
NOTA FINAL = 0.85⋅E + 0.15⋅P - 0.1⋅B
donde
E = (1 + 0.1⋅F)⋅(t + p)
La calificación para aprobar es obtener una nota final ≥ 50.
E es la nota del examen escrito que consta de cuestiones de teoría valoradas con t puntos
y problemas numéricos valorados con p puntos
(t + p)max = 100 puntos
El valor de E se puede mejorar gracias al factor 0.1⋅F
donde
F = (nº de problemas presentados durante el curso)/(nº máximo de problemas propuestos durante el curso)
Notas bajas de t o p se pueden compensar con notas altas de p o t respectivamente, pero
cumpliendo previamente las restricciones t ≥ 30% tmáx y p ≥ 30% pmáx.
P Nota relacionada con las clases prácticas de hoja de cálculo en el aula de Informática.
Pmáx = 100 puntos.
B Nota relacionada con los trabajos bibliográficos.
B toma sólo dos valores :
B = 0 si se entrega el trabajo bibliográfico.
B = 100 si no se entrega el trabajo bibliográfico.
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INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA
EJERCICIOS DE BIBLIOGRAFÍA
a) UTILIZACIÓN DEL MANUAL DEL INGENIERO QUÍMICO “PERRY”.
A cada alumno se le ha asignado un tema que debe consultar en tres ediciones de
Perry, en la de 1950, 1984 y en la de 1997. Se presentará el resultado de la consulta en
el modelo de Informe adjunto.
b) UTILIZACIÓN DE MANUALES DE TECNOLOGÍA QUÍMICA.
A cada alumno se le ha asignado un producto químico seleccionado de una lista
de los de mayor interés comercial e industrial.
El ejercicio concreto consistirá en estudiar uno solo de los varios aspectos del
citado producto.
Aspectos posibles a considerar:
-
Propiedades físicas y químicas del producto.
Descripción de uno de los procesos de fabricación.
Aplicaciones comerciales del producto.
Aspectos económicos.
El alumno elegirá el aspecto que más le interese estudiar del producto que se le
ha asignado.
Manuales a consultar:
Ullmann – Edición en español, 1931 - 1953
Ulllmann – Edición en inglés, 1985 - 1996
Kirk-Othmer – Edición en español, 1961 - 1966
Kirk-Othmer – Edición en inglés, 1978 - 1984
Kirk-Othmer – Edición en inglés, 1991 - 1997
Se debe presentar un Informe (según modelo adjunto) por cada Manual consultado. Se
pretende comparar el diferente grado de información que contiene cada Manual.