introducción a la ingeniería química - · pdf fileingeniería...

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.



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.



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.



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.



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



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. Aprendizaje y manejo de la hoja de cálculo.

2. Obtención de rectas de calibrado y de ecuaciones cinéticas.

3. Balance de materia en un absorbedor.

4. Problemas de combustión.

5. 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.



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).



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)



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).



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.



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.

introducción a la ingeniería química - · pdf fileingeniería...

Documents