Guía docente de la asignatura OPERACIONES DE SEPARACIÓN

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1 Guía docente de la asignatura OPERACIONES DE SEPARACIÓN Titulación: GRADO EN INGENIERÍA QUÍMICA INDUSTRIAL Curso 2012/13

2 Guía Docente 1. Datos de la asignatura Nombre Materia Módulo OPERACIONES DE SEPARACIÓN OPERACIONES DE SEPARACIÓN Materias Específicas de Especialidad Código Titulación/es Plan de estudios Centro Tipo GRADO EN INGENIERÍA QUÍMICA INDUSTRIAL Decreto nº 269/2009 de 31 de Julio, de la CARM ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Obligatoria Periodo lectivo Segundo cuatrimestre Curso 2 Idioma Castellano y ocasionalmente inglés ECTS 6 Horas / ECTS 30 Carga total de trabajo (horas) 180 Horario clases teoría Horario clases prácticas Lunes, de 18:10 a 20:00 h. Jueves, de 16:00 a 17:50 h. Aula P1 9, Edificio Antiguo Hospital de Marina Miércoles, de 11:10 a 13:00 h. Lugar Aula Informática 2. Datos del profesorado Profesor responsable Departamento Área de conocimiento Ubicación del despacho Correo electrónico Luis Javier Lozano Blanco Ingeniería Química y Ambiental Ingeniería Química Departamento: Segunda planta edificio Hospital de Marina. Teléfono Fax URL / WEB Luisja.lozano@upct.es Horario de atención / Tutorías Lunes, de 10:00 a 14:00 h., Miércoles, de 10:00 a 12:00 h. Ubicación durante las tutorías Departamento: Segunda planta edificio Hospital de Marina.

3 3. Descripción de la asignatura 3.1. Presentación La asignatura Operaciones de Separación se orienta hacia la consecución por parte del alumno de las habilidades y conocimientos necesarios para aplicar métodos de cálculo y diseño de las operaciones de separación más habituales en Ingeniería Química, tales como la absorción de gases, destilación, extracción líquido líquido y extracción sólido líquido, entre otras Ubicación en el plan de estudios La asignatura se ha programado como continuación natural de la asignatura FUNDAMENTOS DE LA INGENIERÍA QUÍMICA, en el segundo cuatrimestre del segundo curso de la titulación Descripción de la asignatura. Adecuación al perfil profesional Tras un tema inicial de introducción en el que se enumeran los aspectos fundamentales de los fenómenos de transferencia de materia que se han debido estudiar en asignaturas previas, se desarrollan de forma secuencial los temas que describen el fundamento teórico de cada una de las operaciones de separación a estudiar. Puesto que los cálculos rigurosos para el diseño de este tipo de operaciones se realizan en la práctica con el apoyo de diversos paquetes de software, la asignatura incluye sesiones de prácticas en aula de informática para desarrollar esas habilidades. El papel de la asignatura en la formación de los Ingenieros Químicos es vital, puesto que todos los procesos industriales de fabricación de productos básicos de química orgánica e inorgánica, materias primas plásticas, productos farmacéuticos, agroquímicos, pasta papelera, fibras sintéticas, etcétera, requieren de procesos de separación y/o purificación de los subproductos generados en las etapas de reacción química Relación con otras asignaturas. Prerrequisitos y recomendaciones Es recomendable que el alumno haya superado las asignaturas de QUÍMICA GENERAL, QUÍMICA ORGÁNICA y QUÍMICA INORGÁNICA de primer curso. Además es imprescindible que el alumno haya seguido la asignatura FUNDAMENTOS DE LA INGENIERÍA QUÍMICA del primer cuatrimestre de segundo curso, ya que en ella se sientan las bases generales de esta asignatura. Las prácticas experimentales vinculadas a la operación y manejo de unidades de separación, se realizan en las asignaturas de cursos posteriores de EXPERIMENTACIÓN EN INGENIERÍA QUÍMICA Medidas especiales previstas No se contemplan medidas especiales

4 4. Competencias 4.1. Competencias específicas de la asignatura (según el plan de estudios) Al finalizar la asignatura, los alumnos serán capaces de calcular y diseñar operaciones de separación Competencias genéricas / transversales (según el plan de estudios) COMPETENCIAS INSTRUMENTALES T1.1 Capacidad de análisis y síntesis T1.2 Capacidad de organización y planificación T1.3 Comunicación oral y escrita en lengua propia T1.5 Habilidades básicas computacionales T1.6 Capacidad de gestión de la información T1.7 Resolución de problemas COMPETENCIAS PERSONALES T2.3 Habilidades en las relaciones interpersonales COMPETENCIAS SISTÉMICAS T3.1 Capacidad para aplicar los conocimientos a la práctica T3.2 Capacidad de aprender T3.7 Habilidad de realizar trabajo autónomo 4.3. Objetivos generales / competencias específicas del título (según el plan de estudios) COMPETENCIAS ESPECÍFICAS DISCIPLINARES E1.2 Conocimientos en materias tecnológicas para la realización de mediciones, cálculos, valoraciones, tasaciones, peritaciones, estudios, informes, planes de labores y otros trabajos análogos. COMPETENCIAS PROFESIONALES E2.1 Capacidad para la redacción, firma y desarrollo de proyectos en el ámbito de la Ingeniería industrial que tengan por objeto, en el área de la Ingeniería Química, la construcción, reforma, reparación, conservación, demolición, fabricación, instalación, montaje o explotación de: estructuras, equipos mecánicos, instalaciones energéticas, instalaciones eléctricas y electrónicas, instalaciones y plantas industriales y procesos de fabricación y automatización en función de la ley de atribuciones profesionales Resultados esperados del aprendizaje 1. Identificar el tipo de operación más adecuado para la separación de componentes en función de las características de éstos y el estado de agregación en que se encuentran. 2. Manejar adecuadamente las fuentes de información que permiten obtener las propiedades físico químicas de los compuestos necesarias para la obtención de datos de equilibrio entre fases. 3. Emplear métodos gráficos y analíticos para el cálculo del número de etapas de

5 equilibrio necesarias para las operaciones de separación estudiadas. 4. Determinar los valores límites de operación para las variables de diseño de las operaciones de separación. 5. Describir correctamente los distintos tipos de equipos empleados en los procesos de separación, su funcionamiento, y la misión de cada uno de los elementos de que se componen. 6. Usar software específico de simulación de procesos químicos en estado estacionario para el cálculo y diseño de operaciones de separación.

6 5. Contenidos 5.1. Contenidos (según el plan de estudios) Criterios de clasificación de las operaciones de separación. Absorción de gases. Destilación. Extracción líquido líquido. Extracción sólido líquido. Operaciones avanzadas de separación Programa de teoría UD 1. Introducción a las Operaciones de Separación. UD 2. Absorción y Desabsorción de gases. UD 3. Destilación simple de mezclas binarias. UD 4. Rectificación y Destilación multicomponente. UD 5. Diseño de equipos para las operaciones gas vapor/líquido. UD 6. Extracción líquido líquido. UD 7. Extracción sólido líquido. UD 8. Operaciones avanzadas de separación Programa de prácticas Práctica 1. Fundamentos de CHEMCAD. Práctica 2. Simulación de operaciones de absorción de gases en columnas de relleno. Práctica 3. Simulación de operaciones de destilación en columnas de platos. Práctica 4. Simulación de operaciones de extracción líquido líquido Programa resumido en inglés Lesson 1. Introduction to separation processes. Lesson 2. Gas absorption and stripping. Lesson 3. Simple distillation of binary mixtures. Lesson 4. Rectification and multicomponent distillation. Lesson 5. Equipment design for gas vapor/liquid separation processes. Lesson 6. Liquid liquid extraction. Lesson 7. Solid liquid extraction. Lesson 8. Advanced separation processes Resultados de aprendizaje detallados por Unidades Didácticas UD 1. Introducción a las Operaciones de Separación. (2 horas) 1.1. Explicar adecuadamente el papel de las operaciones de separación dentro de cada uno de los procesos químicos Identificar las analogías existentes en la formulación de los fenómenos de transporte Describir la teoría de película y formular el proceso de transferencia de materia entre fases en función de los coeficiente locales y globales de transferencia de materia Desarrollar expresiones particulares para la obtención de datos de equilibrio entre fases a partir de los valores de los coeficientes de actividad y fugacidad Resumir la finalidad de cada una de las operaciones de separación 1.6. Clasificar las diferentes operaciones de separación según la propiedad (materia, energía o cantidad de movimiento) que se transfiera, el patrón de flujo o las fases que intervienen. UD 2. Absorción y desabsorción de gases. (5 horas)

7 2.1. Describir la finalidad de los procesos de absorción y desabsorción de gases, identificando algunos ejemplos de aplicación industrial Priorizar los criterios que permiten seleccionar el disolvente más apropiado para llevar a cabo una determinada absorción de gases Aplicar la Ley de Henry para la obtención de datos de equilibrio líquido-gas Realizar balances de materia sobre columnas de absorción y desabsorción de gases Representar gráficamente los datos de equilibrio y las rectas de operación Describir correctamente el significado de los conceptos de altura de la unidad de transferencia y número de unidades de transferencia Calcular las condiciones límites de operación y el número de unidades de transferencia necesarias para llevar a cabo un proceso de absorción/desabsorción de gases. UD 3. Destilación simple de mezclas binarias. (4 horas) 3.1. Describir el fundamento teórico de los procesos de destilación y el concepto de volatilidad relativa Enumerar las diferencias existentes entre la destilación simple, la destilación súbita y la destilación en continuo (rectificación) Aplicar la Ley de Raoult y la correlación de Antoine para la obtención y representación de datos de equilibrio líquido-vapor Determinar analítica y gráficamente puntos de burbuja y puntos de rocío de mezclas binarias Explicar el concepto de azeótropo/mezcla azeotrópica y su influencia en el diseño de los procesos de destilación Determinar gráficamente las condiciones límite de operación en un proceso de destilación súbita Demostrar y aplicar la ecuación de Rayleigh a partir del balance de materia en un proceso de destilación simple. UD 4. Rectificación y destilación multicomponente. (11 horas) 4.1. Describir el proceso de destilación mediante etapas de equilibrio sucesivas Enumerar los distintos elementos de que se compone una columna de destilación (rectificación), identificando su función en el proceso Emplear correctamente el Método gráfico de McCabe-Thiele para el análisis y diseño de columnas de destilación Calcular de forma aproximada los requerimientos energéticos en una torre de rectificación Analizar sobre los diagramas de equilibrio el efecto de la condición térmica de la alimentación y la presencia de corrientes laterales Operar con las expresiones analíticas de equilibrio entre fases para mezclas multicomponentes Diseñar esquemas de separación multicomponente a partir del concepto de componente clave Aplicar métodos de cálculo aproximados para el diseño de operaciones de separación multicomponente. UD 5. Diseño de equipos para las operaciones gas-vapor/líquido. (6 horas) 5.1. Describir los principales elementos que configuran las torres de platos y de relleno Identificar los parámetros constructivos de las columnas de platos y su relación con el régimen hidrodinámico de la misma Aplicar los conceptos de eficacia global y eficacia de Murphree para el cálculo del número

8 de platos reales para llevar a cabo operaciones de absorción y de rectificación Calcular, a partir del concepto de velocidad de inundación, el diámetro de una torre de relleno Decidir sobre la conveniencia de emplear una torre de platos o de relleno para llevar a cabo operaciones de absorción y/o de rectificación. UD 6. Extracción líquido-líquido. (6 horas) 6.1. Describir la finalidad del proceso de extracción líquido-líquido sin reacción química, identificando algunos ejemplos de aplicación industrial Realizar balances de materia sobre operaciones de extracción líquido-líquido con distintos patrones de flujo (cruzado, en contracorriente y en contracorriente con reflujo) Representar gráficamente datos de equilibrio en diagramas triangulares Emplear los diagramas triangulares para el cálculo de operaciones de extracción líquidolíquido en una sola etapa Emplear métodos gráficos para el cálculo de operaciones de extracción líquido-líquido multietapa en flujo cruzado Explicar el funcionamiento de los principales equipos que se emplean a nivel industrial para llevar a cabo la extracción líquido-líquido. UD 7. Extracción sólido-líquido. (4 horas) 8.1. Describir la finalidad del proceso de extracción sólido-líquido ó lixiviación, identificando algunos ejemplos de aplicación industrial Explicar el proceso de transferencia de materia desde la fase sólida hacia la fase líquida Realizar balances de materia sobre operaciones de extracción con distintos patrones de flujo (cruzado y en contracorriente) Emplear correctamente los diagramas triángulo rectángulo para la representación de rectas de reparto y curvas de retención Emplear los diagramas triangulo rectángulo para el cálculo de operaciones de extracción sólido-líquido en una sola etapa Emplear los diagramas triangulo rectángulo para el cálculo de operaciones de extracción sólido-liquido multietapa en flujo cruzado. UD 8. Operaciones avanzadas de separación. (4 horas) 8.1. Explicar la morfología y estructura microscópica de los distintos tipos de membranas Establecer las principales diferencias existentes entre las teorías que explican el transporte de materia a través de las membranas Clasificar los distintos tipos de procesos con membranas en función de la fuerza impulsora.

9 6. Metodología docente 6.1. Actividades formativas Actividad Descripción de la actividad Trabajo del estudiante ECTS Clase expositiva utilizando técnicas de Presencial: Asistencia a clase y toma de aprendizaje cooperativo informal de apuntes. 0.8 corta duración. Resolución de dudas No presencial: Lectura previa de los Clases de teoría planteadas por los estudiantes. Se materiales proporcionados específicamente tratarán los temas de mayor por el profesor y estudio individual de la complejidad y los aspectos más materia. relevantes. 1.2 Clases de problemas Sesiones prácticas en aula de informática Actividades de trabajo cooperativo Tutorías Actividades de evaluación sumativas Se resolverán problemas tipo, enfatizando en el planteamiento de métodos de resolución y no en los resultados. Se plantearán problemas similares para que los alumnos los resuelvan posteriormente de forma individual. Las sesiones prácticas en aula de informática con software de simulación de procesos, permiten ampliar la capacidad del alumno para aplicar métodos analíticos en el diseño de operaciones de separación. Se propondrán problemas a resolver mediante trabajo en grupo. La evaluación del trabajo se realizará mediante exposición y defensa de los mismos de forma individual ante el resto de compañeros y el profesor. Las tutorías serán individuales con objeto de proporcionar al alumno un apoyo en la resolución de problemas propuestos y conocer su nivel de interés y motivación por la asignatura. Se realizará una prueba escrita de tipo individual sobre los contenidos teóricos y prácticos abordados en la asignatura, con el fin de comprobar el grado de consecución de las competencias específicas. Presencial: Asistencia a clase y toma de notas sobre los procedimientos de resolución de problemas tipo No presencial: Estudio y repaso de los problemas tipo resueltos en clase. Resolución de nuevos problemas propuestos por el profesor. Presencial: Manejo de software específico de simulación de procesos bajo las indicaciones directas del profesor. No presencial: Manejo de software específico de simulación de procesos de forma autonóma por parte del alumno. Presencial: No presencial: Resolución de problemas propuestos de ampliación sobre alguna de las operaciones de separación. Presencial: Planteamiento de dudas en horario de tutorías. No presencial: Planteamiento de dudas por correo electrónico en plazos preestablecidos. Presencial: Asistencia a la prueba escrita y realización de ésta. Exposición y defensa de problemas propuestos y demostración de manejo de software de simulación. No presencial:

10 7. Evaluación 7.1. Técnicas de evaluación Instrumentos Realización / criterios Ponderación Prueba escrita Individual (*) (60 %) Problemas Propuestos Ejercicios prácticos en Aula de Informática Cuestiones teóricas: Cuestiones teóricas formuladas tipo test. Estas cuestiones se orientan a conceptos y definiciones y evalúan principalmente los conocimientos teóricos. Problemas: Entre 1 y 4 problemas de media o larga extensión. Se evalúa principalmente la capacidad de aplicar conocimientos a la práctica y la capacidad de análisis Resolución no presencial de problemas propuestos durante el curso. Simulaciones por computador: Se realizarán ejercicios de simulación de operaciones de separación, valorándose los resultados obtenidos. 25% de la prueba escrita 75% de la prueba escrita 20% de la calificación de la asignatura 10% de la calificación de la asignatura Competencias genéricas (4.2)evaluadas T1.1, T1.6 T3.2, T3.7 T1.1, T1.6, T1.7 T3.1, T3.2, T3.7 T1.1, T1.2, T1.3, T1.6, T1.7, T2.3 T3.1, T3.2, T3.7 T1.1, T1.2, T1.3, T1.5, T2.3 T3.1, T3.2, T3.7 Resultados (4.4) evaluados 1, 5 2, 3, 4 2, 3, 4 6 Exposiciones Orales Presentación problemas propuestos: Se realizará una presentación y defensa oral sobre la resolución de alguno de los problemas propuestos. 10% de la calificación de la asignatura T1.1, T1.2, T1.3, T1.7 T3.1, T3.2, T3.7 3, 4 (*) Será necesario obtener un 40% de la calificación máxima en cada una de las partes de que se compone la prueba escrita para superar la asignatura Mecanismos de control y seguimiento El seguimiento del aprendizaje se realizará mediante las siguientes actividades: Cuestiones planteadas de manera informal en clase. Presentación de los problemas propuestos. Supervisión durante las sesiones de prácticas en aula de informática. Presentaciones orales de problemas propuestos y demostración de uso del software. Tutorías individuales.

11 7.3. Resultados esperados / actividades formativas / evaluación de los resultados Resultados esperados del aprendizaje (4.4) Clases de teoría Clases problemas Sesiones Aula de Informática Actividades de trabajo cooperativo Tutorías Prueba teoría Prueba problemas Problemas propuestos Presentación oral 1. Identificar el tipo de operación más adecuado para la separación de componentes en función de las características de éstos y el estado de agregación en que se encuentran. 2. Manejar adecuadamente las fuentes de información que permiten obtener las propiedades físico químicas de los compuestos necesarias para la obtención de datos de equilibrio entre fases. 3. Emplear métodos gráficos y analíticos para el cálculo del número de etapas de equilibrio necesarias para las operaciones de separación estudiadas. X X X X X X X X X X X X X X X X 4. Determinar los valores límites de operación para las variables de diseño de las operaciones de separación. X X X X X X 5. Describir correctamente los distintos tipos de equipos X X X empleados en los procesos de separación, su funcionamiento, y la misión de cada uno de los elementos de que se componen. 6. Usar software específico de simulación de procesos químicos en estado estacionario para el cálculo y diseño de operaciones de separación. X X X

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13 9. Recursos y bibliografía 9.1. Bibliografía básica Henley E.J. y Seader J.D. Operaciones de separación por etapas de equilibrio en ingeniería química. Barcelona: Ed. Reverté (1988) McCabe W.L. Operaciones unitarias en ingeniería química. México: Ed. McGraw Hill (2004) 9.2. Bibliografía complementaria Marcilla Gomis A. Introducción a las operaciones de separación. Cálculo por etapas de equilibrio. Alicante: Publicaciones de la Universidad de Alicante (1998) Rousseau R.W. Handbook of Separation Process Technology. New York: John Wiley & Sonos (1987). Maloney J.O. Perry s Chemical Engineers Handbook. New York: Ed. McGraw Hill (2008) Geankoplis C.J. Procesos de transporte y operaciones unitarias. México: Ed. CECSA (1998) 9.3. Recursos en red y otros recursos