Código: Titulación: ING. TÉC. IND. en QUÍMICA INDUSTRIAL Curso: 2

Transcripción

1 ASIGNATURA: OPERACIONES BÁSICAS Código: Titulación: ING. TÉC. IND. en QUÍMICA INDUSTRIAL Curso: 2 Profesor responsable: LUIS JAVIER LOZANO BLANCO Departamento: INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL Tipo (T/Ob/Op): T Créditos (T+P): Descriptores de la asignatura según el Plan de Estudios: Balances de materia y energía. Operaciones básicas de transferencia de materia. Operaciones básicas de transmisión de calor. Contexto de la asignatura en el perfil de la titulación: Esta materia comprende el estudio sistemático (cálculo, diseño y funcionamiento) de todas aquellas operaciones unitarias que, repitiéndose en todos los procesos químicos industriales, están basadas en principios científicos análogos (fenómenos de transporte de materia, energía y cantidad de movimiento) y tienen técnicas de cálculo comunes. Pese a que el concepto de operación básica en la industria química está claramente establecido, no existe un concepto único como asignatura a tenor de cómo se imparte esta materia en otras Universidades. En el caso de la ETSII, la existencia de asignaturas previas y/o complementarias tales como Mecánica de Fluidos General, Mecánica de Fluidos Aplicada, Experimentación en Ingeniería Química, Ingeniería Térmica y Operaciones Básicas Especiales, y la escasa asignación de créditos a la misma, hace imprescindible priorizar contenidos, haciendo hincapié en los balances de materia y energía de los procesos químicos, las operaciones de transmisión de calor y las operaciones de separación por transferencia de materia. Materias relacionadas con esta asignatura: - Físico-Química - Fundamentos de Química - Experimentación en Ingeniería Química Las prácticas de la asignatura consisten exclusivamente en la realización de clases de problemas. Las prácticas de laboratorio correspondientes a estas operaciones básicas se contemplan en la asignatura troncal de 2º curso de I.T.I en la especialidad de Química Industrial, Experimentación en Ingeniería Química, por lo que se recomienda encarecidamente al alumno que curse estas dos asignaturas de forma simultánea.

2 Programa de la asignatura UNIDAD DIDÁCTICA I. INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA Tema 1. Introducción a la Ingeniería Química. Introducción. Concepto de operación básica o unitaria. Operaciones continuas, discontinuas y semicontinuas. Tipos de contacto y patrones de flujo. Resumen de las operaciones básicas. Tema 2. Balance macroscópico de materia. Ecuación general del balance macroscópico de materia. Concepto de base de cálculo. Balances de materia en estado estacionario sin reacción química. Balances de materia en estado estacionario con reacción química. Problemas. Tema 3. Balance macroscópico de energía. Ecuación general del balance macroscópico de energía. Balance entálpico en régimen estacionario sin reacción química. Balance entálpico en régimen estacionario con reacción química. Problemas. - Valorar correctamente la importancia del estudio de las Operaciones Básicas en el contexto de la Ingeniería Química. - Enumerar las diferentes operaciones unitarias y clasificarlas según la propiedad (materia, energía o cantidad de movimiento) que se transfiera en la operación y sea más relevante en la misma. - Interpretar correctamente el significado de los conceptos estado estacionario, estado no estacionario, sistema, bypass, recirculación, purga, conversión de una reacción química, capacidad calorífica y entalpía de reacción, en el planteamiento de balances de materia y energía. - Realizar conversión de unidades en magnitudes y ecuaciones. - Obtener de la bibliografía datos de propiedades físico-químicas y de equilibrio de sustancias (capacidades caloríficas, entalpías de reacción, etc ) - Aplicar las leyes de conservación de materia y energía a la resolución de problemas de balances de materia y de energía en sistemas macroscópicos formados por uno o por varios equipos. - Plantear un procediemiento sistemático para la realización de balances de materia y energía. UNIDAD DIDÁCTICA II. TRANSFERENCIA DE MATERIA Y APLICACIONES Tema 4. Fundamentos de transferencia de materia (I). Introducción. Transporte molecular de materia. Difusión. Transporte turbulento de materia. Coeficientes de transferencia de materia. Tema 5. Fundamentos de transferencia de materia (II). Transferencia entre fases. Introducción. Coeficientes globales de transferencia de materia. Equilibrio entre fases.

3 Tema 6. Absorción y desabsorción de gases. Introducción. Equilibrio líquido-gas. Elección del disolvente para la absorción. Transferencia de un componente en torres de absorción. Cálculo de la altura de torres de relleno. Relación límite líquido-gas. Problemas. Tema 7. Destilación simple de mezclas binarias. Introducción. Equilibrio líquido-vapor. Destilación de equilibrio o flash. Condensación de equilibrio. Destilación diferencial o simple. Tema 8. Rectificación de mezclas binarias en torres de platos. Principios generales. Análisis de columnas de rectificación por el método de McCabe- Thiele. Condición térmica de la alimentación. Necesidades de calefacción y refrigeración. Relación de reflujo óptima. Alimentaciones múltiples y corrientes laterales. Problemas Tema 9. Diseño del equipo para las operaciones gas/vapor-líquido. Introducción. Diseño de torres de platos. Diseño de torres de relleno. Tema 10. Extracción líquido-líquido. Introducción. Equilibrio líquido-líquido. Elección del disolvente. Contacto por etapas. Extracción en una sola etapa. Extracción en varias etapas a corriente cruzada. Extracción en varias etapas a contracorriente. Extracción en varias etapas a contracorriente con reflujo. - Identificar los parámetros necesarios para poder aplicar las ecuaciones de estimación de las difusividades de gases y líquidos. - Explicar el concepto de coeficiente global de transferencia de materia y su relación con los coeficientes individuales de transferencia de materia. - Enumerar aplicaciones industriales en las que se utilicen operaciones unitarias basadas en la transferencia de materia. - Enumerar las ventajas e inconvenientes de las distintas disposiciones que se emplean habitualmente en las operaciones de transferencia de materia. - Aplicar la ley de Fick para el caso de difusión molecular en gases y en líquidos. - Establecer los criterios que permiten conocer cual es la resistencia que controla la transferencia de materia entre fases. - Diferenciar entre operaciones de contacto intermitente y de contacto continuo. - Relacionar los conceptos de etapa teórica y eficacia de una etapa. - Describir correctamente el significado de los conceptos de altura de la unidad de transferencia y número de unidades de transferencia. - Priorizar los criterios que permiten seleccionar el disolvente más apropiado para llevar a cabo una determinada absorción de gases. - 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. - Calcular sobre el diagrama de equilibrio la relación límite líquido-gas y estimar su influencia sobre la altura de columna necesaria. - Calcular, aplicando la/s ecuación/es adecuada/s, la altura necesaria de una torre de relleno en absorción de gases. - Aplicar el método gráfico de McCabe-Thiele para cálculo del número de etapas teóricas. - Calcular de forma aproximada los requerimientos energéticos en una torre de rectificación. - Analizar sobre los diagramas de equilibrio el efecto de la presencia de corrientes laterales y alimentaciones múltiples. - Calcular la altura de una torre de relleno para realizar la rectificación de una mezcla binaria.

4 - Calcular, teniendo en cuenta los conceptos de eficacia global y eficacia de Murphree, el número 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 de rectificación. - Enumerar las principales propiedades que deben considerarse a la hora de seleccionar un líquido como disolvente de extracción. - Describir los principales equipos que se emplean a nivel industrial para llevar a cabo la extracción líquido-líquido. - Trazar los diagramas de equilibrio líquido-líquido más empleados y comprender su manejo. - Aplicar las ecuaciones básicas que permiten determinar la altura de una torre de extracción de contacto continuo. UNIDAD DIDÁCTICA III. TRANSFERENCIA DE CALOR Y APLICACIONES Tema 11. Mecanismos de transmisión de calor. Introducción. Transmisión de calor por conducción. Transmisión de calor por convección. Aislamiento térmico. Transmisión de calor por radiación. Problemas. Tema 12. Cambiadores de calor. Introducción. Cambiador de calor de tubos concéntricos. Cambiadores de calor multitubulares. Cambiadores de calor de flujo cruzado. Otros dispositivos. Tema 13. Evaporación. Transmisión de calor con cambio de fase. Objetivos y características del proceso. Tipos de evaporadores y métodos de operación. Transmisión de calor en los evaporadores. Cálculo de evaporadores de efecto simple. Cálculo de evaporadores de efecto múltiple. Mejora del rendimiento de los evaporadores. - Desarrollar la ecuación de Fourier para la conducción en estado estacionario, y aplicarla al cálculo de la cantidad de calor transferida a través de paredes simples y compuestas, incidiendo en el concepto de resistencia individual y global a la transferencia de calor. - Aplicar las ecuaciones generales para la predicción de coeficientes de película para convección natural y forzada, en diferentes configuraciones geométricas, con o sin cambio de fase. - Estimar valores del coeficiente global de transmisión de calor para las aplicaciones convencionales en la industria. - Calcular la cantidad de calor transferida cuando se produce simultáneamente transferencia de calor por conducción y convección. - Calcular y diseñar térmicamente intercambiadores de calor de doble tubo y de carcasa y tubos. - Describir las ventajas e inconvenientes de otros tipos de intercambiadores de calor empleados en la industria distintos a la configuración de carcasa y tubo. - Explicar los principales tipos de evaporadores empleados en la industria y las principales disposiciones de funcionamiento. - Seleccionar el evaporador más conveniente para llevar a cabo una operación dada.

5 Bibliografía básica CALLEJA G. et al. Introducción a la Ingeniería Química. Madrid: Síntesis, TREYBAL R.E. Operaciones de transferencia de masa. New York: McGraw-Hill, PERRY R.H., GREEN D.W., MALONEY J.O. Perry Manual del Ingeniero Químico. México: McGraw-Hill, COULSON J.M., RICHARDSON J.F. Ingeniería Química. Operaciones Básicas. Barcelona: Reverté, COSTA J. et al. Curso de Ingeniería Química. Introducción a los procesos, las operaciones unitarias y los fenómenos de transporte. Barcelona: Reverté, McCABE W.L. et al. Operaciones Básicas de la Ingeniería Química. Madrid: McGraw- Hill, HENLEY E.J., SEADER J.D. Operaciones de separación por etapas de equilibrio en ingeniería química. Barcelona: Reverté, GEANKOPLIS C.J. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. México: C.E.C.S.A., 1986 Evaluación del alumno: Pruebas escritas oficiales: Se evaluará especialmente el aprendizaje individual por parte del alumno de los contenidos específicos disciplinares abordados. El peso de esta parte en la evaluación será de un 50%. La prueba constará de un examen tipo test de preguntas sobre el programa de teoría de la asignatura (30% de la calificación del examen) y 3 problemas (70 % de la calificación del examen). Para el examen de problemas el alumno podrá emplear un formulario restringido con las ecuaciones necesarias para resolver los problemas. Actividades de evaluación formativas y sumativas, para la evaluación del desempeño de competencias (50%): Evaluación por el profesor mediante criterios de calidad desarrollados (rúbricas) de 4 problemas propuestos y seguimiento del programa de teoría. Observaciones Pese a que no hay incompatibilidades en el plan de estudios, se aconseja, para complementar adecuadamente los contenidos de la asignatura, cursar simultáneamente la asignatura troncal de 2º curso de I.T.I en la especialidad de Química Industrial, Experimentación en Ingeniería Química. URL/Web: