Consecuente: Fenómenos de Transporte, Termodinámica II Horas Semana: 4 Horas curso: 64. Ingeniería Química y Metalurgia

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1 UNIVERSIDAD DE SONORA Unidad Regional Centro División de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química y Metalurgia Asignatura: Balance de Materia y Energía Clave: 9409 Antecedente: Termodinámica I y Ecuaciones Diferenciales Créditos: 6 (h teoría, h Modalidad: taller) Semipresencial Modalidad enseñanza-aprendizaje: Curso /Taller Consecuente: Fenómenos de Transporte, Termodinámica II Horas Semana: 4 Horas curso: 64 Departamento de Servicio: Ingeniería Química y Metalurgia Eje de formación: Profesionalizante Carácter: Obligatoria Competencias específicas a desarrollar del docente: Competencia 1: Identifica, analiza y diagnostica el efecto o impacto de las variables de un proceso físico y/o químico. Competencia : Analiza y resuelve problemas relacionados con los cambios fisicoquímicos de materia y energía. Competencia 3: Diseña e implementa mejoras para el desarrollo óptimo de un proceso físico y/o químico. Competencia 4: Capacidad para interpretar y evaluar datos derivados de observaciones y mediciones, relacionándolos con la teoría para explicar los fenómenos físicos y/o químicos. Competencia 6: Aplica técnicas de simulación y optimización para determinar los valores más convenientes de las variables de interés en un proceso físico y/o químico. Competencia 7: Diseña sistemas de instrumentación y control para mantener el comportamiento óptimo de un proceso físico y/o químico. Competencia 8: Conocimiento de las fronteras de la investigación en la Ingeniería Química.

2 Introducción: Esta asignatura aporta al perfil del Ingeniero Químico, Metalúrgico y de Materiales la capacidad y habilidad para el diseño, selección, optimización, control en los diferentes flujos de materia y energía en los procesos para plantas industriales y servicios. Se toma en cuenta la importancia fundamental que tiene sobre un ingeniero el realizar balances en el quehacer cotidiano de esta área del conocimiento. Esta asignatura es uno de los soportes principales de la carrera por lo que se coloca en cuarto semestre, considerando que en los semestres anteriores ha adquirido las competencias previas para la comprensión de los temas. El temario está organizado y agrupa los contenidos conceptuales de la asignatura de manera secuencial. El maestro deberá dar especial énfasis en los ejemplos y aplicaciones de la licenciatura de Ingeniería Química, Ingeniero Metalúrgico e Ingeniero en Materiales según corresponda. En la primera unidad se establece la importancia de los balances de masa y energía, la elaboración y rotulación de datos en diagramas de flujo, simbología, manejo de conceptos básicos y el balance de masa sin reacción química en una y varias etapas. En la segunda unidad se incluyen los conceptos básicos de balance de materia con reacción química (una o varias reacciones), reversibles, irreversibles o de combustión, aplicado a sistemas abiertos, con recirculación y desviación (by-pass). En la tercera unidad se estudian los balances de energía y masa sin reacción química en sistemas abiertos y cerrados, en diversos tipos de procesos como isotérmicos, isobáricos, adiabáticos e isovolumètricos, en una sola fase y con cambio de fase. Por último, la cuarta unidad abarca el estudio de Balances de Energía y Masa en sistemas con reacción química, (una y varias reacciones). Aplicados a diversos tipos de procesos, a procesos combinados en estado estable y no estable. El enfoque sugerido para la materia está dirigido para que el alumno adquiera y desarrolle competencias tales como la capacidad de análisis y síntesis, de organización, habilidades matemáticas para establecer diferentes rutas de solución de los diversos problemas relacionados; así mismo la capacidad de generar nuevas ideas en la búsqueda del logro. El enfoque de esta materia requiere que el alumno adquiera y desarrolle habilidades de análisis, síntesis y lógicas matemáticas, para establecer diferentes rutas en la solución de los problemas En las actividades teóricas sugeridas es conveniente que el alumno reafirme los conceptos básicos necesarios previos al curso y que asimile los conceptos nuevos, (en qué consisten y las diferencias entre éstos); así como también poder hacer un análisis matemático que le permita calcular una serie de variables en los procesos involucrados en el desarrollo de problemas y que valore la gran importancia de esta materia en el área laboral. Es importante que en el transcurso de las actividades programadas, el alumno tenga conciencia de las normas ecológicas mexicanas y de higiene y seguridad y en base a ello actúe de una manera profesional y desarrolle las competencias propias de su carrera.

3 Propósito: En este curso se deberá desarrollar la habilidad de resolver problemas de balances de materia y energía en procesos químicos de una manera general. Esto permite resolver una gran variedad de problemas aplicables a cualquier operación unitaria. La metodología de la enseñanza debe basarse en la solución de problemas de interés en la industria química y de proceso. Objetivo General: Aplicar balances de materia y energía en operaciones, procesos y sistemas reactivos, y además identificar y analizar los problemas de balance de materia y energía en la investigación, la industria y los servicios. CONOCIMIENTOS PREVIOS Interpretar las reacciones químicas y su estequiometria Aplicar las leyes de la conservación de materia y energía Aplicar métodos algebraicos Aplicar dimensiones y unidades Aplicar las leyes de la termodinámica Aplicar conocimientos básicos de termofísica y termoquímica.

4 Objetivos Específicos: Identificar y representar esquemáticamente cada una de las operaciones y procesos unitarios comunes en el campo de la ingeniería. Realizar balances de masa en procesos sin reacción química en flujo continuo. Realizar balances de masa en procesos con reacción química en flujo continuo. Realizar balances de energía y masa sin reacción química en flujo continuo. Realizar balances de energía y masa en sistemas con reacción química. Unidades de Competencias Unidad de Competencia 1. Balance de materia sin reacción química. 1.1 Importancia de los balances de masa y energía en la ingeniería. 1. Simbología y elaboración de diagramas de flujo de procesos químicos. 1.3 Conceptos básicos Flujo másico y volumétrico, conversión entre ellos 1.3. Fracción y porcentaje másico y molar Conversión de una composición másica a molar y viceversa 1.4 l Balance de materia sin reacción química Deducción de la ecuación de balance de masa 1.4. Balance de masa en sistemas en régimen estacionario Unidad de Competencia. Balance de materia con reacción química.1 Conceptos básicos..1.1 Reactivo limitante y en exceso.1. Por ciento de conversión global y en un solo paso.1.3 Rendimiento y selectividad.1.4 Reacciones de combustión. l balance de materia con reacción química..1 Con una sola reacción.. Con dos o más reacciones Unidad de Competencia 3. Balance de energía sin reacción química 3.1 Conceptos básicos Tipos de procesos (isotérmico, adiabático, isobárico, aislado) 3.1. Rutas hipotéticas Calidad del vapor 3. Balance de energía y masa en una sola fase. 3.3 Balance de energía y masa en sistemas con cambio de fase. 3.4 los balances de energía a procesos sin reacción química. Unidad de Competencia 4. Balance de energía con reacción química 4.1 Balances de energía y masa con una reacción (irreversible y reversible) En procesos isotérmicos 4.1. En procesos adiabáticos 4. Balances de energía y masa con más de una reacción En procesos isotérmicos 4.3 Balances en procesos combinados 4.4 Balance en estado no-estable

5 Evaluación: criterios generales para la acreditación del curso: Exámenes (3 parciales) (80%) Asignación de problemas específicos y tareas en grupo (0%) Bibliografía: Tipo (básica o complementaria) Felder, Richard M. & Rousseau, R. W. Elementary Principles of Chemical Processes. Wiley. Reklaitis, G. V. y Schneider, D. R. Balances de Materia y Energía. Nueva Editorial Interamericana. Valiente, Antonio y Primo, Stivalet Rudi. Problemas de Balances de Materia. Alhambra Mexicana. Himmelblau, David M. Balances de Materia y Energía. Prentice - Hall. David. M. Himmeblau. Supplementary Problems for Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering. The University of Texas: 6th. edition. Applied Mathematics in chemical engineering., Harold S: Mickley, Thomas s. Sherwood, Charles E: Reed., Ed. McGraw-Hill, Introduction to chemical engeineering, and computer calculations, Alan L. Myers and Warren D. Seider, Prentice Hill. Introduction chemical engineering, Andersen and Wenzel, Ed. Mac Graw Hill. Mexico. Complementaria Complementaria Complementaria

6 Desarrollo de las competencias Resultados del aprendizaje Actividades educativas SEMANA 1 Volumen de trabajo del estudiante calculado en horas Evaluación Comprensión de la importancia de los balance de materia y energía en el desarrollo de procesos productivos Conocer e identificar la simbología básica y la elaboración de diagramas de flujo Exposición del contenido del curso y ejemplos de la utilización de los balances de materia y energía por el maestro. Así como discusión grupal Exposición por parte del maestro del uso de la simbología y su integración a los diagramas de flujo de los procesos Proyecto 1. Investigar la simbología de los equipos y la integración de estos a los diagramas de flujo. Comprensión de los Conceptos básicos de: Flujo másico y volumétrico, conversión entre ellos; Fracción y porcentaje másico y molar; Conversión de una composición másica a molar y viceversa Concepto de Balances de masa sin reacción química Concepto de equilibrio de fases, para la determinación del punto de burbuja y del punto de roció y deducción de los balances de masa. Descripción y aplicación de la carta psicométrica y su uso y deducción de las ecuaciones de balance de masa. Comprensión de Conceptos básicos de: Reactivo limitante y en exceso; Por ciento de conversión global y en un solo paso; Rendimiento y selectividad; Reacciones de combustión. SEMANA Discusión grupal. SEMANA 3 SEMANA 4 resolviendo problemas de secado y de humidificación. SEMANA 5 4 Proyecto : aplicación de los conceptos a ejercicios cortos. Proyecto 3. las herramientas de programación en la solución de problemas 4 Proyecto 4. Comparar las lecturas de la carta psicométrica y el programa psicométrico, para tener confianza en sus lecturas. Proyecto 5. los conceptos en solución de problemas.

7 l balance de materia con reacción química l balance de materia con reacción química, con recirculación, purga, etc. l balance de materia con reacción química, con recirculación, purga, etc. Conceptos básicos de: Tipos de procesos (isotérmico, adiabático, isobárico, aislado); Rutas hipotéticas. Balance de energía y masa en una sola fase; y de Balance de energía y masa en sistemas con cambio de fase. los balances de energía a procesos sin reacción química. Balances de energía y masa con una reacción (irreversible y reversible); En procesos isotérmicos. Balances de energía y masa con una reacción; En procesos adiabáticos SEMANA 6 SEMANA 7 SEMANA 8 SEMANA 9 SEMANA 10 SEMANA 11 SEMANA 1 4 Proyecto 6. Solución de problemas con purga. 4 Proyecto 7. Solución de problemas con By-pass. 4 Proyecto 8. los tipos de procesos. 4 Proyecto 9. los balances en una y más fases. 4 Proyecto 10. Aplicación y uso de los diagrama entalpiaconcentración. 4 Proyecto 11. Determinación de la eficiencia de las reacciones químicas. 4 Proyecto 1. los balances, para el cálculo de la máxima temperatura de flama, aplicación de las herramientas de computación para el cálculo. SEMANA 13 4 Proyecto 13.

8 Balances de energía y masa con más de una reacción; en procesos isotérmicos. Balances combinados en procesos Balance de materia y energía en estado no-estable Balance de materia y energía en estado no-estable SEMANA 14 resolviendo problemas relacionados, sin reacción química. SEMANA 15 SEMANA 16 Determinación de las eficiencias de las reacciones. 4 Proyecto 14. l balance combinado de materia y energía en sistemas estacionarios. 4 Proyecto 15. l balance combinado de materia y energía en sistemas no estacionarios 4 Proyecto 16. l balance combinado de materia y energía en sistemas no estacionarios, con reacción química. PERFIL ACADÉMICO DESEABLE DEL RESPONSABLE DE IMPARTIR LA ASIGNATURA Profesionista en el área de la materia, de preferencia con estudios de posgrado y experiencia académica y laboral.