PROYECTO DOCENTE ASIGNATURA: "Fenómenos de Transporte"

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1 PROYECTO DOCENTE ASIGNATURA: "Fenómenos de Transporte" Grupo: Grupo 1 (Conjuntamente 4º Ing. Industrial y 3º Ing. Químico)(881712) Titulacion: INGENIERO INDUSTRIAL (Plan 98) Curso: DATOS BÁSICOS DE LA ASIGNATURA/GRUPO Titulación: Año del plan de estudio: Centro: Asignatura: Código: Tipo: Curso: Período de impartición: Ciclo: Grupo: Créditos: Horas: Área: Departamento: Dirección postal: Dirección electrónica: INGENIERO INDUSTRIAL (Plan 98) 1998 E.T.S. de Ingenieros Fenómenos de Transporte Optativa Sin curso específico Curso completo 2º Grupo 1 (Conjuntamente 4º Ing. Industrial y 3º Ing. Químico) (1) 9 90 Ingeniería Química (Area principal), Tecnologías del Medio Ambiente Ingeniería Química y Ambiental (Departamento responsable) C/ Camino de los Descubrimientos s/n PROFESORADO 1 2 OLLERO DE CASTRO, PEDRO ANTONIO (COORDINADOR/A) GOMEZ BAREA, ALBERTO Curso académico: 2010/2011 Última modificación: de 8

2 OBJETIVOS Y COMPETENCIAS Objetivos docentes específicos Los fenómenos de transferencia de cantidad de movimiento, calor y masa están involucrados en los equipos de proceso de cualquier planta química. El modelado de esas unidades para su análisis y diseño pasa necesariamente por conocer y saber utilizar las ecuaciones que gobiernan los fenómenos de transporte citados. Así como la transferencia de cantidad de movimiento y de calor son objeto de estudio de otras asignaturas (Mecánica de Fluidos, Transmisión de Calor) que también se imparten en varias ramas de la Ingeniería, la Transferencia de Materia sólo se imparte a los Ingenieros Químicos. Así pues, en esta asignatura se hace hincapié en este fenómeno de transferencia y en sus analogías con los otros dos. En la primera parte de la asignatura, partiendo del mecanismo básico de la difusión molecular, se tratan con detalle la transferencia de materia en régimen laminar y turbulento, transferencia simultánea de materia, calor y cantidad de movimientos, casos de transferencia con reacción química homogénea y heterogénea, transferencia convectiva entre una interfase y el seno de una corriente y transferencia de materia entre fases fluidas inmiscibles. La segunda parte de la asignatura está dedicada fundamentalmente a cinética de reacciones heterogéneas catalíticas y no catalíticas (reacciones sólido-fluido y reacciones fluidofluido). Competencias Competencias transversales/genéricas Capacidad de análisis y síntesis (Se entrena de forma intensa) Conocimientos generales básicos (Se entrena de forma intensa) Resolución de problemas (Se entrena de forma intensa) Capacidad de crítica y autocrítica (Se entrena de forma intensa) Trabajo en equipo (Se entrena de forma moderada) Habilidades de investigación (Se entrena de forma moderada) Capacidad de adaptación a nuevas situaciones (Se entrena de forma moderada) Capacidad de generar nuevas ideas (Se entrena de forma moderada) Competencias específicas Cognitivas (saber) - Difusión molecular de materia y difusión de electrolitos. Valoración 4 - Ecuaciones de conservación de la materia. Valoración 4 - Transferencia simultánea de materia, calor y cantidad de movimiento. Valoración 3 - Difusión turbulenta de materia. Valoración 3 - Transporte convectivo de materia. Valoración 3 - Analogías entre los fenómenos de transporte. Valoración 4 - Transferencia de materia entre fases. Valoración 2 - Reacciones homogéneas elementales y no elementales. Valoración 2 - Cinética de reacciones catalíticas heterogéneas.valoración 4 -Cinética de reacciones sólido-fluido. Valoración 3 -Cinética de reacciones gas-líquido. Valoración 3 Procedimentales / Instrumentales (saber hacer): - Cálculo de difusividades. Valoración 3 - Planteamiento ecuaciones de conservación en diferentes coordenadas. Valoración 3 - Modelización y resolución de casos sencillos de transferencia simultánea. Valoración 3 - Cálculo de coeficientes convectivos de transferencia de materia. Valoración 4 - Solución de casos de transferencia externa e interna de materia. Valoración 3 - Utilización de las ecuaciones de analogía. Valoración 4 -Determinación de la ecuación cinética a partir de un mecanismo de reacción.valoración 2 - Évaluación de efectos difusionales en reacciones catalíticas heterogéneas.valoración 4 - Cálculo del tiempo necesario para alcanzar la conversión deseada de una partícula.valoración 3 - Determinación de parámetros cinéticos a partir de datos experimentales.valoración 2 - Identificar el régimen de reacción en reacciones gas-líquido.valoración 3 - Determinación de la velocidad observada de reacción a partir de la velocidad intrínseca en reacciones heterogeneas.valoración 4 CONTENIDOS DE LA ASIGNATURA Relación sucinta de los contenidos (bloques temáticos en su caso) 1. Fenómenos de Transporte 1.1 Introducción a los Fenómenos de Transporte Introducción. Tratamiento fenomenológico de los tres Fenómenos de Transporte: leyes de velocidad. Tratamiento cinético elemental. Estimación de las propiedades de transporte. 1.2 Transferencia Molecular de Materia Introducción. Definición de magnitudes relativas al transporte de masa. Análisis de casos de difusión molecular de materia con y sin reacción química. Difusión molecular en sistemas multicomponentes: ecuaciones de Stefan-Maxwell. Difusión en poros, capilares y medios porosos. Transferencia de materia en soluciones de electrolitos. 1.3 Ecuaciones de Conservación de la Materia Ecuaciones diferenciales de conservación de la masa. Formas especiales de las ecuaciones diferenciales de conservación. Condiciones iniciales y de contornos usuales. Procedimiento general de resolución de problemas de transferencia de materia por difusión molecular. 1.4 Transferencia simultánea de Materia, Calor y Cantidad de Movimiento Introducción. Ecuaciones diferenciales de conservación de la cantidad de movimiento. Transferencia simultánea de materia y cantidad de movimiento. Ecuación diferencial de conservación de la energía. Transferencia simultánea de energía y materia. 1.5 Turbulencia y Transporte Turbulento Introducción. Valores instantáneos, medios y fluctuaciones de las variables. Balances diferenciales promediados de materia, energía y cantidad de movimiento. Teorías sobre la turbulencia: difusividad turbulenta de Boussinesq y longitud de mezcla de Prandtl. Curso académico: 2010/2011 Última modificación: de 8

3 1.6 Transporte Convectivo de Materia Introducción. Coeficiente de transferencia de masa. Modelo de la capa límite: análisis exacto en régimen laminar. Análisis aproximado de la capa límite de concentración. 1.7 Modelos de Transferencia Convectiva de Materia Introducción. Modelos sobre los coeficientes de transporte de materia: modelo de la película de Lewis y Whitman. Modelo de la penetración de Higbie y Danckwerts. Efecto del transporte másico sobre los coeficientes de transferencia 1.8 Analogías entre los tres Fenómenos de Transporte Introducción. Relaciones básicas. Analogía de Reynolds. Analogía de Prandtl-Taylor. Analogía de Karman. Analogía de Chilton-Colburn. Correlaciones empíricas para el cálculo de coeficientes de transporte. 1.9 Transferencia de Materia entre fases. Coeficientes Globales. Introducción. Teoría o modelo de la doble película. Coeficientes globales de transporte. Número de unidades de transporte y altura de la unidad transporte. Estudio de la operación básica de Absorción. 2. Cinética de Reacciones Químicas 2.1 Cinética de Reacciones Homogéneas Introducción a la Ingeniería de las Reacciones Químicas. Ecuaciones cinéticas. Reacciones elementales. Reacciones no elementales: mecanismos de reacción. Determinación de la ecuación cinética a partir del mecanismo. Reglas para la deducción del mecanismo. 2.2 Cinética de Reacciones Heterogéneas Introducción. Tipos de reacciones heterogéneas. Reactores para reacciones heterogéneas. Cinética intrínseca y cinética global. 2.3 Fenómenos superficiales en Reacciones Catalíticas Heterogéneas Introducción. Catálisis. Proceso global de reacción. Fenómenos superficiales de adsorción, reacción química y desorción. Modelo de Langmuir-Hinshelwood. Interpretación de la cinética. 2.4 Cinética de Reacciones Catalíticas Heterogéneas Introducción. Transporte inter e intrafásico de materia y calor. Ecuación cinética de velocidad global. Difusión intrafásica y reacción química: módulo de Thiele y factor de efectividad. Efectividad intrafásica no isoterma. Factor de efectividad global inter-intrafásico 2.5 Cinética de Reacciones Sólido-Fluido no Catalíticas Introducción. Modelos cinéticos para reacciones sólido-fluido no catalíticos. El Modelo de Núcleo sin Reaccionar. Interpretación de datos experimentales. Modelo de grano y modelo estructural. 2.6 Cinética de Reacciones Heterogéneas Fluido-Fluido Introducción. Ecuación de velocidad global. Difusión y reacción química en líquidos: teoría de la película y teoría de Danckwerts. Regímenes de reacción. Selección de absorbedores gas-líquido. 2.7 Cinética de Reacciones Electroquímicas Introducción. Fundamentos termodinámicos de las reacciones electroquímicas. Reactores electrolíticos. Eficiencia energética y balance de energía. Cinética de electrodo y efectos difusionales. 2.8 Determinación experimental de la cinética Introducción. Determinación de la cinética en reactores discontinuos: método diferencial y método integral, método de las velocidades iniciales. Determinación de la cinética en reactores diferenciales. Relación detallada y ordenación temporal de los contenidos 1. Fenómenos de Transporte 1.1 Introducción a los Fenómenos de Transporte Introducción. Tratamiento fenomenológico de los tres Fenómenos de Transporte: leyes de velocidad. Tratamiento cinético elemental. Estimación de las propiedades de transporte. 1.2 Transferencia Molecular de Materia Introducción. Definición de magnitudes relativas al transporte de masa. Análisis de casos de difusión molecular de materia con y sin reacción química. Difusión molecular en sistemas multicomponentes: ecuaciones de Stefan-Maxwell. Difusión en poros, capilares y medios porosos. Transferencia de materia en soluciones de electrolitos. 1.3 Ecuaciones de Conservación de la Materia Ecuaciones diferenciales de conservación de la masa. Formas especiales de las ecuaciones diferenciales de conservación. Condiciones iniciales y de contornos usuales. Procedimiento general de resolución de problemas de transferencia de materia por difusión molecular. 1.4 Transferencia simultánea de Materia, Calor y Cantidad de Movimiento Introducción. Ecuaciones diferenciales de conservación de la cantidad de movimiento. Transferencia simultánea de materia y cantidad de movimiento. Ecuación diferencial de conservación de la energía. Transferencia simultánea de energía y materia. 1.5 Turbulencia y Transporte Turbulento Introducción. Valores instantáneos, medios y fluctuaciones de las variables. Balances diferenciales promediados de materia, energía y cantidad de movimiento. Teorías sobre la turbulencia: difusividad turbulenta de Boussinesq y longitud de mezcla de Prandtl. 1.6 Transporte Convectivo de Materia Introducción. Coeficiente de transferencia de masa. Modelo de la capa límite: análisis exacto en régimen laminar. Análisis aproximado de la capa límite de concentración. 1.7 Modelos de Transferencia Convectiva de Materia Introducción. Modelos sobre los coeficientes de transporte de materia: modelo de la película de Lewis y Whitman. Modelo de la penetración de Higbie y Danckwerts. Efecto del transporte másico sobre los coeficientes de transferencia 1.8 Analogías entre los tres Fenómenos de Transporte Introducción. Relaciones básicas. Analogía de Reynolds. Analogía de Prandtl-Taylor. Analogía de Karman. Analogía de Chilton-Colburn. Correlaciones empíricas para el cálculo de coeficientes de transporte. 1.9 Transferencia de Materia entre fases. Coeficientes Globales. Introducción. Teoría o modelo de la doble película. Coeficientes globales de transporte. Número de unidades de transporte y altura de la unidad transporte. Estudio de la operación básica de Absorción. 2. Cinética de Reacciones Químicas 2.1 Cinética de Reacciones Homogéneas Introducción a la Ingeniería de las Reacciones Químicas. Ecuaciones cinéticas. Reacciones elementales. Reacciones no elementales: mecanismos de reacción. Determinación de la ecuación cinética a partir del mecanismo. Reglas para la deducción del mecanismo. 2.2 Cinética de Reacciones Heterogéneas Introducción. Tipos de reacciones heterogéneas. Reactores para reacciones heterogéneas. Cinética intrínseca y cinética global. 2.3 Fenómenos superficiales en Reacciones Catalíticas Heterogéneas Introducción. Catálisis. Proceso global de reacción. Fenómenos superficiales de adsorción, reacción química y desorción. Modelo Curso académico: 2010/2011 Última modificación: de 8

4 de Langmuir-Hinshelwood. Interpretación de la cinética. 2.4 Cinética de Reacciones Catalíticas Heterogéneas Introducción. Transporte inter e intrafásico de materia y calor. Ecuación cinética de velocidad global. Difusión intrafásica y reacción química: módulo de Thiele y factor de efectividad. Efectividad intrafásica no isoterma. Factor de efectividad global inter-intrafásico 2.5 Cinética de Reacciones Sólido-Fluido no Catalíticas Introducción. Modelos cinéticos para reacciones sólido-fluido no catalíticos. El Modelo de Núcleo sin Reaccionar. Interpretación de datos experimentales. Modelo de grano y modelo estructural. 2.6 Cinética de Reacciones Heterogéneas Fluido-Fluido Introducción. Ecuación de velocidad global. Difusión y reacción química en líquidos: teoría de la película y teoría de Danckwerts. Regímenes de reacción. Selección de absorbedores gas-líquido. ACTIVIDADES FORMATIVAS Relación de actividades formativas del primer semestre Prácticas de Laboratorio 4.0 Metodología de enseñanza-aprendizaje: 2 prácticas presenciales de laboratorio de 6 horas cada una. Trabajo sobre el tema específico desarrollado durante la práctica Competencias que desarrolla: Proyección a la práctica de fundamentos teóricos aprendidos entras asignaturas Conocimiento de aparatos y equipos usados en la práctica profesional de la ingeniería Trabajo en equipo Resolución de problemas prácticos Elaboración de informes Búsqueda bibliográfica Exámenes 4.0 Clases teóricas 39.0 Relación de actividades formativas del segundo semestre Prácticas de Laboratorio 4.0 Curso académico: 2010/2011 Última modificación: de 8

5 Clases teóricas 35.0 Exámenes 4.0 Clases teóricas BIBLIOGRAFÍA Y OTROS RECURSOS DOCENTES Bibliografía general Apuntes de Fenómenos de Transporte P. Ollero y A. Gómez Edición: Publicaciones ETSI Apuntes de Cinética Química P. Ollero y A. Gómez Edición: Publicaciones ETSI Ingeniería Química 2. Fenómenos de Transporte E. Costa Edición: Alambra Transport phenomena R. Byron Bird, Warren E. Stewart, Edwin Edición: 2nd ed. N. Lightfoot. cop Fundamentos de transferencia de cantidad de movimiento, calor y masa J. Welty et al. Edición: Limusa-Noriega Apuntes de Fenómenos de Transporte P. Ollero y A. Gómez Edición: Publicaciones ETSI Curso académico: 2010/2011 Última modificación: de 8

6 Apuntes de Cinética Química P. Ollero y A. Gómez Edición: Publicaciones ETSI Transport phenomena /R. Byron Bird, Warren E. Stewart, Edwin N. Lightfoot. Bird, R. Byron. Edición: 2nd ed. cop Curso de ingeniería química :introducción a los procesos, las operaciones unitarias y los fenómenos de transporte /J. Costa López... [et al.] Edición: Reimp Fundamentos de transferencia de momento, calor y masa /James R. Welty, Charles E. Wicks, Robert E. Wilson. Welty, James R. Edición: México [etc.] :Limusa-Noriega, SISTEMAS Y CRITERIOS DE EVALUACIÓN Y CALIFICACIÓN Sistema de evaluación Examen escrito, trabajo desarrollado en práctica y entrega de trabajos e informes La evaluación del primer parcial se realiza mediante dos exámenes escritos y varios trabajos desarrollados durante el cuatrimestre. Uno a mediados de cuatrimestre de carácter eliminatorio y uno al final del cuatrimestre, donde los alumnos que no hayan superado el anterior, pueden examinarse de nuevo del material. En el segundo cuatrimestre se realizan tres exámenes cortos de 1 a dos horas de duración. Adicionalmente el alumno tiene que realizar varios trabajos y presentaciones orales. La evaluación tiene en cuenta todas las calificaciones obtenidas ponderadas de acuerdo a criterios que se hacen públicos antes de iniciar el cuatrimestre. Existe un examen final al que se concurra con toda la asignatura (los dos parciales) habrá una única nota media global. Todos los exámenes escritos consta de dos o tres problemas y de varias cuestiones teórico-prácticas cortas o, en su defecto, de un test de al menos 15 preguntas con cuatro respuestas propuestas de las que hay que seleccionar la correcta. La ponderación entre los problemas y las cuestiones teóricas para obtener la nota final, se hará pública antes de comenzar el examen. CALENDARIO DE EXÁMENES CENTRO: E.T.S. de Ingenieros 1 ª Convocatoria Fecha: Aula: 6/7/2010 Hora: 0:0 Por definir CENTRO: E.T.S. de Ingenieros 2 ª Convocatoria Fecha: Aula: 4/9/2010 Hora: 0:0 Por definir TRIBUNALES ESPECÍFICOS DE EVALUACIÓN Y APELACIÓN Curso académico: 2010/2011 Última modificación: de 8

7 Presidente: Vocal: Secretario: Primer suplente: Segundo suplente: Tercer suplente: PEDRO ANTONIO OLLERO DE CASTRO ANGEL GARCIA LOPEZ ALBERTO GOMEZ BAREA MARIA CUSTODIA FERNANDEZ BACO EDUARDO JESUS SANCHEZ PEÑA ANTONIO PLUMED RUBIO Curso académico: 2010/2011 Última modificación: de 8

8 ANEXO 1: HORARIOS DEL GRUPO DEL PROYECTO DOCENTE Los horarios de las actividades no principales se facilitarán durante el curso. GRUPO: Grupo 1 (Conjuntamente 4º Ing. Industrial y 3º Ing. Químico) (881712) Calendario del grupo CLASES DEL PROFESOR: GOMEZ BAREA, ALBERTO HORARIO SIN ESPECIFICAR CLASES DEL PROFESOR: OLLERO DE CASTRO, PEDRO ANTONIO HORARIO SIN ESPECIFICAR Curso académico: 2010/2011 Última modificación: de 8