U n i v e r s i d a d A u t ó n o m a d e S a n L u i s P o t o s í F a c u l t a d d e I n g e n i e r í a

Transcripción

1 Nombre de la materia: BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA Clave de la materia: 4004 Clave CACEI: CI Tipo de materia: Obligatoria No. de créditos aprobados: 10 Fecha última de Revisión Curricular: Julio de 2017 Materia y clave de la materia requisito: Termodinámica I (4002) A) DATOS BÁSICOS DEL CURSO Programa analítico BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA Semestre Horas de teoría Horas de práctica Horas trabajo Créditos por semana por semana adicional estudiante IV B) OBJETIVOS DEL CURSO Objetivos generales Objetivos específicos Al finalizar el curso el estudiante será capaz de: Establecer los conceptos fundamentales necesarios para definir los balances de masa y energía en diferentes sistemas, así como las estrategias para definir las bases de cálculo en diferentes contextos de carácter ambiental Unidades 1. Introducción a los cálculos en ingeniería. 2. Balance de masa. 3. Balance de energía. 4. Balances simultáneos de masa y energía. 5. Balances en estado transitorio. Objetivo específico Identificar las unidades y dimensiones de las variables de proceso, los criterios de selección de una base de cálculo y los conceptos básicos de las ecuaciones químicas y sus relaciones estequiométricas. Describir los sistemas y el tipo de proceso implicado en su transformación, identificando las líneas de flujo y las expresiones de balance que los gobiernan. Identificar los diferentes tipos de energía, sus interrelaciones y el cálculo de las propiedades de estado con ecuaciones de estado y el uso de las tablas termodinámicas. Estimación de los grados de libertad de un sistema, códigos de resolución y manejo de programas computacionales para determinación de los balances de masa en sistemas de multicomponentes. Resolución conjunta de balances de energía y masa en sistemas de transformación química en estado transitorio. C) CONTENIDOS Y MÉTODOS POR UNIDADES Y TEMAS /semana, 16 semanas: 80 h/semestre

2 Unidad 1 Introducción a los cálculos en ingeniería. 15 h Tema 1.1 Unidades, dimensiones y conversión Sistema internacional, sistema inglés Factores de conversión. Tema 1.2 Homogeneidad dimensional y cantidades adimensionales Consistencia adimensional Ejemplos de números adimensionales. Tema 1.3 Procesos y variables de proceso (T, P, densidad, fracción mol, fracción peso). 4h Escalas de temperatura Densidad, densidad relativa y volumen específico Presión de vapor Presión manométrica y absoluta Instrumentos para medir presión Fracción mol, fracción peso. Tema 1.4 Elección de una base de cálculo Unidades de concentración Ejemplos de selección de base de cálculo. Tema 1.5. Ecuación química y estequiometría Tipos de reacciones químicas Balance de reacciones químicas Relaciones estequiométricas Reactivo limitante y reactivo en exceso. K. Witten, K. Gailey, Química General, Mc Graw Hill. Presentación oral del tema, análisis de problemas en clase. Resolución de problemas, tareas y desarrollo de trabajos de investigación. Unidad 2 Balance de masa. Tema 2.1. Clasificación de procesos Sistema, frontera, tipos de sistemas Procesos intermitentes, continuos y semi-intermitentes. Tema 2.2 Ecuación general de balance Balance diferencial e integral Ejemplo de balance general. Tema 2.3. Diagramas de flujo Nomenclatura y simbología Ejemplos de diagramas de flujo. Tema 2.4. Protocolo para cálculo de balance de masa Ejemplos de balance de masa sin reacción química Derivación de corriente de proceso y relaciones de flujo impuestas Grados de libertad. Tema 2.5 Balances en unidades múltiples Identificación de especies químicas y corrientes de proceso Recirculación y derivación (by-pass) Resolución de balances. 20 h

3 Tema 2.6. Balances con reacción química. U n i v e r s i d a d A u t ó n o m a d e S a n L u i s P o t o s í Recirculación en procesos con reacción química Cálculos de derivación y purgado Ejemplo de un ciclo biogeoquímico. G.V. Reklaitis. Introduction to Material and Energy Balances Mack Tyner, Process engineering calculations: material and energy balances Presentación oral del tema, análisis de problemas en clase Resolución de problemas, tareas y desarrollo de trabajos de investigación Unidad 3 Balance de energía. Tema 3.1 Conceptos y unidades Fuerza y energía Propiedades intensivas y extensivas. Tema 3.2 Tipos de energía Energía cinética y potencial Energía interna Calor y trabajo Funciones de estado y trayectoria Ley de conservación de energía. Tema 3.3 Cálculos de cambio de entalpía Entalpía y entalpía específica Calorimetría Tablas de vapor Tablas de datos fisicoquímicos. Tema 3.4 Balance de energía sin reacción química Balance para sistemas abiertos Balance para sistemas cerrados Ejemplos Grados de libertad. Tema 3.5 Balance de energía con reacción química 6h 20 h 1 h Calor de reacción, calor estándar de formación, y entalpía estándar de reacción Balance para sistemas abiertos y cerrados Ejemplos Balance para unidades múltiples. Tema 3.6 Balance de energía mecánica. 3h G.V. Reklaitis. Introduction to Material and Energy Balances Mack Tyner, Process engineering calculations: material and energy balances Presentación oral del tema, análisis de problemas en clase Resolución de problemas, tareas y desarrollo de trabajos de investigación 1 h Unidad 4 Balances simultáneos de masa y energía. Tema 4.1 Análisis del grado de libertad en un proceso en estado estacionario. 15 h 4 h

4 4.1.1 Determinación de grados de libertad Grados de libertad de un sistema combinado en estado estacionario, sin y con reacción química. Tema 4.2 Simulación basada en ecuaciones Unidades simples y multi-unidades Resolución secuencial de balances de materia. Tema 4.3 Resolución de balances con programas de cálculo y simulación. Programas de computación: ASPEN PLUS o PROCESS PRO Ernest J Henley, Material and energy balance computations. Resolución de un balance de materia y energía usando un programa computacional para una planta industrial que genere diferente tipos de efluentes. Generar un balance en una planta que considere como productos finales importantes, aquellos que tiene impacto en el medio ambiente. Identificando las líneas de generación de residuos, ya sean de emisiones a la atmósfera, efluentes líquidos con cargas de desechos líquidos y/o residuos sólidos. Unidad 5 Balance en estado transitorio. 10 h Tema 5.1 Balances de materia y energía en estado transitorio sin reacción química Conceptos (generación y consumo) Balance de materia y energía en estado no estacionario sin generación. Tema 5.2 Balances de materia y energía en estado transitorio con reacción química Balance de materia y energía en estado no estacionario con generación y/o consumo. Olaf A.; Kenneth M. Watson; Roland A. Ragatz Hougen. Chemical Process Principles: Part One, Material and Energy Balances. Presentación oral del tema, análisis de problemas en clase. Resolución de problemas, tareas. Trabajo en equipo para análisis de casos. 8 h D) ESTRATEGIAS DE ENSEÑANZA Y APRENDIZAJE Exposición oral del profesor de conceptos con apoyo de informáticos, de computo y audiovisuales. Tareas o trabajos de investigación sobre los temas expuestos. Exposición en clase sobre la aplicación de las estrategias y herramientas aprendidas a problemas específicos. E) EVALUACIÓN Y ACREDITACIÓN Elaboración y/o presentación de Periodicidad Abarca Ponderación (semanas) Primer examen parcial 3 Unidad 1 10 Segundo examen parcial 4 Unidad 2 15 Tercer examen parcial 4 Unidad 3 15 Cuarto examen parcial 5 Unidad 4 y 5 20 Otra actividad 1 10

5 Otra actividad 2 10 Examen ordinario 20 TOTAL 100 G) BIBLIOGRAFÍA Y RECURSOS INFORMÁTICOS Textos básicos - D.M. Himmelblau. Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química, Prentice Hall Hispanoamericana, 6a. edición, México, R.M. Felder, R.W. Rousseau. Principios elementales de los procesos químicos. John Wiley & Sons Inc., C. Oloman. Material and Energy Balances for Engineers and Environmentalists. Advances and Process Engineering Vol.1. Imperial College Press, Textos complementarios/ Sitios de Internet - G.V. Reklaitis. Introduction to Material and Energy Balances. John Wiley & Sons, Inc., New York, E.J. Henley, E.M. Rosen. Material and energy balance computations. John Wiley & Sons, Inc., New York, O.A. Hougen, K.M. Watson, R.A. Ragatz. Chemical Process Principles: Part One, Material and Energy Balances. Second edition, John Wiley & Sons, Inc., New York Bases de datos - D.R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, R. Perry y C.H. Chilton, Manual del Ingeniero Químico, Mc Graw Hill, 1982.