INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA

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1 Ingeniería Química 1-11 CÓDIGO: B052/99/7347 CURSO: Carga docente: 8.5 créditos (6 teóricos + 2,5 prácticos) Curso: 1º, Obligatoria 2º cuatrimestre Departamento: Ingeniería Química Profesor/es: Teoría: Francisco Ruiz Beviá y María Dolores Saquete Prácticas: Nuria Boluda, Pascual Martínez OBJETIVOS Esta Introducción a la Ingeniería Química es la primera asignatura de la especialidad que cursan los alumnos de la titulación Ingeniero Químico, y en consecuencia sus objetivos son: a) Dar una visión general de lo que constituye la Ingeniería Química, con información descriptiva y cualitativa de las Operaciones Unitarias e industrias de proceso químico. b) Dar conocimientos básicos y herramientas de cálculo para que el estudiante pueda formular y resolver balances de materia y energía en sistemas donde ocurren procesos químicos, y al mismo tiempo establecer las bases para cursos posteriores de fenómenos de transporte, operaciones unitarias, etc. PROGRAMA Teoría TEMA 1. LA INGENIERÍA QUÍMICA 1. Definición y antecedentes de la Ingeniería Química. Labor de un ingeniero químico a través de ejemplos. 2. Sectores de la Ingeniería Química. 3. Modos de operación 3.1. Operaciones continuas, discontinuas y semicontinuas Régimen estacionario y no estacionario. TEMA 2. LAS OPERACIONES UNITARIAS 1. Mecanismos y fenómenos de transporte. 2. Concepto de operaciones unitarias. Clasificación Operaciones unitarias controladas por la transferencia de materia: Destilación y Rectificación, Absorción-Desorción, Extracción, Adsorción e Intercambio Iónico Operaciones unitarias controladas por la transmisión de calor: Aislamiento térmico, Calefacción o Refrigeración de fluidos, Evaporación y Condensación Operaciones unitarias controladas por la transferencia simultánea de calor y materia: Acondicionamiento de gases, Enfriamiento de líquidos, Cristalización, Secado, Liofilización.

2 Ingeniería Química Operaciones unitarias controladas por el transporte de cantidad de movimiento: Circulación de fluidos por el interior de conducciones, Fluidización, Filtración, Sedimentación, Flotación, Centrifugación Operaciones unitarias complementarias: Trituración y Molienda, Tamizado, Mezclado de sólidos Operación unitaria química: Tipos de reactores. TEMA 3. INTRODUCCIÓN A LOS CÁLCULOS EN INGENIERÍA QUÍMICA 1. Sistemas de unidades. Factores de conversión. 2. Análisis dimensional. Aplicación a ejemplos. 3. Representaciones gráficas: escala decimal, logarítmica, semilogarítmica, diagramas triangulares, cálculo de pendientes y ajuste por mínimos cuadrados. 4. Resolución de ecuacioens por métodos iterativos: por tanteo, iteración lineal, método de Newton. 5. Resolución de ecuaciones simultáneas por el método gráfico. 6. Integración no analítica 6.1. Gráfico: conteo de cuadros, forma gráfica de la regla de Simpson Numérico: método de los trapecios, fórmula de Poncelet, fórmula de Simpson. 7. Diferenciación gráfica: técnica de diferenciación por áreas iguales. TEMA 4. BALANCES DE MATERIA: FUNDAMENTOS 1. Introducción a los balances de materia Ley de conservación de la materia Ecuación generalizada del balance de materia. 2. Planteamientos sencillos del balance de materia La ecuación general del balance Balance en procesos continuos y en régimen estacionario Balances integrales en procsos discontinuos Balances integrales sobre procesos semiintermitentes y contínuos. 3. Aplicación de balance de materia a sistemas de una unidad Presentación de la información en diagrama de flujo Base de cálculo: cómo y cuándo se debe utilizar Evaluación de la contabilidad de un problema. Hay suficientes datos para resolver un problema? Perfil de un procedimiento sugerido en la resolución de problemas de balance de materia. 4. Aplicación de balances de materia a sistemas de varias unidades. 5. Aplicación de balances de materia a sistemas provistos de recirculación y/o desviación (bypass). 6. Aplicación de balances de materia a sistemas reactivos Generalidades sobre estequiometría de reacciones químicas (una reacción). Reactivo limitante, reactivo en exceso, fracción de exceso, conversión fraccionaria, grado de avance Generalidades sobre estequiometría de reacciones químicas (varias reacciones). Rendimiento y selectividad.

3 Ingeniería Química Aplicación de balances de materia a sistemas reactivos Balance de materia de especies moleculares. Balance de materia de especies atómicas. Empleo del grado de avance Aplicación a sistemas con recirculación y/o bypass. Conversión en una etapa. Conversión global Aplicación a sistemas que poseen purga. Justificación de la necesidad de instalar purgas en sistemas reactivos que contienen alguna sustancia inerte Aplicación de balances de materia a sistemas con reacción de combustión. Estequiometría de la reacción. Aire teórico. Aire en exceso. Aplicación a varios sistemas. TEMA 5. BALANCES DE MATERIA: SISTEMAS DE UNA SOLA FASE Y SISTEMAS DE VARIAS FASES 1. Sistemas de una fase Introducción. Fuentes generales de información sobre las propiedades físicas de sustancias puras y mezclas de éstas. (Sugerencias bibliográficas, cálculo a partir de correlaciones empíricas y medidas en el laboratorio) Densidad de líquidos y sólidos Gases ideales Ecuación del gas ideal. Condiciones estandar Mezcla de gases ideales. Presión parcial. Volumen parcial Gases reales Ecuaciones de estado viriales Ecuaciones de estado cúbicas Ecuaciones de estado del factor de compresibilidad. Cálculo del factor de compresibilidad Mezcla de gases reales. Regla de Kay. 2. Sistema de varias fases Introducción. Propiedades físicas y leyes que gobiernan el comportamiento de un sistema de dos fases Equilibrio de fases de sistemas de un componente Diagrama de fases. Comportamiento excepcional del agua. Presión de vapor. Temperatura de ebullición, de sublimación y de fusión. Punto triple. Punto crítico Cálculo de presiones de vapor. Ecuación de Clausius-Clapeyron. Gráficas de Cox, y ecuación de Antoine Regla de las fases de Gibbs. Variables intensivas y extensivas. Definición y cálculo del número de grados de libertad de un sistema Sistema gas-líquido: Un componente condensable Aplicación de la ley de Raoult Definición de vapor saturado, vapor sobrecalentado y grado de sobrecalentamiento Sistema aire / agua. Humedad relativa, molal, absoluta y porcentaje de saturación Sistemas multicomponentes líquido-vapor: Varios componentes condensables Fuentes de datos de equilibrio líquido-vapor tabulados.

4 Ingeniería Química Cálculo de datos del equilibrio líquido-vapor. Leyes de Raoult (disolución ideal) y Henry. Punto de burbuja y de rocío Obtención de datos del equilibrio líquido-vapor (para sistema de dos componentes) a partir de diagramas Txy ó Pxy Disoluciones de sólidos en líquidos Solubilidad y saturación. Fuentes de datos tabulados Diagrama de fases. Caso de sales polihidratadas. Aplicación de la regla de la palanca Propiedades coligativas de las disoluciones. Presión de vapor, puntos de ebullición y punto de congelación Líquidos inmiscibles y parcialmente miscibles Miscibilidad y coeficientes de reparto. Caso de dos componentes, siendo dos de ellos parcialmente miscibles entre sí y totalmente miscibles con el tercero Diagramas triangulares. Aplicación de la regla de la palanca. TEMA 6. BALANCES DE ENERGÍA 1. Introducción a los balances de energía: sistemas cerrados y sistemas abiertos 2. Balances de energía mecánica 3. Balances de energía en sistemas no reactivos de una sola fase 4. Balances de energía en sistemas no reactivos con cambio de fase: Evaporación, Humidificación adiabática 4.1. Carta psicrométrica 5. Balances de energía en procesos reactivos 5.1. Procedimientos generales 5.2. Reactores adiabáticos 5.3. Reacciones de combustión 5.4. Poder calorífico 5.5. Temperatura de llama adiabática TEMA 7. BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA EN RÉGIMEN NO ESTACIONARIO. 1. Balances diferenciales Balances de materia Balances de energía para procesos no reactivos de una sola fase. TEMA 8. EJEMPLOS DE PROCESOS DE LA INDUSTRIA QUÍMICA 1. Obtención de ácido sulfúrico a partir de pirita 2. Producción de sosa a partir de salmuera 3. Fermentación de grano para la producción de alcohol etílico Prácticas Los alumnos deben realizar dos tipos de ejercicios prácticos. A) Resolución de problemas de balance de materia y energía mediante una hoja de cálculo. Son diez sesiones de 2.5 horas en un aula de informática.

5 Ingeniería Química Aprendizaje y manejo de la hoja de cálculo. 2. Obtención de rectas de calibrado y de ecuaciones cinéticas. 3. Balance de materia en un absorbedor. 4. Problemas de combustión. 5. Uso de ecuaciones de estado. Obtención de la gráfica generalizada de compresibilidad. 6. Construcción de diagramas de equilibrio líquido-vapor xy, Txy. 7. Cálculo del caudal volumétrico de una mezcla de gases. Cálculo de temperaturas de rocío, etc. 8. Balances de energía en un evaporardor adiabático de 6 unidades. 9. Cálculo de temperatura de llama de un compuesto orgánico. 10. Aprendizaje del manejo y resolución de problemas sencillos en el simulador de Ingeniería Química CHEM-CAD. B) Ejercicio de bibliografía. El objetivo es que el alumno conozca y aprenda a manejar la bibliografía fundamental en Ingeniería Química, como el Manual del Ingeniero Químico (Perry), y manuales de tecnología química. (Ullmann, Kirk-Othmer) OBSERVACIONES Evaluación: Se hacen exámenes escritos de conceptos teóricos y resolución de problemas numéricos. También se hace otro examen consistente en la resolución de problemas con la hoja de cálculo en el aula de informática. En la evaluación también se tiene en cuenta los ejercicios de problemas que entregan semanalmente los alumnos y el trabajo bibliográfico. BIBLIOGRAFÍA Se utilizará fundamentalmente : Principios elementales de los procesos químicos 2ª Ed., R. Felder y R.W. Rousseau ; Addison-Wesley Iberoamericana (1991). Elementary principles of chemical process 3ª Ed., R. Felder y R.W. Rousseau ; John Wiley and Sons (2000). Otros textos complementarios : Principios básicos y cálculos en Ingeniería Química, 6ª Ed., D.M. Himmelbalu, Prentice Hall Hispanoamericana (1997). Introducción a la Ingeniería Química, G. Calleja Pardo y col. Editorial Sintesis (1999). Balances de materia, energía y cantidad de movimiento. Notas de clase 2ª Ed., C. Sola y J.M. Lema. Curso de Química Técnica. Introducción a los procesos, las operaciones unitarias y los fenómenos de transporte en la Ingeniería Química, J. Costa López y col. Reverté, S.A. (1984). Ingeniería Química. 1. Conceptos generales, E. Costa Novella y col. Alhambra Universidad (1983).

6 Ingeniería Química 6-11 CÓDIGO: CURSO: Carga docente: 8.5 créditos (6 teóricos + 2,5 prácticos) (segundo cuatrimestre) Departamento: Ingeniería Química Profesor/es: Teoría: Francisco Ruiz Beviá y María Dolores Saquete Prácticas: Sergio Menargues y Andrés Fullana OBJETIVOS a) Dar una visión general de lo que constituye la Ingeniería Química, con información descriptiva y cualitativa de las Operaciones Unitarias e industrias de proceso químico. b) Dar conocimientos básicos y herramientas de cálculo para que el estudiante pueda formular y resolver balances de materia y energía en sistemas donde ocurren procesos químicos, y al mismo tiempo establecer las bases para cursos posteriores de fenómenos de transporte, operaciones unitarias, etc. PROGRAMA Teoría 1. La ingeniería química 2. Las operaciones unitarias 3. Introducción a los cálculos en ingeniería química 4. Balances de materia: fundamentos 5. Balances de materia: sistemas de una sola fase y sistemas de varias fases 6. Balances de energía 7. Balances de materia y energía en régimen no estacionario. 8. Ejemplos de procesos de la industria química Prácticas Los alumnos deben realizar dos tipos de ejercicios prácticos. A) Resolución de problemas de balance de materia y energía mediante una hoja de cálculo. Son diez sesiones de 2 horas y media en un aula de informática, en las que se resuelven problemas de la combustión, construcción de diagramas de equilibrio líquido-vapor xy, Txt, cálculo de temperatura de llama, etc. B) Ejercicio de bibliografía con el objetivo que el alumno conozca y aprenda a manejar la bibliografía fundamental en Ingeniería Química, como el Manual del Ingeniero Químico (Perry), y manuales de tecnología química. (Ullmann, Kirk-Othmer) Evaluación: Se hacen exámenes escritos de conceptos teóricos y resolución de problemas numéricos. También se hace otro examen consistente en la resolución de problemas con la hoja de cálculo en el aula de informática. En la evaluación también se tiene en cuenta los ejercicios de problemas que entregan semanalmente los alumnos y el trabajo bibliográfico (ver anexo I) BIBLIOGRAFÍA Se utilizará fundamentalmente :

7 Ingeniería Química 7-11 Principios elementales de los procesos químicos 2ª Ed., R. Felder y R.W. Rousseau ; Addison-Wesley Iberoamericana (1991). Elementary principles of chemical process 3ª Ed., R. Felder y R.W. Rousseau ; John Wiley and Sons (2000). Otros textos complementarios : Principios básicos y cálculos en Ingeniería Química, 6ª Ed., D.M. Himmelbalu, Prentice Hall Hispanoamericana (1997). Introducción a la Ingeniería Química, G. Calleja Pardo y col. Editorial Sintesis (1999). Balances de materia, energía y cantidad de movimiento. Notas de clase 2ª Ed., C. Sola y J.M. Lema. Curso de Química Técnica. Introducción a los procesos, las operaciones unitarias y los fenómenos de transporte en la Ingeniería Química, J. Costa López y col. Reverté, S.A. (1984). Ingeniería Química. 1. Conceptos generales, E. Costa Novella y col. Alhambra Universidad (1983).

8 Ingeniería Química 8-11 ANEXO I: CRITERIO DE EVALUACIÓN INGENIERO QUÍMICO ASIGNATURA : NOTA FINAL DE LA ASIGNATURA CALIFICACIÓN SOBRE 100 PUNTOS NOTA FINAL = 0.85 E P B donde E = ( F) (t + p) La calificación para aprobar es obtener una nota final 50. E es la nota del examen escrito que consta de cuestiones de teoría valoradas con t puntos y problemas numéricos valorados con p puntos (t + p) max = 100 puntos El valor de E se puede mejorar gracias al factor 0.1 F donde F = (nº de problemas presentados durante el curso)/(nº máximo de problemas propuestos durante el curso) Notas bajas de t o p se pueden compensar con notas altas de p o t respectivamente, pero cumpliendo previamente las restricciones t 30% t máx y p 30% p máx. P Nota relacionada con las clases prácticas de hoja de cálculo en el aula de Informática. P máx = 100 puntos. B Nota relacionada con los trabajos bibliográficos. B toma sólo dos valores : B = 0 si se entrega el trabajo bibliográfico. B = 100 si no se entrega el trabajo bibliográfico.

9 Ingeniería Química 9-11 EJERCICIOS DE BIBLIOGRAFÍA a) UTILIZACIÓN DEL MANUAL DEL INGENIERO QUÍMICO PERRY. A cada alumno se le ha asignado un tema que debe consultar en tres ediciones de Perry, en la 3ª en castellano, 6ª en castellano y 7ª en inglés. Las tres ediciones estan disponibles en el Departamento de Ingeniería Química, además las dos últimas se pueden consultar en la Biblioteca de Ciencias. Se presentará el resultado de la consulta en el modelo de Informe adjunto. b) UTILIZACIÓN DE MANUALES DE TECNOLOGÍA QUÍMICA. A cada alumno se le ha asignado un producto químico seleccionado de una lista de los de mayor interés comercial e industrial. El ejercicio concreto consistirá en estudiar uno solo de los varios aspectos del citado producto. Aspectos posibles a considerar: - Propiedades físicas y químicas del producto. - Descripción de uno de los procesos de fabricación. - Aplicaciones comerciales del producto. - Aspectos económicos. El alumno elegirá el aspecto que más le interese estudiar del producto que se le ha asignado. Manuales a consultar: Ullmann Edición en español, Ulllmann Edición en inglés, Kirk-Othmer 1ª Edic. en español, Bibliot. Dpto. Ing. Química Kirk-Othmer 3ª Edic. en inglés, Kirk-Othmer 4ª Edic. en inglés, McKetta Edición en inglés, Bibliot. Fac. Ciencias Se debe presentar un Informe (según modelo adjunto) por cada Manual consultado. Se pretende comparar el diferente grado de información que contiene cada Manual.

10 Alumno Tema Ingeniería Química EJERCICIO DE UTILIZACIÓN DEL MANUAL DEL INGENIERO QUÍMICO PERRY Perry s Chemical Engineers Handbook, McGraw Hill, 3ª Edición ª Edición en español por UTEHA, Sección, Apartado y páginas donde se trata el tema: Resumen del contenido sobre el tema: (15 líneas máximo): Perry s Chemical Engineers Handbook, McGraw Hill, 6ª Edición Edición en español por McGraw Hill, Sección, Apartado y páginas donde se trata el tema: Resumen del contenido sobre el tema: (15 líneas máximo): Perry s Chemical Engineers Handbook, McGraw Hill, 7ª Edición Sección, Apartado y páginas donde se trata el tema: Resumen del contenido sobre el tema: (15 líneas máximo): Alumno Tema Manual EJERCICIO DE UTILIZACIÓN DE MANUALES DE TECNOLOGÍA QUÍMICA Artículo Volumen Pag Año Contenido: Indice de apartados del artículo

11 Ingeniería Química Resumen: (20 líneas máximo) Referencias bibliográficas. Nº total de Referencias Cita de la referencia más antigua: Cita de la referencia más moderna: