EN INGENIERÍA QUÍMICA

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1 UNIVERSIDAD DE SONORA Unidad Regional Centro División de Ingeniería Departamento Ingeniería Química y Metalurgia LICENCIATURA EN INGENIERÍA QUÍMICA Asignatura: Operaciones Unitarias II Clave: 9430 Antecedente: Mecánica de Fluidos y Operaciones Consecuente: Ninguna Unitarias I Créditos: 6 (2 h de teoría y 2 h de taller) Modalidad: Semipresencial Horas Semana: 4 Horas curso: 64 Modalidad enseñanza-aprendizaje: Curso/Taller Departamento de Servicio: Ingeniería Química y Metalurgia Eje de formación: Profesional Carácter: Obligatorio Competencias específicas a desarrollar: Identifica, analiza y diagnostica el efecto o impacto de las variables de un proceso físico y/o químico. Analiza y resuelve problemas relacionados con los cambios fisicoquímicos de materia y energía. Interpreta y evalúa datos derivados de observaciones y mediciones, relacionándolos con la teoría para explicar los fenómenos físicos y/o químicos. Conocimientos generales previos requeridos: Para el estudio de esta asignatura se requiere disponer de conocimientos adquiridos en cursos anteriores de la carrera de Ingeniería Química. Algunos de los tópicos relacionados de manera directa con esta asignatura son los siguientes: Balances de materia y energía Fenómenos de transporte Termodinámica Equilibrio de fases Transferencia de masa Flujo de fluidos Ecuaciones diferenciales Nuevas Tecnologías de la Información y Comunicación Transferencia de calor Principios de diseño de operaciones unitarias

2 Introducción: Esta asignatura capacita al estudiante en la selección, diseño y análisis de equipo relacionado con operaciones unitarias que se basan en el transporte de calor o en la transferencia simultánea de masa y calor, de aplicación en procesos de separación industriales. La operación de Humidificación es estudiada en la Unidad I, analizándose las relaciones de equilibrio vapor-líquido y la forma particular de expresar los balances de materia y energía. También se revisan los procedimientos de diseño para columnas de enfriamiento de agua que funcionen mediante contacto continuo, y casos especiales de humidificación para sistemas distintos al agua-aire. Asimismo, se revisan aspectos relacionados con la deshumidificación de mezclas gas-vapor. La Adsorción es una operación de separación que se revisa en la Unidad II, en la cual se describen primeramente la forma de expresar el equilibrio sólido-fluido y el efecto de la existencia de calor de adsorción. Se analizan también los métodos de cálculo para sistemas de separación de una etapa, varias etapas a flujo cruzado y flujo a contracorriente, así como por contacto continuo. En la Unidad III se examina la transferencia de masa y calor que ocurre en la operación de Secado, explicándose inicialmente la clasificación del equipo que se utiliza para llevar a cabo esta operación así como la forma de expresar curvas experimentales de secado. Posteriormente se determinan tiempos de trabajo en base a curvas de velocidad de secado y ecuaciones analíticas. Para completar el análisis de operaciones unitarias en ingeniería química, se revisa en la Unidad IV una operación basada en el mecanismo de transferencia de calor: la Evaporación. Se estudian las distintas categorías de evaporadores, el aumento del punto de ebullición de una disolución al incrementarse la concentración del soluto disuelto (Líneas de Dϋrhing), el efecto de la concentración de una substancia en la entalpía de la solución a concentrar, y también los métodos de cálculo para evaporadores de efecto sencillo y múltiple. Propósito: Operaciones Unitarias II es una asignatura incluida en el eje profesionalizante de la carrera de ingeniero químico y continúa el estudio de las operaciones unitarias iniciado en el curso Operaciones Unitarias I. Busca complementar el análisis realizado en la primer asignatura orientándose a operaciones basadas en transferencia simultánea de materia y energía, así como transporte de calor exclusivamente. Debido a que se trata de un segundo curso sobre operaciones unitarias y con el fin de evitar repeticiones de material, su enseñanza asume que el estudiante ya tiene conocimientos sobre los principios básicos de diseño de operaciones unitarias, como la relación existente entre el equilibrio y los balances de materia y energía en una operación, el concepto de línea de operación, la determinación de coeficientes de transferencia en lechos empacados, el planteamiento de balances en elementos de espesor diferencial en columnas de contacto continuo, entre otros. Esto permite un uso más eficiente del tiempo y poder cubrir un mayor número de operaciones. Objetivo General: Aplicar los conceptos, principios y metodologías apropiados a la selección, diseño y análisis de equipo industrial de aplicación en las operaciones unitarias de humidificación, adsorción, secado y evaporación. Objetivos Específicos: 1. Conocer los tipos de equipos utilizados en operaciones unitarias basadas en transferencia simultánea de masa y energía, y en transferencia de calor 2. Dimensionar y analizar equipo de aplicación en operaciones de humidificación, adsorción, secado y evaporación 3. Utilizar herramientas computacionales en el diseño y análisis de equipo de separación por transferencia simultánea de materia y energía, y por transporte de calor exclusivamente 4. Desarrollar habilidades de comunicación escrita en medios impresos, oral mediante presentaciones públicas y a través del electrónico de la asignatura 5. Analizar de forma crítica la información, disponible en español o inglés, para su uso en la resolución de problemas de diseño, ya sea de forma individual o colaborativa Unidad de competencia 1. Humidificación 1.1 Conceptos de humidificación 1.2 Uso de cartas psicométricas 1.3 Operaciones gas-líquido adiabáticas Unidades de Competencias

3 1.4 Diseño de torres de enfriamiento de agua 1.5 Deshumidificación de aire 1.6 Recirculación de líquido Unidad de competencia 2. Adsorción 2.1 Adsorbentes 2.2 Equilibrio de adsorción 2.3 Transporte y cinética 2.4 Operaciones por etapas 2.5 Adsorción en lecho fijo Unidad de competencia 3. Secado 3.1 Equipo de secado 3.2 Equilibrio 3.3 Periodos de secado 3.4 Difusión de líquido Unidad de competencia 4. Evaporación 4.1 Tipos de evaporadores 4.2 Características de funcionamiento de evaporadores tubulares 4.3 Cálculo de evaporadores de un solo efecto 4.4 Evaporadores de efecto múltiple Exámenes parciales (70%) Evaluación: Criterios generales para la acreditación de la asignatura Trabajos individuales en formato escrito o electrónico (15%) Tareas realizadas en equipo (10%) Exposiciones individuales orales (5%) Bibliografía Foust, A.S., Wenzel, L.A., Clump, C.W., Maus, L. y Andersen, L.B., Principios de Operaciones Unitarias, Segunda edición, México, C.E.C.S.A., 1987 Tipo (básica o complementaria) Complementaria Geankoplis, Ch.J. Procesos de Transporte y Principios de Procesos de Separación, Cuarta edición, México, C.E.C.S.A., 2010 Básica Hines, A.L. y Maddox, R.N., Transferencia de Masa: Fundamentos y Aplicaciones, México, Prentice Hall Hispanoamericana, 1987 Complementaria McCabe, W.L., Smith, J.C. y Harriot, P., Operaciones Unitarias en Ingeniería Química, Séptima edición, México, McGraw-Hill, 2007 Básica Núñez-Esquer, M.A., Portal Electrónico del Curso Operaciones Unitarias I, Universidad de Sonora, Básica Seader, J.D., Henley, E.J. and Roper, D. K., Separation Process Principles, Third edition, U.S.A., Wiley, 2010 Básica Treybal, R.E., Operaciones de Transferencia de Masa, Segunda edición, México, McGraw- Hill, 1981 Básica

4 Desarrollo de las competencias Resultados del aprendizaje Identifica los tipos de equipos utilizados en operaciones de humidificación Describe las características de mezclas gas-vapor Utiliza la carta psicrométrica para determinar las propiedades del sistema aire-agua Establece balances de materia y energía en torres empacadas adiabáticas para contacto gaslíquido Actividades educativas SEMANA 1 Explica las ventajas y desventajas de los principales equipos de humidificación apoyándose en imágenes proyectadas con ayuda de la computadora Solicita a estudiantes su registro electrónico del curso Presenta las definiciones de características de mezclas gasvapor Resuelve problemas para determinar analíticamente las características de mezclas gasvapor Muestra la manera de construir una carta psicrométrica para cualquier sistema gas-vapor Ilustra la forma de determinar propiedades en la carta psicrométrica del sistema aireagua a presión atmosférica Propone ejercicios de cálculo de propiedades del sistema aireagua a los estudiantes Elabora un calendario semestral de exposiciones por parte de los estudiantes SEMANA 2 Utiliza el pintarrón para formular balances de materia y energía en una torre de humidificación Revisa, junto con estudiantes, fotocopias de la deducción de balances de masa y energía en un elemento de espesor diferencial ubicado en la sección empacada de una columna de humidificación Volumen de trabajo del estudiante calculado en horas 4+4 Evaluación texto con reporte de uso de software para cálculo de propiedades psicrométricas del sistema aire-agua, conteniendo un resumen de la deducción de ecuaciones de diseño para columnas empacadas de humidificación,

5 Deduce ecuaciones de diseño para torres de enfriamiento de agua Calcula la altura de empaque requerida para el enfriamiento de agua con aire Adapta las ecuaciones correspondientes a una operación de deshumidificación Analiza casos particulares de humidificación con recirculación de líquido SEMANA 3 Analiza en clase el orden de magnitud de los términos matemáticos en los balances de materia y energía de una torre de enfriamiento de agua Utiliza una electrónica para simplificar las ecuaciones de balance de materia y energía y obtener las ecuaciones de diseño Modela ante los alumnos ejercicios de dimensionamiento de torres de enfriamiento de agua SEMANA 4 Construye la gráfica de la línea de equilibrio y operación para casos de deshumidificación de mezclas aire-vapor de agua Asigna a equipos de estudiantes un proyecto de diseño de un equipo de humidificación con recirculación de líquido SEMANA 5 electrónica, conteniendo el cálculo de la altura de empaque requerida en una torre de enfriamiento de agua, elaborado por equipos de 4 estudiantes, Reporte por escrito del proyecto de diseño, elaborado por equipos de 4 estudiantes

6 Distingue las características de adsorción de distintos materiales Conoce las técnicas experimentales para determinar las propiedades de un adsorbente Contrasta las diferentes relaciones de equilibrio sólidofluido Determina los parámetros de una isoterma de adsorción para un gas puro y mezclas gaseosas Ajusta datos experimentales de adsorción en líquidos a modelos empíricos Presenta una animación describiendo la operación unitaria de adsorción Analiza, junto con el grupo de estudiantes, una tabla comparativa de propiedades de adsorbentes Coloca un archivo de texto explicando las relaciones matemáticas entre distintas propiedades de materiales adsorbentes Aplica la isoterma de BET para determinar el área superficial específica de un adsorbente SEMANA 6 Dibuja en pintarrón las formas típicas de isotermas de adsorción de Brunauer Explica el uso de métodos estadísticos para obtener los parámetros de una isoterma Linealiza modelos de adsorción en fase líquida para facilitar la determinación de parámetros de equilibrio electrónica conteniendo la solución de un problema de cálculo del área superficial específica, determinando los parámetros de la isoterma de BET mediante ajuste de datos experimentales por mínimos cuadrados, electrónica conteniendo la solución de ejercicios de cálculo de parámetros de isotermas de adsorción en fase gas y líquida,

7 Obtiene las magnitudes de coeficientes de transferencia convectiva de masa y calor para adsorción en sistemas por lotes y de lecho empacado Computa el valor de coeficientes de difusión efectiva para solutos en el interior de sólidos porosos Relaciona gráfica y analíticamente la línea de equilibrio con la línea de operación en contactos de adsorción realizados en una etapa y varias etapas a flujo cruzado Estima el número de etapas requeridas en un equipo de adsorción que opera a contracorriente Clasifica los modelos de adsorción en lecho fijo de acuerdo a la presencia de resistencias a la transferencia de SEMANA 7 Discute las correlaciones utilizadas para determinar coeficientes de transferencia convectiva en adsorción Formula preguntas al grupo que le permitan identificar las diferentes difusividades contenidas en el coeficiente de difusión efectivo SEMANA 8 Orienta al grupo de estudiantes para que escriba balances de materia en el equipo de adsorción y los represente gráficamente, para cada tipo de contacto Diseña una dinámica de grupos para que cada estudiante realice una contribución a la solución de un problema de cálculo del número de etapas ideales para una adsorción a contracorriente SEMANA 9 Entrega a estudiantes fotocopias conteniendo un ensayo sobre la clasificación de modelos de adsorción de lecho fijo, el cual conteniendo un diagrama de flujo del cálculo de coeficientes de transferencia convectiva y coeficientes de difusión efectivos, conteniendo un mapa mental de la adsorción en equipo que funciona por etapas electrónica con

8 masa Genera el modelo de adsorción en lecho empacado en base a balances de materia Evalúa el tiempo de ruptura de un soluto en columnas de contacto continuo utilizando modelos de adsorción apropiados Enuncia las distintas categorías de secadores Selecciona el tipo de equipo adecuado para llevar a cabo operaciones de secado a nivel industrial Construye gráficas de equilibrio de contenido de humedad en sólidos contra humedad relativa Explica los conceptos de humedad total, humedad de equilibrio, humedad libre, agua combinada y agua no combinada, en sólidos incluye algunos conceptos erróneos los cuales deberán ser identificados por los estudiantes de acuerdo a una lectura previa Utiliza el pintarrón para establecer el balance de materia para un soluto en un elemento de espesor diferencial ubicado en el interior de un lecho fijo Ejemplifica la aplicación de la Ecuación de Klinkenberg SEMANA 10 Dirige un panel de discusión de estudiantes sobre equipo de secado, sus características y en qué casos se aplica cada categoría Presenta un estudio de caso en el que se realiza el análisis de un proceso para recomendar el tipo de secador adecuado SEMANA 11 Refiere a los estudiantes a sitios de internet donde es posible obtener datos confiables de equilibrio Describe notas de clase en línea sobre conceptualización de la humedad en sólidos solución de problema de adsorción en lecho fijo, elaborado por equipos de cuatro estudiantes, texto con cuadro sinóptico de clasificación de secadores, Participación en foro electrónico sobre comparación de conceptos de humedad en sólidos

9 Genera curvas de secado de sólidos a partir de datos experimentales Aplica ecuaciones y gráficas para determinar tiempos requeridos de operación durante el periodo de velocidad constante y variable Adapta ecuaciones de conducción de calor a difusión de líquidos en sólidos Predice velocidades de secado y perfiles de humedad en sólidos utilizando las leyes de difusión de Fick SEMANA 12 Promueve la aplicación de herramientas computacionales en la graficación de datos de equilibrio Presenta alternativas analíticas para calcular la velocidad de secado SEMANA 13 Compara las ecuaciones de conducción de calor y difusión de masa Ilustra por medio de applets el proceso de conducción de calor y difusión de materia en varias geometrías típicas Organiza equipos de estudiantes para elaboración de producto semanal electrónica conteniendo el procedimiento de cálculo de la velocidad y el tiempo de secado para un ejercicio que comprenda el periodo constante y el variable, electrónica con solución de un problema sobre tiempos de secado, elaborado por equipos de cuatro estudiantes y

10 Ilustra los principales tipos de evaporadores Enumera los factores que influyen en la capacidad de un evaporador Demuestra el uso de la regla de Dϋhring para obtener la elevación del punto de ebullición de una solución de acuerdo a la concentración del soluto Emplea correlaciones para el cálculo de coeficientes de transferencia de calor Expresa la economía de un evaporador por medio de ecuaciones matemáticas Diseña evaporadores de efecto simple Plantea balances de materia y energía para analizar el comportamiento de evaporadores de múltiple efecto SEMANA 14 Conduce una visita grupal al laboratorio de operaciones unitarias del Departamento de Ingeniería Química y Metalurgia para conocer los equipos de evaporación Utiliza computadora y cañón para presentar una clase magistral sobre las gráficas de Dϋhring y las ecuaciones empíricas para obtención de coeficientes de transferencia de calor en evaporadores SEMANA 15 Explica el procedimiento para el cálculo del área de transferencia de calor requerida en evaporadores que funcionan bajo efecto simple SEMANA 16 En pintarrón, deduce las ecuaciones de diseño de evaporadores de efecto múltiple con mapa mental sobre los conceptos de capacidad y economía de un evaporador, y la clasificación de equipo Documento por escrito conteniendo el diseño de un evaporador de simple efecto software técnico con la solución de un problema de

11 PERFIL ACADÉMICO DESEABLE DEL RESPONSABLE DE IMPARTIR LA ASIGNATURA Ingeniero químico con experiencia mínima de dos años. diseño para un evaporador de efecto múltiple