1. Datos de identificación del programa. Nombre de la asignatura: Ciclo escolar al que pertenece: Cuarto Semestre

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1 359 Semestre 4 facultad DE ESTUDIOS SUPERIORES ZARAGOZA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA ÁREA PROGRAMA DE ESTUDIO 1. Datos de identificación del programa. Nombre de la asignatura: Ciclo escolar al que pertenece: Cuarto Semestre balances DE MASA Y ENERGÍA Orientación académica: Ciclo Profesional Número de horas: Teóricas: 5 Prácticas: 2 Número de créditos: 12 Fecha de elaboración: 05/04/2013 Prerrequisitos (temas aprendidos): Química I TEMAS APRENDIDOS: 1. Nomenclatura y estequiometría. 1.1 Principios de estequiometría. 1.2 Símbolos y fórmulas. Composición porcentual. 1.3 Disoluciones. Expresiones de concentración. 1.4 Balanceo de reacciones. 1.5 Cálculo en base masa y mol. Matematicas I TEMAS APRENDIDOS: 1. Conjuntos, números reales y funciones 1.1 Conjuntos y números reales. 1.2 Funciones. 1.3 Funciones potenciales. 1.4 Funciones periódicas. Trigonometría.

2 360 Plan de Estudios de la Carrera de Ingeniería Química UNAM 1.5 Funciones exponencial y logarítmica. Fisicoquímica I TEMAS APRENDIDOS: 1. Termodinámica. 1.1 La fisicoquímica, sus ramas, métodos y aplicaciones. 1.2 La termodinámica, sus orígenes, desarrollo y aplicaciones. 1.3 Conceptos fundamentales. 1.4 La primera ley de la termodinámica para sistemas cerrados. 1.5 La segunda ley de la termodinámica. 1.6 La tercera ley de la termodinámica. 1.7 Ecuaciones fundamentales para sistemas cerrados y simples. 1.8 Ecuaciones fundamentales para sistemas abiertos. 2. Procesos termodinámicos. 2.1 Termodinámica de un gas ideal. 2.2 Termodinámica de gases reales. 3. Termodinámica de las sustancias puras. 3.1 Describir el comportamiento termodinámico de las sustancias por medio de los diagramas termodinámicos, identificando las fases sólida, líquida y gaseosa, así como las zonas de coexistencia, el punto crítico y el punto triple. Manejar por consiguiente las tablas de vapor de las sustancias. 3.2 Establecer las condiciones termodinámicas del equilibrio físico y las ecuaciones que los definen. 3.3 Calcular las funciones termodinámicas del equilibrio físico y las ecuaciones que lo definen. 3.4 Estudiar las propiedades macroscópicas de os estados de agregación de las sustancias reales y de las superficies que los delimitan. 3.6 Funciones termodinámicas y aplicaciones. 1a Ley, termoquímica, 2a Ley, criterios de equilibrio, relaciones de Maxwell, construcción de diagramas y su utilización (Mollier, factor de compresibilidad, constante de Henry, etc.). 3.7 Termodinámica de gases reales. Cálculo de actividad y fugacidad en componentes puros y en mezclas. 3.8 Constantes de equilibrio en sistemas homogéneos y heterogéneos (sistemas ideales y reales). FISICOQUÍMICA II TEMAS APRENDIDOS: 1. Termodinámica de las disoluciones. 1.1 Introducción e importancia del estudio de las soluciones. 1.2 Comportamiento de las soluciones líquidas y modelos de soluciones líquidas. 1.3 Comportamiento y modelos de soluciones reales equilibrio líquido-vapor. 1.4 Propiedades termodinámicas de las soluciones. Modelos de solución ideal y real.

3 Comportamiento de soluciones reales. 2. Sistemas químicos en equilibrio. 2.1 Termoquímica. 2.2 Equilibrio químico. 2.3 Análisis del equilibrio químico. 2. Relación con el plan de estudios. Contribución de la asignatura al perfil de egreso. Una de las actividades más relevantes que desempeña el ingeniero químico en la industria es la formulación de los balances de masa y energía para el análisis y diseño de proceso. Introducción a la asignatura Su relación horizontal es con las siguientes asignaturas del mismo semestre: MATERIA FENÓMENOS DE TRANSPORTE CONTENIDO Introducción. 1. Unidades y notaciones. Derivadas. 2. Análisis de ecuaciones. Soluciones de ecuaciones. Mecanismos de transporte molecular. 1. Hipótesis de continuo o transporte en un continuo. 2. Ecuación general de transporte. 3. Leyes de Newton, Fourier y Fick. Cálculo de coeficientes. Transferencia de momentum. 1. Ley de Newton. 2. Ecuación de continuidad. 3. Ecuación de transferencia de momentum. Conservación de momentum. CONGRUENCIA CON LA MATERIA DE BALANCE DE MASA Y ENERGÍA 4º Esta materia está íntimamente relacionada con Balance de Masa y Energía, ya que trata los mismos fenómenos pero desde un punto de vista microscópico, lo que permite unificar el análisis de las operaciones unitarias y desarrollar modelos más precisos para su diseño y poder aplicarlos a problemas macroscópicos concretos. Se relaciona con los siguientes temas de Balance de Masa y Energía Principios generales. 1. Principio de conservación de la masa. Principio de continuidad. 2. Principio de conservación de energía. Balances de masa y energía. Balances de masa. 1. Selección de la base de cálculo. 2. Balance total y por componente.

4 362 Plan de Estudios de la Carrera de Ingeniería Química UNAM MATERIA 4. Ecuación de Navier-Stokes, de Euler, de Bernoulli, etc. 5. Condiciones iniciales y a la frontera. 6. Aplicaciones. Flujo a régimen permanente y no permanente. Geometrías simples. Transferencia de energía. 1. Ley de Fourier. 2. Transferencia de energía en sólidos. Formas de transferir energía. 3. Ecuación de transferencia de energía. 4. Transferencia de energía en fluidos en movimiento. 5. Condiciones iniciales y a la frontera. 6. Aplicaciones. Transferencia de calor a régimen permanente y no permanente en sólidos y fluidos. Geometrías simples. Transferencia de masa. 1. Ley de Fick. 2. Formas de expresar la composición de una fase. 3. Ecuación de transferencia de masa. 4. Condiciones iniciales y a la frontera. 5. Aplicaciones, transferencia a régimen permanente y no permanente, con reacción. Flujo turbulento. 1. Resultados experimentales. Fluctuaciones y valores promedio. 2. Ecuación de momentum. 3. Ecuación de energía. 4. Ecuación de transferencia de masa. 5. Analogías. LABORATORIO Y TALLER DE PROYECTOS 4º CONTENIDO Selección del proceso óptimo. 1. Descripción de los procesos disponibles. CONGRUENCIA CON LA MATERIA DE BALANCE DE MASA Y ENERGÍA 4º 3. Cálculo en base masa y mol. 4. Balances con recirculaciones. 5. Balances con by-pass. 6. Balances en operaciones consecutivas (paralelo, contracorriente y cruzada). 7. Método de Nagiev. Balances de energía. 8. Cálculo de cambio de entalpia. Calor sensible y calor latente. 9. Teorema de Bernoulli. 10. Balance general de energía. 11. Calor de mezclado y solución. 12. Diagramas entalpia-concentración. 13. Balances combinados de masa y energía. 14. Aplicación a las operaciones unitarias. 15. Destilación. 16. Humidificación. 17. Secado. Los conocimientos y habilidades adquiridas en la asignatura de Balances de masa y energía así como en las demás asignaturas teóricas del módulo (Métodos numéricos, Fenómenos

5 Análisis de procesos. 3. Selección de un proceso. Ingeniería básica. 1. Diagrama de flujo de proceso. 2. Balances de masa y energía. 3. Predicción de propiedades. MÉTODOS NUMÉRICOS CONTENIDO Introducción. 1. Papel de los métodos numéricos en la ciencia y la ingeniería. QUÍMICA INDUSTRIAL CONTENIDO Industrias químicas. 1. Producción de inorgánicos básicos y fertilizantes. 2. Refinación de petróleo. 3. Productos petroquímicos y secundarios. 1.4 Polímeros (hules, fibras, resinas sintéticas). 5. Producción y refinación de azúcar. 6. Insecticidas. 7. Fermentaciones industriales. 8. Industria química secundaria. de transporte y Química industrial) ayuda en la realización de los estudios de mercado y técnico de un proyecto, así como en el diseño de un producto y la determinación del tamaño óptimo de la planta de un producto previamente seleccionado. La mayoría de los problemas que se presentan en Balance de Masa y Energía, y de manera general en Ingeniería Química, no siempre tienen una solución analítica directa o ésta es demasiado compleja, por lo cual es necesario utilizar métodos numéricos que aproximen adecuadamente la solución; y la Materia de Métodos Numéricos permiten a los alumnos seleccionar, implementar y adaptar los métodos convenientes para cada problema específico. Dado que la industria de procesos en México es la principal fuente de trabajo del ingeniero químico, se pretende que en las Materias de Química Industrial y Balance de Masa y Energía el alumno se familiarice con los principales procesos que se emplean, con los recursos con que se cuenta. Se relaciona con los siguientes temas de Balance de Masa y Energía Introducción. 1. Qué es el Ingeniero Químico? 2. La ingeniería química en México. 3. Campos de trabajo en la industria. Se ubica en el 4 semestre del mapa curricular, mantiene una relación vertical con Matemáticas I, Química I, Fisicoquímica I y Fisicoquímica II (anteriormente descritos) y con las siguientes asignaturas: QUINTO SEMESTRE FLUJO DE FLUIDOS Teorema de Bernoulli. Se relaciona con los siguientes temas de Balance de Masa y Energía. Principio de conservación de energía.

6 364 Plan de Estudios de la Carrera de Ingeniería Química UNAM Concepto de caída de presión y factor de fricción. Flujo laminar y turbulento de fluidos incompresibles en tuberías y conductos. SEPARACION MECANICA Y MEZCLADO Agitación y mezclado. Mezclado de sólidos, líquidos y pastas. Agitación. Tipos de mezcladores. Velocidad de mezclado. Diseño de mezcladores. DISEÑO DE EQUIPO Determinación experimental de las principales variables que intervienen en un sistema de mezclado de materiales. Criterios de selección y diseño de un sistema de mezclado de materiales. Selección y diseño de un sistema de mezclado de materiales. LABORATORIO Y TALLER DE PROYECTOS 5º Determinación experimental de las principales variables que intervienen en un sistema de mezclado de materiales. Criterios de selección y diseño de un sistema de mezclado de materiales. Selección y diseño de un sistema de mezclado de materiales. SEXTO SEMESTRE INGENIERIA DE SERVICIOS Teorema de Bernoulli. Balance general de energía. Balances combinados de masa y energía. Aplicación a las operaciones unitarias. Balances combinados de masa y energía. Aplicación a las operaciones unitarias. Balances combinados de masa y energía. Aplicación a las operaciones unitarias. Dado que cualquier industria de proceso requiere de servicios auxiliares como combustibles, agua, vapor, aire, refrigeración, etc., es necesario que el Ingeniero Químico cuente con los conocimientos que le permitan seleccionar, especificar y diseñar los equipos y sistemas de manejo de combustibles, tratamiento de aguas, generación y distribución de vapor, conversión de energía y producción de refrigeración (BALANCES DE MASA Y ENERGÍA).

7 365 TRANSFERENCIA DE CALOR Balance de masa y energía. Los temas de Balance de Masa y Balance de Energía son temas básicos en los contenidos de la ingeniería química. Los contenidos curriculares incluidos en el programa para la formación profesional del ingeniero químico en el contexto del plan de estudios son pertinentes, actuales y adecuados según lo analizado en las tablas anteriores. 3. Objetivos del programa. UNIDAD I 1.1 Definir que es el ingeniero químico. 2.1 Analizar a la ingeniería química en México y sus campos de trabajo. UNIDAD II 2.1 Explicar el significado de las unidades y dimensiones mediante el uso de sistemas de unidades dando sus principales características. 2.2 Explicar lo que son las unidades fundamentales y las derivadas. 2.3 Analizar la importancia del sistema internacional de unidades y dará la lista completa de unidades fundamentales. 2.4 Indicar la función de la constante gc en los sistemas de ingeniería. 2.5 Dar la definición de las variables: temperatura, presión, densidad, composición, flujo volumétrico, y flujo másico. 2.6 Partiendo de una cantidad en sus unidades correspondientes el alumno la expresará en cualquiera de las unidades equivalentes de los demás sistemas de unidades. 2.7 Resolver conversiones de unidades en ecuaciones. 2.8 Construir la matriz dimensional de un fenómeno cualquiera a partir de las variables que se involucran. 2.9 Dado un fenómeno natural el alumno utilizará el método de Rayleigh para determinar los grupos adimensionales que se involucran Aplicar el método Buckingham para la obtención de los grupos adimensionales que se involucran en un fenómeno dado. UNIDAD III 3.1 Definir los conceptos gmol, lbmol y peso molecular. 3.2 Enunciar el principio de conservación de la masa. 3.3 Mediante un ejemplo indicará la información que se puede obtener de una reacción química. 3.4 Explicar lo que se entiende por reactivo limitante y reactivo en exceso. 3.5 Dar ejemplos en los que se involucren reacciones incompletas y reacciones laterales.

8 366 Plan de Estudios de la Carrera de Ingeniería Química UNAM 3.6 Definir los conceptos de conversión y rendimiento. 3.7 Indicar cuáles son las características y limitaciones de la ecuación de los gases ideales. 3.8 Explicar la teoría de los estados correspondientes para el caso de 2 y 3 parámetros. 3.9 Mencionar las ecuaciones de estado más importantes para gases reales indicando características y limitaciones Explicar en qué consiste el método pseudocrítico que describe el comportamiento de mezclas gaseosas Utilizar el método de las constantes promedio para evaluar las propiedades de una mezcla de gases reales Definir el concepto de capacidad calorífica Mencionar las ecuaciones que existen para evaluar la capacidad calorífica de gases, líquidos y sólidos Definir el concepto entalpia 3.15 Explicar lo que significa la eficiencia termodinámica Dar el enunciado y la expresión matemática de la segunda ley Definir el concepto de presión de vapor Utilizar la ecuación de Clausius-Clapeyron para evaluar la presión de vapor indicando sus limitaciones Utilizar la ecuación de Antoine para evaluar la presión de vapor Describirá el método de Othmer para evaluar la presión de vapor Mencionar los diferentes tipos de diagramas termodinámicos que existen dando un ejemplo de cada uno de ellos Explicar detalladamente el uso del diagrama de Molliere para el agua Obtener las propiedades termodinámicas del agua utilizando las tablas de vapor Definir los conceptos de humedad absoluta, humedad de saturación, humedad porcentual, humedad relativa, volumen húmedo y calor húmedo Obtener la entalpia del aire húmedo a cualquier temperatura Obtener las líneas de humidificación adiabática para el sistema aire-agua Definir los conceptos de temperatura de rocío, temperatura de bulbo y temperatura de bulbo húmedo Obtener la ecuación de continuidad como ejemplo del balance de materia Identificar la forma de los diagramas de fases sólido-líquido, líquido-líquido y líquido-vapor para sistemas binarios Plantear y resolver el balance de materia en procesos que involucren cristalización y disolución haciendo uso de los diagramas de fases Describir los principales tipos de diagramas que se presentan en el caso de sistemas ternarios Utilizar los diagramas ternarios para resolver los balances de materias en procesos de extracción.

9 Realizar balances de masa en operaciones de mezclado. UNIDAD IV 4.1 En base al principio de conservación de la masa el alumno planteará el balance total en un proceso cualquiera. 4.2 Realizar el balance por componente para un proceso dado. 4.3 Dada una lista de procesos indicará cuáles son continuos y cuáles intermitentes. 4.4 Calcular el número de balances de materia independientes que se pueden realizar en un proceso. 4.5 Resolver problemas en los que se involucre el balance de masa sobre equipos de destilación, torres de absorción y secadores. 4.6 Dado un proceso en el que se verifiquen operaciones consecutivas, el alumno planteará y resolverá el balance de materia. 4.7 Realizar el balance de átomos en un proceso en el que se efectúa una reacción química. 4.8 Plantear y resolverá el balance de materia en procesos de combustión. 4.9 Dado un proceso con reacción química, realizará el balance de materia Plantear y resolver el balance de masa para un proceso que contenga una derivación (by-pass) Dado un proceso con circulación planteará y resolverá el balance de materia Efectuar el balance de masa en un proceso de interés industrial Enunciar los tipos de energía que se involucran en los procesos químicos dando su ecuación Identificar los términos que aparecen en el planteamiento de un balance general de energía Explicar que se entiende por trabajo de flujo y en qué se diferencia del trabajo de flecha, 4.16 Obtener la ecuación general de energía Identificar la forma de la primera ley para sistemas en flujo Partiendo de la ecuación general de energía, realizará las simplificaciones necesarias para efectuar el balance de energía en turbinas, compresores y dispositivos de estrangulamiento Identificar la ecuación clásica de Bernoulli como la ecuación fundamental del balance de energía mecánica Explicar cuál es la forma de la ecuación de Bernoulli para sistemas en los que se involucran el trabajo mecánico y las perdidas por fricción Indicar cuál es el efecto de la fricción cuando el flujo es isotérmico y cuando es adiabático Explicar la forma en la que se evalúan las pérdidas por fricciones Utilizar la gráfica de factor de fricción contra número de Reynolds para calcular las pérdidas por fricción Obtendrá la ecuación que describe los balances de energía térmica Explicar mediante un ejemplo la forma de especificar la base de cálculo en problemas que involucran balances de energía térmica 4.26 Describir los métodos para evaluar el cambio de entalpía en un proceso físico Efectuar el balance de energía en operaciones de mezclado.

10 368 Plan de Estudios de la Carrera de Ingeniería Química UNAM 4.28 Construir e interpretar un diagrama entalpia-concentración Realizar balances de energía haciendo uso de los diagramas entalpia-concentración Explicar lo que se entiende por calor de formación Explicar cómo se evalúa el calor de reacción a condiciones estándar Aplicar la ley de Hess para calcular calores de reacción Realizar el balance de energía en procesos a condiciones estándar en los que se efectúa una reacción química Explicar el efecto que tienen la presión y la temperatura sobre el calor de reacción Efectuar el balance de energía para cualquier proceso con reacción química. 4. Conocimientos. Habilidades. CONOCIMIENTO TEÓRICO UNIDAD 1. Introducción. 1.1 Qué es el Ingeniero Químico? 1.2 La ingeniería química en México. 1.3 Campos de trabajo en la industria. UNIDAD II. Sistemas de unidades y análisis dimensional. 2.1 Unidades fundamentales y derivadas. 2.2 Sistemas de unidades. 2.3 Ecuaciones dimensionales. 2.4 Grupos adimensionales. 2.5 Métodos para la obtención de ecuaciones dimensionales (teorema π y método de Buckingham). UNIDAD III. Principios generales. 3.1 Principio de conservación de la masa. Principio de continuidad. 3.2 Principio de conservación de energía. 3.3 Ecuación de estado. 3.4 Principio de estados correspondientes. 3.5 Mezclas de gases reales. 3.6 Funciones termodinámicas y aplicaciones. 1a Ley, termoquímica, 2a Ley, criterios de equilibrio, relaciones de Maxwell, construcción de diagramas y su utilización (Mollier, factor de compresibilidad, constante de Henry, etc.). No. DE HORAS

11 369 CONOCIMIENTO TEÓRICO 3.7 Termodinámica de gases reales Cálculo de actividad y fugacidad en componentes puros y en mezclas. 3.8 Constantes de equilibrio en sistemas homogéneos y heterogéneos (sistemas ideales y reales). UNIDAD IV. Balances de masa y energía. Balances de masa. 4.1 Selección de la base de cálculo. 4.2 Balance total y por componente. 4.3 Cálculo en base masa y mol. 4.4 Balances con recirculaciones. 4.5 Balances con by-pass. 4.6 Balances en operaciones consecutivas (paralelo, contracorriente y cruzada). 4.7 Método de Nagiev. Balances de energía. 4.8 Cálculo de cambio de entalpia. Calor sensible y calor latente. 4.9 Teorema de Bernoulli Balance general de energía Calor de mezclado y solución Diagramas entalpía-concentración Balances combinados de masa y energía Aplicación a las operaciones unitarias Destilación Humidificación Secado. No. DE HORAS Estrategias de aprendizaje. ASPECTOS TEÓRICOS Exposición oral en equipo. Participación en clase. Resolución de problemas en clase. Control de lecturas. Elaboración de tareas.

12 370 Plan de Estudios de la Carrera de Ingeniería Química UNAM 6. Evaluación del aprendizaje. ASPECTOS TEÓRICOS Exámenes parciales. Participación en clase. Control de lecturas. Tareas. 7. Calificación. ASPECTOS TEÓRICOS Exámenes parciales. Participación en clase. Control de lecturas. Elaboración de tareas. FINAL 50% 20% 10% 20% 8. Bibliografía. Bibliografía básica: Benedict, R. P., (1977). Fundamentals of temperature, pressure and flow measurements. 2ª ed. John Wiley & Sons. Bhatt, B.I. y Vora, S.M. (1983). Stoichiometry. 2ª ed. New Delhi: Tata McGraw-Hill. Geankoplis, C.J. (1988). Procesos de transporte y operaciones unitarias. México: CECSA. Killeffer, D.H. (1967). Chemical engineering.new York: Doubleday. Lewis, R. (1976). Magnitudes en ingeniería y sistemas de unidades. México: El Manual Moderno. Littlejohn, C.E. y Meenaghan, G.F. (1979). Introducción a la ingeniería química. México: CECSA. Peters, M.S. (1984). Elementary chemical engineering. 2ª edición. Tokio: McGraw-Hill. Reklaitis, G.V. (1983). Introduction to material and energy balances. John Wiley & Sons. Thatcher, C.M. (1965). Fundamentos de la ingeniería química. México: CECSA. Ramaswamy, G.S. y Rao, V.V.L. (1967). SI Units. New York: McGraw-Hill. Whitwell, J.C. y Torner, R.K. (1973). Conservation of mass and energy. Tokio: McGraw-Hill.

13 Perfil docente. Licenciatura en: Ingeniería Química, con conocimientos en balances de masa y energía y/o haber acreditado cursos de didáctica y/o evaluación del proceso enseñanza-aprendizaje o similares. 10. Propuesta de evaluación del cumplimiento del programa. Realizar una evaluación permanente a lo largo del semestre para poner a prueba el cumplimiento de los objetivos general y particulares a partir de exámenes, trabajos, participación en clase, etc. y realizando intercambio de opiniones entre los alumnos y profesor. 11. Responsables de la elaboración. M. en C. Marina Caballero Díaz Dr. Roberto Mendoza Serna