DATOS DE LA ASIGNATURA Denominación: Operaciones básicas Código: 57613 Clase: Troncal Curso: 2 Carácter: Cuatrimestral Cuatrimestre: 1 Créditos LRU: 7.5 Teóricos: 4,5 Prácticos: 3,0 Créditos ECTS: Horas totales asignatura: 75 Descriptores: (BOE) La industria química. Materias primas y productos. Industria química y energía. Industria química y medioambiente. Conceptos básicos. Diagramas de flujo. Rentabilidad. Departamento: Ingeniería Química Área de conocimiento: Ingeniería Química PROFESORADO Nombre Ubicación Horario tutorías Responsable(s): Dr. Pablo Cañizares Cañizares Edificio Lunes y Enrique Costa miércoles 12:00 a 14:00 Otros: Dr. Francisco Jesús Fernández ITQUIMA Lunes y Morales. miércoles 12:00 a 14:00 PLANIFICACIÓN DOCENTE 1. OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA El objetivo fundamental de la asignatura es que el alumno adquiera los conocimientos necesarios para poder aplicar adecuadamente las leyes fundamentales de conservación de propiedades y de equilibrio y que sepan resolver los balances de materia y energía. 2. COMPETENCIAS Y DESTREZAS TEÓRICO PRÁCTICAS A ADQUIRIR POR EL ALUMNO Conocimiento en materias básicas y tecnológicas, que les capacite para el aprendizaje de nuevos métodos y teorías, y les dote de versatilidad para adaptarse a nuevas situaciones. Capacidad de trabajar en un entorno multilingüe y multidisciplinar. Una correcta comunicación oral y escrita Capacidad de trabajo en equipo Capacidad de análisis y resolución de problemas Capacidad de aprendizaje y trabajo de forma autónoma Capacidad de aplicar conocimientos teóricos a la práctica Obtención de habilidades en las relaciones interpersonales Conocimientos sobre balances de materia y energía, biotecnología, transferencia de materia, operaciones de separación, ingeniería de la reacción química, diseño de reactores, y valorización y transformación de materias primas y recursos energéticos. Capacidad para el análisis, diseño, simulación y optimización de procesos y productos. Pág. 1/7
Capacidad para el diseño y gestión de procedimientos de experimentación aplicada, especialmente para la determinación de propiedades termodinámicas y de transporte, y modelado de fenómenos y sistemas en el ámbito de la ingeniería química, sistemas con flujo de fluidos, transmisión de calor, operaciones de transferencia de materia, cinética de las reacciones químicas y reactores. Capacidad para diseñar, gestionar y operar procedimientos de simulación, control e instrumentación de procesos químicos. Recomendaciones para los alumnos: 3. TEMARIO TEÓRICO PRÁCTICO Unidad temática I: LEYES FUNDAMENTALES TEMA 1. LEYES DE CONSERVACIÓN DE LAS PROPIEDADES EXTENSIVAS. Introducción. Ecuación general de conservación. Aplicación a materia, cantidad de movimiento y energía. Ejemplos. Unidad temática II: APLICACIÓN DE LAS LEYES DE CONSERVACIÓN: BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA TEMA 2. BALANCES DE MATERIA EN PROCESOS SIN REACCIÓN QUÍMICA Y EN RÉGIMEN ESTACIONARIO. Formulación del balance de materia en sistemas con una unidad: variables y ecuaciones de los balances de materia. Análisis de los grados de libertad. Estrategia para su resolución. Ejemplos. Formulación del balance de materia en sistemas con más de una unidad: independencia de las ecuaciones de los balances. Análisis de los grados de libertad. Configuraciones especiales. Estrategia para su resolución. Ejemplos. TEMA 3. BALANCES DE MATERIA EN PROCESOS CON REACCIÓN QUÍMICA Y EN RÉGIMEN ESTACIONARIO. Balance de especies en sistemas con una sola reacción: estequiometría. Velocidad de reacción. Conversión y reactivo limitante. Análisis de los grados de libertad. Ejemplos. Balance de especies en sistemas con reacciones químicas simultáneas: estequiometría generalizada. Rendimiento y selectividad. Análisis de los grados de libertad. Ejemplos. TEMA 4. BALANCES DE MATERIA POR ELEMENTOS EN PROCESOS EN RÉGIMEN ESTACIONARIO. Ecuación general del balance de elementos: matriz atómica y estequiométrica. Álgebra de los balances de elementos. Análisis de los grados de libertad. Relación entre los balances de elementos y las especies: sistemas sin y con reacción química. Ejemplos. TEMA 5. BALANCES DE ENERGÍA EN PROCESOS NO REACTIVOS EN RÉGIMEN ESTACIONARIO. Cálculo de la variación entálpica asociada a un proceso: estados de referencia y propiedades de estado. Procesos con cambio de la temperatura: calor sensible. Procesos con cambio de fase: calor latente. Balances de energía en procesos no reactivos: variables y propiedades de los balances de energía. Análisis de los grados de libertad. Ejemplos. TEMA 6. BALANCES DE ENERGÍA EN PROCESOS REACTIVOS EN RÉGIMEN ESTACIONARIO. Calor de reacción: cálculo del calor de reacción; ley de Hess. Calor de formación. Calor de Pág. 2/7
combustión. Balances de energía en sistemas con una y con varias reacciones químicas simultáneas. Ejemplos. Unidad temática III: APLICACIÓN DE LAS LEYES FUNDAMENTALES A LAS OPERACIONES BÁSICAS FÍSICAS TEMA 7. LEYES DE EQUILIBRIO. Críterios de equilibrio. Condiciones y relaciones de equilibrio entre fases no miscibles. Predicción del equilibrio líquido vapor. Diagramas de equilibrio. Mezclas binarias: sistemas vapor líquido. Cálculo de la temperatura de burbuja y de rocío para mezclas ideales. Sistemas gas líquido. Sistemas líquido sólido: diagramas de solubilidad. Mezclas ternarias: sistemas líquido líquido. Equilibrio químico. TEMA 8. INTRODUCCIÓN A LOS FENÓMENOS DE TRANSPORTE: LEYES CINÉTICAS. Mecanismos del transporte molecular y turbulento. Ecuaciones cinéticas en transporte molecular: leyes de Newton, Fourier y Fick. Transporte turbulento: coeficientes de transporte. Concepto de capa límite. TEMA 9. INTRODUCCIÓN AL FLUJO DE FLUIDOS, TRANSMISIÓN DE CALOR Y TRANSFERENCIA DE MATERIA ENTRE FASES. Fluidos y Flujo de Fluidos: definiciones y clasificación. Flujo interno: ecuaciones básicas, potencia necesaria para el flujo. Medida de caudales. Mecanismos de transmisión de calor. Transmisión de calor por conducción: perfiles de temperatura y flujos de calor en sólidos de geometría sencilla. Transmisión de calor por convección: coeficientes individuales y globales de transmisión de calor. Mecanismos de transferencia de materia: molecular y turbulento. Transferencia de materia por difusión en régimen estacionario. Transferencia de materia entre fases no miscibles: coeficientes individuales y globales. Pág. 3/7
4. DISTRIBUCIÓN DE ACTIVIDADES H O R A S Tiempo presencial Factor aplicable Tiempo personal TOTAL Clases magistrales 21 1.7 35.7 56.7 Actividades 10 1.7 17 27 Tutoría obligatoria 5 1 5 10 Seminario / talleres 7 1.4 9.8 16.8 Trabajo individual 1 10 10 10 Evaluaciones continuas 6 2 12 18 Exámenes periodos establecidos 4 0 0 4 Tiempos totales 63 99.5 162.5 5. PLANIFICACIÓN TEMPORAL Códigos para las tareas: C = clase magistral; A = actividades; T = tutoría; Ts = test 15 min; S = seminario; TI = trabajo individual; E = evaluaciones continuas; EX = examen. Septiembre Octubre Noviembre Diciembre C CS C CS C S CS A C C CS C CS C A A A A CS C E C CS C CS C A A A A CT C C CT C CT C CS C CC CS CT C = 8 A = 0 S = 3 T = 1 E = EX = C = 8 A = 0 S = 3 T = 1 E = EX = C = 8 A = 5 S = 3 T = 1 E = EX = C = 5 A = 0 S = 1 TI =1 E =4 EX =2 6. METODOLOGÍA DOCENTE La metodología docente está basada en el aprendizaje activo en clase mediante lecciones participativas, realizadas con métodos convencionales y con ayuda de las nuevas tecnologías, fundamentalmente ordenadores. En estas clases se complementan con ejercicios que permiten comprender mejor y asimilar los conceptos impartidos. Además, se promueve el aprendizaje activo en clase y el aprendizaje cooperativo a través de la elaboración conjunta de ejercicios por parte de grupos pequeños de alumnos y el planteamiento de exámenes que sean accesibles y desafiantes para los mismos. Para facilitar el aprendizaje y la participación de los alumnos, a principio de curso se pone a disposición del alumno toda la información relativa a la organización del curso, las transparencias empleadas durante el mismo y las colecciones de problemas que ha de resolver a lo largo del mismo. Esta información se facilita en formato papel y como ficheros PDF que los alumnos pueden descargar en las siguientes páginas webs: http://www.uclm.es/profesorado/pcanizares http://www.uclm.es/profesorado/fjfmorales Pág. 4/7
Además, tras la entrega, por parte de los alumnos, de los resultados de una colección de problemas resuelta por ellos mismos, el alumno recibe una copia detallada de las soluciones correctas. Las clases presenciales se desarrollan combinando la lección magistral en la que se señalan los conceptos básicos y la resolución por parte de profesor y los alumnos de problemas representativos. Esto último permite detectar los errores que los mismos cometen a la hora de la resolución de los mismos y, como consecuencia, incidir en aquellos aspectos que podrían inducir a confusión o mala interpretación de conceptos. Los alumnos han de entregar, según plazos que se fijan a principio de curso, colecciones de problemas. Para fomentar el aprendizaje cooperativo, estas colecciones de problemas deberán ser resueltas por grupos reducidos de alumnos; de forma que es el grupo el que ha de entregar la colección resuelta y no cada uno de los alumnos. 7. CRITERIOS DE EVALUACIÓN Evaluación continua TEORIA + PROBLEMAS (70% Nota Final) o Problemas entregados (10%) o Exámenes parciales (Teoría + Problemas): 1º Parcial. (30%) 2º Parcial. (30%) LABORATORIO (30% Nota Final) PRÁCTICA Nº 1: Balance macroscópico de material PRÁCTICA Nº 2: Balance macroscópico de energía calorífica PRÁCTICA Nº 3: Flujo de Fluidos: Venturímetro, Tubo de Pitot, Rotámetro, Pérdida de carga en accidentes PRÁCTICA Nº 4: Destilación diferencial o Asistencia a todas las sesiones y realización del examen obligatorio. o Cuaderno de prácticas (20%). Nota mínima para hacer media 4,0 puntos. La nota del cuaderno de prácticas se guardará durante los dos cursos siguientes a la realización del mismo. o Examen (10%) Nota mínima para hacer media 4,0 puntos Evaluación continua aprobada: o Laboratorio 5,0 puntos o Teoría + problemas 6,0 puntos (Problemas entregados / 1º parcial / 2º parcial) Evaluación final LABORATORIO (30% Nota Final) PRÁCTICA Nº 1: Balance macroscópico de material PRÁCTICA Nº 2: Balance macroscópico de energía calorífica PRÁCTICA Nº 3: Flujo de Fluidos: Venturímetro, Tubo de Pitot, Rotámetro, Pérdida de carga en accidentes PRÁCTICA Nº 4: Destilación diferencial o Asistencia y realización del examen obligatorio, el trabajo en el laboratorio se guarda durante dos cursos. o Cuaderno de prácticas (20%) Nota mínima para hacer media 4,0 puntos. La nota del cuaderno de prácticas se guardará durante los dos cursos siguientes a la realización del mismo. o Examen (10%) Nota mínima para hacer media 4,0 puntos Pág. 5/7
TEORIA + PROBLEMAS (70% Nota Final) o Examen final (Teoría + Problemas). Nota mínima en cada una de las partes 4.0 puntos. Nota media mínima 5.0 puntos 8. BIBLIOGRAFÍA 8.1. BIBLIOGRAFÍA BÁSICA CALLEJA, G; GARCÍA, F; DE LUCAS, A; PRATS, D; RODRÍGUEZ, J.M. Introducción a la Ingeniería Química. Ed. Síntesis. Madrid (1999) COSTA, E.; SOTELO, J.L.; CALLEJA, G.; OVEJERO, G.; DE LUCAS, A.; AGUADO, J. y UGUINA, M.A. Ingeniería Química 1. Conceptos generales, Alhambra, Madrid (1983) Ingeniería Química 5. Transferencia de materia, 1ª parte, Alhambra, Madrid (1988) COSTA, E.; CALLEJA, G., OVEJERO, G.; DE LUCAS, A.; AGUADO, J. y UGUINA, M.A. Ingeniería Química 2. Fenómenos de transporte, Alhambra, Madrid (1984) Ingeniería Química 3.Flujo de fluidos, Alhambra, Madrid (1985) Ingeniería Química 4. Transmisión de calor, Alhambra, Madrid (1986) COSTA, J.; CERVERA,S.; CUNILL, F.; ESPLUGAS, S.; MANS, C. y MATA,J. Curso de Ingeniería Química, Reverté, Barcelona (1993). COULSON, J.M.; RICHARDSON, J.F.; BACKHURST, J.R. y HARKER, J.H. Ingeniería Química. Volumen I. Flujo de fluidos, Transmisión de calor y Transferencia de materia. 3ª ed. Reverté, Barcelona (1980). Ingeniería Química.Volumen II. Operaciones Básicas. 3ª ed. Reverté, Barcelona (1988). Chemical Engineering. Volumen 4. 2ª ed. Solutions to the Problems in Volume 1, Pergamon, New York (1994). Chemical Engineering. Volumen 6. 2ª ed. Chemical Engineering Design. Butterworth. Heinemann, Oxford (1996). CHAPMAN, A.J.; PERRY, R.H.; GREEN, D.W. y MALONEY, J.O. Fundamentals of heat transfer, 6ª edición, Mc Graw Hill, New York (1987) DARBY, R. Chemical engineering fluid Mechanics. Marcel Dekker, New York (1996) FELDER, R. M. y ROUSSEAU, R.W. Principios elementales de los procesos químicos. 2 edición, Addison Wesley Iberoamericana, Willmington (1991) FOUST, A.S.; WENZEL, L.A.; CLUMP, C.W.L. y ANDERSEN, L.B. Principios de operaciones unitarias. 2ª edición, Compañía editorial Continental, México (1987) HENLEY, E.J. ; ROSEN, E.M. Cálculos de Balances de materia y energía. Reverté, Barcelona (1993) HENLEY, E.J. y SEADER, J.D. Operaciones de Separación por etapas de equilibrio. Reverté, Barcelona (1988) HIMMELBLAU, D.M. Principios y cálculos básicos de Ingeniería Química. CECSA, S.A. de C.V.,Mexico (1986) KERN, D.Q. Procesos de Transferencia de Calor. CECSA, México (1984) KING, C.J. Procesos de separación. Repla S.A., México (1988). LEVENSPIEL, O. Flujo de fluidos. Transmisión de calor. Reverté, Barcelona (1993) LUYBEN, W.L. y WENZEL, L.A. Pág. 6/7
Chemical Processes Analysis: Mass and Energy Balances. Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey (1988) Mc CABE, W.L.; SMITH, J.C. y HARRIOT, P. Operaciones unitarias en Ingeniería Química. 4ª ed. Mc Graw Hill, Madrid (1991) REID, C,R.; PRAUSNITZ, J.M. y POLING, E.B The Properties of Gases and Liquids. 4ª ed. Mc Graw Hill, New York (1987) REKLAITIS, G.V. Introduction to Material and Energy Balances. J. Wiley, New York (1983) TREYBAL, R.E. Operaciones de Transferencia de Masa. Mc Graw Hill, México (1980) VIAN, A. y OCON, J. Elementos de Ingeniería Química. Aguilar, Madrid (1976). 8.2. BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA KIRK, R.E. y OTHMER, D.F. Encyclopedia of Chemical Technology. 4ª edición. J. Willey & Sons Inc. New York (1991 1998). PERRY, R.H. y GREEN, D. Manual del Ingeniero Químico. 6ª edición. Mc Graw Hill. México (1992). ULLMANN, F. Ullmanns's Encyclopedia of Industrial Chemistry. 5ª edición, Verlag Chemie, Weinheim (1985 94). Pág. 7/7