Licenciatura en Qiímica 1-6 CÓDIGO: 24/93-0104 CURSO: 1999-2000 Carga docente: 5 créditos teóricos y 2 créditos prácticos 2º cuatrimestre Departamento: Ingeniería Química Profesor/es: : Juan Carlos García Quesada, Juan Antonio Reyes Labarta, Jose Antonio Caballero y Juan Antonio Conesa Ferrer. Profesorado prácticas: Sergio Menarges Irles, Pedro Varó Galvañ, Carlos Lillo y Jose Valero. OBJETIVOS Familiarizar al estudiante con los procesos industriales, aplicando los conceptos químicos aprendidos a sistemas de nivel industrial. Para ello, se hará hincapié en la utilización de balances de materia y energía tanto en sistemas en régimen estacionario como no estacionario y en la importancia de los diagramas y relaciones de equilibrio. Se introduce, asimismo, las nociones mínimas necesarias en el diseño de reactores y se aplican los conceptos aprendidos a ejemplos concretos de procesos de la industria química. Esta asignatura es equivalente a la Química Técnica I del Plan antiguo de la Licenciatura de Químicas. Sería conveniente que se impartiera en cursos más avanzados, cuando el alumno ya ha adquirido mayor soltura en conceptos químicos y matemáticos. Sería más adecuada su impartición en 2º curso (en caso de una carrera de estructura 2+2) o en 3 er curso (si la carrera es 3+2). PROGRAMA Teoría TEMA 1. LA 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. 3.2. Régimen estacionario y no estacionario. TEMA 2. LAS OPERACIONES UNITARIAS 1. Mecanismos y fenómenos de transporte. 2. Concepto de operaciones unitarias. Clasificación. 2.1. Operaciones unitarias controladas por la transferencia de materia: Destilación y Rectificación, Absorción-Desorción, Extracción, Adsorción e Intercambio Iónico. 2.2. Operaciones unitarias controladas por la transmisión de calor: Aislamiento térmico, Calefacción o Refrigeración de fluidos, Evaporación y Condensación. 2.3. Operaciones unitarias controladas por la transferencia simultánea de calor y materia: Acondicionamiento de gases, Enfriamiento de líquidos, Cristalización, Secado, Liofilización. 2.4. Operaciones unitarias controladas por el transporte de cantidad de movimiento: Circulación de fluidos por el interior de conducciones, Fluidización, Filtración, Sedimentación, Flotación, Centrifugación. 2.5. Operaciones unitarias complementarias: Trituración y Molienda, Tamizado, Mezclado de sólidos. 2.6. Operación unitaria química: Tipos de reactores.
Licenciatura en Química 2-6 TEMA 3. INTRODUCCIÓN A LOS CÁLCULOS EN 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. 6.2. 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.. 1.1. Ley de conservación de la materia. 1.2. Ecuación generalizada del balance de materia. 2. Planteamientos sencillos del balance de materia. 2.1. La ecuación general del balance. 2.2. Balance en procesos continuos y en régimen estacionario. 2.3. Balances integrales en procsos discontinuos. 2.4. Balances integrales sobre procesos semiintermitentes y contínuos. 3. Aplicación de balance de materia a sistemas de una unidad. 3.1. Presentación de la información en diagrama de flujo. 3.2. Base de cálculo: cómo y cuándo se debe utilizar. 3.3. Evaluación de la contabilidad de un problema. Hay suficientes datos para resolver un problema?. 3.4. 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. 6.1. Generalidades sobre estequiometría de reacciones químicas (una reacción). Reactivo limitante, reactivo en exceso, fracción de exceso, conversión fraccionaria, grado de avance. 6.2. Generalidades sobre estequiometría de reacciones químicas (varias reacciones). Rendimiento y selectividad. 6.3. Aplicación de balances de materia a sistemas reactivos. 6.3.1. Balance de materia de especies moleculares. Balance de materia de especies atómicas. Empleo del grado de avance. 6.3.2. Aplicación a sistemas con recirculación y/o bypass. Conversión en una etapa. Conversión global. 6.3.5. Aplicación a sistemas que poseen purga. Justificación de la necesidad de instalar purgas en sistemas reactivos que contienen alguna sustancia inerte. 6.4. 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. 1.1. 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). 1.2. Densidad de líquidos y sólidos. 1.3. Gases ideales. 1.3.1. Ecuación del gas ideal. Condiciones estandar. 1.3.2. Mezcla de gases ideales. Presión parcial. Volumen parcial. 1.4. Gases reales. 1.4.1. Ecuaciones de estado viriales. 1.4.2. Ecuaciones de estado cúbicas. 1.4.3. Ecuaciones de estado del factor de compresibilidad. Cálculo del factor de compresibilidad. 1.4.4. Mezcla de gases reales. Regla de Kay.
Licenciatura en Qiímica 3-6 2. Sistema de varias fases. 2.1. Introducción. Propiedades físicas y leyes que gobiernan el comportamiento de un sistema de dos fases. 2.2. Equilibrio de fases de sistemas de un componente. 2.2.1. Diagrama de fases. Comportamiento excepcional del agua. Presión de vapor. Temperatura de ebullición, de sublimación y de fusión. Punto triple. Punto crítico. 2.2.2. Cálculo de presiones de vapor. Ecuación de Clausius-Clapeyron. Gráficas de Cox, y ecuación de Antoine. 2.3. Regla de las fases de Gibbs. Variables intensivas y extensivas. Definición y cálculo del número de grados de libertad de un sistema. 2.4. Sistema gas-líquido: Un componente condensable. 2.4.1. Aplicación de la ley de Raoult. 2.4.2. Definición de vapor saturado, vapor sobrecalentado y grado de sobrecalentamiento. 2.4.3. Sistema aire / agua. Humedad relativa, molal, absoluta y porcentaje de saturación. 2.5. Sistemas multicomponentes líquido-vapor: Varios componentes condensables. 2.5.1. Fuentes de datos de equilibrio líquido-vapor tabulados. 2.5.2. Cálculo de datos del equilibrio líquido-vapor. Leyes de Raoult (disolución ideal) y Henry. Punto de burbuja y de rocío. 2.5.3. Obtención de datos del equilibrio líquido-vapor (para sistema de dos componentes) a partir de diagramas Txy ó Pxy. 2.6. Disoluciones de sólidos en líquidos. 2.6.1. Solubilidad y saturación. Fuentes de datos tabulados. 2.6.2. Diagrama de fases. Caso de sales polihidratadas. Aplicación de la regla de la palanca. 2.6.3. Propiedades coligativas de las disoluciones. Presión de vapor, puntos de ebullición y punto de congelación. 2.7. Líquidos inmiscibles y parcialmente miscibles. 2.7.1. Miscibilidad y coeficientes de reparto. Caso de dos componentes, siendo dos de ellos parcialmente miscibles entre sí y totalmente miscibles con el tercero. 2.7.2. 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. 1.1. Balances de materia. 1.2. Balances de energía para procesos no reactivos de una sola fase. TEMA 8. FUNDAMENTOS DE LAS OPERACIONES DE SEPARACIÓN 1. Estudio de las operaciones de separación más convencionales. Aplicación de balances de materia, energía y relaciones de equilibrio 1.1. Destilación 1.2. Rectificación 1.3. Extracción
Licenciatura en Química 4-6 TEMA 9. PRINCIPIOS DE LOS REACTORES QUÍMICOS 1. Introducción al diseño de reactores para sistemas homogéneos. Reactores ideales 1.1. Reactor discontinuo de tanque agitado. 1.2. Reactor continuo de tanque agitado. 1.3. Reactor de flujo pistón. 2. Introducción al diseño de reactores para sistemas heterogéneos. 2.1. Reacciones sólido-fluido. TEMA 10. 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 Práctica OBJETIVOS Familiarizar al estudiante con el manejo de ordenadores, centrado en el aprendizaje y manejo de la hoja de cálculo Excel 5.0, aplicado a la resolución de problemas de ingeniería química. Dado que para la mayoría de estudiantes resulta ser la primera vez que trabajan con ordenadores, las primeras sesiones se dedican al manejo de éste y al aprendizaje de los menús de la hoja de cálculo. Por tanto, sería conveniente que se impartiera esta asignatura en cursos más avanzados, cuando el alumno ya ha adquirido mayor experiencia y soltura en el manejo de ordenadores. PROGRAMA El alumno recibe un total de 10 sesiones, de 2 horas (2 créditos). Se detalla a continuación el contenido de las mismas. 1º y 2º SESIÓN: Aprendizaje básico para manejar un ordenador. Presentación de la hoja de cálculo. Movimiento por la hoja. Formulas. Copiar fórmulas. Edición de celdas y fórmulas. Empleo del bloqueo de celdas (símbolo $). Insertar filas, columnas, series, gráficos. Ajuste por mínimos cuadrados, empleando las ecuaciones del método, de forma automática a partir del gráfico y a partir del asistente de funciones. 3º SESIÓN: Resolución problemas donde se requiere el cambio de unidades a columnas y a filas de datos, uso del ajuste por mínimos cuadrados. 4º SESIÓN: Resolución de problemas donde se requiere, el cambio de unidades, representaciones gráficas (distintos rangos de ordenadas para un mismo rango de abcisas) y ajuste por mínimos cuadrados. 5º SESIÓN: Integración de funciones matemáticas por el método de Simpson. 6º SESIÓN: Resolución de una ecuación no lineal por el método de Newton-Raphson.
Licenciatura en Qiímica 5-6 7º SESIÓN: Problema donde se repasa básicamente todo lo anterior. 8º SESIÓN: Problema de balance de materia, donde se requiere el uso del ajuste por mínimos cuadrados. 9º SESIÓN: Resolución de problemas de repaso. 10º SESIÓN: Planteamiento de problemas para la evaluación. OBSERVACIONES Fechas de los exámenes Se realizaran 3 exámenes de toda la asignatura a lo largo del curso: * uno en junio/julio (primera convocatoria) * otro en septiembre (segunda convocatoria) * otro en diciembre (tercera convocatoria) para los que no hayan superado las dos primeras convocatorias Realización de los exámenes Cada uno de los exámenes constará de varias partes. La nota se obtendrá como suma de las notas de las diferentes partes y estará calificada sobre 100. Dichas partes serán: 1) cuestiones teóricas y problemas breves: 42.5 puntos. Alrededor de 10 preguntas. 2) problemas largos: 42.5 puntos. 2 o 3 problemas largos. 3) un problema a resolver por ordenador. 15 puntos La nota del examen se obtendrá como suma de cada una de las partes. No se guardará la nota de ninguna de las partes para posteriores exámenes. La nota del examen de las dos primeras convocatorias se puede mejorar gracias al factor F, siendo F=nº de problemas presentados/nº de problemas propuestos a lo largo del curso. La mejora se obtiene con la siguiente fórmula NOTA FINAL = NOTA DEL EXAMEN * (1+0.1F) La condición para aprobar es que la NOTA FINAL sea mayor o igual a 50.
Licenciatura en Química 6-6 BIBLIOGRAFIA Principios elementales de los procesos químicos 2ª De. R. Felder y R. W. Rousseau; Addison-Wesley Iberoamericana (1991). Balances de materia y energía 4ª De. D. M. Himmelblau. Prentice Hall Hispanoamericana. 1988. Balances de materia, energía y cantidad de movimiento. Notas de clase 2ª De. 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).