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1. Datos Generales de la asignatura Nombre de la asignatura:
Clave de la asignatura: SATCA1: Carrera:
Cálculos en Ingeniería Química IPF-1401
3 – 2 – 5
Ingeniería Química
2. Presentación
Caracterización de la asignatura
Le proporciona al ingeniero químico los elementos necesarios para relacionar todos los cálculos básicos de ingeniería química -conceptos de análisis dimensional, termodinámica, fisicoquímica, balances de materia en sistemas reactivos y no reactivos y balances de energía, aplicados a problemas bien definidos- con el diseño de procesos químicos reales para generar un producto.
Esta asignatura es importante porque le proporciona a los estudiantes una mejor idea acerca de cómo los procesos químicos convierten materias primas en productos útiles, dándoles una visión de la forma en que los ingenieros químicos toman decisiones y evalúan las restricciones para idear, la mejora de proceso o un bien, si es redituable implementar nuevos procesos aplicando tecnologías de punta para obtener un producto, sin olvidar la importancia de la sustentabilidad.
El programa contiene 3 unidades, en donde se abordan el análisis matemático de las ecuaciones de balances de materia, la síntesis de diagramas de flujo de reactores y selección para de las condiciones de proceso del reactor, para finalizar con la síntesis de los diagramas de flujo de energía.
A esta asignatura le anteceden las materias de química inorgánica y orgánica, balance de materia y energía, calculo diferencial e integral, ecuaciones diferenciales y síntesis de procesos.
Intención didáctica
La unidad 1, permite retomar los conocimientos de balances de materia y energía para posteriormente entrar al análisis matemático de las ecuaciones de balances de materia en sistemas no estacionarios, situación común en muchos procesos de producción química.
La síntesis de diagramas de flujo de reactores y selección de las condiciones de procesos de reactores, se aborda en la unidad dos, como una metodología para analizar y medir cuantitativamente el desempeño del reactor y su influencia en las características técnicas del desempeño en los cálculos de flujo y en el diseño del proceso.
En la Unidad 3, se realizan cálculos de balances de energía de procesos y síntesis de
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diagramas de flujo de energía mediante estrategias y técnicas para conservar los recursos energéticos de manera sustentable
3. Participantes en el diseño y seguimiento curricular del programa
Lugar y fecha de elaboración o revisión
Participantes Observaciones
Instituto Tecnológico de Atitalaquia Enero 2014
Profesores adscritos a la carrer de Ingeniería Química
Emisión del documento de
Propuesta General del
Módulo de Especialidad.
4. Competencia(s) a desarrollar
Competencia(s) específica(s) de la asignatura
Calcular, analizar y evaluar cuantitativamente los sistemas de producción industriales empleados en la generación de bienes y servicios, mediante el uso de técnicas y herramientas de vanguardia.
5. Competencias previas
Manejo de tablas de propiedades fisicoquímicas de la materia.
Realizar balances de energía y masa sin y con reacción química en flujo estacionario. Aplicaciones de cálculo diferencial e integral
Aplicar ecuaciones diferenciales Manejo de álgebra
Diseñar y seleccionar reactores químicos
6. Temario
No. Temas Subtemas
1 Análisis matemático de las ecuaciones de balances de materia en procesos transitorios
1.1 Introducción a los procesos
transitorios.
1.2 Ecuación general de balance de materia con y sin reacción química.
1.3 Forma general de la ecuación
diferencial de balance de materia. 1.4 Aplicaciones de balances diferenciales. 1.5 Formas generales de las ecuaciones
integrales de balances de materia. Aplicaciones de balances integrales 2 Síntesis de diagramas de flujo de
reactores y selección para las
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condiciones de proceso del reactor. 2.2 Conceptos básicos de síntesis de
procesos
2.2.1 Heurística para seleccionar
reacciones químicas.
2.2.2 Análisis de generación-consumo 2.2.3 Economía del átomo
2.3 Ecuación de balance de materia de un reactor.
2.3.1 Reactores con estequiometria de reacción conocida
2.3.2 Reactores de estequiometria de reacción desconocida
2.4 Especificaciones de composición de corrientes y del desempeño del sistema de reactores
2.4.1 Reactivo en exceso y limitante 2.4.2 Conversión fraccionaria y su efecto
en síntesis de diagramas de flujo de reactores
2.4.3 Selectividad y rendimiento
2.5 Equilibrio químico y cinética química 2.5.1 La constante de equilibrio de la
reacción química Ka
Equilibrio de la reacción y desempeño del reactor
3 Cálculos de la energía de procesos y síntesis de los diagramas de flujo de energía.
3.1 Ecuación de balance de energía
3.2 Energía del sistema, flujo de energía, energía específica
3.3 Cálculos de energía de procesos
3.3.1 Procedimiento sistemático para los cálculos de energía de proceso Problemas de aplicación
7. Actividades de aprendizaje de los temas
Nombre de tema
Análisis matemático de las ecuaciones de balances de materia
Competencias Actividades de aprendizaje
Específica(s):
Desarrollar expresiones para la ecuación de balance de materia en sistemas transitorios con la finalidad de analizar y resolver
Investigar la ecuación general de balance de materia sin reacción Investigar la ecuación general de
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problemas de complejidad creciente.
Genéricas:
Competencias Instrumentales
Capacidad de análisis y síntesis. Capacidad de organizar y planificar. Conocimientos básicos de la carrera.
Habilidad para buscar y analizar
información proveniente de fuentes diversas.
Solución de problemas.
Toma de decisiones. Competencias
interpersonales
Capacidad crítica y autocrítica
Trabajo en equipo
Habilidades interpersonales Competencias sistémicas
Capacidad de aplicar los conocimientos en la práctica.
Habilidades de investigación.
Capacidad de aprender
Capacidad de generar nuevas ideas
(creatividad).
Habilidad para trabajar en forma
autónoma.
Búsqueda de logro.
materia y suministrar las
condiciones iniciales para procesos transitorios bien mezclados de una unidad, para proceso no reactivos transitorios
Predecir el comportamiento del
sistema transitorio por inspección de las ecuaciones de balance
Solucionar ejemplos de balance de masa sin reacción química
Ejemplo: Disolución de azúcar Solucionar ejemplos de balance de
masa con reacción química:
Ejemplo: Consumo de glucosa en un fermentador
Nombre de tema
Síntesis de diagramas de flujo de reactores y selección para de las condiciones de proceso del reactor.
Competencias Actividades de aprendizaje
Específica(s):
Aplicar la heurística de síntesis de reactores
Aprender a medir cuantitativamente el desempeño del reactor y su influencia en las características técnicas del desempeño en los cálculos de flujo y en el diseño del proceso.
Genéricas:
Investigar las reacciones químicas
importantes para la industria
Investigar y exponer las reglas
heurísticas para la selección de
reacciones químicas
Resolver ejercicios de balance de
materia de un reactor.
- Con estequiometria de reacción conocida
- Con reacción desconocida
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Competencias Instrumentales
Capacidad de análisis y síntesis. Capacidad de organizar y planificar. Conocimientos básicos de la carrera.
Habilidad para buscar y analizar
información proveniente de fuentes diversas.
Solución de problemas.
Toma de decisiones.
Competencias interpersonales Capacidad crítica y autocrítica
Trabajo en equipo
Habilidades interpersonales Competencias sistémicas
Capacidad de aplicar los conocimientos en la práctica.
Habilidades de investigación.
Capacidad de aprender
Capacidad de generar nuevas ideas
(creatividad).
Habilidad para trabajar en forma
autónoma.
Búsqueda de logro.
especificaciones de composición de corrientes: Reactivo en exceso y limitante
Aplicar balances de materia, enfatizando especificaciones de composición de corrientes: Conversión fraccionaria Aplicar balances de materia, enfatizando
especificaciones de composición de corrientes; Conversión fraccionaria y su efecto en síntesis de diagramas de flujo de reactores
Aplicar balances de materia, enfatizando especificaciones de composición de corrientes: Conversión fraccionaria y su efecto en la síntesis del diagrama de flujo del reactor; reciclaje y purga. Aplicar Balances de materia, enfatizando
especificaciones de composición de
corrientes: Especificaciones del
desempeño del sistema: Selectividad y rendimiento
Aplicar balances de materia, utilizando los conceptos de “Equilibrio Químico” y “Cinética Química”
Nombre de tema
Cálculos de la energía de procesos y síntesis de los diagramas de flujo de energía
Competencias Actividades de aprendizaje
Específica(s):
Aplicar los conceptos termodinámicos y
fisicoquímicos para la resolución
matemática de balances de energía de procesos mediante estrategias y técnicas para conservar dichos recursos energéticos de manera segura y atinada.
Genéricas:
Competencias Instrumentales
Capacidad de análisis y síntesis. Capacidad de organizar y planificar.
Investigar cuales son los recursos energéticos que se utilizan en la industria.
Realizar un cuadro comparativo entre los fluidos de calentamiento y de enfriamiento
Realizar una lista de equipos que se utilizan en la industria para realizar la de transferencia de energía
Deducir la ecuación de balance de energía
Definir los siguientes conceptos: - Energía específica
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Conocimientos básicos de la carrera.
Habilidad para buscar y analizar
información proveniente de fuentes diversas.
Solución de problemas.
Toma de decisiones.
Competencias interpersonales Capacidad crítica y autocrítica
Trabajo en equipo
Habilidades interpersonales Competencias sistémicas
Capacidad de aplicar los conocimientos en la práctica.
Habilidades de investigación.
Capacidad de aprender
Capacidad de generar nuevas ideas
(creatividad).
Habilidad para trabajar en forma
autónoma.
Búsqueda de logro.
- Energía potencial - Entalpia
- Energía Interna
Realizar una lista de modelos o
ecuaciones matemáticas de aplicación común en la cuantificación de energía,
utilizando datos de tablas de
propiedades termodinámicas
Investigar el efecto de la temperatura, la presión y la concentración en los balances de energía
Investigar el procedimiento sistemático para realizar los cálculos de energía en equipos de proceso industriales
Realizar cálculos de balance de energía en equipos de proceso químicos
8. Práctica(s)
1. Taller de solución de problemas.
2. Elaboración o interpretación de diagramas de flujo de plantas químicas.
3. Elaboración de diagramas de flujo de reactores indicando condiciones de proceso.
4. Realizar simulación en softwares de balances de materia y energía
9. Proyecto de asignatura
El proyecto integrador debe considerar las siguientes fases:
Contextualización y/o diagnóstico Fundamentación
Planeación Ejecución Evaluación
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previas.
El proyecto integrador debe tener un criterio de evaluación.
10. Evaluación por competencias
Para efecto de un análisis inicial, el docente realizará una evaluación diagnóstica que le permita ajustar su instrumentación didáctica. A efecto de evaluar que el estudiante haya adquirido las competencias del curso, deberá contemplar una evaluación formativa y sumativa, las cuales considerarán diferentes ámbitos como la heteroevaluación, autoevaluación y coevaluación. Todo ello deberá ser comprobable mediante un portafolio de evidencias, de preferencia en formato digital.
Instrumentos:
Glosario de conceptos. Mapa mental.
Mapa conceptual. Cuadro comparativo. Cuadro sinóptico. Foros de discusión. Informe técnico. Informe analítico. Ensayo.
Prácticas. Examen escrito. Proyecto integrador.
Herramientas:
Lista de cotejo. Rúbrica.
Memoria del evento.
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1. Regina Murghy. Introducción a los Procesos Químicos: Principios, Análisis, Síntesis. McGraw Hill. Ed. 01. 2007
2. Himmelblau, D.M.: Principios básicos y cálculo en Ingeniería Química. Ed. Prentice Hall : Pearson Educación, México (1997)
3. Felder, R.M. y Rousseau. R.W.: Principios generales de los procesos químicos. Ed. Interamericana, México (1990)
4. Reklaitis. GV.: Balances de materia y energía. Ed. Interamericana, México (1986) 5. Perry, Robert H. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. McGraw – Hill J. Henley