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Cálculos en Ingeniería Química

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Academic year: 2020

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Dirección General de Educación Superior Tecnológica

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

Referencias

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