BALANCES DE MATERIA

INGENIERÍA QUÍMICA: PROGRAMA
Departamento de Ingeniería Química
Universidad de Almería
04071-Almería, ESPAÑA
Asignatura:
Curso:
Titulación:
Créditos:
Profesor:
Ingeniería Química
3 Curso
Licenciatura en Ciencias Químicas, Universidad de Almería
12, 9 Teóricos + 3 Prácticos
Dr. Asterio Sánchez Mirón
PROGRAMA DE LA ASIGNATURA
1.
INTRODUCCIÓN
A
LA
INGENIERÍA
QUÍMICA.
PROCESOS
QUÍMICO-
INDUSTRIALES
1.1. Concepto de operación básica
1.2. Modos de operación: Operaciones continuas, discontinuas y semicontinuas
1.3. Contacto entre fases: continuo o discontinuo
1.4. Flujo en paralelo, en contracorriente y cruzado
1.5. Clasificación de las operaciones básicas
1.6. Objetivos de la asignatura “Ingeniería Química”
1.7. Obtención de ácido sulfúrico por el método de contacto
2. BALANCES DE MATERIA
2.1. Principio de conservación
2.1.1. Finalidad de los balances
2.1.2. Definición de balance de materia
2.2. Balances de materia en sistemas sin reacción química y en estado estacionario
2.2.1. Sistema formado por una sola unidad
2.2.2. Sistemas formados por unidades en serie
2.2.3. Sistemas con corriente de derivación o “by-pass”
2.2.4. Sistemas con recirculación de corrientes
2.2.5. Sistemas con recirculación y purga
2.3. Balances de materia en sistemas con reacción química y estado estacionario
2.3.1. Definiciones previas
2.3.2. Sistema formado por una sola unidad
2.3.3. Sistema con separación, recirculación y purga
2.3.4. Sistemas con recirculación sin separación previa
3. BALANCES DE ENERGÍA
3.1. Introducción. Formas de energía de interés en iq
3.2. Formas de expresión de la energía
3.3. Balance macroscópico de energía: expresión general
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3.3.1. Balances entálpicos
3.3.2. Entalpías de reacción
3.4. Aplicación de los balances de energía a diferentes casos de interés en la industria
química
3.4.1. Sistemas sin cambio de fase
3.4.2. Aprovechamiento del vapor de agua
3.4.3. Mezcla de corrientes. utilización del diagrama entalpía-composición
4. FENÓMENOS DE TRANSPORTE
4.1. Ecuación general de conservación o cambio
4.2. Ecuación de conservación de la materia
4.3. Ecuación de conservación de la energía térmica
4.4. Ecuación de conservación de cantidad de movimiento
4.5. Ecuaciones de conservación o cambio en flujo turbulento
4.5.1. Macroscópico
4.5.2. Microscópico
4.5.2.1. Ecuación de continuidad total en flujo turbulento
4.6. Bibliografía
5. CIRCULACIÓN DE FLUIDOS INCOMPRESIBLES
5.1. Introducción
5.2. Balance macroscópico de materia
5.3. Balance macroscópico de energía
5.4. Leyes experimentales del rozamiento
5.5. Pérdidas menores
5.6. Circulación de fluidos por conductos no circulares
5.7. Resolución de problemas prácticos
5.8. Tipos de válvulas
5.10. Medidores de presión
5.10.1. Sistemas mecánico-eléctricos
5.10.2. Sistemas mecánicos
5.10.2.1. De columna de líquido
5.10.2.2. Elásticos
5.10.3. Selección de medidores de presión
5.11. Medidores de caudal
5.11.1. Medidores de caudal volumétrico
5.11.1.1. Métodos de las mezclas
5.11.1.2. Medidores de presión diferencial
5.11.1.3. Medidores de área variable
5.11.1.4. Medidores de fuerza
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5.11.1.5. Medidores de velocidad
5.11.1.6. Medidores de desplazamiento positivo
5.11.2. Medidores de caudal másico
5.11.2.1. Métodos calorimétricos
5.11.2.2. Medidores de momento angular
5.11.3. Selección de medidores de caudal
6. BOMBEO DE FLUIDOS INCOMPRESIBLES
6.1. Introducción
6.2. Bombeo de líquidos
6.3. Bombas centrífugas
6.4. Elección de una bomba
6.5. Asociación de bombas
6.5.1. Asociación en paralelo
6.5.2. Asociación en serie
6.6. Bombas de desplazamiento positivo o volumétricas
6.6.1. Bombas alternativas
6.7. Criterios de selección del tipo de bomba
7. CIRCULACIÓN DE FLUIDOS COMPRESIBLES
7.1. Introducción
7.2. Ecuación general
7.3. Flujo isotermo
7.4. Flujo adiabático
7.5. Compresores
7.5.1. Compresión isotérmica
7.5.2. Compresión adiabática
7.5.3. Compresión politrópica
7.5.4. Ciclo de compresión
8. MOVIMIENTO DE PARTÍCULAS SÓLIDAS EN EL SENO DE UN FLUIDO
8.1. Introducción
8.2. Caracterización de partículas
8.3. Movimiento de partículas por acción de la gravedad
8.5. Gotas en el seno de un fluido
8.6. Clasificación de partículas
8.6.1. La misma sustancia y diferentes tamaños
8.6.2. Distinta naturaleza e igual tamaño
8.6.3. Distinta naturaleza y tamaño
8.7. Sedimentación
8.7.1. Método de Coe y Clevenger
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8.7.2. Método de Kynch-Roberts
9. CENTRIFUGACIÓN
9.1. Introducción
9.2. Aplicaciones de la centrífugación
9.2.1. Separación de líquidos inmiscibles
9.2.2. Clarificación centrífuga
9.2.3. Separación de lodos
9.3. Aparatos de centrífugación
9.3.1. Separación de líquidos inmiscibles
9.3.1.1. Centrífugas de cámara tubular
9.3.1.2. Centrífugas de cámara y disco
9.3.2. Clarificadoras centrífugas
9.3.2.1. Clarificadoras de cámara sólida
9.3.2.2. Centrífuga de cámara cilíndrica multicámara
9.3.3. Centrífuga de descarga por boquilla.
9.3.3.1. Centrífuga de descarga por válvulas y apertura automática
9.3.4. Centrífugas para lodos
9.3.4.1. Centrífuga de cámara y tornillo
9.4. Ciclones
10. CIRCULACIÓN DE FLUIDOS POR LECHOS FIJOS DE PARTÍCULAS
10.1. Introducción
10.2. Fase fluida única. Fluidos incompresibles
10.2.1. Cálculo del diámetro de los poros
10.2.2. Cálculo de la velocidad del fluido en los canales
10.2.2.1. Régimen laminar
10.2.2.2. Régimen turbulento
10.2.2.3. Régimen de transición
10.3. Fase fluida única fluidos compresibles
10.4. Dos fases fluidas (gas-líquido) en contracorriente
10.4.1. Diseño y tipos de relleno
10.4.2. Cálculo de la pérdida de carga
10.4.3. Previsión de los límites de inundación
10.5. Dos fases fluidas en corrientes paralelas
11. FILTRACIÓN
11.1. Introducción
11.2. Ecuación general de la filtración
11.3. Factores que determinan la eficiencia de la filtración
11.3.1. Influencia del área
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11.3.2. Influencia de la viscosidad
11.3.3. Influencia de la concentración de sólidos
11.3.4. Influencia de la resistencia especifica de la torta, α
11.4. Integración de la ecuación general de la filtración
11.4.1. Tortas incompresibles
11.4.1.1. Filtración a dp cte
11.4.1.2. Filtración a velocidad constante
11.4.2. Tortas compresibles
11.5. Ensayos permeabilidad-compresión
11.6. Tipos de filtros
11.6.1. Filtro de arena
11.6.2. Filtro prensa de marcos y placas
11.6.3. Filtro de hojas rotatorio
11.6.4. Filtros rotatorios continuos
11.7. Capacidad de filtración
11.8. Tiempo de filtración
11.9. Tiempo de lavado
11.9.1. Lavado por desplazamiento
11.9.2. Lavado por difusión
11.9.3. Lavado de filtros de placas y marcos
11.10. Tiempo de maniobra
12. FLUIDIZACIÓN
12.1. Introducción
12.2. Características generales de la fluidización
12.3. Fluidización en dos fases
12.3.1. Pérdida de presión por fricción
12.3.2. Velocidad mínima de fluidización
12.3.2.1. Determinación del tamaño de partícula
12.3.3. Velocidad de elutriación o arrastre
12.3.3.1. Márgenes de fluidización
12.4. Fluidización en tres fases
13. TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONDUCCIÓN
13.1. Introducción
13.2. Ecuaciones básicas del transporte de calor por conducción
13.2.1. Conducción de calor en régimen estacionario
13.2.1.1. Lámina plana infinita
13.2.1.2. Varias láminas de diferentes materiales en serie
13.2.1.3. Lámina infinita en un ambiente
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13.2.1.3. Cilindro infinito
13.2.1.4. Esfera
13.2.2. Conducción de calor con k variable
13.2.3. Conducción de calor con generación
13.2.4. Conducción de calor en flujo bidimensional
13.2.4.1. Etapas del método de relajación
13.2.5. Transmisión de calor en régimen no estacionario
13.2.5.1. Método gráfico
13.2.5.2. Método numérico
14. TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONVECCIÓN
14.1. Introducción
14.1.1. Ejemplo de convección forzada y régimen laminar
14.1.2. Ejemplo de convección natural
14.2. Coeficiente de transferencia de calor por convección
14.3. Cálculo de h mediante análisis dimensional
14.4. Obtención de h mediante experimentación
14.5. Analogías entre la transferencia de cantidad de movimiento y la convección térmica
14.5.1. Analogía de Reynolds
14.5.2. Analogía de Prandtl-Taylor
14.5.3. Analogía de von Karman
14.5.4. Analogía de Colburn
14.6. Ecuaciones empíricas para el cálculo de h
15. TRANSMISIÓN DE CALOR POR RADIACIÓN
15.1. Introducción
15.2. Conceptos básicos
15.2.1. Naturaleza de la radiación
15.2.2. Leyes básicas de la radiación
15.2.3. Superficie negra
15.2.4. Energía emitida y absorbida por una superficie
15.2.5. Cuerpo gris
15.3. Radiación entre dos superficies
15.3.1. Cálculo de los factores geométricos de visión
15.3.2. Factores de visión para cuerpos negros
15.3.3. Factores de visión para superficies unidas por refractarios
15.3.4. Factores de visión para superficies grises
15.4. Estimación de la magnitud de hr
16. DISEÑO DE CAMBIADORES DE CALOR
16.1. Introducción
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16.2. Diseño térmico de cambiadores de calor
16.3. Coeficiente global de transmisión de calor, U
16.3.1. Cambiador de tubos concéntricos
16.3.1.1. U constante
16.3.1.2. U variable
16.3.1.3. Aspectos prácticos en el diseño de cambiadores de calor
16.3.2. Cambiadores de calor de placas
16.3.2.1. Tipo de flujo
17. DISEÑO DE EVAPORADORES
17.1. Introducción
17.2. Ebullición de líquidos
17.3. Condensación de vapores
17.4. Diferencia media de temperatura
17.5. Temperatura de ebullición
17.6. Diseño térmico de evaporadores
17.7. Diseño de un solo efecto
17.7.1. Aprovechamiento del vapor producido
17.8. Diseño de un múltiple efecto
17.8.1. Alimentación directa
17.8.2. Alimentación en contracorriente
17.8.3. Alimentación en paralelo
17.8.4. Alimentación mixta
17.8.5. Limitación tecnológica en el número de efectos
17.8.6. Cálculos de un triple efecto
17.8.6.1. Método de Badger-McCabe
17.8.6.2. Diseño con elevación del punto de ebullición
18. TRANSFERENCIA DE MATERIA POR DIFUSIÓN Y CONVECCIÓN
18.1. Introducción
18.2. Difusión molecular. Ley de Fick
18.3. Definiciones y significado de las densidades de flujo
18.4. Balance microscópico de materia. Ecuación de continuidad
18.5. Transferencia de materia por difusión molecular en estado estacionario en gases
18.5.1. Contradifusión equimolecular en estado estacionario
18.5.2. Difusión en estado estacionario de un componente en otro no difusivo y en reposo
18.6. Transferencia de materia por difusión con reacción química simultánea
18.6.1. Sistema homogéneo de reacción única
18.6.2. Sistema catalítico homogéneo
18.7. Transferencia de materia por convección
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18.7.1. Coeficientes de transferencia de materia por convección
18.7.3. Transferencia de materia entre fases
18.8. Coeficientes individuales de transferencia de materia
18.9. Coeficientes globales de transferencia de materia
18.10. Coeficientes volumétricos de transferencia de materia
19. ABSORCIÓN EN COLUMNAS DE RELLENO
19.1. Objetivos
19.2. Equilibrio gas-líquido
19.3. Descripción de una columna de relleno. Tipos de relleno
19.3.1. Contacto entre el líquido y el gas
19.3.2. Velocidades límite de flujo; carga e inundación
19.4. Balances macroscópicos de materia. Utilización de caudales de gas portador y
líquido absorbente y relaciones molares de soluto
19.4.1. Relación mínima líquido-gas para absorbedores
19.5. Cálculo del número de etapas de equilibrio
19.5.1. Cálculos basados en las relaciones molares de soluto
19.5.1.1. Balance microscópico de soluto
19.5.2. Altura de una unidad de transferencia. Número de unidades de transferencia.
Altura de relleno
19.5.3. Comparación entre los conceptos de etapa de equilibrio y unidad de transferencia
19.6. Extensión de los conceptos a otras expresiones de la concentración
20.
OPERACIONES
DE
SEPARACIÓN
POR
ETAPAS
DE
EQUILIBRIO.
RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
20.1. Equilibrio líquido vapor. Diagramas y-x y T-x-y
20.2. Descripción de una columna de rectificación de pisos
20.3. Análisis de columnas de fraccionamiento por el método de Mccabe-Thiele
20.3.1. Balances de materia. Líneas de operación
20.3.2. Determinación del número de etapas de equilibrio y de la etapa de alimentación
20.3.3. Plato de alimentación
20.4. Condiciones límite de funcionamiento: reflujo total y reflujo mínimo
20.5. Eficiencia de los platos
20.6. Problemas
21. INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA DE LA REACCIÓN QUÍMICA
21.1. Introducción
21.2. Clasificación de las reacciones químicas
21.3. Termodinámica y cinética química
21.4. Modelos de reactores homogéneos
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21.4.1. Grado de mezcla
21.4.2. Régimen de funcionamiento e intercambio de materia con el exterior
21.4.3. Intercambio de energía con el exterior
21.4.4. Intervalos espacial y temporal
22. REACTORES QUÍMICOS ISOTERMOS PARA SISTEMAS DE REACCIÓN ÚNICA
22.1. Introducción
22.2. Reactor discontinuo mezcla perfecta (R.D.M.P)
22.2.1. Tiempo óptimo de funcionamiento. Velocidad de producción máxima
22.3. Reactores continuos
22.3.1. Reactor continuo flujo pistón (R.C.F.P.)
22.3.2. Reactor continuo mezcla perfecta (R.C.M.P.)
22.3.2.1. Reactores continuos mezcla perfecta en serie
22.3.2.2. Comparación de los reactores continuos
23. CATÁLISIS HETEROGÉNEA: REACCIONES EN FASE FLUIDA CATALIZADA
POR SÓLIDOS
23.1. Importancia industrial de la catálisis heterogénea
23.2. Mecanismo de las reacciones en fase fluida catalizada por sólidos
23.2.1. Etapas de superficie
23.2.1.1. Isoterma de adsorción de Langmuir
23.2.1.2. Ecuaciones cinéticas de etapas superficiales
23.2.2. Influencia de la difusión en catalizadores porosos. Factor de eficacia
23.3. descripción de los reactores de lecho fijo y de lecho fluidizado
BIBLIOGRAFÍA.
McCabe ,W.L., Smith, J.C. y Harriot, T.P. “Unit operations of chemical engineering. 4th
McGraw-Hill. 1985.
Coulson J. M. y Richardson J. F., 1981, “Ingeniería Química”, Ed. Reverte S. A.
Perry. “Manual del Ingeniero Químico”. Sexta Edición. Tomos I y II. McGraw Hill.
Levenspiel, O. “Flujo de fluidos. Intercambio de calor”. Editorial Reverte, 1993.
Costa Novella E., “Ingeniería Química”, Alhambra Universidad. 1985.
Alan J. Chapman. “Transmisión de calor”. Ed. MBH. 1984.
Christie J. Geankoplis. “Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias”. Ed. CECSA.
1982.
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