Balance de materia y energía

PROGRAMA DE ESTUDIOS: BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
PROTOCOLO
Fechas
Elaboración
Mes/año
Clave
2 – 2007
Nivel
Licenciatura
Aprobación
Ciclo
Aplicación
Colegio
Plan de estudios del que forma parte:
Semestre
1-CT-SE-03
X
5to.
Maestría
Doctorado
Integración
Básico
Superior
H. y C.S.
C. y T.
X
X
C. y H.
Ingeniería en Sistemas Energéticos
Propósito(s) general(es): Que el estudiante plantee y resuelva balances de masa y energía, usando los
conocimientos adquiridos en procesos donde se lleve a cabo la generación, acondicionamiento, conservación o
transformación de un sistema de energía. Que el estudiante sea capaz de caracterizar procesos energéticos, a través
de la descomposición de los mismos en partes más sencillas, el establecimiento de las relaciones entre variables
conocidas y desconocidas y la aplicación de leyes naturales para la evaluación de los diferentes parámetros de
operación en diferentes sistemas de obtención de energía.
Carácter
Indispensable X
Optativa *
Modalidad
Seminario
Taller
Curso
X Curso-taller
Laboratorio
X Clínica
Horas de estudio semestral (16 semanas)
Con
Teóricas
72 Autónomas Teóricas
72
Docente
Prácticas
48
Prácticas
48
Carga horaria semanal:
Carga horaria semestral:
7.5
120
Asignaturas Posteriores:
Asignaturas Previas
Química orgánica
Transferencia de calor
Termodinámica y fluidos, Química general
Requerimientos
para cursar la
asignatura
Conocimientos: conocimientos generales de Química, Álgebra lineal y de las leyes de la
termodinámica.
Habilidades: plantear y resolver ecuaciones algebraicas de primero y segundo grado,
ecuaciones químicas, determinar y balancear ecuaciones químicas.
Perfil deseable
del profesor:
Que tenga una Licenciatura o Posgrado en alguna área relacionada con la química, tales como:
Químico e Ingeniero Químico de preferencia con experiencia docente.
Academia responsable del programa:
Programa de Energía
Diseñador (es):
Dr. Gerardo Canizal Jiménez, M. en I. Carlos Chávez
Baeza, Dr. Álvaro Eduardo Lentz Herrera, M. en I.
Fernando Gabriel Arroyo Cabañas
Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Balance de materia y energía.
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*Aquellas en las que se ofrece la posibilidad de cursar una de las asignaturas, para cubrir un requisito INDISPENSABLE
será considerada INDISPENSABLE.
Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Balance de materia y energía.
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PROGRAMA DE ESTUDIOS
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
INTRODUCCIÓN
Es una asignatura para la adecuada formación de las licenciaturas en Ingeniería donde se aplican
los principios de conservación de la masa y la energía, a la descripción y análisis de la operación de
los diferentes procesos de generación, conservación, almacenamiento y transformación de productos
y sistemas energéticos.
La temática cubre tanto sistemas que involucran reacciones químicas, como los que sólo realizan
transformaciones físicas. Asimismo, se analizan procesos en los que las propiedades de los
materiales no cambian con el tiempo (régimen estacionario), y procesos en los que el tiempo es una
variable importante (régimen no estacionario).
PROPÓSITOS GENERALES
Que el estudiante plantee y resuelva balances de masa y energía, usando los conocimientos
adquiridos en procesos donde se lleve a cabo la generación, acondicionamiento, conservación o
transformación de un sistema de energía. Que el estudiante sea capaz de caracterizar procesos
energéticos, a través de la descomposición de los mismos en partes más sencillas, el
establecimiento de las relaciones entre variables conocidas y desconocidas y la aplicación de leyes
naturales para la evaluación de los diferentes parámetros de operación en diferentes sistemas de
obtención de energía.
PLANEACIÓN ESPECÍFICA
UNIDAD 1. INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA
Propósitos específicos
Que el estudiante tenga una descripción actualizada de los conceptos de la química, para que a su
vez logre encontrar aplicaciones pertinentes. Repase el estudio de las reacciones químicas y logre
establecer algunas predicciones básicas, y así obtener una mejor visión sobre el balance de materia
y energía.
Temas y subtemas
1.1.
Estructura Atómica.
1.1.1. Modelo del átomo.
1.1.2. Partículas atómicas.
1.1.3. Configuración electrónica.
1.1.4. Principios de la mecánica cuántica.
1.1.5. Teoría de orbítales atómicos.
Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Balance de materia y energía.
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1.1.6. Números cuánticos.
1.1.7. Propiedades químicas de los elementos, periodicidad.
1.2. Tabla Periódica.
1.2.1. Propiedades periódicas: radios atómicos, iónicos, afinidad electrónica,
electronegatividad, número de oxidación.
1.3. Enlace químico.
1.4. Nomenclatura.
1.4.1. Reglas de IUPAC.
1.4.2. Sistema común.
1.5. Reacciones Químicas.
1.6. Estequiometría.
UNIDAD 2. QUÍMICA INORGÁNICA
Propósitos específicos
Que el estudiante conozca las diferentes familias o grupos de elementos químicos y pueda
asociarlas con las propiedades periódicas de los elementos, que le permitirá predecir la reacción y
los productos de reacción que se obtienen.
Temas y subtemas
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
Metales alcalinos y alcalinotérreos.
Familias del aluminio y del carbono.
Familia del nitrógeno.
Familia del oxígeno.
Familia de los halógenos.
Metales y Aleaciones.
UNIDAD 3. BALANCES DE MATERIA SIN REACCIÓN QUÍMICA
Propósitos específicos
Que el estudiante aplique el principio de conservación de la materia al análisis de diferentes
procesos industriales, para la determinación del flujo de las distintas materias primas y productos,
tanto intermedios como finales. Que realice la determinación de la masa que entra o sale de una
unidad de proceso ya sea de la corriente total o de uno de sus componentes a partir de un flujo
volumétrico, composición molar o en peso, incluyendo sólidos, líquidos y gases, lo que le permitirá
comprender mejor los procesos industriales.
Temas y subtemas
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
Introducción.
Importancia de los balances de masa y energía.
Conceptos básicos.
Flujo másico y volumétrico, Conversión entre ellos.
Fracción y porcentaje másico y molar.
Conversión de una composición másica a molar y viceversa.
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3.7.
3.8.
3.9.
3.10.
3.11.
Balance de masa sin reacción química en flujo continúo.
Deducción de la ecuación de balance de masa.
Balance de masa en sistemas en régimen estacionario.
Mezclado.
Ecuación de continuidad.
UNIDAD 4. BALANCE DE MATERIA CON REACCIÓN QUÍMICA
Propósitos específicos
Que el estudiante aplique el principio de conservación de la energía al análisis de diferentes
procesos industriales, para determinar el requerimiento energético de los mismos. Que aprenda a
resolver problemas con balances de masa en sistemas reaccionantes que involucren reacciones de
combustión, los cuales podrá aplicar a sistemas energéticos.
Temas y subtemas
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
4.7.
4.8.
4.9.
4.10.
4.11.
Conceptos básicos.
Reactivo limitante y en exceso.
Por ciento de conversión global y en un solo paso.
Rendimiento y selectividad.
Balance de masa con reacción química.
Con una sola reacción.
En una etapa.
En varias etapas (recirculación, derivación, purga y procesos).
Con más de una reacción.
En una etapa.
En varias etapas.
UNIDAD 5. BALANCE DE ENERGÍA Y MASA SIN REACCIÓN QUÍMICA
Propósitos específicos
Que el estudiante desarrolle balances de materia y energía sobre diversas operaciones unitarias
identificadas en los diferentes procesos industriales. Que plantee los problemas en un diagrama de
bloques o con simbología y roturarlo perfectamente, mediante el establecimiento de una ruta
hipotética lo cual le permitirá resolver el problema con mayor sencillez.
Temas y subtemas
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
5.7.
Conceptos básicos.
Tipos de procesos (isotérmico, adiabático, isobárico, aislado, isocórico).
Rutas hipotéticas.
Balance de energía y masa en una sola fase.
Mezclado.
En flujo de fluidos.
Balance de energía y masa en sistemas con cambio de fase.
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UNIDAD 6. BALANCE DE ENERGÍA Y MASA EN SISTEMAS CON REACCIÓN QUÍMICA
Propósitos específicos
Que el estudiante evalúe los diferentes procesos industriales en los que las propiedades de los
sistemas cambian con el tiempo, a través de la aplicación de rutinas de balance de materia y
energía. Que determine la cantidad de fluido de enfriamiento o calentamiento necesario para
mantener a un proceso industrial mediante el ahorro energético.
Temas y subtemas
6.1. Con una sola reacción (irreversibles y reversibles).
6.1.1. En procesos isotérmicos.
6.1.1.1. A condiciones estándar.
6.1.1.2. A cualquier temperatura.
6.1.2. En procesos adiabáticos.
6.2. Con mas de una reacción.
6.2.1. En procesos isotérmicos.
6.2.1.1. A condiciones estándar.
6.2.1.2. A cualquier temperatura.
6.2.2. En procesos adiabáticos.
METODOLOGÍA DELCURSO
Este programa se ha planeado para dictarse como un curso teórico-práctico. El aprendizaje de los
temas se debe llevar a cabo en dos niveles aquel que se imparten con docente y un nivel que debe
ser de aprendizaje autónomo. En los períodos de estudio con docente el estudiante asistirá a clases
o al laboratorio. Las clases serán de continua interacción estudiante-profesor y estudiante-estudiante
en las que todos deberán participar activamente y el profesor tendrá la función de guía y facilitador.
Esta función será favorecida por el uso de material que proporcione el entendimiento y la
comprensión de los temas, se usara principalmente representaciones y modelos en computadora
con paquetería didáctica, algunos experimentos seguros, además de otro tipo de ayudas didácticas.
Puesto que la asignatura BALANCE DE ENERGÍA Y MASA es una parte de la ciencia experimental.
El laboratorio proporcionara a los estudiantes la oportunidad de diferenciar la teoría vista en clases
con los resultados experimentales obtenidos en las prácticas. La observación de los fenómenos que
se presentan a través de prácticas ayudará al estudiante a comprender mejor los procesos con los
cuales se enfrentara en su vida profesional, así también como a reforzar los conocimientos
adquiridos en clases.
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EVALUACIONES
EVALUACIÓN DIAGNÓSTICA
Modalidad: Escrita.
Criterios: Comprensión de conceptos y resolución de problemas expresados en los requerimientos
para cursar la asignatura. Los criterios e indicadores a avaluar son: conceptos de Química General,
Reacciones químicas y Álgebra lineal.
Las escalas descriptivas de valoración de los conocimientos, adquiridos en el curso, para informar
los resultados: Los resultados se darán a conocer a los Estudiantes en forma específica. Se harán
las anotaciones necesarias sobre la evaluación para que el estudiante identifique los temas que debe
fortalecer y el porque de las recomendaciones de estudio que se le sugieren. El profesor podrá
informar los resultados a los estudiantes de manera grupal o personalizada.
EVALUACIÓN FORMATIVA
Modalidad: La evaluación es una actividad permanente con el grupo, las cuales podrán ser de forma
escrita, oral, o ambas y se aplicara tres evaluaciones como mínimo durante el curso, debido a que
así lo requiere el programa. La evaluación escrita se realizara en el momento en que el profesor
considere adecuado considerando para esto el avance del programa y de las necesidades de
integración de los contenidos del programa así como el avance del grupo con respecto a este.
Las evaluaciones orales se realizaran en clases o secciones de laboratorio mediante el
cuestionamiento a los estudiantes acerca de algún tema, en este caso el profesor procurará realizar
el esquema de retroalimentación en el mismo momento y sugerirá al estudiante sobre que temas
necesita perfeccionar.
Criterios: Grado y comprensión de conocimientos, aplicación de conocimientos, análisis e
integración de los diversos contenidos a través de la resolución de problemas.
Niveles descriptivos de evaluación para informar los resultados: Los resultados se darán a conocer a
los estudiantes de forma específica. Se harán las anotaciones necesarias sobre la evaluación para
que el estudiante equilibre los temas que debe fortalecer y el porque de las recomendaciones de
estudio que se le sugieren. El profesor podrá informar los resultados a los estudiantes de manera
grupal o personalizada.
EVALUACIÓN PARA LA CERTIFICACIÓN
Modalidad: Esta evaluación podrá ser escrita, oral, o ambas.
Criterios: Química Inorgánica, reacciones químicas, tabla periódica, balances de materia, balances
de energía y balances de energía y materia.
Indicadores. Que el estudiante conozca las diferencias entre las propiedades generales tanto físicas
y químicas de cada familia de elementos, la formación de sustancias mediante reacciones químicas,
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que tipos de interacciones son permitidas entre las diferentes familias o grupos en la tabla periódica,
desarrollar el balance de materia en flujos continuos y discontinuos, balance de energía en una y
varias etapas durante un proceso y el balance tanto de masa como en energía en diversos procesos.
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BIBLIOGRAFÍA BÁSICA
Whitten, K.W., Davis, R.E. and Peck, M.L. Química General. McGraw-Hill. 1998.
Chang, R. Química. McGraw-Hill. 1998.
Brady, J.E. Química Básica: Principios y Estructura. Limusa Weley. 1999.
Chang, R. Principios Esenciales de Química General, 4ª ed. McGraw-Hill. 2006.
Dickerson, R.E., Gray H.R., Darensbourg, M.Y. and Darensbourg, D.J. Principios de Química.
Reverté. 1992.
Ebbing, D.D. Química General. McGraw-Hill. 1997.
Hein, M. y Arena, S. Fundamentos de Química, 10ª ed. Internacional Thomson Editores. 2001.
Kotz, J.C., Treichel, P.M. Química y Reactividad Química, 5ª ed. International Thomson
Editores. 2003.
Mahan, B.H. and Myers, R.J. Química: Curso Universitario. Addison-Wesley Iberoamericana,
1990.
Petrucci, R.H., Harwood, W.S., Herring, F.G. Química General, 8ª ed. Prentice Hall, 2002.
Umland, J. B. y Bellama, J. M. Química General, 3ª ed. International Thomson Editores, 2000.
Whitten, K.W.; Davis, R.E. y Peck, M.L. Química General Superior. Mc Graw Hill, 1998.
Reklaitis, G. V. Introduction to Material and Energy Balances. John Wiley & Sons, 2001.
Felder, R. M. & Rousseau, R. W. Elementary Principles of Chemical Processes, 3rd ed., Wiley,
1999.
RECURSOS DIDÁCTICOS
Equipo audiovisual, equipo de cómputo, paquetería didáctica para la enseñanza de la química y de
modelación para Operaciones Unitarias en procesos químicos. Laboratorio virtual para la enseñanza
de la química.
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