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TECNOLOGÍAS BÁSICAS

TERMODINÁMICA QUÍMICA

Unidad 1. Conceptos básicos y primera ley de la termodinámica.

Consideraciones generales. Energía, trabajo, calor y temperatura. Experimentos de Joule. Energía interna. La primera ley de la termodinámica. Estado termodinámico y funciones de estado. Equilibrio termodinámico.. Procesos reversibles e irreversibles. Funciones de estado. Entalpía. Capacidad calorífica. Experimento de Joule-Thomson. Aplicación de la primera ley a sistemas abiertos.

Unidad 2. Primera ley en sistemas con reacción química. / Termoquímica y calorimetría

Primer principio con reacción química. Termoquímica. Calorimetría. Distintos tipos de calorímetros. Calores de reacción y de formación: determinación experimental. Ecuaciones termoquímicas. Leyes de la termoquímica. Dependencia del calor de reacción con la temperatura: ecuación de Kirchoff. Cálculo de la temperatura teórica de una llama. Efectos térmicos de los procesos de mezclado. Diagramas de entalpía/ concentración.

Unidad 3. Propiedades volumétricas de fluidos puros

Diagramas PVT de sustancias puras. Diagramas PT y PV. Ecuaciones de estado viriales. El gas ideal como límite. Cálculo de procesos para gases ideales: procesos isotérmico, isobárico, isocórico, adiabático y politrópico. Ecuaciones de estado cúbicas: generalidades, relación entre parámetros y constantes críticas, estados correspondientes y factor acéntrico, raíces de vapor y líquido. Diagrama de Andrews y parámetros de las ecuaciones de estado. Correlaciones generalizadas para gases. Correlaciones generalizadas para líquidos

Unidad 4. Segunda ley de la termodinámica.

Planteamientos de la segunda ley. Máquinas térmicas. Escalas de temperatura termodinámica. Entropía. Cambios de entropía de un gas ideal. Cálculos de la variación de entropía en distintos procesos. Balance de entropía en sistemas abiertos.. Cálculo del trabajo ideal. Trabajo perdido. La tercera ley de la termodinámica. Entropía desde el punto de vista microscópico. Algunos ciclos de potencia y refrigeración.

Unidad 5. Propiedades termodinámicas de los fluidos

Capacidades caloríficas y su dependencia con la temperatura. Calores latentes. Energías de Gibbs y de Helmholtz. Relaciones entre propiedades termodinámicas. Evaluación de propiedades en fases homogéneas. Propiedades residuales. Las propiedades residuales a partir de ecuaciones de estado. Sistemas de dos fases. Ecuación de Clausius-Clapeyron. Diagramas termodinámicos. Tablas de propiedades termodinámicas. Correlaciones generalizadas de Lee-Kesler.

Unidad 6. Equilibrio líquido-vapor (ELV). Soluciones ideales

Naturaleza del equilibrio de fases. Regla de las fases y Teorema de Duhem. Comportamiento cualitativo del ELV.  Ley de Raoult y su empleo para el cálculo de puntos de burbuja y rocío. Ley de Henry. Ley de Raoult modificada. ELV a partir de correlaciones del valor K.

Unidad 7. Termodinámica de soluciones: Teoría y tratamiento de datos

El potencial químico y el equilibrio de fases. Propiedades molares parciales. Mezclas de gases ideales. Fugacidad y coeficientes de fugacidad de especies puras y en solución. Propiedades residuales en mezclas. Correlaciones generalizadas para el coeficiente de fugacidad. Solución ideal. Propiedades de exceso.

Propiedades de fase líquida a partir de los datos de equilibrio vapor/líquido. Consistencia termodinámica. Modelos para le energía libre de Gibbs de exceso. Propiedades de mezclado.

Unidad 8. Diagramas y comportamiento de fases de mezclas

Clasificación de comportamientos de fases fluidas en sistemas binarios. Líneas críticas. Equilibrio líquido-vapor, líquido-líquido, líquido-líquido-vapor y con fases supercríticas. Diagramas Pxy y Txy. Evolución del tipo de comportamiento en series homólogas.

Equilibrio sólido-fluido en sistemas binarios.

Comportamiento de fases fluidas en sistemas ternarios. Diagramas a temperatura y presión constantes.

Unidad 9.  Modelado y cálculo del comportamiento de fases

Formulación gamma-phi del EVL. Formulación gamma-gamma del ELL. Formulación phi-phi. Planteo de ecuaciones para el cálculo de equilibrios LV, LL, LLV, SV, SL, SLL y SLV. Equilibrio y estabilidad. Enfoque global de cálculo.

Fugacidad de fases fluidas a partir de ecuaciones de estado. Distintos tipos de ecuaciones de estado. Reglas de mezclado y reglas de combinación. Cálculo de la fugacidad de sólidos puros.

Parametrización, correlación y predicción.

                              Listado de actividades practicas y/o de laboratorio

Actividades Prácticas

Todas las unidades, excepto la 7: Resolución de una Guía de Problemas.

Unidad 7: Trabajo práctico con el software GPEC, para la generación de diagramas de fases.

Unidad 9: Además de la resolución de problemas, se realiza un segundo trabajo práctico con el software GPEC, en el Laboratorio de Computación.

Actividades de Laboratorio

1-     Determinación de la incertidumbre en las mediciones de temperatura y de presión

2-     Aplicación de las mediciones de temperatura y de presión.

3-     Equivalencia calor-trabajo.

4-     Determinación experimental de capacidades caloríficas.

5-     Determinación del Cp y Cv del aire a partir del coeficiente adiabático.

6-     Calorimetría.

7-     Determinación de la masa molecular relativa de sustancias líquidas y gaseosas.

8-     Determinación de la presión de vapor y de la entalpía de vaporización de un líquido.

9-     Determinación de propiedades molares parciales.

10- Equilibrio líquido – vapor.

11- Determinación experimental de un diagrama de fases ternario.

Lineamientos generales

Termodinámica Química es una actividad curricular que pertenece al segundo año (cuarto semestre) de la carrera de Ingeniería Química. A través del cursado de la asignatura el alumno comprenderá y asimilará contenidos de naturaleza predominantemente básica, de gran importancia para abordar materias mas avanzadas de la carrera, como Química-Física, Fenómenos de Transporte, Balances de Materia y Energía, Operaciones Unitarias I y II, Ingeniería de las Reacciones Químicas.

No obstante, también se tratan los principios de algunas tecnologías de incumbencia de la Ingeniería Química, particularmente en el caso de Ciclos de Potencia y Refrigeración, y también en cierta medida en Comportamiento de Fases.

Las unidades 6 a 9, relativas al Equilibrio de Fases y Termodinámica de Soluciones, representan la diferencia mas importante respecto a los programas usuales de Termodinámica para otras Ingenierías. Desde sus comienzos, la Ingeniería Química dedicó parte de sus esfuerzos a abordar racionalmente los distintos tipos de equilibrio de fases: líquido-vapor, líquido-líquido, etc. ya que en estos se basan las operaciones o procesos de separación, fundamentales para las industrias petroquímicas y químicas en general. Mas recientemente el comportamiento de fases a altas presiones, su comprensión y modelado, han cobrado también gran importancia debido al importante número de aplicaciones de fluidos supercríticos que han venido desarrollándose durante las últimas décadas. En tal sentido, este programa moderno de la asignatura cubre en sus últimas cuatro unidades desde la fenomenología del comportamiento de fases y diagramas hasta una introducción a los enfoques de cálculo y modelado, pasando por la ya clásica Termodinámica de Soluciones.

Metodología de enseñanza

La carga horaria de la materia se distribuye entre tres tipos de clases:

Teóricas

1.      Las clases teóricas constan de dos partes. Por un lado, de exposiciones dialogadas del Profesor, con soporte multimedia. Las mismas están orientadas a desarrollar un tema a nivel de resumen, como introducción al material que los alumnos deberán leer, y poniendo énfasis en los puntos que merecen mayor atención. Esto corresponde a la segunda mitad de cada clase. Por otro lado, en la primera mitad se desarrolla una discusión de las preguntas planteadas en una guía-seminario, en base al tema introducido en la clase anterior y el material de lectura. Con este enfoque se pretende lograr una participación más activa del estudiante en el proceso de aprendizaje y una mejor asimilación de los contenidos abordados, en comparación al enfoque tradicional de desarrollo de teóricos.

Resolución de problemas

2.      Con la asistencia de un Jefe de Trabajos Prácticos, los alumnos abordan la resolución de guías de problemas, lo que contribuye a una mejor comprensión y mayor asimilación de los conceptos, diagramas o ecuaciones abordados en las clases teóricas. También se dedican dos clases a la utilización del software GPEC para la generación de diagramas de fases utilizando ecuaciones de estado, las que tienen lugar en el laboratorio de computación.

Laboratorio

3.      A través de cada trabajo práctico de laboratorio el alumno desarrolla aptitudes específicas para el manejo de instrumental, armado de dispositivos e implementación de técnicas, a la vez que integra conocimientos adquiridos, en un marco experimental.

                                                                     EVALUACION

Condiciones para la promoción de la materia

1.- Tener aprobadas las materias correlativas.-

2.- Asistir al 80% de las clases teóricas y prácticas.-

3.- Aprobar cada parcial con nota no inferior a cuatro ( 4 ), la que equivale a 60% en la escala de 0 a 100%.-

4.-  Se podrá recuperar un solo parcial siendo condición para rendir este haber aprobado al menos uno de los dos parciales que serán tomados y la nota no deberá ser menor a cuatro ( 4 ).-

5.- Aprobar el 80% de los trabajos de Laboratorio.-

Los alumnos que cumplan con el 50% de las exigencias referidas a los parciales y trabajos de Laboratorio y tengan la asistencia requerida en el punto dos serán considerados regulares. Los demás estarán libres.

Distribución de la carga horaria

Dedicadas por el alumno fuera de clase

Bibliografia

QUÍMICA – FÍSICA

Unidad 1. Primera ley en sistemas con reacción química. / Termoquímica y calorimetría

Primer principio con reacción química. Termoquímica. Calorimetría. Distintos tipos de calorímetros. Calores de reacción y de formación: determinación experimental. Ecuaciones termoquímicas. Leyes de la termoquímica. Dependencia del calor de reacción con la temperatura: ecuación de Kirchoff. Cálculo de la temperatura teórica de una llama. Efectos térmicos de los procesos de mezclado. Diagramas de entalpía/ concentración.

Unidad 2. Equilibrio químico

Coordenada de reacción. Criterio de equilibrio en reacciones químicas. Cambios en la energía libre de Gibbs y la constante de equilibrio. Efecto de la temperatura. Determinación de constantes de equilibrio. Reacciones homogéneas en fase gaseosa y en fase líquida. Reacciones en sistemas heterogéneos. Equilibrio en reacciones múltiples.

Unidad 3. Soluciones electrolíticas

Propiedades coligativas de las soluciones no electrolíticas. Propiedades coligativas de las soluciones electrolíticas. Comparación de las propiedades en ambos tipos de solución. Actividades y coeficientes de actividad en soluciones electrolíticas. El principio de la fuerza iónica. Teoría de Debye y Hückel. Comprobación de la ley límite de Debye y Hückel. Aplicaciones: determinación de la constante de disociación verdadera de un electrolito débil. Cálculo de la solubilidad mediante la ecuación de Debye-Hückel.

Unidad 4. Electroquímica

Celdas electroquímicas. Tipos de electrodo. Potenciales de electrodo: determinación. Termodinámica de las pilas. Ecuación de Nemst. Pilas químicas sin transpone de masa: determinación de actividades. Pilas quimicas con transpone de masa: aplicación en la determinación de un titulación potenciométrica. Pilas de concentración: aplicaciones. El potencial de unión líquida. Celdas de combustión. Micropilas. Polarización: tipos. Sobrepotenciales: mediciones. Curvas de polarización. Aplicaciones: determinación de solubilidades por medición de la fuerza electromotriz. Corrosión.

Unidad 5. Conductancia de las soluciones electrolíticas

Conducción electrolítica. Medición de conductancias. Conductancia molar y equivalente. Variación de la conductancia. Ecuación de Kolrausch. Ley de migración independiente de los iones. Conductancias iónicas equivalentes. Teoría de la atracción interiónica de la conductancia: ecuación de Onsager. Números de transpone. Métodos de determinación. Velocidad de migración de los iones: relaciones con los números de transporte y conductancias iónicas equivalentes. Aplicaciones.

Unidad 6. Fenómenos de superficie

Adsorción. Tipos de adsorción. Adsorción en equilibrio de gases en sólidos. Adsorción de un gas puro. Isotermas de adsorción: métodos de determinación experimental. Isoterma de Freundlich. Isoterma de Langmuir. Isoterma de B.E.T. Calores de adsorción. Adsorción de gases mezclados. Determinación de la superficie específica de un sólido. Coloides. El fenómeno de adsorción en los coloides.

Unidad 7. Cinética Química

Medidas de la velocidad de reacción. Análisis de los datos cinéticos. Determinación de las ecuaciones cinéticas. Mecanismos de reacción. Influencia de la temperatura en las velocidades de reacción: teorías. Reacciones en solución. Reacciones heterogéneas. Catálisis. Catálisis heterogénea Reacciones fotoquímicas. Cinética fotoquímica. Rendimiento cuántico. El estado fotoestacionario. Fotosensibilización. Aplicaciones de las reacciones fotoquímicas.

Unidad 8. Introducción a la termodinámica estadística y molecular

Mecánica estadística. Ley de distribución de Boltzmann. Distribución de Maxwell de velocidades moleculares y energías. La función de partición. La función de partición molecular. Determinación de propiedades termodinámicas  partir de las funciones de partición. Cálculo de constantes de equilibrio a partir de funciones partición. La teoría del estado de transición. Fuerzas intermoleculares. Comportamiento de mezclas desde el punto de vista molecular.

      Programa de Trabajos Prácticos de Laboratorio

1-     Determinación del calor de una reacción.

2-     Determinación experimental del valor de la constante de equilibrio químico.

3-     Determinación del peso molecular por descenso crioscópico.

4-     Determinación experimental de la constante de disociación de un electrolito débil.

5-     Medición de la FEM de una pila y determinación de propiedades termodinámicas..

6-     Determinación de la solubilidad por medición de la FEM.

7-     Determinación de la constante de la celda y medición de conductividades.

8-     Determinación experimental de la isoterma de adsorción del carbón activado.

9-     Determinación de la ley de velocidad y de la energía de activación de una reacción.

LINEAMIENTOS GENERALES

Química-Física es una actividad curricular que pertenece al tercer año (quinto semestre) de la carrera de Ingeniería Química. En la cual se estudian sistemas en los cuales  hay reacción química.

Se comienza con el estudio de los cambios energéticos que ocurren en las reacciones químicas. Es decir la aplicación de la primera ley de la termodinámica en sistemas con reacción química. Posteriormente el estudio del equilibrio químico y de los factores que lo afectan, haciendo hincapié en como se puede lograr aumentar el grado de avance de una reacción por sus aplicaciones industriales.

Posteriormente se desarrolla soluciones electrolíticas donde se estudian las propiedades mas importantes de éstas.

La electroquímica es la base no solo de numerosos procesos industriales, sino que además es el fundamento de los procesos de corrosión y de los métodos para prevenir la misma.

El estudio de los fenómenos de superficie permite comprender los fundamentos de la catálisis            heterogénea usualmente utilizada en numerosos procesos industriales.

La cinética química es la base de la Ingeniería de las reacciones química.

Por último la introducción a la termodinámica estadística y molecular le permitirá al alumno evaluar propiedades termodinámicas macroscópicas desde el punto de vista microscópico.

METODOLOGIA DE ENSEÑANZA

La carga horaria de la materia se distribuye entre tres tipos de clases:

Teóricas

Las clases teóricas consisten en exposiciones dialogadas del Profesor, con soporte multimedia. Las mismas están orientadas a introducir un tema, haciendo referencias al material bibliográfico que los alumnos deberán consultar, y poniendo énfasis en los conceptos de mayor importancia.

Resolución de problemas

Con la asistencia del Jefe de Trabajos Prácticos, los alumnos abordan la resolución de las situaciones problemáticas contenidas en la de guía, o en la bibliografía, lo que contribuye a una mejor comprensión y mayor asimilación de los conceptos abordados en las clases teóricas.

Laboratorio

A través de cada trabajo práctico de laboratorio el alumno desarrolla habilidades específicas para el manejo de instrumental, armado de dispositivos e implementación de técnicas, a la vez que integra los conocimientos adquiridos, en un marco experimental.

EVALUACION

Condiciones para la promoción de la materia

1.- Tener aprobadas las materias correlativas.-

2.- Asistir al 80% de las clases teóricas y prácticas.-

3.- Aprobar todos y cada uno de los temas de cada parcial con nota no inferior a cuatro ( 4 ), la que equivale a 60% en la escala de 0 a 100%.-

4.-  Se podrá recuperar un solo parcial siendo condición para rendir este haber aprobado al menos uno de los dos parciales que serán tomados en las fechas estipuladas abajo y la nota no deberá ser menor a cuatro ( 4 ).

5.- Aprobar el 80% de los trabajos de Laboratorio.-

6.- No se podrá recuperar ningún parcial teniendo los dos aplazados para regularizar.

Los alumnos que hayan aprobado un parcial, los trabajos de laboratorio y tengan la asistencia requerida en el punto dos serán considerados regulares. Los demás quedarán en condición de alumnos libres.

Distribucion de la carga horaria

Dedicadas por el alumno fuera de clase

Bibliografía

Levine. Fisicoquímica. Vol. 1. Mc Graw-Hill. 2004.

Smith, Abbot y Van Ness. Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química”. Mc Graw-Hill. 2003.

Van Wylen y Sontag. Fundamentos de la Termodinámica. Limusa. 1994.

Laidler y Meiser: Fisicoquímica.

Atkins: Fisicoquímica.

Castellan: Fisicoquímica.

Posadas: Introducción a la electroquímica.

Laidler: Cinética de reacciones.

Crockford y Novell: Manual de laboratorio de Química Física. Alambra. 1992.

Daniels, Williams, Bender y otros. Fisicoquímica experimental. Mc Graw Hill. 1994.

Palmer: Química – Física experimental. EUDEBA. 1976.

Shoemaker y Garland: Experimentos en Físicoquímica. Mc Graw Hill. 1990.

Metz: Problemas de Fisicoquímica.

Adams: Problemas de Fisicoquímica.

BALANCE DE MASA Y ENERGÍA

BALANCE DE MASA SIN REACCIÓN QUÍMICA

Unidades simples.

Casos generales.

Análisis de Grados de Libertad.

Unidades Múltiples.

Casos generales.

Recirculación.  By Pass.  Purga.

Ejercicios de creatividad y Trabajo Integrador resuelto con utilitario matemático.

Tiempo asignado: 4 semanas.

BALANCE DE MASA CON REACCIÓN QUÍMICA

Balance de masa por componentes.

Velocidad de reacción.

Reacciones múltiples.  Álgebra de las reacciones múltiples.

Balance de masa por elementos.

Casos generales.

Álgebra de los balances elementales.

Relación entre balances por componentes y balances por elementos.

Conversión de balance por elementos a balance por componentes.

Ejercicios de creatividad y Trabajo Integrador resuelto con utilitario matemático.

Tiempo asignado: 4 semanas.

BALANCE DE ENERGÍA SIN REACCIÓN QUÍMICA

Repaso General.

Formas de energía. Energías asociadas con la masa. Energías no asociadas con la masa.

Repaso del Primer Principio de la Termodinámica.

La ecuación general de conservación de la energía. Sistemas cerrados. Sistemas abiertos.

Función Entalpía. Capacidad Calorífica.

Sistemas no reaccionantes.

Aplicaciones a sistemas cerrados. Calor sensible. Calor latente. Entalpía de mezcla. Calidad de vapor.

Aplicaciones a sistemas abiertos. Intercambiadores de calor. Toberas. Turbinas. Difusores. etc.

Análisis de Grados de Libertad.

Tiempo asignado: 4 semanas.

BALANCE DE ENERGÍA CON REACCIÓN QUÍMICA

Sistemas reaccionantes.

Entalpía de formación. Entalpía de reacción. Corrección de ΔH para T, P y fase.

Aplicaciones de balances. Ecuación de balance con ΔH_r. Ecuación de balance sin  ΔH_r. Reacciones químicas múltiples.

Balance combinado de masa y energía.

Análisis de Grados de libertad.

Ejercicios de creatividad y Trabajo Integrador resuelto con utilitario matemático.

Tiempo asignado: 4 semanas.

OBJETIVOS

Los objetivos principales de la Cátedra son que el estudiante logre:

·        Desarrollar capacidades de resolución sistemático de problemas de balance de masa y energía.

·        Aprender a enfrentar problemas de gran complejidad.

·        Acostumbrarse al uso cotidiano de la computadora como herramienta imprescindible para afrontar problemas de envergadura similares a la realidad ingenieril

·        Un mayor nivel de integración entre los temas de todas las materias cursadas hasta el momento por los estudiantes.

·        Una significativa articulación entre teoría y práctica.

·        Alcanzar la adquisición temprana de habilidades profesionales, permitiendo al alumno desempeñar roles similares a los profesionales (en el enfrentamiento de situaciones problemáticas, el análisis de alternativas, la interpretación mediante modelos teóricos, etc.)

·        Adquirir habilidades para:

-          Formular preguntas específicas a partir de problemas especificados vagamente

-          Seleccionar estrategias efectivas de resolución de problemas.

-      Resolver heurísticos planteando las ecuaciones de parámetros de equipos.

-          Decidir cuándo bastará una estimación en lugar de una respuesta exacta.

-          Usar tablas, gráficas, computadoras, etc. para organizar, obtener e interpretar los resultados de la resolución de problemas

-          Juzgar la validez del trabajo de otros.

-          Estimar órdenes de magnitud para evaluar las respuestas.

-          Aumentar su capacidad creativa.

-      Proponer un diagrama de flujo que satisfaga los requerimientos del cliente.

-      Presentar el desarrollo y resultado de la situación problemática adecuadamente, a través de la entrega de un informe de calidad, buena presentación, completo, a término, etc.

-      Reflexionar lo solicitado y realizar una búsqueda de respuesta de menor impacto ambiental.

-          Poseer una actitud crítica ante los problemas y respuesta planteados.

-          Lograr autonomía de trabajo.

-          Tener predisposición positiva para el trabajo en grupo.

-      Comprender la importancia del uso  de las normas de seguridad.

CONTENIDOS

Contenidos conceptuales:

·        Comprensión de conceptos de balances.

·        Mapas conceptuales de relaciones y grados de complejidad de los balances.

Contenidos procedimentales:

·        Manejo de técnicas y heurísticos en la resolución de problemas.

·        Manejo de herramientas de computación.

·        Hábitos y habilidades mentales y físicas.

Contenidos actitudinales:

·        Actitud crítica ante los problemas y respuesta planteados.

·        Autonomía de trabajo.

·        Predisposición en el trabajo en grupo.

·        Reflexión.

·        Comprender la importancia al uso  de las normas de seguridad.

TIPOS DE CONTENIDOS DE LAS UNIDADES 3 Y 4:

FACTUALES:

-      Definición de energía - Tipos de Energías. - Clasificación de los tipos de energía (asociadas con la masa, no asociadas con la masa)

-      Definición de sistemas. - Definición de sistemas cerrados y abiertos.

-      Definición del Primer principio de la Termodinámica.

-      Definición de entalpía. - Definición de Capacidad calorífica.

-      Fórmula de Grados de Libertad

-      Fórmulas de ecuaciones de balance de masa con o sin reacción química, por componentes o por elementos.

-      Fórmulas de ecuaciones de balance de energía con o sin reacción química.

CONCEPTUALES:

-      Concepto de energía - Concepto de Tipos de Energías. - Concepto de  energías asociadas con la masa o no asociadas con la masa. - Capacidad de diferenciar y explicar el porqué de esa clasificación.

-      Concepto de sistema. - Manejo de los conceptos de sistemas cerrados y abiertos. -

-      Concepto de Grados de Libertad. - Saber analizar si el problema puede ser resuelto en base al resultado de los grados de libertad (si está subespecificado o sobreespecificado, qué significa y qué decisión tomar).

PROCEDIMENTALES:

-      Procedimiento de planteo de todas las ecuaciones de balance de masa y de energía.

-      Habilidad para resolver heurísticos planteando las ecuaciones de parámetros de equipos.

-      Procedimiento de determinación de los grados de libertad.

-      Procedimiento de reducción del sistema de ecuaciones para eliminar ecuaciones dependientes.

-      Procedimiento de resolución de sistema de ecuaciones.

ESTRATÉGICOS:

-      Habilidad en la propuesta de diagrama de flujo que satisfaga los requerimientos del cliente.

-      Estrategia de selección de tipo de sistema de ecuaciones de masa a usar (por componentes o por elementos).

-      Estrategia de selección de tipo de sistema de ecuaciones de energía a usar (con entalpías de formación o con entalpía de reacción).

-      Estrategia de búsqueda de la información necesaria.

-      Habilidad manifiesta en la solución al problema.

-      Estrategia de presentación del desarrollo y resultado del mandato.

ACTITUDINALES:

-      Compromiso frente a la tarea a realizar.

-      Reflexión frente a lo solicitado y una búsqueda de respuesta de menor impacto ambiental.

-      Grado de preocupación en la entrega de un informe de calidad, buena presentación, completo, a término, etc.

OPCIONES METODOLÓGICAS:

-          Técnicas grupales para ejercicios de creatividad y torbellino de ideas.

-          Técnicas grupales para planteos conflictivos respecto de conocimientos previos o de ejercicio de la profesión, etc.

-          Clase de exposición dialogada para explicación de temas teóricos o de algunos planteos conflictivos.

-          Taller – debate para algunos planteos conflictivos.

-          Seminario para resolución de problemas y reforzamiento de conceptos teóricos.

MATERIAL Y TEXTOS A UTILIZAR:

-          Bibliografía de la cátedra.

-          Bibliografía varia seleccionada y buscada por los alumnos para responder y resolver problemas propuestos.

-          video de la cátedra.

EVALUACIÓN

El sistema de evaluación seguido es de evaluación implícita y continua en los trabajos de grupo e integradores.

Se solicitará la entrega de todos los trabajos que se vayan realizando durante el año lectivo.

Se emplea evaluaciones iniciales para recabar información acerca de las estructuras cognitivas, de los contenidos y de las habilidades de los alumnos, no como prueba que recaba datos memorizados, sino a través de actividades, preguntas, trabajos grupales, etc., también la evaluación formativa a través de la observación sistemática, ya sea por los trabajos en grupo, como en los ejercicios de creatividad y en la resolución de la guía de problemas, etc. Se tomarán cinco parciales como evaluaciones sumativas de las unidades temáticas para cumplimentar con el requisito formal de la evaluación y para que el alumno desarrolle sus aptitudes adquiridas en un clima en el que sabe que se lo está evaluando y que él mismo se evalúa. Estos parciales pueden ser  a libro abierto y en computadora, si se dan las condiciones para realizarlos de esta manera.

Los parciales, entrega de trabajos grupales e integradores y su participación en los  trabajos prácticos, serán los instrumentos de evaluación que logren dar la acreditación.

 BIBLIOGRAFÍA básica:

Principios básicos y cálculos en Ingeniería Química. Himmelblau.(1999). Ed. McGraw-Hill.

Principios elementales de los procesos químicos. Felder y Rousseau (1999). Ed Addison Wesley  Iberoamericana.

Ingeniería de Procesos. Balance de Materia y Energía. Martinez Riachi (2006). Apunte.

BIBLIOGRAFÍA de consulta:

Cálculos de balances de materia y energía. Henley – Rosen

Principios de los procesos quimicos. Hugens, Watson y Ragatz

Introduction to chemical engineering and computer calculations. Myers, Seider.

Introduction to material and energy balances. Reklaitis

Calculo de procesos. Kammermeyer

Conceptual design of chemical processes. Douglas

FENÓMENOS  DE  TRANSPORTE

UNIDAD 1:

Principios básicos de Ingeniería. Procesos de transporte lineal, de calor y de materia. Concepto. Clasificación. Sistemas de unidades fundamentales. Sistema internacional. Unidades de concentración. Leyes de los gases. Conservación de la masa y balances de materia. Unidades de energía y calor. Conservación de la energía y balances de calor. Teoría y criterios de similitud. Semejanza geométrica, cinemática y dinámica. Números adimensionales: Euler, Fraude, Reynolds, Weber. Teorema Pi de buckingham.

UNIDAD 2:

Fluidos. Definición. Propiedades: presión, compresibilidad, tensión superficial, densidad, peso específico, viscosidad. Mecánica de un fluido en reposo. Presión sobre un cuerpo sumergido. Equilibrio hidrostático. Medición de presiones. Presión absoluta y manométrica. Piezómetros. Manómetros. Barómetros. Traductores de presión.    

UNIDAD 3:

Mecánica de un fluido en movimiento. Ecuación de continuidad. Conductos y tuberías comercialmente disponibles. Velocidad de flujo en conductos y tuberías. Conservación de la energía. Ecuación de Bernouilli. Restricciones y aplicaciones de la ecuación de Bernouilli.

UNIDAD 4:

Ley de Newton de la viscosidad. Influencia de la presión y la temperatura en la viscosidad. Viscosidad de gases a baja densidad. Viscosidad en líquidos. Tipos de fluidos: newtonianos y no newtonianos. Balances de energía para flujo en estado estacionario. Trabajo de bomba. Flujo no compresible en conducciones. Tipos de flujos: permanente y transitorio, uniforme, laminar y turbulento. Capa límite. Número de Reynolds. Distribución de velocidades. Pérdidas de carga en tuberías. Ecuación de Darcy. Rugosidad. Factor de fricción. Pérdidas menores. Coeficientes de resistencia para accesorio y en tuberías de sección variable. Cálculo de tuberías. Flujo compresible subsónico y supersónico. Gases a presiones cercanas a la atmosférica. Flujo compresible isotermo. Flujo compresible isoentrópico. Gases ideales a presión: velocidad y número de Mach.

UNIDAD 5:

Principios de transferencia de momento lineal. Estado estacionario: análisis de sistemas de flujo aplicando una envolvente para el balance de materia y de cantidad de movimiento. Flujo de una película descendente en placa plana a través de un tubo circular recto. Ecuación de Hagen-poiseuille. Flujo alrededor de objetos sumergidos. Balance microscópico aplicado a una unidad de volumen. Balance de materia. Balance de cantidad de movimiento. Ecuación de movimiento. Ecuación de Euler. Aplicaciones.

UNIDAD 6:

Principios de transferencia de calor en estado estacionario. Mecanismos de transferencia de calor. Transferencia de calor por conducción. Conductividad térmica. Ley de Fourier. Conductividad en gases, líquidos y sólidos. Métodos de determinación. Conducción a través de pared plana. Conducción a través de pared cilíndrica. Conducción a través de sólidos en serie. Cilindros de capas múltiples. Transferencia de calor por convección. Convección natural y forzada. Coeficiente pelicular. Líquidos hirvientes y vapores condensantes. Grupos adimensionales. Número de Nusselt. Número de Prandtl. Transferencia de calor por radiación. Factor geométrico y total. Coeficiente total de transmisión de calor.

UNIDAD 7:

Flujo del calor en estado no estacionario. Calentamiento y enfriamiento de un cuerpo en un medio isotermo. Velocidad de flujo calórico. Ecuación diferencial de cambio de energía. Tiempo de calentamiento/enfriamiento. Distribución de temperaturas en sólidos. Conducción en sólidos en estado no estacionario. Aplicaciones a cuerpos de geometría sencilla. Concepto de coeficiente global de transmisión de calor.

 UNIDAD 8:

Transmisión de calor por convección. Concepto. Convección libre y convección forzada. Capa límite térmica. Sistemas no isotérmicos. Transporte de interfase. Coeficiente de transmisión de calor. Definición. Transferencia de calor en fluidos. Cálculo del coeficiente de transmisión del calor. Ecuaciones empíricas y grupos adimensionales: números de Nusselt, de Prandtl. Ecuación de Sieder-Tate. Convección forzada sobre objetos sumergidos. Líquidos hirvientes. Vapores condensantes.

UNIDAD 9:

Balance macroscópico de energía. Ecuaciones de cambio aplicadas a la transferencia de energía térmica en estado estacionario. Aplicación para gases ideales y líquidos incompresibles. Análisis en estado no estacionario. Intercambiadores de calor. Principios básicos de intercambiadores. Perfil de temperaturas. Transferencia de energía térmica por radiación. Leyes y principios básicos. Influencia de la geometría y el estado de la superficie de los cuerpos. Transferencia de energía térmica por conducción, convección y radiación.

UNIDAD 10:

Transporte de materia. Introducción. Balances envolventes de materia. Ley de Fick. El proceso de difusión. Difusión de gases y líquidos a través de sólidos en estado estacionario. Coeficientes de transferencias de materia. Flujo laminar sobre placa plana. Flujo turbulento sobre una lámina plana. Flujo laminar en una tubería. Flujo turbulento en una tubería. Transferencia de materia para flujo sobre objetos esféricos. Aplicaciones en sistemas de separación. Membranas. Electrodiálisis. Osmosis inversa.

TRABAJOS PRACTICOS

·        Guías de problemas y ejercicios.

Guía 1: Sistema de unidades. Análisis dimensional.

Guía 2: Problemas de hidrostática.

Guía 3: Problemas sobre balances de energía en sistemas de flujo. Ecuación de Bernoulli.

Guía 4: Cálculo de pérdidas de carga por fricción. Potencia de bomba.

Guía 5: Problemas sobre transporte en película descendente.

Guía 6: Transporte de calor a través de pared plana/cilíndrica.

Guía 7: Cálculo de velocidad de calentamiento/enfriamiento de un cuerpo. Tiempo de enfriamiento. Temperatura final, en estado transitorio.

Guía 8: Cálculo de coeficiente total de transferencia de calor. Intercambiadores de calor.

·        Parte experimental.

1.- Determinación de viscosidad de líquidos newtonianos.

2.- Calentamiento de líquidos almacenados en tanques.

BIBLIOGRAFÍA

·        De lectura obligatoria:

MECANICA DE FLUIDOS APLICADA.  Robert L. Mott. Ed. Prentice hall, 4ta. Edición 1996.

PROCESOS DE TRANSPORTE Y OPERACIONES UNITARIAS. C.J. Geankoplis. Ed. CECSA, 3a. Ed. 1998.

OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA. Treybal, Robert E. Ed. Mc Graw-Hill 2a. Ed. 1991.

FENÓMENOS DE TRANSPORTE. R.B. Bird, W. Stewart, E. Lightfoot. Ed. REVERTE S.A

·        De consulta.

MECANICA DE LOS FLUIDOS E HIDRÁULICA. R. Giles, J. Evett, C. Liu. Ed. Mc Graw-Hill. 3a. Ed. 1994.

OPERACIONES UNITARIAS EN LA INGENIERIA QUIMICA. Mc Cabe, Smith, Harriot. Ed. Mc Graw-Hill. 4a Ed. 1991.

INGENIERÍA INDUSTRIAL ALIMENTARIA. Pierre Mafart, Emile Beliard. Vol. II. Ed. Acribia S.A. 1992.

MANUAL DEL INGENIERO QUÍMICO. J. Perry. Ed. Mc Graw-Hill

EXPERIMENTOS SOBRE FENOMENOS DE TRANSPORTE EN LAS OPERACIONES UNITARIAS DE LA INDUSTRIA QUIMICA. E.J. Crosby. Ed. Hispanoamericana S.A.

OPERACIONES UNITARIAS  I    

Unidad  1: Introducción. Fundamentos. Unidades. Operaciones unitarias con transferencia de movimiento. Métodos de trabajo en Operaciones Básicas. Operaciones con sólidos y fluidos.    

Unidad  2: Separaciones mecánicas. Separaciones de sólidos por tamaño. Variables para la separación. Tamizado. Análisis por tamizado. Curvas de representación de resultados. Tamizado industrial. Equipo para tamizado de laboratorio e industrial.   

Unidad  3: Desintegración mecánica. Reducción de tamaño de sólidos. Trituración y molienda. Descripción de la operación. Variables de desintegración. Consumos de potencia y energía. Dimensionamiento de equipos.    

Unidad  4: Separaciones en corrientes fluidas. Filtración. Teoría y cálculos operativos. Variables de la operación. Clasificación de los equipos, selección y caracterización.  Filtración centrífuga. Fundamentos. Equipos. Operaciones de separación por membranas. Microfiltración. Ultrafiltración. Nanofiltración. Osmosis Inversa.

Unidad  5: Separaciones basadas en el movimiento de partículas a través de fluidos. Sedimentación. Velocidad terminal. Separación por tamaño, separaciones hidráulicas. Clasificación. Clarificación. Espesadores.  Métodos de cálculos.

Unidad  6: Separaciones centrífugas. Fuerzas que se desarrollan en la separación centrífuga. Sedimentación centrífuga. Selección de equipos. Ciclones. Separaciones sólidos por aire. Lavado húmedo de corriente gaseosa. 

Unidad  7: Mecánica de la agitación de fluidos. Agitación y mezcla. Características y selección del equipamiento. Potencia y balance económico. Cambio de escala. Tipos de agitadores. Suspensión de partículas sólidas. Mezcla de líquidos miscibles. Mezcla de polvos y pastas. 

Unidad  8: Transporte de fluidos. Circulación interna de fluidos. Sistemas de tuberías, en serie, paralelo, combinados. Diámetros nominales. Uniones. Accesorios.

Unidad  9: Circulación externa de fluidos a través de un lecho de sólidos.

Fluidización. Descripción y teorías. Aplicaciones. Transporte neumático. Transporte de sólidos. Distintos tipos. Variables y aplicaciones.

Unidad 10: Maquinaria para la circulación de fluidos. Bombeo de líquidos. Características de la operación. Distintos tipos de bombas. ANPA. Cavitación. Selección de bombas. Interpretación de gráficos. Curvas características. Pérdida de carga.  Cálculos de sistemas de bombeo.

Unidad  11: Altas presiones. Sistemas de alto vacío. Ventiladores. Soplantes. Compresores. Potencia necesaria. Ciclos de compresión. Compresores de simple y múltiples etapas. Eficacia. Bombas de vacío. Eyectores. Aplicaciones.

OPERACIONES UNITARIAS II

Módulo I – Transferencia Térmica.

Unidad 1   Introducción a la transferencia de calor y elementos del diseño térmico.

Conservación de la energía: aplicación a un volumen de control. Fundamentos de la transferencia de calor y su aplicación en el diseño. La naturaleza del diseño térmico.

Modos de transferencia de calor. Conducción y conductividad térmica. Propiedades térmicas de los materiales. Conducción estacionaria. Ecuaciones para las formas corrientes –sección recta de paso proporcional al radio, sección recta de paso proporcional al cuadrado del radio-. Espesor crítico de aislamiento. Estructuras compuestas con flujo de calor unidimensional. Resistencia por contacto. Coeficiente global de transferencia de calor. Generación interna y uniforme de calor. Flujo de calor en conductores eléctricos. Superficies extendidas-aletas. Aletas de sección constante y variable. Flujo de calor disipado por aletas. Resistencia térmica y efectividad superficial de aletas. Conducción transciende o no estacionaria.

Convección. Ley de enfriamiento de Newton. Convección natural y forzada. Análisis dimensional, teorema pi de Buckingham. Correlaciones de flujos comunes. Corrección de la viscosidad y la temperatura.

Unidad 2 Intercambiadores de calor, condensadores, vaporizadores, evaporadores.

Intercambiadores. Tipos de intercambiadores. Configuraciones de flujo y comportamiento de temperatura de los fluidos: temperatura media logarítmica, temperatura de pared, temperaturas calóricas. Métodos de diseño térmico. Métodos rápidos: NTU, e, ∆T_ml. Descripción de intercambiadores: tubo y carcasa simple y múltiples pasos, placas (empaquetadas, en espiral, onduladas, aletadas). Lineamientos básicos para el diseño mecánico. Normas TEMA. Cálculo de intercambiadores de tubo y coraza: análisis de rendimiento de intercambiadores existentes, diseño de intercambiadores nuevos. Uso de superficies extendidas. Criterios de selección. Hojas de especificaciones para presupuestos. 

                 Condensadores. Tipos de condensación. Cálculo de coeficientes peliculares. Clasificación de condensadores. Factores de selección. Métodos de diseño y cálculo.

Vaporizadores. Cálculo de coeficientes peliculares. Clasificación de vaporizadores. Factores de selección. Métodos de diseño y cálculo.

Evaporadores industriales. Evaporadores de simple efecto y de múltiple efecto. Balances de masa y energía. Descripción y dimensionado de equipos.

Unidad 3     Producción industrial de calor. Servicios de vapor. Hornos.

Física de la radiación. Superficies negras. Superficies reales. Intercambio de radiación entre superficies negras. Factores de forma o visión. Intercambio de radiación entre superficies grises. Redes eléctricas equivalentes.

Tecnología para el abastecimiento de energía térmica, intercambio y transporte. Variables de incidencia en el rendimiento y eficiencia de la combustión. Combustibles sólidos, líquidos y gaseosos. Calor de combustión. Cálculo del aire necesario. Calderas. Generadores de vapor. Descripción y dimensionado de equipos. Economía de vapor. Código ASME BPVC recipientes alta presión.

Hornos. Factores en la transferencia de calor radiante. Fuente de calor. Superficies envolventes. Métodos de diseño. Cálculo de absorción de calor en las secciones radiantes.

Módulo II – Transferencia de Masa.

Unidad 4     Fenómenos de transporte de masa.

Difusión. Ley de Fick. Coeficientes de transferencia de masa en flujo laminar y flujo turbulento. Transferencia de masa interfacial. Condiciones de equilibrio de fases. Balances de masa. Etapas.

Unidad 5     Absorción y desorción de gases.

Absorción  / desorción. Solubilidad de gases en líquidos. Transferencia de un componente. Operación en contracorriente en varias etapas. Equipos de contacto continuo. Descripción y dimensionado de equipos.

Unidad 6     Destilación.

Equilibrio líquido - vapor. Operación de una sola etapa. Destilación diferencial. Torres de varias etapas. Métodos de Ponchon-Savarit y McCabe-Thiele. Descripción y dimensionado de equipos. Sistemas bicomponentes. Métodos de diseño. Criterios para el cálculo de equipos de platos y de relleno.

Unidad 7     Extracción líquido-líquido.

Equilibrio líquido-líquido. Contacto por etapas simples, corrientes cruzadas o en contracorriente. Descripción y dimensionado de equipos.

Unidad 8     Extracción sólido-líquido o lixiviación.

Lixiviación. Equilibrio sólido-líquido. Contacto por etapas simples, corrientes cruzadas o en contracorriente. Descripción y dimensionado de equipos.

Unidad 9     Adsorción e intercambio iónico.

Equilibrio gas-sólido. Leyes. Tipos de adsorbentes. Intercambio iónico. Mecanismo de intercambio. Regeneración. Resinas. Procesos de separación por membrana. Descripción y dimensionado de equipos.

Módulo III –Transferencias Simultáneas de Masa y Energía.

Unidad 10   Secado.

Teoría de secado. Humedad de equilibrio de sólidos. Tiempo de secado. Velocidad de secado. Secadores continuos y discontinuos. Secadores rotatorios. Descripción y métodos de diseño de equipos.

Unidad  11  Cristalización.

Relaciones de solubilidad. Balances de masa y energía. Mecanismo de cristalización. Diagramas de equilibrio. Descripción y dimensionado de equipos.

INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Unidad Temática N°1: Introducción a la Ingeniería de las Reacciones Químicas

Reacción Química. Estequiometría. Equilibrio Químico. Elementos de Termodinámica. Ecuación de Vant’ Hoff. Grados de Conversión. Cinética Química y velocidad de reacción. Ecuación de Arrhenius. Mecanismos de reacción. Determinación experimental de la ecuación cinética, métodos integral y diferencial de análisis de datos.

Tiempo asignado: 3 semanas

Unidad Temática N°2: Reactores Químicos

Condiciones de entorno. Balances de masa y Energía. Reactores ideales, tipos diferentes. Ecuaciones de diseño, reactores discontinuos, de mezcla completa y de flujo en pistón. Efectos de la presencia de inertes en la mezcla reaccionante.

Tiempo asignado: 3 semanas

Unidad Temática N°3: Selección de Reactores

Criterios de Selección. Reacciones simples, comparación de tamaños, productividad. Batería de reactores, reactores de flujo en pistón con recirculación. Reacciones múltiples, reacciones en paralelo y en serie. Estudio de distribución de productos selectividad y rendimiento.

Tiempo asignado: 3 semanas

Unidad Temática N°4: Desviaciones del Comportamiento Ideal

 Efectos térmicos en reactores. Influencia de la temperatura. Procedimientos gráficos de diseño. Progresión de temperaturas óptima. Operaciones adiabáticas y no adiabáticas. Reactores de flujo no ideal. Utilización de trazadores. Distribución de edades de fluidos. Diagramas. Modelos de aproximación. Determinación de flujo defectuoso.

Tiempo asignado: 3 semanas

Unidad Temática N°5: Catálisis

Características de la acción catalítica. Auto catálisis. Catálisis Homogénea. Catálisis Heterogénea. Mecanismos y velocidad de reacción. Efectos de la temperatura y la presión. Parámetros de catalizadores. Preparación, envejecimiento y envenenamiento de catalizadores. Reactores catalíticos, reactores de lecho fijo y de lecho fluidizado.

Tiempo asignado: 2 semanas

Unidad Temática N°6: Optimización

Organización del problema, variables de diseño y grados de libertad. Planteo de la función objetivo. Búsqueda de las condiciones óptimas. Funciones unimodales. Métodos de investigación directa: método diferencial, métodos gráficos de  eliminación de regiones. Funciones multimodales.

Tiempo asignado: 2 semanas