Balance Materia y Energia

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

SECRETARÍA ACADÉMICA

DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SUPERIOR

PROGRAMA SINTÉTICO UNIDAD ACADÉMICA: UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA CARRERA: Ingeniería Ambiental, Ingeniería Biotecnológica, Ingeniería en Alimentos e Ingeniería

Farmacéutica. UNIDAD DE APRENDIZAJE: Balance de Materia y Energía NIVEL: III OBJETIVO GENERAL: El alumno analizará y resolverá balances de materiales y energía en operaciones y en bioprocesos, aplicará las herramientas de cálculo más empleado así como el lenguaje de la ingeniería. DESCRIPCIÓN GENERAL DE CONTENIDOS: I. Introducción a balances en ingeniería. II. Balances de materia en estado estacionario III. Balances de energía en estado estacionario IV. Balances en estado no estacionario ORIENTACIÓN DIDÁCTICA: Resolución de problemas tipo, por parte de los alumnos para que aprenda a diferenciar situaciones de operación estacionaria o no estacionaria, estableciendo las condiciones límite del problema a partir de la definición de una operación o de un proceso, elaborando un diagrama de flujo, identificando las dimensiones involucradas y establecimiento de sistemas de ecuaciones que definan a dicha situación. EVALUACIÓN Y ACREDITACIÓN: Demostración de conocimientos, habilidades y destrezas antes de iniciar el curso a través de un examen con calificación mínima aprobatoria de 6.0. Planteamiento y resolución de sistemas de balances de materia y energía en estado estacionario y no estacionario, en operaciones y bioprocesos, así como desarrollar los diagramas correspondientes Se realizarán tres evaluaciones parciales que consisten en un examen escrito y las actividades que el alumno realice como resolución de problemas y participación en clase durante el periodo que abarque el parcial que se esté considerando. BIBLIOGRAFÍA: Felder Richard, M., Rouseau Ronald W., Principios de los procesos químicos., Adison-Wesley Iberoamericana, 2ª edición,1999 México 599 págs. Henley, Ernest J., E. M. Rosen., Cálculo de Balances de materia y energía (Métodos manuales y empleo de máquinas calculadoras), Reverté, 1ª edición,1993. 256 págs Himmelblau, D. M., Principios y cálculos básicos de la ingeniería química., Cía. Editorial Continental, S. A, 1981.México .728 págs Reklaitis, G. V., Balances de materia y energía., Mc Graw Hill, 2ª edición,1993.643 págs




UNIDAD ACADÉMICA: Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología. CARRERA: Ingeniería en Alimentos, Ingeniería Ambiental, Ingeniería Biotecnológica, Ingeniería Farmacéutica. OPCIÓN: PROFESIONAL ASOCIADO: ÁREA FORMATIVA: Profesional. MODALIDAD: Escolarizada.

UNIDAD DE APRENDIZAJE: Balance de Materia y Energía. TIPO DE UNIDAD DE APRENDIZAJE: Teórica/obligatoria. VIGENCIA: Agosto de 2007 NIVEL: III CRÉDITOS: 6.0

PROPÓSITO GENERAL Al final del curso el alumno tendrá la habilidad de resolver balances de materiales y energía en operaciones y en bioprocesos, así como aplicar el lenguaje de la ingeniería las herramientas de cálculo más comúnmente empleados lo que le permitirá participar en el diseño, operación y control de los bioprocesos productivos. Para alcanzar este propósito requiere de conocimientos matemáticos como son las técnicas para resolver sistemas de ecuaciones simultáneas, cálculo diferencial e integral y conocimientos de propiedades termodinámicas de sustancias así como sus variaciones por cambios de estado.

OBJETIVO GENERAL

El alumno analizará y resolverá balances de materiales y energía en operaciones y en bioprocesos, aplicará las herramientas de cálculo más empleado así como el lenguaje de la ingeniería.

TIEMPOS ASIGNADOS

HORAS TEORÍA/SEMANA: 3.0 HORAS PRÁCTICA/SEMANA: HORAS TEORÍA/NIVEL: 54.0 HORAS PRÁCTICA/NIVEL: HORAS TOTALES/NIVEL: 54.0

UNIDAD DE APRENDIZAJE DISEÑADA O REDISEÑADA POR: Academia de Ingeniería Básica. REVISADA POR: Subdirección Académica. APROBADA POR: Consejo Técnico Consultivo Escolar Dr. Enrique Durán Páramo

AUTORIZADO POR: Comisión de Programas Académicos del Consejo General Consultivo del IPN. Ing. Ernesto Ángeles Mejía




UNIDAD DE APRENDIZAJE: Balance de materia y energía. HOJA: 2 DE 6 N° UNIDAD TEMÁTICA: I NOMBRE: Introducción a balances en ingeniería.

OBJETIVOS PARTICULARES

El alumno realizará diagramas de flujo de bioprocesos y aprenderá a utilizar las convenciones establecidas para ello, identificando, las operaciones involucradas y los regímenes para la operación a partir de las dimensiones involucradas en el mismo.

No. CONTENIDOS T P T A A CLAVE

BIBLIOGRÁFICA

1.1 1.1.1 1.1.2 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5

Procesos, sistemas, operaciones. Definición de proceso, sistemas y operaciones unitarias. Clasificación de procesos de transporte, procesos de transformación y procesos de separación. Diagramas. Diagramas de bloques. Elementos de diagramas de flujo. Representaciones de equipo. Representaciones de servicio y elementos de control. Líneas de proceso. Cuadros de Balances. Análisis de sistemas. Límites del sistema, Variables y dimensiones involucradas. Análisis dimensional Regímenes de operación. Correlaciones y bases de cálculo. Recirculaciones y derivaciones en el sistema.

1.5

4.5

7.5

1.0

1.0

1.0

1.0 1.0

1.0

6C, 7B, 9B 6C, 7B, 9B. 6C, 7B, 9B. 6C, 7B, 9B.

ESTRATEGIAS DIDÁCTICAS Elaboración de un mapa conceptual de la unidad. Trabajo individual por parte de los alumnos. Uso de retroproyector y cañón. Búsqueda de información sobre bioprocesos. Exposición grupal: Análisis de bioprocesos investigado. Diagramas de bloques, variables y dimensiones involucradas, correlaciones y bases de cálculo del bioproceso. Elaboración del diagrama de flujo del mismo bioproceso.

EVALUACIÓN DE LOS APRENDIZAJES Entrega por parte del alumno diagrama de flujo completo del bioproceso que haya investigado, junto con su análisis, correspondiente al 30% de la evaluación de esta unidad. El alumno deberá presentar un examen escrito el cual representará el 70 % de la evaluación.




UNIDAD DE APRENDIZAJE: Balance de materia y energía. HOJA: 3 DE 6 N° UNIDAD TEMÁTICA: II NOMBRE: Balances de materia en estado estacionario.


El alumno planteará y resolverá las ecuaciones para los balances de materia en estado estacionario, a partir de un proceso determinado, en el que se han de establecer, las variables de proceso, las condiciones límite, las correlaciones, bases de cálculo y balances que definen el proceso.


BIBLIOGRÁFICA

2.1 2.1.1 2.1.1.1 2.1.1.2 2.1.1.3 2.1.1.4 2.2. 2.2.1. 2.2.2 2.2.3 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.4

Balances de materiales en sistemas no reaccionantes. Sistemas de una sola fase. Problemas que implican elementos de correlación. Cálculos en procesos con recirculación. Cálculos en procesos con derivación. Cálculos en procesos con purga. Sistemas de varias fases Sistema gas líquido un componente condensable y multicomponentes. Sistema sólido en líquido. Líquidos inmiscibles y parcialmente miscibles. Balances de materiales en sistemas reaccionantes. Balance s por componentes en reacción química única. Balances por componentes con reacciones químicas múltiples. Balances elementales. Balances de materiales en diagrama de flujo de proceso.

4.5 3.0 4.5 1.5

1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

2B,3C,5B 2B,3C,5B 2B,3C,5B 2B,3C,5B 2B,3C,5B

ESTRATEGIAS DIDÁCTICAS Solución de problemas tipo para cada uno de los temas por parte del profesor, Uso de retroproyector y cañón. Integración de las estrategias de resolución de problemas tipo para realizar el balance del diagrama de flujo de proceso. Enseñanza de contenidos procedimentales. Enseñanza expositiva –interactiva :preguntas de tipo abierto, elaboración de mapas conceptuales, profesor-alumno Uso de computadora, programas de cómputo y cañón como apoyo para la exposición de temas y resolución de problemas.

EVALUACIÓN DE LOS APRENDIZAJES Entrega de ejercicios resueltos proporcionados por el profesor. Integración los balances de materiales sobre el diagrama de flujo del bioproceso investigados. El problemario resuelto y los balances de materiales del diagrama de flujo de proceso, representarán el 30% de la evaluación de esta unidad. El alumno deberá presentar un examen escrito el cual representará el 70 % de la evaluación.




UNIDAD DE APRENDIZAJE: Balance de materia y energía. HOJA: 4 DE 6 N° UNIDAD TEMÁTICA: III NOMBRE: Balances de energía en estado estacionario.


El alumno planteará las ecuaciones correspondientes a los balances de energía y materia en estado estacionario, a partir de un proceso determinado, en el que se han de establecer, las variables de proceso, las condiciones límite, las correlaciones, bases de cálculo y balances que definen el proceso, así como las propiedades energéticas de los materiales involucrados para finalmente resolver el sistema de ecuaciones definidas.


BIBLIOGRÁFICA

3.1 3.1.1 3.2 3.2.1 3.2.1 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.2.7 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 3.3.7 3.4

Balance de energía general. Proceso reversible y balance de energía mecánica. Balances de energía para sistemas no reaccionantes. Balances de energía con información termodinámica tabular. Balances de energía con variaciones de energía sin cambio de fase. Balances de energía con cambios de entalpía para transiciones de fase. Balances de energía con diagramas de entalpía concentración. Balances de energía con gráficas de humedad y entalpía. Balances de energía sin tablas termodinámicas completas. Análisis de sistemas no reaccionantes. Balance de energía con reacción química. Balances de energía con reacción química única. Balances de energía con calores de formación. Balances de energía con calores de disolución y mezclado. Balances de energía en procesos de combustión. Balances de energía con reacciones químicas múltiples. Balances de energía con estequiometría desconocida. Análisis de grado de libertad. Balances de materia y energía en diagramas de flujo de proceso.

1.5

7.5

3.0

1.5

1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

2B,4B,5B,7B 2B,4B,5B,7B 2B,4B,5B,7B 2B,4B,5B,7B 2B,4B,5B,7B

ESTRATEGIAS DIDÁCTICA Solución de problemas tipo para cada uno de los temas Enseñanza expositiva –interactiva :preguntas de tipo abierto, elaboración de mapas conceptuales Resolución de problemarios para que el alumno realice tareas que sirvan para reforzar la aplicación de los problemas tipo. Integración de las estrategias de resolución de problemas tipo para realizar el balance combinado de materia y energía del diagrama de flujo de proceso. Enseñanza expositiva –interactiva :preguntas de tipo abierto, elaboración de mapas conceptuales hacia los alumnos Uso de computadora

EVALUACIÓN DE LOS APRENDIZAJES Presentación de ejercicios resueltos proporcionados por el profesor. Integración de los balances de materiales y de energía sobre el diagrama de flujo del bioproceso que ha investigado. Ambas evidencias, problemario y balances de energía del diagrama de flujo, representarán el 30% de la evaluación de esta unidad. Examen escrito el cual representará el 70 % de la evaluación.




UNIDAD DE APRENDIZAJE: Balance de materia y energía. HOJA: 5 DE 6 N° UNIDAD TEMÁTICA: IV NOMBRE: Balances en estado no estacionario.


El alumno planteará y resolverá los sistemas de ecuaciones referentes a los balances diferenciales de materia y energía en equipo y bioprocesos en estado no estacionario a partir de variables de proceso, correlaciones y condiciones límite, para así resolver el sistema de ecuaciones que definen el proceso y finalmente comprenderá y aplicará el balance integral en estado estacionario como un caso particular del primero.


BIBLIOGRÁFICA

4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.2 4.3 4.4 4.4.1 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.5.4 4.5.5 4.5.6 4.5.7

Balances en estado no estacionario. Ecuación general de balance. Balance diferencial. Balance integral. Condiciones de frontera o límite. Velocidad de acumulación. Producción, consumo, entrada y salida.Balances de energía para operaciones no reactivas de una sola fase en régimen no estacionario. Balances de materia para procesos reactivos en estado no estacionario. Ecuación diferencial de cambio de energía. Velocidad de entrada de energía, velocidad de salida de energía, tasa de trabajo externo efectuado por el sistema sobre los alrededores, velocidad de acumulación de energía. Aplicaciones. Balances de materia para mezclas de materiales en tanque agitado. Balances de materiales durante el Crecimiento de una población. Balances diferenciales en un reactor intermitente. Balances diferenciales de masa en el llenado y vaciado de un tanque de almacenamiento. Acumulación de contaminantes. Balances diferenciales en una destilación intermitente. Balances en la puesta en marcha de un reactor intermitente. Balances para el comportamiento no estacionario de un sistema de enfriamiento de aire.

1.5 3.0 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5

1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

2B,4B,5B,7B 2B,4B,5B,7B 2B,4B,5B,7B 2B,4B,5B,7B

ESTRATEGIAS DIDÁCTICAS Solución de problemas tipo para cada uno de los temas Enseñanza expositiva –interactiva :preguntas de tipo abierto, elaboración de mapas conceptuales Resolución de problemas para que el alumno realice tareas que sirvan para reforzar la aplicación de los problemas tipo.

EVALUACIÓN DE LOS APRENDIZAJES Presentación de ejercicios resueltos. El alumno deberá integrar los balances diferenciales de materiales y de energía sobre el diagrama de flujo del bioproceso investigado. Exposición del diagrama de flujo investigado Ambas evidencias, problemario y balances diferenciales de energía del diagrama de flujo, representarán el 30% de la evaluación de esta unidad. Examen escrito el cual representará el 70 % de la evaluación.




UNIDAD DE APRENDIZAJE: Balance de materia y energía. HOJA: 6 DE 6

PERÍODO

UNIDAD

PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN 1 2 3 4

I II

III

IV

El alumno deberá presentar el diagrama de flujo completo del bioproceso que haya investigado, junto con su análisis, dicha evidencia representará el 30% de la evaluación de esta unidad. El alumno deberá presentar un examen escrito el cual representará el 70 % de la evaluación. El alumno deberá presentar resueltos los ejercicios proporcionados por el profesor. El alumno deberá integrar los balances de materiales sobre el diagrama de flujo del bioproceso que ha investigado. Ambas evidencias, el problemario resuelto y los balances de materiales del diagrama de flujo de proceso, representarán el 30% de la evaluación de esta unidad. El alumno deberá presentar un examen escrito el cual representará el 70 % de la evaluación. El alumno deberá presentar resueltos los ejercicios proporcionados por el profesor. El alumno deberá integrar los balances de materiales y de energía sobre el diagrama de flujo del bioproceso que ha investigado. Ambas evidencias, problemario y balances de energía del diagrama de flujo, representarán el 30% de la evaluación de esta unidad. El alumno deberá presentar un examen escrito el cual representará el 70 % de la evaluación. El alumno deberá presentar resueltos los ejercicios proporcionados por el profesor. El alumno deberá integrar los balances diferenciales de materiales y de energía sobre el diagrama de flujo del bioproceso que ha investigado. Ambas evidencias, problemario y balances diferenciales de energía del diagrama de flujo, representarán el 30% de la evaluación de esta unidad. El alumno deberá presentar un examen escrito el cual representará el 70 % de la evaluación.

CLAVE B C BIBLIOGRAFÍA Coulson, J. M. Y richardson, J. F., X 1 Chemical engineering V I. y V. II, Maxwell- Macmillan. 1992. 2ªEdición. págs.100-220

X 2 Felder Richard, M., Rouseau Ronald W., Principios de los procesos químicos.,

Adison-Wesley Iberoamericana, 2ª edición. México . 471 págs X 3 Geankoplis. Christie J., Procesos de transporte y principios de procesos de separación, CECSA, 2005, 325 págs. X 4 de Balances de Materia y energía (Métodos Henley, Ernest J., E. M. Rosen., Cálculo manuales y empleo de máquinas calculadoras)., Reverté, 1ª edición,1993. 180 págs X 5 Himmelblau, D. M., Principios y cálculos básicos de la Ingeniería química., Cía.

Editorial Continental, S. A, 1981.México.728 págs

X 6 Myers, L. A., and Seider, W. D., Introduction to chemical engineering and computer calculations, Prentice Hall Inc., 2ª edición,1998. 140 págs X 7 Reklaitis, G. V., Balances de materia y energía., Mc Graw Hill, 2ª edición.1993. 643

págs

X 8 Perry, R. H. y Chilton, Manual del ingeniero químico., Mc Graw Hill.5ª edición, 2000. 485 págs

9 X Ulrich G.D., Procesos de Ingeniería Química, Mc graw Hill, 1ª Edición en español,

1998. -60 págs



DIRECCIÓN DE EDUCACION SUPERIOR

PERFIL DOCENTE POR ASIGNATURA 1. DATOS GENERALES

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA ESCUELA:

Ingeniería Ambiental, Ingeniería Biotecnológica, Ingeniería en Alimentos e Ingeniería Farmacéutica

III CARRERA NIVEL

ÁREA: BÁSICAS C. INGENIERÍA D. INGENIERÍA C. SOC. y HUM.

Ingeniería Básica Balances de Materia y Energía. ACADEMIA: ASIGNATURA:

Ingeniero en Alimentos Ingeniero en Biotecnología, Ingeniero Farmacéutico, Ingeniero Bioquímico, Ingeniero Químico, Ingeniero Ambiental o afín.

ESPECIALIDAD Y NIVEL ACADÉMICO REQUERIDO:

2. OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA: El alumno analizará y resolverá balances de materiales y energía en operaciones y en bioprocesos, aplicará las herramientas de cálculo más empleados así como el e lenguaje de la ingeniería.

3. PERFIL DOCENTE: CONOCIMIENTOS EXPERIENCIA

PROFESIONAL HABILIDADES ACTITUDES

Conocimientos en balances de materiales y energía en operaciones y en bioprocesos.

Reflexión y análisis Experiencia industrial y/o docente.

Profesional capaz de desarrollar el compromiso social y ético, capacidad de transmitir los conocimientos y su aplicación a situaciones prácticas.

Innovación Proactividad Valores compartidos Conocimientos en el

lenguaje de la ingeniería Comunicación abierta y fluida Conocimientos en las

herramientas de cálculo empleados comúnmente

Intercambio de información Visión global Trabajo en equipo la habilidad de resolver

balances de materiales y energía aplicados a los bioprocesos

Conocimientos en el diseño, operación y control de los bioprocesos productivos.

Compromiso social Tolerancia

Conocimientos matemáticos como son las técnicas para resolver sistemas de ecuaciones simultáneas y conocimientos de propiedades termodinámicas de sustancias así como sus variaciones por cambios de estado.

ELABORÓ REVISÓ AUTORIZÓ ____________________________ __________________________ ______________________ M.C. Ma. Elena Rosales Peña Alfaro Dr. Gustavo Valencia del toro Dr. Enrique Duran Páramo PRESIDENTE DE ACADEMIA SUBDIRECTOR ACADÉMICO DIRECTOR

FECHA: JUNIO 2007

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