UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER
 
FACULTAD DE INGENIERIA
 
Balance de masa y energia
 
 
 
 

                          

 

DESCRIPCION DEL CURSO
 
 

Asignatura: Balance de Masa y Energía

Área: Formación profesional específica.

Línea de Investigación: Control y automatización de procesos industriales.

Código: 1090602

Créditos: 3

Horas presenciales x semana: Clase magistral = 3h  

Salón: Clase magistral = Lunes 11h -12h LG107    y  Viernes 16h - 18h LG112

Profesor: IE. PhD. Francisco Ernesto Moreno García

Asesorías extracurriculares: Martes y Miercoles 11h – 12h Sala profesores departamento E&E.

 

 

 

OBJETIVO GENERAL

 

 

El estudiante estará en capacidad de efectuar modelamiento y simulación matemática sobre esquemas de equipos en los cuales se lleven a cabo operaciones y/o procesos unitarios sencillos, mediante la aplicación de las relaciones fisicoquímicas correspondientes a balances de masa y de energía.

 

 

COMPETENCIAS

 

Competencias Procedímentales:

 

Ø  Aportar al perfil del futuro egresado una capacidad para solucionar problemas de balance de masa y energía basándose en la aplicación correcta de las leyes de conservación de masa y energía, de forma a que se llegue a la intuición necesaria para la solución de los diferentes casos presentes en equipos y procesos industriales.

Ø  Manejar la metodología de resolución de problemas de balances de material en operaciones y procesos sencillos.
Ø  Plantear en forma gráfica la secuencia lógica de operaciones unitarias que integran un proceso de ingeniería.
Ø  Identificar las principales variables de los procesos, su importancia y aplicaciones.
Ø  Explicar los conceptos de modelación y simulación y su importancia en el diseño y/o evaluación de procesos.
Ø  Tener una visión integral de los aspectos científicos y tecnológicos que encontrará en el resto de su formación académica y en el posterior ejercicio de la profesión.
Ø  Conocer la metodología para desarrollar modelos de unidades y procesos industriales así como realizar su simulación tanto estacionaria como dinámica.
Ø  El alumno será capaz de desarrollar modelos de unidades de proceso y procesos de ingeniería basados en ecuaciones y principios físicos, en donde interactúen las propiedades y aplicaciones los métodos simulación en el dominio del tiempo.
Ø  El alumno será capaz de escoger los algoritmos apropiados e implementarlos para la simulación de los modelos.
Ø  El alumno conocerá y será capaz de trabajar con simuladores comerciales.
Ø  El alumno será capaz de emplear herramientas de simulación para estudiar y analizar un proceso (o unidad de operación).
Ø  Emplea la respuesta en régimen estacionario como análisis de rendimiento de los sistemas.
Ø Resuelve sistemas mediante gráficas en el dominio del tiempo.
 
 
 

Competencias Conceptuales:

 

El estudiante debe aprender a utilizar los diferentes métodos existentes para el desarrollo de las técnicas de análisis, diseño y modelamiento de procesos industriales en dominio del tiempo y sus diferentes aplicaciones.

 

Ø  Manejar conceptos y procedimientos referentes a sistemas de una fase.

Ø  Repasar y ampliar conceptos referentes a la primera ley de la termodinámica en sistemas cerrados y abiertos.

Ø  Describir el concepto de proceso, sus diferentes tipos y sus formas de representación gráfica.

Ø  Saber calcular entalpias e capacidade calorífica

Ø  Relaciona las expresiones matemáticas y su aplicación a procesos industriales.

Ø  Analizar, diseñar, simular, construir y evaluar modelos matemáticos con MATLAB

Ø  Explotar a un elevado nivel los programas profesionales para el modelamiento de sistemas  asistido por computador (MATLAB).

Ø  Utilizar ampliamente la literatura científica y técnica, incluidos manuales en español e inglés, sobre sistemas de control automático.

Ø  Elaborar informes técnicos de calidad utilizando las normas técnicas orientadas para este fin.

 

 

Competencias Actitudinales:

 

A través del trabajo en grupo se despertará en el estudiante el compañerismo y los valores sociales que conlleven a la tolerancia, el compromiso y el compartir conocimientos que estimulen una actitud reflexiva e inteligente en la construcción de su proyecto de vida.

 

Ø  Contribuir a lograr rigor científico, tanto en lo que se refiere a la aplicación de los conceptos y a la formulación de los temas, como a la aplicación de los métodos y formas de trabajo.

Ø  Contribuir a una alta responsabilidad ética y moral para poner el resultado de su trabajo en función de los requerimientos de la sociedad donde vive, manteniendo una actitud responsable ante el cuidado del medio ambiente y el desarrollo sostenible.

Ø  Contribuir a  mantener la competencia profesional y por tanto la capacidad de superación y auto preparación durante su vida laboral activa.

Ø Contribuir a una actitud positiva en su conducta social y correctos hábitos de educación formal, así como alcanzar habilidades en la comunicación social, tanto desde el punto de vista laboral como en sus relaciones sociales generales.

 
 

CONTENIDO DEL CURSO

 

 

Unidad 1 – INTRODUCCIÓN A LAS OPERACIONES UNITARIAS

·      Conceptos básicos

              ·      Operaciones Unitarias

              ·      Operaciones de transformación.

              ·      Operaciones de conservación

              ·      Importancia de los balances de masa y energía en Ingeniería.

 

Unidad 2 - MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN DE PROCESOS ESTACIONARIOS

·      Introducción al modelamiento de sistemas físicos

            ·      Funcionalidades de los simuladores en estado estacionario

            ·      Arquitectura de software de un entorno de modelado y simulación

·     Estrategias de resolución: Secuencial Modular vs. Orientado a ecuaciones

 

Unidad 3 – BALANCE DE MASA

·      Cálculos  de balances de matéria

·      Balances en procesos de unidades múltiples.

·      Recirculación y derivación (bypass)

·      Balances de procesos reactivos

·     ArquitecturaBalance de masa transitorio

 

Unidad 4 – BALANCE DE ENERGIA

·         Formas de energía: La primera ley de la termodinámica

·         Balances de energía en sistemas cerrados

·         Balances de energía en sistemas abiertos

·         Procedimientos para el balance de energía

·         Balance de energía transitorio para procesos no reactivos de una sola fase

 

Unidad 5 – MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN DE PROCESOS TRANSITORIOS

·        Simulación dinámica

·        Simuladores orientados  a ecuaciones

·        Métodos de resolución

·        Simulación  dinámica  con MATLAB

 

Unidad 6 - CICLOS Y SISTEMAS ENERGÉTICOS USUALES

 ·     Ciclos de las máquinas térmicas.
 ·     Ciclos con transferencia externa de calor
 ·     Ciclo de Rankine 
 ·     Ciclos de combustión interna
 ·     Ciclos de refrigeración, de acondicionamiento de aire.

 

 

BIBLIOGRAFÍA

 

1.        SANDLER, S.I. Chemical and Engineering Thermodynamics,2ª ed., Singapore: John Wiley & Sons, 1989.

2.        HIMMELBLAU, D. M. Principios básicos y cálculos de ingeniería química, 6ª ed., Prentice Hall Ltda., 1996.

3.        COULSON, J. et al. Coulson & Richardsons Chemical Engineering. 6ª.ed. Oxford: Butterworth- Heinemann. 1999.

4.        LUYBEN, W. L.; WENZEL, L. A., Chemical Process Analysis-Mass and Energy Balances. Prentice-Hall, New Jersey. 1988.

5.        PERRY, J.; PERRY, R.; GREEN, D. Perrys Chemical Engineers Handbook. 8ª.ed. McGraw-Hill, New York. 2008.

6.        THOMPSON, E.; CECKLER, W. Introduction to Chemical Engineering. McGraw-Hill. 1977.

7.        SHEREVE, R.N. & BRINK, J.A., "Industrias de Processos Químicos", 4a Edição, Guanabara Dois,1980.

8.        SHREVE, R.; AUSTIN, G. Shreve's Chemical Process Industries. 5ª.ed. McGraw Hill. 1984.

9.        ANDERSEN, Bryce y WENZEL, Leonard. Introduction to Chemical Engineering. New York: McGraw-Hill-Kogakusha, 1971.

10.    CENGEL, Yunus y BOLES, Michael. Termodinámica. Sexta edición. México. McGraw-Hill/Interamericana editores S. A. de C. V. 2009.

11.    HOUGEN, Olaf; WATSON, Keneth y RAGATZ, Roland. Principios de los procesos químicos. Parte I: Balances de materia y energía.  Editorial Reverté S. A. 1980.  

12.    McCABE, Warren; SMITH, Julián y HARRIOT, Peter. Operaciones unitarias en ingeniería química. Mc Graw-Hill-Interamericana S. A., séptima edición. 2007.

13.    WILLIAMS, Edwin y JOHNSON, Curtis. Stoichiometry, form Chemical Engineers. McGraw-Hill-Kogakusha: 1968.

14.    VAN WYLEN G.J & R.E. SONNTAG.   Fundamentos de Termodinámica -  Limusa - ISBN: 968-18-0623-9 - 2da Edición.

15.    J.B. JONES & R.E. DUGAN.-  Ingeniería Termodinámica -  Prentice Hall- ISBN: 960-880-845-8

16.    VALIENTE, ANTONIO. Problemas de Balance de Materia y Energía en LA Industria Alimentaria. 2a. Edición. Editorial limusa-noriega.  México. 1999.

17.    CHÁVEZ, JULIO. & GALVÁN, MANUEL. Balance de Materiales y Energía. Editorial Universitaria. USAC. Guatemala. 1998

 

 

APRENDIZAJE Y METODOLOGÍA PEDAGÓGICA

 

 

Por parte del Profesor:

Ø  En conferencias magistrales dinámicas introducir y desarrollar los conceptos fundamentales para la comprensión del tema.

Ø  Orientar los contenidos conceptuales, procedimentales que el estudiante debe conocer, comprender y aplicar mediante estudio individual.

Ø  Instruir al estudiante para la realización de laboratorios tipo simulación.

Ø  Evaluar contenidos, ejercicios y talleres desarrollados por los estudiantes en clases y mediante el estudio individual.

 

Por parte del Estudiante:

Ø  Asistir y participar dinámicamente a las conferencias magistrales desarrollando y respondiendo los ejercicios propuestos y máxima atención a todas las orientaciones del profesor.

Ø  Mediante el estudio individual reafirmar, comprender y aplicar los contenidos desarrollados en clases y los orientados por el profesor.

Ø  En los laboratorios (tipo simulación) previamente conocer la fundamentación teórica, para poder desarrollar y analizar resultados.

Ø  Interactuar con los miembros de su grupo de estudio para la realización de las actividades grupales orientadas.

 

 

LABORATORIOS SIMULACIÓN

 

El desarrollo de laboratorios tipo simulación permitirá sedimentar los conceptos presentados durante la disciplina de balance de masa y energía ministradas.

LABORATORIO No. 1 - Introducción a MATLAB y SIMULINK

LABORATORIO No. 2 – Desarrollo de Balances de Masa utilizando Matlab.

LABORATORIO No. 3 – Modelamiento de sistemas hidraulicos y termicos.

+ otros Laboratorios.