UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE YUCATÁN FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA LICENCIATURA :
INGENIERÍA QUÍMICA INDUSTRIAL
ÁREA
:
INGENIERÍA APLICADA
ASIGNATURA
:
DISEÑO DE PROCESOS
DURACIÓN
:
60 HORAS
PLAN DE ESTUDIOS APROBADO EN MAYO DE 2006 AGOSTO – DICIEMBRE DICIEMBRE 2015
Modificado en Agosto de 2015 por Dr. Julio César Sacramento Rivero
OBJETIVO GENERAL El estudiante diseñará el proceso químico de una planta industrial, determinando su factibilidad
técnica, bajo los criterios de alta eficiencia energética y bajo impacto ambiental, hasta un nivel de ingeniería básica.
ESTRATEGIAS DE ENSEÑANZA-APRENDIZAJE 1. Exposición con método interrogatorio 2. Sesiones de solución de problemas 3. Aprendizaje por proyectos 4. Uso de simuladores
CRITERIOS DE EVALUACIÓN La calificación se asignará a cada alumno sobre un total de 100 puntos, que se repartirán entre los siguientes rubros: 20 pts.
Ejercicios y tareas
30 pts.
Entregas parciales de proyecto (Unidades 2 y 3)
25 pts.
Examen escrito (Unidad 4)
25 pts.
Entrega final de proyecto
Ejercicios y tareas: Se calificarán en una escala numérica tomando en cuenta los resultados obtenidos, la calidad y el cumplimiento en la entrega de las mismas. Todas las tareas tendrán el mismo valor y el total de las mismas sumará 20 pts en la calificación final. Entregas parciales de proyecto: Se harán a manera de exposición oral, previa entrega de un reporte escrito . Los puntos para este rubro se repartirán de la siguiente manera: 15 pts.
Avances del proyecto con los contenidos de las Unidades 1 y 2
15 pts.
Avances del proyecto con los contenidos de la Unidad 3
Examen escrito: Se realizará un solo examen escrito evaluando los contenidos de la Unidad 4, con un valor total de 25 pts.
Entrega final de proyecto: El proyecto consiste en desarrollar uno o varios diseños de un proceso químico. El o los diseños se deberán elaborar en un simulador de procesos comercial y se defenderán mediante una exposición. La evaluación se hará a manera de exposición oral, previa entrega de un reporte técnico escrito . Los puntos para este rubro se repartirán tomando en cuenta los resultados obtenidos, la profundidad, la calidad y el cumplimiento en la entrega del mismo, de la siguiente manera: 20 pts.
Reporte técnico
5 pts.
Exposición oral
El retraso en la entrega de tareas y proyectos se penalizará con cinco puntos en una escala de cien por cada día natural de atraso.
BIBLIOGRAFÍA Bibliografía básica 1.
Smith, R., Chemical Process Design and I ntegration, John Wiley & Sons, England, (2005)
2.
Seider, W. D., Seader, J. D., and Lewin, D. R., Product & Process Design Principles. Synthesis, Analysis and E valuation, John Wiley & Sons, U.S.A., (2004)
3.
Turton, R., et al., Analysis, Synthesis and Design of Chemical Pr ocesses, 2nd ed., Prentice Hall, U.S.A., (2003)
Bibliografía de apoyo 4.
Coker, A. K., Ludwig's Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants , Volume 1, Fourth Edition, Elsevier, U.S.A., (2007)
5.
Kemp, I.C., Pinch Analysis and Process I ntegr ation, Second E dition: A User Guide on
Process I ntegr ation for the E fficient Use of E nergy , Butterworth-Heinemann; 2 nd ed.,
Great Britain, (2007) 6.
Coulson, J. M., Richardson, J.F. and Sinnott, R. K., Chemical E ngi neering, Volume 6. An I ntroduction to Chemical E ngineering Design, Pergamon Press, Oxford, UK (1983).
7.
Levenspiel, O., Chemical R eaction E ngi neering , 2nd ed., Wiley, U.S.A. (1972).
8.
Smith, J. M., Chemical E ngineering K inetics, 3rd ed., McGraw-Hill, U.S.A. (1981).
9.
Perry, R.H. and Green, D.W. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook , 7th ed., McGrawHill, U.S.A., (1997).
10. Kent J.A., Riegel’s Handbook of Industrial Chemistry, 9th. ed., Chapman & Hall, U.S.A, (1992). 11. Kirk, R.E. and Othmer, D.F., K irk-Othmer E ncyclopedia of Chemical Technology , 3rd ed., John Wiley & Sons, Canada, (1984). 12. King, C. J., Separation Pr ocesses, 2d ed., McGraw -Hill, U.S.A. (1980) 13. Humphrey, J. L. and Keller II, G. E., Separation Pr ocess Technology. Performance, Selection and Scaleup, McGraw-Hill, U.S.A., (1997)
14. McCabe, W.L., Smith, J.C.. and Harriott, P. Unit Operations of Chemical E ngi neering , McGraw-Hill, U.S.A., (1993). 15. Linnhoff, B. and Smith, R., "The Pinch Principle" , Mechanical Engineering , pp 70-73, February (1988). 16. Sowell R, “Why a simulation system doesn’t match the plant”, Hydrocarbon Processing , Vol. 102, No. 7, (1998).
UNIDAD 1 INTRODUCCION OBJETIVO El estudiante comparará las diferentes metodologías para el diseño conceptual de procesos químicos industriales. Asimismo, identificará los principales diagramas que se utilizan en Ingeniería Química para representar a los procesos químicos y las partes que lo conforman.
CONTENIDO ESPECIFICO 1.
Metodologías para el diseño de procesos. 1.1.
Definición y aspectos generales de diseño de procesos.
1.2.
Análisis y síntesis de procesos.
1.3.
La jerarquía en el diseño de procesos.
1.4.
Métodos de diseño de procesos. 1.4.1. Construcción de una estructura simple. 1.4.2. Optimización de una superestructura.
2.
Diagramas de flujo. 2.1
Definición.
2.2
Clasificación y tipos. 2.2.1. Diagrama de bloques. 2.2.2. Diagrama de flujo de procesos. 2.2.3. Diagrama de instrumentación y control. 2.2.4. Diagrama de servicios. 2.2.5. Otros tipos.
Duración: 4 horas.
Estrategias de enseñanzaaprendizaje
Duración
Bibliografía
4 horas
1, 2, 3, 4, 6, 16
1, 2
UNIDAD 2 DISEÑO DEL REACTOR Y DE LA RUTA DE REACCIÓN OBJETIVO El estudiante seleccionará una ruta de reacción para transformar, de manera viable, las materias primas en el o los productos finales. Asimismo, diseñará el reactor más viable para la ruta de reacción seleccionada.
CONTENIDO ESPECIFICO 1.
Clasificación de Reactores y de Reacciones Químicas. 1.1.
Modelos ideales de reactor
1.2.
Reactores prácticos. 1.2.1. Reactores tipo tanque con agitación. 1.2.2. Reactores tubulares. 1.2.3. Reactores de lecho fijo. 1.2.4. Reactores de lecho fluidizado. 1.2.5. Reactores catalíticos y no catalíticos. 1.2.6. Hornos. 1.2.7. Otros tipos de reactores.
1.3.
Clasificación de reacciones químicas. 1.3.1. Reacciones simples. 1.3.2. Reacciones múltiples en paralelo. 1.3.3. Reacciones múltiples en serie.
1.3.4. Reacciones múltiples en serie y en paralelo. 1.3.5. Reacciones de polimerización. 1.3.6. Otros tipos de reacciones.
Duración: 4 horas. 2.
Funcionamiento y selección del reactor. 2.1.
Parámetros utilizados para medir el funcionamiento.
2.2.
Objetivos en la selección del reactor. 2.2.1. Objetivos para las reacciones simples. 2.2.2. Objetivos para las reacciones múltiples en paralelo. 2.2.3. Objetivos para las reacciones múltiples en serie.
2.3.
Selección del modelo ideal de reactor para los sistemas de reacción. 2.3.1. Modelo ideal para reacciones sencillas. 2.3.2. Modelos ideales para reacciones múltiples en paralelo. 2.3.3. Modelos ideales para reacciones múltiples en serie. 2.3.4. Modelos ideales para reacciones múltiples en serie y en paralelo. 2.3.5. Modelos ideales para reacciones de polimerización.
2.4.
Selección de reactores prácticos. 2.4.1. Criterios utilizados para la selección del reactor más adecuado.
Duración: 8 horas. 3.
Condiciones de operación en el reactor 3.1.
Concentración de especies en el reactor
3.2.
Temperatura de reacción
3.3.
Presión en el reactor
3.4.
Selección de la fase
3.5.
Catalizadores
Duración: 2 horas.
4.
Rutas de Reacción. 4.1.
Definiciones.
4.2.
Rutas de reacción en la industria petroquímica. 4.2.1. Derivados del metano. 4.2.2. Derivados del etileno. 4.2.3. Derivados del propileno. 4.2.4. Derivados de los C 4’s 4.2.5. Derivados de alifáticos pesados. 4.2.6. Derivados de aromáticos
Duración: 2 horas. Estrategias de enseñanzaaprendizaje 1, 2, 3, 4
Duración
Bibliografía
16 horas
1, 2, 3, 4, 7, 8, 9, 10, 11
UNIDAD 3 SELECCIÓN DEL SISTEMA DE SEPARACIÓN Y SÍNTESIS DE LA SECUENCIA ÓPTIMA DE SEPARACIÓN OBJETIVO El estudiante diseñará las etapas de reacción / separación / recirculación de un proceso químico, en el que participen varios componentes, seleccionando en cada caso el mejor sistema
de separación, en términos técnicos, ambientales y económicos. CONTENIDO ESPECIFICO 1.
Características generales de los procesos de separación. 1.1.
Estructura general de los sistemas de separación.
1.2.
Agente de separación.
Duración: 1 hora. 2.
Clasificación de los sistemas de separación. 2.1.
Procesos de separación difusivos. 2.1.1. Procesos de equilibrio ordinarios que utilizan energía como agente de separación. 2.1.2. Procesos de equilibrio ordinarios que utilizan un material como agente de separación. 2.1.3. Procesos de equilibrio con más de un agente de separación. 2.1.4. Procesos de separación controlados por la velocidad.
2.2.
Procesos de separación mecánicos. 2.2.1. Separaciones basadas en la densidad. 2.2.2. Separaciones basadas en el tamaño de partículas. 2.2.3. Separaciones basadas en propiedades superficiales. 2.2.4. Separaciones basadas en cargas eléctricas. 2.2.5. Separaciones basadas en cargas magnéticas.
Duración: 3 horas. 3.
Sistemas de Reacción – Separación – Recirculación. 3.1.
Estructura de recirculación del proceso. 3.1.1. Importancia de la recirculación en el proceso. 3.1.2. Factores que determinan la recirculación 3.1.2.1. Conversión en el reactor 3.1.2.2. Formación de subproductos 3.1.2.3. Recirculación de subproductos para mejorar la selectividad. 3.1.2.4. Recirculación de subproductos o productos que dañen al reactor. 3.1.2.5. Impurezas en la alimentación.
3.1.2.6. Disolventes o diluyentes en el reactor. 3.1.2.7. Otros factores 3.1.3. Importancia de la purga en la recirculación. 3.1.4. Sistemas de recuperación de vapor. 3.2.
Rendimiento del proceso.
Duración: 4 horas. 4.
Selección del Sistema de Separación y Síntesis de la Secuencia Óptima de Separación. 4.1.
Selección de sistemas de separación para una mezcla determinada.
4.2.
Síntesis de secuencias de separación generales.
4.3.
Síntesis de secuencias de separación por destilación. 4.3.1. Secuencia de destilación utilizando columnas simples. 4.3.2. Restricciones prácticas.
4.4.
Selección de la secuencia de columnas que no están integradas térmicamente. 4.4.1. Reglas heurísticas. 4.4.2. Cálculo del flujo de vapor en la columna.
4.5.
Integración Térmica de Secuencias de Columnas Simples de Destilación. 4.5.1. Flujo másico interno en secuencias de columnas de destilación. 4.5.2. Secuencias de destilación utilizando columnas con más de dos productos. 4.5.3. Secuencias de destilación mediante acoplamiento térmico.
Duración: 8 horas 5.
Integración y Simulación del Diagrama de Flujo de Procesos (DFP). 5.1.
Información y datos básicos para la integración del DFP. 5.1.1. Información para el sistema de reacción. 5.1.2. Información para el sistema de separación. 5.1.3. Consideraciones ambientales. 5.1.4. Consideraciones de seguridad.
5.2.
Simulación del DFP por computadora. 5.2.1. Selección del modelo termodinámico. 5.2.2. Flujos y propiedades de la alimentación. 5.2.3. Selección de los parámetros de los equipos. 5.2.4. Convergencia.
Duración: 8 horas Estrategias de enseñanzaaprendizaje 1, 2, 3, 4
Duración
Bibliografía
24 horas
1, 2, 3, 4, 9, 10, 11, 12, 13, 14
UNIDAD 4 SÍNTESIS DE REDES DE INTERCAMBIO DE CALOR Y SELECCIÓN DE LOS SERVICIOS AUXILIARES OBJETIVO El estudiante diseñará la red de intercambio térmico para un proceso en términos de la mayor recuperación energética, incluyendo la combinación de servicios auxiliares más adecuados para el mismo.
CONTENIDO ESPECIFICO 1.
Generalidades. 1.1.
Definición y planteamiento del problema.
1.2.
Conceptos básicos. 1.2.1. Corrientes “frías” y “calientes” de un proceso. 1.2.2. Capacidad calorífica de flujo. 1.2.3. Diferencia mínima de temperaturas.
1.2.4. Diagrama temperatura - entalpía.
Duración: 1 hora. 2.
Objetivos en el Consumo de Energía de la Red de Intercambio de Calor. 2.1.
Objetivos de energía.
2.2.
Curvas compuestas.
2.3
El concepto de recuperación de calor “Pinch”.
2.3.1. Importancia y significado del Pinch. 2.4.
La Tabla Problema.
Duración: 5 horas. 3.
Diseño de la Red de Intercambio de Calor. 3.1.
Representación de la red (diagrama de rejilla).
3.2.
Diseño de la red para una máxima recuperación de energía.
3.3.
Problemas tipo “Umbral”.
3.3.1. Diseño para problemas tipo umbral. 3.4.
Pinch múltiple. 3.4.1. Diseño para pinch múltiple.
3.5.
División de corrientes.
Duración: 8 horas. 4.
Servicios auxiliares. 4.1.
Clasificación.
4.2.
La Gran Curva Compuesta.
4.3.
Relación entre las Curvas Compuestas, la Tabla Problema y la Gran Curva Compuesta.
4.4.
Selección de los servicios auxiliares para un proceso. 4.4.1. La interfase entre el proceso y los servicios auxiliares.
4.4.2. Procedimiento de diseño para la red de intercambio de calor incluyendo los servicios auxiliares.
Duración: 6 horas. Estrategias de enseñanzaaprendizaje 1, 3, 4
Duración
Bibliografía
20 horas
1, 2, 3, 4, 5, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16
