Información General
Objetivos de la Cátedra:
ü Adquirir habilidad y conocimientos en la resolución de problemas de creciente complejidad y dificultad, así como la capacidad de adquisión de datos confiables y el uso de herramientas robustas y eficientes de cálculo.
ü Lograr balancear las corrientes materiales y de energía que ingresan y egresan de una planta ya que de ello depende si un proceso determinado es de interés ingenieril o no (rentabilidad).
ü Inferir el gasto y calcular el costo preciso de la energía consumida en un proceso, considerando la posibilidad de aplicar integración energética que, como se sabe, es un procedimiento mediante el cual corrientes calientes y frías se aprovechan para ahorrar servicios auxiliares de calefacción y refrigeración respectivamente.
ü Discriminar las necesidades de acondicionamiento térmico de una corriente para llevarla a las condiciones deseadas de proceso (por ejemplo en tareas de secado o enfriadores evaporativos), como resultado del calor de mezclado que se pone en juego en ciertos y determinados sistemas, o producto de reacciones químicas exotérmica o endotémicas, ya sea en sistemas ideales o reales.
ü Aplicar balances de materia y energía en estado no estacionario en procesos dinámicos.
ü Adquirir destrezas en el uso de métodos numéricos y simuladores que permitan llevar a cabo la resolución de sistemas que involucren modelos complejos de ecuaciones diferenciales (sistemas dinámicos) y sistemas de ecuaciones algebraicas implícitos en estado estacionario.
Contenido:
Tema 1: Balances de materia y energía sin reacción Química. Conceptos de entalpía. Balances de energía para sistemas cerrados y abiertos. Diferentes formas de energía: calor y trabajo. Ciclos y procesos termodinámicos.
Aplicación: equipos de intercambio térmico. Conceptos de transferencia global de calor y temperatura media logarítmica en intercambiadores de calor.
Tema 2: Presión de vapor y psicrometría. Determinación de presiones de vapor de sustancias puras. Revisión de métodos gráficos (COX, Dühring) y mediante el uso de tablas. Ecuación de Antoine. Empleo de modernas correlaciones y métodos numéricos para el cálculo de propiedades fisicoquímicas y de equilibrio de fases. Conceptos asociados a los Balances de aire húmedo. Temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo. Temperatura de rocío. Humedad absoluta y relativa. Grado de saturación. Saturación adiabática. Diferentes tipos de higrómetros. Diagramas psicrométricos. Balances de energía en sistemas de aire húmedo. Transformaciones: Calentamiento a humedad constante, Enfriamiento a humedad constante, Enfriamiento a entalpía constante. Determinación de la Humedad Relativa utilizando la temperatura de bulbo húmedo y la de bulbo seco.
Aplicación: Equipos de humidificación/ des-humidificación, torres de enfriamiento, secadores.
Tema 3: Balances de materia y energía a través de diagramas entalpía/composición. Aplicación a Sistemas binarios: con dos componentes volátiles, con uno sólo volátil. Procesos asociados: Suma y separación de dos corrientes con y sin intercambio de calor. Ejemplos de utilización de los diagramas de entalpía – composición.
Aplicación: balances en evaporadores/concentradores y mezcladores. Cálculo de servicios auxiliares asociados a los mismos: refrigeración y calefacción.
Tema 4: Balances de materia y energía con reacción Química. Termoquímica. Estados normales. Entalpías normales de reacción. Reacciones exotérmicas y endotérmicas. Entalpía normal de formación. Entalpía de enlace. Determinación de las entalpias normales de formación y de reacción. Calorimetría. La entalpía normal da combustión. La ley de Lavoisier y Laplace. La ley de Hess. Cálculo de calores de transformación: Por sumas y restas de ecuaciones termoquímicas, Mediante los calores de formación, Mediante los calores de combustión, Mediante la entalpía de enlace. Efecto de la temperatura en los calores de reacción. Ley de Kirchhoff. Entropía normal de reacción. Energía libre normal de reacción. Estimación de las propiedades termodinámicas: Calor de neutralización, Temperatura adiabática de llama. Balance de calor a partir de la expresión de diferencias de entalpías.
Aplicación: hornos y reactores que puedan ser resueltos en este nivel, por ejemplo a través de reacciones de conversión.
Tema 5: Aplicaciones a sistemas no ideales: Ecuaciones de estado de gases reales. Coeficiente de compresibilidad en gases reales utilizando ecuaciones de Estado. Comparación con diagramas basados en estados correspondientes. Mezcla de gases ideales y reales. Equilibrio de fases para mezclas ideales y no ideales. Coeficientes de actividad. Mezclas azeotrópicas.
Aplicación: Obtención de curvas de equilibrio mediante software específico y general.
Tema 6: Balances de materia y energía en estado no estacionario. Mezcla de corrientes puras a diferentes temperaturas: evolución dinámica de la temperatura y nivel. Mezcla de soluciones a diferentes temperaturas y composición: evolución dinámica de la temperatura, composición y nivel. Conceptos de métodos numéricos para la resolución de sistemas dinámicos. Sistemas de ecuaciones diferenciales.
Aplicación: concepto de simulación dinámica de equipos y procesos sencillos que serán profundizado en Integración IV (4º Nivel) y Control Automático (5º Nivel).
Tema 7: Herramientas informáticas. Aplicaciones de softwares específicos y generales incluyendo simuladores de procesos. Introducción al concepto de modelado y simulación de equipos y procesos.
Aplicación: introducción básica y resolución de problemas sencillos mediante simulador, que será profundizado en integración IV, con posibilidades de aplicación a otras cátedras.
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