UNIVERSIDAD JUÁREZ AUTONOMA DE TABASCO DIVISIÓN ACADEMICA DE CIENCIAS BIOLÓGICAS

NOMBRE DEL PROGRAMA: TRANSFERENCIA DE MASA AREA DE FORMACIÓN: SUSTANTIVA PROFESIONAL HORAS TEORICAS A LA SEMANA : 3

HORAS PRACTICAS A LA SEMANA: 2

CREDITOS: 8

PRESENTACIÓN

El programa de estudio de Transferencia de Masa, dentro del mapa curricular de la Licenciatura en Ingeniería Ambiental, forma parte del Area de Formación Sustantiva Profesional y su eje de formación es Intelectual. La razón por la que se ubica en esta área , es que los fundamentos de la transferencia de masa son una herramienta básica en la Ingeniería Ambiental. Muchas de las soluciones a las ecuaciones de difusión y advección-difusión tienen amplia aplicabilidad en problemas ambientales; por ejemplo, suministran los fundamentos para el análisis de chorros y penachos para efluentes de aguas residuales o chimeneas de humo. Constituyen además una base sólida con las que el Ingeniero analiza los mecanismos de transporte de material en el ambiente y con los que evalúa la composición y destino final de estos materiales, tanto en suelo como en agua. . Para alcanzar los objetivos, el programa se ha dividido en cinco unidades sustanciales: 1) 2) 3) 4) 5)

Conceptos básicos de la transferencia de masa Transporte de masa por difusión molecular y convección Transporte turbulento y dispersión hidrodinámica de masa Transporte de materia entre fases Aplicaciones del transporte de masa: reactores de procesos y tanques

Cada una de estas unidades termina con una aplicación práctica de los conocimientos adquiridos, que le permitirán al estudiante analizar y resolver problemas de tipo ambiental. Es necesario recalcar que el buen entendimiento y aplicación práctica del contenido del programa demandan al estudiante las siguientes herramientas :

1) Ecuaciones diferenciales 2) Fisicoquímica 3) Termodinámica Los Fundamentos de la transferencia de masa, brindando sustento analítico y práctico a los programas de • • • •

simulación y Modelos Ambientales Evaluación de impacto ambiental Contaminación del suelo y subsuelo Prevención y control de la contaminación ambiental

Tiene como fin desarrollar las siguientes competencias dentro del perfil de egreso general del Ingeniero Ambiental: • • •

Elaborar diagnósticos ambientales sustentados en técnicas analíticas, procedimientos y métodos y/o criterios o códigos internacionales que garanticen la calidad técnica y científica de los resultados. Diseñar y operar sistemas tecnológicos para el control de residuos líquidos, sólidos y emisiones a la atmósfera en los sectores social y productivo Diseñar y operar tecnologías de remediación ambiental en sistemas acuáticos y terrestres que presenten niveles de riesgo a la salud y/o a los ecosistemas.

Competencias con las que el ingeniero ambiental, en resumen, evalúa, diagnostica, controla y remedia el ambiente.

OBJETIVO GENERAL

Aplicar los fundamentos de la transferencia de masa en, la evaluación de las tasas de transporte, balances de material dentro de un volumen de control, construcción de perfiles de concentración y análisis de procesos en reactores.

METODOLOGÍA DE TRABAJO Al desarrollar el contenido de cada unidad, el docente iniciará la discusión con un ejemplo de un problema práctico adecuado al contenido con el objeto de interesar al estudiante en la importancia y alcance de los conocimientos y habilidades que desarrollará en esa unidad. En todo momento deberá fomentar la participación de este en clases(con el uso de preguntas, comentarios, etc.) con el fin de que no pierda ni el interés ni la concentración en lo que se enseña.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN

Se evaluarán todas aquellas situaciones, actividades y experiencias de aprendizaje donde el estudiante participe en las diferentes sesiones de trabajo. Los criterios de evaluación tomarán en cuenta:

Actividades Trabajos de investigación

Porcentaje(%) 10

Exposición del estudiante Participación

10 10

Habilidad en la solución de problemas

30

Examen escrito

40

CONTENIDO DEL PROGRAMA

UNIDAD 1: Conceptos básicos de transferencia de masa

Objetivo de la unidad: Aplicar los conceptos básicos del transporte de masa para evaluar tasa de transporte y realizar balances de materia dentro de un volumen de control en situaciones prácticas. RESULTADOS DE APRENDIZAJE:

• • • •

Comprender que es el transporte de materia Identificar y clasificar los distintos mecanismos de transporte de materia en el ambiente Diferenciar entre densidad de flujo y flujo en masa o molar Aplicar balances de materia de estado estable y transitorio y resolver las ecuaciones de balance

CONTENIDO

1.1 Definición de transporte de masa

ESTRATEGIAS DE ENSEÑANZA

RECURSOS DIDACTICOS

- Identificar fenómenos de transporte por

-Bibliografía[ 1,2 ]

EVALUACIÓN DEL APRENDIZAJE

-Examen -Acetatos

1.2 Transporte de materia en el ambiente 1.3 Transporte advectivo 1.4 Difusión molecular y primera ley de Fick 1.5 Densidad de flujo en masa o molar 1.6 Flujo de masa o molar 1.7 Volumen de control y ecuación de balance de masa para una especie

difusión molecular en -plumones el ambiente -Ejemplos de problemas de vaporación de líquidos -Discusión de la importancia de cuantificar las tasas de transporte de materia

-Proyector de acetato

-Participación en clases

-Laminas

-Por habilidad en la resolución de problemas de:

-Manual de realización de práctica

a)evaporación de líquidos

-Material para realizar la b) aplicación de práctica( indicado en el manual balances de materia de práctica) de estado estable y transitorio

-Explicar la utilidad de realizar un balance de masa en un sistema -practica de evaporación de un liquido -Autoevaluación de lo aprendido

UNIDAD 2: Transporte de masa por difusión molecular y convección

Objetivo de la unidad: Aplicar el análisis de la naturaleza del transporte de masa por difusión molecular y convección y evaluar tasas de transporte en situaciones prácticas . Resultados de aprendizaje: • • •

Aplicar el concepto de difusión molecular para determinar tasas de transporte en situaciones específicas Evaluar tasas de transporte de masa por convección Aplicar correlaciones empíricas para determinar coeficientes de transferencia de masa convectiva

CONTENIDO

ESTRATEGIAS DE ENSEÑANZA

RECURSOS DIDACTICOS

EVALUACIÓN DEL APRENDIZAJE

2.1 Difusión de masa: concentración baja

-Formulación de conceptos

-Bibliografía[ 1,2 ]

-Calidad en el trabajo de investigación

2.2 Difusión de alta concentración a través

-Observación en la naturaleza del transporte

-Acetatos -Calidad en la

de un medio estancado

convectivo de masa

-Plumones

exposición

2.3 difusión con reacción química

- Ejemplos de problemas prácticos

-Laminas

-Participación en clase

-Proyector de acetatos

-Examen

2.4 Transferencia de masa por convección

-Trabajo de investigación acerca de la transferencia convectiva de masa

2.5 tasa de transferencia de masa convectiva de masa y el coeficiente de transferencia convectiva de masa

-Análisis grupal de las correlaciones empleadas en la determinación del coeficiente de transferencia de masa convectiva

- Por habilidad en la solución de problemas de transporte convectivo de masa

2.5 Grupos adimensionales en la transferencia convectiva -Autoevaluación de lo de masa aprendido

UNIDAD 3: Transporte turbulento y dispersión hidrodinámica de masa

Objetivo de la unidad: Aplicar los conceptos del transporte turbulento y dispersión hidrodinámica de masa en la solución de problemas de transporte de masa en corrientes y en un medio poroso RESULTADO DE APRENDIZAJE

• • • •

Conocer la naturaleza de la dispersión turbulenta Cuantificar las tasas de transporte turbulento de masa Conocer la naturaleza de la dispersión de masa en un medio poroso Aplicar las soluciones de la ecuación de advección – dispersión en problemas de transporte de masa en corrientes y en medio poroso

CONTENIDO

ESTRATEGIAS DE ENSEÑANZA

RECURSOS DIDACTICOS

EVALUACIÓN DEL APRENDIZAJE

3.1 Dispersión turbulenta 3.2 Bases de la dispersión turbulenta 3.3 Tasa de transporte

-Formulación de conceptos

- Bibliografía[ 3 ]

-Calidad del Trabajo de investigación

-Acetatos -Investigación de la dispersión turbulenta en -plumones

-Calidad de la exposición

de masa por canales y la dispersión dispersión turbulenta hidrodinámica en -Proyector de acetatos medios porosos(suelos) 3.4 Solución a las ecuaciones lineales -Ejemplos de problemas de difusión y prácticos advección-Lectura adicional dispersión 3.5 Difusión y dispersión en -Autoevaluación de lo aprendido canales 3.6 Difusión y dispersión hidrodinámica en un medio poroso 3.7 Aplicación de técnicas de difusión y dispersión

-Participación en clase -Examen -Por habilidad en aplicación de un modelo de transporte unidimensional, que determine a)el perfil de concentración y alcance de un penacho de contaminante en el suelo b)el perfil de concentración y alcance de un penacho de contaminante en un río o corriente

UNIDAD 4: Transporte de materia entre fases

Objetivo de la unidad: Aplicar la teoría del transporte de materia entre fases para evaluar las tasas de transporte de materia e integrarlas al esquema de balance de materia RESULTADO DE APRENDIZAJE:

• • • •

Manejar y calcular coeficientes de transferencia de masa Aplicar los coeficientes de transferencia en los cálculos de la tasa de transporte de masa entre fases Diferenciar entre los criterios de equilibrio para el transporte de masa entre fases y en una sola fase Aplicar los conocimientos en problemas de volatilización, disolución y reaeración de corrientes y lagos

CONTENIDO

ESTRATEGIAS DE ENSEÑANZA

RECURSOS DIDACTICOS

EVALUACIÓN DEL APRENDIZAJE

-Bibliografía[ 1,2 ]

4.1 Introducción a los coeficientes de transferencia de masa

-Formulación de conceptos

4.3 El coeficiente de transferencia convectiva de masa como coeficiente de transferencia de masa

-Observación del transporte de masa entre fases en el ambiente

-Acetatos -plumones

-Calidad del Trabajo de investigación -Calidad en la exposición

-Proyector de acetatos -Examen

-Laminas 4.2 Teoría de la película 4.3 Descripción del Equilibrio entre fases 4.4 teoría de la doble película 4.5 Tasa de transporte de masa entre fases 4.6 Coeficientes globales de transferencia de masa

-Ejemplos prácticos de transporte entre fases: -Direcciones Web Volatilización, disolución, reaeración, etc. -Búsqueda de información adicional en Internet -Auto evaluación de lo aprendido

-Por su habilidad en la aplicación de lo aprendido a) al problema de reareación de corrientes y su relación con la curva de déficit de oxígeno b)al problema de determinar, mediante un balance de masa, el perfil de concentración de un componente dentro de un sistema sujeto a volatilización/disolución

4.3 Volatilización 4.3 Disolución 4.4 Reaeración en corrientes 4.5 balances de materia con transporte entre fases

UNIDAD 5 : Aplicaciones del transporte de masa: reactores de procesos y tanques

Objetivo de la unidad: Aplicar las ecuaciones del transporte de masa en el análisis y diseño de reactores RESULTADO DE APRENDIZAJE:

• • • •

Identificar los diferentes tipos de reactores de proceso y sus aplicaciones Realizar balances de materia en reactores Analizar el efecto de las reacciones dentro de un reactor Aplicar la teoría de reactores en serie en la solución de problemas prácticos

CONTENIDO

ESTRATEGIAS DE ENSEÑANZA

5.1 Reactores de procesos -Formulación de y tanques conceptos

RECURSOS DIDACTICOS

-Bibliografías[ 2,3 ] -Acetatos

5.2 Tipos de procesos de reactor y análisis

-Análisis básico de un reactor

5.3 El reactor de cochada

-Ejemplos prácticos -Proyector de de reactores de proceso acetatos

5.4 El reactor de flujo a

EVALUACIÓN DEL APRENDIZAJE

-Plumones

-Calidad en el trabajo de investigación -Calidad en la exposición individual -Examen

pistón

-Discusión grupal de las circunstancias bajo 5.5 Tanques en serie con las cuales puede un agitación continua sistema comportarse como alguno de los 5.6 El efecto de la cinética tipos de reactores de de la reacción sobre el proceso comportamiento del flujo a pistón -Investigación adicional de reactores 5.7 Tanques agitados continuamente con -Auto evaluación de lo reacción aprendido 5.8 Mezcla mecánica y agitación

-Laminas -Página Web

-Por habilidad del estudiante en la aplicación de sus conocimientos en la solución de los siguientes problemas: a)determinar el perfil de concentración vs distancia en un tramo de corriente como un reactor de agitación continua b)determinar el perfil de concentraciones contra distancia en un tramo de corriente modelando el tramo de corriente como un conjunto de reactores de agitación continua en serie

Material Bibliografico 1. Robert E. Treyval. Operaciones de transferencia de masa. Segunda edición. 1994. McGrawHill.

2. Victor L. Streeter. E. Benjamin Wyle. Keith W. Bedford. Mecánica de Fluidos. Novena edición. 1999. McGrawHill. Cap.3, 9 y 14.

3. James R. Mihelcic. Fundamentos de Ingeniería Ambiental. Primera edición. 2001. Limusa Wiley. Cap. 4.

4. Patrick A. Domenico. Franklin W. Schwartz. Physical and Chemical Hydrogeology. 1990.John Wiley y Sons. Cap.10, 13 y 17.

UNIVERSIDAD JUÁREZ AUTONOMA DE TABASCO DIVISIÓN ACADEMICA DE CIENCIAS BIOLÓGICAS

NOMBRE DEL PROGRAMA: TRANSFERENCIA DE MASA AREA DE FORMACIÓN: SUSTANTIVA PROFESIONAL HORAS TEORICAS A LA SEMANA : 3 SEMANA: 3

HORAS PRACTICAS A LA

PRESENTACIÓN

El programa de estudio de Transferencia de Masa, dentro del mapa curricular de la Licenciatura en Ingeniería Ambiental, forma parte del Area de Formación Sustantiva Profesional. La razón por la que se ubica en esta área , es que los fundamentos de la transferencia de masa son una herramienta básica en la Ingeniería Ambiental. Muchas de las soluciones a las ecuaciones de difusión y advección-difusión tienen amplia aplicabilidad en problemas ambientales; por ejemplo, suministran los fundamentos para el análisis de chorros y penachos para efluentes de aguas residuales o chimeneas de humo. Constituyen además una base sólida con las que el Ingeniero analiza los mecanismos de transporte de material en el ambiente y con los que evalúa la composición y destino final de estos materiales, tanto en suelo como en agua.

Para alcanzar los objetivos, el programa se ha dividido en cinco unidades sustanciales: 6) Conceptos básicos de la transferencia de masa 7) Transporte de masa por difusión molecular y convección 8) Transporte turbulento y dispersión hidrodinámica de masa 9) Transporte de materia entre fases 10) Aplicaciones del transporte de masa: reactores de procesos y tanques

Cada una de estas unidades termina con una aplicación práctica de los conocimientos adquiridos, que le permitirán al estudiante analizar y resolver problemas de tipo ambiental. Es necesario recalcar que el buen entendimiento y aplicación práctica del contenido del programa demandan al estudiante las siguientes herramientas : 4) Ecuaciones diferenciales 5) Fisicoquímica 6) Termodinámica Los Fundamentos de la transferencia de masa, son la base para el buen entendimiento de las técnicas de Simulación y Modelos Ambientales.

OBJETIVO GENERAL

Establecer las ecuaciones matemáticas que rigen los principales fenómenos involucrados en los procesos de transporte, difusión y reacción de la masa y aplicar los modelos basados en la formulación de estos procesos, para el análisis de la composición y evolución de sistemas ambientales; para entender y sugerir medidas para resolver problemas específicos en áreas como tecnología de purificación y control de la contaminación del agua METODOLOGÍA DE TRABAJO

Al desarrollar los contenidos de este curso, se utilizarán los métodos y técnicas que faciliten la construcción del conocimiento creativo, colectivo y participativo, mediante el estímulo al trabajo de todas sus capacidades y habilidades intelectuales. Para dar cumplimiento a esta metodología se propone desarrollar las siguientes actividades: • Trabajos individuales y grupales • Elaboración de Resúmenes • Aprendizaje basado en problemas(PBL). El profesor abrirá cada tema con una problemática lo más apegada a la realidad, la cual deberá ser resuelta por los estudiantes una vez brindados los conocimientos necesarios.

• Tareas. Investigación extra del tema y ejercicios que permitan a los alumnos la aplicación de los conceptos aprendidos los cuales desarrollarán su habilidad en el manejo de conceptos y en la solución de problemas • Solución de problemas. Durante la sesión de trabajo en forma grupal que permita mejorar la habilidad para aplicar los conceptos teóricos estudiados.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN

Se evaluarán todas aquellas situaciones, actividades y experiencias de aprendizaje donde el estudiante participe en las diferentes sesiones de trabajo. Los criterios de evaluación tomarán en cuenta: Actividades Trabajos de individuales

Porcentaje(%) 10

Trabajos grupales Exposiciones del alumno

10 10

PBL

30

Exámenes

40

CONTENIDO DEL PROGRAMA

UNIDAD 1: Conceptos básicos de transferencia de masa

Objetivo de la unidad: Aplicar los conceptos básicos del transporte de masa para evaluar tasa de transporte y realizar balances de materia dentro de un volumen de control en situaciones prácticas. Contenido

1.8 Definición de transporte de masa 1.9 Transporte de materia en el ambiente 1.10 Transporte advectivo 1.11 Difusión molecular y primera ley de Fick 1.12 Densidad de flujo en masa o molar 1.13 Flujo de masa o molar 1.14 Volumen de control y ecuación de balance de masa para una especie PRODUCTOS DE APRENDIZAJE

- Comprender que es el transporte de materia

RECURSOS DIDACTICOS

METODOS DE EVALUACIÓN

-Bibliografía[ 1,2 ]

-Examen

-Acetatos

-Participación en clases

- Identificar y clasificar -plumones los distintos mecanismos de -Proyector de acetato transporte de materia en el ambiente -Laminas - Diferenciar entre densidad de flujo y flujo en masa o molar - Aplicar balances de materia de estado estable y transitorio y resolver las ecuaciones de balance de masa

-Manual de realización de práctica -Material para realizar la práctica( indicado en el manual de práctica)

-Por habilidad en la resolución de problemas

UNIDAD 2: Transporte de masa por difusión molecular y convección Objetivo de la unidad: Aplicar el análisis de la naturaleza del transporte de masa por difusión molecular y convección y evaluar tasas de transporte en situaciones prácticas . Contenido: 2.1 Difusión de masa: concentración baja 2.2 Difusión de alta concentración a través de un medio estancado 2.3 difusión con reacción química 2.4 Transferencia de masa por convección 2.5 tasa de transferencia de masa convectiva de masa y el coeficiente de transferencia convectiva de masa 2.5 Grupos adimensionales en la transferencia convectiva de masa PRODUCTOS DE APRENDIZAJE

RECURSOS DIDACTICOS

METODOS DE EVALUACIÓN

-Bibliografía[ 1,2 ]

-Examen

- Aplicar el concepto de difusión molecular para -Acetatos determinar tasas de transporte en -plumones situaciones específicas -Proyector de acetato - Evaluar tasas de transporte de masa por -Laminas convección -Manual de realización de práctica - Aplicar correlaciones empíricas para -Material para realizar la determinar coeficientes práctica( indicado en el de transferencia manual de práctica) convectiva de masa

-Participación en clases -Por habilidad en la resolución de problemas

UNIDAD 3: Transporte turbulento y dispersión hidrodinámica de masa Objetivo de la unidad: Aplicar los conceptos del transporte turbulento y dispersión hidrodinámica de masa en la solución de problemas de transporte de masa en corrientes y en un medio poroso

Contenido: 3.8 Dispersión turbulenta 3.9 Bases de la dispersión turbulenta 3.10 Tasa de transporte de masa por dispersión turbulenta 3.11 Solución a las ecuaciones lineales de difusión y advección-dispersión 3.12 Difusión y dispersión en canales 3.13 Difusión y dispersión hidrodinámica en un medio poroso Aplicación de técnicas de difusión y dispersión PRODUCTOS DE APRENDIZAJE

- Conocer la naturaleza de la dispersión turbulenta - Cuantificar las tasas de transporte turbulento de masa - Conocer la naturaleza de la dispersión de masa en un medio poroso - Aplicar las soluciones de la ecuación de advección – dispersión en problemas de transporte de masa en corrientes y en medio poroso

RECURSOS DIDACTICOS

METODOS DE EVALUACIÓN

-Bibliografía[ 1,2 ]

-Examen

-Acetatos

-Participación en clases

-plumones

-Por habilidad en la resolución de problemas

-Proyector de acetato -Laminas -Manual de realización de práctica -Material para realizar la práctica( indicado en el manual de práctica)

UNIDAD 4: Transporte de materia entre fases Objetivo de la unidad: Aplicar la teoría del transporte de materia entre fases para evaluar las tasas de transporte de materia e integrarlas al esquema de balance de materia Objetivo: 4.1 Introducción a los coeficientes de transferencia de masa 4.2 El coeficiente de transferencia convectiva de masa como coeficiente de transferencia de masa 4.3 Teoría de la película 4.4 Descripción del Equilibrio entre fases 4.5 teoría de la doble película 4.6 Tasa de transporte de masa entre fases 4.7 Coeficientes globales de transferencia de masa 4.8 Volatilización, disolución y reaeración en corrientes 4.9Balances de materia con transporte entre fases PRODUCTOS DE APRENDIZAJE

- Manejar y calcular coeficientes de transferencia de masa - Aplicar los coeficientes de transferencia en los cálculos de la tasa de transporte de masa entre fases - Diferenciar entre los criterios de equilibrio para el transporte de masa entre fases y en una sola fase - Aplicar los conocimientos en problemas de volatilización, disolución y reaeración de corrientes y lagos

RECURSOS DIDACTICOS METODOS DE EVALUACIÓN

-Bibliografía[ 1,2 ]

-Examen

-Acetatos

-Participación en clases

-plumones

-Por habilidad en la resolución de problemas

-Proyector de acetato -Laminas -Manual de realización de práctica -Material para realizar la práctica( indicado en el manual de práctica)

UNIDAD 5 : Aplicaciones del transporte de masa: reactores de procesos y tanques Objetivo de la unidad: Aplicar las ecuaciones del transporte de masa en el análisis y diseño de reactores Contenido: 5.1 Reactores de procesos y tanques 5.2 Tipos de procesos de reactor y análisis 5.3 El reactor de cochada 5.4 El reactor de flujo a pistón 5.5 Tanques en serie con agitación continua 5.6 El efecto de la cinética de la reacción sobre el comportamiento del flujo a pistón 5.7 Tanques agitados continuamente con reacción 5.8 Mezcla mecánica y agitación PRODUCTOS DE APRENDIZAJE

- Identificar los diferentes tipos de reactores de proceso y sus aplicaciones - Realizar balances de materia en reactores - Analizar el efecto de las reacciones dentro de un reactor - Aplicar la teoría de reactores en serie en la solución de problemas prácticos

RECURSOS DIDACTICOS

METODOS DE EVALUACIÓN

-Bibliografía[ 1,2 ]

-Examen

-Acetatos

-Participación en clases

-plumones

-Por habilidad en la resolución de problemas

-Proyector de acetato -Laminas -Manual de realización de práctica -Material para realizar la práctica( indicado en el manual de práctica)

Material Bibliográfico 5. Robert E. Treyval. Operaciones de transferencia de masa. Segunda edición. 1994. McGrawHill.

6. Victor L. Streeter. E. Benjamin Wyle. Keith W. Bedford. Mecánica de Fluidos. Novena edición. 1999. McGrawHill. Cap.3, 9 y 14.

7. James R. Mihelcic. Fundamentos de Ingeniería Ambiental. Primera edición. 2001. Limusa Wiley. Cap. 4.

8. Patrick A. Domenico. Franklin W. Schwartz. Physical and Chemical Hydrogeology. 1990.John Wiley y Sons. Cap.10, 13 y 17.