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Academic Year/course: 2022/23

532 - Master's in Industrial Engineering

60803 - Analysis and Design of Chemical Processes

Syllabus Information

Academic Year:

2022/23

Subject:

60803 - Analysis and Design of Chemical Processes

Faculty / School:

110 - Escuela de Ingeniería y Arquitectura

Degree:

532 - Master's in Industrial Engineering

ECTS:

4.5

Year:

1 and 2

Semester:

532-First semester o Second semester
266-Second semester
107-Second semester

Subject Type:

Compulsory

Module:

---

1. General information

1.1. Aims of the course

The course and its expected results respond to the following approaches and objectives:

It is intended that students will be able to analyze a chemical process and have sufficient instrumental skills to proceed to the basic design of equipment characteristic of the chemical industry: reactors, in which matter undergoes changes in its composition, and separation operations, in which the different components are separated.

These approaches and objectives are aligned with some of the Sustainable Development Goals, SDGs, of the 2030 Agenda (https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/) and certain specific goals, so that the acquisition of the learning outcomes of the subject provides training and competence to the student to contribute to some extent to their achievement:

Goal 9. Industry, Innovation and Infrastructure.

Target 9.4. By 2030, upgrade infrastructure and retrofit industries to make them sustainable, using resources more efficiently and promoting the adoption of clean and environmentally sound technologies and industrial processes, with all countries taking action in accordance with their respective capabilities.

Goal 12. Responsible production and consumption. By 2030, achieve sustainable management and efficient use of natural resources.

Target 12.4. By 2030, achieve the environmentally sound management of chemicals and all wastes throughout their life cycle, in accordance with agreed international frameworks, and significantly reduce their release to air, water and soil in order to minimize their adverse effects on human health and the environment.

Target 12.5. By 2030, significantly reduce waste generation through prevention, reduction, recycling and reuse.

Goal 13. Climate action. Improve education, awareness, and human and institutional capacity for climate change mitigation, adaptation, mitigation, and early warning.

1.2. Context and importance of this course in the degree

In the framework of Industrial Engineering, the focus of this subject is the comprehension of chemical industry processes, which can involve or not a chemical reaction. The aim is that the future Industrial Engineer can deepen in to the analysis of chemical processes as well as in the design of the different parts it is composed of. Moreover, he/she should be ready to interact with other engineers, specialists in different fields. Finally, the knowledge and skills to be learn in this course will servto to integrate production processes with the field of Environmental Engineering as well as other fields as Control, or Fluid Dynamics.

1.3. Recommendations to take this course

In order to follow this course, it is advisable that the student has previous knowledge in Stoichoimetry, Chemical Equilibrium, fluid flow calculation, and Mass and Energy Balances, as well as integral and diferential calculus.

2. Learning goals

2.1. Competences

Upon successful completion of the course, the student will be more competent to...
GENERAL COMPETENCES

CG1. Have adequate knowledge of the scientific and technological aspects of: mathematical, analytical and numerical methods in engineering, electrical engineering, energy engineering, chemical engineering, mechanical engineering, mechanics of continuous media, industrial electronics, automation, manufacturing, materials, quantitative management methods, industrial informatics, urban planning, infrastructures, etc.

CG2. Plan, calculate and design products, processes, installations and plants.

GC5. Carry out strategic planning and apply it to construction, production, quality and environmental management systems.

GC8. Apply the acquired knowledge and solve problems in new or unfamiliar environments within broader and multidisciplinary contexts.

GC9. Be able to integrate knowledge and face the complexity of making judgments based on information that, being incomplete or limited, includes reflections on the social and ethical responsibilities linked to the application of their knowledge and judgments.

CG10. Know how to communicate conclusions -and the knowledge and ultimate reasons that support them- to specialized and non-specialized audiences in a clear and unambiguous way.

GC11. Possess the learning skills that allow them to continue studying in a self-directed or autonomous way.

GC12. Knowledge, understanding and ability to apply the necessary legislation in the exercise of the profession of Industrial Engineer.

SPECIFIC COMPETENCES

CM4. Capacity for the analysis and design of chemical processes.

2.2. Learning goals

The student, to pass this course, must get the following results...

...to know the representation systems of chemical processes and, from the description of a process, can draw its diagram or obtaind process information from a given diagram.
... to know how to raise the mass and energy convervatin equations of a chemical process and to calculate relevant thermochemical properties to determine relationships between temperature, pressure, flowrate and composition of process streams.
... to know how ton apply reaction kinetic equations to the design of ideal chemical reactors.
... to be able to propose, for a given process stream, a separation process for its components by a unit operation.
... to know how calculate the basic design parameters of a flash distillation, a rectification column and an absorption column, applying the principles of phase equilibrium.

2.3. Importance of learning goals

Within the world of industry in general, the chemical industry is of special importance and has been involved in the main scientific and technological advances of the modern world. Thus, the future graduate of the Master in Industrial Engineering can carry out his professional activity in fields such as the food industry, synthesis of materials, energy production, petroleum processing or many others, where the knowledge of the chemical process is essential.

The knowledge of chemical processes as well as the notions of design and selection of different process equipment will allow graduates to integrate in multidisciplinary work teams, addressing different aspects in their professional activity.

3. Assessment (1st and 2nd call)

3.1. Assessment tasks (description of tasks, marking system and assessment criteria)

The student must demonstrate that he/she has achieved the expected learning outcomes through the following assessment activities:

The assessment of the course will be carried out by means of a global test that will have a theoretical and a practical part, both related to the contents of the course and the practices carried out.
The grade will be distributed as follows:
75 % corresponding to theoretical questions and problems.
25 % corresponding to the use of the process simulator used in the practices of the course and interpretation of the results obtained.
The students will be able to take a partial test corresponding to topics 1 to 4 of the program, whose grade will represent 40 % of the grade of the course, to be taken during the class period. This test will be eliminatory of the subject as long as the grade is 5.0 or higher. On the date assigned by EINA for the global exam, students who have passed the first partial exam will only take the part corresponding to topics 5 and 6 of the program, the remaining 35%.

In all the assessment activities a minimum grade of 5/10 will be required for averaging. In the case of failing in any of the parts in the first exam, the student will have to take the exam in the second exam period of those parts.

4. Methodology, learning tasks, syllabus and resources

4.1. Methodological overview

The learning process designed for this course is based on the following:

This subject is aimed at the analysis and design of chemical processes through material and energy balances and the design of some of the most representative equipment in the chemical industry. Among them, chemical reactors and separation units such as distillation/rectification and absorption/desorption columns stand out.

In order for the student to acquire the knowledge, a learning process is proposed in which, initially, basic knowledge is provided through participatory lectures and practical activities in small groups to address practical cases and problem solving.

The time distribution of the course will be approximately as follows: 25 hours of lectures where the theoretical concepts will be presented in a participatory way, 10 hours of problem solving and simple cases in small groups, 10 hours of practical simulation of chemical processes by computer in small groups (5 sessions of 2 hours). It must be added the personal work and study of the students to achieve the learning objectives previously exposed.

4.2. Learning tasks

The program offered to the student to help him/her achieve the expected results includes the following activities...

Theory class: lecture (25 h), given to the whole group or part of it. In the master class the teacher will explain the basic principles of the subject and will solve some selected problems of application of the subject to the degree.

Problem solving and case studies (10 h). Performance of exercises in small groups, in such a way that the knowledge explained in the theoretical classes will be established.

Practices (10 h). They will consist of simulation practices in small groups. Commercial software for the simulation of chemical processes will be used. Simultaneously to the simulation practices, application works related to the practices and theory classes will be developed.

Autonomous work (54 h), studying the material and applying it to the resolution of exercises. This activity is fundamental in the learning process of the student and for the overcoming of the evaluation activities. The student will be provided with a collection of problems to be solved.

Tutorship (3,5 h). The tutoring, with its more personalized work with the student and, therefore, its better capacity of adaptation to the concrete circumstances of each individual, is the most suitable frame to support the development of the autonomous work of the student.

The previous activities will serve to reinforce the contents of the subject that are considered more important so that the student knows how to approach the study of an industrial process in which chemical processes appear, either with or without reaction.

Assessment tests (4 h). Exposed in section 3 of this teaching guide.

4.3. Syllabus

1.- Introduction. Basis of analysis and design of chemical industry equipment.

2.- Properties of the streams. Estimation of thermodynamic properties and phase equilibrium.

3.- Selection of separation operations.

4.- Separation of binary mixtures by distillation. Differential distillation. Flash distillation. Reflux distillation.

5.- Absorption columns. Fundamentals of matter transfer. Abbreviated design methods.

6.- Design of chemical reactors. Design equations of ideal reactors: piston flow, perfect mixture and batch reactor. Combination of reactors. Thermal effect.

These contents will be developed throughout the theory sessions, problem solving and case studies, and practical simulation sessions, as mentioned in the previous section of this teaching guide.

4.4. Course planning and calendar

Schedule of sessions

Theory classes and in-class activities are taught according to the schedule established by the center and published prior to the start date of the course.

Each professor will inform about his schedule for tutorship.

The time distribution of the course will be approximately the following: 25 hours of lecture or inverted class where the theoretical concepts will be exposed in a participative way, 10 hours of solving problems and simple cases in small groups, 10 hours (5 sessions of 2 hours) of practices (simulation of chemical processes by computer) in small groups. To this must be added the personal work and study of the students to achieve the learning objectives.

The start and end dates of the course and the specific hours of instruction for each group can be found on the web page of the School of Engineering and Architecture: http://eina.unizar.es.

From the beginning of the semester, students will have the detailed calendar of activities that will be provided by the corresponding faculty.

Curso Académico: 2022/23

532 - Máster Universitario en Ingeniería Industrial

60803 - Análisis y diseño de procesos químicos

Información del Plan Docente

Año académico:

2022/23

Asignatura:

60803 - Análisis y diseño de procesos químicos

Centro académico:

110 - Escuela de Ingeniería y Arquitectura

Titulación:

532 - Máster Universitario en Ingeniería Industrial

Créditos:

4.5

Curso:

2 y 1

Periodo de impartición:

532-Primer semestre o Segundo semestre
266-Segundo semestre
107-Segundo semestre

Clase de asignatura:

Obligatoria

Materia:

---

1. Información Básica

1.1. Objetivos de la asignatura

La asignatura y sus resultados previstos responden a los siguientes planteamientos y objetivos:

Se pretende que los alumnos sean capaces de analizar un proceso químico y tengan las habilidades instrumentales suficientes para proceder al diseño básico de equipos característicos de la industria química: los reactores, en los que la materia experimenta cambios en su composición, y las operaciones de separación, en los que los distintos componentes son separados.

Estos planteamientos y objetivos están alineados con algunos de los Objetivos de Desarrollo Sostenible, ODS, de la Agenda 2030 (https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/) y determinadas metas concretas, de tal manera que la adquisición de los resultados de aprendizaje de la asignatura proporciona capacitación y competencia al estudiante para contribuir en cierta medida a su logro:

Objetivo 9. Industria, Innovación e Infraestructuras

Meta 9.4. De aquí a 2030, modernizar la infraestructura y reconvertir las industrias para que sean sostenibles, utilizando los recursos con mayor eficacia y promoviendo la adopción de tecnologías y procesos industriales limpios y ambientalmente racionales, y logrando que todos los países tomen medidas de acuerdo con sus capacidades respectivas.

Objetivo 12. Producción y consumo responsable. Meta 12.2. De aquí a 2030, lograr la gestión sostenible y el uso eficiente de los recursos naturales.

Meta 12.4. De aquí a 2030, lograr la gestión ecológicamente racional de los productos químicos y de todos los desechos a lo largo de su ciclo de vida, de conformidad con los marcos internacionales convenidos, y reducir significativamente su liberación a la atmósfera, el agua y el suelo a fin de minimizar sus efectos adversos en la salud humana y el medio ambiente.

Meta 12.5. De aquí a 2030, reducir considerablemente la generación de desechos mediante actividades de prevención, reducción, reciclado y reutilización.

Objetivo 13. Acción por el clima. Meta 13.3. Mejorar la educación, la sensibilización y la capacidad humana e institucional respecto de la mitigación del cambio climático, la adaptación a él, la reducción de sus efectos y la alerta temprana.

1.2. Contexto y sentido de la asignatura en la titulación

Dentro de la Ingeniería Industrial, el sentido de esta asignatura es la comprensión y conceptualización de procesos de la industria química, que pueden implicar una reacción química o no. Se pretende que el futuro ingeniero industrial pueda profundizar en el análisis de los procesos químicos, así como abordar el diseño de sus distintos elementos. Asimismo, es posible que tenga que interaccionar con otros ingenieros especialistas, por lo que es necesario que disponga de los conocimientos adecuados que aseguren un buen entendimiento. Finalmente, los conocimientos adquiridos en esta asignatura facilitarán la integración de los procesos productivos con la ingeniería del medio ambiente a la que está muy estrechamente ligada, así como con otras ramas de conocimiento de la Ingeniería Industrial, como son control, fluidotecnia o termotecnia.

1.3. Recomendaciones para cursar la asignatura

Para cursar la asignatura de "Análisis y diseño de procesos químicos" es recomendable que el alumno tenga conocimientos de cálculos estequiométricos, equilibrio químico, flujo de fluidos así como soltura en realizar balances de materia y energía con y sin reacción, muchos de estos conceptos se adquieren en asignaturas como "Termodinámica técnica y fundamentos de transmisión de calor", "Mecánica de fluidos", "Máquinas e instalaciones de fluidos" y "Procesos químicos industriales" del Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales. Asimismo, es importante tener conocimientos suficientes de cálculo integral y diferencial.

2. Competencias y resultados de aprendizaje

2.1. Competencias

Al superar la asignatura, el estudiante será más competente para...

COMPETENCIAS GENERALES

CG1. Tener conocimientos adecuados de los aspectos científicos y tecnológicos de: métodos matemáticos, analíticos y numéricos en la ingeniería, ingeniería eléctrica, ingeniería energética, ingeniería química, ingeniería mecánica, mecánica de medios continuos, electrónica industrial, automática, fabricación, materiales, métodos cuantitativos de gestión, informática industrial, urbanismo, infraestructuras, etc.

CG2. Proyectar, calcular y diseñar productos, procesos, instalaciones y plantas.

CG5. Realizar la planificación estratégica y aplicarla a sistemas tanto constructivos como de producción, de calidad y de gestión medioambiental.

CG8. Aplicar los conocimientos adquiridos y resolver problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios y multidisciplinares.

CG9. Ser capaz de integrar conocimientos y enfrentarse a la complejidad de formular juicios a partir de una información que, siendo incompleta o limitada, incluya reflexiones sobre las responsabilidades sociales y éticas vinculadas a la aplicación de sus conocimientos y juicios.

CG10. Saber comunicar las conclusiones –y los conocimientos y razones últimas que las sustentan– a públicos especializados y no especializados de un modo claro y sin ambigüedades.

CG11. Poseer las habilidades de aprendizaje que permitan continuar estudiando de un modo autodirigido o autónomo.

CG12. Conocimiento, comprensión y capacidad para aplicar la legislación necesaria en el ejercicio de la profesión de Ingeniero Industrial.

COMPETENCIAS ESPECÍFICAS

CM4. Capacidad para el análisis y diseño de procesos químicos.

2.2. Resultados de aprendizaje

El estudiante, para superar esta asignatura, deberá demostrar los siguientes resultados...

Conoce los sistemas de representación de procesos químicos más habituales y sabe, a partir de la descripción de un proceso, plantear un diagrama del mismo, y es capaz de obtener información a partir del diagrama de un proceso.
Es capaz de plantear las ecuaciones de conservación (balance de materia y energía) de un proceso químico y calcular las propiedades termodinámicas más relevantes a partir de las condiciones de operación, para determinar la relación entre las variables temperatura, presión, caudal y composición de las corrientes de proceso.
Es capaz de aplicar cinéticas de reacción al diseño de reactores ideales.
Es capaz de proponer, ante una corriente de proceso, la separación en sus componentes mediante una operación básica, discriminando entre los diferentes tipos de operaciones.
Sabe dimensionar los parámetros básicos de una destilación flash, una columna de rectificación o una absorción mediante métodos aproximados, calculando composiciones de equilibrio entre fases.

2.3. Importancia de los resultados de aprendizaje

Dentro del mundo de la industria en general, la industria química es de especial importancia y se ha visto involucrada en los principales avances científicos y tecnológicos del mundo moderno. Así, el futuro egresado del Máster en Ingeniería Industrial, puede llevar a cabo su actividad profesional en campos como la industria alimentaria, síntesis de materiales, producción de energía, procesado del petróleo o muchas otras, donde el conocimiento del proceso químico es fundamental.

El conocimiento de los procesos químicos, así como las nociones de diseño y selección de distintos equipos de proceso permitirán a los titulados integrarse en equipos multidisciplinares de trabajo, abordando distintos aspectos en su actividad profesional.

3. Evaluación

3.1. Tipo de pruebas y su valor sobre la nota final y criterios de evaluación para cada prueba

El estudiante deberá demostrar que ha alcanzado los resultados de aprendizaje previstos mediante las siguientes actividades de evaluación:

La evaluación de la asignatura se realizará mediante una prueba global que tendrá una parte teórica y una parte práctica, ambas relacionadas con los contenidos de la asignatura y las prácticas realizadas.

La nota se repartirá del siguiente modo:

75 % correspondiente a cuestiones teóricas y problemas

25 % correspondiente al uso del simulador de procesos usado en las prácticas de la asignatura e interpretación de los resultados obtenidos.

Los alumnos podrán realizar una prueba parcial correspondiente a los Temas 1 a 4 del programa, cuya nota supondrá el 40 % de la nota de la asignatura, a realizar durante el periodo lectivo. Dicha prueba será eliminatoria de materia siempre y cuando la nota sea 5.0 o superior. En la fecha asignada por la EINA para el examen global, los alumnos que hayan aprobado la primera prueba parcial realizarían únicamente la parte correspondiente a los Temas 5 y 6 del programa, cuya calificación representará el 35 % de la nota final.

En todas actividades de evaluación se requerirá una nota mínima de 5/10 para promediar. En el caso de no haber superado alguna de las partes en primera convocatoria, el alumno deberá examinarse en segunda convocatoria de las partes no aprobadas. Para cursos posteriores no se guardará ninguna de las partes.

4. Metodología, actividades de aprendizaje, programa y recursos

4.1. Presentación metodológica general

El proceso de aprendizaje que se ha diseñado para esta asignatura se basa en lo siguiente:

Esta asignatura tiene como finalidad el análisis y diseño de procesos químicos a través de balances de materia y energía y el diseño de algunos de los equipos más representativos de la industria química. Entre ellos se destacan los reactores químicos y las unidades de separación, tales como columnas de destilación/rectificación y absorción/desorción.

Para que el alumno adquiera los conocimientos se propone un proceso de aprendizaje en el que, inicialmente, se proporcionan unos conocimientos básicos a través de clases magistrales participativas y actividades prácticas en grupos pequeños para abordar casos prácticos y la resolución de problemas.

La distribución temporal de la asignatura será aproximadamente la siguiente: 25 h de clase magistral donde se expondrán los conceptos teóricos de modo participativo, 10 horas de resolución de problemas y casos sencillos en grupos pequeños, 10 horas de prácticas de simulación de procesos químicos por ordenador en grupos reducidos (5 sesiones de 2 horas). A esto se debe añadir el trabajo personal y estudio de los alumnos para alcanzar los objetivos de aprendizaje anteriormente expuestos.

4.2. Actividades de aprendizaje

El programa que se ofrece al estudiante para ayudarle a lograr los resultados previstos comprende las siguientes actividades...

Clase de teoría: magistral (25 h) donde el profesor o profesora explicará los principios básicos de la asignatura y resolverá algunos problemas seleccionados de aplicación de la asignatura a la titulación.

Resolución de problemas y casos (10 h). Realización de ejercicios en grupos reducidos, de forma que se asentarán los conocimientos explicados en las clases teóricas.

Prácticas (10 h). Consistirán en prácticas de simulación en grupos reducidos. Para ello los alumnos se familizarizarán con el uso de un programa de simulación de procesos químicos, realizando prácticas directamente relacionadas con los contenidos expuestos en teoría.

Trabajo autónomo (54 h), estudiando la materia y aplicándola a la resolución de ejercicios. Esta actividad es fundamental en el proceso de aprendizaje del alumno y para la superación de las actividades de evaluación. Se suministrará al alumno una colección de problemas para su resolución.

Tutorías (3,5 h). La tutoría, con su trabajo más personalizado con el alumno y, por lo tanto, su mejor capacidad de adaptación a las circunstancias concretas de cada individuo, es el marco más adecuado para apoyar el desarrollo del trabajo autónomo del o la estudiante.

Las actividades anteriores servirán para afianzar los contenidos de la asignatura que se consideran más importantes de cara a que el alumno sepa abordar el estudio de un proceso industrial en el que aparezcan procesos químicos, bien sean con o sin reacción.

Pruebas de evaluación (4 h). Expuestas en el apartado 3 de esta guía docente.

4.3. Programa

1.- Introducción. Bases del análisis y diseño de equipos de la industria química.

2.- Propiedades de las corrientes. Estimación de propiedades termodinámicas y equilibrio de fase.

3.- Selección de operaciones de separación.

4.- Separación de mezclas binarias mediante destilación. Destilación diferencial. Destilación flash. Destilación con reflujo.

5.- Columnas de absorción. Fundamentos de transferencia de materia. Métodos abreviados de diseño.

6.- Diseño de reactores químicos. Ecuaciones de diseño de reactores ideales: flujo en pistón, mezcla perfecta y reactor discontinuo. Combinación de reactores. Efecto térmico.

Estos contenidos se desarrollarán a lo largo de las sesiones de teoría, resolución de problemas y casos, y sesiones prácticas de simulación, como se comenta en el apartado anterior de esta guía docente.

4.4. Planificación de las actividades de aprendizaje y calendario de fechas clave

Calendario de sesiones y presentación de trabajos

Las clases de teoría y las actividades realizadas en clase se imparten según el horario establecido por el centro y es publicado con anterioridad a la fecha de comienzo del curso.

Cada profesor informará de su horario de atención de tutorías.

La distribución temporal de la asignatura será aproximadamente la siguiente: 25 horas de clase magistral donde se expondrán los conceptos teóricos de modo participativo, 10 horas de resolución de problemas y casos sencillos en grupos pequeños, 10 horas (5 sesiones de 2 horas) de prácticas (simulación de procesos químicos por ordenador) en grupos reducidos. A eso se debe añadir el trabajo personal y estudio de los alumnos para alcanzar los objetivos de aprendizaje.

Las fechas de inicio y finalización de la asignatura y las horas concretas de impartición para cada grupo se podrán encontrar en la página web de la Escuela de Ingeniería y Arquitectura: http://eina.unizar.es.

Desde el inicio del semestre los alumnos dispondrán del calendario detallado de actividades que será proporcionado por el profesorado correspondiente.