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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) Conceptos básicos de la transferencia de masa 2) Transporte de masa por difusión molecular y convección 3) Transporte turbulento y dispersión hidrodinámica de masa 4) Transporte de materia entre fases 5) 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 Porcentaje(%) Trabajos de investigación

10

Exposición del estudiante 10 Participación

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 ESTRATEGIAS DE

ENSEÑANZA RECURSOS DIDACTICOS EVALUACIÓN DEL

APRENDIZAJE 1.1 Definición de

transporte de masa

- Identificar fenómenos de transporte por

-Bibliografía[ 1,2 ] -Acetatos

-Examen

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 el ambiente -Ejemplos de problemas de vaporación de líquidos -Discusión de la importancia de cuantificar las tasas de transporte de materia -Explicar la utilidad de realizar un balance de masa en un sistema -practica de evaporación de un liquido -Autoevaluación de lo aprendido

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

-Participación en clases -Por habilidad en la resolución de problemas de: a)evaporación de líquidos b) aplicación de balances de materia de estado estable y transitorio

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 2.2 Difusión de alta concentración a través

-Formulación de conceptos -Observación en la naturaleza del transporte

-Bibliografía[ 1,2 ] -Acetatos

-Calidad en el trabajo de investigación -Calidad en la

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

convectivo de masa - Ejemplos de problemas prácticos -Trabajo de investigación acerca de la transferencia convectiva de masa -Análisis grupal de las correlaciones empleadas en la determinación del coeficiente de transferencia de masa convectiva -Autoevaluación de lo aprendido

-Plumones -Laminas -Proyector de acetatos

exposición -Participación en clase -Examen - Por habilidad en la solución de problemas de transporte convectivo de masa

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 -Investigación de la dispersión turbulenta en

- Bibliografía[ 3 ] -Acetatos -plumones

-Calidad del Trabajo de investigación -Calidad de la exposición

de masa por dispersión turbulenta

3.4 Solución a las

ecuaciones lineales de difusión y advección-dispersión

3.5 Difusión y dispersión en canales

3.6 Difusión y dispersión hidrodinámica en un medio poroso

3.7 Aplicación de técnicas de difusión y dispersión

canales y la dispersión hidrodinámica en medios porosos(suelos) -Ejemplos de problemas prácticos -Lectura adicional -Autoevaluación de lo aprendido

-Proyector de acetatos

-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 suelob)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



4.1 Introducción a los coeficientes de transferencia de masa 4.3 El coeficiente de transferencia convectiva de masa como coeficiente de transferencia de masa

-Formulación de conceptos -Observación del transporte de masa entre fases en el ambiente

-Bibliografía[ 1,2 ] -Acetatos -plumones -Proyector de acetatos

-Calidad del Trabajo de investigación -Calidad en la exposición -Examen

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

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

-Laminas -Direcciones Web

-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

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



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

-Formulación de conceptos -Análisis básico de un reactor -Ejemplos prácticos de reactores de proceso

-Bibliografías[ 2,3 ] -Acetatos -Plumones -Proyector de acetatos

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

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

-Discusión grupal de las circunstancias bajo las cuales puede un sistema comportarse como alguno de los tipos de reactores de proceso -Investigación adicional de reactores -Auto evaluación de lo aprendido

-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 HORAS PRACTICAS A LA SEMANA: 3

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 Porcentaje(%) Trabajos de individuales

10

Trabajos grupales 10 Exposiciones del alumno

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

RECURSOS DIDACTICOS METODOS DE EVALUACIÓN

- 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 de masa

-Bibliografía[ 1,2 ] -Acetatos -plumones -Proyector de acetato -Laminas -Manual de realización de práctica -Material para realizar la práctica( indicado en el manual de práctica)

-Examen -Participación en clases -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


- 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 convectiva de masa



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



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 RECURSOS DIDACTICOS METODOS DE EVALUACIÓN

- 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



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 RECURSOS

DIDACTICOS METODOS DE EVALUACIÓN

- 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



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.

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