Semana 1: Ingeniería química ¿en serio?

Siempre pasa algo el primer día de clase que la gente no encuentra el aula UCT1-LC01. Mientras llegan, resolvemos juntos unos problemas de álgebra que escribiré en el pizarrón (más tarde les daré la referencia para que consulten los métodos de solución).

La respuesta por escrito en su cuaderno de los ejercicios será tomada en cuenta como asistencia a clase.


Actividad para clase 1

Es un hecho: forman parte de los 170 aspirantes que lograron su ingreso a una de las carreras de más tradición en nuestro Centro Universitario. Pero ¿están seguros de iniciar con esto?

“Engineering Apprentice” by moz278 is licensed under CC BY-NC-SA 2.0 

Vamos a hacer un ejercicio de gestión de la información ¿cómo se convencieron de estudiar esta carrera? ¿Qué información leyeron? Vamos a poner esto interesante: 2 puntos en el primer parcial al que comparta uno o varios recursos utilizando el HT #EDEPQ2019BA1 y pase al frente del grupo a explicarlos.

¿Alguno de Ustedes sufrió tratando de usar el equipo de cómputo del aula? Vamos haciendo nuestro buzón de quejas para la Unidad de Cómputo y Telecomunicaciones para el Aprendizaje de CUCEI: identifica el número de máquina, falla y envía una fotografía como evidencia utilizando el HT #EDEPQ2019BUCT1LC01 (aquí no hay puntos, pero vamos a meter presión para tener condiciones de trabajo dignas).

Para cerrar la actividad de clase, vamos a discutir la información compartida por sus compañeros para confirmar que estamos en el sitio correcto.


Actividad para clase 2

Segunda tanda de ejercicios de la materia de precálculo para ir desentumiendo el cerebro del periodo vacacional de verano (que para mí, ha sido el peor de mis 44 años).

En la clase anterior expusimos la información que nos llevó a decidir estudiar Ingeniería Química. En esta clase vamos a compartir las ideas que tenemos en mente sobre:

  • Trabajo ideal
  • Nombres del empresas en las que les gustaría colaborar
  • Modelos a seguir (Ingenieras/os Químicas/os que admiren)

Llevaré al aula el libro de Principios elementales de los procesos químicos (Felder & Rousseau, 2004), para leamos juntos capítulo de “La labor que desempeñan algunos ingenieros químicos”. Los que participen en la lectura, lo hagan bien y acepten ser filmados con su propio teléfono inteligente, tendrán 2 puntos en su primer examen parcial, siempre y cuando publiquen el video con el #EDEPQ2019BA2 para dar su permiso de re-utilizar su imagen.

Vamos cerrar la sesión con una actividad para que realicen un dibujo en su cuaderno con las instrucciones que les dé en el aula.


Tareas (actividades para desarrollarse en casa)

El programa es claro: tenemos que trabajar en el objetivo de conocer los equipos de procesos químicos empleados para producir diferentes productos a escala industrial. Una de las estrategias para lograrlo será desarrollar habilidades de representación gráfica de estos recipientes. Vamos a empezar con un ejercicio que quiere destacar la importancia del uso de unidades y la precisión de las cantidades en una representación gráfica.

  • De acuerdo a tu primer apellido, representa gráficamente en tu cuaderno el terreno de las siguientes secciones de jardín o construcciones que se encuentran en CUCEI:
    • A-F: Terreno en el que se encuentra construido el Módulo E (ex-Facultad de Ciencias Químicas)
    • G-L: Terreno en el que se encuentra construido el Módulo A (Rectoría de Centro)
    • M-R: Terreno en el que se encuentra construido el Módulo G (Laboratorio de Ingeniería Química)
    • S-Z: Terreno en el que se encuentra construido el Centro Integral de Documentación (Biblioteca CUCEI)
Captura

Nota: no es indispensable que contrates a un topógrafo para tener un estimación. ¿Has utilizado la herramienta “medir” en google maps? Comparte una fotografía del dibujo que hiciste en tu cuaderno de esta primera tarea con el HT #EDEPQ2019BT1

No seguiremos haciendo dibujitos a mano, así que es indispensable que descarguen en el equipo con el trabajarán en casa el programa de AutoCAD desde el sitio académico (es indispensable realizar un registro como estudiante, para poder utilizar el programa en su versión completa de forma gratuita). La versión que utilizaremos en el curso es la “normal” (sin especificaciones adicionales): hay varias opciones de descarga dependiendo sistemas operativo y características del equipo de cómputo que estarán utilizando en este ciclo escolar.

Intenta realizar en AutoCAD la representación del terreno que intentaste hacer en clase: toma en cuenta las unidades, la precisión de tus datos y no olvides utilizar acotaciones. Comparte la evidencia con el #EDEPQ2019BT2

Registro de alumnos y cuentas de twitter

Formulario

Las dos TAREAS (t1 y t2) y el formulario deben publicarse antes de la primera sesión de la semana 2


Buen inicio de ciclo escolar para todos.

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La labor que desempeñan algunos ingenieros químicos

En el pasado mes de mayo, los estudiantes del último año de ingeniería química de cierta universidad importante presentaron su examen final, asistieron a la ceremonia de graduación, lanzaron sus birretes al aire, disfrutaron la fiesta de fin de cursos, se despidieron unos de otros prometiendo con sinceridad mantenerse en contacto, y tomaron direcciones muy diversas, tanto geográficas como profesionales.

Dado que usted compró este libro, es probable que piense seguir los pasos de esos graduados, se preparará para convertirse en ingeniero químico y quizá pasará los próximos 40 años aplicando en su trabajo lo que aprendió en la escuela. No obstante, podemos afirmar con bastante seguridad que, lo mismo que la mayoría de las personas en su posición, tiene una idea limitada de lo que es la ingeniería química o de lo que hacen los ingenieros químicos. Por tanto, una manera lógica de comenzar este libro sería dar una definición de la ingeniería química.

Por desgracia, no hay una definición universal aceptada de lo que es la ingeniería química y casi cualquier trabajo especializado que pueda imaginar es realizado en alguna parte por personas con formación de ingenieros químicos. En consecuencia, dejaremos a un lado la idea de formular una definición simple y, en vez de ello, observaremos más de cerca lo que hicieron esos jóvenes justo después de su graduación o tras unas vacaciones bien merecidas. Analice los siguientes ejemplos y decida si alguno presenta el tipo de carrera que podría seguir y disfrutar.

Cerca del 45% de los estudiante entraron a trabajar en importantes empresas fabricantes de productos químicos y petroquímicos, de pulpa y papel, plásticos y de otros materiales, o bien en compañías textiles.
Otro 35% entró a trabajar en agencias gubernamentales y compañías de diseño y consultoría (muchas de ellas especializadas en regulación ambiental y control de la contaminación), y en compañías de campos como la microelectrónica y biotecnología, las cuales, por tradición, no son asociados con la ingeniería química.

Casi 10% de los graduados entró directamente a estudiar algún posgrado de ingeniería química. Los candidatos a la maestría realizarán estudios avanzados en áreas tradicionales de la ingeniería química (termodinámica, análisis y diseño de reactores químicos, dinámica de fluidos, transferencia de masa y calor, y diseño y control de procesos químicos). La mayoría se graduará (en unos dos años) y obtendrá empleo en el diseño de sistemas de proceso o en control y desarrollo de productos. Los candidatos al doctorado realizarán estudios avanzados y trabajarán en proyectos importantes de investigación, y en cuatro o cinco años se graduará la mayoría y se dedicará a la investigación y el desarrollo industrial o se unirá al personal académico de alguna universidad.

El 10% restante de los egresados optó por realizar estudios de posgrado en aérea ajenas a la ingeniería química, como medicina, leyes y negocios.

Varios graduados comenzaron a trabajar para compañías que fabricaban productos químicos especializados -fármacos, pinturas y tintes, cosméticos, etcétera-. En épocas anteriores, estas compañías contrataban químicos para que diseñaran y supervisaran sus procesos de producción, pero en la últimas décadas descubrieron que para seguir siendo competitivas debían prestar atención a cosas como la eficiencia del mezclado, la transferencia de calor, el control automático de la temperatura y el nivel de líquidos, control estadístico de calidad y control de emisiones contaminantes. También se dieron cuenta de que los ingenieros químicos reciben capacitación y tienen conocimientos en estas áreas, mientras que los químicos no. A partir de entonces, estas industrias se transformaron en un mercado de trabajo cada vez más importante para los ingenieros químicos.

Otros entraron a trabajar en compañías que fabrican circuitos semiconductores integrados. Un paso crítico en la producción, por ejemplo, de chips de computadora es recubrir pequeñas obleas de silicio con capas muy delgadas y uniformes de materiales semiconductores que contienen silicio. La técnica que se emplea en este proceso es el depósito de vapores químicos, en el cual se forma el material de recubrimiento a través de una reacción en fase gaseosa y después se deposita sobre la superficie de la oblea. Es probable que los jóvenes que elijan este campo deban identificar las reacciones que pueden emplearse para producir las películas deseadas, determinar las mejores condiciones para llevar a cabo las reacciones, diseñar los reactores y continuar mejorando su funcionamiento.

Otros tomaron cursos optativos en bioquímica y microbiología y obtuvieron trabajo en compañías de biotecnología pequeñas, pero rápida expansión. Un egresado se dedicó al diseño de procesos de producción farmacéutica que incluyen enzimas inmovilizadas, productos biológicos que permiten que determinadas reacciones se realicen con una rapidez mayor en varios órdenes de magnitud a la que alcanzarían en ausencia de las enzimas. Otros más se dedicaron a procesos de ingeniería genética, en los cuales se sintetiza y usa el ADN recombinante para producir valiosas proteínas y diversos compuestos medicinales y agrícolas que sería difícil obtener por otros métodos.

Algunos entraron a compañías que fabrican polímeros (plásticos). Uno trabaja en el desarrollo de membranas para desalinizar el agua de mar (el agua dulce las atraviesa, pero retienen la sal) y para separar gases (permiten el paso del hidrógeno e impiden el de los hidrocarburos, o viceversa); otro desarrolla membranas que se emplearán en riñones artificiales de tubos huecos (en ellos, la sangre sale del cuerpo del paciente a través de tubos de paredes delgadas; los desechos metabólicos sanguíneos atraviesan las paredes del tubo, pero las proteínas y otras sustancias importante para el organismo permanecen en la santa; después, la sangre purificada se regresa al cuerpo).

Cuatro de los egresados ingresaron a la escuela de medicina (en Estados Unidos, los graduados de ingeniería química que toman diversas optativas de ciencias biológicas tienen amplias probabilidades de ser admitidos en la escuela de medicina). Uno se inscribió en la escuela de leyes y tres se escribieron en una maestría de Administración de Empresas y es probable que después de graduarse se dediquen a la administración en industrias relacionadas con el campo químico.

Una de las egresadas se unió al Cuerpo de Paz por dos años para trabaja en África occidental ayudando a comunidades locales a desarrollar sistemas sanitarios para el desecho de desperdicios y enseñando ciencias e inglés en una escuela rural. Cuando regrese realizará su posdoctorado se unirá al personal docente de ingeniería química, ascenderá con rapidez entre las filas docentes hasta ser nombrada profesora titular, renunciará diez años después con el fin de postularse para un puesto en el Senado de Estados Unidos, será reelegida en dos ocasiones, y luego será directora de una fundación privada importante y con mucho éxito dedicada a mejorar la educación en comunidades con carencias económicas. Atribuirá sus éxitos profesionales a la capacidad para resolver problemas adquirida durante su formación como ingeniera química.

En diversos momentos de su desarrollo profesional, algunos de los graduados trabajarán en laboratorios de química, bioquímica, biomedicina o ciencias de materiales, realizando ingeniería de investigación y desarrollo o control de calidad; en terminales de computación diseñando procesos y productos y sistemas de control en ubicaciones de campo, como gerentes de construcción y arranque de plantas manufactureras; en producción, supervisando y mejorando las operaciones, y resolviendo problemas; como agentes viajeros, llevando a cabo ventas y servicios técnicos,; en oficinas ejecutivas realizando funciones administrativas; en dependencias gubernamentales responsables de la salud y la seguridad ambiental y ocupacional; en hospitales y clínicas, practicando medicina o ingeniería biomédica; en oficinas legales especializadas en patentes relacionadas con procesos químicos; y en salones de clase, preparando a las nuevas generaciones de estudiantes de ingeniería química.

Inclusive los egresados de ingeniería química que se dedican a los procesos tradicionales de manufactura química terminan llevando a cabo tareas muy amplias y diversas. A continuación daremos otro ejemplo que ayudará al lector a considerar si los problemas descritos constituyen el tipo de retos que le agradaría enfrentar y resolver.

Un químico de la división de desarrollo e investigación de una compañía descubrió que al mezclar dos reactivos en determinada proporción y temperatura elevada, obtiene un producto de un valor mucho mayor que el de los reactivos. La compañía considera la fabricación del producto empleando un proceso basado en dicha reacción. Ahora el asunto se convierte en un problema de ingeniería o, de manera más precisa, en cientos de problemas de ingeniería.

* ¿Qué tipo de reactor deben emplear? ¿Un tubo largo? ¿Un tanque grande? ¿Varios tanques pequeños? ¿Un tubo de ensayo gigantesco? ¿Qué tan grande? ¿De qué material? ¿Será necesario calentarlo? En caso afirmativo ¿a qué temperatura y cuánto tiempo? ¿Con un calentador eléctrico en el interior del reactor o fuera de él? ¿Haciendo pasar un fluido caliente a través de un serpentín de calentamiento en el interior del reactor? ¿Calentando los reactivos antes de introducirlos al reactor? ¿Aportará la reacción su propio calor, de manera que sólo se requiera calentamiento en la etapa inicial? Si es así ¿será posible que el reactor se salga de control y llegue a explotar? ¿Deben aplicarse medidas de control para evitar esto? ¿De qué tipo?

* ¿Dónde se obtendrán los reactivos? ¿Será mejor comprarlos o fabricarlos? ¿En qué proporción se alimentarán al reactor?
¿Convendrá vender como tal el efluente del reactor, mismo que contiene el producto y los reactivos no consumidos, o será mejor separar el producto de los reactivos y recircular esto últimos? Si es deseable una separación ¿cómo podría llevarse a cabo? ¿Calentando la mezcla y retirando y condensando el vapor, el cual tendrá una mayor concentración de las sustancias más volátiles que la mezcla original? ¿Añadiendo otra sustancia que extraiga el producto y sea invisible con los reactivos, para después separar ambas fases en forma mecánica? Si todos los materiales del procesos son gases a la temperatura de reacción ¿se podrá enfriar la mezcla a una temperatura a la cual se condense el producto pero no los reactivos, o viceversa? En caso de que sean líquidos ¿se podrá enfriar la mezcla a una temperatura a la cual cristalice el producto? Si se elige alguna de estas alternativas ¿qué tipo de equipo se requerirá? ¿De qué dimensiones? ¿Qué material será necesario? ¿Cuáles serán los requisitos de calentamiento o enfriamiento? ¿Se necesitan controles para mantener la operación del proceso dentro de límites bien definidos? ¿Qué tipo de controles? ¿Deberán ser manuales o automáticos?

* ¿Cómo se desplazarán las corrientes de reactivos y productos y los equipos de calentamiento, enfriamiento y separación requeridos por el proceso, hasta y desde el reactor? ¿Quizá por gravedad, partiendo de un tanque de alimentación elevado? ¿Con bombas, sopladores, compresoras o bandas de transmisión? ¿De qué tipo? ¿Cuáles serán sus dimensiones? ¿Cuál el material de las tuberías?

* ¿Se sabe lo suficiente con respecto al sistema de reacción como para responder a todas estas preguntas, o será necesario llevar a cabo estudios de laboratorio para diseñar la planta industrial, o será preciso construir primero una planta piloto más pequeña para probar el diseño? ¿Qué tan pequeña?

* ¿Qué podría salir mal durante el proceso y qué se podría hacer si y cuando esto ocurriera?

* ¿Genera productos de desecho el proceso? ¿En qué cantidades? ¿Son potencialmente dañinos si se liberan al medio sin tratar? En caso afirmativo ¿qué daños provocarán? ¿Qué se debe hacer para reducir los riesgos de contaminación? ¿Dar tratamiento químico a los desechos? ¿Se podrán envasar los desechos sólidos y líquidos en contenedores, sellarlos y lanzarlos al mar? ¿Se podrán dispersar los gases en la atmósfera con una chimenea alta? ¿Será posible precipitar los sólidos de los gases de combustión por un método electrostático?
¿Qué partes del proceso podrán automatizarse y cómo se hará la automatización?

* ¿Cuánto costará todo eso? ¿A qué precio podrá venderse el producto y a quién? ¿Qué utilidades dejará el proceso cada año? ¿Vale la pena llevarlo a cabo? Si es así ¿dónde convendría construir la planta?
Una vez construida la planta ¿qué procedimiento deberá seguirse para el arranque de la misma?

* Transcurridos seis meses del arranque de la planta ¿por qué el producto no es igual al que se obtenía en el laboratorio? ¿Es una falla del equipo, o se modificaron las condiciones en alguna parte entre el proceso de laboratorio y el industrial? ¿Cómo investigarlo? ¿Cómo se puede corregir el problema? ¿Será necesario detener la operación para hacer las modificaciones?

* El hecho de que se hayan producido tres explosiones y cuatro incendios en un lapso de seis meses en el reactor ¿es significativo o una serie de coincidencias? En cualquier caso ¿cómo evitar que vuelva a ocurrir?

* Diversas cosas salen mal en la operación de proceso ¿por qué no se tuvieron en cuenta en la lista de posibles problemas? ¿Qué se puede hacer al respecto?

* Cuando el proceso por fin comienza a funcionar a la perfección, se recibe la orden de modificar las especificaciones del producto ¿cómo podrá hacerse esto sin rediseñar todo el proceso? ¿Por qué no se pensó en esto antes de construir la planta?

Evidentemente los diferentes trabajos y tareas descritos en este capítulo son demasiado diversos como para incluirlos en una misma categoría. Abarcan disciplinas como física, química, ciencias biológicas y ambientales, medicina, matemáticas aplicadas, estadística, ciencias de la computación, economía, ciencia de la administración y la información, investigación, diseño, construcción, ventas y servicio, supervisión de la producción y administración de negocios. Lo único que tienen en común es que los ingenieros químicos pueden realizarlas todas.

Algunos de los conocimientos específicos necesarios para llevar a cabo estas tareas se adquirirán más adelante en el programa de estudios de ingeniería química, unos cuantos están contenidos en este libro, y la mayoría serán adquiridos después de la graduación. Sin embargo, se han desarrollado métodos fundamentales, independientes del problema específico bajo consideración, para determinar y atacar los problemas técnicos. Este libro describe algunas de estas técnicas y cuando aplicarlas.

Felder, R. M., & Rousseau, R. W. (2008). ELEMENTARY PRINCIPLES OF CHEMICAL PROCESSES. John Wiley & Sons.