Práctica para el examen FE Chemical: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 24 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Balance de materia

Estado estacionario
entrada = salida
Balance total
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Balance por componente
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Evaporador
F·xF = P·xP, W = F − P

Balance de energía

Calor sensible
Q = ṁ·cp·ΔT
Calor latente
Q = ṁ·hfg
Mezcla
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Agua
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Ley de los gases ideales

Ley de los gases ideales
pV = nRT
Constante de los gases
R = 8,314 J/(mol·K)
Ley combinada de los gases
p1V1/T1 = p2V2/T2
Moles
n = m/M
Temperatura
T[K] = T[°C] + 273,15

Estequiometría

Moles
n = m/M
Concentración
c = n/V
Relación molar
usa los coeficientes de la ecuación ajustada
Reactivo limitante
el que se agota primero
Rendimiento porcentual
real / teórico × 100%

Método

  1. Escribe y ajusta la ecuación química.
  2. Pasa la masa dada a moles: n = m/M.
  3. Usa los coeficientes como relación molar para hallar los moles de la sustancia que buscas.
  4. Vuelve a pasar a masa con m = n·M. Con dos reactivos, halla primero el reactivo limitante.

Equilibrio químico

Constante de equilibrio
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Tabla ICE
Inicial, Cambio (×coeficiente), Equilibrio
Ecuación de segundo grado
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Método

  1. Escribe Kc con productos entre reactivos, cada uno elevado a su coeficiente.
  2. Plantea una tabla ICE: Inicial, Cambio (en múltiplos de x por los coeficientes), Equilibrio.
  3. Sustituye las expresiones de equilibrio en Kc y despeja x.
  4. Comprueba si x es lo bastante pequeño para aproximar; si no, resuelve la ecuación de segundo grado.

Calorimetría y entalpía

Calor
q = m·c·ΔT
Agua
c = 4,18 J/(g·°C)
Calorímetro
calor cedido = calor absorbido
Entalpía de reacción
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

Cinética química

Primer orden
ln(CA/CA0) = −kt
Vida media (primer orden)
t½ = ln 2/k
Segundo orden
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Dos temperaturas
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Tiempo espacial
τ = V/Q
CSTR, primer orden
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, primer orden
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Conversión a partir del volumen
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N CSTR iguales en serie
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Intercambiadores de calor (DTML)

Potencia térmica
Q = U·A·ΔTlm
Diferencia de temperatura media logarítmica
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Balance de una corriente
Q = ṁcp(Tin − Tout)

Conducción de calor

Ley de Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Resistencia de conducción
R = L/(kA)
Resistencia de convección
R = 1/(hA)
Resistencias en serie
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Transmitancia U
U = 1/(ΣR·A)

Fricción en tuberías y pérdida de carga

Número de Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Régimen de flujo
laminar por debajo de Re ≈ 2000, turbulento por encima de Re ≈ 4000
Velocidad media
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Pérdidas localizadas
hm = ΣK·V²/(2g)
Valores típicos de K
entrada 0,5, salida 1,0, codo de 90° ≈ 0,3
Caída de presión
Δp = ρ·g·hf
Dos depósitos abiertos
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Salida libre
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Bombas y potencia de bombeo

Potencia hidráulica
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Potencia en el eje
Pshaft = Ph/ηpump
Potencia eléctrica
Pel = Pshaft/ηmotor
Altura de la bomba
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Pérdidas del sistema
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Problemas de práctica

1.Balance de materiaMedia
MezcladorCorriente 1800 kg/h · 10% salCorriente 2ṁ₂ = ? · 50% salProducto30% sal

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 30 % de sal? Halla ṁ2.

ṁ1 = 800 kg/hx1 = 10 %x2 = 50 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F1100 kg/h · 8% NaOHProducto P35% NaOHVapor W (agua pura)W = ? kg/h

Un evaporador concentra una disolución de NaOH evaporando agua pura. Halla el agua evaporada W en kg/h.

F = 1100 kg/hxF = 8 %xP = 35 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoetanol · 140 °C100 °Cagua · 10 °Ct = ? °C

etanol caliente enfría agua en un intercambiador a contracorriente sin pérdidas de calor. Halla la temperatura de salida del agua tout.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 100 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríomezcla de glicol · 130 °C70 °Cagua · 20 °C85 °C · ṁ = ?10 % perdido

mezcla de glicol caliente calienta agua en un intercambiador que pierde hacia el entorno el 10 % del calor cedido por la corriente caliente. Halla el caudal de agua ṁc necesario.

ṁh = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 70 °Ct: 20 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
320 g de O₂V = 5 LT = 10 °CP = ?

Un depósito de 5 L contiene 320 g de O₂ a 10 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 320 gM = 32 g/molV = 5 LT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de CH₄ pasa de 100 kPa, 10 L, 20 °C a 300 kPa y 220 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 100 kPaV1 = 10 LT1 = 20 °CP2 = 300 kPaT2 = 220 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

8 g de Al y 10 g de Cl2 reaccionan según 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3. ¿Qué masa m de AlCl3 se puede formar?

M(Al) = 26,98M(Cl2) = 70,9M(AlCl3) = 133,33 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(Fe2​O3​)× 3/1× M(CO2​)

En la reacción Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2, 16 g de Fe2O3 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 8,2 g de CO2. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 8,2 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,10,10C−x−x+2xE0,1 − x0,1 − x2x

Se introducen 0,1 mol/L de H₂ y 0,1 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 36. Calcula la concentración en el equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 36
[H2] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,2 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 1,5 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,2
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Cincm = 50 gT = 110 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Aguam = 200 gT = 20 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de cinc de 50 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 110 °C se introduce en 200 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 20 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 110 °Cmwater = 200 gTwater = 20 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H25 g C2​H6​2C2​H6​ + 7O₂reactivos4CO₂ + 6H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 25 g de C2H6 (M = 30,07 g/mol) se queman por completo: 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(C2H6) = −84,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.Cinética químicaMedia
t (min)X (%)t = ?50%

Una reacción de segundo orden (−rA = k·CA²) en un reactor discontinuo tiene k = 0,25 L/(mol·min) y parte de 1 mol/L. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 50 %? Halla t.

k = 0,25 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/LX = 50 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk40 °C0,0580 °C?

Una reacción tiene una constante de velocidad de 0,05 min⁻¹ a 40 °C y una energía de activación de 75 kJ/mol. Halla la constante de velocidad k2 a 80 °C.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 80 °CEa = 75 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
QX = 70%mismos Q, k y X que el CSTR

Una reacción de primer orden en fase líquida debe alcanzar un 70 % de conversión. ¿Cuántas veces mayor debe ser un CSTR que un PFR para el mismo caudal de alimentación, constante de velocidad y conversión? Halla la relación VCSTR/VPFR.

X = 70%primer orden, mismos k y Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 400 LQ = 5 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,2 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 400 L alimentado a 5 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 400 LQ = 5 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT120 °C70 °C50 °C20 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador de calor a contracorriente transfiere 290 kW. Su área de intercambio es 25 m². El fluido caliente se enfría de 120 a 70 °C y el frío se calienta de 20 a 50 °C. Halla el coeficiente global de transmisión de calor U.

Q̇ = 290 kWA = 25 m²Th: 120 → 70 °CTc: 20 → 50 °C
U = W/(m²·K)
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT105 °C20 °C?ΔT₁ΔT₂vapor que condensa

En un condensador con un área de intercambio de 2 m² y U = 2500 W/(m²·K), el vapor condensa a 105 °C constantes en el exterior de los tubos. El agua de refrigeración (2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra en los tubos a 20 °C. Halla la temperatura de salida del agua Tc,out.

Ts = 105 °CA = 2 m²U = 2500 W/(m²·K)ṁ = 2 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °C
Tc,out = °C
19.Conducción de calorMedia
Lana mineral, k = 0,04250 mmPlaca de yeso, k = 0,1725 mm21 °C8 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 250 mm de lana mineral y 25 mm de placa de yeso, con un área de 6 m². Las caras exteriores están a 21 °C y 8 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 250 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 21 °CT3 = 8 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Placa de yeso, k = 0,17150 mmMadera, k = 0,1775 mminterior 22 °Cexterior -2 °CQ̇

Un muro de 150 mm de placa de yeso y 75 mm de madera separa una habitación a 22 °C del aire exterior a -2 °C. Los coeficientes de convección son 7,7 W/(m²·K) dentro y 20 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 4 m². Halla el coeficiente global de transmisión de calor U del muro.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 4 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -2 °C
U = W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 20 L/sD = 200 mmL = 200 mf = 0,018

Agua circula a razón de 20 L/s por una tubería de 200 m de longitud y 200 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,018 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

Q = 20 L/sL = 200 mD = 200 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 5Δz = ?L = 200 m, D = 250 mm, f = 0,0224× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 200 m de longitud, 250 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,022. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 4 codos (K = 0,3 cada uno), una válvula (K = 5) y la salida al depósito inferior (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². ¿Qué diferencia de nivel de agua Δz entre los depósitos da un caudal de 60 L/s?

Q = 60 L/sL = 200 mD = 250 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 60 L/sH = 18 m

En un ensayo, una bomba impulsa 60 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 18 m mientras su eje absorbe 12,5 kW. Usa g = 9,81 m/s². Halla el rendimiento de la bomba η en porcentaje.

Q = 60 L/sH = 18 mPshaft = 12,5 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 75 L/sΔz = 11 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,022, ΣK = 5

Una bomba impulsa 75 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 11 m más alta. La tubería mide 200 m de longitud, tiene 200 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,022; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 5 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². El rendimiento de la bomba es del 65 %. Halla la potencia en el eje Pshaft en kW.

Q = 75 L/sΔz = 11 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 5η = 65%
Pshaft = kW

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 800 kg/h

Balance de materia en estado estacionario: entrada = salida para el total y para cada componente. Los problemas de mezcla combinan ambos.

Balances

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
sal: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Despeja ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 800·(10 − 30)/(30 − 50) = 800 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 800 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: W = 848,6 kg/h

Componente de enlace: un componente que pasa sin cambios por una sola corriente (aquí el soluto) relaciona los caudales directamente. Después el balance total da el resto.

Balance de soluto

F·xF = P·xP → P = 1100·8/35 = 251,4 kg/h

Balance total

W = F − P = 1100 − 251,4 = 848,6 kg/h

Respuesta

W = 848,6 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 56,7 °C

Balance de energía del intercambiador: sin pérdidas, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Calor cedido por la corriente caliente

Q = 2·2,44·(140 − 100) = 195,2 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 195,2/(1·4,18) = 56,7 °C

Respuesta

tout = 56,7 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 1,431 kg/s

Balance de energía con pérdidas: calor cedido = calor absorbido + calor perdido.

Calor cedido

Qh = 2·3,6·(130 − 70) = 432 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,1)·432 = 388,8 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 388,8/(4,18·65) = 1,431 kg/s

Respuesta

ṁc = 1,431 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 4708 kPa

Ley de los gases ideales: PV = nRT, con n = m/M.

Moles

n = m/M = 320/32 = 10 mol
T = 10 + 273,15 = 283,1 K

Presión

P = nRT/V = 10·8,314·283,1/0,005 = 4708 kPa

Respuesta

P = 4708 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 5,607 L

Ley combinada de los gases: para una cantidad fija de gas ideal, P1V1/T1 = P2V2/T2.

Temperaturas absolutas

T1 = 293,1 K, T2 = 493,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(100/300)·(493,1/293,1) = 5,607 L

Respuesta

V2 = 5,607 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 12,54 g

Estequiometría: una ecuación ajustada cuenta partículas, no gramos. Pasa la masa a moles con n = m/M, usa los coeficientes de la ecuación como relación molar y vuelve a masa con m = n·M. Con dos reactivos, el reactivo limitante es el que se agota primero y fija cuánto producto se forma.

Moles de cada reactivo

n(Al) = 8/26,98 = 0,2965 mol
n(Cl2) = 10/70,9 = 0,141 mol

Reactivo limitante

0,2965/2 = 0,1483, 0,141/3 = 0,04701 → Cl2

Masa de producto

n(AlCl3) = 0,04701·2 = 0,09403 mol
m = 0,09403·133,33 = 12,54 g

Respuesta

m = 12,54 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 61,99 %

Estequiometría: una ecuación ajustada cuenta partículas, no gramos. Pasa la masa a moles con n = m/M, usa los coeficientes de la ecuación como relación molar y vuelve a masa con m = n·M. Con dos reactivos, el reactivo limitante es el que se agota primero y fija cuánto producto se forma.

Rendimiento teórico

n(Fe2O3) = 16/159,69 = 0,1002 mol
m = 0,1002·3/1·44,01 = 13,23 g

Rendimiento porcentual

Y = 8,2/13,23·100 = 61,99%

Respuesta

Y = 61,99%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [H2] = 0,025 mol/L

Equilibrio químico: para aA + bB ⇌ cC + dD, la constante de equilibrio es Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), con las concentraciones en el equilibrio. Una tabla ICE (Inicial, Cambio, Equilibrio) relaciona las cantidades iniciales con las de equilibrio mediante una única incógnita x, multiplicada por los coeficientes.

Expresión de equilibrio

36 = (2x)²/(0,1 − x)²

Saca la raíz cuadrada

6 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·6/(2 + 6) = 0,075 mol/L

Concentración en el equilibrio

[H₂] = 0,1 − x = 0,025 mol/L

Respuesta

[H2] = 0,025 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 1,043 mol/L

Equilibrio químico: para aA + bB ⇌ cC + dD, la constante de equilibrio es Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), con las concentraciones en el equilibrio. Una tabla ICE (Inicial, Cambio, Equilibrio) relaciona las cantidades iniciales con las de equilibrio mediante una única incógnita x, multiplicada por los coeficientes.

Expresión de equilibrio

0,2 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,2·x − 0,3 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,3))/2 = 0,4568 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 1,5 − 0,4568 = 1,043 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 1,043 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 22,04 °C

Calor y entalpía: calentar una sustancia requiere q = m·c·ΔT. En un calorímetro, el calor cedido por el cuerpo caliente es igual al calor absorbido por el frío. La variación de entalpía de una reacción se obtiene de las entalpías de formación: ΔH° = ΣΔH°f(productos) − ΣΔH°f(reactivos), cada una multiplicada por su coeficiente.

Balance de calor

50·0,388·(110 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 20)

Despeja la temperatura final

Tf = (19,4·110 + 836·20)/(19,4 + 836) = 22,04 °C

Respuesta

Tf = 22,04 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 1297 kJ

Calor y entalpía: calentar una sustancia requiere q = m·c·ΔT. En un calorímetro, el calor cedido por el cuerpo caliente es igual al calor absorbido por el frío. La variación de entalpía de una reacción se obtiene de las entalpías de formación: ΔH° = ΣΔH°f(productos) − ΣΔH°f(reactivos), cada una multiplicada por su coeficiente.

Entalpía de reacción

ΔH° = [4·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [2·(−84,7) + 7·0] = −3119 kJ

Calor para la masa dada

n = 25/30,07 = 0,8314 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,8314·1560 = 1297 kJ

Respuesta

q = 1297 kJ
13.Cinética química

Respuesta: t = 4 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Concentración al final

CA = 1·(1 − 0,5) = 0,5 mol/L

Ley integrada de segundo orden

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (2 − 1)/0,25 = 4 min

Respuesta

t = 4 min
14.Cinética química

Respuesta: k2 = 1,306 min⁻¹

Velocidad de reacción: en una reacción de primer orden −dC/dt = kC, así que C = C₀·e−kt y la vida media ln 2/k no depende de la concentración. En una reacción de segundo orden 1/C = 1/C₀ + kt. La constante de velocidad aumenta con la temperatura según Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperaturas absolutas

T1 = 313,1 K, T2 = 353,1 K

Cociente de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(75000/8,314)·(1/353,1 − 1/313,1) = 3,263
k2 = 0,05·e3,263 = 1,306 min⁻¹

Respuesta

k2 = 1,306 min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: VCSTR/VPFR = 1,938

Reactores ideales, reacción de primer orden (−rA = k·CA) en estado estacionario, con tiempo espacial τ = V/Q. Un CSTR está perfectamente mezclado, así que todo el volumen reacciona a la baja concentración de salida: τ = X/(k·(1 − X)) y CA = CA0/(1 + k·τ). En un PFR cada rebanada de fluido reacciona como un pequeño reactor discontinuo: τ = ln(1/(1 − X))/k y CA = CA0·e−k·τ. Para la misma conversión un CSTR siempre necesita más volumen que un PFR.

k·τ para cada reactor

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,7/0,3 = 2,333
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(3,333) = 1,204

Relación de volúmenes

VCSTR/VPFR = 2,333/1,204 = 1,938

Respuesta

VCSTR/VPFR = 1,938

La diferencia crece rápidamente a conversiones altas.

16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 94,12 %

Reactores ideales, reacción de primer orden (−rA = k·CA) en estado estacionario, con tiempo espacial τ = V/Q. Un CSTR está perfectamente mezclado, así que todo el volumen reacciona a la baja concentración de salida: τ = X/(k·(1 − X)) y CA = CA0/(1 + k·τ). En un PFR cada rebanada de fluido reacciona como un pequeño reactor discontinuo: τ = ln(1/(1 − X))/k y CA = CA0·e−k·τ. Para la misma conversión un CSTR siempre necesita más volumen que un PFR.

Tiempo espacial

τ = V/Q = 400/5 = 80 min, kτ = 0,2·80 = 16

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 16/(1 + 16) = 94,12%

Respuesta

X = 94,12%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: U = 195,2 W/(m²·K)

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Diferencias de temperatura en los extremos

A contracorriente, la entrada caliente queda frente a la salida fría, y la salida caliente frente a la entrada fría.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 120 − 50 = 70 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 20 = 50 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70 − 50)/ln(70/50) = 59,44 K

Coeficiente global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 290000/(25·59,44) = 195,2 W/(m²·K)

Respuesta

U = 195,2 W/(m²·K)
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: Tc,out = 58,26 °C

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Combina el balance de energía y la ecuación de transferencia

Con ΔT₁ = Ts − Tc,in y ΔT₂ = Ts − Tc,out, la diferencia ΔT₁ − ΔT₂ es igual al aumento de temperatura del agua, así que el aumento se simplifica.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 2500·2/(2·4180) = 0,5981

Temperatura de salida

ΔT₂ = ΔT₁·e−0,5981 = 85·0,5499 = 46,74 K
Tc,out = 105 − 46,74 = 58,26 °C

Respuesta

Tc,out = 58,26 °C

Calor transferido: Q̇ = 319,9 kW.

19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 12,19 W

Resistencia térmica: el flujo de calor estacionario a través de capas en serie se comporta como la corriente por resistencias en serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) para una capa conductora y R = 1/(hA) para una superficie con convección. La caída de temperatura en cada capa es proporcional a su resistencia.

Resistencias de las capas

R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,04·6) = 1,042 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,17·6) = 0,02451 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 13/1,066 = 12,19 W

Respuesta

Q̇ = 12,19 W
20.Conducción de calor

Respuesta: U = 0,6652 W/(m²·K)

Resistencia térmica: el flujo de calor estacionario a través de capas en serie se comporta como la corriente por resistencias en serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) para una capa conductora y R = 1/(hA) para una superficie con convección. La caída de temperatura en cada capa es proporcional a su resistencia.

Resistencias en serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(7,7·4) = 0,03247 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,17·4) = 0,2206 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·4) = 0,1103 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·4) = 0,0125 K/W
ΣR = 0,3758 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(4·0,3758) = 0,6652 W/(m²·K)

Respuesta

U = 0,6652 W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 0,3718 m

Flujo en tuberías: el número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue el flujo laminar (Re por debajo de unos 2000) del turbulento (por encima de unos 4000). La fricción a lo largo de una tubería produce la pérdida de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Los accesorios, las válvulas, la entrada y la salida añaden pérdidas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre las superficies libres de dos depósitos abiertos la ecuación de la energía da Δz = hf + hm, incluida la pérdida de salida K = 1.

Velocidad media

A = π·0,2²/4 = 0,03142 m²
V = Q/A = 0,02/0,03142 = 0,6366 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 0,6366²/(2·9,81) = 0,02066 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(200/0,2)·0,6366²/(2·9,81) = 0,3718 m

Respuesta

hf = 0,3718 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 1,927 m

Flujo en tuberías: el número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue el flujo laminar (Re por debajo de unos 2000) del turbulento (por encima de unos 4000). La fricción a lo largo de una tubería produce la pérdida de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Los accesorios, las válvulas, la entrada y la salida añaden pérdidas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre las superficies libres de dos depósitos abiertos la ecuación de la energía da Δz = hf + hm, incluida la pérdida de salida K = 1.

Velocidad

V = Q/A = 0,06/0,04909 = 1,222 m/s
V²/(2g) = 0,07615 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,022·200/0,25 = 17,6
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 + 1,0 = 7,7

Pérdida de carga total

hf = 17,6·0,07615 = 1,34 m
hm = 7,7·0,07615 = 0,5863 m
Δz = hf + hm = 1,927 m

Respuesta

Δz = 1,927 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: η = 84,76 %

Potencia de una bomba: la potencia que recibe el agua es la potencia hidráulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. El eje debe entregar más porque la bomba tiene pérdidas: Pshaft = Ph/ηpump, y el motor absorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La altura de la bomba H sale de la ecuación de la energía: altura geométrica + altura de presión + todas las pérdidas por fricción y localizadas.

Potencia hidráulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,06·18 = 10,59 kW

Rendimiento

η = Ph/Pshaft = 10,59/12,5 = 84,76%

Respuesta

η = 84,76%
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 21,33 kW

Potencia de una bomba: la potencia que recibe el agua es la potencia hidráulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. El eje debe entregar más porque la bomba tiene pérdidas: Pshaft = Ph/ηpump, y el motor absorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La altura de la bomba H sale de la ecuación de la energía: altura geométrica + altura de presión + todas las pérdidas por fricción y localizadas.

Velocidad

V = Q/A = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22 + 5)·0,2905 = 7,843 m

Altura de la bomba

H = Δz + hL = 11 + 7,843 = 18,84 m

Potencia en el eje

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,075·18,84/0,65 = 21,33 kW

Respuesta

Pshaft = 21,33 kW

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