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 1950 kg/h · 15% NaOHCorriente 2ṁ₂ = ? · 35% NaOHProducto20% NaOH

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 20 % de NaOH? Halla ṁ2.

ṁ1 = 950 kg/hx1 = 15 %x2 = 35 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F2900 kg/h · 18% azúcarProducto P55% azúcarVapor W (agua pura)W = ? kg/h

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

F = 2900 kg/hxF = 18 %xP = 55 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoetanol · 180 °C150 °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 = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 150 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 160 °C80 °Cagua · 25 °C60 °C · ṁ = ?5 % perdido

etanol caliente calienta agua en un intercambiador que pierde hacia el entorno el 5 % del calor cedido por la corriente caliente. Halla el caudal de agua ṁc necesario.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 80 °Ct: 25 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
310 g de ArP = 750 kPaT = 0 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 310 g de Ar a 750 kPa y 0 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 310 gM = 39,95 g/molP = 750 kPaT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de Ar pasa de 100 kPa, 20 L, 30 °C a 500 kPa y 120 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 100 kPaV1 = 20 LT1 = 30 °CP2 = 500 kPaT2 = 120 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

6 g de H2 y 32 g de O2 reaccionan según 2H2 + O2 → 2H2O. ¿Qué masa m de H2O se puede formar?

M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(CH4​)n(CH4​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CH4​)× 1/1× M(CO2​)

En la reacción CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, 16 g de CH4 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 34,24 g de CO2. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 34,24 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​I0,2500C−x+x+xE0,25 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,1 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,25 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,1
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Hierrom = 75 gT = 110 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Aguam = 200 gT = 17 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de hierro de 75 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 110 °C se introduce en 200 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 17 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 110 °Cmwater = 200 gTwater = 17 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H10 g C4​H10​2C4​H10​ + 13O₂reactivos8CO₂ + 10H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 10 g de C4H10 (M = 58,12 g/mol) se queman por completo: 2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(C4H10) = −125,6 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)C (mol/L)20 minC = ?

Una reacción con ley de velocidad −rA = k·CA² tiene k = 0,1 L/(mol·min) y empieza con 1 mol/L. Halla la concentración CA tras 20 min.

k = 0,1 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/Lt = 20 min
CA = mol/L
14.Cinética químicaDifícil
Tk50 °Ck1​?10·k1​

Una reacción tiene una energía de activación de 75 kJ/mol. A 50 °C es demasiado lenta. ¿Hasta qué temperatura T2 (en °C) hay que calentarla para que sea 10 veces más rápida?

Ea = 75 kJ/molT1 = 50 °Ck2/k1 = 10R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
QX = 85%mismos Q, k y X que el CSTR

Una reacción de primer orden en fase líquida debe alcanzar un 85 % 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 = 85%primer orden, mismos k y Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 800 LQ = 80 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,2 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 800 L alimentado a 80 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 800 LQ = 80 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT140 °C70 °C95 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador a contracorriente transfiere 120 kW. El fluido caliente se enfría de 140 a 70 °C y el frío se calienta de 30 a 95 °C. El coeficiente global de transmisión es 200 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 120 kWU = 200 W/(m²·K)Th: 140 → 70 °CTc: 30 → 95 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT90 °C65 °C37,51 °C10 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (2 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) se enfría de 90 a 65 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 1 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 10 °C. Con U = 1000 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 90 → 65 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Hormigón, k = 1,4100 mmPlaca de yeso, k = 0,17100 mm19 °C-6 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 100 mm de hormigón y 100 mm de placa de yeso, con un área de 12 m². Las caras exteriores están a 19 °C y -6 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 100 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 19 °CT3 = -6 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Hormigón, k = 1,4200 mmMadera, k = 0,17100 mminterior 20 °Cexterior 5 °CQ̇ = ?

Un muro de 200 mm de hormigón y 100 mm de madera separa una habitación a 20 °C del aire exterior a 5 °C. Los coeficientes de convección son 6 W/(m²·K) dentro y 30 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 6 m². Halla la pérdida de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 200 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = 5 °C
Q̇ = W
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 6 L/sD = 75 mmL = 800 mf = 0,028

Agua circula a razón de 6 L/s por una tubería de 800 m de longitud y 75 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,028 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

Q = 6 L/sL = 800 mD = 75 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 5Δz = ?L = 600 m, D = 300 mm, f = 0,0152× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 600 m de longitud, 300 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,015. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 2 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 200 L/s?

Q = 200 L/sL = 600 mD = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 20 L/sH = 74 m

Una bomba impulsa 20 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 74 m. El rendimiento de la bomba es del 80 % y el motor eléctrico que la acciona tiene un rendimiento del 92 %. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia eléctrica Pel que absorbe el motor, en kW.

Q = 20 L/sH = 74 mηpump = 80%ηmotor = 92%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 120 L/sΔz = 5 mL = 300 m, D = 250 mm, f = 0,015, ΣK = 4

Una bomba impulsa 120 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 5 m más alta. La tubería mide 300 m de longitud, tiene 250 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,015; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 4 (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 = 120 L/sΔz = 5 mL = 300 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 4η = 65%
Pshaft = kW

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 316,7 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
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Despeja ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 950·(15 − 20)/(20 − 35) = 316,7 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 316,7 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: W = 1951 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 = 2900·18/55 = 949,1 kg/h

Balance total

W = F − P = 2900 − 949,1 = 1951 kg/h

Respuesta

W = 1951 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 27,51 °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 = 0,5·2,44·(180 − 150) = 36,6 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 36,6/(0,5·4,18) = 27,51 °C

Respuesta

tout = 27,51 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 0,6338 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 0,5·2,44·(160 − 80) = 97,6 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,05)·97,6 = 92,72 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 92,72/(4,18·35) = 0,6338 kg/s

Respuesta

ṁc = 0,6338 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 23,5 L

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

Moles

n = 310/39,95 = 7,76 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Volumen

V = nRT/P = 7,76·8,314·273,1/750 = 23,5 L

Respuesta

V = 23,5 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 5,188 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 303,1 K, T2 = 393,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(100/500)·(393,1/303,1) = 5,188 L

Respuesta

V2 = 5,188 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 36,04 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(H2) = 6/2,016 = 2,976 mol
n(O2) = 32/32 = 1 mol

Reactivo limitante

2,976/2 = 1,488, 1/1 = 1 → O2

Masa de producto

n(H2O) = 1·2 = 2 mol
m = 2·18,02 = 36,04 g

Respuesta

m = 36,04 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 78 %

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(CH4) = 16/16,04 = 0,9975 mol
m = 0,9975·1/1·44,01 = 43,9 g

Rendimiento porcentual

Y = 34,24/43,9·100 = 78%

Respuesta

Y = 78%
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: [Cl2] = 0,1158 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

0,1 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,1·x − 0,025 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,025))/2 = 0,1158 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,1158 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,1158 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 20,6 °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

75·0,449·(110 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 17)

Despeja la temperatura final

Tf = (33,68·110 + 836·17)/(33,68 + 836) = 20,6 °C

Respuesta

Tf = 20,6 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 495,1 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° = [8·(−393,5) + 10·(−285,8)] − [2·(−125,6) + 13·0] = −5755 kJ

Calor para la masa dada

n = 10/58,12 = 0,1721 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,1721·2877 = 495,1 kJ

Respuesta

q = 495,1 kJ
13.Cinética química

Respuesta: CA = 0,3333 mol/L

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).

Ley integrada de segundo orden

1/CA = 1/CA0 + kt = 1 + 0,1·20 = 3 L/mol
CA = 1/3 = 0,3333 mol/L

Respuesta

CA = 0,3333 mol/L
14.Cinética química

Respuesta: T2 = 79,05 °C

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperatura absoluta

T1 = 323,1 K

Despeja T₂ de la ecuación de Arrhenius

1/T2 = 1/323,1 − 8,314·ln(10)/75000 = 3,095 × 10⁻³ − 2,552 × 10⁻⁴ = 2,839 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 352,2 K = 79,05 °C

Respuesta

T2 = 79,05 °C
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: VCSTR/VPFR = 2,987

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) = 0,85/0,15 = 5,667
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(6,667) = 1,897

Relación de volúmenes

VCSTR/VPFR = 5,667/1,897 = 2,987

Respuesta

VCSTR/VPFR = 2,987

La diferencia crece rápidamente a conversiones altas.

16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 66,67 %

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 = 800/80 = 10 min, kτ = 0,2·10 = 2

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 2/(1 + 2) = 66,67%

Respuesta

X = 66,67%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 14,13 m²

Método de la DTML: la diferencia de temperatura entre las corrientes cambia a lo largo del intercambiador, así que la ecuación usa su media logarítmica: Q̇ = U·A·ΔTlm, con ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), donde ΔT₁ y ΔT₂ son las diferencias en los dos extremos. A contracorriente se obtiene una ΔTlm mayor que en flujo paralelo con las mismas temperaturas de entrada y salida.

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 = 140 − 95 = 45 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 30 = 40 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (45 − 40)/ln(45/40) = 42,45 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 120000/(200·42,45) = 14,13 m²

Respuesta

A = 14,13 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 2,14 m²

Método de la DTML: la diferencia de temperatura entre las corrientes cambia a lo largo del intercambiador, así que la ecuación usa su media logarítmica: Q̇ = U·A·ΔTlm, con ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), donde ΔT₁ y ΔT₂ son las diferencias en los dos extremos. A contracorriente se obtiene una ΔTlm mayor que en flujo paralelo con las mismas temperaturas de entrada y salida.

Potencia térmica y temperatura de salida del agua

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 2·2,3·25 = 115 kW
Tc,out = 10 + 115/(1·4,18) = 37,51 °C

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 = 90 − 37,51 = 52,49 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 10 = 55 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (52,49 − 55)/ln(52,49/55) = 53,73 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 115000/(1000·53,73) = 2,14 m²

Respuesta

A = 2,14 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = 16,29 °C

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) = (100/1000)/(1,4·12) = 0,005952 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·12) = 0,04902 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 25/0,05497 = 454,8 W

Temperatura de la interfaz

La temperatura baja Q̇·R₁ a través de la primera capa.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 19 − 454,8·0,005952 = 16,29 °C

Respuesta

Ti = 16,29 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 96,66 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 en serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(6·6) = 0,02778 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(1,4·6) = 0,02381 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·6) = 0,09804 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·6) = 0,005556 K/W
ΣR = 0,1552 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (20 − (5))/0,1552 = 96,66 W

Respuesta

Q̇ = 96,66 W
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 28,08 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·0,075²/4 = 0,004418 m²
V = Q/A = 0,006/0,004418 = 1,358 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 1,358²/(2·9,81) = 0,09401 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(800/0,075)·1,358²/(2·9,81) = 28,08 m

Respuesta

hf = 28,08 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 15,14 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 = 0,2/0,07069 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,015·600/0,3 = 30
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 + 1,0 = 7,1

Pérdida de carga total

hf = 30·0,408 = 12,24 m
hm = 7,1·0,408 = 2,897 m
Δz = hf + hm = 15,14 m

Respuesta

Δz = 15,14 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pel = 19,73 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.

Potencia hidráulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,02·74 = 14,52 kW

Potencia en el eje

Pshaft = 14,52/0,8 = 18,15 kW

Potencia eléctrica

Pel = 18,15/0,92 = 19,73 kW

Respuesta

Pel = 19,73 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 21,19 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 = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18 + 4)·0,3046 = 6,701 m

Altura de la bomba

H = Δz + hL = 5 + 6,701 = 11,7 m

Potencia en el eje

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,12·11,7/0,65 = 21,19 kW

Respuesta

Pshaft = 21,19 kW

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