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 1850 kg/h · 35% NaOHCorriente 2ṁ₂ = ? · 5% NaOHProducto15% NaOH

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 15 % de NaOH? Halla ṁ2.

ṁ1 = 850 kg/hx1 = 35 %x2 = 5 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F1200 kg/h · 17% salProducto PP = ? · 35%Vapor W (agua pura)0% sal

Un evaporador concentra una disolución de sal evaporando agua pura. Halla el caudal de producto P en kg/h.

F = 1200 kg/hxF = 17 %xP = 35 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoetanol · 130 °C60 °Cagua · 20 °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: 130 → 60 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 130 °C90 °Cagua · 20 °C55 °C · ṁ = ?15 % perdido

etanol caliente calienta agua en un intercambiador que pierde hacia el entorno el 15 % del calor cedido por la corriente caliente. Halla el caudal de agua ṁc necesario.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 90 °Ct: 20 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
150 g de O₂P = 500 kPaT = 20 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 150 g de O₂ a 500 kPa y 20 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 150 gM = 32 g/molP = 500 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
CO₂, M = 44,01 g/molP = 700 kPaT = 20 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de CO₂ a 700 kPa y 20 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 44,01 g/molP = 700 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 1/ν× M(CO2​)

4 g de CH4 y 40 g de O2 reaccionan según CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. ¿Qué masa m de CO2 se puede formar?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CaO)m(CaO)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CaO)

En la reacción CaCO3 → CaO + CO2, 30 g de CaCO3 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 15,3 g de CaO. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CaO) = 56,08 g/molreal: 15,3 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

Se introducen 1 mol/L de H₂ y 1 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 49. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 49
[HI] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,2500C−x+x+xE0,25 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,2 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 = 0,2
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Cincm = 100 gT = 170 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Aguam = 300 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de cinc de 100 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 170 °C se introduce en 300 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 16 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 170 °Cmwater = 300 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H100 g C2​H5​OHC2​H5​OH + 3O₂reactivos2CO₂ + 3H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 100 g de C2H5OH (M = 46,07 g/mol) se queman por completo: C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 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 = ?75%

Una reacción de segundo orden (−rA = k·CA²) en un reactor discontinuo tiene k = 0,5 L/(mol·min) y parte de 1 mol/L. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 75 %? Halla t.

k = 0,5 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/LX = 75 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk20 °C0,00230 °C0,00344

La constante de velocidad de una reacción es 0,002 min⁻¹ a 20 °C y 0,00344 min⁻¹ a 30 °C. Halla la energía de activación Ea.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 20 °Ck2 = 0,00344 min⁻¹T2 = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
QX = 50%mismos Q, k y X que el CSTR

Una reacción de primer orden en fase líquida debe alcanzar un 50 % 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 = 50%primer orden, mismos k y Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 400 LQ = 50 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,05 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 400 L alimentado a 50 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 400 LQ = 50 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT130 °C70 °C20 °C35 °CΔT₁ΔT₂flujo paralelo

Un intercambiador de flujo paralelo transfiere 170 kW. El fluido caliente se enfría de 130 a 70 °C y el frío se calienta de 20 a 35 °C. El coeficiente global de transmisión es 500 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 170 kWU = 500 W/(m²·K)Th: 130 → 70 °CTc: 20 → 35 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT165 °C60 °C72,8 °C10 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (0,5 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) se enfría de 165 a 60 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 0,5 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 10 °C. Con U = 500 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 165 → 60 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 500 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Lana mineral, k = 0,04250 mmHormigón, k = 1,450 mm20 °C-14 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 250 mm de lana mineral y 50 mm de hormigón, con un área de 15 m². Las caras exteriores están a 20 °C y -14 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 250 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 20 °CT3 = -14 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Madera, k = 0,1750 mmHormigón, k = 1,475 mminterior 20 °Cexterior -6 °CQ̇

Un muro de 50 mm de madera y 75 mm de hormigón separa una habitación a 20 °C del aire exterior a -6 °C. Los coeficientes de convección son 10 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 20 m². Halla el coeficiente global de transmisión de calor U del muro.

L1 = 50 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 20 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -6 °C
U = W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 1,3 m/sD = 200 mmL = 50 mf = 0,015

Agua circula con una velocidad media de 1,3 m/s por una tubería de 50 m de longitud y 200 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,015 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

V = 1,3 m/sL = 50 mD = 200 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 0,2Δz = 12 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,0182× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 100 m de longitud, 150 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,018. La superficie libre del depósito superior está 12 m por encima de la del inferior. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 2 codos (K = 0,3 cada uno), una válvula (K = 0,2) y la salida al depósito inferior (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Halla el caudal Q en L/s.

Δz = 12 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 100 L/sH = 50 m

Una bomba impulsa 100 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 50 m. El rendimiento de la bomba es del 72 % 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 = 100 L/sH = 50 mηpump = 72%ηmotor = 92%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 40 L/sΔz = 20 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,015, ΣK = 6

Una bomba impulsa 40 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 20 m más alta. La tubería mide 100 m de longitud, tiene 150 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,015; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 6 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 40 L/sΔz = 20 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,015ΣK = 6
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 1700 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) = 850·(35 − 15)/(15 − 5) = 1700 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 1700 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 582,9 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 = 1200·17/35 = 582,9 kg/h

Respuesta

P = 582,9 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 26,81 °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·(130 − 60) = 85,4 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 85,4/(3·4,18) = 26,81 °C

Respuesta

tout = 26,81 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 1,134 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 2·2,44·(130 − 90) = 195,2 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,15)·195,2 = 165,9 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 165,9/(4,18·35) = 1,134 kg/s

Respuesta

ṁc = 1,134 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 22,85 L

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

Moles

n = 150/32 = 4,688 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Volumen

V = nRT/P = 4,688·8,314·293,1/500 = 22,85 L

Respuesta

V = 22,85 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 12,64 kg/m³

Densidad de un gas ideal: ρ = PM/(RT).

Reordena la ley de los gases

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Densidad

ρ = 700·44,01/(8,314·293,1) = 12,64 kg/m³

Respuesta

ρ = 12,64 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 10,98 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(CH4) = 4/16,04 = 0,2494 mol
n(O2) = 40/32 = 1,25 mol

Reactivo limitante

0,2494/1 = 0,2494, 1,25/2 = 0,625 → CH4

Masa de producto

n(CO2) = 0,2494·1 = 0,2494 mol
m = 0,2494·44,01 = 10,98 g

Respuesta

m = 10,98 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 91,02 %

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(CaCO3) = 30/100,09 = 0,2997 mol
m = 0,2997·1/1·56,08 = 16,81 g

Rendimiento porcentual

Y = 15,3/16,81·100 = 91,02%

Respuesta

Y = 91,02%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 1,556 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

49 = (2x)²/(1 − x)²

Saca la raíz cuadrada

7 = 2x/(1 − x) → x = 1·7/(2 + 7) = 0,7778 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 1,556 mol/L

Respuesta

[HI] = 1,556 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,1449 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/(0,25 − x) → x² + 0,2·x − 0,05 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,05))/2 = 0,1449 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,1449 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,1449 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 20,62 °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

100·0,388·(170 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 16)

Despeja la temperatura final

Tf = (38,8·170 + 1254·16)/(38,8 + 1254) = 20,62 °C

Respuesta

Tf = 20,62 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 2967 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° = [2·(−393,5) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Calor para la masa dada

n = 100/46,07 = 2,171 mol
q = n·|ΔH°/1| = 2,171·1367 = 2967 kJ

Respuesta

q = 2967 kJ
13.Cinética química

Respuesta: t = 6 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 − 0,75) = 0,25 mol/L

Ley integrada de segundo orden

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (4 − 1)/0,5 = 6 min

Respuesta

t = 6 min
14.Cinética química

Respuesta: Ea = 40,07 kJ/mol

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 = 293,1 K, T2 = 303,1 K

Despeja Ea de Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·0,5423/(-1,125e-4) = 40070 J/mol
Ea = 40,07 kJ/mol

Respuesta

Ea = 40,07 kJ/mol
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: VCSTR/VPFR = 1,443

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) = 0,5/0,5 = 1
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2) = 0,6931

Relación de volúmenes

VCSTR/VPFR = 1/0,6931 = 1,443

Respuesta

VCSTR/VPFR = 1,443

La diferencia crece rápidamente a conversiones altas.

16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 28,57 %

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 = 400/50 = 8 min, kτ = 0,05·8 = 0,4

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 0,4/(1 + 0,4) = 28,57%

Respuesta

X = 28,57%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 5,191 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

En flujo paralelo ambas entradas están en el mismo extremo, y ambas salidas en el otro.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 130 − 20 = 110 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 70 − 35 = 35 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (110 − 35)/ln(110/35) = 65,49 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 170000/(500·65,49) = 5,191 m²

Respuesta

A = 5,191 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 3,806 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) = 0,5·2,5·105 = 131,3 kW
Tc,out = 10 + 131,3/(0,5·4,18) = 72,8 °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 = 165 − 72,8 = 92,2 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 60 − 10 = 50 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (92,2 − 50)/ln(92,2/50) = 68,96 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 131250/(500·68,96) = 3,806 m²

Respuesta

A = 3,806 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = −13,81 °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) = (250/1000)/(0,04·15) = 0,4167 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(1,4·15) = 0,002381 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 34/0,419 = 81,14 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 20 − 81,14·0,4167 = −13,81 °C

Respuesta

Ti = −13,81 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: U = 2,05 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/(10·20) = 0,005 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,17·20) = 0,01471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(1,4·20) = 0,002679 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·20) = 0,002 K/W
ΣR = 0,02438 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(20·0,02438) = 2,05 W/(m²·K)

Respuesta

U = 2,05 W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 0,323 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.

Altura de velocidad

V²/(2g) = 1,3²/(2·9,81) = 0,08614 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(50/0,2)·1,3²/(2·9,81) = 0,323 m

Respuesta

hf = 0,323 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Q = 71,7 L/s

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.

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,018·100/0,15 = 12
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,3

Ecuación de la energía

Las dos superficies están abiertas al aire y prácticamente en reposo, así que todo Δz se pierde en la tubería.

12 = (12 + 2,3)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·12/14,3) = 4,058 m/s

Caudal

Q = V·π·D²/4 = 4,058·0,01767 = 0,0717 m³/s = 71,7 L/s

Respuesta

Q = 71,7 L/s
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pel = 74,05 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 = 1000·9,81·0,1·50 = 49,05 kW

Potencia en el eje

Pshaft = 49,05/0,72 = 68,13 kW

Potencia eléctrica

Pel = 68,13/0,92 = 74,05 kW

Respuesta

Pel = 74,05 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 24,18 m

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 = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s
V²/(2g) = 0,2611 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (10 + 6)·0,2611 = 4,178 m

Altura de la bomba

Las dos superficies están abiertas y prácticamente en reposo, así que los términos de presión y velocidad se anulan.

H = Δz + hL = 20 + 4,178 = 24,18 m

Respuesta

H = 24,18 m

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