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 1650 kg/h · 15% azúcarCorriente 2ṁ₂ = ? · 30% azúcarProducto20% azúcar

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

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 15 %x2 = 30 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F3000 kg/h · 8% NaOHProducto P30% 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 = 3000 kg/hxF = 8 %xP = 30 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoetanol · 160 °C60 °Cagua · 25 °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: 160 → 60 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríomezcla de glicol · 140 °C80 °Cagua · 20 °C70 °C · ṁ = ?15 % perdido

mezcla de glicol 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 = 1 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 80 °Ct: 20 → 70 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
220 g de CH₄V = 50 LT = 65 °CP = ?

Un depósito de 50 L contiene 220 g de CH₄ a 65 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 220 gM = 16,04 g/molV = 50 LT = 65 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de N₂ pasa de 100 kPa, 10 L, 35 °C a 100 kPa y 160 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 100 kPaV1 = 10 LT1 = 35 °CP2 = 100 kPaT2 = 160 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

20 g de Na y 40 g de Cl2 reaccionan según 2Na + Cl2 → 2NaCl. ¿Qué masa m de NaCl se puede formar?

M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(Fe)m(Fe)÷ M(Fe2​O3​)× 2/1× M(Fe)

En la reacción Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2, 10 g de Fe2O3 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 5,25 g de Fe. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(Fe) = 55,85 g/molreal: 5,25 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

Se introducen 0,25 mol/L de H₂ y 0,25 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 = 0,25 mol/LKc = 49
[HI] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,05 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 1 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Aluminiom = 75 gT = 200 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Aguam = 150 gT = 23 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de aluminio de 75 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 200 °C se introduce en 150 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 23 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 200 °Cmwater = 150 gTwater = 23 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
HC2​H5​OH + 3O₂reactivos2CO₂ + 3H₂O(l)productosΔH° = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular ΔH° de la reacción C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l).

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.Cinética químicaMedia
t (min)X (%)t = ?50%

Una reacción de segundo orden (−rA = k·CA²) en un reactor discontinuo tiene k = 0,5 L/(mol·min) y parte de 1,5 mol/L. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 50 %? Halla t.

k = 0,5 L/(mol·min)CA0 = 1,5 mol/LX = 50 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk20 °C0,0130 °C0,0258

La constante de velocidad de una reacción es 0,01 min⁻¹ a 20 °C y 0,0258 min⁻¹ a 30 °C. Halla la energía de activación Ea.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 20 °Ck2 = 0,0258 min⁻¹T2 = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
QX = 60%mismos Q, k y X que el CSTR

Una reacción de primer orden en fase líquida debe alcanzar un 60 % 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 = 60%primer orden, mismos k y Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 150 LQ = 10 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,15 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 150 L alimentado a 10 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 150 LQ = 10 L/mink = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT160 °C75 °C30 °C70 °CΔT₁ΔT₂flujo paralelo

Un intercambiador de calor en equicorriente transfiere 410 kW. Su área de intercambio es 3 m². El fluido caliente se enfría de 160 a 75 °C y el frío se calienta de 30 a 70 °C. Halla el coeficiente global de transmisión de calor U.

Q̇ = 410 kWA = 3 m²Th: 160 → 75 °CTc: 30 → 70 °C
U = W/(m²·K)
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT150 °C??20 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

En un intercambiador a contracorriente ambas corrientes tienen la misma capacidad calorífica, ṁ·cp = 1 kW/K. La corriente caliente entra a 150 °C y la fría a 20 °C. El intercambiador tiene A = 2 m² y U = 500 W/(m²·K). Halla la temperatura de salida del fluido caliente Th,out.

Ch = Cc = 1 kW/KTh,in = 150 °CTc,in = 20 °CA = 2 m²U = 500 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conducción de calorMedia
Vidrio, k = 0,96200 mmLadrillo, k = 0,7225 mm15 °C3 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 200 mm de vidrio y 25 mm de ladrillo, con un área de 12 m². Las caras exteriores están a 15 °C y 3 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 200 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 15 °CT3 = 3 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Madera, k = 0,17150 mmHormigón, k = 1,4150 mminterior 20 °Cexterior -6 °CQ̇ = ?

Un muro de 150 mm de madera y 150 mm de hormigón separa una habitación a 20 °C del aire exterior a -6 °C. Los coeficientes de convección son 6 W/(m²·K) dentro y 30 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 4 m². Halla la pérdida de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 4 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -6 °C
Q̇ = W
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 50 L/sD = 150 mmL = 500 mf = 0,03

Agua circula a razón de 50 L/s por una tubería de 500 m de longitud y 150 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,03 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

Q = 50 L/sL = 500 mD = 150 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 5Δz = 36 mL = 100 m, D = 100 mm, f = 0,0253× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 100 m de longitud, 100 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,025. La superficie libre del depósito superior está 36 m por encima de la del inferior. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 3 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. Halla el caudal Q en L/s.

Δz = 36 mL = 100 mD = 100 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 20 L/sH = 70 m

Una bomba con un rendimiento del 75 % impulsa 20 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 70 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 20 L/sH = 70 mη = 75%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 50 L/sΔz = 20 mL = 150 m, D = 150 mm, f = 0,02, ΣK = 6

Una bomba impulsa 50 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 150 m de longitud, tiene 150 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,02; 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 = 50 L/sΔz = 20 mL = 150 mD = 150 mmf = 0,02ΣK = 6
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 325 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
azúcar: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Despeja ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 650·(15 − 20)/(20 − 30) = 325 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 325 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: W = 2200 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 = 3000·8/30 = 800 kg/h

Balance total

W = F − P = 3000 − 800 = 2200 kg/h

Respuesta

W = 2200 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 102,8 °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·(160 − 60) = 488 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 488/(1,5·4,18) = 102,8 °C

Respuesta

tout = 102,8 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 0,8785 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 1·3,6·(140 − 80) = 216 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,15)·216 = 183,6 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 183,6/(4,18·50) = 0,8785 kg/s

Respuesta

ṁc = 0,8785 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 771,2 kPa

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

Moles

n = m/M = 220/16,04 = 13,72 mol
T = 65 + 273,15 = 338,1 K

Presión

P = nRT/V = 13,72·8,314·338,1/0,05 = 771,2 kPa

Respuesta

P = 771,2 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 14,06 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 308,1 K, T2 = 433,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(100/100)·(433,1/308,1) = 14,06 L

Respuesta

V2 = 14,06 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 50,84 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(Na) = 20/22,99 = 0,8699 mol
n(Cl2) = 40/70,9 = 0,5642 mol

Reactivo limitante

0,8699/2 = 0,435, 0,5642/1 = 0,5642 → Na

Masa de producto

n(NaCl) = 0,435·2 = 0,8699 mol
m = 0,8699·58,44 = 50,84 g

Respuesta

m = 50,84 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 75,06 %

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) = 10/159,69 = 0,06262 mol
m = 0,06262·2/1·55,85 = 6,995 g

Rendimiento porcentual

Y = 5,25/6,995·100 = 75,06%

Respuesta

Y = 75,06%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,3889 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/(0,25 − x)²

Saca la raíz cuadrada

7 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·7/(2 + 7) = 0,1944 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,3889 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,3889 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 0,8 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

0,05 = x²/(1 − x) → x² + 0,05·x − 0,05 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,05))/2 = 0,2 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 1 − 0,2 = 0,8 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 0,8 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 40,15 °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

75·0,897·(200 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 23)

Despeja la temperatura final

Tf = (67,28·200 + 627·23)/(67,28 + 627) = 40,15 °C

Respuesta

Tf = 40,15 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: ΔH° = −1367 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

Respuesta

ΔH° = −1367 kJ

Negativo: la reacción desprende calor (exotérmica).

13.Cinética química

Respuesta: t = 1,333 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 = 1,5·(1 − 0,5) = 0,75 mol/L

Ley integrada de segundo orden

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (1,333 − 0,6667)/0,5 = 1,333 min

Respuesta

t = 1,333 min
14.Cinética química

Respuesta: Ea = 70,03 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) = −8,314·0,9478/(-1,125e-4) = 70028 J/mol
Ea = 70,03 kJ/mol

Respuesta

Ea = 70,03 kJ/mol
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: VCSTR/VPFR = 1,637

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) = 0,6/0,4 = 1,5
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2,5) = 0,9163

Relación de volúmenes

VCSTR/VPFR = 1,5/0,9163 = 1,637

Respuesta

VCSTR/VPFR = 1,637

La diferencia crece rápidamente a conversiones altas.

16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 69,23 %

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 = 150/10 = 15 min, kτ = 0,15·15 = 2,25

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 2,25/(1 + 2,25) = 69,23%

Respuesta

X = 69,23%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: U = 3562 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

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 160 − 30 = 130 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 75 − 70 = 5 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (130 − 5)/ln(130/5) = 38,37 K

Coeficiente global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 410000/(3·38,37) = 3562 W/(m²·K)

Respuesta

U = 3562 W/(m²·K)
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: Th,out = 85 °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.

Diferencia de temperatura constante

La salida fría está frente a la entrada caliente: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), así que ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.

ΔTlm = Th,out − Tc,in

Balance de energía igual a ecuación de transferencia

1·(150 − Th,out) = 1·(Th,out − 20)
Th,out = (1·150 + 1·20)/(1 + 1) = 85 °C

Respuesta

Th,out = 85 °C

Calor transferido: Q̇ = 65 kW; la corriente fría sale a 85 °C.

19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 592,5 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) = (200/1000)/(0,96·12) = 0,01736 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,72·12) = 0,002894 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 12/0,02025 = 592,5 W

Respuesta

Q̇ = 592,5 W
20.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 87,43 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/(6·4) = 0,04167 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,17·4) = 0,2206 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(1,4·4) = 0,02679 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·4) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,2974 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (20 − (-6))/0,2974 = 87,43 W

Respuesta

Q̇ = 87,43 W
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 40,8 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·0,15²/4 = 0,01767 m²
V = Q/A = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 2,829²/(2·9,81) = 0,408 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(500/0,15)·2,829²/(2·9,81) = 40,8 m

Respuesta

hf = 40,8 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Q = 36,67 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 = 0,025·100/0,1 = 25
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 5 + 1,0 = 7,4

Ecuación de la energía

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

36 = (25 + 7,4)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·36/32,4) = 4,669 m/s

Caudal

Q = V·π·D²/4 = 4,669·0,007854 = 0,03667 m³/s = 36,67 L/s

Respuesta

Q = 36,67 L/s
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 18,31 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 = 1000·9,81·0,02·70 = 13,73 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 13,73/0,75 = 18,31 kW

Respuesta

Pshaft = 18,31 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 30,61 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (20 + 6)·0,408 = 10,61 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 + 10,61 = 30,61 m

Respuesta

H = 30,61 m

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