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 1550 kg/h · 40% salCorriente 2ṁ₂ = ? · 20% salProducto25% sal

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 25 % de sal? Halla ṁ2.

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 40 %x2 = 20 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F1200 kg/h · 6% NaOHProducto PP = ? · 50%Vapor W (agua pura)0% NaOH

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

F = 1200 kg/hxF = 6 %xP = 50 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoaceite ligero · 150 °C100 °Cagua · 30 °Ct = ? °C

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

ṁh = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 100 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríomezcla de glicol · 160 °C130 °Cagua · 25 °C75 °C · ṁ = ?5 % perdido

mezcla de glicol 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 = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 160 → 130 °Ct: 25 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
350 g de ArP = 750 kPaT = 50 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 350 g de Ar a 750 kPa y 50 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 350 gM = 39,95 g/molP = 750 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de CO₂ pasa de 350 kPa, 2 L, 25 °C a 800 kPa y 150 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 350 kPaV1 = 2 LT1 = 25 °CP2 = 800 kPaT2 = 150 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

24 g de N2 y 16 g de H2 reaccionan según N2 + 3H2 → 2NH3. ¿Qué masa m de NH3 se puede formar?

M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(N2​)n(N2​)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(N2​)× 2/1× M(NH3​)

En la reacción N2 + 3H2 → 2NH3, 12 g de N2 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 12,4 g de NH3. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molreal: 12,4 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 = 4. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 4
[HI] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,2 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,4 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,2
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Cincm = 150 gT = 150 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Aguam = 300 gT = 24 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de cinc de 150 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 150 °C se introduce en 300 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 24 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 300 gTwater = 24 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H2CH3​OH + 3O₂reactivos2CO₂ + 4H₂O(l)productosΔH° = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular ΔH° de la reacción 2CH3OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(CH3OH) = −238,7 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 = ?75%

Una reacción de segundo orden (−rA = k·CA²) en un reactor discontinuo tiene k = 0,1 L/(mol·min) y parte de 2 mol/L. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 75 %? Halla t.

k = 0,1 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/LX = 75 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))ensayo 10,50,005ensayo 220,32n = ?

Dos experimentos miden la velocidad inicial de A → productos. Con CA0 = 0,5 mol/L la velocidad es 0,005 mol/(L·s); con CA0 = 2 mol/L es 0,32 mol/(L·s). Halla el orden de reacción n respecto a A.

CA0,1 = 0,5 mol/Lr1 = 0,005 mol/(L·s)CA0,2 = 2 mol/Lr2 = 0,32 mol/(L·s)
n =
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
QX = 95%mismos Q, k y X que el CSTR

Una reacción de primer orden en fase líquida debe alcanzar un 95 % 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 = 95%primer orden, mismos k y Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
Q = 80 L/minX = ?V = 250 L

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,5 min⁻¹) se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) de 250 L alimentado a 80 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 250 LQ = 80 L/mink = 0,5 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT110 °C95 °C45 °C15 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador a contracorriente transfiere 140 kW. El fluido caliente se enfría de 110 a 95 °C y el frío se calienta de 15 a 45 °C. El coeficiente global de transmisión es 200 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 140 kWU = 200 W/(m²·K)Th: 110 → 95 °CTc: 15 → 45 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT175 °C??20 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

En un intercambiador a contracorriente ambas corrientes tienen la misma capacidad calorífica, ṁ·cp = 4 kW/K. La corriente caliente entra a 175 °C y la fría a 20 °C. El intercambiador tiene A = 4 m² y U = 300 W/(m²·K). Halla la temperatura de salida del fluido caliente Th,out.

Ch = Cc = 4 kW/KTh,in = 175 °CTc,in = 20 °CA = 4 m²U = 300 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conducción de calorMedia
Poliestireno expandido, k = 0,035250 mmPlaca de yeso, k = 0,1750 mm24 °C-5 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 250 mm de poliestireno expandido y 50 mm de placa de yeso, con un área de 6 m². Las caras exteriores están a 24 °C y -5 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 250 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 24 °CT3 = -5 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Vidrio, k = 0,96150 mmPlaca de yeso, k = 0,1775 mminterior 20 °Cexterior 5 °CQ̇

Un muro de 150 mm de vidrio y 75 mm de placa de yeso separa una habitación a 20 °C del aire exterior a 5 °C. Los coeficientes de convección son 6 W/(m²·K) dentro y 20 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 20 m². Halla el coeficiente global de transmisión de calor U del muro.

L1 = 150 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = 5 °C
U = W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 15 L/sD = 150 mmL = 500 mf = 0,022

Agua circula a razón de 15 L/s por una tubería de 500 m de longitud y 150 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,022 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

Q = 15 L/sL = 500 mD = 150 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 0,2Δz = 24 mL = 300 m, D = 250 mm, f = 0,0184× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 300 m de longitud, 250 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,018. La superficie libre del depósito superior está 24 m por encima de la del inferior. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 4 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 = 24 mL = 300 mD = 250 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 50 L/sH = 56 m

Una bomba con un rendimiento del 72 % impulsa 50 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 56 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 50 L/sH = 56 mη = 72%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
200 kPa (manométrica)PQ = 100 L/sΔz = 20 mL = 200 m, D = 250 mm, f = 0,018, ΣK = 6

Una bomba impulsa 100 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 200 m de longitud, tiene 250 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,018; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 6 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². El depósito superior está cerrado y el aire sobre el agua está a una presión manométrica de 200 kPa. Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 100 L/sΔz = 20 mL = 200 mD = 250 mmf = 0,018ΣK = 6ptank = 200 kPa
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 1650 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) = 550·(40 − 25)/(25 − 20) = 1650 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 1650 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 144 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 = 1200·6/50 = 144 kg/h

Respuesta

P = 144 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 67,68 °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 = 3·2,1·(150 − 100) = 315 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 315/(2·4,18) = 67,68 °C

Respuesta

tout = 67,68 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 1,227 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 2,5·3,6·(160 − 130) = 270 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,05)·270 = 256,5 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 256,5/(4,18·50) = 1,227 kg/s

Respuesta

ṁc = 1,227 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 31,38 L

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

Moles

n = 350/39,95 = 8,761 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Volumen

V = nRT/P = 8,761·8,314·323,1/750 = 31,38 L

Respuesta

V = 31,38 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 1,242 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 298,1 K, T2 = 423,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(350/800)·(423,1/298,1) = 1,242 L

Respuesta

V2 = 1,242 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 29,17 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(N2) = 24/28,02 = 0,8565 mol
n(H2) = 16/2,016 = 7,937 mol

Reactivo limitante

0,8565/1 = 0,8565, 7,937/3 = 2,646 → N2

Masa de producto

n(NH3) = 0,8565·2 = 1,713 mol
m = 1,713·17,03 = 29,17 g

Respuesta

m = 29,17 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 85,01 %

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(N2) = 12/28,02 = 0,4283 mol
m = 0,4283·2/1·17,03 = 14,59 g

Rendimiento porcentual

Y = 12,4/14,59·100 = 85,01%

Respuesta

Y = 85,01%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 1 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

4 = (2x)²/(1 − x)²

Saca la raíz cuadrada

2 = 2x/(1 − x) → x = 1·2/(2 + 2) = 0,5 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 1 mol/L

Respuesta

[HI] = 1 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,2 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/(0,4 − x) → x² + 0,2·x − 0,08 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,08))/2 = 0,2 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,2 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,2 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 29,59 °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

150·0,388·(150 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 24)

Despeja la temperatura final

Tf = (58,2·150 + 1254·24)/(58,2 + 1254) = 29,59 °C

Respuesta

Tf = 29,59 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: ΔH° = −1453 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) + 4·(−285,8)] − [2·(−238,7) + 3·0] = −1453 kJ

Respuesta

ΔH° = −1453 kJ

Negativo: la reacción desprende calor (exotérmica).

13.Cinética química

Respuesta: t = 15 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 = 2·(1 − 0,75) = 0,5 mol/L

Ley integrada de segundo orden

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (2 − 0,5)/0,1 = 15 min

Respuesta

t = 15 min
14.Cinética química

Respuesta: n = 3

Método de las velocidades iniciales: para r = k·Cⁿ, comparar dos ensayos que solo difieren en la concentración inicial elimina k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Duplicar C duplica la velocidad en primer orden y la cuadruplica en segundo orden.

Relaciones

r2/r1 = 0,32/0,005 = 64
C2/C1 = 2/0,5 = 4

Orden

n = ln(64)/ln(4) = 3

Respuesta

n = 3
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: VCSTR/VPFR = 6,342

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) = 0,95/0,05 = 19
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(20) = 2,996

Relación de volúmenes

VCSTR/VPFR = 19/2,996 = 6,342

Respuesta

VCSTR/VPFR = 6,342

La diferencia crece rápidamente a conversiones altas.

16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 79,04 %

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 = 250/80 = 3,125 min, kτ = 0,5·3,125 = 1,563

Conversión

X = 1 − e−kτ = 1 − e−1,563 = 79,04%

Respuesta

X = 79,04%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 9,69 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 = 110 − 45 = 65 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 95 − 15 = 80 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (65 − 80)/ln(65/80) = 72,24 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 140000/(200·72,24) = 9,69 m²

Respuesta

A = 9,69 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: Th,out = 139,2 °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

4·(175 − Th,out) = 1,2·(Th,out − 20)
Th,out = (4·175 + 1,2·20)/(4 + 1,2) = 139,2 °C

Respuesta

Th,out = 139,2 °C

Calor transferido: Q̇ = 143,1 kW; la corriente fría sale a 55,77 °C.

19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = −3,853 °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)/(0,035·6) = 1,19 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·6) = 0,04902 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 29/1,239 = 23,4 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 24 − 23,4·1,19 = −3,853 °C

Respuesta

Ti = −3,853 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: U = 1,228 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/(6·20) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,96·20) = 0,007813 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·20) = 0,02206 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·20) = 0,0025 K/W
ΣR = 0,0407 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(20·0,0407) = 1,228 W/(m²·K)

Respuesta

U = 1,228 W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 2,693 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 = 0,015/0,01767 = 0,8488 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 0,8488²/(2·9,81) = 0,03672 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(500/0,15)·0,8488²/(2·9,81) = 2,693 m

Respuesta

hf = 2,693 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Q = 215,2 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 = 0,018·300/0,25 = 21,6
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,9

Ecuación de la energía

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

24 = (21,6 + 2,9)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·24/24,5) = 4,384 m/s

Caudal

Q = V·π·D²/4 = 4,384·0,04909 = 0,2152 m³/s = 215,2 L/s

Respuesta

Q = 215,2 L/s
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 38,15 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 = 1000·9,81·0,05·56 = 27,47 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 27,47/0,72 = 38,15 kW

Respuesta

Pshaft = 38,15 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 44,7 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 = 0,1/0,04909 = 2,037 m/s
V²/(2g) = 0,2115 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (14,4 + 6)·0,2115 = 4,315 m

Altura de presión

p/(ρ·g) = 200000/(1000·9,81) = 20,39 m

Altura de la bomba

Las dos superficies están prácticamente en reposo, así que no hay término de altura de velocidad.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 20 + 20,39 + 4,315 = 44,7 m

Respuesta

H = 44,7 m

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