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 1500 kg/h · 35% azúcarCorriente 2ṁ₂ = ? · 5% azúcarProducto30% azúcar

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

ṁ1 = 500 kg/hx1 = 35 %x2 = 5 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F3800 kg/h · 19% NaOHProducto PP = ? · 45%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 = 3800 kg/hxF = 19 %xP = 45 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríomezcla de glicol · 150 °C80 °Cagua · 30 °Ct = ? °C

mezcla de glicol 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 = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 80 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoaceite ligero · 180 °C110 °Cagua · 30 °C50 °C · ṁ = ?10 % perdido

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

ṁh = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 110 °Ct: 30 → 50 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
150 g de CH₄P = 750 kPaT = 25 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 150 g de CH₄ a 750 kPa y 25 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 150 gM = 16,04 g/molP = 750 kPaT = 25 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de He pasa de 100 kPa, 20 L, 35 °C a 150 kPa y 70 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 100 kPaV1 = 20 LT1 = 35 °CP2 = 150 kPaT2 = 70 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

20 g de H2 y 10 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(H2​O)m(H2​O)÷ M(CH4​)× 2/1× M(H2​O)

En la reacción CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, 4 g de CH4 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 5,57 g de H2O. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreal: 5,57 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,50,50C−x−x+2xE0,5 − x0,5 − x2x

Se introducen 0,5 mol/L de H₂ y 0,5 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 64. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 64
[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 = 0,01 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 = 0,01
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Aluminiom = 100 gT = 200 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Aguam = 400 gT = 15 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de aluminio de 100 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 200 °C se introduce en 400 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 15 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 200 °Cmwater = 400 gTwater = 15 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H250 g CH4​CH4​ + 2O₂reactivosCO₂ + 2H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 250 g de CH4 (M = 16,04 g/mol) se queman por completo: CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(CH4) = −74,8 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)60 min0,6

En una reacción de primer orden la concentración de A baja de 1,2 mol/L a 0,6 mol/L en 60 min. Halla la constante de velocidad k.

CA0 = 1,2 mol/LCA = 0,6 mol/Lt = 60 min
k = min⁻¹
14.Cinética químicaDifícil
Tk35 °C0,0150 °C0,0247

La constante de velocidad de una reacción es 0,01 min⁻¹ a 35 °C y 0,0247 min⁻¹ a 50 °C. Halla la energía de activación Ea.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 35 °Ck2 = 0,0247 min⁻¹T2 = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 25 L/minX = 70%V = ?, k = 0,4 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,4 min⁻¹ se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) alimentado a 25 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla el volumen del reactor V en litros para una conversión de A del 70 %.

Q = 25 L/mink = 0,4 min⁻¹X = 70%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 1500 LQ = 20 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,5 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 1500 L alimentado a 20 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 1500 LQ = 20 L/mink = 0,5 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT105 °C25 °C70 °CΔT₁ΔT₂vapor que condensa

En un condensador, el vapor condensa a 105 °C constantes en el exterior de los tubos. El agua de refrigeración (5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circula por los tubos y se calienta de 25 a 70 °C. El coeficiente global de transmisión de calor es 3500 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Ts = 105 °Cṁ = 5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 25 → 70 °CU = 3500 W/(m²·K)
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT130 °C65 °C?25 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

En un intercambiador de doble tubo a contracorriente, aceite caliente (0,2 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) circula por el tubo interior y se enfría de 130 a 65 °C. Agua (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra en el espacio anular a 25 °C. El tubo interior tiene un diámetro de 25 mm, y U = 200 W/(m²·K) está referido a este diámetro. Halla la longitud de tubo L necesaria.

ṁh = 0,2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 65 °Cṁc = 1,5 kg/sTc,in = 25 °CD = 25 mmU = 200 W/(m²·K)
L = m
19.Conducción de calorMedia
Placa de yeso, k = 0,1750 mmHormigón, k = 1,4150 mm24 °C-10 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 50 mm de placa de yeso y 150 mm de hormigón, con un área de 8 m². Las caras exteriores están a 24 °C y -10 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 50 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 24 °CT3 = -10 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Ladrillo, k = 0,72150 mmPoliestireno expandido, k = 0,03575 mminterior 21 °Cexterior -14 °CQ̇ = ?

Un muro de 150 mm de ladrillo y 75 mm de poliestireno expandido separa una habitación a 21 °C del aire exterior a -14 °C. Los coeficientes de convección son 8 W/(m²·K) dentro y 20 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 20 m². Halla la pérdida de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 150 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 20 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -14 °C
Q̇ = W
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 1 m/sD = 150 mmL = 400 mf = 0,025

Agua (ρ = 1000 kg/m³) circula a 1 m/s por una tubería horizontal de 400 m de longitud y 150 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,025 y g = 9,81 m/s². Halla la caída de presión Δp en la tubería en kPa.

V = 1 m/sL = 400 mD = 150 mmf = 0,025ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10Δz = ?L = 100 m, D = 200 mm, f = 0,024× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 100 m de longitud, 200 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,02. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 4 codos (K = 0,3 cada uno), una válvula (K = 10) 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 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 80 L/sH = 10 m

En un ensayo, una bomba impulsa 80 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 10 m mientras su eje absorbe 10,9 kW. Usa g = 9,81 m/s². Halla el rendimiento de la bomba η en porcentaje.

Q = 80 L/sH = 10 mPshaft = 10,9 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 20 L/sΔz = 7 mL = 600 m, D = 100 mm, f = 0,018, ΣK = 8

Una bomba impulsa 20 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 7 m más alta. La tubería mide 600 m de longitud, tiene 100 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,018; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 8 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 20 L/sΔz = 7 mL = 600 mD = 100 mmf = 0,018ΣK = 8
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 100 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) = 500·(35 − 30)/(30 − 5) = 100 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 100 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 1604 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 = 3800·19/45 = 1604 kg/h

Respuesta

P = 1604 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 120,4 °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 = 3·3,6·(150 − 80) = 756 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 756/(2·4,18) = 120,4 °C

Respuesta

tout = 120,4 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 4,748 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 3·2,1·(180 − 110) = 441 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,1)·441 = 396,9 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 396,9/(4,18·20) = 4,748 kg/s

Respuesta

ṁc = 4,748 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 30,91 L

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

Moles

n = 150/16,04 = 9,352 mol
T = 25 + 273,15 = 298,1 K

Volumen

V = nRT/P = 9,352·8,314·298,1/750 = 30,91 L

Respuesta

V = 30,91 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 14,85 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 308,1 K, T2 = 343,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(100/150)·(343,1/308,1) = 14,85 L

Respuesta

V2 = 14,85 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 11,26 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) = 20/2,016 = 9,921 mol
n(O2) = 10/32 = 0,3125 mol

Reactivo limitante

9,921/2 = 4,96, 0,3125/1 = 0,3125 → O2

Masa de producto

n(H2O) = 0,3125·2 = 0,625 mol
m = 0,625·18,02 = 11,26 g

Respuesta

m = 11,26 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 61,97 %

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) = 4/16,04 = 0,2494 mol
m = 0,2494·2/1·18,02 = 8,988 g

Rendimiento porcentual

Y = 5,57/8,988·100 = 61,97%

Respuesta

Y = 61,97%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 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

64 = (2x)²/(0,5 − x)²

Saca la raíz cuadrada

8 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·8/(2 + 8) = 0,4 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,8 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,8 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,04525 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

0,01 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,01·x − 0,0025 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,0025))/2 = 0,04525 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,04525 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,04525 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 24,42 °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

100·0,897·(200 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 15)

Despeja la temperatura final

Tf = (89,7·200 + 1672·15)/(89,7 + 1672) = 24,42 °C

Respuesta

Tf = 24,42 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 13876 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° = [1·(−393,5) + 2·(−285,8)] − [1·(−74,8) + 2·0] = −890,3 kJ

Calor para la masa dada

n = 250/16,04 = 15,59 mol
q = n·|ΔH°/1| = 15,59·890,3 = 13876 kJ

Respuesta

q = 13876 kJ
13.Cinética química

Respuesta: k = 0,01155 min⁻¹

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).

Ley integrada de primer orden

k = ln(CA0/CA)/t = ln(1,2/0,6)/60 = 0,6931/60 = 0,01155 min⁻¹

Respuesta

k = 0,01155 min⁻¹
14.Cinética química

Respuesta: Ea = 49,91 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 = 308,1 K, T2 = 323,1 K

Despeja Ea de Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·0,9042/(-1,506e-4) = 49907 J/mol
Ea = 49,91 kJ/mol

Respuesta

Ea = 49,91 kJ/mol
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 75,25 L

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 = ln(1/(1 − 0,7))/0,4 = 1,204/0,4 = 3,01 min

Volumen

V = Q·τ = 25·3,01 = 75,25 L

Respuesta

V = 75,25 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 97,4 %

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 = 1500/20 = 75 min, kτ = 0,5·75 = 37,5

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 37,5/(1 + 37,5) = 97,4%

Respuesta

X = 97,4%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 4,936 m²

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.

Potencia térmica en el lado del agua

Q̇ = 5·4,18·(70 − 25) = 940,5 kW

Diferencias de temperatura en los extremos

ΔT₁ = 105 − 25 = 80 K
ΔT₂ = 105 − 70 = 35 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (80 − 35)/ln(80/35) = 54,43 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 940500/(3500·54,43) = 4,936 m²

Respuesta

A = 4,936 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: L = 26,44 m

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.

Potencia térmica y temperatura de salida del agua

Q̇ = 0,2·2,1·(130 − 65) = 27,3 kW
Tc,out = 25 + 27,3/(1,5·4,18) = 29,35 °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 = 130 − 29,35 = 100,6 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 25 = 40 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (100,6 − 40)/ln(100,6/40) = 65,72 K

Área y longitud

A = 27300/(200·65,72) = 2,077 m²
L = A/(πD) = 2,077/(π·0,025) = 26,44 m

Respuesta

L = 26,44 m
19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 677,9 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) = (50/1000)/(0,17·8) = 0,03676 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(1,4·8) = 0,01339 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 34/0,05016 = 677,9 W

Respuesta

Q̇ = 677,9 W
20.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 277,1 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/(8·20) = 0,00625 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,72·20) = 0,01042 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,035·20) = 0,1071 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·20) = 0,0025 K/W
ΣR = 0,1263 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (21 − (-14))/0,1263 = 277,1 W

Respuesta

Q̇ = 277,1 W
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δp = 33,33 kPa

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.

Pérdida de carga

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(400/0,15)·1²/(2·9,81) = 3,398 m

Caída de presión

La tubería es horizontal y la velocidad no cambia, así que la ecuación de la energía se reduce a Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·3,398 = 33333 Pa = 33,33 kPa

Respuesta

Δp = 33,33 kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 7,503 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 = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,02·100/0,2 = 10
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Pérdida de carga total

hf = 10·0,3305 = 3,305 m
hm = 12,7·0,3305 = 4,197 m
Δz = hf + hm = 7,503 m

Respuesta

Δz = 7,503 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: η = 72 %

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 = 1000·9,81·0,08·10 = 7,848 kW

Rendimiento

η = Ph/Pshaft = 7,848/10,9 = 72%

Respuesta

η = 72%
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 45,34 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 = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (108 + 8)·0,3305 = 38,34 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 = 7 + 38,34 = 45,34 m

Respuesta

H = 45,34 m

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