Práctica para el examen FE Chemical: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 24 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Balance de materia

Estado estacionario
entrada = salida
Balance total
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Balance por componente
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Evaporador
F·xF = P·xP, W = F − P

Balance de energía

Calor sensible
Q = ṁ·cp·ΔT
Calor latente
Q = ṁ·hfg
Mezcla
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Agua
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Ley de los gases ideales

Ley de los gases ideales
pV = nRT
Constante de los gases
R = 8,314 J/(mol·K)
Ley combinada de los gases
p1V1/T1 = p2V2/T2
Moles
n = m/M
Temperatura
T[K] = T[°C] + 273,15

Estequiometría

Moles
n = m/M
Concentración
c = n/V
Relación molar
usa los coeficientes de la ecuación ajustada
Reactivo limitante
el que se agota primero
Rendimiento porcentual
real / teórico × 100%

Método

  1. Escribe y ajusta la ecuación química.
  2. Pasa la masa dada a moles: n = m/M.
  3. Usa los coeficientes como relación molar para hallar los moles de la sustancia que buscas.
  4. Vuelve a pasar a masa con m = n·M. Con dos reactivos, halla primero el reactivo limitante.

Equilibrio químico

Constante de equilibrio
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Tabla ICE
Inicial, Cambio (×coeficiente), Equilibrio
Ecuación de segundo grado
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Método

  1. Escribe Kc con productos entre reactivos, cada uno elevado a su coeficiente.
  2. Plantea una tabla ICE: Inicial, Cambio (en múltiplos de x por los coeficientes), Equilibrio.
  3. Sustituye las expresiones de equilibrio en Kc y despeja x.
  4. Comprueba si x es lo bastante pequeño para aproximar; si no, resuelve la ecuación de segundo grado.

Calorimetría y entalpía

Calor
q = m·c·ΔT
Agua
c = 4,18 J/(g·°C)
Calorímetro
calor cedido = calor absorbido
Entalpía de reacción
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

Cinética química

Primer orden
ln(CA/CA0) = −kt
Vida media (primer orden)
t½ = ln 2/k
Segundo orden
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Dos temperaturas
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Tiempo espacial
τ = V/Q
CSTR, primer orden
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, primer orden
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Conversión a partir del volumen
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N CSTR iguales en serie
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Intercambiadores de calor (DTML)

Potencia térmica
Q = U·A·ΔTlm
Diferencia de temperatura media logarítmica
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Balance de una corriente
Q = ṁcp(Tin − Tout)

Conducción de calor

Ley de Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Resistencia de conducción
R = L/(kA)
Resistencia de convección
R = 1/(hA)
Resistencias en serie
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Transmitancia U
U = 1/(ΣR·A)

Fricción en tuberías y pérdida de carga

Número de Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Régimen de flujo
laminar por debajo de Re ≈ 2000, turbulento por encima de Re ≈ 4000
Velocidad media
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Pérdidas localizadas
hm = ΣK·V²/(2g)
Valores típicos de K
entrada 0,5, salida 1,0, codo de 90° ≈ 0,3
Caída de presión
Δp = ρ·g·hf
Dos depósitos abiertos
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Salida libre
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Bombas y potencia de bombeo

Potencia hidráulica
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Potencia en el eje
Pshaft = Ph/ηpump
Potencia eléctrica
Pel = Pshaft/ηmotor
Altura de la bomba
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Pérdidas del sistema
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Problemas de práctica

1.Balance de materiaMedia
MezcladorCorriente 1950 kg/h · 5% azúcarCorriente 2ṁ₂ = ? · 50% azúcarProducto35% azúcar

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 35 % de azúcar? Halla ṁ2.

ṁ1 = 950 kg/hx1 = 5 %x2 = 50 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F500 kg/h · 18% NaOHProducto P40% 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 = 500 kg/hxF = 18 %xP = 40 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoetanol · 180 °C150 °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 = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 150 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 170 °C130 °Cagua · 25 °C55 °C · ṁ = ?5 % perdido

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

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 130 °Ct: 25 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
450 g de CO₂V = 10 LT = 85 °CP = ?

Un depósito de 10 L contiene 450 g de CO₂ a 85 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 450 gM = 44,01 g/molV = 10 LT = 85 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
CH₄, M = 16,04 g/molP = 250 kPaT = 170 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de CH₄ a 250 kPa y 170 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 16,04 g/molP = 250 kPaT = 170 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

30 g de CH4 y 32 g de O2 reaccionan según CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. ¿Qué masa m de H2O se puede formar?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 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, 6 g de CaCO3 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 2,96 g de CaO. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CaO) = 56,08 g/molreal: 2,96 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

Se introducen 0,2 mol/L de H₂ y 0,2 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 50. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 50
[HI] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,04 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,1 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,04
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Cincm = 250 gT = 110 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Aguam = 300 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de cinc de 250 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 110 °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 = 250 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 110 °Cmwater = 300 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H50 g CH4​CH4​ + 2O₂reactivosCO₂ + 2H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 50 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)X (%)t = ?80%

Una reacción de primer orden en un reactor discontinuo tiene k = 0,2 min⁻¹. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 80 %? Halla t.

k = 0,2 min⁻¹X = 80 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
t (min)X (%)45 minX = ?

Una reacción de primer orden tiene k = 0,002 min⁻¹ a 25 °C y una energía de activación de 60 kJ/mol. El reactor discontinuo funciona ahora a 40 °C durante 45 min. Halla la conversión X alcanzada.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 25 °CEa = 60 kJ/molT2 = 40 °Ct = 45 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 25 L/minX = 95%V = ?, k = 0,2 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,2 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 95 %.

Q = 25 L/mink = 0,2 min⁻¹X = 95%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
Q = 80 L/minX = ?V = 200 L

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,12 min⁻¹) se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) de 200 L alimentado a 80 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 200 LQ = 80 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT140 °C15 °C55 °CΔT₁ΔT₂vapor que condensa

En un condensador, el vapor condensa a 140 °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 15 a 55 °C. El coeficiente global de transmisión de calor es 2500 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Ts = 140 °Cṁ = 5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 15 → 55 °CU = 2500 W/(m²·K)
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT120 °C??25 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

En un intercambiador a contracorriente ambas corrientes tienen la misma capacidad calorífica, ṁ·cp = 3 kW/K. La corriente caliente entra a 120 °C y la fría a 25 °C. El intercambiador tiene A = 4 m² y U = 500 W/(m²·K). Halla la temperatura de salida del fluido caliente Th,out.

Ch = Cc = 3 kW/KTh,in = 120 °CTc,in = 25 °CA = 4 m²U = 500 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conducción de calorMedia
Placa de yeso, k = 0,17150 mmLana mineral, k = 0,0450 mm17 °C0 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 150 mm de placa de yeso y 50 mm de lana mineral, con un área de 4 m². Las caras exteriores están a 17 °C y 0 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 17 °CT3 = 0 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Madera, k = 0,17250 mmLadrillo, k = 0,72150 mminterior 22 °Cexterior -1 °CQ̇

Un muro de 250 mm de madera y 150 mm de ladrillo separa una habitación a 22 °C del aire exterior a -1 °C. Los coeficientes de convección son 8 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 8 m². Halla el coeficiente global de transmisión de calor U del muro.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 8 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -1 °C
U = W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 1,5 m/sD = 150 mmL = 300 mf = 0,018

Agua (ρ = 1000 kg/m³) circula a 1,5 m/s por una tubería horizontal de 300 m de longitud y 150 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,018 y g = 9,81 m/s². Halla la caída de presión Δp en la tubería en kPa.

V = 1,5 m/sL = 300 mD = 150 mmf = 0,018ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10Δz = ?L = 200 m, D = 300 mm, f = 0,0154× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 200 m de longitud, 300 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,015. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 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 120 L/s?

Q = 120 L/sL = 200 mD = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 60 L/sH = 42 m

Una bomba impulsa 60 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 42 m. El rendimiento de la bomba es del 65 % 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 = 60 L/sH = 42 mηpump = 65%ηmotor = 92%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 60 L/sΔz = 12 mL = 500 m, D = 200 mm, f = 0,018, ΣK = 8

Una bomba impulsa 60 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 12 m más alta. La tubería mide 500 m de longitud, tiene 200 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 = 60 L/sΔz = 12 mL = 500 mD = 200 mmf = 0,018ΣK = 8
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 1900 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) = 950·(5 − 35)/(35 − 50) = 1900 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 1900 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: W = 275 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 = 500·18/40 = 225 kg/h

Balance total

W = F − P = 500 − 225 = 275 kg/h

Respuesta

W = 275 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 60,02 °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 = 3·2,44·(180 − 150) = 219,6 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 219,6/(1,5·4,18) = 60,02 °C

Respuesta

tout = 60,02 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 1,479 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 2·2,44·(170 − 130) = 195,2 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,05)·195,2 = 185,4 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 185,4/(4,18·30) = 1,479 kg/s

Respuesta

ṁc = 1,479 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 3045 kPa

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

Moles

n = m/M = 450/44,01 = 10,22 mol
T = 85 + 273,15 = 358,1 K

Presión

P = nRT/V = 10,22·8,314·358,1/0,01 = 3045 kPa

Respuesta

P = 3045 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 1,088 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 = 170 + 273,15 = 443,1 K

Densidad

ρ = 250·16,04/(8,314·443,1) = 1,088 kg/m³

Respuesta

ρ = 1,088 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 18,02 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) = 30/16,04 = 1,87 mol
n(O2) = 32/32 = 1 mol

Reactivo limitante

1,87/1 = 1,87, 1/2 = 0,5 → O2

Masa de producto

n(H2O) = 0,5·2 = 1 mol
m = 1·18,02 = 18,02 g

Respuesta

m = 18,02 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 88,05 %

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) = 6/100,09 = 0,05995 mol
m = 0,05995·1/1·56,08 = 3,362 g

Rendimiento porcentual

Y = 2,96/3,362·100 = 88,05%

Respuesta

Y = 88,05%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,3118 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

50 = (2x)²/(0,2 − x)²

Saca la raíz cuadrada

7,071 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·7,071/(2 + 7,071) = 0,1559 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,3118 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,3118 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,04633 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

0,04 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,04·x − 0,004 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,004))/2 = 0,04633 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,04633 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,04633 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 22,75 °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

250·0,388·(110 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 16)

Despeja la temperatura final

Tf = (97·110 + 1254·16)/(97 + 1254) = 22,75 °C

Respuesta

Tf = 22,75 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 2775 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 = 50/16,04 = 3,117 mol
q = n·|ΔH°/1| = 3,117·890,3 = 2775 kJ

Respuesta

q = 2775 kJ
13.Cinética química

Respuesta: t = 8,047 min

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).

Conversión y concentración

C/C0 = 1 − X = 0,2

Despeja el tiempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,2)/0,2 = 8,047 min

Respuesta

t = 8,047 min
14.Cinética química

Respuesta: X = 24,94 %

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

Constante de velocidad a la nueva temperatura

T1 = 298,1 K, T2 = 313,1 K
k2 = 0,002·e−(60000/8,314)·(1/313,1 − 1/298,1) = 0,006376 min⁻¹

Conversión

X = 1 − e−0,006376·45 = 1 − 0,7506 = 24,94 %

Respuesta

X = 24,94 %
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 374,5 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 − 0,95))/0,2 = 2,996/0,2 = 14,98 min

Volumen

V = Q·τ = 25·14,98 = 374,5 L

Respuesta

V = 374,5 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 25,92 %

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 = 200/80 = 2,5 min, kτ = 0,12·2,5 = 0,3

Conversión

X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,3 = 25,92%

Respuesta

X = 25,92%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 3,224 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·(55 − 15) = 836 kW

Diferencias de temperatura en los extremos

ΔT₁ = 140 − 15 = 125 K
ΔT₂ = 140 − 55 = 85 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (125 − 85)/ln(125/85) = 103,7 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 836000/(2500·103,7) = 3,224 m²

Respuesta

A = 3,224 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: Th,out = 82 °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

3·(120 − Th,out) = 2·(Th,out − 25)
Th,out = (3·120 + 2·25)/(3 + 2) = 82 °C

Respuesta

Th,out = 82 °C

Calor transferido: Q̇ = 114 kW; la corriente fría sale a 63 °C.

19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 31,89 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) = (150/1000)/(0,17·4) = 0,2206 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,04·4) = 0,3125 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 17/0,5331 = 31,89 W

Respuesta

Q̇ = 31,89 W
20.Conducción de calor

Respuesta: U = 0,5423 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/(8·8) = 0,01563 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·8) = 0,1838 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,72·8) = 0,02604 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·8) = 0,005 K/W
ΣR = 0,2305 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(8·0,2305) = 0,5423 W/(m²·K)

Respuesta

U = 0,5423 W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δp = 40,5 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) = 0,018·(300/0,15)·1,5²/(2·9,81) = 4,128 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 = 1000·9,81·4,128 = 40500 Pa = 40,5 kPa

Respuesta

Δp = 40,5 kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 3,334 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 = 0,12/0,07069 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,015·200/0,3 = 10
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Pérdida de carga total

hf = 10·0,1469 = 1,469 m
hm = 12,7·0,1469 = 1,866 m
Δz = hf + hm = 3,334 m

Respuesta

Δz = 3,334 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pel = 41,34 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 = 1000·9,81·0,06·42 = 24,72 kW

Potencia en el eje

Pshaft = 24,72/0,65 = 38,03 kW

Potencia eléctrica

Pel = 38,03/0,92 = 41,34 kW

Respuesta

Pel = 41,34 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 21,85 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 = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (45 + 8)·0,1859 = 9,853 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 = 12 + 9,853 = 21,85 m

Respuesta

H = 21,85 m

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