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 1700 kg/h · 40% NaOHCorriente 2ṁ₂ = ? · 20% NaOHProducto35% NaOH

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

ṁ1 = 700 kg/hx1 = 40 %x2 = 20 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F2300 kg/h · 8% salProducto PP = ? · 55%Vapor W (agua pura)0% sal

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

F = 2300 kg/hxF = 8 %xP = 55 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoetanol · 160 °C70 °Cagua · 30 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 70 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 180 °C110 °Cagua · 20 °C55 °C · ṁ = ?10 % perdido

etanol 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 = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 110 °Ct: 20 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
450 g de CO₂P = 550 kPaT = 65 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 450 g de CO₂ a 550 kPa y 65 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 450 gM = 44,01 g/molP = 550 kPaT = 65 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
CO₂, M = 44,01 g/molP = 250 kPaT = 140 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de CO₂ a 250 kPa y 140 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 44,01 g/molP = 250 kPaT = 140 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

12 g de N2 y 20 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(Na)n(Na)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(Na)× 2/2× M(NaCl)

En la reacción 2Na + Cl2 → 2NaCl, 16 g de Na reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 37,01 g de NaCl. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/molreal: 37,01 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 = 25. Calcula la concentración en el equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 25
[H2] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,1 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,5 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,1
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Cincm = 250 gT = 130 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Aguam = 100 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de cinc de 250 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 130 °C se introduce en 100 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 25 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 100 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
HC3​H8​ + 5O₂reactivos3CO₂ + 4H₂O(l)productosΔH° = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular ΔH° de la reacción C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(C3H8) = −103,8 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 primer orden en un reactor discontinuo tiene k = 0,05 min⁻¹. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 75 %? Halla t.

k = 0,05 min⁻¹X = 75 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk40 °C0,0170 °C?

Una reacción tiene una constante de velocidad de 0,01 min⁻¹ a 40 °C y una energía de activación de 90 kJ/mol. Halla la constante de velocidad k2 a 70 °C.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 70 °CEa = 90 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
QX = 85%mismos Q, k y X que el CSTR

Una reacción de primer orden en fase líquida debe alcanzar un 85 % 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 = 85%primer orden, mismos k y Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
Q = 20 L/minX = ?V = 400 L

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,1 min⁻¹) se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) de 400 L alimentado a 20 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 400 LQ = 20 L/mink = 0,1 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT100 °C10 °C45 °CΔT₁ΔT₂vapor que condensa

En un condensador, el vapor condensa a 100 °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 10 a 45 °C. El coeficiente global de transmisión de calor es 1500 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Ts = 100 °Cṁ = 5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 10 → 45 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT175 °C70 °C140,6 °C15 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (1 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) se enfría de 175 a 70 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 0,5 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 15 °C. Con U = 200 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 175 → 70 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Madera, k = 0,17100 mmPoliestireno expandido, k = 0,03575 mm16 °C9 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 100 mm de madera y 75 mm de poliestireno expandido, con un área de 12 m². Las caras exteriores están a 16 °C y 9 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 16 °CT3 = 9 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Hormigón, k = 1,4150 mmVidrio, k = 0,9675 mminterior 20 °Cexterior -11 °CQ̇

Un muro de 150 mm de hormigón y 75 mm de vidrio separa una habitación a 20 °C del aire exterior a -11 °C. Los coeficientes de convección son 8 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 10 m². Halla el coeficiente global de transmisión de calor U del muro.

L1 = 150 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 10 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -11 °C
U = W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 8 L/sD = 100 mmL = 100 mf = 0,028

Agua circula a razón de 8 L/s por una tubería de 100 m de longitud y 100 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,028 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

Q = 8 L/sL = 100 mD = 100 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 2descarga libreH = ?L = 200 m, D = 250 mm, f = 0,0153× codo (K = 0,3)

Una tubería de 200 m de longitud y 250 mm de diámetro interior (factor de fricción de Darcy f = 0,015) sale de un depósito abierto y descarga como chorro libre a la atmósfera. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 3 codos (K = 0,3 cada uno) y una válvula (K = 2). Usa g = 9,81 m/s². ¿A qué altura H debe estar la superficie del depósito sobre la salida de la tubería para un caudal de 100 L/s?

Q = 100 L/sL = 200 mD = 250 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2
H = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 20 L/sH = 74 m

En un ensayo, una bomba impulsa 20 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 74 m mientras su eje absorbe 19,4 kW. Usa g = 9,81 m/s². Halla el rendimiento de la bomba η en porcentaje.

Q = 20 L/sH = 74 mPshaft = 19,4 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
150 kPa (manométrica)PQ = 75 L/sΔz = 15 mL = 600 m, D = 200 mm, f = 0,022, ΣK = 8

Una bomba impulsa 75 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 15 m más alta. La tubería mide 600 m de longitud, tiene 200 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,022; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 8 (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 150 kPa. Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 75 L/sΔz = 15 mL = 600 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 8ptank = 150 kPa
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 233,3 kg/h

Balance de materia en estado estacionario: entrada = salida para el total y para cada componente. Los problemas de mezcla combinan ambos.

Balances

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Despeja ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 700·(40 − 35)/(35 − 20) = 233,3 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 233,3 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 334,5 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 = 2300·8/55 = 334,5 kg/h

Respuesta

P = 334,5 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 56,27 °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 = 1·2,44·(160 − 70) = 219,6 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 219,6/(2·4,18) = 56,27 °C

Respuesta

tout = 56,27 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 0,5254 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 0,5·2,44·(180 − 110) = 85,4 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,1)·85,4 = 76,86 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 76,86/(4,18·35) = 0,5254 kg/s

Respuesta

ṁc = 0,5254 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 52,27 L

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

Moles

n = 450/44,01 = 10,22 mol
T = 65 + 273,15 = 338,1 K

Volumen

V = nRT/P = 10,22·8,314·338,1/550 = 52,27 L

Respuesta

V = 52,27 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 3,203 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 = 140 + 273,15 = 413,1 K

Densidad

ρ = 250·44,01/(8,314·413,1) = 3,203 kg/m³

Respuesta

ρ = 3,203 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 14,59 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) = 12/28,02 = 0,4283 mol
n(H2) = 20/2,016 = 9,921 mol

Reactivo limitante

0,4283/1 = 0,4283, 9,921/3 = 3,307 → N2

Masa de producto

n(NH3) = 0,4283·2 = 0,8565 mol
m = 0,8565·17,03 = 14,59 g

Respuesta

m = 14,59 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 91 %

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(Na) = 16/22,99 = 0,696 mol
m = 0,696·2/2·58,44 = 40,67 g

Rendimiento porcentual

Y = 37,01/40,67·100 = 91%

Respuesta

Y = 91%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [H2] = 0,2857 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

25 = (2x)²/(1 − x)²

Saca la raíz cuadrada

5 = 2x/(1 − x) → x = 1·5/(2 + 5) = 0,7143 mol/L

Concentración en el equilibrio

[H₂] = 1 − x = 0,2857 mol/L

Respuesta

[H2] = 0,2857 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,1791 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

0,1 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,1·x − 0,05 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,05))/2 = 0,1791 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,1791 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,1791 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 44,78 °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·(130 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 25)

Despeja la temperatura final

Tf = (97·130 + 418·25)/(97 + 418) = 44,78 °C

Respuesta

Tf = 44,78 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: ΔH° = −2220 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° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Respuesta

ΔH° = −2220 kJ

Negativo: la reacción desprende calor (exotérmica).

13.Cinética química

Respuesta: t = 27,73 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 = 0,25

Despeja el tiempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,25)/0,05 = 27,73 min

Respuesta

t = 27,73 min
14.Cinética química

Respuesta: k2 = 0,2054 min⁻¹

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 = 313,1 K, T2 = 343,1 K

Cociente de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(90000/8,314)·(1/343,1 − 1/313,1) = 3,022
k2 = 0,01·e3,022 = 0,2054 min⁻¹

Respuesta

k2 = 0,2054 min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: VCSTR/VPFR = 2,987

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) = 0,85/0,15 = 5,667
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(6,667) = 1,897

Relación de volúmenes

VCSTR/VPFR = 5,667/1,897 = 2,987

Respuesta

VCSTR/VPFR = 2,987

La diferencia crece rápidamente a conversiones altas.

16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 86,47 %

Reactores ideales, reacción de primer orden (−rA = k·CA) en estado estacionario, con tiempo espacial τ = V/Q. Un CSTR está perfectamente mezclado, así que todo el volumen reacciona a la baja concentración de salida: τ = X/(k·(1 − X)) y CA = CA0/(1 + k·τ). En un PFR cada rebanada de fluido reacciona como un pequeño reactor discontinuo: τ = ln(1/(1 − X))/k y CA = CA0·e−k·τ. Para la misma conversión un CSTR siempre necesita más volumen que un PFR.

Tiempo espacial

τ = V/Q = 400/20 = 20 min, kτ = 0,1·20 = 2

Conversión

X = 1 − e−kτ = 1 − e−2 = 86,47%

Respuesta

X = 86,47%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 6,862 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·(45 − 10) = 731,5 kW

Diferencias de temperatura en los extremos

ΔT₁ = 100 − 10 = 90 K
ΔT₂ = 100 − 45 = 55 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (90 − 55)/ln(90/55) = 71,07 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 731500/(1500·71,07) = 6,862 m²

Respuesta

A = 6,862 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 29,9 m²

Método de la DTML: la diferencia de temperatura entre las corrientes cambia a lo largo del intercambiador, así que la ecuación usa su media logarítmica: Q̇ = U·A·ΔTlm, con ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), donde ΔT₁ y ΔT₂ son las diferencias en los dos extremos. A contracorriente se obtiene una ΔTlm mayor que en flujo paralelo con las mismas temperaturas de entrada y salida.

Potencia térmica y temperatura de salida del agua

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1·2,5·105 = 262,5 kW
Tc,out = 15 + 262,5/(0,5·4,18) = 140,6 °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 = 175 − 140,6 = 34,4 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 15 = 55 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (34,4 − 55)/ln(34,4/55) = 43,9 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 262500/(200·43,9) = 29,9 m²

Respuesta

A = 29,9 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 30,76 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) = (100/1000)/(0,17·12) = 0,04902 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,035·12) = 0,1786 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 7/0,2276 = 30,76 W

Respuesta

Q̇ = 30,76 W
20.Conducción de calor

Respuesta: U = 2,855 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/(8·10) = 0,0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(1,4·10) = 0,01071 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,96·10) = 0,007813 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·10) = 0,004 K/W
ΣR = 0,03503 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(10·0,03503) = 2,855 W/(m²·K)

Respuesta

U = 2,855 W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 1,481 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·0,1²/4 = 0,007854 m²
V = Q/A = 0,008/0,007854 = 1,019 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 1,019²/(2·9,81) = 0,05288 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(100/0,1)·1,019²/(2·9,81) = 1,481 m

Respuesta

hf = 1,481 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: H = 3,469 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 = 0,1/0,04909 = 2,037 m/s
V²/(2g) = 0,2115 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,015·200/0,25 = 12
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 = 3,4

Ecuación de la energía

El chorro de salida conserva su altura de velocidad; no es una pérdida, pero hay que aportarla.

H = (1 + 12 + 3,4)·0,2115 = 3,469 m

Respuesta

H = 3,469 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: η = 74,84 %

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 = 1000·9,81·0,02·74 = 14,52 kW

Rendimiento

η = Ph/Pshaft = 14,52/19,4 = 74,84%

Respuesta

η = 74,84%
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 51,79 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (66 + 8)·0,2905 = 21,5 m

Altura de presión

p/(ρ·g) = 150000/(1000·9,81) = 15,29 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 = 15 + 15,29 + 21,5 = 51,79 m

Respuesta

H = 51,79 m

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