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 1200 kg/h · 10% NaOHCorriente 2ṁ₂ = ? · 30% NaOHProducto15% NaOH

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 15 % de NaOH? Halla ṁ2.

ṁ1 = 200 kg/hx1 = 10 %x2 = 30 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F3600 kg/h · 20% salProducto PP = ? · 65%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 = 3600 kg/hxF = 20 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoetanol · 120 °C80 °Cagua · 15 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 80 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoaceite ligero · 170 °C130 °Cagua · 10 °C30 °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 = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 130 °Ct: 10 → 30 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
380 g de HeP = 750 kPaT = 25 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 380 g de He a 750 kPa y 25 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 380 gM = 4,003 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 O₂ pasa de 100 kPa, 2 L, 35 °C a 750 kPa y 90 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 100 kPaV1 = 2 LT1 = 35 °CP2 = 750 kPaT2 = 90 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 4/ν× M(H2​O)

20 g de C3H8 y 40 g de O2 reaccionan según C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. ¿Qué masa m de H2O se puede formar?

M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(C3​H8​)n(C3​H8​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C3​H8​)× 3/1× M(CO2​)

En la reacción C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O, 20 g de C3H8 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 54,49 g de CO2. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 54,49 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 = 64. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 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 = 0,08 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 = 0,08
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Aluminiom = 150 gT = 200 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Aguam = 400 gT = 20 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de aluminio de 150 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 200 °C se introduce en 400 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 20 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 200 °Cmwater = 400 gTwater = 20 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
HCH4​ + 2O₂reactivosCO₂ + 2H₂O(l)productosΔH° = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular ΔH° de la reacción CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l).

ΔH°f(CH4) = −74,8 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)C (mol/L)20 minC = ?

Una reacción con ley de velocidad −rA = k·CA² tiene k = 0,4 L/(mol·min) y empieza con 1 mol/L. Halla la concentración CA tras 20 min.

k = 0,4 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/Lt = 20 min
CA = mol/L
14.Cinética químicaDifícil
Tk30 °C0,145 °C0,28

La constante de velocidad de una reacción es 0,1 min⁻¹ a 30 °C y 0,28 min⁻¹ a 45 °C. Halla la energía de activación Ea.

k1 = 0,1 min⁻¹T1 = 30 °Ck2 = 0,28 min⁻¹T2 = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 80 L/minX = 60%V = ?, k = 0,15 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,15 min⁻¹ se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) alimentado a 80 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 60 %.

Q = 80 L/mink = 0,15 min⁻¹X = 60%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 400 LQ = 25 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,15 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 400 L alimentado a 25 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 400 LQ = 25 L/mink = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT140 °C30 °C65 °CΔT₁ΔT₂vapor que condensa

En un condensador, el vapor condensa a 140 °C constantes en el exterior de los tubos. El agua de refrigeración (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circula por los tubos y se calienta de 30 a 65 °C. El coeficiente global de transmisión de calor es 2000 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Ts = 140 °Cṁ = 1 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 30 → 65 °CU = 2000 W/(m²·K)
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT115 °C50 °C?25 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

En un intercambiador de doble tubo a contracorriente, aceite caliente (0,5 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) circula por el tubo interior y se enfría de 115 a 50 °C. Agua (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra en el espacio anular a 25 °C. El tubo interior tiene un diámetro de 20 mm, y U = 250 W/(m²·K) está referido a este diámetro. Halla la longitud de tubo L necesaria.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 115 → 50 °Cṁc = 1 kg/sTc,in = 25 °CD = 20 mmU = 250 W/(m²·K)
L = m
19.Conducción de calorMedia
Ladrillo, k = 0,72100 mmLana mineral, k = 0,04150 mm17 °C-5 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 100 mm de ladrillo y 150 mm de lana mineral, con un área de 20 m². Las caras exteriores están a 17 °C y -5 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 100 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 17 °CT3 = -5 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Vidrio, k = 0,9650 mmHormigón, k = 1,450 mminterior 21 °Cexterior -8 °CQ̇ = ?

Un muro de 50 mm de vidrio y 50 mm de hormigón separa una habitación a 21 °C del aire exterior a -8 °C. Los coeficientes de convección son 7,7 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 6 m². Halla la pérdida de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 50 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 6 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -8 °C
Q̇ = W
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 2,1 m/sD = 200 mmL = 400 mf = 0,02

Agua circula con una velocidad media de 2,1 m/s por una tubería de 400 m de longitud y 200 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,02 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

V = 2,1 m/sL = 400 mD = 200 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10Δz = ?L = 150 m, D = 100 mm, f = 0,0183× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 150 m de longitud, 100 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,018. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 3 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 8 L/s?

Q = 8 L/sL = 150 mD = 100 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 30 L/sH = 40 m

Una bomba con un rendimiento del 78 % impulsa 30 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 40 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 30 L/sH = 40 mη = 78%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 25 L/sΔz = 6 mL = 400 m, D = 150 mm, f = 0,02, ΣK = 6

Una bomba impulsa 25 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 6 m más alta. La tubería mide 400 m de longitud, tiene 150 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,02; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 6 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². El rendimiento de la bomba es del 80 %. Halla la potencia en el eje Pshaft en kW.

Q = 25 L/sΔz = 6 mL = 400 mD = 150 mmf = 0,02ΣK = 6η = 80%
Pshaft = kW

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 66,67 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) = 200·(10 − 15)/(15 − 30) = 66,67 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 66,67 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 1108 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 = 3600·20/65 = 1108 kg/h

Respuesta

P = 1108 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 85,05 °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 = 1,5·2,44·(120 − 80) = 146,4 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 146,4/(0,5·4,18) = 85,05 °C

Respuesta

tout = 85,05 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 0,9043 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 1·2,1·(170 − 130) = 84 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,1)·84 = 75,6 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 75,6/(4,18·20) = 0,9043 kg/s

Respuesta

ṁc = 0,9043 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 313,7 L

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

Moles

n = 380/4,003 = 94,93 mol
T = 25 + 273,15 = 298,1 K

Volumen

V = nRT/P = 94,93·8,314·298,1/750 = 313,7 L

Respuesta

V = 313,7 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 0,3143 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 308,1 K, T2 = 363,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(100/750)·(363,1/308,1) = 0,3143 L

Respuesta

V2 = 0,3143 L
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(C3H8) = 20/44,1 = 0,4535 mol
n(O2) = 40/32 = 1,25 mol

Reactivo limitante

0,4535/1 = 0,4535, 1,25/5 = 0,25 → O2

Masa de producto

n(H2O) = 0,25·4 = 1 mol
m = 1·18,02 = 18,02 g

Respuesta

m = 18,02 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(C3H8) = 20/44,1 = 0,4535 mol
m = 0,4535·3/1·44,01 = 59,88 g

Rendimiento porcentual

Y = 54,49/59,88·100 = 91%

Respuesta

Y = 91%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,32 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/(0,2 − x)²

Saca la raíz cuadrada

8 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·8/(2 + 8) = 0,16 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,32 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,32 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,107 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

0,08 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,08·x − 0,02 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,02))/2 = 0,107 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,107 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,107 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 33,41 °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

150·0,897·(200 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 20)

Despeja la temperatura final

Tf = (134,6·200 + 1672·20)/(134,6 + 1672) = 33,41 °C

Respuesta

Tf = 33,41 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: ΔH° = −890,3 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

Respuesta

ΔH° = −890,3 kJ

Negativo: la reacción desprende calor (exotérmica).

13.Cinética química

Respuesta: CA = 0,1111 mol/L

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).

Ley integrada de segundo orden

1/CA = 1/CA0 + kt = 1 + 0,4·20 = 9 L/mol
CA = 1/9 = 0,1111 mol/L

Respuesta

CA = 0,1111 mol/L
14.Cinética química

Respuesta: Ea = 55,04 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 = 303,1 K, T2 = 318,1 K

Despeja Ea de Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,03/(-1,555e-4) = 55041 J/mol
Ea = 55,04 kJ/mol

Respuesta

Ea = 55,04 kJ/mol
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 488,7 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 − 0,6))/0,15 = 0,9163/0,15 = 6,109 min

Volumen

V = Q·τ = 80·6,109 = 488,7 L

Respuesta

V = 488,7 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 70,59 %

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 = 400/25 = 16 min, kτ = 0,15·16 = 2,4

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 2,4/(1 + 2,4) = 70,59%

Respuesta

X = 70,59%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 0,8005 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 = 1·4,18·(65 − 30) = 146,3 kW

Diferencias de temperatura en los extremos

ΔT₁ = 140 − 30 = 110 K
ΔT₂ = 140 − 65 = 75 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (110 − 75)/ln(110/75) = 91,39 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 146300/(2000·91,39) = 0,8005 m²

Respuesta

A = 0,8005 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: L = 117,8 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 = 0,5·2,5·(115 − 50) = 81,25 kW
Tc,out = 25 + 81,25/(1·4,18) = 44,44 °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 = 115 − 44,44 = 70,56 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 25 = 25 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70,56 − 25)/ln(70,56/25) = 43,91 K

Área y longitud

A = 81250/(250·43,91) = 7,401 m²
L = A/(πD) = 7,401/(π·0,02) = 117,8 m

Respuesta

L = 117,8 m
19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 113,1 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 de las capas

R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,72·20) = 0,006944 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,04·20) = 0,1875 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 22/0,1944 = 113,1 W

Respuesta

Q̇ = 113,1 W
20.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 675,3 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/(7,7·6) = 0,02165 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,96·6) = 0,008681 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(1,4·6) = 0,005952 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·6) = 0,006667 K/W
ΣR = 0,04294 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (21 − (-8))/0,04294 = 675,3 W

Respuesta

Q̇ = 675,3 W
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 8,991 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.

Altura de velocidad

V²/(2g) = 2,1²/(2·9,81) = 0,2248 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(400/0,2)·2,1²/(2·9,81) = 8,991 m

Respuesta

hf = 8,991 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 2,084 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 = 0,008/0,007854 = 1,019 m/s
V²/(2g) = 0,05288 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,018·150/0,1 = 27
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 + 1,0 = 12,4

Pérdida de carga total

hf = 27·0,05288 = 1,428 m
hm = 12,4·0,05288 = 0,6557 m
Δz = hf + hm = 2,084 m

Respuesta

Δz = 2,084 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 15,09 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 = 1000·9,81·0,03·40 = 11,77 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 11,77/0,78 = 15,09 kW

Respuesta

Pshaft = 15,09 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 3,695 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.

Velocidad

V = Q/A = 0,025/0,01767 = 1,415 m/s
V²/(2g) = 0,102 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (53,33 + 6)·0,102 = 6,053 m

Altura de la bomba

H = Δz + hL = 6 + 6,053 = 12,05 m

Potencia en el eje

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,025·12,05/0,8 = 3,695 kW

Respuesta

Pshaft = 3,695 kW

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