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 1900 kg/h · 50% 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 = 900 kg/hx1 = 50 %x2 = 20 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F3100 kg/h · 19% azúcarProducto PP = ? · 65%Vapor W (agua pura)0% azúcar

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

F = 3100 kg/hxF = 19 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríomezcla de glicol · 120 °C60 °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 = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 120 → 60 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 150 °C80 °Cagua · 10 °C60 °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: 150 → 80 °Ct: 10 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
490 g de CH₄P = 150 kPaT = 45 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 490 g de CH₄ a 150 kPa y 45 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 490 gM = 16,04 g/molP = 150 kPaT = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de CH₄ pasa de 100 kPa, 2 L, 15 °C a 200 kPa y 230 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 100 kPaV1 = 2 LT1 = 15 °CP2 = 200 kPaT2 = 230 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

4 g de H2 y 40 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(Al)n(Al)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(Al)× 2/2× M(AlCl3​)

En la reacción 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3, 4 g de Al reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 15,42 g de AlCl3. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molreal: 15,42 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

Se introducen 0,25 mol/L de H₂ y 0,25 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 49. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 49
[HI] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,02 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,8 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,02
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Cobrem = 100 gT = 130 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Aguam = 200 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de cobre de 100 g (c = 0,385 J/(g·°C)) a 130 °C se introduce en 200 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 25 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 200 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H250 g CH3​OH2CH3​OH + 3O₂reactivos2CO₂ + 4H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 250 g de CH3OH (M = 32,04 g/mol) se queman por completo: 2CH3OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(CH3OH) = −238,7 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)30 min1

En una reacción de primer orden la concentración de A baja de 2 mol/L a 1 mol/L en 30 min. Halla la constante de velocidad k.

CA0 = 2 mol/LCA = 1 mol/Lt = 30 min
k = min⁻¹
14.Cinética químicaDifícil
Tk50 °Ck1​?10·k1​

Una reacción tiene una energía de activación de 55 kJ/mol. A 50 °C es demasiado lenta. ¿Hasta qué temperatura T2 (en °C) hay que calentarla para que sea 10 veces más rápida?

Ea = 55 kJ/molT1 = 50 °Ck2/k1 = 10R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 20 L/minCA0​ = 1,5 mol/LCA​ = ?V = 150 L, k = 0,5 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B (k = 0,5 min⁻¹) se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) de 150 L. La alimentación entra a 20 L/min con CA0 = 1,5 mol/L. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la concentración de salida CA.

V = 150 LQ = 20 L/mink = 0,5 min⁻¹CA0 = 1,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
Q = 10 L/minX = ?V = 200 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 200 L alimentado a 10 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 200 LQ = 10 L/mink = 0,1 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT130 °C85 °C55 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador de calor a contracorriente transfiere 440 kW. Su área de intercambio es 6 m². El fluido caliente se enfría de 130 a 85 °C y el frío se calienta de 30 a 55 °C. Halla el coeficiente global de transmisión de calor U.

Q̇ = 440 kWA = 6 m²Th: 130 → 85 °CTc: 30 → 55 °C
U = W/(m²·K)
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT100 °C30 °C?ΔT₁ΔT₂vapor que condensa

En un condensador con un área de intercambio de 4 m² y U = 1500 W/(m²·K), el vapor condensa a 100 °C constantes en el exterior de los tubos. El agua de refrigeración (2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra en los tubos a 30 °C. Halla la temperatura de salida del agua Tc,out.

Ts = 100 °CA = 4 m²U = 1500 W/(m²·K)ṁ = 2 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °C
Tc,out = °C
19.Conducción de calorMedia
Lana mineral, k = 0,04200 mmPoliestireno expandido, k = 0,03525 mm25 °C-4 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 200 mm de lana mineral y 25 mm de poliestireno expandido, con un área de 6 m². Las caras exteriores están a 25 °C y -4 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 200 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 25 °CT3 = -4 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Hormigón, k = 1,4100 mmLadrillo, k = 0,7250 mminterior 21 °Cexterior -3 °CTs​ = ?Q̇

Un muro de 100 mm de hormigón y 50 mm de ladrillo separa una habitación a 21 °C del aire exterior a -3 °C. Los coeficientes de convección son 6 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 12 m². Halla la temperatura Ts de la cara interior del muro.

L1 = 100 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 12 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -3 °C
Ts = °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 1,8 m/sD = 200 mmL = 400 mf = 0,015

Agua (ρ = 1000 kg/m³) circula a 1,8 m/s por una tubería horizontal de 400 m de longitud y 200 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,015 y g = 9,81 m/s². Halla la caída de presión Δp en la tubería en kPa.

V = 1,8 m/sL = 400 mD = 200 mmf = 0,015ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 5Δz = 13 mL = 200 m, D = 100 mm, f = 0,0154× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 200 m de longitud, 100 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,015. La superficie libre del depósito superior está 13 m por encima de la del inferior. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 4 codos (K = 0,3 cada uno), una válvula (K = 5) y la salida al depósito inferior (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Halla el caudal Q en L/s.

Δz = 13 mL = 200 mD = 100 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 60 L/sH = 24 m

Una bomba con un rendimiento del 65 % impulsa 60 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 24 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 60 L/sH = 24 mη = 65%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 120 L/sΔz = 12 mL = 400 m, D = 250 mm, f = 0,018, ΣK = 8

Una bomba impulsa 120 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 400 m de longitud, tiene 250 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,018; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 8 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². El rendimiento de la bomba es del 85 %. Halla la potencia en el eje Pshaft en kW.

Q = 120 L/sΔz = 12 mL = 400 mD = 250 mmf = 0,018ΣK = 8η = 85%
Pshaft = kW

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 900 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) = 900·(50 − 35)/(35 − 20) = 900 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 900 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 906,2 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 = 3100·19/65 = 906,2 kg/h

Respuesta

P = 906,2 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 98,9 °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 = 2·3,6·(120 − 60) = 432 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 432/(1,5·4,18) = 98,9 °C

Respuesta

tout = 98,9 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 0,3678 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 0,5·2,44·(150 − 80) = 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/(4,18·50) = 0,3678 kg/s

Respuesta

ṁc = 0,3678 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 538,7 L

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

Moles

n = 490/16,04 = 30,55 mol
T = 45 + 273,15 = 318,1 K

Volumen

V = nRT/P = 30,55·8,314·318,1/150 = 538,7 L

Respuesta

V = 538,7 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 1,746 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 288,1 K, T2 = 503,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(100/200)·(503,1/288,1) = 1,746 L

Respuesta

V2 = 1,746 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 35,75 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) = 4/2,016 = 1,984 mol
n(O2) = 40/32 = 1,25 mol

Reactivo limitante

1,984/2 = 0,9921, 1,25/1 = 1,25 → H2

Masa de producto

n(H2O) = 0,9921·2 = 1,984 mol
m = 1,984·18,02 = 35,75 g

Respuesta

m = 35,75 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 78,01 %

Estequiometría: una ecuación ajustada cuenta partículas, no gramos. Pasa la masa a moles con n = m/M, usa los coeficientes de la ecuación como relación molar y vuelve a masa con m = n·M. Con dos reactivos, el reactivo limitante es el que se agota primero y fija cuánto producto se forma.

Rendimiento teórico

n(Al) = 4/26,98 = 0,1483 mol
m = 0,1483·2/2·133,33 = 19,77 g

Rendimiento porcentual

Y = 15,42/19,77·100 = 78,01%

Respuesta

Y = 78,01%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,3889 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

49 = (2x)²/(0,25 − x)²

Saca la raíz cuadrada

7 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·7/(2 + 7) = 0,1944 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,3889 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,3889 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 0,6831 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

0,02 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,02·x − 0,016 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,016))/2 = 0,1169 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 0,8 − 0,1169 = 0,6831 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 0,6831 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 29,62 °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

100·0,385·(130 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 25)

Despeja la temperatura final

Tf = (38,5·130 + 836·25)/(38,5 + 836) = 29,62 °C

Respuesta

Tf = 29,62 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 5668 kJ

Calor y entalpía: calentar una sustancia requiere q = m·c·ΔT. En un calorímetro, el calor cedido por el cuerpo caliente es igual al calor absorbido por el frío. La variación de entalpía de una reacción se obtiene de las entalpías de formación: ΔH° = ΣΔH°f(productos) − ΣΔH°f(reactivos), cada una multiplicada por su coeficiente.

Entalpía de reacción

ΔH° = [2·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [2·(−238,7) + 3·0] = −1453 kJ

Calor para la masa dada

n = 250/32,04 = 7,803 mol
q = n·|ΔH°/2| = 7,803·726,4 = 5668 kJ

Respuesta

q = 5668 kJ
13.Cinética química

Respuesta: k = 0,0231 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(2/1)/30 = 0,6931/30 = 0,0231 min⁻¹

Respuesta

k = 0,0231 min⁻¹
14.Cinética química

Respuesta: T2 = 90,95 °C

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).

Temperatura absoluta

T1 = 323,1 K

Despeja T₂ de la ecuación de Arrhenius

1/T2 = 1/323,1 − 8,314·ln(10)/55000 = 3,095 × 10⁻³ − 3,481 × 10⁻⁴ = 2,746 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 364,1 K = 90,95 °C

Respuesta

T2 = 90,95 °C
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: CA = 0,03528 mol/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 = V/Q = 150/20 = 7,5 min

Concentración de salida

CA = 1,5·e−0,5·7,5 = 0,03528 mol/L

Respuesta

CA = 0,03528 mol/L

Conversión: X = 97,65%.

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 = 200/10 = 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: U = 1137 W/(m²·K)

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.

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 − 55 = 75 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 85 − 30 = 55 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (75 − 55)/ln(75/55) = 64,48 K

Coeficiente global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 440000/(6·64,48) = 1137 W/(m²·K)

Respuesta

U = 1137 W/(m²·K)
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: Tc,out = 65,85 °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.

Combina el balance de energía y la ecuación de transferencia

Con ΔT₁ = Ts − Tc,in y ΔT₂ = Ts − Tc,out, la diferencia ΔT₁ − ΔT₂ es igual al aumento de temperatura del agua, así que el aumento se simplifica.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 1500·4/(2·4180) = 0,7177

Temperatura de salida

ΔT₂ = ΔT₁·e−0,7177 = 70·0,4879 = 34,15 K
Tc,out = 100 − 34,15 = 65,85 °C

Respuesta

Tc,out = 65,85 °C

Calor transferido: Q̇ = 299,7 kW.

19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = −0,375 °C

Resistencia térmica: el flujo de calor estacionario a través de capas en serie se comporta como la corriente por resistencias en serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) para una capa conductora y R = 1/(hA) para una superficie con convección. La caída de temperatura en cada capa es proporcional a su resistencia.

Resistencias de las capas

R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,04·6) = 0,8333 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,035·6) = 0,119 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 29/0,9524 = 30,45 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 25 − 30,45·0,8333 = −0,375 °C

Respuesta

Ti = −0,375 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: Ts = 9,491 °C

Resistencia térmica: el flujo de calor estacionario a través de capas en serie se comporta como la corriente por resistencias en serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) para una capa conductora y R = 1/(hA) para una superficie con convección. La caída de temperatura en cada capa es proporcional a su resistencia.

Resistencias en serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(6·12) = 0,01389 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(1,4·12) = 0,005952 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,72·12) = 0,005787 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·12) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,02896 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (21 − (-3))/0,02896 = 828,7 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 828,7·0,01389 = 9,491 °C

Respuesta

Ts = 9,491 °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δp = 48,6 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) = 0,015·(400/0,2)·1,8²/(2·9,81) = 4,954 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 = 1000·9,81·4,954 = 48600 Pa = 48,6 kPa

Respuesta

Δp = 48,6 kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Q = 20,43 L/s

Flujo en tuberías: el número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue el flujo laminar (Re por debajo de unos 2000) del turbulento (por encima de unos 4000). La fricción a lo largo de una tubería produce la pérdida de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Los accesorios, las válvulas, la entrada y la salida añaden pérdidas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre las superficies libres de dos depósitos abiertos la ecuación de la energía da Δz = hf + hm, incluida la pérdida de salida K = 1.

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,015·200/0,1 = 30
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 + 1,0 = 7,7

Ecuación de la energía

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

13 = (30 + 7,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·13/37,7) = 2,601 m/s

Caudal

Q = V·π·D²/4 = 2,601·0,007854 = 0,02043 m³/s = 20,43 L/s

Respuesta

Q = 20,43 L/s
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 21,73 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 = 1000·9,81·0,06·24 = 14,13 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 14,13/0,65 = 21,73 kW

Respuesta

Pshaft = 21,73 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 32,14 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 = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (28,8 + 8)·0,3046 = 11,21 m

Altura de la bomba

H = Δz + hL = 12 + 11,21 = 23,21 m

Potencia en el eje

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,12·23,21/0,85 = 32,14 kW

Respuesta

Pshaft = 32,14 kW

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