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 1650 kg/h · 15% NaOHCorriente 2ṁ₂ = ? · 45% 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 = 650 kg/hx1 = 15 %x2 = 45 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F500 kg/h · 15% NaOHProducto P50% 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 = 15 %xP = 50 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoaceite ligero · 120 °C90 °Cagua · 30 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 90 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríomezcla de glicol · 120 °C90 °Cagua · 15 °C60 °C · ṁ = ?10 % perdido

mezcla de glicol 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 = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 120 → 90 °Ct: 15 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
440 g de HeV = 30 LT = 0 °CP = ?

Un depósito de 30 L contiene 440 g de He a 0 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 440 gM = 4,003 g/molV = 30 LT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
Ar, M = 39,95 g/molP = 650 kPaT = 130 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de Ar a 650 kPa y 130 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 39,95 g/molP = 650 kPaT = 130 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

4 g de Mg y 80 g de O2 reaccionan según 2Mg + O2 → 2MgO. ¿Qué masa m de MgO se puede formar?

M(Mg) = 24,31M(O2) = 32M(MgO) = 40,3 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(H2​)n(H2​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(H2​)× 2/2× M(H2​O)

En la reacción 2H2 + O2 → 2H2O, 6 g de H2 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 45,59 g de H2O. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreal: 45,59 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,40,40C−x−x+2xE0,4 − x0,4 − x2x

Se introducen 0,4 mol/L de H₂ y 0,4 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 25. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 25
[HI] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,2 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 1,5 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,2
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Hierrom = 50 gT = 110 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Aguam = 250 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de hierro de 50 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 110 °C se introduce en 250 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 19 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 110 °Cmwater = 250 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H2C2​H6​ + 7O₂reactivos4CO₂ + 6H₂O(l)productosΔH° = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular ΔH° de la reacción 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C2H6) = −84,7 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 = ?90%

Una reacción de orden cero tiene k = 0,02 mol/(L·min) y parte de 1,2 mol/L. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 90 %? Halla t.

k = 0,02 mol/(L·min)CA0 = 1,2 mol/LX = 90 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk40 °C0,00570 °C0,144

La constante de velocidad de una reacción es 0,005 min⁻¹ a 40 °C y 0,144 min⁻¹ a 70 °C. Halla la energía de activación Ea.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 40 °Ck2 = 0,144 min⁻¹T2 = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 100 L/minX = 60%V = ?, k = 0,5 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,5 min⁻¹ se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) alimentado a 100 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 = 100 L/mink = 0,5 min⁻¹X = 60%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
Q = 50 L/minX = ?V = 400 L

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,15 min⁻¹) se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) de 400 L alimentado a 50 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 400 LQ = 50 L/mink = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT100 °C10 °C55 °CΔT₁ΔT₂vapor que condensa

En un condensador, 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)) circula por los tubos y se calienta de 10 a 55 °C. El coeficiente global de transmisión de calor es 1500 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Ts = 100 °Cṁ = 2 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 10 → 55 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT90 °C70 °C33,35 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (0,5 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) se enfría de 90 a 70 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 1,5 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 30 °C. Con U = 200 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 90 → 70 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Hormigón, k = 1,4200 mmVidrio, k = 0,9625 mm25 °C6 °CTi​ = ?Q̇

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

L1 = 200 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 25 °CT3 = 6 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Placa de yeso, k = 0,17200 mmLana mineral, k = 0,04100 mminterior 21 °Cexterior -6 °CQ̇

Un muro de 200 mm de placa de yeso y 100 mm de lana mineral separa una habitación a 21 °C del aire exterior a -6 °C. Los coeficientes de convección son 8 W/(m²·K) dentro y 20 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 12 m². Halla el coeficiente global de transmisión de calor U del muro.

L1 = 200 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 12 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -6 °C
U = W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 50 L/sD = 250 mmL = 1000 mf = 0,03

Agua circula a razón de 50 L/s por una tubería de 1000 m de longitud y 250 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,03 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

Q = 50 L/sL = 1000 mD = 250 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 2Δz = ?L = 200 m, D = 300 mm, f = 0,0182× 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 = 0,018. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 2 codos (K = 0,3 cada uno), una válvula (K = 2) 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 200 L/s?

Q = 200 L/sL = 200 mD = 300 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 15 L/sH = 60 m

Una bomba impulsa 15 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 60 m. El rendimiento de la bomba es del 65 % y el motor eléctrico que la acciona tiene un rendimiento del 94 %. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia eléctrica Pel que absorbe el motor, en kW.

Q = 15 L/sH = 60 mηpump = 65%ηmotor = 94%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 20 L/sΔz = 17 mL = 400 m, D = 100 mm, f = 0,02, ΣK = 8

Una bomba impulsa 20 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 17 m más alta. La tubería mide 400 m de longitud, tiene 100 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,02; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 8 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 20 L/sΔz = 17 mL = 400 mD = 100 mmf = 0,02ΣK = 8
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 1300 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) = 650·(15 − 35)/(35 − 45) = 1300 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 1300 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: W = 350 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 = 500·15/50 = 150 kg/h

Balance total

W = F − P = 500 − 150 = 350 kg/h

Respuesta

W = 350 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 48,84 °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 = 2,5·2,1·(120 − 90) = 157,5 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 157,5/(2·4,18) = 48,84 °C

Respuesta

tout = 48,84 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 1,033 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 2·3,6·(120 − 90) = 216 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,1)·216 = 194,4 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 194,4/(4,18·45) = 1,033 kg/s

Respuesta

ṁc = 1,033 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 8321 kPa

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

Moles

n = m/M = 440/4,003 = 109,9 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Presión

P = nRT/V = 109,9·8,314·273,1/0,03 = 8321 kPa

Respuesta

P = 8321 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 7,747 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 = 130 + 273,15 = 403,1 K

Densidad

ρ = 650·39,95/(8,314·403,1) = 7,747 kg/m³

Respuesta

ρ = 7,747 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 6,631 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(Mg) = 4/24,31 = 0,1645 mol
n(O2) = 80/32 = 2,5 mol

Reactivo limitante

0,1645/2 = 0,08227, 2,5/1 = 2,5 → Mg

Masa de producto

n(MgO) = 0,08227·2 = 0,1645 mol
m = 0,1645·40,3 = 6,631 g

Respuesta

m = 6,631 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 85,01 %

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(H2) = 6/2,016 = 2,976 mol
m = 2,976·2/2·18,02 = 53,63 g

Rendimiento porcentual

Y = 45,59/53,63·100 = 85,01%

Respuesta

Y = 85,01%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,5714 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/(0,4 − x)²

Saca la raíz cuadrada

5 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·5/(2 + 5) = 0,2857 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,5714 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,5714 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 1,043 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

0,2 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,2·x − 0,3 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,3))/2 = 0,4568 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 1,5 − 0,4568 = 1,043 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 1,043 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 20,91 °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

50·0,449·(110 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 19)

Despeja la temperatura final

Tf = (22,45·110 + 1045·19)/(22,45 + 1045) = 20,91 °C

Respuesta

Tf = 20,91 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: ΔH° = −3119 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° = [4·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [2·(−84,7) + 7·0] = −3119 kJ

Respuesta

ΔH° = −3119 kJ

Negativo: la reacción desprende calor (exotérmica).

13.Cinética química

Respuesta: t = 54 min

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).

Cantidad convertida

CA0·X = 1,2·0,9 = 1,08 mol/L

Tiempo

t = CA0·X/k = 1,08/0,02 = 54 min

Respuesta

t = 54 min
14.Cinética química

Respuesta: Ea = 100,1 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 = 313,1 K, T2 = 343,1 K

Despeja Ea de Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·3,36/(-2,792e-4) = 100072 J/mol
Ea = 100,1 kJ/mol

Respuesta

Ea = 100,1 kJ/mol
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 183,3 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))/0,5 = 0,9163/0,5 = 1,833 min

Volumen

V = Q·τ = 100·1,833 = 183,3 L

Respuesta

V = 183,3 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 69,88 %

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 = 400/50 = 8 min, kτ = 0,15·8 = 1,2

Conversión

X = 1 − e−kτ = 1 − e−1,2 = 69,88%

Respuesta

X = 69,88%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 3,863 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 = 2·4,18·(55 − 10) = 376,2 kW

Diferencias de temperatura en los extremos

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

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (90 − 45)/ln(90/45) = 64,92 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 376200/(1500·64,92) = 3,863 m²

Respuesta

A = 3,863 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 2,195 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) = 0,5·2,1·20 = 21 kW
Tc,out = 30 + 21/(1,5·4,18) = 33,35 °C

Diferencias de temperatura en los extremos

A contracorriente, la entrada caliente queda frente a la salida fría, y la salida caliente frente a la entrada fría.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 90 − 33,35 = 56,65 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 30 = 40 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (56,65 − 40)/ln(56,65/40) = 47,84 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 21000/(200·47,84) = 2,195 m²

Respuesta

A = 2,195 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = 8,93 °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)/(1,4·4) = 0,03571 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,96·4) = 0,00651 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 19/0,04222 = 450 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 25 − 450·0,03571 = 8,93 °C

Respuesta

Ti = 8,93 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: U = 0,2596 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/(8·12) = 0,01042 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,17·12) = 0,09804 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,04·12) = 0,2083 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·12) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,321 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(12·0,321) = 0,2596 W/(m²·K)

Respuesta

U = 0,2596 W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 6,346 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·0,25²/4 = 0,04909 m²
V = Q/A = 0,05/0,04909 = 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) = 0,03·(1000/0,25)·1,019²/(2·9,81) = 6,346 m

Respuesta

hf = 6,346 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 6,569 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 = 0,2/0,07069 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,018·200/0,3 = 12
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Pérdida de carga total

hf = 12·0,408 = 4,896 m
hm = 4,1·0,408 = 1,673 m
Δz = hf + hm = 6,569 m

Respuesta

Δz = 6,569 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pel = 14,45 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 = 1000·9,81·0,015·60 = 8,829 kW

Potencia en el eje

Pshaft = 8,829/0,65 = 13,58 kW

Potencia eléctrica

Pel = 13,58/0,94 = 14,45 kW

Respuesta

Pel = 14,45 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 46,08 m

Potencia de una bomba: la potencia que recibe el agua es la potencia hidráulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. El eje debe entregar más porque la bomba tiene pérdidas: Pshaft = Ph/ηpump, y el motor absorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La altura de la bomba H sale de la ecuación de la energía: altura geométrica + altura de presión + todas las pérdidas por fricción y localizadas.

Velocidad

V = Q/A = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (80 + 8)·0,3305 = 29,08 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 = 17 + 29,08 = 46,08 m

Respuesta

H = 46,08 m

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