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 · 40% salCorriente 2ṁ₂ = ? · 5% salProducto25% sal

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 25 % de sal? Halla ṁ2.

ṁ1 = 900 kg/hx1 = 40 %x2 = 5 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F1300 kg/h · 15% azúcarProducto PP = ? · 60%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 = 1300 kg/hxF = 15 %xP = 60 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríomezcla de glicol · 140 °C80 °Cagua · 10 °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 = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 80 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 130 °C60 °Cagua · 20 °C40 °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 = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Ct: 20 → 40 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
160 g de CH₄V = 30 LT = 80 °CP = ?

Un depósito de 30 L contiene 160 g de CH₄ a 80 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 160 gM = 16,04 g/molV = 30 LT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
O₂, M = 32 g/molP = 700 kPaT = 20 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de O₂ a 700 kPa y 20 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 32 g/molP = 700 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

30 g de Na y 20 g de Cl2 reaccionan según 2Na + Cl2 → 2NaCl. ¿Qué masa m de NaCl se puede formar?

M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CaO)m(CaO)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CaO)

En la reacción CaCO3 → CaO + CO2, 24 g de CaCO3 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 10,49 g de CaO. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CaO) = 56,08 g/molreal: 10,49 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 = 16. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 16
[HI] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

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

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,5
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Plomom = 50 gT = 180 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Aguam = 250 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de plomo de 50 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 180 °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 = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 180 °Cmwater = 250 gTwater = 19 °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)15 min0,15

En una reacción de primer orden la concentración de A baja de 0,5 mol/L a 0,15 mol/L en 15 min. Halla la constante de velocidad k.

CA0 = 0,5 mol/LCA = 0,15 mol/Lt = 15 min
k = min⁻¹
14.Cinética químicaDifícil
Tk40 °C0,00255 °C0,00573

La constante de velocidad de una reacción es 0,002 min⁻¹ a 40 °C y 0,00573 min⁻¹ a 55 °C. Halla la energía de activación Ea.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 40 °Ck2 = 0,00573 min⁻¹T2 = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 100 L/minCA0​ = 0,5 mol/LCA​ = ?V = 800 L, k = 0,25 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B (k = 0,25 min⁻¹) se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) de 800 L. La alimentación entra a 100 L/min con CA0 = 0,5 mol/L. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la concentración de salida CA.

V = 800 LQ = 100 L/mink = 0,25 min⁻¹CA0 = 0,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
Q = 5 L/minX = ?V = 50 L

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,08 min⁻¹) se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) de 50 L alimentado a 5 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 50 LQ = 5 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT170 °C65 °C15 °C35 °CΔT₁ΔT₂flujo paralelo

Un intercambiador de calor en equicorriente transfiere 160 kW. Su área de intercambio es 2 m². El fluido caliente se enfría de 170 a 65 °C y el frío se calienta de 15 a 35 °C. Halla el coeficiente global de transmisión de calor U.

Q̇ = 160 kWA = 2 m²Th: 170 → 65 °CTc: 15 → 35 °C
U = W/(m²·K)
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT105 °C75 °C53,92 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (2 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) se enfría de 105 a 75 °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 = 300 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 105 → 75 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 300 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Lana mineral, k = 0,0450 mmVidrio, k = 0,9650 mm17 °C-14 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 50 mm de lana mineral y 50 mm de vidrio, con un área de 6 m². Las caras exteriores están a 17 °C y -14 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 50 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 17 °CT3 = -14 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Vidrio, k = 0,96200 mmPlaca de yeso, k = 0,1750 mminterior 20 °Cexterior 5 °CTs​ = ?Q̇

Un muro de 200 mm de vidrio y 50 mm de placa de yeso separa una habitación a 20 °C del aire exterior a 5 °C. Los coeficientes de convección son 10 W/(m²·K) dentro y 20 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 8 m². Halla la temperatura Ts de la cara interior del muro.

L1 = 200 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = 5 °C
Ts = °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 15 L/sD = 100 mmL = 150 mf = 0,018

Agua circula a razón de 15 L/s por una tubería de 150 m de longitud y 100 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,018 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

Q = 15 L/sL = 150 mD = 100 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 5Δz = 10 mL = 150 m, D = 300 mm, f = 0,022× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 150 m de longitud, 300 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,02. La superficie libre del depósito superior está 10 m por encima de la del inferior. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 2 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 = 10 mL = 150 mD = 300 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 40 L/sH = 48 m

Una bomba con un rendimiento del 85 % impulsa 40 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 48 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 40 L/sH = 48 mη = 85%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 60 L/sΔz = 10 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,022, ΣK = 5

Una bomba impulsa 60 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 10 m más alta. La tubería mide 200 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 = 5 (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 = 60 L/sΔz = 10 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 5η = 85%
Pshaft = kW

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 675 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
sal: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Despeja ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 900·(40 − 25)/(25 − 5) = 675 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 675 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 325 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 = 1300·15/60 = 325 kg/h

Respuesta

P = 325 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 96,12 °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 = 2,5·3,6·(140 − 80) = 540 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 540/(1,5·4,18) = 96,12 °C

Respuesta

tout = 96,12 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 5,516 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 3·2,44·(130 − 60) = 512,4 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,1)·512,4 = 461,2 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 461,2/(4,18·20) = 5,516 kg/s

Respuesta

ṁc = 5,516 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 976,3 kPa

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

Moles

n = m/M = 160/16,04 = 9,975 mol
T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Presión

P = nRT/V = 9,975·8,314·353,1/0,03 = 976,3 kPa

Respuesta

P = 976,3 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 9,191 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 = 20 + 273,15 = 293,1 K

Densidad

ρ = 700·32/(8,314·293,1) = 9,191 kg/m³

Respuesta

ρ = 9,191 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 32,97 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(Na) = 30/22,99 = 1,305 mol
n(Cl2) = 20/70,9 = 0,2821 mol

Reactivo limitante

1,305/2 = 0,6525, 0,2821/1 = 0,2821 → Cl2

Masa de producto

n(NaCl) = 0,2821·2 = 0,5642 mol
m = 0,5642·58,44 = 32,97 g

Respuesta

m = 32,97 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(CaCO3) = 24/100,09 = 0,2398 mol
m = 0,2398·1/1·56,08 = 13,45 g

Rendimiento porcentual

Y = 10,49/13,45·100 = 78,01%

Respuesta

Y = 78,01%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,2667 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

16 = (2x)²/(0,2 − x)²

Saca la raíz cuadrada

4 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·4/(2 + 4) = 0,1333 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,2667 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,2667 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 0,191 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

0,5 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,5·x − 0,25 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,25))/2 = 0,309 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 0,5 − 0,309 = 0,191 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 0,191 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 19,99 °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

50·0,129·(180 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 19)

Despeja la temperatura final

Tf = (6,45·180 + 1045·19)/(6,45 + 1045) = 19,99 °C

Respuesta

Tf = 19,99 °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: k = 0,08026 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(0,5/0,15)/15 = 1,204/15 = 0,08026 min⁻¹

Respuesta

k = 0,08026 min⁻¹
14.Cinética química

Respuesta: Ea = 59,95 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 = 328,1 K

Despeja Ea de Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,053/(-1,460e-4) = 59951 J/mol
Ea = 59,95 kJ/mol

Respuesta

Ea = 59,95 kJ/mol
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: CA = 0,06767 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 = 800/100 = 8 min

Concentración de salida

CA = 0,5·e−0,25·8 = 0,06767 mol/L

Respuesta

CA = 0,06767 mol/L

Conversión: X = 86,47%.

16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 55,07 %

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 = 50/5 = 10 min, kτ = 0,08·10 = 0,8

Conversión

X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,8 = 55,07%

Respuesta

X = 55,07%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: U = 1051 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

En flujo paralelo ambas entradas están en el mismo extremo, y ambas salidas en el otro.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 170 − 15 = 155 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 65 − 35 = 30 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (155 − 30)/ln(155/30) = 76,12 K

Coeficiente global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 160000/(2·76,12) = 1051 W/(m²·K)

Respuesta

U = 1051 W/(m²·K)
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 10,42 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) = 2·2,5·30 = 150 kW
Tc,out = 30 + 150/(1,5·4,18) = 53,92 °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 = 105 − 53,92 = 51,08 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 30 = 45 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (51,08 − 45)/ln(51,08/45) = 47,97 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 150000/(300·47,97) = 10,42 m²

Respuesta

A = 10,42 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 142,8 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) = (50/1000)/(0,04·6) = 0,2083 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,96·6) = 0,008681 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 31/0,217 = 142,8 W

Respuesta

Q̇ = 142,8 W
20.Conducción de calor

Respuesta: Ts = 17,7 °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/(10·8) = 0,0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,96·8) = 0,02604 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·8) = 0,03676 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·8) = 0,00625 K/W
ΣR = 0,08156 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (20 − (5))/0,08156 = 183,9 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 183,9·0,0125 = 17,7 °C

Respuesta

Ts = 17,7 °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 5,02 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 = 0,015/0,007854 = 1,91 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 1,91²/(2·9,81) = 0,1859 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(150/0,1)·1,91²/(2·9,81) = 5,02 m

Respuesta

hf = 5,02 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Q = 239,4 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 = 0,02·150/0,3 = 10
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 + 1,0 = 7,1

Ecuación de la energía

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

10 = (10 + 7,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·10/17,1) = 3,387 m/s

Caudal

Q = V·π·D²/4 = 3,387·0,07069 = 0,2394 m³/s = 239,4 L/s

Respuesta

Q = 239,4 L/s
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 22,16 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 = 1000·9,81·0,04·48 = 18,84 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 18,84/0,85 = 22,16 kW

Respuesta

Pshaft = 22,16 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 10,4 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 = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22 + 5)·0,1859 = 5,02 m

Altura de la bomba

H = Δz + hL = 10 + 5,02 = 15,02 m

Potencia en el eje

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,06·15,02/0,85 = 10,4 kW

Respuesta

Pshaft = 10,4 kW

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