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 11000 kg/h · 5% salCorriente 2ṁ₂ = ? · 40% salProducto15% sal

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

ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 5 %x2 = 40 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F3100 kg/h · 17% salProducto PP = ? · 40%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 = 3100 kg/hxF = 17 %xP = 40 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríomezcla de glicol · 180 °C120 °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: 180 → 120 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoaceite ligero · 160 °C90 °Cagua · 15 °C90 °C · ṁ = ?15 % perdido

aceite ligero caliente calienta agua en un intercambiador que pierde hacia el entorno el 15 % del calor cedido por la corriente caliente. Halla el caudal de agua ṁc necesario.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 90 °Ct: 15 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
120 g de ArV = 30 LT = 30 °CP = ?

Un depósito de 30 L contiene 120 g de Ar a 30 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 120 gM = 39,95 g/molV = 30 LT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de He pasa de 150 kPa, 20 L, 10 °C a 450 kPa y 160 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 150 kPaV1 = 20 LT1 = 10 °CP2 = 450 kPaT2 = 160 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

16 g de Na y 32 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(Na)n(Na)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(Na)× 2/2× M(NaCl)

En la reacción 2Na + Cl2 → 2NaCl, 12 g de Na reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 23,79 g de NaCl. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/molreal: 23,79 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,10,10C−x−x+2xE0,1 − x0,1 − x2x

Se introducen 0,1 mol/L de H₂ y 0,1 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 4. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 4
[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 = 0,08 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 = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Aluminiom = 200 gT = 160 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Aguam = 200 gT = 17 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de aluminio de 200 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 160 °C se introduce en 200 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 17 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 200 gTwater = 17 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H20 g C4​H10​2C4​H10​ + 13O₂reactivos8CO₂ + 10H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 20 g de C4H10 (M = 58,12 g/mol) se queman por completo: 2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(C4H10) = −125,6 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)10 min0,35

En una reacción de primer orden la concentración de A baja de 1 mol/L a 0,35 mol/L en 10 min. Halla la constante de velocidad k.

CA0 = 1 mol/LCA = 0,35 mol/Lt = 10 min
k = min⁻¹
14.Cinética químicaDifícil
t (min)X (%)10 minX = ?

Una reacción de primer orden tiene k = 0,005 min⁻¹ a 25 °C y una energía de activación de 75 kJ/mol. El reactor discontinuo funciona ahora a 55 °C durante 10 min. Halla la conversión X alcanzada.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 25 °CEa = 75 kJ/molT2 = 55 °Ct = 10 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
QX = 90%mismos Q, k y X que el CSTR

Una reacción de primer orden en fase líquida debe alcanzar un 90 % de conversión. ¿Cuántas veces mayor debe ser un CSTR que un PFR para el mismo caudal de alimentación, constante de velocidad y conversión? Halla la relación VCSTR/VPFR.

X = 90%primer orden, mismos k y Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 2000 LQ = 80 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,15 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 2000 L alimentado a 80 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 2000 LQ = 80 L/mink = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT155 °C105 °C60 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador de calor a contracorriente transfiere 430 kW. Su área de intercambio es 8 m². El fluido caliente se enfría de 155 a 105 °C y el frío se calienta de 30 a 60 °C. Halla el coeficiente global de transmisión de calor U.

Q̇ = 430 kWA = 8 m²Th: 155 → 105 °CTc: 30 → 60 °C
U = W/(m²·K)
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT90 °C??15 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

En un intercambiador a contracorriente ambas corrientes tienen la misma capacidad calorífica, ṁ·cp = 1 kW/K. La corriente caliente entra a 90 °C y la fría a 15 °C. El intercambiador tiene A = 1 m² y U = 800 W/(m²·K). Halla la temperatura de salida del fluido caliente Th,out.

Ch = Cc = 1 kW/KTh,in = 90 °CTc,in = 15 °CA = 1 m²U = 800 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conducción de calorMedia
Placa de yeso, k = 0,1750 mmHormigón, k = 1,4100 mm20 °C-3 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 50 mm de placa de yeso y 100 mm de hormigón, con un área de 6 m². Las caras exteriores están a 20 °C y -3 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 50 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 20 °CT3 = -3 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Madera, k = 0,1750 mmHormigón, k = 1,425 mminterior 22 °Cexterior 3 °CQ̇ = ?

Un muro de 50 mm de madera y 25 mm de hormigón separa una habitación a 22 °C del aire exterior a 3 °C. Los coeficientes de convección son 8 W/(m²·K) dentro y 30 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 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 6 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 3 °C
Q̇ = W
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 2,1 m/sD = 200 mmL = 300 mf = 0,025

Agua circula con una velocidad media de 2,1 m/s por una tubería de 300 m de longitud y 200 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,025 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

V = 2,1 m/sL = 300 mD = 200 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 0,2Δz = 5 mL = 100 m, D = 300 mm, f = 0,0224× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 100 m de longitud, 300 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,022. La superficie libre del depósito superior está 5 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 = 0,2) y la salida al depósito inferior (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Halla el caudal Q en L/s.

Δz = 5 mL = 100 mD = 300 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 40 L/sH = 58 m

Una bomba impulsa 40 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 58 m. El rendimiento de la bomba es del 78 % 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 = 40 L/sH = 58 mηpump = 78%ηmotor = 94%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 75 L/sΔz = 7 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,022, ΣK = 3

Una bomba impulsa 75 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 7 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 = 3 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 75 L/sΔz = 7 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 3
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 400 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) = 1000·(5 − 15)/(15 − 40) = 400 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 400 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 1318 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 = 3100·17/40 = 1318 kg/h

Respuesta

P = 1318 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 74,59 °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·(180 − 120) = 540 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 540/(2·4,18) = 74,59 °C

Respuesta

tout = 74,59 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 0,5978 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 1,5·2,1·(160 − 90) = 220,5 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,15)·220,5 = 187,4 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 187,4/(4,18·75) = 0,5978 kg/s

Respuesta

ṁc = 0,5978 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 252,4 kPa

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

Moles

n = m/M = 120/39,95 = 3,004 mol
T = 30 + 273,15 = 303,1 K

Presión

P = nRT/V = 3,004·8,314·303,1/0,03 = 252,4 kPa

Respuesta

P = 252,4 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 10,2 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 283,1 K, T2 = 433,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(150/450)·(433,1/283,1) = 10,2 L

Respuesta

V2 = 10,2 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 40,67 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) = 16/22,99 = 0,696 mol
n(Cl2) = 32/70,9 = 0,4513 mol

Reactivo limitante

0,696/2 = 0,348, 0,4513/1 = 0,4513 → Na

Masa de producto

n(NaCl) = 0,348·2 = 0,696 mol
m = 0,696·58,44 = 40,67 g

Respuesta

m = 40,67 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 77,99 %

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

Rendimiento teórico

n(Na) = 12/22,99 = 0,522 mol
m = 0,522·2/2·58,44 = 30,5 g

Rendimiento porcentual

Y = 23,79/30,5·100 = 77,99%

Respuesta

Y = 77,99%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,1 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

4 = (2x)²/(0,1 − x)²

Saca la raíz cuadrada

2 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·2/(2 + 2) = 0,05 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,1 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,1 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 0,5839 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/(0,8 − x) → x² + 0,08·x − 0,064 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,064))/2 = 0,2161 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 0,8 − 0,2161 = 0,5839 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 0,5839 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 42,27 °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

200·0,897·(160 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 17)

Despeja la temperatura final

Tf = (179,4·160 + 836·17)/(179,4 + 836) = 42,27 °C

Respuesta

Tf = 42,27 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 990,2 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° = [8·(−393,5) + 10·(−285,8)] − [2·(−125,6) + 13·0] = −5755 kJ

Calor para la masa dada

n = 20/58,12 = 0,3441 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,3441·2877 = 990,2 kJ

Respuesta

q = 990,2 kJ
13.Cinética química

Respuesta: k = 0,105 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(1/0,35)/10 = 1,05/10 = 0,105 min⁻¹

Respuesta

k = 0,105 min⁻¹
14.Cinética química

Respuesta: X = 54,83 %

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).

Constante de velocidad a la nueva temperatura

T1 = 298,1 K, T2 = 328,1 K
k2 = 0,005·e−(75000/8,314)·(1/328,1 − 1/298,1) = 0,07948 min⁻¹

Conversión

X = 1 − e−0,07948·10 = 1 − 0,4517 = 54,83 %

Respuesta

X = 54,83 %
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: VCSTR/VPFR = 3,909

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

k·τ para cada reactor

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,9/0,1 = 9
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(10) = 2,303

Relación de volúmenes

VCSTR/VPFR = 9/2,303 = 3,909

Respuesta

VCSTR/VPFR = 3,909

La diferencia crece rápidamente a conversiones altas.

16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 78,95 %

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 = 2000/80 = 25 min, kτ = 0,15·25 = 3,75

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 3,75/(1 + 3,75) = 78,95%

Respuesta

X = 78,95%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: U = 635,3 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 = 155 − 60 = 95 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 105 − 30 = 75 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (95 − 75)/ln(95/75) = 84,61 K

Coeficiente global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 430000/(8·84,61) = 635,3 W/(m²·K)

Respuesta

U = 635,3 W/(m²·K)
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: Th,out = 56,67 °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.

Diferencia de temperatura constante

La salida fría está frente a la entrada caliente: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), así que ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.

ΔTlm = Th,out − Tc,in

Balance de energía igual a ecuación de transferencia

1·(90 − Th,out) = 0,8·(Th,out − 15)
Th,out = (1·90 + 0,8·15)/(1 + 0,8) = 56,67 °C

Respuesta

Th,out = 56,67 °C

Calor transferido: Q̇ = 33,33 kW; la corriente fría sale a 48,33 °C.

19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = 1,494 °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) = (50/1000)/(0,17·6) = 0,04902 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1,4·6) = 0,0119 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 23/0,06092 = 377,5 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 20 − 377,5·0,04902 = 1,494 °C

Respuesta

Ti = 1,494 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 242,4 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/(8·6) = 0,02083 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,17·6) = 0,04902 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(1,4·6) = 0,002976 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·6) = 0,005556 K/W
ΣR = 0,07838 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (22 − (3))/0,07838 = 242,4 W

Respuesta

Q̇ = 242,4 W
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 8,429 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) = 0,025·(300/0,2)·2,1²/(2·9,81) = 8,429 m

Respuesta

hf = 8,429 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Q = 218,9 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 = 0,022·100/0,3 = 7,333
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,9

Ecuación de la energía

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

5 = (7,333 + 2,9)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·5/10,23) = 3,096 m/s

Caudal

Q = V·π·D²/4 = 3,096·0,07069 = 0,2189 m³/s = 218,9 L/s

Respuesta

Q = 218,9 L/s
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pel = 31,04 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 = 1000·9,81·0,04·58 = 22,76 kW

Potencia en el eje

Pshaft = 22,76/0,78 = 29,18 kW

Potencia eléctrica

Pel = 29,18/0,94 = 31,04 kW

Respuesta

Pel = 31,04 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 14,26 m

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

Velocidad

V = Q/A = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22 + 3)·0,2905 = 7,262 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 = 7 + 7,262 = 14,26 m

Respuesta

H = 14,26 m

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