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 1550 kg/h · 50% salCorriente 2ṁ₂ = ? · 15% salProducto40% sal

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 40 % de sal? Halla ṁ2.

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 50 %x2 = 15 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F2100 kg/h · 8% azúcarProducto PP = ? · 50%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 = 2100 kg/hxF = 8 %xP = 50 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoaceite ligero · 140 °C110 °Cagua · 15 °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 = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 140 → 110 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 120 °C60 °Cagua · 15 °C80 °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: 120 → 60 °Ct: 15 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
430 g de N₂P = 250 kPaT = 50 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 430 g de N₂ a 250 kPa y 50 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 430 gM = 28,01 g/molP = 250 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
N₂, M = 28,01 g/molP = 350 kPaT = 180 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de N₂ a 350 kPa y 180 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 28,01 g/molP = 350 kPaT = 180 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

30 g de Al y 24 g de Cl2 reaccionan según 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3. ¿Qué masa m de AlCl3 se puede formar?

M(Al) = 26,98M(Cl2) = 70,9M(AlCl3) = 133,33 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​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

Se introducen 1 mol/L de H₂ y 1 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 50. Calcula la concentración en el equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 50
[H2] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,05 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,5 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,05
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Plomom = 75 gT = 80 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Aguam = 200 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de plomo de 75 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 80 °C se introduce en 200 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 16 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 80 °Cmwater = 200 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H250 g CH4​CH4​ + 2O₂reactivosCO₂ + 2H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 250 g de CH4 (M = 16,04 g/mol) se queman por completo: CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(CH4) = −74,8 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)X (%)t = ?99%

Una reacción de primer orden en un reactor discontinuo tiene k = 0,15 min⁻¹. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 99 %? Halla t.

k = 0,15 min⁻¹X = 99 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))ensayo 10,10,01ensayo 20,40,16n = ?

Dos experimentos miden la velocidad inicial de A → productos. Con CA0 = 0,1 mol/L la velocidad es 0,01 mol/(L·s); con CA0 = 0,4 mol/L es 0,16 mol/(L·s). Halla el orden de reacción n respecto a A.

CA0,1 = 0,1 mol/Lr1 = 0,01 mol/(L·s)CA0,2 = 0,4 mol/Lr2 = 0,16 mol/(L·s)
n =
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 100 L/minX = 95%V = ?, k = 0,25 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,25 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 95 %.

Q = 100 L/mink = 0,25 min⁻¹X = 95%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
Q = 50 L/minX = ?V = 200 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 200 L alimentado a 50 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 200 LQ = 50 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT155 °C40 °C75 °C20 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador a contracorriente transfiere 390 kW. El fluido caliente se enfría de 155 a 40 °C y el frío se calienta de 20 a 75 °C. El coeficiente global de transmisión es 300 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 390 kWU = 300 W/(m²·K)Th: 155 → 40 °CTc: 20 → 75 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT100 °C??20 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

En un intercambiador a contracorriente ambas corrientes tienen la misma capacidad calorífica, ṁ·cp = 2 kW/K. La corriente caliente entra a 100 °C y la fría a 20 °C. El intercambiador tiene A = 5 m² y U = 200 W/(m²·K). Halla la temperatura de salida del fluido caliente Th,out.

Ch = Cc = 2 kW/KTh,in = 100 °CTc,in = 20 °CA = 5 m²U = 200 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conducción de calorMedia
Ladrillo, k = 0,72250 mmPoliestireno expandido, k = 0,035150 mm15 °C-13 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 250 mm de ladrillo y 150 mm de poliestireno expandido, con un área de 12 m². Las caras exteriores están a 15 °C y -13 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 250 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 15 °CT3 = -13 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Lana mineral, k = 0,04250 mmLadrillo, k = 0,7275 mminterior 22 °Cexterior -15 °CQ̇

Un muro de 250 mm de lana mineral y 75 mm de ladrillo separa una habitación a 22 °C del aire exterior a -15 °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 el coeficiente global de transmisión de calor U del muro.

L1 = 250 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 12 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -15 °C
U = W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 75 L/sD = 200 mmL = 400 mf = 0,018

Agua circula a razón de 75 L/s por una tubería de 400 m de longitud y 200 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 = 75 L/sL = 400 mD = 200 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10Δz = 20 mL = 150 m, D = 100 mm, f = 0,0154× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 150 m de longitud, 100 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,015. La superficie libre del depósito superior está 20 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 = 10) y la salida al depósito inferior (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Halla el caudal Q en L/s.

Δz = 20 mL = 150 mD = 100 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 50 L/sH = 12 m

Una bomba impulsa 50 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 12 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 = 50 L/sH = 12 mηpump = 65%ηmotor = 94%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 75 L/sΔz = 12 mL = 400 m, D = 200 mm, f = 0,018, ΣK = 6

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 12 m más alta. La tubería mide 400 m de longitud, tiene 200 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,018; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 6 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 75 L/sΔz = 12 mL = 400 mD = 200 mmf = 0,018ΣK = 6
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 220 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) = 550·(50 − 40)/(40 − 15) = 220 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 220 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 336 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 = 2100·8/50 = 336 kg/h

Respuesta

P = 336 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 17,51 °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 = 0,5·2,1·(140 − 110) = 31,5 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 31,5/(3·4,18) = 17,51 °C

Respuesta

tout = 17,51 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 0,2425 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 0,5·2,44·(120 − 60) = 73,2 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,1)·73,2 = 65,88 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 65,88/(4,18·65) = 0,2425 kg/s

Respuesta

ṁc = 0,2425 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 165 L

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

Moles

n = 430/28,01 = 15,35 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Volumen

V = nRT/P = 15,35·8,314·323,1/250 = 165 L

Respuesta

V = 165 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 2,602 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 = 180 + 273,15 = 453,1 K

Densidad

ρ = 350·28,01/(8,314·453,1) = 2,602 kg/m³

Respuesta

ρ = 2,602 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 30,09 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(Al) = 30/26,98 = 1,112 mol
n(Cl2) = 24/70,9 = 0,3385 mol

Reactivo limitante

1,112/2 = 0,556, 0,3385/3 = 0,1128 → Cl2

Masa de producto

n(AlCl3) = 0,1128·2 = 0,2257 mol
m = 0,2257·133,33 = 30,09 g

Respuesta

m = 30,09 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: [H2] = 0,2205 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

50 = (2x)²/(1 − x)²

Saca la raíz cuadrada

7,071 = 2x/(1 − x) → x = 1·7,071/(2 + 7,071) = 0,7795 mol/L

Concentración en el equilibrio

[H₂] = 1 − x = 0,2205 mol/L

Respuesta

[H2] = 0,2205 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,1351 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

0,05 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,05·x − 0,025 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,025))/2 = 0,1351 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,1351 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,1351 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 16,73 °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

75·0,129·(80 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 16)

Despeja la temperatura final

Tf = (9,675·80 + 836·16)/(9,675 + 836) = 16,73 °C

Respuesta

Tf = 16,73 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 13876 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

Calor para la masa dada

n = 250/16,04 = 15,59 mol
q = n·|ΔH°/1| = 15,59·890,3 = 13876 kJ

Respuesta

q = 13876 kJ
13.Cinética química

Respuesta: t = 30,7 min

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).

Conversión y concentración

C/C0 = 1 − X = 0,01

Despeja el tiempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,01)/0,15 = 30,7 min

Respuesta

t = 30,7 min
14.Cinética química

Respuesta: n = 2

Método de las velocidades iniciales: para r = k·Cⁿ, comparar dos ensayos que solo difieren en la concentración inicial elimina k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Duplicar C duplica la velocidad en primer orden y la cuadruplica en segundo orden.

Relaciones

r2/r1 = 0,16/0,01 = 16
C2/C1 = 0,4/0,1 = 4

Orden

n = ln(16)/ln(4) = 2

Respuesta

n = 2
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 1198 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 − 0,95))/0,25 = 2,996/0,25 = 11,98 min

Volumen

V = Q·τ = 100·11,98 = 1198 L

Respuesta

V = 1198 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 27,39 %

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 = 200/50 = 4 min, kτ = 0,08·4 = 0,32

Conversión

X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,32 = 27,39%

Respuesta

X = 27,39%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 30,04 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.

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 − 75 = 80 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 40 − 20 = 20 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (80 − 20)/ln(80/20) = 43,28 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 390000/(300·43,28) = 30,04 m²

Respuesta

A = 30,04 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: Th,out = 73,33 °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

2·(100 − Th,out) = 1·(Th,out − 20)
Th,out = (2·100 + 1·20)/(2 + 1) = 73,33 °C

Respuesta

Th,out = 73,33 °C

Calor transferido: Q̇ = 53,33 kW; la corriente fría sale a 46,67 °C.

19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = 12,9 °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) = (250/1000)/(0,72·12) = 0,02894 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,035·12) = 0,3571 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 28/0,3861 = 72,52 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 15 − 72,52·0,02894 = 12,9 °C

Respuesta

Ti = 12,9 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: U = 0,1524 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/(6·12) = 0,01389 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,04·12) = 0,5208 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,72·12) = 0,008681 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·12) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,5467 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(12·0,5467) = 0,1524 W/(m²·K)

Respuesta

U = 0,1524 W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 10,46 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·0,2²/4 = 0,03142 m²
V = Q/A = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 2,387²/(2·9,81) = 0,2905 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(400/0,2)·2,387²/(2·9,81) = 10,46 m

Respuesta

hf = 10,46 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Q = 26,22 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 = 0,015·150/0,1 = 22,5
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Ecuación de la energía

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

20 = (22,5 + 12,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·20/35,2) = 3,339 m/s

Caudal

Q = V·π·D²/4 = 3,339·0,007854 = 0,02622 m³/s = 26,22 L/s

Respuesta

Q = 26,22 L/s
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pel = 9,633 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 = 1000·9,81·0,05·12 = 5,886 kW

Potencia en el eje

Pshaft = 5,886/0,65 = 9,055 kW

Potencia eléctrica

Pel = 9,055/0,94 = 9,633 kW

Respuesta

Pel = 9,633 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 24,2 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) = (36 + 6)·0,2905 = 12,2 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 = 12 + 12,2 = 24,2 m

Respuesta

H = 24,2 m

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