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.

Problemas nuevosVolver a la asignatura

En la ventana de impresión, elige «Guardar como PDF» para conservar una copia en tu dispositivo.

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 1200 kg/h · 35% NaOHCorriente 2ṁ₂ = ? · 5% NaOHProducto20% NaOH

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 20 % de NaOH? Halla ṁ2.

ṁ1 = 200 kg/hx1 = 35 %x2 = 5 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F4700 kg/h · 7% 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 = 4700 kg/hxF = 7 %xP = 50 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríomezcla de glicol · 170 °C60 °Cagua · 15 °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 = 0,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 170 → 60 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 170 °C110 °Cagua · 25 °C65 °C · ṁ = ?5 % perdido

etanol caliente calienta agua en un intercambiador que pierde hacia el entorno el 5 % 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: 170 → 110 °Ct: 25 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
200 g de CO₂P = 150 kPaT = 30 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 200 g de CO₂ a 150 kPa y 30 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 200 gM = 44,01 g/molP = 150 kPaT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
CO₂, M = 44,01 g/molP = 200 kPaT = 110 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de CO₂ a 200 kPa y 110 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 44,01 g/molP = 200 kPaT = 110 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

8 g de C3H8 y 20 g de O2 reaccionan según C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. ¿Qué masa m de CO2 se puede formar?

M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(N2​)n(N2​)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(N2​)× 2/1× M(NH3​)

En la reacción N2 + 3H2 → 2NH3, 12 g de N2 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 10,21 g de NH3. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molreal: 10,21 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

Se introducen 0,25 mol/L de H₂ y 0,25 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 54. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 54
[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 = 0,02 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 = 0,02
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Hierrom = 50 gT = 90 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Aguam = 400 gT = 22 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de hierro de 50 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 90 °C se introduce en 400 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 22 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 90 °Cmwater = 400 gTwater = 22 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
HC6​H12​O6​ + 6O₂reactivos6CO₂ + 6H₂O(l)productosΔH° = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular ΔH° de la reacción C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 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)10 min0,64

En una reacción de primer orden la concentración de A baja de 0,8 mol/L a 0,64 mol/L en 10 min. Halla la constante de velocidad k.

CA0 = 0,8 mol/LCA = 0,64 mol/Lt = 10 min
k = min⁻¹
14.Cinética químicaDifícil
1/Tln kT = 50 °Cln 0,1ln A = ?Ea​ = 60 kJ/mol

Una reacción de primer orden tiene una constante de velocidad de 0,1 s⁻¹ a 50 °C y una energía de activación de 60 kJ/mol. Halla el factor preexponencial A de la ecuación de Arrhenius.

k = 0,1 s⁻¹T = 50 °CEa = 60 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 50 L/minX = 85%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 50 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 85 %.

Q = 50 L/mink = 0,25 min⁻¹X = 85%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 500 LQ = 50 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,4 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 500 L alimentado a 50 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 500 LQ = 50 L/mink = 0,4 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT155 °C100 °C135 °C20 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador a contracorriente transfiere 270 kW. El fluido caliente se enfría de 155 a 100 °C y el frío se calienta de 20 a 135 °C. El coeficiente global de transmisión es 1000 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 270 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 155 → 100 °CTc: 20 → 135 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT80 °C50 °C25,07 °C10 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (1,5 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) se enfría de 80 a 50 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 1,5 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 10 °C. Con U = 200 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 80 → 50 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Madera, k = 0,17250 mmPlaca de yeso, k = 0,1725 mm16 °C9 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 250 mm de madera y 25 mm de placa de yeso, con un área de 8 m². Las caras exteriores están a 16 °C y 9 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 16 °CT3 = 9 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Lana mineral, k = 0,0450 mmVidrio, k = 0,9625 mminterior 20 °Cexterior -10 °CTs​ = ?Q̇

Un muro de 50 mm de lana mineral y 25 mm de vidrio separa una habitación a 20 °C del aire exterior a -10 °C. Los coeficientes de convección son 8 W/(m²·K) dentro y 30 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 8 m². Halla la temperatura Ts de la cara interior del muro.

L1 = 50 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 8 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -10 °C
Ts = °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 30 L/sD = 150 mmL = 100 mf = 0,028

Agua circula a razón de 30 L/s por una tubería de 100 m de longitud y 150 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,028 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

Q = 30 L/sL = 100 mD = 150 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10descarga libreH = ?L = 300 m, D = 300 mm, f = 0,0252× codo (K = 0,3)

Una tubería de 300 m de longitud y 300 mm de diámetro interior (factor de fricción de Darcy f = 0,025) sale de un depósito abierto y descarga como chorro libre a la atmósfera. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 2 codos (K = 0,3 cada uno) y una válvula (K = 10). Usa g = 9,81 m/s². ¿A qué altura H debe estar la superficie del depósito sobre la salida de la tubería para un caudal de 150 L/s?

Q = 150 L/sL = 300 mD = 300 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10
H = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 50 L/sH = 66 m

Una bomba impulsa 50 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 66 m. El rendimiento de la bomba es del 65 % y el motor eléctrico que la acciona tiene un rendimiento del 92 %. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia eléctrica Pel que absorbe el motor, en kW.

Q = 50 L/sH = 66 mηpump = 65%ηmotor = 92%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 50 L/sΔz = 12 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,015, ΣK = 6

Una bomba impulsa 50 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 100 m de longitud, tiene 150 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,015; 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 = 50 L/sΔz = 12 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,015ΣK = 6
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 200 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) = 200·(35 − 20)/(20 − 5) = 200 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 200 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: W = 4042 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 = 4700·7/50 = 658 kg/h

Balance total

W = F − P = 4700 − 658 = 4042 kg/h

Respuesta

W = 4042 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 46,58 °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 = 0,5·3,6·(170 − 60) = 198 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 198/(1,5·4,18) = 46,58 °C

Respuesta

tout = 46,58 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 0,4159 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 0,5·2,44·(170 − 110) = 73,2 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,05)·73,2 = 69,54 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 69,54/(4,18·40) = 0,4159 kg/s

Respuesta

ṁc = 0,4159 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 76,36 L

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

Moles

n = 200/44,01 = 4,544 mol
T = 30 + 273,15 = 303,1 K

Volumen

V = nRT/P = 4,544·8,314·303,1/150 = 76,36 L

Respuesta

V = 76,36 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 2,763 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 = 110 + 273,15 = 383,1 K

Densidad

ρ = 200·44,01/(8,314·383,1) = 2,763 kg/m³

Respuesta

ρ = 2,763 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 16,5 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(C3H8) = 8/44,1 = 0,1814 mol
n(O2) = 20/32 = 0,625 mol

Reactivo limitante

0,1814/1 = 0,1814, 0,625/5 = 0,125 → O2

Masa de producto

n(CO2) = 0,125·3 = 0,375 mol
m = 0,375·44,01 = 16,5 g

Respuesta

m = 16,5 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 70 %

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(N2) = 12/28,02 = 0,4283 mol
m = 0,4283·2/1·17,03 = 14,59 g

Rendimiento porcentual

Y = 10,21/14,59·100 = 70%

Respuesta

Y = 70%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,393 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

54 = (2x)²/(0,25 − x)²

Saca la raíz cuadrada

7,348 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·7,348/(2 + 7,348) = 0,1965 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,393 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,393 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 0,4095 mol/L

Equilibrio químico: para aA + bB ⇌ cC + dD, la constante de equilibrio es Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), con las concentraciones en el equilibrio. Una tabla ICE (Inicial, Cambio, Equilibrio) relaciona las cantidades iniciales con las de equilibrio mediante una única incógnita x, multiplicada por los coeficientes.

Expresión de equilibrio

0,02 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,02·x − 0,01 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,01))/2 = 0,0905 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 0,5 − 0,0905 = 0,4095 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 0,4095 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 22,9 °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·(90 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 22)

Despeja la temperatura final

Tf = (22,45·90 + 1672·22)/(22,45 + 1672) = 22,9 °C

Respuesta

Tf = 22,9 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: ΔH° = −2802 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° = [6·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

Respuesta

ΔH° = −2802 kJ

Negativo: la reacción desprende calor (exotérmica).

13.Cinética química

Respuesta: k = 0,02231 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(0,8/0,64)/10 = 0,2231/10 = 0,02231 min⁻¹

Respuesta

k = 0,02231 min⁻¹
14.Cinética química

Respuesta: A = 4,999 × 10⁸ s⁻¹

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperatura absoluta

T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Despeja A de la ecuación de Arrhenius

Ea/(RT) = 60000/(8,314·323,1) = 22,33
A = k·e22,33 = 0,1·4,999 × 10⁹ = 4,999 × 10⁸ s⁻¹

Respuesta

A = 4,999 × 10⁸ s⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 379,4 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 − 0,85))/0,25 = 1,897/0,25 = 7,588 min

Volumen

V = Q·τ = 50·7,588 = 379,4 L

Respuesta

V = 379,4 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 80 %

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 = 500/50 = 10 min, kτ = 0,4·10 = 4

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 4/(1 + 4) = 80%

Respuesta

X = 80%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 6,238 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 − 135 = 20 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 100 − 20 = 80 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

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

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 270000/(1000·43,28) = 6,238 m²

Respuesta

A = 6,238 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 10,04 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.

Potencia térmica y temperatura de salida del agua

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1,5·2,1·30 = 94,5 kW
Tc,out = 10 + 94,5/(1,5·4,18) = 25,07 °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 = 80 − 25,07 = 54,93 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 10 = 40 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (54,93 − 40)/ln(54,93/40) = 47,07 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 94500/(200·47,07) = 10,04 m²

Respuesta

A = 10,04 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = 9,636 °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)/(0,17·8) = 0,1838 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,17·8) = 0,01838 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 7/0,2022 = 34,62 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 16 − 34,62·0,1838 = 9,636 °C

Respuesta

Ti = 9,636 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: Ts = 17,39 °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/(8·8) = 0,01563 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,04·8) = 0,1563 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,96·8) = 0,003255 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·8) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,1793 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (20 − (-10))/0,1793 = 167,3 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 167,3·0,01563 = 17,39 °C

Respuesta

Ts = 17,39 °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 2,742 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·0,15²/4 = 0,01767 m²
V = Q/A = 0,03/0,01767 = 1,698 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 1,698²/(2·9,81) = 0,1469 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(100/0,15)·1,698²/(2·9,81) = 2,742 m

Respuesta

hf = 2,742 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: H = 8,515 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 = 0,15/0,07069 = 2,122 m/s
V²/(2g) = 0,2295 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,025·300/0,3 = 25
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 = 11,1

Ecuación de la energía

El chorro de salida conserva su altura de velocidad; no es una pérdida, pero hay que aportarla.

H = (1 + 25 + 11,1)·0,2295 = 8,515 m

Respuesta

H = 8,515 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pel = 54,14 kW

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

Potencia hidráulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,05·66 = 32,37 kW

Potencia en el eje

Pshaft = 32,37/0,65 = 49,8 kW

Potencia eléctrica

Pel = 49,8/0,92 = 54,14 kW

Respuesta

Pel = 54,14 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 18,53 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (10 + 6)·0,408 = 6,529 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 + 6,529 = 18,53 m

Respuesta

H = 18,53 m

Este es material de práctica independiente. ExamProblems no está afiliado ni respaldado por la organización que gestiona este examen, y el nombre del examen se usa solo para describir el contenido. El FE exam lo organiza NCEES, que no está afiliado a ExamProblems ni lo respalda.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-chemical