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 1300 kg/h · 20% azúcarCorriente 2ṁ₂ = ? · 30% azúcarProducto25% azúcar

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

ṁ1 = 300 kg/hx1 = 20 %x2 = 30 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F1900 kg/h · 18% azúcarProducto PP = ? · 55%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 = 1900 kg/hxF = 18 %xP = 55 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoetanol · 120 °C90 °Cagua · 30 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 90 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 160 °C130 °Cagua · 30 °C55 °C · ṁ = ?15 % perdido

etanol 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 = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 130 °Ct: 30 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
400 g de CH₄P = 550 kPaT = 65 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 400 g de CH₄ a 550 kPa y 65 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 400 gM = 16,04 g/molP = 550 kPaT = 65 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de CO₂ pasa de 150 kPa, 5 L, 35 °C a 550 kPa y 150 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 150 kPaV1 = 5 LT1 = 35 °CP2 = 550 kPaT2 = 150 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

12 g de H2 y 80 g de O2 reaccionan según 2H2 + O2 → 2H2O. ¿Qué masa m de H2O se puede formar?

M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 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, 30 g de Na reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 67,11 g de NaCl. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/molreal: 67,11 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 = 9. Calcula la concentración en el equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 9
[H2] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,04 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,8 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,04
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Hierrom = 75 gT = 130 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Aguam = 400 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de hierro de 75 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 130 °C se introduce en 400 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 25 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 400 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H100 g C2​H5​OHC2​H5​OH + 3O₂reactivos2CO₂ + 3H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 100 g de C2H5OH (M = 46,07 g/mol) se queman por completo: C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 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 = ?30%

Una reacción de orden cero tiene k = 0,01 mol/(L·min) y parte de 1 mol/L. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 30 %? Halla t.

k = 0,01 mol/(L·min)CA0 = 1 mol/LX = 30 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk20 °Ck1​?4·k1​

Una reacción tiene una energía de activación de 55 kJ/mol. A 20 °C es demasiado lenta. ¿Hasta qué temperatura T2 (en °C) hay que calentarla para que sea 4 veces más rápida?

Ea = 55 kJ/molT1 = 20 °Ck2/k1 = 4R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 25 L/minCA0​ = 1,5 mol/LCA​ = ?V = 400 L, k = 0,05 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B (k = 0,05 min⁻¹) se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) de 400 L. La alimentación entra a 25 L/min con CA0 = 1,5 mol/L. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la concentración de salida CA.

V = 400 LQ = 25 L/mink = 0,05 min⁻¹CA0 = 1,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 800 LQ = 50 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,3 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 800 L alimentado a 50 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 800 LQ = 50 L/mink = 0,3 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT170 °C135 °C10 °C75 °CΔT₁ΔT₂flujo paralelo

Un intercambiador de flujo paralelo transfiere 110 kW. El fluido caliente se enfría de 170 a 135 °C y el frío se calienta de 10 a 75 °C. El coeficiente global de transmisión es 500 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 110 kWU = 500 W/(m²·K)Th: 170 → 135 °CTc: 10 → 75 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT175 °C110 °C41,33 °C25 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (0,5 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) se enfría de 175 a 110 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 1 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 25 °C. Con U = 1000 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 175 → 110 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Lana mineral, k = 0,04200 mmPoliestireno expandido, k = 0,035150 mm20 °C-6 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 200 mm de lana mineral y 150 mm de poliestireno expandido, con un área de 4 m². Las caras exteriores están a 20 °C y -6 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 200 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 20 °CT3 = -6 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Vidrio, k = 0,96250 mmPoliestireno expandido, k = 0,035100 mminterior 21 °Cexterior 0 °CQ̇

Un muro de 250 mm de vidrio y 100 mm de poliestireno expandido separa una habitación a 21 °C del aire exterior a 0 °C. Los coeficientes de convección son 8 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 10 m². Halla el coeficiente global de transmisión de calor U del muro.

L1 = 250 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 10 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 0 °C
U = W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 1,6 m/sD = 200 mmL = 500 mf = 0,028

Agua (ρ = 1000 kg/m³) circula a 1,6 m/s por una tubería horizontal de 500 m de longitud y 200 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,028 y g = 9,81 m/s². Halla la caída de presión Δp en la tubería en kPa.

V = 1,6 m/sL = 500 mD = 200 mmf = 0,028ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 5descarga libreH = ?L = 500 m, D = 300 mm, f = 0,0184× codo (K = 0,3)

Una tubería de 500 m de longitud y 300 mm de diámetro interior (factor de fricción de Darcy f = 0,018) 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), 4 codos (K = 0,3 cada uno) y una válvula (K = 5). 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 75 L/s?

Q = 75 L/sL = 500 mD = 300 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5
H = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 150 L/sH = 10 m

Una bomba con un rendimiento del 72 % impulsa 150 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 10 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 150 L/sH = 10 mη = 72%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 50 L/sΔz = 19 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,025, ΣK = 8

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 19 m más alta. La tubería mide 100 m de longitud, tiene 150 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,025; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 8 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². El rendimiento de la bomba es del 70 %. Halla la potencia en el eje Pshaft en kW.

Q = 50 L/sΔz = 19 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,025ΣK = 8η = 70%
Pshaft = kW

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 300 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
azúcar: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Despeja ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 300·(20 − 25)/(25 − 30) = 300 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 300 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 621,8 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 = 1900·18/55 = 621,8 kg/h

Respuesta

P = 621,8 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 41,67 °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 = 1·2,44·(120 − 90) = 73,2 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 73,2/(1,5·4,18) = 41,67 °C

Respuesta

tout = 41,67 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 1,786 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 3·2,44·(160 − 130) = 219,6 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,15)·219,6 = 186,7 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 186,7/(4,18·25) = 1,786 kg/s

Respuesta

ṁc = 1,786 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 127,5 L

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

Moles

n = 400/16,04 = 24,94 mol
T = 65 + 273,15 = 338,1 K

Volumen

V = nRT/P = 24,94·8,314·338,1/550 = 127,5 L

Respuesta

V = 127,5 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 1,873 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 308,1 K, T2 = 423,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(150/550)·(423,1/308,1) = 1,873 L

Respuesta

V2 = 1,873 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 90,1 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(H2) = 12/2,016 = 5,952 mol
n(O2) = 80/32 = 2,5 mol

Reactivo limitante

5,952/2 = 2,976, 2,5/1 = 2,5 → O2

Masa de producto

n(H2O) = 2,5·2 = 5 mol
m = 5·18,02 = 90,1 g

Respuesta

m = 90,1 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 88 %

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) = 30/22,99 = 1,305 mol
m = 1,305·2/2·58,44 = 76,26 g

Rendimiento porcentual

Y = 67,11/76,26·100 = 88%

Respuesta

Y = 88%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [H2] = 0,04 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

9 = (2x)²/(0,1 − x)²

Saca la raíz cuadrada

3 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·3/(2 + 3) = 0,06 mol/L

Concentración en el equilibrio

[H₂] = 0,1 − x = 0,04 mol/L

Respuesta

[H2] = 0,04 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,16 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

0,04 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,04·x − 0,032 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,032))/2 = 0,16 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,16 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,16 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 27,07 °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

75·0,449·(130 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 25)

Despeja la temperatura final

Tf = (33,68·130 + 1672·25)/(33,68 + 1672) = 27,07 °C

Respuesta

Tf = 27,07 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 2967 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° = [2·(−393,5) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Calor para la masa dada

n = 100/46,07 = 2,171 mol
q = n·|ΔH°/1| = 2,171·1367 = 2967 kJ

Respuesta

q = 2967 kJ
13.Cinética química

Respuesta: t = 30 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Cantidad convertida

CA0·X = 1·0,3 = 0,3 mol/L

Tiempo

t = CA0·X/k = 0,3/0,01 = 30 min

Respuesta

t = 30 min
14.Cinética química

Respuesta: T2 = 39,19 °C

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

T1 = 293,1 K

Despeja T₂ de la ecuación de Arrhenius

1/T2 = 1/293,1 − 8,314·ln(4)/55000 = 3,411 × 10⁻³ − 2,096 × 10⁻⁴ = 3,202 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 312,3 K = 39,19 °C

Respuesta

T2 = 39,19 °C
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: CA = 0,674 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 = 400/25 = 16 min

Concentración de salida

CA = 1,5·e−0,05·16 = 0,674 mol/L

Respuesta

CA = 0,674 mol/L

Conversión: X = 55,07%.

16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 82,76 %

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 = 800/50 = 16 min, kτ = 0,3·16 = 4,8

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 4,8/(1 + 4,8) = 82,76%

Respuesta

X = 82,76%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 2,158 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

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 170 − 10 = 160 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 135 − 75 = 60 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (160 − 60)/ln(160/60) = 102 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 110000/(500·102) = 2,158 m²

Respuesta

A = 2,158 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 0,6348 m²

Método de la DTML: la diferencia de temperatura entre las corrientes cambia a lo largo del intercambiador, así que la ecuación usa su media logarítmica: Q̇ = U·A·ΔTlm, con ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), donde ΔT₁ y ΔT₂ son las diferencias en los dos extremos. A contracorriente se obtiene una ΔTlm mayor que en flujo paralelo con las mismas temperaturas de entrada y salida.

Potencia térmica y temperatura de salida del agua

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 0,5·2,1·65 = 68,25 kW
Tc,out = 25 + 68,25/(1·4,18) = 41,33 °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 = 175 − 41,33 = 133,7 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 110 − 25 = 85 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (133,7 − 85)/ln(133,7/85) = 107,5 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 68250/(1000·107,5) = 0,6348 m²

Respuesta

A = 0,6348 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = 6 °C

Resistencia térmica: el flujo de calor estacionario a través de capas en serie se comporta como la corriente por resistencias en serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) para una capa conductora y R = 1/(hA) para una superficie con convección. La caída de temperatura en cada capa es proporcional a su resistencia.

Resistencias de las capas

R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,04·4) = 1,25 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,035·4) = 1,071 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 26/2,321 = 11,2 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 20 − 11,2·1,25 = 6 °C

Respuesta

Ti = 6 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: U = 0,3046 W/(m²·K)

Resistencia térmica: el flujo de calor estacionario a través de capas en serie se comporta como la corriente por resistencias en serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) para una capa conductora y R = 1/(hA) para una superficie con convección. La caída de temperatura en cada capa es proporcional a su resistencia.

Resistencias en serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(8·10) = 0,0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,96·10) = 0,02604 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,035·10) = 0,2857 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·10) = 0,004 K/W
ΣR = 0,3283 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(10·0,3283) = 0,3046 W/(m²·K)

Respuesta

U = 0,3046 W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δp = 89,6 kPa

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.

Pérdida de carga

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(500/0,2)·1,6²/(2·9,81) = 9,134 m

Caída de presión

La tubería es horizontal y la velocidad no cambia, así que la ecuación de la energía se reduce a Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·9,134 = 89600 Pa = 89,6 kPa

Respuesta

Δp = 89,6 kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: H = 2,163 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 = 0,075/0,07069 = 1,061 m/s
V²/(2g) = 0,05738 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,018·500/0,3 = 30
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 = 6,7

Ecuación de la energía

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

H = (1 + 30 + 6,7)·0,05738 = 2,163 m

Respuesta

H = 2,163 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 20,44 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 = 1000·9,81·0,15·10 = 14,71 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 14,71/0,72 = 20,44 kW

Respuesta

Pshaft = 20,44 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 20,37 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (16,67 + 8)·0,408 = 10,06 m

Altura de la bomba

H = Δz + hL = 19 + 10,06 = 29,06 m

Potencia en el eje

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,05·29,06/0,7 = 20,37 kW

Respuesta

Pshaft = 20,37 kW

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