Práctica para el examen FE Chemical: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 24 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Balance de materia

Estado estacionario
entrada = salida
Balance total
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Balance por componente
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Evaporador
F·xF = P·xP, W = F − P

Balance de energía

Calor sensible
Q = ṁ·cp·ΔT
Calor latente
Q = ṁ·hfg
Mezcla
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Agua
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Ley de los gases ideales

Ley de los gases ideales
pV = nRT
Constante de los gases
R = 8,314 J/(mol·K)
Ley combinada de los gases
p1V1/T1 = p2V2/T2
Moles
n = m/M
Temperatura
T[K] = T[°C] + 273,15

Estequiometría

Moles
n = m/M
Concentración
c = n/V
Relación molar
usa los coeficientes de la ecuación ajustada
Reactivo limitante
el que se agota primero
Rendimiento porcentual
real / teórico × 100%

Método

  1. Escribe y ajusta la ecuación química.
  2. Pasa la masa dada a moles: n = m/M.
  3. Usa los coeficientes como relación molar para hallar los moles de la sustancia que buscas.
  4. Vuelve a pasar a masa con m = n·M. Con dos reactivos, halla primero el reactivo limitante.

Equilibrio químico

Constante de equilibrio
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Tabla ICE
Inicial, Cambio (×coeficiente), Equilibrio
Ecuación de segundo grado
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Método

  1. Escribe Kc con productos entre reactivos, cada uno elevado a su coeficiente.
  2. Plantea una tabla ICE: Inicial, Cambio (en múltiplos de x por los coeficientes), Equilibrio.
  3. Sustituye las expresiones de equilibrio en Kc y despeja x.
  4. Comprueba si x es lo bastante pequeño para aproximar; si no, resuelve la ecuación de segundo grado.

Calorimetría y entalpía

Calor
q = m·c·ΔT
Agua
c = 4,18 J/(g·°C)
Calorímetro
calor cedido = calor absorbido
Entalpía de reacción
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

Cinética química

Primer orden
ln(CA/CA0) = −kt
Vida media (primer orden)
t½ = ln 2/k
Segundo orden
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Dos temperaturas
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Tiempo espacial
τ = V/Q
CSTR, primer orden
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, primer orden
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Conversión a partir del volumen
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N CSTR iguales en serie
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Intercambiadores de calor (DTML)

Potencia térmica
Q = U·A·ΔTlm
Diferencia de temperatura media logarítmica
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Balance de una corriente
Q = ṁcp(Tin − Tout)

Conducción de calor

Ley de Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Resistencia de conducción
R = L/(kA)
Resistencia de convección
R = 1/(hA)
Resistencias en serie
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Transmitancia U
U = 1/(ΣR·A)

Fricción en tuberías y pérdida de carga

Número de Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Régimen de flujo
laminar por debajo de Re ≈ 2000, turbulento por encima de Re ≈ 4000
Velocidad media
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Pérdidas localizadas
hm = ΣK·V²/(2g)
Valores típicos de K
entrada 0,5, salida 1,0, codo de 90° ≈ 0,3
Caída de presión
Δp = ρ·g·hf
Dos depósitos abiertos
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Salida libre
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Bombas y potencia de bombeo

Potencia hidráulica
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Potencia en el eje
Pshaft = Ph/ηpump
Potencia eléctrica
Pel = Pshaft/ηmotor
Altura de la bomba
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Pérdidas del sistema
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Problemas de práctica

1.Balance de materiaMedia
MezcladorCorriente 1900 kg/h · 40% salCorriente 2ṁ₂ = ? · 20% salProducto30% sal

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 30 % de sal? Halla ṁ2.

ṁ1 = 900 kg/hx1 = 40 %x2 = 20 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F4200 kg/h · 10% azúcarProducto PP = ? · 35%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 = 4200 kg/hxF = 10 %xP = 35 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoaceite ligero · 140 °C70 °Cagua · 25 °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 → 70 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríomezcla de glicol · 170 °C80 °Cagua · 25 °C90 °C · ṁ = ?15 % perdido

mezcla de glicol 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 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 170 → 80 °Ct: 25 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
430 g de N₂V = 30 LT = 5 °CP = ?

Un depósito de 30 L contiene 430 g de N₂ a 5 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 430 gM = 28,01 g/molV = 30 LT = 5 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
CH₄, M = 16,04 g/molP = 150 kPaT = 130 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de CH₄ a 150 kPa y 130 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 16,04 g/molP = 150 kPaT = 130 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

6 g de H2 y 16 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(CH4​)n(CH4​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(CH4​)× 2/1× M(H2​O)

En la reacción CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, 8 g de CH4 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 16,36 g de H2O. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreal: 16,36 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

Se introducen 0,2 mol/L de H₂ y 0,2 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 49. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 49
[HI] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,08 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,1 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Cincm = 100 gT = 120 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Aguam = 300 gT = 20 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de cinc de 100 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 120 °C se introduce en 300 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 20 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 120 °Cmwater = 300 gTwater = 20 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
HCH4​ + 2O₂reactivosCO₂ + 2H₂O(l)productosΔH° = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular ΔH° de la reacción CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l).

ΔH°f(CH4) = −74,8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.Cinética químicaMedia
t (min)X (%)t = ?75%

Una reacción de orden cero tiene k = 0,05 mol/(L·min) y parte de 1 mol/L. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 75 %? Halla t.

k = 0,05 mol/(L·min)CA0 = 1 mol/LX = 75 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk20 °C0,0245 °C?

Una reacción tiene una constante de velocidad de 0,02 min⁻¹ a 20 °C y una energía de activación de 55 kJ/mol. Halla la constante de velocidad k2 a 45 °C.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 20 °CT2 = 45 °CEa = 55 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
QX = 70%mismos Q, k y X que el CSTR

Una reacción de primer orden en fase líquida debe alcanzar un 70 % 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 = 70%primer orden, mismos k y Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 1500 LV = 1500 LQ = 40 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,12 min⁻¹) se lleva a cabo en dos CSTR iguales en serie, de 1500 L cada uno. El caudal de alimentación es 40 L/min, la densidad es constante y los reactores están en estado estacionario. Halla la conversión global X en porcentaje.

V = 1500 L (×2)Q = 40 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT155 °C60 °C145 °C10 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador a contracorriente transfiere 70 kW. El fluido caliente se enfría de 155 a 60 °C y el frío se calienta de 10 a 145 °C. El coeficiente global de transmisión es 200 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 70 kWU = 200 W/(m²·K)Th: 155 → 60 °CTc: 10 → 145 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT180 °C??30 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

En un intercambiador a contracorriente ambas corrientes tienen la misma capacidad calorífica, ṁ·cp = 1,5 kW/K. La corriente caliente entra a 180 °C y la fría a 30 °C. El intercambiador tiene A = 4 m² y U = 500 W/(m²·K). Halla la temperatura de salida del fluido caliente Th,out.

Ch = Cc = 1,5 kW/KTh,in = 180 °CTc,in = 30 °CA = 4 m²U = 500 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conducción de calorMedia
Vidrio, k = 0,9650 mmPoliestireno expandido, k = 0,035100 mm16 °C2 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 50 mm de vidrio y 100 mm de poliestireno expandido, con un área de 8 m². Las caras exteriores están a 16 °C y 2 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 50 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 16 °CT3 = 2 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Ladrillo, k = 0,72100 mmPlaca de yeso, k = 0,17150 mminterior 22 °Cexterior -12 °CQ̇ = ?

Un muro de 100 mm de ladrillo y 150 mm de placa de yeso separa una habitación a 22 °C del aire exterior a -12 °C. Los coeficientes de convección son 7,7 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 6 m². Halla la pérdida de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 100 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -12 °C
Q̇ = W
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 2,2 m/sD = 300 mmL = 400 mf = 0,022

Agua (ρ = 1000 kg/m³) circula a 2,2 m/s por una tubería horizontal de 400 m de longitud y 300 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,022 y g = 9,81 m/s². Halla la caída de presión Δp en la tubería en kPa.

V = 2,2 m/sL = 400 mD = 300 mmf = 0,022ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 5descarga libreH = ?L = 200 m, D = 100 mm, f = 0,0153× codo (K = 0,3)

Una tubería de 200 m de longitud y 100 mm de diámetro interior (factor de fricción de Darcy f = 0,015) 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), 3 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 20 L/s?

Q = 20 L/sL = 200 mD = 100 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 5
H = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 30 L/sH = 32 m

Una bomba con un rendimiento del 85 % impulsa 30 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 32 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 30 L/sH = 32 mη = 85%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 50 L/sΔz = 23 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,022, 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 23 m más alta. La tubería mide 100 m de longitud, tiene 150 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,022; 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 80 %. Halla la potencia en el eje Pshaft en kW.

Q = 50 L/sΔz = 23 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,022ΣK = 8η = 80%
Pshaft = kW

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 900 kg/h

Balance de materia en estado estacionario: entrada = salida para el total y para cada componente. Los problemas de mezcla combinan ambos.

Balances

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
sal: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Despeja ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 900·(40 − 30)/(30 − 20) = 900 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 900 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 1200 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 = 4200·10/35 = 1200 kg/h

Respuesta

P = 1200 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 33,79 °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 − 70) = 73,5 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 73,5/(2·4,18) = 33,79 °C

Respuesta

tout = 33,79 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 1,014 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 1·3,6·(170 − 80) = 324 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,15)·324 = 275,4 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 275,4/(4,18·65) = 1,014 kg/s

Respuesta

ṁc = 1,014 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 1183 kPa

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

Moles

n = m/M = 430/28,01 = 15,35 mol
T = 5 + 273,15 = 278,1 K

Presión

P = nRT/V = 15,35·8,314·278,1/0,03 = 1183 kPa

Respuesta

P = 1183 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 0,7178 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 = 130 + 273,15 = 403,1 K

Densidad

ρ = 150·16,04/(8,314·403,1) = 0,7178 kg/m³

Respuesta

ρ = 0,7178 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 18,02 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) = 6/2,016 = 2,976 mol
n(O2) = 16/32 = 0,5 mol

Reactivo limitante

2,976/2 = 1,488, 0,5/1 = 0,5 → O2

Masa de producto

n(H2O) = 0,5·2 = 1 mol
m = 1·18,02 = 18,02 g

Respuesta

m = 18,02 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 91,01 %

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(CH4) = 8/16,04 = 0,4988 mol
m = 0,4988·2/1·18,02 = 17,98 g

Rendimiento porcentual

Y = 16,36/17,98·100 = 91,01%

Respuesta

Y = 91,01%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,3111 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

49 = (2x)²/(0,2 − x)²

Saca la raíz cuadrada

7 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·7/(2 + 7) = 0,1556 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,3111 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,3111 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 0,04202 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/(0,1 − x) → x² + 0,08·x − 0,008 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,008))/2 = 0,05798 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 0,1 − 0,05798 = 0,04202 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 0,04202 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 23 °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

100·0,388·(120 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 20)

Despeja la temperatura final

Tf = (38,8·120 + 1254·20)/(38,8 + 1254) = 23 °C

Respuesta

Tf = 23 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: ΔH° = −890,3 kJ

Calor y entalpía: calentar una sustancia requiere q = m·c·ΔT. En un calorímetro, el calor cedido por el cuerpo caliente es igual al calor absorbido por el frío. La variación de entalpía de una reacción se obtiene de las entalpías de formación: ΔH° = ΣΔH°f(productos) − ΣΔH°f(reactivos), cada una multiplicada por su coeficiente.

Entalpía de reacción

ΔH° = [1·(−393,5) + 2·(−285,8)] − [1·(−74,8) + 2·0] = −890,3 kJ

Respuesta

ΔH° = −890,3 kJ

Negativo: la reacción desprende calor (exotérmica).

13.Cinética química

Respuesta: t = 15 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 = 1·0,75 = 0,75 mol/L

Tiempo

t = CA0·X/k = 0,75/0,05 = 15 min

Respuesta

t = 15 min
14.Cinética química

Respuesta: k2 = 0,1178 min⁻¹

Velocidad de reacción: en una reacción de primer orden −dC/dt = kC, así que C = C₀·e−kt y la vida media ln 2/k no depende de la concentración. En una reacción de segundo orden 1/C = 1/C₀ + kt. La constante de velocidad aumenta con la temperatura según Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperaturas absolutas

T1 = 293,1 K, T2 = 318,1 K

Cociente de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(55000/8,314)·(1/318,1 − 1/293,1) = 1,773
k2 = 0,02·e1,773 = 0,1178 min⁻¹

Respuesta

k2 = 0,1178 min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: VCSTR/VPFR = 1,938

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) = 0,7/0,3 = 2,333
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(3,333) = 1,204

Relación de volúmenes

VCSTR/VPFR = 2,333/1,204 = 1,938

Respuesta

VCSTR/VPFR = 1,938

La diferencia crece rápidamente a conversiones altas.

16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 96,69 %

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 = 1500/40 = 37,5 min, kτ = 0,12·37,5 = 4,5

Conversión

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 4,5) = 0,1818
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,03306
X = 1 − 0,03306 = 96,69%

Respuesta

X = 96,69%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 14,08 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 − 145 = 10 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 60 − 10 = 50 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (10 − 50)/ln(10/50) = 24,85 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 70000/(200·24,85) = 14,08 m²

Respuesta

A = 14,08 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: Th,out = 94,29 °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

1,5·(180 − Th,out) = 2·(Th,out − 30)
Th,out = (1,5·180 + 2·30)/(1,5 + 2) = 94,29 °C

Respuesta

Th,out = 94,29 °C

Calor transferido: Q̇ = 128,6 kW; la corriente fría sale a 115,7 °C.

19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = 15,75 °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)/(0,96·8) = 0,00651 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,035·8) = 0,3571 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 14/0,3637 = 38,5 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 16 − 38,5·0,00651 = 15,75 °C

Respuesta

Ti = 15,75 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 171,3 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/(7,7·6) = 0,02165 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,72·6) = 0,02315 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,17·6) = 0,1471 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·6) = 0,006667 K/W
ΣR = 0,1985 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (22 − (-12))/0,1985 = 171,3 W

Respuesta

Q̇ = 171,3 W
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δp = 70,99 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) = 0,022·(400/0,3)·2,2²/(2·9,81) = 7,236 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 = 1000·9,81·7,236 = 70987 Pa = 70,99 kPa

Respuesta

Δp = 70,99 kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: H = 12,36 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 = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,015·200/0,1 = 30
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 5 = 6,4

Ecuación de la energía

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

H = (1 + 30 + 6,4)·0,3305 = 12,36 m

Respuesta

H = 12,36 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 11,08 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 = 1000·9,81·0,03·32 = 9,418 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 9,418/0,85 = 11,08 kW

Respuesta

Pshaft = 11,08 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 19,77 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) = (14,67 + 8)·0,408 = 9,249 m

Altura de la bomba

H = Δz + hL = 23 + 9,249 = 32,25 m

Potencia en el eje

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,05·32,25/0,8 = 19,77 kW

Respuesta

Pshaft = 19,77 kW

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