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 1200 kg/h · 45% azúcarCorriente 2ṁ₂ = ? · 5% 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 = 200 kg/hx1 = 45 %x2 = 5 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F4400 kg/h · 16% salProducto PP = ? · 35%Vapor W (agua pura)0% sal

Un evaporador concentra una disolución de sal evaporando agua pura. Halla el caudal de producto P en kg/h.

F = 4400 kg/hxF = 16 %xP = 35 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoaceite ligero · 140 °C90 °Cagua · 10 °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 → 90 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 120 °C90 °Cagua · 30 °C70 °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 = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 90 °Ct: 30 → 70 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
340 g de ArP = 100 kPaT = 90 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 340 g de Ar a 100 kPa y 90 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 340 gM = 39,95 g/molP = 100 kPaT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
N₂, M = 28,01 g/molP = 850 kPaT = 120 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de N₂ a 850 kPa y 120 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 28,01 g/molP = 850 kPaT = 120 °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​)

20 g de Al y 8 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(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(Fe2​O3​)× 3/1× M(CO2​)

En la reacción Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2, 4 g de Fe2O3 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 2,81 g de CO2. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 2,81 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 = 16. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 16
[HI] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,2500C−x+x+xE0,25 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,05 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,25 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Plomom = 100 gT = 80 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Aguam = 300 gT = 20 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de plomo de 100 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 80 °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 = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 80 °Cmwater = 300 gTwater = 20 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
HC3​H8​ + 5O₂reactivos3CO₂ + 4H₂O(l)productosΔH° = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular ΔH° de la reacción C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(C3H8) = −103,8 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 = ?99%

Una reacción de primer orden en un reactor discontinuo tiene k = 0,01 min⁻¹. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 99 %? Halla t.

k = 0,01 min⁻¹X = 99 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk40 °C0,0555 °C?

Una reacción tiene una constante de velocidad de 0,05 min⁻¹ a 40 °C y una energía de activación de 80 kJ/mol. Halla la constante de velocidad k2 a 55 °C.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 55 °CEa = 80 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 40 L/minX = 70%V = ?, k = 0,4 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,4 min⁻¹ se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) alimentado a 40 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 70 %.

Q = 40 L/mink = 0,4 min⁻¹X = 70%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 2000 LQ = 100 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,08 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 2000 L alimentado a 100 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 2000 LQ = 100 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT155 °C130 °C120 °C20 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador a contracorriente transfiere 250 kW. El fluido caliente se enfría de 155 a 130 °C y el frío se calienta de 20 a 120 °C. El coeficiente global de transmisión es 1000 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 250 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 155 → 130 °CTc: 20 → 120 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT100 °C??25 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

En un intercambiador a contracorriente ambas corrientes tienen la misma capacidad calorífica, ṁ·cp = 1 kW/K. La corriente caliente entra a 100 °C y la fría a 25 °C. El intercambiador tiene A = 3 m² y U = 500 W/(m²·K). Halla la temperatura de salida del fluido caliente Th,out.

Ch = Cc = 1 kW/KTh,in = 100 °CTc,in = 25 °CA = 3 m²U = 500 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conducción de calorMedia
Placa de yeso, k = 0,17250 mmHormigón, k = 1,450 mm24 °C-15 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 250 mm de placa de yeso y 50 mm de hormigón, con un área de 12 m². Las caras exteriores están a 24 °C y -15 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 24 °CT3 = -15 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Poliestireno expandido, k = 0,035150 mmLana mineral, k = 0,0425 mminterior 20 °Cexterior -1 °CQ̇ = ?

Un muro de 150 mm de poliestireno expandido y 25 mm de lana mineral separa una habitación a 20 °C del aire exterior a -1 °C. Los coeficientes de convección son 7,7 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 20 m². Halla la pérdida de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 150 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 20 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -1 °C
Q̇ = W
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 6 L/sD = 50 mmL = 400 mf = 0,02

Agua circula a razón de 6 L/s por una tubería de 400 m de longitud y 50 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,02 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

Q = 6 L/sL = 400 mD = 50 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10Δz = 28 mL = 100 m, D = 100 mm, f = 0,024× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 100 m de longitud, 100 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,02. La superficie libre del depósito superior está 28 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 = 28 mL = 100 mD = 100 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 40 L/sH = 52 m

Una bomba impulsa 40 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 52 m. El rendimiento de la bomba es del 82 % y el motor eléctrico que la acciona tiene un rendimiento del 88 %. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia eléctrica Pel que absorbe el motor, en kW.

Q = 40 L/sH = 52 mηpump = 82%ηmotor = 88%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
250 kPa (manométrica)PQ = 20 L/sΔz = 17 mL = 200 m, D = 100 mm, f = 0,022, ΣK = 8

Una bomba impulsa 20 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 17 m más alta. La tubería mide 200 m de longitud, tiene 100 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 depósito superior está cerrado y el aire sobre el agua está a una presión manométrica de 250 kPa. Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 20 L/sΔz = 17 mL = 200 mD = 100 mmf = 0,022ΣK = 8ptank = 250 kPa
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
azúcar: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Despeja ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 200·(45 − 25)/(25 − 5) = 200 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 200 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 2011 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 = 4400·16/35 = 2011 kg/h

Respuesta

P = 2011 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 16,28 °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 − 90) = 52,5 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 52,5/(2·4,18) = 16,28 °C

Respuesta

tout = 16,28 °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 = 1·2,44·(120 − 90) = 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 = 257 L

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

Moles

n = 340/39,95 = 8,511 mol
T = 90 + 273,15 = 363,1 K

Volumen

V = nRT/P = 8,511·8,314·363,1/100 = 257 L

Respuesta

V = 257 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 7,284 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 = 120 + 273,15 = 393,1 K

Densidad

ρ = 850·28,01/(8,314·393,1) = 7,284 kg/m³

Respuesta

ρ = 7,284 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 10,03 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) = 20/26,98 = 0,7413 mol
n(Cl2) = 8/70,9 = 0,1128 mol

Reactivo limitante

0,7413/2 = 0,3706, 0,1128/3 = 0,03761 → Cl2

Masa de producto

n(AlCl3) = 0,03761·2 = 0,07522 mol
m = 0,07522·133,33 = 10,03 g

Respuesta

m = 10,03 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 84,97 %

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(Fe2O3) = 4/159,69 = 0,02505 mol
m = 0,02505·3/1·44,01 = 3,307 g

Rendimiento porcentual

Y = 2,81/3,307·100 = 84,97%

Respuesta

Y = 84,97%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,2667 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

16 = (2x)²/(0,2 − x)²

Saca la raíz cuadrada

4 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·4/(2 + 4) = 0,1333 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,2667 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,2667 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 0,1604 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/(0,25 − x) → x² + 0,05·x − 0,0125 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,0125))/2 = 0,08956 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 0,25 − 0,08956 = 0,1604 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 0,1604 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 20,61 °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

100·0,129·(80 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 20)

Despeja la temperatura final

Tf = (12,9·80 + 1254·20)/(12,9 + 1254) = 20,61 °C

Respuesta

Tf = 20,61 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: ΔH° = −2220 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° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Respuesta

ΔH° = −2220 kJ

Negativo: la reacción desprende calor (exotérmica).

13.Cinética química

Respuesta: t = 460,5 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)/0,01 = 460,5 min

Respuesta

t = 460,5 min
14.Cinética química

Respuesta: k2 = 0,2037 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 = 313,1 K, T2 = 328,1 K

Cociente de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(80000/8,314)·(1/328,1 − 1/313,1) = 1,405
k2 = 0,05·e1,405 = 0,2037 min⁻¹

Respuesta

k2 = 0,2037 min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 120,4 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 − 0,7))/0,4 = 1,204/0,4 = 3,01 min

Volumen

V = Q·τ = 40·3,01 = 120,4 L

Respuesta

V = 120,4 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 61,54 %

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

Tiempo espacial

τ = V/Q = 2000/100 = 20 min, kτ = 0,08·20 = 1,6

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 1,6/(1 + 1,6) = 61,54%

Respuesta

X = 61,54%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 3,817 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 − 120 = 35 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 130 − 20 = 110 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (35 − 110)/ln(35/110) = 65,49 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 250000/(1000·65,49) = 3,817 m²

Respuesta

A = 3,817 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: Th,out = 55 °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·(100 − Th,out) = 1,5·(Th,out − 25)
Th,out = (1·100 + 1,5·25)/(1 + 1,5) = 55 °C

Respuesta

Th,out = 55 °C

Calor transferido: Q̇ = 45 kW; la corriente fría sale a 70 °C.

19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 310,7 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 de las capas

R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·12) = 0,1225 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(1,4·12) = 0,002976 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 39/0,1255 = 310,7 W

Respuesta

Q̇ = 310,7 W
20.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 82,67 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/(7,7·20) = 0,006494 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,035·20) = 0,2143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,04·20) = 0,03125 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·20) = 0,002 K/W
ΣR = 0,254 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (20 − (-1))/0,254 = 82,67 W

Respuesta

Q̇ = 82,67 W
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 76,15 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·0,05²/4 = 0,001963 m²
V = Q/A = 0,006/0,001963 = 3,056 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 3,056²/(2·9,81) = 0,4759 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(400/0,05)·3,056²/(2·9,81) = 76,15 m

Respuesta

hf = 76,15 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Q = 32,19 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 = 0,02·100/0,1 = 20
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.

28 = (20 + 12,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·28/32,7) = 4,099 m/s

Caudal

Q = V·π·D²/4 = 4,099·0,007854 = 0,03219 m³/s = 32,19 L/s

Respuesta

Q = 32,19 L/s
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pel = 28,28 kW

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

Potencia hidráulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,04·52 = 20,4 kW

Potencia en el eje

Pshaft = 20,4/0,82 = 24,88 kW

Potencia eléctrica

Pel = 24,88/0,88 = 28,28 kW

Respuesta

Pel = 28,28 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 59,67 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 = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (44 + 8)·0,3305 = 17,19 m

Altura de presión

p/(ρ·g) = 250000/(1000·9,81) = 25,48 m

Altura de la bomba

Las dos superficies están prácticamente en reposo, así que no hay término de altura de velocidad.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 17 + 25,48 + 17,19 = 59,67 m

Respuesta

H = 59,67 m

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