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 1450 kg/h · 40% NaOHCorriente 2ṁ₂ = ? · 20% NaOHProducto30% NaOH

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

ṁ1 = 450 kg/hx1 = 40 %x2 = 20 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F1600 kg/h · 15% azúcarProducto PP = ? · 45%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 = 1600 kg/hxF = 15 %xP = 45 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríomezcla de glicol · 140 °C110 °Cagua · 10 °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 = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 110 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoaceite ligero · 170 °C80 °Cagua · 15 °C65 °C · ṁ = ?15 % perdido

aceite ligero 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 = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 80 °Ct: 15 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
150 g de HeV = 30 LT = 15 °CP = ?

Un depósito de 30 L contiene 150 g de He a 15 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 150 gM = 4,003 g/molV = 30 LT = 15 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
O₂, M = 32 g/molP = 400 kPaT = 50 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de O₂ a 400 kPa y 50 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 32 g/molP = 400 kPaT = 50 °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​)

10 g de Al y 80 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(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​HII0,250,250C−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 = 9. Calcula la concentración en el equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 9
[H2] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

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

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,1
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Hierrom = 75 gT = 180 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Aguam = 400 gT = 15 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de hierro de 75 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 180 °C se introduce en 400 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 15 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 180 °Cmwater = 400 gTwater = 15 °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)C (mol/L)10 minC = ?

Una reacción con ley de velocidad −rA = k·CA² tiene k = 1 L/(mol·min) y empieza con 1,5 mol/L. Halla la concentración CA tras 10 min.

k = 1 L/(mol·min)CA0 = 1,5 mol/Lt = 10 min
CA = mol/L
14.Cinética químicaDifícil
1/Tln kT = 60 °Cln 0,001ln A = ?Ea​ = 100 kJ/mol

Una reacción de primer orden tiene una constante de velocidad de 0,001 s⁻¹ a 60 °C y una energía de activación de 100 kJ/mol. Halla el factor preexponencial A de la ecuación de Arrhenius.

k = 0,001 s⁻¹T = 60 °CEa = 100 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 40 L/minX = 70%V = ?, k = 0,12 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,12 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 = 0,12 min⁻¹X = 70%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 1000 LV = 1000 LQ = 20 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,05 min⁻¹) se lleva a cabo en dos CSTR iguales en serie, de 1000 L cada uno. El caudal de alimentación es 20 L/min, la densidad es constante y los reactores están en estado estacionario. Halla la conversión global X en porcentaje.

V = 1000 L (×2)Q = 20 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT120 °C15 °C50 °CΔT₁ΔT₂vapor que condensa

En un condensador, el vapor condensa a 120 °C constantes en el exterior de los tubos. El agua de refrigeración (4 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circula por los tubos y se calienta de 15 a 50 °C. El coeficiente global de transmisión de calor es 2000 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Ts = 120 °Cṁ = 4 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 15 → 50 °CU = 2000 W/(m²·K)
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT145 °C95 °C114,7 °C25 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (1,5 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) se enfría de 145 a 95 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 0,5 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 25 °C. Con U = 300 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 145 → 95 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 300 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Placa de yeso, k = 0,17100 mmLana mineral, k = 0,04100 mm18 °C0 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 100 mm de placa de yeso y 100 mm de lana mineral, con un área de 15 m². Las caras exteriores están a 18 °C y 0 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 18 °CT3 = 0 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Placa de yeso, k = 0,17100 mmVidrio, k = 0,96150 mminterior 20 °Cexterior -9 °CQ̇

Un muro de 100 mm de placa de yeso y 150 mm de vidrio separa una habitación a 20 °C del aire exterior a -9 °C. Los coeficientes de convección son 8 W/(m²·K) dentro y 30 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 15 m². Halla el coeficiente global de transmisión de calor U del muro.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 15 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -9 °C
U = W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 1,7 m/sD = 50 mmL = 200 mf = 0,022

Agua circula con una velocidad media de 1,7 m/s por una tubería de 200 m de longitud y 50 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,022 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

V = 1,7 m/sL = 200 mD = 50 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10Δz = 20 mL = 100 m, D = 300 mm, f = 0,022× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 100 m de longitud, 300 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,02. La superficie libre del depósito superior está 20 m por encima de la del inferior. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 2 codos (K = 0,3 cada uno), una válvula (K = 10) y la salida al depósito inferior (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Halla el caudal Q en L/s.

Δz = 20 mL = 100 mD = 300 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 10 L/sH = 14 m

Una bomba con un rendimiento del 78 % impulsa 10 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 14 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 10 L/sH = 14 mη = 78%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
400 kPa (manométrica)PQ = 80 L/sΔz = 6 mL = 150 m, D = 200 mm, f = 0,02, ΣK = 6

Una bomba impulsa 80 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 6 m más alta. La tubería mide 150 m de longitud, tiene 200 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,02; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 6 (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 400 kPa. Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 80 L/sΔz = 6 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 6ptank = 400 kPa
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 450 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) = 450·(40 − 30)/(30 − 20) = 450 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 450 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 533,3 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 = 1600·15/45 = 533,3 kg/h

Respuesta

P = 533,3 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 35,84 °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 = 1,5·3,6·(140 − 110) = 162 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 162/(1,5·4,18) = 35,84 °C

Respuesta

tout = 35,84 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 1,922 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 2,5·2,1·(170 − 80) = 472,5 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,15)·472,5 = 401,6 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 401,6/(4,18·50) = 1,922 kg/s

Respuesta

ṁc = 1,922 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 2992 kPa

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

Moles

n = m/M = 150/4,003 = 37,47 mol
T = 15 + 273,15 = 288,1 K

Presión

P = nRT/V = 37,47·8,314·288,1/0,03 = 2992 kPa

Respuesta

P = 2992 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 4,764 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 = 50 + 273,15 = 323,1 K

Densidad

ρ = 400·32/(8,314·323,1) = 4,764 kg/m³

Respuesta

ρ = 4,764 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 49,42 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) = 10/26,98 = 0,3706 mol
n(Cl2) = 80/70,9 = 1,128 mol

Reactivo limitante

0,3706/2 = 0,1853, 1,128/3 = 0,3761 → Al

Masa de producto

n(AlCl3) = 0,1853·2 = 0,3706 mol
m = 0,3706·133,33 = 49,42 g

Respuesta

m = 49,42 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] = 0,1 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/(0,25 − x)²

Saca la raíz cuadrada

3 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·3/(2 + 3) = 0,15 mol/L

Concentración en el equilibrio

[H₂] = 0,25 − x = 0,1 mol/L

Respuesta

[H2] = 0,1 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,0618 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

0,1 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,1·x − 0,01 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,01))/2 = 0,0618 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,0618 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,0618 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 18,26 °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·(180 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 15)

Despeja la temperatura final

Tf = (33,68·180 + 1672·15)/(33,68 + 1672) = 18,26 °C

Respuesta

Tf = 18,26 °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: CA = 0,09375 mol/L

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).

Ley integrada de segundo orden

1/CA = 1/CA0 + kt = 0,6667 + 1·10 = 10,67 L/mol
CA = 1/10,67 = 0,09375 mol/L

Respuesta

CA = 0,09375 mol/L
14.Cinética química

Respuesta: A = 4,782 × 10¹² 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 = 60 + 273,15 = 333,1 K

Despeja A de la ecuación de Arrhenius

Ea/(RT) = 100000/(8,314·333,1) = 36,1
A = k·e36,1 = 0,001·4,782 × 10¹⁵ = 4,782 × 10¹² s⁻¹

Respuesta

A = 4,782 × 10¹² s⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 401,3 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))/0,12 = 1,204/0,12 = 10,03 min

Volumen

V = Q·τ = 40·10,03 = 401,3 L

Respuesta

V = 401,3 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 91,84 %

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 = 1000/20 = 50 min, kτ = 0,05·50 = 2,5

Conversión

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 2,5) = 0,2857
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,08163
X = 1 − 0,08163 = 91,84%

Respuesta

X = 91,84%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 3,39 m²

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.

Potencia térmica en el lado del agua

Q̇ = 4·4,18·(50 − 15) = 585,2 kW

Diferencias de temperatura en los extremos

ΔT₁ = 120 − 15 = 105 K
ΔT₂ = 120 − 50 = 70 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (105 − 70)/ln(105/70) = 86,32 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 585200/(2000·86,32) = 3,39 m²

Respuesta

A = 3,39 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 13,18 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) = 1,5·2,5·50 = 187,5 kW
Tc,out = 25 + 187,5/(0,5·4,18) = 114,7 °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 = 145 − 114,7 = 30,29 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 95 − 25 = 70 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (30,29 − 70)/ln(30,29/70) = 47,4 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 187500/(300·47,4) = 13,18 m²

Respuesta

A = 13,18 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 87,43 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) = (100/1000)/(0,17·15) = 0,03922 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,04·15) = 0,1667 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 18/0,2059 = 87,43 W

Respuesta

Q̇ = 87,43 W
20.Conducción de calor

Respuesta: U = 1,108 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/(8·15) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·15) = 0,03922 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,96·15) = 0,01042 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·15) = 0,002222 K/W
ΣR = 0,06019 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(15·0,06019) = 1,108 W/(m²·K)

Respuesta

U = 1,108 W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 12,96 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.

Altura de velocidad

V²/(2g) = 1,7²/(2·9,81) = 0,1473 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(200/0,05)·1,7²/(2·9,81) = 12,96 m

Respuesta

hf = 12,96 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Q = 323,2 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 = 0,02·100/0,3 = 6,667
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Ecuación de la energía

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

20 = (6,667 + 12,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·20/18,77) = 4,573 m/s

Caudal

Q = V·π·D²/4 = 4,573·0,07069 = 0,3232 m³/s = 323,2 L/s

Respuesta

Q = 323,2 L/s
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 1,761 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 = 1000·9,81·0,01·14 = 1,373 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 1,373/0,78 = 1,761 kW

Respuesta

Pshaft = 1,761 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 53,72 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 = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (15 + 6)·0,3305 = 6,941 m

Altura de presión

p/(ρ·g) = 400000/(1000·9,81) = 40,77 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 = 6 + 40,77 + 6,941 = 53,72 m

Respuesta

H = 53,72 m

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