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 1850 kg/h · 10% azúcarCorriente 2ṁ₂ = ? · 40% azúcarProducto30% azúcar

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

ṁ1 = 850 kg/hx1 = 10 %x2 = 40 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F5000 kg/h · 12% salProducto PP = ? · 50%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 = 5000 kg/hxF = 12 %xP = 50 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoetanol · 120 °C70 °Cagua · 25 °Ct = ? °C

etanol 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 = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoaceite ligero · 130 °C60 °Cagua · 15 °C55 °C · ṁ = ?5 % perdido

aceite ligero 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 = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Ct: 15 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
150 g de O₂P = 500 kPaT = 50 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 150 g de O₂ a 500 kPa y 50 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 150 gM = 32 g/molP = 500 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de He pasa de 100 kPa, 5 L, 20 °C a 400 kPa y 220 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 100 kPaV1 = 5 LT1 = 20 °CP2 = 400 kPaT2 = 220 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

6 g de Fe2O3 y 64 g de CO reaccionan según Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. ¿Qué masa m de CO2 se puede formar?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(CO2) = 44,01 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, 12 g de CH4 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 20,22 g de H2O. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreal: 20,22 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,50,50C−x−x+2xE0,5 − x0,5 − x2x

Se introducen 0,5 mol/L de H₂ y 0,5 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 54. Calcula la concentración en el equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 54
[H2] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,02 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,2 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LKc = 0,02
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Plomom = 200 gT = 160 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Aguam = 250 gT = 21 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de plomo de 200 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 160 °C se introduce en 250 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 21 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 250 gTwater = 21 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H50 g CH4​CH4​ + 2O₂reactivosCO₂ + 2H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 50 g de CH4 (M = 16,04 g/mol) se queman por completo: CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(CH4) = −74,8 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 = ?75%

Una reacción de primer orden en un reactor discontinuo tiene k = 0,05 min⁻¹. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 75 %? Halla t.

k = 0,05 min⁻¹X = 75 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk40 °Ck1​?4·k1​

Una reacción tiene una energía de activación de 90 kJ/mol. A 40 °C es demasiado lenta. ¿Hasta qué temperatura T2 (en °C) hay que calentarla para que sea 4 veces más rápida?

Ea = 90 kJ/molT1 = 40 °Ck2/k1 = 4R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
QX = 90%mismos Q, k y X que el CSTR

Una reacción de primer orden en fase líquida debe alcanzar un 90 % 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 = 90%primer orden, mismos k y Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 100 LV = 100 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 100 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 = 100 L (×2)Q = 40 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT140 °C55 °C80 °C15 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador a contracorriente transfiere 250 kW. El fluido caliente se enfría de 140 a 55 °C y el frío se calienta de 15 a 80 °C. El coeficiente global de transmisión es 200 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 250 kWU = 200 W/(m²·K)Th: 140 → 55 °CTc: 15 → 80 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT120 °C10 °C?ΔT₁ΔT₂vapor que condensa

En un condensador con un área de intercambio de 6 m² y U = 2000 W/(m²·K), el vapor condensa a 120 °C constantes en el exterior de los tubos. El agua de refrigeración (2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra en los tubos a 10 °C. Halla la temperatura de salida del agua Tc,out.

Ts = 120 °CA = 6 m²U = 2000 W/(m²·K)ṁ = 2 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °C
Tc,out = °C
19.Conducción de calorMedia
Madera, k = 0,17200 mmPoliestireno expandido, k = 0,035150 mm21 °C-2 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 200 mm de madera y 150 mm de poliestireno expandido, con un área de 15 m². Las caras exteriores están a 21 °C y -2 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 200 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 21 °CT3 = -2 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Madera, k = 0,17200 mmLadrillo, k = 0,7275 mminterior 22 °Cexterior -6 °CTs​ = ?Q̇

Un muro de 200 mm de madera y 75 mm de ladrillo separa una habitación a 22 °C del aire exterior a -6 °C. Los coeficientes de convección son 8 W/(m²·K) dentro y 30 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 12 m². Halla la temperatura Ts de la cara interior del muro.

L1 = 200 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 12 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -6 °C
Ts = °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 1,2 m/sD = 300 mmL = 1000 mf = 0,028

Agua circula con una velocidad media de 1,2 m/s por una tubería de 1000 m de longitud y 300 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,028 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

V = 1,2 m/sL = 1000 mD = 300 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 5Δz = 25 mL = 400 m, D = 300 mm, f = 0,0154× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 400 m de longitud, 300 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,015. La superficie libre del depósito superior está 25 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 = 5) y la salida al depósito inferior (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Halla el caudal Q en L/s.

Δz = 25 mL = 400 mD = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 50 L/sH = 54 m

En un ensayo, una bomba impulsa 50 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 54 m mientras su eje absorbe 33,1 kW. Usa g = 9,81 m/s². Halla el rendimiento de la bomba η en porcentaje.

Q = 50 L/sH = 54 mPshaft = 33,1 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 60 L/sΔz = 11 mL = 300 m, D = 200 mm, f = 0,022, ΣK = 5

Una bomba impulsa 60 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 11 m más alta. La tubería mide 300 m de longitud, tiene 200 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,022; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 5 (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 = 60 L/sΔz = 11 mL = 300 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 5η = 70%
Pshaft = kW

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 1700 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) = 850·(10 − 30)/(30 − 40) = 1700 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 1700 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 = 5000·12/50 = 1200 kg/h

Respuesta

P = 1200 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 29,86 °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 = 0,5·2,44·(120 − 70) = 61 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 61/(3·4,18) = 29,86 °C

Respuesta

tout = 29,86 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 1,253 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 1,5·2,1·(130 − 60) = 220,5 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,05)·220,5 = 209,5 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 209,5/(4,18·40) = 1,253 kg/s

Respuesta

ṁc = 1,253 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 25,19 L

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

Moles

n = 150/32 = 4,688 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Volumen

V = nRT/P = 4,688·8,314·323,1/500 = 25,19 L

Respuesta

V = 25,19 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 2,103 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 293,1 K, T2 = 493,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(100/400)·(493,1/293,1) = 2,103 L

Respuesta

V2 = 2,103 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 4,961 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(Fe2O3) = 6/159,69 = 0,03757 mol
n(CO) = 64/28,01 = 2,285 mol

Reactivo limitante

0,03757/1 = 0,03757, 2,285/3 = 0,7616 → Fe2O3

Masa de producto

n(CO2) = 0,03757·3 = 0,1127 mol
m = 0,1127·44,01 = 4,961 g

Respuesta

m = 4,961 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 74,99 %

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) = 12/16,04 = 0,7481 mol
m = 0,7481·2/1·18,02 = 26,96 g

Rendimiento porcentual

Y = 20,22/26,96·100 = 74,99%

Respuesta

Y = 74,99%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [H2] = 0,107 mol/L

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

Expresión de equilibrio

54 = (2x)²/(0,5 − x)²

Saca la raíz cuadrada

7,348 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·7,348/(2 + 7,348) = 0,393 mol/L

Concentración en el equilibrio

[H₂] = 0,5 − x = 0,107 mol/L

Respuesta

[H2] = 0,107 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,05403 mol/L

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

Expresión de equilibrio

0,02 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,02·x − 0,004 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,004))/2 = 0,05403 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,05403 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,05403 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 24,35 °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

200·0,129·(160 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 21)

Despeja la temperatura final

Tf = (25,8·160 + 1045·21)/(25,8 + 1045) = 24,35 °C

Respuesta

Tf = 24,35 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 2775 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

Calor para la masa dada

n = 50/16,04 = 3,117 mol
q = n·|ΔH°/1| = 3,117·890,3 = 2775 kJ

Respuesta

q = 2775 kJ
13.Cinética química

Respuesta: t = 27,73 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 = 0,25

Despeja el tiempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,25)/0,05 = 27,73 min

Respuesta

t = 27,73 min
14.Cinética química

Respuesta: T2 = 53,08 °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 = 313,1 K

Despeja T₂ de la ecuación de Arrhenius

1/T2 = 1/313,1 − 8,314·ln(4)/90000 = 3,193 × 10⁻³ − 1,281 × 10⁻⁴ = 3,065 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 326,2 K = 53,08 °C

Respuesta

T2 = 53,08 °C
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: VCSTR/VPFR = 3,909

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) = 0,9/0,1 = 9
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(10) = 2,303

Relación de volúmenes

VCSTR/VPFR = 9/2,303 = 3,909

Respuesta

VCSTR/VPFR = 3,909

La diferencia crece rápidamente a conversiones altas.

16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 40,83 %

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 = 100/40 = 2,5 min, kτ = 0,12·2,5 = 0,3

Conversión

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,3) = 0,7692
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,5917
X = 1 − 0,5917 = 40,83%

Respuesta

X = 40,83%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 25,34 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 = 140 − 80 = 60 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 15 = 40 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (60 − 40)/ln(60/40) = 49,33 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 250000/(200·49,33) = 25,34 m²

Respuesta

A = 25,34 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: Tc,out = 93,82 °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.

Combina el balance de energía y la ecuación de transferencia

Con ΔT₁ = Ts − Tc,in y ΔT₂ = Ts − Tc,out, la diferencia ΔT₁ − ΔT₂ es igual al aumento de temperatura del agua, así que el aumento se simplifica.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 2000·6/(2·4180) = 1,435

Temperatura de salida

ΔT₂ = ΔT₁·e−1,435 = 110·0,238 = 26,18 K
Tc,out = 120 − 26,18 = 93,82 °C

Respuesta

Tc,out = 93,82 °C

Calor transferido: Q̇ = 700,7 kW.

19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = 16,05 °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)/(0,17·15) = 0,07843 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,035·15) = 0,2857 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 23/0,3641 = 63,16 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 21 − 63,16·0,07843 = 16,05 °C

Respuesta

Ti = 16,05 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: Ts = 19,57 °C

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

Resistencias en serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(8·12) = 0,01042 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,17·12) = 0,09804 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,72·12) = 0,008681 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·12) = 0,002778 K/W
ΣR = 0,1199 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (22 − (-6))/0,1199 = 233,5 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 233,5·0,01042 = 19,57 °C

Respuesta

Ts = 19,57 °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 6,85 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) = 1,2²/(2·9,81) = 0,07339 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(1000/0,3)·1,2²/(2·9,81) = 6,85 m

Respuesta

hf = 6,85 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Q = 297,4 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 = 0,015·400/0,3 = 20
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 + 1,0 = 7,7

Ecuación de la energía

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

25 = (20 + 7,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·25/27,7) = 4,208 m/s

Caudal

Q = V·π·D²/4 = 4,208·0,07069 = 0,2974 m³/s = 297,4 L/s

Respuesta

Q = 297,4 L/s
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: η = 80,02 %

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

Potencia hidráulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,05·54 = 26,49 kW

Rendimiento

η = Ph/Pshaft = 26,49/33,1 = 80,02%

Respuesta

η = 80,02%
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 15,19 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 = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (33 + 5)·0,1859 = 7,065 m

Altura de la bomba

H = Δz + hL = 11 + 7,065 = 18,06 m

Potencia en el eje

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,06·18,06/0,7 = 15,19 kW

Respuesta

Pshaft = 15,19 kW

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