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.

Problemas nuevosVolver a la asignatura

En la ventana de impresión, elige «Guardar como PDF» para conservar una copia en tu dispositivo.

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 11000 kg/h · 5% salCorriente 2ṁ₂ = ? · 40% salProducto25% sal

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

ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 5 %x2 = 40 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F1400 kg/h · 20% 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 = 1400 kg/hxF = 20 %xP = 35 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoaceite ligero · 170 °C90 °Cagua · 30 °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: 170 → 90 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoaceite ligero · 120 °C70 °Cagua · 30 °C45 °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 = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Ct: 30 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
480 g de CH₄V = 5 LT = 40 °CP = ?

Un depósito de 5 L contiene 480 g de CH₄ a 40 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 480 gM = 16,04 g/molV = 5 LT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
CH₄, M = 16,04 g/molP = 950 kPaT = 40 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de CH₄ a 950 kPa y 40 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 16,04 g/molP = 950 kPaT = 40 °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​)

8 g de Al y 10 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(Mg)n(Mg)n(MgO)m(MgO)÷ M(Mg)× 2/2× M(MgO)

En la reacción 2Mg + O2 → 2MgO, 20 g de Mg reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 31,17 g de MgO. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molreal: 31,17 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

Se introducen 0,8 mol/L de H₂ y 0,8 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 9. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 9
[HI] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,08 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 1,5 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Plomom = 75 gT = 110 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Aguam = 250 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de plomo de 75 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 110 °C se introduce en 250 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 16 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 110 °Cmwater = 250 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H2C2​H6​ + 7O₂reactivos4CO₂ + 6H₂O(l)productosΔH° = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular ΔH° de la reacción 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C2H6) = −84,7 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)30 minC = ?

Una reacción con ley de velocidad −rA = k·CA² tiene k = 0,5 L/(mol·min) y empieza con 1 mol/L. Halla la concentración CA tras 30 min.

k = 0,5 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/Lt = 30 min
CA = mol/L
14.Cinética químicaDifícil
Tk25 °C0,140 °C?

Una reacción tiene una constante de velocidad de 0,1 min⁻¹ a 25 °C y una energía de activación de 100 kJ/mol. Halla la constante de velocidad k2 a 40 °C.

k1 = 0,1 min⁻¹T1 = 25 °CT2 = 40 °CEa = 100 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 10 L/minX = 50%V = ?, k = 0,25 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,25 min⁻¹ se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) alimentado a 10 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 50 %.

Q = 10 L/mink = 0,25 min⁻¹X = 50%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 1000 LQ = 5 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,05 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 1000 L alimentado a 5 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 1000 LQ = 5 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT140 °C15 °C110 °CΔT₁ΔT₂vapor que condensa

En un condensador, el vapor condensa a 140 °C constantes en el exterior de los tubos. El agua de refrigeración (5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circula por los tubos y se calienta de 15 a 110 °C. El coeficiente global de transmisión de calor es 3000 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Ts = 140 °Cṁ = 5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 15 → 110 °CU = 3000 W/(m²·K)
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT180 °C130 °C42,51 °C15 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (2 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) se enfría de 180 a 130 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 2 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 15 °C. Con U = 1500 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 180 → 130 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Vidrio, k = 0,96250 mmMadera, k = 0,17100 mm25 °C4 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 250 mm de vidrio y 100 mm de madera, con un área de 20 m². Las caras exteriores están a 25 °C y 4 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 250 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 25 °CT3 = 4 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Vidrio, k = 0,96200 mmLana mineral, k = 0,0425 mminterior 20 °Cexterior -9 °CQ̇ = ?

Un muro de 200 mm de vidrio y 25 mm de lana mineral separa una habitación a 20 °C del aire exterior a -9 °C. Los coeficientes de convección son 7,7 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 12 m². Halla la pérdida de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 200 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 12 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -9 °C
Q̇ = W
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 12 L/sD = 100 mmL = 100 mf = 0,02

Agua circula a razón de 12 L/s por una tubería de 100 m de longitud y 100 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 = 12 L/sL = 100 mD = 100 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10Δz = ?L = 100 m, D = 300 mm, f = 0,023× 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. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 3 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. ¿Qué diferencia de nivel de agua Δz entre los depósitos da un caudal de 120 L/s?

Q = 120 L/sL = 100 mD = 300 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 100 L/sH = 26 m

Una bomba con un rendimiento del 78 % impulsa 100 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 26 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 100 L/sH = 26 mη = 78%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
200 kPa (manométrica)PQ = 30 L/sΔz = 5 mL = 400 m, D = 150 mm, f = 0,015, ΣK = 8

Una bomba impulsa 30 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 5 m más alta. La tubería mide 400 m de longitud, tiene 150 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,015; 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 200 kPa. Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 30 L/sΔz = 5 mL = 400 mD = 150 mmf = 0,015ΣK = 8ptank = 200 kPa
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 1333 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) = 1000·(5 − 25)/(25 − 40) = 1333 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 1333 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 800 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 = 1400·20/35 = 800 kg/h

Respuesta

P = 800 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 36,7 °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·(170 − 90) = 84 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 84/(3·4,18) = 36,7 °C

Respuesta

tout = 36,7 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 4,27 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 3·2,1·(120 − 70) = 315 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,15)·315 = 267,8 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 267,8/(4,18·15) = 4,27 kg/s

Respuesta

ṁc = 4,27 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 15582 kPa

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

Moles

n = m/M = 480/16,04 = 29,93 mol
T = 40 + 273,15 = 313,1 K

Presión

P = nRT/V = 29,93·8,314·313,1/0,005 = 15582 kPa

Respuesta

P = 15582 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 5,853 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 = 40 + 273,15 = 313,1 K

Densidad

ρ = 950·16,04/(8,314·313,1) = 5,853 kg/m³

Respuesta

ρ = 5,853 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 12,54 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) = 8/26,98 = 0,2965 mol
n(Cl2) = 10/70,9 = 0,141 mol

Reactivo limitante

0,2965/2 = 0,1483, 0,141/3 = 0,04701 → Cl2

Masa de producto

n(AlCl3) = 0,04701·2 = 0,09403 mol
m = 0,09403·133,33 = 12,54 g

Respuesta

m = 12,54 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 94,01 %

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(Mg) = 20/24,31 = 0,8227 mol
m = 0,8227·2/2·40,3 = 33,16 g

Rendimiento porcentual

Y = 31,17/33,16·100 = 94,01%

Respuesta

Y = 94,01%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,96 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/(0,8 − x)²

Saca la raíz cuadrada

3 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·3/(2 + 3) = 0,48 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,96 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,96 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 1,191 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/(1,5 − x) → x² + 0,08·x − 0,12 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,12))/2 = 0,3087 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 1,5 − 0,3087 = 1,191 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 1,191 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 16,86 °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

75·0,129·(110 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 16)

Despeja la temperatura final

Tf = (9,675·110 + 1045·16)/(9,675 + 1045) = 16,86 °C

Respuesta

Tf = 16,86 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: ΔH° = −3119 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° = [4·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [2·(−84,7) + 7·0] = −3119 kJ

Respuesta

ΔH° = −3119 kJ

Negativo: la reacción desprende calor (exotérmica).

13.Cinética química

Respuesta: CA = 0,0625 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 = 1 + 0,5·30 = 16 L/mol
CA = 1/16 = 0,0625 mol/L

Respuesta

CA = 0,0625 mol/L
14.Cinética química

Respuesta: k2 = 0,6906 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 = 298,1 K, T2 = 313,1 K

Cociente de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(100000/8,314)·(1/313,1 − 1/298,1) = 1,932
k2 = 0,1·e1,932 = 0,6906 min⁻¹

Respuesta

k2 = 0,6906 min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 27,73 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 − 0,5))/0,25 = 0,6931/0,25 = 2,773 min

Volumen

V = Q·τ = 10·2,773 = 27,73 L

Respuesta

V = 27,73 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 90,91 %

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 = 1000/5 = 200 min, kτ = 0,05·200 = 10

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 10/(1 + 10) = 90,91%

Respuesta

X = 90,91%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 9,942 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 = 5·4,18·(110 − 15) = 1985 kW

Diferencias de temperatura en los extremos

ΔT₁ = 140 − 15 = 125 K
ΔT₂ = 140 − 110 = 30 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (125 − 30)/ln(125/30) = 66,57 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 1,985 × 10⁶/(3000·66,57) = 9,942 m²

Respuesta

A = 9,942 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 1,218 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) = 2·2,3·50 = 230 kW
Tc,out = 15 + 230/(2·4,18) = 42,51 °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 = 180 − 42,51 = 137,5 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 130 − 15 = 115 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (137,5 − 115)/ln(137,5/115) = 125,9 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 230000/(1500·125,9) = 1,218 m²

Respuesta

A = 1,218 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 494,9 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)/(0,96·20) = 0,01302 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·20) = 0,02941 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 21/0,04243 = 494,9 W

Respuesta

Q̇ = 494,9 W
20.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 346,9 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/(7,7·12) = 0,01082 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,96·12) = 0,01736 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,04·12) = 0,05208 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·12) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,0836 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (20 − (-9))/0,0836 = 346,9 W

Respuesta

Q̇ = 346,9 W
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 2,38 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·0,1²/4 = 0,007854 m²
V = Q/A = 0,012/0,007854 = 1,528 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 1,528²/(2·9,81) = 0,119 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(100/0,1)·1,528²/(2·9,81) = 2,38 m

Respuesta

hf = 2,38 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 2,801 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 = 0,12/0,07069 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,02·100/0,3 = 6,667
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 + 1,0 = 12,4

Pérdida de carga total

hf = 6,667·0,1469 = 0,9793 m
hm = 12,4·0,1469 = 1,821 m
Δz = hf + hm = 2,801 m

Respuesta

Δz = 2,801 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 32,7 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 = 1000·9,81·0,1·26 = 25,51 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 25,51/0,78 = 32,7 kW

Respuesta

Pshaft = 32,7 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 32,44 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 = 0,03/0,01767 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (40 + 8)·0,1469 = 7,051 m

Altura de presión

p/(ρ·g) = 200000/(1000·9,81) = 20,39 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 = 5 + 20,39 + 7,051 = 32,44 m

Respuesta

H = 32,44 m

Este es material de práctica independiente. ExamProblems no está afiliado ni respaldado por la organización que gestiona este examen, y el nombre del examen se usa solo para describir el contenido. El FE exam lo organiza NCEES, que no está afiliado a ExamProblems ni lo respalda.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-chemical