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 1950 kg/h · 15% azúcarCorriente 2ṁ₂ = ? · 35% 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 = 950 kg/hx1 = 15 %x2 = 35 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F800 kg/h · 19% salProducto P40% salVapor W (agua pura)W = ? kg/h

Un evaporador concentra una disolución de sal evaporando agua pura. Halla el agua evaporada W en kg/h.

F = 800 kg/hxF = 19 %xP = 40 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoaceite ligero · 130 °C100 °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 = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 100 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríomezcla de glicol · 120 °C70 °Cagua · 30 °C65 °C · ṁ = ?5 % perdido

mezcla de glicol 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 = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Ct: 30 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
80 g de N₂P = 100 kPaT = 85 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 80 g de N₂ a 100 kPa y 85 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 80 gM = 28,01 g/molP = 100 kPaT = 85 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de CH₄ pasa de 350 kPa, 20 L, 20 °C a 800 kPa y 160 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 350 kPaV1 = 20 LT1 = 20 °CP2 = 800 kPaT2 = 160 °C
V2 = L
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(CH4​)n(CH4​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CH4​)× 1/1× M(CO2​)

En la reacción CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, 4 g de CH4 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 8,23 g de CO2. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 8,23 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

Se introducen 1 mol/L de H₂ y 1 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 50. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 50
[HI] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,2 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 = 0,2
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Plomom = 50 gT = 130 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Aguam = 300 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de plomo de 50 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 130 °C se introduce en 300 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 19 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 300 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H100 g C2​H5​OHC2​H5​OH + 3O₂reactivos2CO₂ + 3H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 100 g de C2H5OH (M = 46,07 g/mol) se queman por completo: C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 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)C (mol/L)40 min0,525

En una reacción de primer orden la concentración de A baja de 1,5 mol/L a 0,525 mol/L en 40 min. Halla la constante de velocidad k.

CA0 = 1,5 mol/LCA = 0,525 mol/Lt = 40 min
k = min⁻¹
14.Cinética químicaDifícil
Tk50 °Ck1​?3·k1​

Una reacción tiene una energía de activación de 60 kJ/mol. A 50 °C es demasiado lenta. ¿Hasta qué temperatura T2 (en °C) hay que calentarla para que sea 3 veces más rápida?

Ea = 60 kJ/molT1 = 50 °Ck2/k1 = 3R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 40 L/minX = 60%V = ?, k = 0,5 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,5 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 60 %.

Q = 40 L/mink = 0,5 min⁻¹X = 60%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 150 LQ = 50 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,5 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 150 L alimentado a 50 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 150 LQ = 50 L/mink = 0,5 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT125 °C75 °C75 °C20 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador a contracorriente transfiere 120 kW. El fluido caliente se enfría de 125 a 75 °C y el frío se calienta de 20 a 75 °C. El coeficiente global de transmisión es 1500 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 120 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 125 → 75 °CTc: 20 → 75 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT160 °C??15 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

En un intercambiador a contracorriente ambas corrientes tienen la misma capacidad calorífica, ṁ·cp = 1 kW/K. La corriente caliente entra a 160 °C y la fría a 15 °C. El intercambiador tiene A = 4 m² y U = 300 W/(m²·K). Halla la temperatura de salida del fluido caliente Th,out.

Ch = Cc = 1 kW/KTh,in = 160 °CTc,in = 15 °CA = 4 m²U = 300 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conducción de calorMedia
Vidrio, k = 0,96250 mmPlaca de yeso, k = 0,1775 mm23 °C9 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 250 mm de vidrio y 75 mm de placa de yeso, con un área de 6 m². Las caras exteriores están a 23 °C y 9 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 250 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 23 °CT3 = 9 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Ladrillo, k = 0,7250 mmPoliestireno expandido, k = 0,035150 mminterior 21 °Cexterior 3 °CQ̇

Un muro de 50 mm de ladrillo y 150 mm de poliestireno expandido separa una habitación a 21 °C del aire exterior a 3 °C. Los coeficientes de convección son 10 W/(m²·K) dentro y 20 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 6 m². Halla el coeficiente global de transmisión de calor U del muro.

L1 = 50 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 3 °C
U = W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 25 L/sD = 200 mmL = 300 mf = 0,02

Agua circula a razón de 25 L/s por una tubería de 300 m de longitud y 200 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 = 25 L/sL = 300 mD = 200 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 2Δz = ?L = 200 m, D = 200 mm, f = 0,023× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 200 m de longitud, 200 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 = 2) 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 100 L/s?

Q = 100 L/sL = 200 mD = 200 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 15 L/sH = 74 m

Una bomba con un rendimiento del 78 % impulsa 15 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 74 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 15 L/sH = 74 mη = 78%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 30 L/sΔz = 6 mL = 300 m, D = 150 mm, f = 0,018, 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 6 m más alta. La tubería mide 300 m de longitud, tiene 150 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,018; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 8 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 30 L/sΔz = 6 mL = 300 mD = 150 mmf = 0,018ΣK = 8
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 2850 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) = 950·(15 − 30)/(30 − 35) = 2850 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 2850 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: W = 420 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 = 800·19/40 = 380 kg/h

Balance total

W = F − P = 800 − 380 = 420 kg/h

Respuesta

W = 420 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 28,84 °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 = 2,5·2,1·(130 − 100) = 157,5 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 157,5/(2·4,18) = 28,84 °C

Respuesta

tout = 28,84 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 2,922 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 2,5·3,6·(120 − 70) = 450 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,05)·450 = 427,5 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 427,5/(4,18·35) = 2,922 kg/s

Respuesta

ṁc = 2,922 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 85,05 L

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

Moles

n = 80/28,01 = 2,856 mol
T = 85 + 273,15 = 358,1 K

Volumen

V = nRT/P = 2,856·8,314·358,1/100 = 85,05 L

Respuesta

V = 85,05 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 12,93 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 293,1 K, T2 = 433,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(350/800)·(433,1/293,1) = 12,93 L

Respuesta

V2 = 12,93 L
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 = 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) = 4/16,04 = 0,2494 mol
m = 0,2494·1/1·44,01 = 10,98 g

Rendimiento porcentual

Y = 8,23/10,98·100 = 74,99%

Respuesta

Y = 74,99%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 1,559 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

50 = (2x)²/(1 − x)²

Saca la raíz cuadrada

7,071 = 2x/(1 − x) → x = 1·7,071/(2 + 7,071) = 0,7795 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 1,559 mol/L

Respuesta

[HI] = 1,559 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,1236 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

0,2 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,2·x − 0,04 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,04))/2 = 0,1236 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,1236 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,1236 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 19,57 °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

50·0,129·(130 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 19)

Despeja la temperatura final

Tf = (6,45·130 + 1254·19)/(6,45 + 1254) = 19,57 °C

Respuesta

Tf = 19,57 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 2967 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° = [2·(−393,5) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Calor para la masa dada

n = 100/46,07 = 2,171 mol
q = n·|ΔH°/1| = 2,171·1367 = 2967 kJ

Respuesta

q = 2967 kJ
13.Cinética química

Respuesta: k = 0,02625 min⁻¹

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Ley integrada de primer orden

k = ln(CA0/CA)/t = ln(1,5/0,525)/40 = 1,05/40 = 0,02625 min⁻¹

Respuesta

k = 0,02625 min⁻¹
14.Cinética química

Respuesta: T2 = 66,72 °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 = 323,1 K

Despeja T₂ de la ecuación de Arrhenius

1/T2 = 1/323,1 − 8,314·ln(3)/60000 = 3,095 × 10⁻³ − 1,522 × 10⁻⁴ = 2,942 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 339,9 K = 66,72 °C

Respuesta

T2 = 66,72 °C
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 73,3 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 − 0,6))/0,5 = 0,9163/0,5 = 1,833 min

Volumen

V = Q·τ = 40·1,833 = 73,3 L

Respuesta

V = 73,3 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 60 %

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 = 150/50 = 3 min, kτ = 0,5·3 = 1,5

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 1,5/(1 + 1,5) = 60%

Respuesta

X = 60%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 1,525 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 = 125 − 75 = 50 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 20 = 55 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (50 − 55)/ln(50/55) = 52,46 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 120000/(1500·52,46) = 1,525 m²

Respuesta

A = 1,525 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: Th,out = 80,91 °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·(160 − Th,out) = 1,2·(Th,out − 15)
Th,out = (1·160 + 1,2·15)/(1 + 1,2) = 80,91 °C

Respuesta

Th,out = 80,91 °C

Calor transferido: Q̇ = 79,09 kW; la corriente fría sale a 94,09 °C.

19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 119,7 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)/(0,96·6) = 0,0434 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·6) = 0,07353 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 14/0,1169 = 119,7 W

Respuesta

Q̇ = 119,7 W
20.Conducción de calor

Respuesta: U = 0,222 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/(10·6) = 0,01667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,72·6) = 0,01157 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,035·6) = 0,7143 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·6) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,7509 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(6·0,7509) = 0,222 W/(m²·K)

Respuesta

U = 0,222 W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 0,9683 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·0,2²/4 = 0,03142 m²
V = Q/A = 0,025/0,03142 = 0,7958 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 0,7958²/(2·9,81) = 0,03228 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(300/0,2)·0,7958²/(2·9,81) = 0,9683 m

Respuesta

hf = 0,9683 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 12,6 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 = 0,1/0,03142 = 3,183 m/s
V²/(2g) = 0,5164 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,02·200/0,2 = 20
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4

Pérdida de carga total

hf = 20·0,5164 = 10,33 m
hm = 4,4·0,5164 = 2,272 m
Δz = hf + hm = 12,6 m

Respuesta

Δz = 12,6 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 13,96 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 = 1000·9,81·0,015·74 = 10,89 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 10,89/0,78 = 13,96 kW

Respuesta

Pshaft = 13,96 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 12,46 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) = (36 + 8)·0,1469 = 6,463 m

Altura de la bomba

Las dos superficies están abiertas y prácticamente en reposo, así que los términos de presión y velocidad se anulan.

H = Δz + hL = 6 + 6,463 = 12,46 m

Respuesta

H = 12,46 m

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