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 1700 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 = 700 kg/hx1 = 5 %x2 = 40 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F1500 kg/h · 9% NaOHProducto P45% NaOHVapor W (agua pura)W = ? kg/h

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

F = 1500 kg/hxF = 9 %xP = 45 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoaceite ligero · 160 °C120 °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 = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 120 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoaceite ligero · 130 °C100 °Cagua · 30 °C45 °C · ṁ = ?10 % perdido

aceite ligero caliente calienta agua en un intercambiador que pierde hacia el entorno el 10 % 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: 130 → 100 °Ct: 30 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
100 g de O₂V = 10 LT = 65 °CP = ?

Un depósito de 10 L contiene 100 g de O₂ a 65 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 100 gM = 32 g/molV = 10 LT = 65 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de He pasa de 300 kPa, 20 L, 35 °C a 500 kPa y 190 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 300 kPaV1 = 20 LT1 = 35 °CP2 = 500 kPaT2 = 190 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 4/ν× M(H2​O)

20 g de C3H8 y 80 g de O2 reaccionan según C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. ¿Qué masa m de H2O se puede formar?

M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(C3​H8​)n(C3​H8​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C3​H8​)× 3/1× M(CO2​)

En la reacción C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O, 30 g de C3H8 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 67,36 g de CO2. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 67,36 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 = 25. Calcula la concentración en el equilibrio [H2].

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

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,01 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,25 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,01
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Cincm = 75 gT = 110 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Aguam = 400 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de cinc de 75 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 110 °C se introduce en 400 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 25 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 110 °Cmwater = 400 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H2CH3​OH + 3O₂reactivos2CO₂ + 4H₂O(l)productosΔH° = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular ΔH° de la reacción 2CH3OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(CH3OH) = −238,7 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)X (%)t = ?75%

Una reacción de primer orden en un reactor discontinuo tiene k = 0,01 min⁻¹. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 75 %? Halla t.

k = 0,01 min⁻¹X = 75 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
1/Tln kT = 50 °Cln 0,001ln A = ?Ea​ = 60 kJ/mol

Una reacción de primer orden tiene una constante de velocidad de 0,001 s⁻¹ a 50 °C y una energía de activación de 60 kJ/mol. Halla el factor preexponencial A de la ecuación de Arrhenius.

k = 0,001 s⁻¹T = 50 °CEa = 60 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
QX = 95%mismos Q, k y X que el CSTR

Una reacción de primer orden en fase líquida debe alcanzar un 95 % 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 = 95%primer orden, mismos k y Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 800 LQ = 5 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,08 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 800 L alimentado a 5 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 800 LQ = 5 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT160 °C65 °C15 °C40 °CΔT₁ΔT₂flujo paralelo

Un intercambiador de flujo paralelo transfiere 220 kW. El fluido caliente se enfría de 160 a 65 °C y el frío se calienta de 15 a 40 °C. El coeficiente global de transmisión es 200 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 220 kWU = 200 W/(m²·K)Th: 160 → 65 °CTc: 15 → 40 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT105 °C15 °C?ΔT₁ΔT₂vapor que condensa

En un condensador con un área de intercambio de 2 m² y U = 2500 W/(m²·K), el vapor condensa a 105 °C constantes en el exterior de los tubos. El agua de refrigeración (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra en los tubos a 15 °C. Halla la temperatura de salida del agua Tc,out.

Ts = 105 °CA = 2 m²U = 2500 W/(m²·K)ṁ = 1 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °C
Tc,out = °C
19.Conducción de calorMedia
Lana mineral, k = 0,04200 mmHormigón, k = 1,425 mm15 °C7 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 200 mm de lana mineral y 25 mm de hormigón, con un área de 10 m². Las caras exteriores están a 15 °C y 7 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 200 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 15 °CT3 = 7 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Placa de yeso, k = 0,17150 mmHormigón, k = 1,425 mminterior 21 °Cexterior 0 °CQ̇ = ?

Un muro de 150 mm de placa de yeso y 25 mm de hormigón separa una habitación a 21 °C del aire exterior a 0 °C. Los coeficientes de convección son 8 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 10 m². Halla la pérdida de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 10 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 0 °C
Q̇ = W
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 2,7 m/sD = 75 mmL = 300 mf = 0,015

Agua (ρ = 1000 kg/m³) circula a 2,7 m/s por una tubería horizontal de 300 m de longitud y 75 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,015 y g = 9,81 m/s². Halla la caída de presión Δp en la tubería en kPa.

V = 2,7 m/sL = 300 mD = 75 mmf = 0,015ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 2Δz = ?L = 200 m, D = 250 mm, f = 0,0182× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 200 m de longitud, 250 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,018. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 2 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 120 L/s?

Q = 120 L/sL = 200 mD = 250 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 40 L/sH = 80 m

Una bomba con un rendimiento del 60 % impulsa 40 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 80 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 40 L/sH = 80 mη = 60%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 120 L/sΔz = 9 mL = 300 m, D = 250 mm, f = 0,015, ΣK = 3

Una bomba impulsa 120 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 9 m más alta. La tubería mide 300 m de longitud, tiene 250 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,015; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 3 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². El rendimiento de la bomba es del 78 %. Halla la potencia en el eje Pshaft en kW.

Q = 120 L/sΔz = 9 mL = 300 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 3η = 78%
Pshaft = kW

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 933,3 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) = 700·(5 − 25)/(25 − 40) = 933,3 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 933,3 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: W = 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 = 1500·9/45 = 300 kg/h

Balance total

W = F − P = 1500 − 300 = 1200 kg/h

Respuesta

W = 1200 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 43,4 °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 = 1·2,1·(160 − 120) = 84 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 84/(1,5·4,18) = 43,4 °C

Respuesta

tout = 43,4 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 2,261 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 2,5·2,1·(130 − 100) = 157,5 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,1)·157,5 = 141,8 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 141,8/(4,18·15) = 2,261 kg/s

Respuesta

ṁc = 2,261 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 878,6 kPa

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

Moles

n = m/M = 100/32 = 3,125 mol
T = 65 + 273,15 = 338,1 K

Presión

P = nRT/V = 3,125·8,314·338,1/0,01 = 878,6 kPa

Respuesta

P = 878,6 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 18,04 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 308,1 K, T2 = 463,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(300/500)·(463,1/308,1) = 18,04 L

Respuesta

V2 = 18,04 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 32,69 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(C3H8) = 20/44,1 = 0,4535 mol
n(O2) = 80/32 = 2,5 mol

Reactivo limitante

0,4535/1 = 0,4535, 2,5/5 = 0,5 → C3H8

Masa de producto

n(H2O) = 0,4535·4 = 1,814 mol
m = 1,814·18,02 = 32,69 g

Respuesta

m = 32,69 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 75 %

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(C3H8) = 30/44,1 = 0,6803 mol
m = 0,6803·3/1·44,01 = 89,82 g

Rendimiento porcentual

Y = 67,36/89,82·100 = 75%

Respuesta

Y = 75%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [H2] = 0,07143 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

25 = (2x)²/(0,25 − x)²

Saca la raíz cuadrada

5 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·5/(2 + 5) = 0,1786 mol/L

Concentración en el equilibrio

[H₂] = 0,25 − x = 0,07143 mol/L

Respuesta

[H2] = 0,07143 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 0,2048 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

0,01 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,01·x − 0,0025 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,0025))/2 = 0,04525 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 0,25 − 0,04525 = 0,2048 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 0,2048 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 26,45 °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

75·0,388·(110 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 25)

Despeja la temperatura final

Tf = (29,1·110 + 1672·25)/(29,1 + 1672) = 26,45 °C

Respuesta

Tf = 26,45 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: ΔH° = −1453 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) + 4·(−285,8)] − [2·(−238,7) + 3·0] = −1453 kJ

Respuesta

ΔH° = −1453 kJ

Negativo: la reacción desprende calor (exotérmica).

13.Cinética química

Respuesta: t = 138,6 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)/0,01 = 138,6 min

Respuesta

t = 138,6 min
14.Cinética química

Respuesta: A = 4,999 × 10⁶ 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 = 50 + 273,15 = 323,1 K

Despeja A de la ecuación de Arrhenius

Ea/(RT) = 60000/(8,314·323,1) = 22,33
A = k·e22,33 = 0,001·4,999 × 10⁹ = 4,999 × 10⁶ s⁻¹

Respuesta

A = 4,999 × 10⁶ s⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: VCSTR/VPFR = 6,342

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) = 0,95/0,05 = 19
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(20) = 2,996

Relación de volúmenes

VCSTR/VPFR = 19/2,996 = 6,342

Respuesta

VCSTR/VPFR = 6,342

La diferencia crece rápidamente a conversiones altas.

16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 92,75 %

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 = 800/5 = 160 min, kτ = 0,08·160 = 12,8

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 12,8/(1 + 12,8) = 92,75%

Respuesta

X = 92,75%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 16,11 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

En flujo paralelo ambas entradas están en el mismo extremo, y ambas salidas en el otro.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 160 − 15 = 145 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 65 − 40 = 25 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (145 − 25)/ln(145/25) = 68,26 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 220000/(200·68,26) = 16,11 m²

Respuesta

A = 16,11 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: Tc,out = 77,79 °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) = 2500·2/(1·4180) = 1,196

Temperatura de salida

ΔT₂ = ΔT₁·e−1,196 = 90·0,3023 = 27,21 K
Tc,out = 105 − 27,21 = 77,79 °C

Respuesta

Tc,out = 77,79 °C

Calor transferido: Q̇ = 262,5 kW.

19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 15,94 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) = (200/1000)/(0,04·10) = 0,5 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(1,4·10) = 0,001786 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 8/0,5018 = 15,94 W

Respuesta

Q̇ = 15,94 W
20.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 197,1 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/(8·10) = 0,0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,17·10) = 0,08824 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(1,4·10) = 0,001786 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·10) = 0,004 K/W
ΣR = 0,1065 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (21 − (0))/0,1065 = 197,1 W

Respuesta

Q̇ = 197,1 W
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δp = 218,7 kPa

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.

Pérdida de carga

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(300/0,075)·2,7²/(2·9,81) = 22,29 m

Caída de presión

La tubería es horizontal y la velocidad no cambia, así que la ecuación de la energía se reduce a Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·22,29 = 218700 Pa = 218,7 kPa

Respuesta

Δp = 218,7 kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 5,635 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 = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,018·200/0,25 = 14,4
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Pérdida de carga total

hf = 14,4·0,3046 = 4,386 m
hm = 4,1·0,3046 = 1,249 m
Δz = hf + hm = 5,635 m

Respuesta

Δz = 5,635 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 52,32 kW

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

Potencia hidráulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,04·80 = 31,39 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 31,39/0,6 = 52,32 kW

Respuesta

Pshaft = 52,32 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 23,24 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 = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18 + 3)·0,3046 = 6,397 m

Altura de la bomba

H = Δz + hL = 9 + 6,397 = 15,4 m

Potencia en el eje

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,12·15,4/0,78 = 23,24 kW

Respuesta

Pshaft = 23,24 kW

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