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 11000 kg/h · 40% azúcarCorriente 2ṁ₂ = ? · 10% azúcarProducto25% azúcar

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

ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 40 %x2 = 10 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F3500 kg/h · 10% salProducto P65% 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 = 3500 kg/hxF = 10 %xP = 65 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoaceite ligero · 150 °C90 °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 = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 90 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríomezcla de glicol · 180 °C90 °Cagua · 20 °C50 °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: 180 → 90 °Ct: 20 → 50 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
390 g de ArP = 500 kPaT = 75 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 390 g de Ar a 500 kPa y 75 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 390 gM = 39,95 g/molP = 500 kPaT = 75 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
Ar, M = 39,95 g/molP = 200 kPaT = 60 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de Ar a 200 kPa y 60 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 39,95 g/molP = 200 kPaT = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

30 g de N2 y 40 g de H2 reaccionan según N2 + 3H2 → 2NH3. ¿Qué masa m de NH3 se puede formar?

M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(C6​H12​O6​)n(C6​H12​O6​)n(C2​H5​OH)m(C2​H5​OH)÷ M(C6​H12​O6​)× 2/1× M(C2​H5​OH)

En la reacción C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2, 10 g de C6H12O6 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 3,84 g de C2H5OH. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(C2H5OH) = 46,07 g/molreal: 3,84 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

Se introducen 0,2 mol/L de H₂ y 0,2 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 = 0,2 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 = 0,5 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 1,5 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,5
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Hierrom = 100 gT = 100 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Aguam = 400 gT = 20 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de hierro de 100 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 100 °C se introduce en 400 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 20 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 100 °Cmwater = 400 gTwater = 20 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H100 g C4​H10​2C4​H10​ + 13O₂reactivos8CO₂ + 10H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 100 g de C4H10 (M = 58,12 g/mol) se queman por completo: 2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(C4H10) = −125,6 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)t½​ = ?C0​/2

Una reacción de segundo orden (−rA = k·CA²) tiene k = 0,8 L/(mol·min) y una concentración inicial de 1 mol/L. Halla su primera vida media t½.

k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/L
t½ = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk25 °C0,0565 °C?

Una reacción tiene una constante de velocidad de 0,05 min⁻¹ a 25 °C y una energía de activación de 100 kJ/mol. Halla la constante de velocidad k2 a 65 °C.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 25 °CT2 = 65 °CEa = 100 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 10 L/minX = 95%V = ?, k = 0,3 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,3 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 95 %.

Q = 10 L/mink = 0,3 min⁻¹X = 95%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 2000 LV = 2000 LQ = 80 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 2000 L cada uno. El caudal de alimentación es 80 L/min, la densidad es constante y los reactores están en estado estacionario. Halla la conversión global X en porcentaje.

V = 2000 L (×2)Q = 80 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT105 °C70 °C20 °C50 °CΔT₁ΔT₂flujo paralelo

Un intercambiador de flujo paralelo transfiere 200 kW. El fluido caliente se enfría de 105 a 70 °C y el frío se calienta de 20 a 50 °C. El coeficiente global de transmisión es 1500 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 200 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 105 → 70 °CTc: 20 → 50 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT140 °C30 °C?ΔT₁ΔT₂vapor que condensa

En un condensador con un área de intercambio de 2 m² y U = 1500 W/(m²·K), el vapor condensa a 140 °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 30 °C. Halla la temperatura de salida del agua Tc,out.

Ts = 140 °CA = 2 m²U = 1500 W/(m²·K)ṁ = 1 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °C
Tc,out = °C
19.Conducción de calorMedia
Hormigón, k = 1,4200 mmPlaca de yeso, k = 0,17100 mm25 °C-12 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 200 mm de hormigón y 100 mm de placa de yeso, con un área de 15 m². Las caras exteriores están a 25 °C y -12 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 200 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 25 °CT3 = -12 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Placa de yeso, k = 0,17250 mmLadrillo, k = 0,72150 mminterior 22 °Cexterior -10 °CQ̇

Un muro de 250 mm de placa de yeso y 150 mm de ladrillo separa una habitación a 22 °C del aire exterior a -10 °C. Los coeficientes de convección son 10 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 6 m². Halla el coeficiente global de transmisión de calor U del muro.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 6 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -10 °C
U = W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 2,8 m/sD = 200 mmL = 500 mf = 0,028

Agua circula con una velocidad media de 2,8 m/s por una tubería de 500 m de longitud y 200 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 = 2,8 m/sL = 500 mD = 200 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 0,2descarga libreH = ?L = 100 m, D = 300 mm, f = 0,0222× codo (K = 0,3)

Una tubería de 100 m de longitud y 300 mm de diámetro interior (factor de fricción de Darcy f = 0,022) sale de un depósito abierto y descarga como chorro libre a la atmósfera. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 2 codos (K = 0,3 cada uno) y una válvula (K = 0,2). Usa g = 9,81 m/s². ¿A qué altura H debe estar la superficie del depósito sobre la salida de la tubería para un caudal de 150 L/s?

Q = 150 L/sL = 100 mD = 300 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 0,2
H = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 10 L/sH = 36 m

Una bomba con un rendimiento del 72 % impulsa 10 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 36 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 10 L/sH = 36 mη = 72%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 80 L/sΔz = 10 mL = 600 m, D = 200 mm, f = 0,018, ΣK = 5

Una bomba impulsa 80 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 10 m más alta. La tubería mide 600 m de longitud, tiene 200 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,018; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 5 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 80 L/sΔz = 10 mL = 600 mD = 200 mmf = 0,018ΣK = 5
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 1000 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) = 1000·(40 − 25)/(25 − 10) = 1000 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 1000 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: W = 2962 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 = 3500·10/65 = 538,5 kg/h

Balance total

W = F − P = 3500 − 538,5 = 2962 kg/h

Respuesta

W = 2962 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 55,22 °C

Balance de energía del intercambiador: sin pérdidas, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Calor cedido por la corriente caliente

Q = 1,5·2,1·(150 − 90) = 189 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 189/(1·4,18) = 55,22 °C

Respuesta

tout = 55,22 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 6,136 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 2,5·3,6·(180 − 90) = 810 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,05)·810 = 769,5 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 769,5/(4,18·30) = 6,136 kg/s

Respuesta

ṁc = 6,136 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 56,51 L

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

Moles

n = 390/39,95 = 9,762 mol
T = 75 + 273,15 = 348,1 K

Volumen

V = nRT/P = 9,762·8,314·348,1/500 = 56,51 L

Respuesta

V = 56,51 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 2,885 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 = 60 + 273,15 = 333,1 K

Densidad

ρ = 200·39,95/(8,314·333,1) = 2,885 kg/m³

Respuesta

ρ = 2,885 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 36,47 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(N2) = 30/28,02 = 1,071 mol
n(H2) = 40/2,016 = 19,84 mol

Reactivo limitante

1,071/1 = 1,071, 19,84/3 = 6,614 → N2

Masa de producto

n(NH3) = 1,071·2 = 2,141 mol
m = 2,141·17,03 = 36,47 g

Respuesta

m = 36,47 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 75,08 %

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(C6H12O6) = 10/180,16 = 0,05551 mol
m = 0,05551·2/1·46,07 = 5,114 g

Rendimiento porcentual

Y = 3,84/5,114·100 = 75,08%

Respuesta

Y = 75,08%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,24 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/(0,2 − x)²

Saca la raíz cuadrada

3 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·3/(2 + 3) = 0,12 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,24 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,24 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,6514 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

0,5 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,5·x − 0,75 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,75))/2 = 0,6514 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,6514 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,6514 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 22,09 °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

100·0,449·(100 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 20)

Despeja la temperatura final

Tf = (44,9·100 + 1672·20)/(44,9 + 1672) = 22,09 °C

Respuesta

Tf = 22,09 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 4951 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° = [8·(−393,5) + 10·(−285,8)] − [2·(−125,6) + 13·0] = −5755 kJ

Calor para la masa dada

n = 100/58,12 = 1,721 mol
q = n·|ΔH°/2| = 1,721·2877 = 4951 kJ

Respuesta

q = 4951 kJ
13.Cinética química

Respuesta: t½ = 1,25 min

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).

Vida media de segundo orden

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0,8·1) = 1,25 min

Respuesta

t½ = 1,25 min

Cada vida media posterior es el doble de larga, porque C₀ se ha reducido a la mitad.

14.Cinética química

Respuesta: k2 = 5,908 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 = 338,1 K

Cociente de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(100000/8,314)·(1/338,1 − 1/298,1) = 4,772
k2 = 0,05·e4,772 = 5,908 min⁻¹

Respuesta

k2 = 5,908 min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 99,86 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 − 0,95))/0,3 = 2,996/0,3 = 9,986 min

Volumen

V = Q·τ = 10·9,986 = 99,86 L

Respuesta

V = 99,86 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 93,75 %

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 = 2000/80 = 25 min, kτ = 0,12·25 = 3

Conversión

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 3) = 0,25
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,0625
X = 1 − 0,0625 = 93,75%

Respuesta

X = 93,75%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 2,968 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 = 105 − 20 = 85 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 70 − 50 = 20 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (85 − 20)/ln(85/20) = 44,92 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 200000/(1500·44,92) = 2,968 m²

Respuesta

A = 2,968 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: Tc,out = 86,33 °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) = 1500·2/(1·4180) = 0,7177

Temperatura de salida

ΔT₂ = ΔT₁·e−0,7177 = 110·0,4879 = 53,67 K
Tc,out = 140 − 53,67 = 86,33 °C

Respuesta

Tc,out = 86,33 °C

Calor transferido: Q̇ = 235,5 kW.

19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 759,1 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 de las capas

R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(1,4·15) = 0,009524 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·15) = 0,03922 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 37/0,04874 = 759,1 W

Respuesta

Q̇ = 759,1 W
20.Conducción de calor

Respuesta: U = 0,5498 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) = (250/1000)/(0,17·6) = 0,2451 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,72·6) = 0,03472 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·6) = 0,006667 K/W
ΣR = 0,3032 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(6·0,3032) = 0,5498 W/(m²·K)

Respuesta

U = 0,5498 W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 27,97 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) = 2,8²/(2·9,81) = 0,3996 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(500/0,2)·2,8²/(2·9,81) = 27,97 m

Respuesta

hf = 27,97 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: H = 2,211 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 = 0,15/0,07069 = 2,122 m/s
V²/(2g) = 0,2295 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,022·100/0,3 = 7,333
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 0,2 = 1,3

Ecuación de la energía

El chorro de salida conserva su altura de velocidad; no es una pérdida, pero hay que aportarla.

H = (1 + 7,333 + 1,3)·0,2295 = 2,211 m

Respuesta

H = 2,211 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 4,905 kW

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

Potencia hidráulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,01·36 = 3,532 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 3,532/0,72 = 4,905 kW

Respuesta

Pshaft = 4,905 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 29,5 m

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

Velocidad

V = Q/A = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (54 + 5)·0,3305 = 19,5 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 = 10 + 19,5 = 29,5 m

Respuesta

H = 29,5 m

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