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 · 30% salCorriente 2ṁ₂ = ? · 5% salProducto10% sal

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 10 % de sal? Halla ṁ2.

ṁ1 = 700 kg/hx1 = 30 %x2 = 5 %x3 = 10 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F2800 kg/h · 16% NaOHProducto P65% 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 = 2800 kg/hxF = 16 %xP = 65 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoaceite ligero · 180 °C90 °Cagua · 20 °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: 180 → 90 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoaceite ligero · 140 °C60 °Cagua · 30 °C55 °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: 140 → 60 °Ct: 30 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
80 g de CO₂P = 400 kPaT = 95 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 80 g de CO₂ a 400 kPa y 95 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 80 gM = 44,01 g/molP = 400 kPaT = 95 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de He pasa de 400 kPa, 10 L, 10 °C a 250 kPa y 170 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 400 kPaV1 = 10 LT1 = 10 °CP2 = 250 kPaT2 = 170 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

4 g de Fe2O3 y 40 g de CO reaccionan según Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. ¿Qué masa m de CO2 se puede formar?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(Al)n(Al)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(Al)× 2/2× M(AlCl3​)

En la reacción 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3, 4 g de Al reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 17,4 g de AlCl3. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molreal: 17,4 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,10,10C−x−x+2xE0,1 − x0,1 − x2x

Se introducen 0,1 mol/L de H₂ y 0,1 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 4. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 4
[HI] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,01 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,5 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,01
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Aluminiom = 50 gT = 190 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Aguam = 300 gT = 21 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de aluminio de 50 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 190 °C se introduce en 300 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 21 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 190 °Cmwater = 300 gTwater = 21 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H20 g C2​H5​OHC2​H5​OH + 3O₂reactivos2CO₂ + 3H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 20 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)X (%)t = ?95%

Una reacción de segundo orden (−rA = k·CA²) en un reactor discontinuo tiene k = 0,8 L/(mol·min) y parte de 2 mol/L. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 95 %? Halla t.

k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/LX = 95 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk35 °C0,0165 °C?

Una reacción tiene una constante de velocidad de 0,01 min⁻¹ a 35 °C y una energía de activación de 75 kJ/mol. Halla la constante de velocidad k2 a 65 °C.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 35 °CT2 = 65 °CEa = 75 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 20 L/minX = 70%V = ?, k = 0,15 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,15 min⁻¹ se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) alimentado a 20 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 70 %.

Q = 20 L/mink = 0,15 min⁻¹X = 70%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 1000 LV = 1000 LQ = 40 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,15 min⁻¹) se lleva a cabo en dos CSTR iguales en serie, de 1000 L cada uno. El caudal de alimentación es 40 L/min, la densidad es constante y los reactores están en estado estacionario. Halla la conversión global X en porcentaje.

V = 1000 L (×2)Q = 40 L/mink = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT170 °C150 °C15 °C65 °CΔT₁ΔT₂flujo paralelo

Un intercambiador de calor en equicorriente transfiere 240 kW. Su área de intercambio es 2 m². El fluido caliente se enfría de 170 a 150 °C y el frío se calienta de 15 a 65 °C. Halla el coeficiente global de transmisión de calor U.

Q̇ = 240 kWA = 2 m²Th: 170 → 150 °CTc: 15 → 65 °C
U = W/(m²·K)
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT105 °C??10 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

En un intercambiador a contracorriente ambas corrientes tienen la misma capacidad calorífica, ṁ·cp = 1,5 kW/K. La corriente caliente entra a 105 °C y la fría a 10 °C. El intercambiador tiene A = 4 m² y U = 200 W/(m²·K). Halla la temperatura de salida del fluido caliente Th,out.

Ch = Cc = 1,5 kW/KTh,in = 105 °CTc,in = 10 °CA = 4 m²U = 200 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conducción de calorMedia
Poliestireno expandido, k = 0,03550 mmHormigón, k = 1,450 mm21 °C0 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 50 mm de poliestireno expandido y 50 mm de hormigón, con un área de 15 m². Las caras exteriores están a 21 °C y 0 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 50 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 21 °CT3 = 0 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Lana mineral, k = 0,04100 mmPoliestireno expandido, k = 0,03550 mminterior 21 °Cexterior -14 °CTs​ = ?Q̇

Un muro de 100 mm de lana mineral y 50 mm de poliestireno expandido separa una habitación a 21 °C del aire exterior a -14 °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 la temperatura Ts de la cara interior del muro.

L1 = 100 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -14 °C
Ts = °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 2 L/sD = 50 mmL = 300 mf = 0,022

Agua circula a razón de 2 L/s por una tubería de 300 m de longitud y 50 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,022 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

Q = 2 L/sL = 300 mD = 50 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10Δz = 11 mL = 300 m, D = 300 mm, f = 0,0253× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 300 m de longitud, 300 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,025. La superficie libre del depósito superior está 11 m por encima de la del inferior. 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. Halla el caudal Q en L/s.

Δz = 11 mL = 300 mD = 300 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 25 L/sH = 38 m

Una bomba con un rendimiento del 70 % impulsa 25 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 38 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 25 L/sH = 38 mη = 70%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 80 L/sΔz = 16 mL = 300 m, D = 200 mm, f = 0,018, ΣK = 4

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 16 m más alta. La tubería mide 300 m de longitud, tiene 200 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,018; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 4 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 80 L/sΔz = 16 mL = 300 mD = 200 mmf = 0,018ΣK = 4
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 2800 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·(30 − 10)/(10 − 5) = 2800 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 2800 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: W = 2111 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 = 2800·16/65 = 689,2 kg/h

Balance total

W = F − P = 2800 − 689,2 = 2111 kg/h

Respuesta

W = 2111 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 50,14 °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·(180 − 90) = 189 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 189/(1,5·4,18) = 50,14 °C

Respuesta

tout = 50,14 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 3,617 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 2,5·2,1·(140 − 60) = 420 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,1)·420 = 378 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 378/(4,18·25) = 3,617 kg/s

Respuesta

ṁc = 3,617 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 13,91 L

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

Moles

n = 80/44,01 = 1,818 mol
T = 95 + 273,15 = 368,1 K

Volumen

V = nRT/P = 1,818·8,314·368,1/400 = 13,91 L

Respuesta

V = 13,91 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 25,04 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 283,1 K, T2 = 443,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(400/250)·(443,1/283,1) = 25,04 L

Respuesta

V2 = 25,04 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 3,307 g

Estequiometría: una ecuación ajustada cuenta partículas, no gramos. Pasa la masa a moles con n = m/M, usa los coeficientes de la ecuación como relación molar y vuelve a masa con m = n·M. Con dos reactivos, el reactivo limitante es el que se agota primero y fija cuánto producto se forma.

Moles de cada reactivo

n(Fe2O3) = 4/159,69 = 0,02505 mol
n(CO) = 40/28,01 = 1,428 mol

Reactivo limitante

0,02505/1 = 0,02505, 1,428/3 = 0,476 → Fe2O3

Masa de producto

n(CO2) = 0,02505·3 = 0,07515 mol
m = 0,07515·44,01 = 3,307 g

Respuesta

m = 3,307 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 88,02 %

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(Al) = 4/26,98 = 0,1483 mol
m = 0,1483·2/2·133,33 = 19,77 g

Rendimiento porcentual

Y = 17,4/19,77·100 = 88,02%

Respuesta

Y = 88,02%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,1 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

4 = (2x)²/(0,1 − x)²

Saca la raíz cuadrada

2 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·2/(2 + 2) = 0,05 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,1 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,1 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,06589 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/(0,5 − x) → x² + 0,01·x − 0,005 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,005))/2 = 0,06589 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,06589 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,06589 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 26,84 °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

50·0,897·(190 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 21)

Despeja la temperatura final

Tf = (44,85·190 + 1254·21)/(44,85 + 1254) = 26,84 °C

Respuesta

Tf = 26,84 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 593,3 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 = 20/46,07 = 0,4341 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,4341·1367 = 593,3 kJ

Respuesta

q = 593,3 kJ
13.Cinética química

Respuesta: t = 11,87 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).

Concentración al final

CA = 2·(1 − 0,95) = 0,1 mol/L

Ley integrada de segundo orden

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (10 − 0,5)/0,8 = 11,87 min

Respuesta

t = 11,87 min
14.Cinética química

Respuesta: k2 = 0,1343 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 = 308,1 K, T2 = 338,1 K

Cociente de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(75000/8,314)·(1/338,1 − 1/308,1) = 2,597
k2 = 0,01·e2,597 = 0,1343 min⁻¹

Respuesta

k2 = 0,1343 min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 160,5 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 − 0,7))/0,15 = 1,204/0,15 = 8,026 min

Volumen

V = Q·τ = 20·8,026 = 160,5 L

Respuesta

V = 160,5 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 95,57 %

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 = 1000/40 = 25 min, kτ = 0,15·25 = 3,75

Conversión

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 3,75) = 0,2105
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,04432
X = 1 − 0,04432 = 95,57%

Respuesta

X = 95,57%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: U = 1030 W/(m²·K)

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.

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 = 170 − 15 = 155 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 150 − 65 = 85 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (155 − 85)/ln(155/85) = 116,5 K

Coeficiente global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 240000/(2·116,5) = 1030 W/(m²·K)

Respuesta

U = 1030 W/(m²·K)
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: Th,out = 71,96 °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

1,5·(105 − Th,out) = 0,8·(Th,out − 10)
Th,out = (1,5·105 + 0,8·10)/(1,5 + 0,8) = 71,96 °C

Respuesta

Th,out = 71,96 °C

Calor transferido: Q̇ = 49,57 kW; la corriente fría sale a 43,04 °C.

19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 215,1 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) = (50/1000)/(0,035·15) = 0,09524 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(1,4·15) = 0,002381 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 21/0,09762 = 215,1 W

Respuesta

Q̇ = 215,1 W
20.Conducción de calor

Respuesta: Ts = 20,14 °C

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

Resistencias en serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·6) = 0,01667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,04·6) = 0,4167 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,035·6) = 0,2381 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·6) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,6798 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (21 − (-14))/0,6798 = 51,49 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 51,49·0,01667 = 20,14 °C

Respuesta

Ts = 20,14 °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 6,98 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·0,05²/4 = 0,001963 m²
V = Q/A = 0,002/0,001963 = 1,019 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 1,019²/(2·9,81) = 0,05288 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(300/0,05)·1,019²/(2·9,81) = 6,98 m

Respuesta

hf = 6,98 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Q = 169,8 L/s

Flujo en tuberías: el número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue el flujo laminar (Re por debajo de unos 2000) del turbulento (por encima de unos 4000). La fricción a lo largo de una tubería produce la pérdida de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Los accesorios, las válvulas, la entrada y la salida añaden pérdidas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre las superficies libres de dos depósitos abiertos la ecuación de la energía da Δz = hf + hm, incluida la pérdida de salida K = 1.

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,025·300/0,3 = 25
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 + 1,0 = 12,4

Ecuación de la energía

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

11 = (25 + 12,4)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·11/37,4) = 2,402 m/s

Caudal

Q = V·π·D²/4 = 2,402·0,07069 = 0,1698 m³/s = 169,8 L/s

Respuesta

Q = 169,8 L/s
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 13,31 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 = 1000·9,81·0,025·38 = 9,319 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 9,319/0,7 = 13,31 kW

Respuesta

Pshaft = 13,31 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 26,25 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) = (27 + 4)·0,3305 = 10,25 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 = 16 + 10,25 = 26,25 m

Respuesta

H = 26,25 m

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