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 1850 kg/h · 10% azúcarCorriente 2ṁ₂ = ? · 35% azúcarProducto15% azúcar

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 15 % de azúcar? Halla ṁ2.

ṁ1 = 850 kg/hx1 = 10 %x2 = 35 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F1200 kg/h · 10% NaOHProducto P60% 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 = 1200 kg/hxF = 10 %xP = 60 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríomezcla de glicol · 170 °C60 °Cagua · 30 °Ct = ? °C

mezcla de glicol 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 = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 170 → 60 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 120 °C80 °Cagua · 10 °C55 °C · ṁ = ?15 % perdido

etanol caliente calienta agua en un intercambiador que pierde hacia el entorno el 15 % del calor cedido por la corriente caliente. Halla el caudal de agua ṁc necesario.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 80 °Ct: 10 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
370 g de HeV = 5 LT = 15 °CP = ?

Un depósito de 5 L contiene 370 g de He a 15 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 370 gM = 4,003 g/molV = 5 LT = 15 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
Ar, M = 39,95 g/molP = 900 kPaT = 100 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de Ar a 900 kPa y 100 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 39,95 g/molP = 900 kPaT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

6 g de C3H8 y 32 g de O2 reaccionan según C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. ¿Qué masa m de CO2 se puede formar?

M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(Na)n(Na)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(Na)× 2/2× M(NaCl)

En la reacción 2Na + Cl2 → 2NaCl, 10 g de Na reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 22,37 g de NaCl. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/molreal: 22,37 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​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,08 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,8 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Hierrom = 200 gT = 160 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Aguam = 400 gT = 24 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de hierro de 200 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 160 °C se introduce en 400 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 24 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 400 gTwater = 24 °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)C (mol/L)t½​ = ?C0​/2

Una reacción de segundo orden (−rA = k·CA²) tiene k = 0,1 L/(mol·min) y una concentración inicial de 0,2 mol/L. Halla su primera vida media t½.

k = 0,1 L/(mol·min)CA0 = 0,2 mol/L
t½ = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk40 °C0,165 °C0,841

La constante de velocidad de una reacción es 0,1 min⁻¹ a 40 °C y 0,841 min⁻¹ a 65 °C. Halla la energía de activación Ea.

k1 = 0,1 min⁻¹T1 = 40 °Ck2 = 0,841 min⁻¹T2 = 65 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 20 L/minX = 75%V = ?, k = 0,12 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,12 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 75 %.

Q = 20 L/mink = 0,12 min⁻¹X = 75%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
Q = 100 L/minX = ?V = 500 L

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,1 min⁻¹) se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) de 500 L alimentado a 100 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 500 LQ = 100 L/mink = 0,1 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT120 °C75 °C70 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador de carcasa y tubos (un paso por carcasa, dos pasos por tubos) debe transferir 100 kW. El fluido caliente se enfría de 120 a 75 °C y el frío se calienta de 30 a 70 °C. El factor de corrección de la DTML para esta disposición es F = 0,88, y U = 500 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 100 kWF = 0,88U = 500 W/(m²·K)Th: 120 → 75 °CTc: 30 → 70 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT85 °C65 °C31 °C20 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (1,5 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) se enfría de 85 a 65 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 1,5 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 20 °C. Con U = 300 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 85 → 65 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °CU = 300 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Lana mineral, k = 0,04100 mmVidrio, k = 0,9675 mm22 °C-15 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 100 mm de lana mineral y 75 mm de vidrio, con un área de 8 m². Las caras exteriores están a 22 °C y -15 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 100 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 22 °CT3 = -15 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Poliestireno expandido, k = 0,03550 mmMadera, k = 0,17100 mminterior 20 °Cexterior -12 °CTs​ = ?Q̇

Un muro de 50 mm de poliestireno expandido y 100 mm de madera separa una habitación a 20 °C del aire exterior a -12 °C. Los coeficientes de convección son 8 W/(m²·K) dentro y 30 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 6 m². Halla la temperatura Ts de la cara interior del muro.

L1 = 50 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -12 °C
Ts = °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 100 L/sD = 200 mmL = 1000 mf = 0,015

Agua circula a razón de 100 L/s por una tubería de 1000 m de longitud y 200 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,015 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

Q = 100 L/sL = 1000 mD = 200 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10descarga libreH = ?L = 600 m, D = 300 mm, f = 0,0153× codo (K = 0,3)

Una tubería de 600 m de longitud y 300 mm de diámetro interior (factor de fricción de Darcy f = 0,015) 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), 3 codos (K = 0,3 cada uno) y una válvula (K = 10). 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 75 L/s?

Q = 75 L/sL = 600 mD = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10
H = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 30 L/sH = 50 m

Una bomba con un rendimiento del 85 % impulsa 30 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 50 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 30 L/sH = 50 mη = 85%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 75 L/sΔz = 15 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,018, ΣK = 5

Una bomba impulsa 75 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 15 m más alta. La tubería mide 200 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 = 75 L/sΔz = 15 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,018ΣK = 5
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 212,5 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) = 850·(10 − 15)/(15 − 35) = 212,5 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 212,5 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: W = 1000 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 = 1200·10/60 = 200 kg/h

Balance total

W = F − P = 1200 − 200 = 1000 kg/h

Respuesta

W = 1000 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 108,9 °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 = 2,5·3,6·(170 − 60) = 990 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 990/(3·4,18) = 108,9 °C

Respuesta

tout = 108,9 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 0,8821 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 2·2,44·(120 − 80) = 195,2 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,15)·195,2 = 165,9 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 165,9/(4,18·45) = 0,8821 kg/s

Respuesta

ṁc = 0,8821 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 44287 kPa

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

Moles

n = m/M = 370/4,003 = 92,43 mol
T = 15 + 273,15 = 288,1 K

Presión

P = nRT/V = 92,43·8,314·288,1/0,005 = 44287 kPa

Respuesta

P = 44287 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 11,59 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 = 100 + 273,15 = 373,1 K

Densidad

ρ = 900·39,95/(8,314·373,1) = 11,59 kg/m³

Respuesta

ρ = 11,59 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 17,96 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) = 6/44,1 = 0,1361 mol
n(O2) = 32/32 = 1 mol

Reactivo limitante

0,1361/1 = 0,1361, 1/5 = 0,2 → C3H8

Masa de producto

n(CO2) = 0,1361·3 = 0,4082 mol
m = 0,4082·44,01 = 17,96 g

Respuesta

m = 17,96 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 88 %

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(Na) = 10/22,99 = 0,435 mol
m = 0,435·2/2·58,44 = 25,42 g

Rendimiento porcentual

Y = 22,37/25,42·100 = 88%

Respuesta

Y = 88%
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: [PCl5] = 0,5839 mol/L

Equilibrio químico: para aA + bB ⇌ cC + dD, la constante de equilibrio es Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), con las concentraciones en el equilibrio. Una tabla ICE (Inicial, Cambio, Equilibrio) relaciona las cantidades iniciales con las de equilibrio mediante una única incógnita x, multiplicada por los coeficientes.

Expresión de equilibrio

0,08 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,08·x − 0,064 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,064))/2 = 0,2161 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 0,8 − 0,2161 = 0,5839 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 0,5839 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 30,93 °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

200·0,449·(160 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 24)

Despeja la temperatura final

Tf = (89,8·160 + 1672·24)/(89,8 + 1672) = 30,93 °C

Respuesta

Tf = 30,93 °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: t½ = 50 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/(0,1·0,2) = 50 min

Respuesta

t½ = 50 min

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

14.Cinética química

Respuesta: Ea = 74,99 kJ/mol

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 = 313,1 K, T2 = 338,1 K

Despeja Ea de Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·2,129/(-2,361e-4) = 74988 J/mol
Ea = 74,99 kJ/mol

Respuesta

Ea = 74,99 kJ/mol
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 231 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 − 0,75))/0,12 = 1,386/0,12 = 11,55 min

Volumen

V = Q·τ = 20·11,55 = 231 L

Respuesta

V = 231 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 39,35 %

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 = 500/100 = 5 min, kτ = 0,1·5 = 0,5

Conversión

X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,5 = 39,35%

Respuesta

X = 39,35%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 4,789 m²

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Diferencias de temperatura en los extremos (contracorriente)

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 = 120 − 70 = 50 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 30 = 45 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (50 − 45)/ln(50/45) = 47,46 K

Área

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 100000/(500·0,88·47,46) = 4,789 m²

Respuesta

A = 4,789 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 4,66 m²

Método de la DTML: la diferencia de temperatura entre las corrientes cambia a lo largo del intercambiador, así que la ecuación usa su media logarítmica: Q̇ = U·A·ΔTlm, con ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), donde ΔT₁ y ΔT₂ son las diferencias en los dos extremos. A contracorriente se obtiene una ΔTlm mayor que en flujo paralelo con las mismas temperaturas de entrada y salida.

Potencia térmica y temperatura de salida del agua

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1,5·2,3·20 = 69 kW
Tc,out = 20 + 69/(1,5·4,18) = 31 °C

Diferencias de temperatura en los extremos

A contracorriente, la entrada caliente queda frente a la salida fría, y la salida caliente frente a la entrada fría.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 85 − 31 = 54 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 20 = 45 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (54 − 45)/ln(54/45) = 49,36 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 69000/(300·49,36) = 4,66 m²

Respuesta

A = 4,66 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = −13,88 °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 de las capas

R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,04·8) = 0,3125 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,96·8) = 0,009766 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 37/0,3223 = 114,8 W

Temperatura de la interfaz

La temperatura baja Q̇·R₁ a través de la primera capa.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 22 − 114,8·0,3125 = −13,88 °C

Respuesta

Ti = −13,88 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: Ts = 18,16 °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/(8·6) = 0,02083 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,035·6) = 0,2381 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·6) = 0,09804 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·6) = 0,005556 K/W
ΣR = 0,3625 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (20 − (-12))/0,3625 = 88,27 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 88,27·0,02083 = 18,16 °C

Respuesta

Ts = 18,16 °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 38,73 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 = 0,1/0,03142 = 3,183 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 3,183²/(2·9,81) = 0,5164 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(1000/0,2)·3,183²/(2·9,81) = 38,73 m

Respuesta

hf = 38,73 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: H = 2,433 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 = 0,075/0,07069 = 1,061 m/s
V²/(2g) = 0,05738 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,015·600/0,3 = 30
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 = 11,4

Ecuación de la energía

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

H = (1 + 30 + 11,4)·0,05738 = 2,433 m

Respuesta

H = 2,433 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 17,31 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 = 1000·9,81·0,03·50 = 14,71 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 14,71/0,85 = 17,31 kW

Respuesta

Pshaft = 17,31 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 21,68 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18 + 5)·0,2905 = 6,681 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 = 15 + 6,681 = 21,68 m

Respuesta

H = 21,68 m

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