Práctica para el examen FE Chemical: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 24 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Balance de materia

Estado estacionario
entrada = salida
Balance total
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Balance por componente
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Evaporador
F·xF = P·xP, W = F − P

Balance de energía

Calor sensible
Q = ṁ·cp·ΔT
Calor latente
Q = ṁ·hfg
Mezcla
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Agua
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Ley de los gases ideales

Ley de los gases ideales
pV = nRT
Constante de los gases
R = 8,314 J/(mol·K)
Ley combinada de los gases
p1V1/T1 = p2V2/T2
Moles
n = m/M
Temperatura
T[K] = T[°C] + 273,15

Estequiometría

Moles
n = m/M
Concentración
c = n/V
Relación molar
usa los coeficientes de la ecuación ajustada
Reactivo limitante
el que se agota primero
Rendimiento porcentual
real / teórico × 100%

Método

  1. Escribe y ajusta la ecuación química.
  2. Pasa la masa dada a moles: n = m/M.
  3. Usa los coeficientes como relación molar para hallar los moles de la sustancia que buscas.
  4. Vuelve a pasar a masa con m = n·M. Con dos reactivos, halla primero el reactivo limitante.

Equilibrio químico

Constante de equilibrio
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Tabla ICE
Inicial, Cambio (×coeficiente), Equilibrio
Ecuación de segundo grado
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Método

  1. Escribe Kc con productos entre reactivos, cada uno elevado a su coeficiente.
  2. Plantea una tabla ICE: Inicial, Cambio (en múltiplos de x por los coeficientes), Equilibrio.
  3. Sustituye las expresiones de equilibrio en Kc y despeja x.
  4. Comprueba si x es lo bastante pequeño para aproximar; si no, resuelve la ecuación de segundo grado.

Calorimetría y entalpía

Calor
q = m·c·ΔT
Agua
c = 4,18 J/(g·°C)
Calorímetro
calor cedido = calor absorbido
Entalpía de reacción
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

Cinética química

Primer orden
ln(CA/CA0) = −kt
Vida media (primer orden)
t½ = ln 2/k
Segundo orden
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Dos temperaturas
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Tiempo espacial
τ = V/Q
CSTR, primer orden
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, primer orden
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Conversión a partir del volumen
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N CSTR iguales en serie
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Intercambiadores de calor (DTML)

Potencia térmica
Q = U·A·ΔTlm
Diferencia de temperatura media logarítmica
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Balance de una corriente
Q = ṁcp(Tin − Tout)

Conducción de calor

Ley de Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Resistencia de conducción
R = L/(kA)
Resistencia de convección
R = 1/(hA)
Resistencias en serie
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Transmitancia U
U = 1/(ΣR·A)

Fricción en tuberías y pérdida de carga

Número de Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Régimen de flujo
laminar por debajo de Re ≈ 2000, turbulento por encima de Re ≈ 4000
Velocidad media
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Pérdidas localizadas
hm = ΣK·V²/(2g)
Valores típicos de K
entrada 0,5, salida 1,0, codo de 90° ≈ 0,3
Caída de presión
Δp = ρ·g·hf
Dos depósitos abiertos
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Salida libre
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Bombas y potencia de bombeo

Potencia hidráulica
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Potencia en el eje
Pshaft = Ph/ηpump
Potencia eléctrica
Pel = Pshaft/ηmotor
Altura de la bomba
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Pérdidas del sistema
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Problemas de práctica

1.Balance de materiaMedia
MezcladorCorriente 1950 kg/h · 15% salCorriente 2ṁ₂ = ? · 35% salProducto30% sal

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 30 % de sal? Halla ṁ2.

ṁ1 = 950 kg/hx1 = 15 %x2 = 35 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F3200 kg/h · 8% salProducto PP = ? · 65%Vapor W (agua pura)0% sal

Un evaporador concentra una disolución de sal evaporando agua pura. Halla el caudal de producto P en kg/h.

F = 3200 kg/hxF = 8 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoaceite ligero · 120 °C70 °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 = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríomezcla de glicol · 150 °C70 °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 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 70 °Ct: 20 → 50 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
210 g de ArV = 10 LT = 25 °CP = ?

Un depósito de 10 L contiene 210 g de Ar a 25 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 210 gM = 39,95 g/molV = 10 LT = 25 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de CH₄ pasa de 200 kPa, 2 L, 15 °C a 650 kPa y 90 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 200 kPaV1 = 2 LT1 = 15 °CP2 = 650 kPaT2 = 90 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

4 g de Al y 32 g de Cl2 reaccionan según 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3. ¿Qué masa m de AlCl3 se puede formar?

M(Al) = 26,98M(Cl2) = 70,9M(AlCl3) = 133,33 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(Mg)n(Mg)n(MgO)m(MgO)÷ M(Mg)× 2/2× M(MgO)

En la reacción 2Mg + O2 → 2MgO, 24 g de Mg reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 29,84 g de MgO. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molreal: 29,84 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,50,50C−x−x+2xE0,5 − x0,5 − x2x

Se introducen 0,5 mol/L de H₂ y 0,5 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 54. Calcula la concentración en el equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 54
[H2] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,2 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 1 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0,2
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Hierrom = 50 gT = 120 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Aguam = 400 gT = 21 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de hierro de 50 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 120 °C se introduce en 400 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 = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 120 °Cmwater = 400 gTwater = 21 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
HC3​H8​ + 5O₂reactivos3CO₂ + 4H₂O(l)productosΔH° = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular ΔH° de la reacción C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(C3H8) = −103,8 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 = ?90%

Una reacción de primer orden en un reactor discontinuo tiene k = 0,15 min⁻¹. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 90 %? Halla t.

k = 0,15 min⁻¹X = 90 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk35 °C0,0155 °C?

Una reacción tiene una constante de velocidad de 0,01 min⁻¹ a 35 °C y una energía de activación de 100 kJ/mol. Halla la constante de velocidad k2 a 55 °C.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 35 °CT2 = 55 °CEa = 100 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
QX = 70%mismos Q, k y X que el CSTR

Una reacción de primer orden en fase líquida debe alcanzar un 70 % 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 = 70%primer orden, mismos k y Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 250 LQ = 40 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,2 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 250 L alimentado a 40 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 250 LQ = 40 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT170 °C55 °C140 °C15 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador de carcasa y tubos (un paso por carcasa, dos pasos por tubos) debe transferir 510 kW. El fluido caliente se enfría de 170 a 55 °C y el frío se calienta de 15 a 140 °C. El factor de corrección de la DTML para esta disposición es F = 0,8, y U = 300 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 510 kWF = 0,8U = 300 W/(m²·K)Th: 170 → 55 °CTc: 15 → 140 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT140 °C40 °C54,87 °C15 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (1 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) se enfría de 140 a 40 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 1,5 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 15 °C. Con U = 300 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 140 → 40 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 300 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Hormigón, k = 1,450 mmMadera, k = 0,1750 mm15 °C-1 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 50 mm de hormigón y 50 mm de madera, con un área de 20 m². Las caras exteriores están a 15 °C y -1 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 50 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 15 °CT3 = -1 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Madera, k = 0,17250 mmLana mineral, k = 0,0450 mminterior 22 °Cexterior 1 °CQ̇ = ?

Un muro de 250 mm de madera y 50 mm de lana mineral separa una habitación a 22 °C del aire exterior a 1 °C. Los coeficientes de convección son 7,7 W/(m²·K) dentro y 20 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 6 m². Halla la pérdida de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 6 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 1 °C
Q̇ = W
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 2,6 m/sD = 200 mmL = 200 mf = 0,025

Agua circula con una velocidad media de 2,6 m/s por una tubería de 200 m de longitud y 200 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,025 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

V = 2,6 m/sL = 200 mD = 200 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10descarga libreH = ?L = 200 m, D = 250 mm, f = 0,0223× codo (K = 0,3)

Una tubería de 200 m de longitud y 250 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), 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 60 L/s?

Q = 60 L/sL = 200 mD = 250 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10
H = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 40 L/sH = 18 m

Una bomba impulsa 40 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 18 m. El rendimiento de la bomba es del 75 % y el motor eléctrico que la acciona tiene un rendimiento del 92 %. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia eléctrica Pel que absorbe el motor, en kW.

Q = 40 L/sH = 18 mηpump = 75%ηmotor = 92%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 120 L/sΔz = 14 mL = 100 m, D = 250 mm, f = 0,018, ΣK = 8

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 14 m más alta. La tubería mide 100 m de longitud, tiene 250 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,018; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 8 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². El rendimiento de la bomba es del 75 %. Halla la potencia en el eje Pshaft en kW.

Q = 120 L/sΔz = 14 mL = 100 mD = 250 mmf = 0,018ΣK = 8η = 75%
Pshaft = kW

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 2850 kg/h

Balance de materia en estado estacionario: entrada = salida para el total y para cada componente. Los problemas de mezcla combinan ambos.

Balances

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
sal: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Despeja ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 950·(15 − 30)/(30 − 35) = 2850 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 2850 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 393,8 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 = 3200·8/65 = 393,8 kg/h

Respuesta

P = 393,8 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 45,12 °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 = 3·2,1·(120 − 70) = 315 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 315/(3·4,18) = 45,12 °C

Respuesta

tout = 45,12 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 4,364 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 2·3,6·(150 − 70) = 576 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,05)·576 = 547,2 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 547,2/(4,18·30) = 4,364 kg/s

Respuesta

ṁc = 4,364 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 1303 kPa

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

Moles

n = m/M = 210/39,95 = 5,257 mol
T = 25 + 273,15 = 298,1 K

Presión

P = nRT/V = 5,257·8,314·298,1/0,01 = 1303 kPa

Respuesta

P = 1303 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 0,7756 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 288,1 K, T2 = 363,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(200/650)·(363,1/288,1) = 0,7756 L

Respuesta

V2 = 0,7756 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 19,77 g

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

Moles de cada reactivo

n(Al) = 4/26,98 = 0,1483 mol
n(Cl2) = 32/70,9 = 0,4513 mol

Reactivo limitante

0,1483/2 = 0,07413, 0,4513/3 = 0,1504 → Al

Masa de producto

n(AlCl3) = 0,07413·2 = 0,1483 mol
m = 0,1483·133,33 = 19,77 g

Respuesta

m = 19,77 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(Mg) = 24/24,31 = 0,9872 mol
m = 0,9872·2/2·40,3 = 39,79 g

Rendimiento porcentual

Y = 29,84/39,79·100 = 75%

Respuesta

Y = 75%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [H2] = 0,107 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

54 = (2x)²/(0,5 − x)²

Saca la raíz cuadrada

7,348 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·7,348/(2 + 7,348) = 0,393 mol/L

Concentración en el equilibrio

[H₂] = 0,5 − x = 0,107 mol/L

Respuesta

[H2] = 0,107 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,3583 mol/L

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

Expresión de equilibrio

0,2 = x²/(1 − x) → x² + 0,2·x − 0,2 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,2))/2 = 0,3583 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,3583 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,3583 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 22,31 °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

50·0,449·(120 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 21)

Despeja la temperatura final

Tf = (22,45·120 + 1672·21)/(22,45 + 1672) = 22,31 °C

Respuesta

Tf = 22,31 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: ΔH° = −2220 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° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Respuesta

ΔH° = −2220 kJ

Negativo: la reacción desprende calor (exotérmica).

13.Cinética química

Respuesta: t = 15,35 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 = 0,1

Despeja el tiempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,1)/0,15 = 15,35 min

Respuesta

t = 15,35 min
14.Cinética química

Respuesta: k2 = 0,1079 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 = 328,1 K

Cociente de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(100000/8,314)·(1/328,1 − 1/308,1) = 2,379
k2 = 0,01·e2,379 = 0,1079 min⁻¹

Respuesta

k2 = 0,1079 min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: VCSTR/VPFR = 1,938

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) = 0,7/0,3 = 2,333
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(3,333) = 1,204

Relación de volúmenes

VCSTR/VPFR = 2,333/1,204 = 1,938

Respuesta

VCSTR/VPFR = 1,938

La diferencia crece rápidamente a conversiones altas.

16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 55,56 %

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 = 250/40 = 6,25 min, kτ = 0,2·6,25 = 1,25

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 1,25/(1 + 1,25) = 55,56%

Respuesta

X = 55,56%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 61,13 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 = 170 − 140 = 30 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 15 = 40 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (30 − 40)/ln(30/40) = 34,76 K

Área

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 510000/(300·0,8·34,76) = 61,13 m²

Respuesta

A = 61,13 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 16,98 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) = 1·2,5·100 = 250 kW
Tc,out = 15 + 250/(1,5·4,18) = 54,87 °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 = 140 − 54,87 = 85,13 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 40 − 15 = 25 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (85,13 − 25)/ln(85,13/25) = 49,07 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 250000/(300·49,07) = 16,98 m²

Respuesta

A = 16,98 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 970,2 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)/(1,4·20) = 0,001786 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·20) = 0,01471 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 16/0,01649 = 970,2 W

Respuesta

Q̇ = 970,2 W
20.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 43,44 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/(7,7·6) = 0,02165 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·6) = 0,2451 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,04·6) = 0,2083 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·6) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,4834 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (22 − (1))/0,4834 = 43,44 W

Respuesta

Q̇ = 43,44 W
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 8,614 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) = 2,6²/(2·9,81) = 0,3445 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(200/0,2)·2,6²/(2·9,81) = 8,614 m

Respuesta

hf = 8,614 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: H = 2,284 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 = 0,06/0,04909 = 1,222 m/s
V²/(2g) = 0,07615 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,022·200/0,25 = 17,6
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 + 17,6 + 11,4)·0,07615 = 2,284 m

Respuesta

H = 2,284 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pel = 10,24 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.

Potencia hidráulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,04·18 = 7,063 kW

Potencia en el eje

Pshaft = 7,063/0,75 = 9,418 kW

Potencia eléctrica

Pel = 9,418/0,92 = 10,24 kW

Respuesta

Pel = 10,24 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 29,24 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) = (7,2 + 8)·0,3046 = 4,63 m

Altura de la bomba

H = Δz + hL = 14 + 4,63 = 18,63 m

Potencia en el eje

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,12·18,63/0,75 = 29,24 kW

Respuesta

Pshaft = 29,24 kW

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