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 1550 kg/h · 5% salCorriente 2ṁ₂ = ? · 50% salProducto40% sal

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 40 % de sal? Halla ṁ2.

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 5 %x2 = 50 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F4800 kg/h · 6% azúcarProducto PP = ? · 55%Vapor W (agua pura)0% azúcar

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

F = 4800 kg/hxF = 6 %xP = 55 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoaceite ligero · 130 °C100 °Cagua · 25 °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 = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 100 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríomezcla de glicol · 130 °C100 °Cagua · 20 °C40 °C · ṁ = ?15 % perdido

mezcla de glicol 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 = 3 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 100 °Ct: 20 → 40 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
470 g de O₂P = 450 kPaT = 50 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 470 g de O₂ a 450 kPa y 50 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 470 gM = 32 g/molP = 450 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de CO₂ pasa de 300 kPa, 10 L, 30 °C a 300 kPa y 210 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 300 kPaV1 = 10 LT1 = 30 °CP2 = 300 kPaT2 = 210 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

30 g de H2 y 64 g de O2 reaccionan según 2H2 + O2 → 2H2O. ¿Qué masa m de H2O se puede formar?

M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(C3​H8​)n(C3​H8​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(C3​H8​)× 4/1× M(H2​O)

En la reacción C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O, 10 g de C3H8 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 11,44 g de H2O. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreal: 11,44 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 = 25. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 25
[HI] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,05 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,2 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LKc = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Cincm = 50 gT = 100 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Aguam = 200 gT = 20 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de cinc de 50 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 100 °C se introduce en 200 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 20 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 100 °Cmwater = 200 gTwater = 20 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H10 g C3​H8​C3​H8​ + 5O₂reactivos3CO₂ + 4H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 10 g de C3H8 (M = 44,1 g/mol) se queman por completo: C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(C3H8) = −103,8 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 = ?40%

Una reacción de orden cero tiene k = 0,01 mol/(L·min) y parte de 2 mol/L. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 40 %? Halla t.

k = 0,01 mol/(L·min)CA0 = 2 mol/LX = 40 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk35 °C0,145 °C?

Una reacción tiene una constante de velocidad de 0,1 min⁻¹ a 35 °C y una energía de activación de 40 kJ/mol. Halla la constante de velocidad k2 a 45 °C.

k1 = 0,1 min⁻¹T1 = 35 °CT2 = 45 °CEa = 40 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 20 L/minX = 95%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 95 %.

Q = 20 L/mink = 0,15 min⁻¹X = 95%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 250 LQ = 20 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,5 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 250 L alimentado a 20 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 250 LQ = 20 L/mink = 0,5 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT155 °C90 °C15 °C60 °CΔT₁ΔT₂flujo paralelo

Un intercambiador de flujo paralelo transfiere 360 kW. El fluido caliente se enfría de 155 a 90 °C y el frío se calienta de 15 a 60 °C. El coeficiente global de transmisión es 200 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 360 kWU = 200 W/(m²·K)Th: 155 → 90 °CTc: 15 → 60 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT140 °C??15 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

En un intercambiador a contracorriente ambas corrientes tienen la misma capacidad calorífica, ṁ·cp = 2 kW/K. La corriente caliente entra a 140 °C y la fría a 15 °C. El intercambiador tiene A = 1 m² y U = 800 W/(m²·K). Halla la temperatura de salida del fluido caliente Th,out.

Ch = Cc = 2 kW/KTh,in = 140 °CTc,in = 15 °CA = 1 m²U = 800 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conducción de calorMedia
Madera, k = 0,17150 mmPoliestireno expandido, k = 0,03550 mm23 °C5 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 150 mm de madera y 50 mm de poliestireno expandido, con un área de 20 m². Las caras exteriores están a 23 °C y 5 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 23 °CT3 = 5 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Madera, k = 0,17250 mmHormigón, k = 1,4100 mminterior 20 °Cexterior -14 °CQ̇

Un muro de 250 mm de madera y 100 mm de hormigón separa una habitación a 20 °C del aire exterior a -14 °C. Los coeficientes de convección son 7,7 W/(m²·K) dentro y 20 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 8 m². Halla el coeficiente global de transmisión de calor U del muro.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 8 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -14 °C
U = W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 75 L/sD = 200 mmL = 500 mf = 0,02

Agua circula a razón de 75 L/s por una tubería de 500 m de longitud y 200 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,02 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

Q = 75 L/sL = 500 mD = 200 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 0,2Δz = ?L = 150 m, D = 150 mm, f = 0,0184× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 150 m de longitud, 150 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,018. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 4 codos (K = 0,3 cada uno), una válvula (K = 0,2) y la salida al depósito inferior (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². ¿Qué diferencia de nivel de agua Δz entre los depósitos da un caudal de 20 L/s?

Q = 20 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 80 L/sH = 78 m

En un ensayo, una bomba impulsa 80 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 78 m mientras su eje absorbe 85 kW. Usa g = 9,81 m/s². Halla el rendimiento de la bomba η en porcentaje.

Q = 80 L/sH = 78 mPshaft = 85 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 20 L/sΔz = 5 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,02, ΣK = 8

Una bomba impulsa 20 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 5 m más alta. La tubería mide 100 m de longitud, tiene 150 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,02; 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 82 %. Halla la potencia en el eje Pshaft en kW.

Q = 20 L/sΔz = 5 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,02ΣK = 8η = 82%
Pshaft = kW

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 1925 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) = 550·(5 − 40)/(40 − 50) = 1925 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 1925 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 523,6 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 = 4800·6/55 = 523,6 kg/h

Respuesta

P = 523,6 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 85,29 °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 = 2·2,1·(130 − 100) = 126 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 126/(0,5·4,18) = 85,29 °C

Respuesta

tout = 85,29 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 3,294 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 3·3,6·(130 − 100) = 324 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,15)·324 = 275,4 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 275,4/(4,18·20) = 3,294 kg/s

Respuesta

ṁc = 3,294 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 87,69 L

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

Moles

n = 470/32 = 14,69 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Volumen

V = nRT/P = 14,69·8,314·323,1/450 = 87,69 L

Respuesta

V = 87,69 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 15,94 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 303,1 K, T2 = 483,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(300/300)·(483,1/303,1) = 15,94 L

Respuesta

V2 = 15,94 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 72,08 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(H2) = 30/2,016 = 14,88 mol
n(O2) = 64/32 = 2 mol

Reactivo limitante

14,88/2 = 7,44, 2/1 = 2 → O2

Masa de producto

n(H2O) = 2·2 = 4 mol
m = 4·18,02 = 72,08 g

Respuesta

m = 72,08 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 69,99 %

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

Rendimiento teórico

n(C3H8) = 10/44,1 = 0,2268 mol
m = 0,2268·4/1·18,02 = 16,34 g

Rendimiento porcentual

Y = 11,44/16,34·100 = 69,99%

Respuesta

Y = 69,99%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,7143 mol/L

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

Expresión de equilibrio

25 = (2x)²/(0,5 − x)²

Saca la raíz cuadrada

5 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·5/(2 + 5) = 0,3571 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,7143 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,7143 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 0,1219 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

0,05 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,05·x − 0,01 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,01))/2 = 0,07808 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 0,2 − 0,07808 = 0,1219 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 0,1219 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 21,81 °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

50·0,388·(100 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 20)

Despeja la temperatura final

Tf = (19,4·100 + 836·20)/(19,4 + 836) = 21,81 °C

Respuesta

Tf = 21,81 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 503,4 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

Calor para la masa dada

n = 10/44,1 = 0,2268 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,2268·2220 = 503,4 kJ

Respuesta

q = 503,4 kJ
13.Cinética química

Respuesta: t = 80 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).

Cantidad convertida

CA0·X = 2·0,4 = 0,8 mol/L

Tiempo

t = CA0·X/k = 0,8/0,01 = 80 min

Respuesta

t = 80 min
14.Cinética química

Respuesta: k2 = 0,1634 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 = 318,1 K

Cociente de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(40000/8,314)·(1/318,1 − 1/308,1) = 0,4907
k2 = 0,1·e0,4907 = 0,1634 min⁻¹

Respuesta

k2 = 0,1634 min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 399,4 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))/0,15 = 2,996/0,15 = 19,97 min

Volumen

V = Q·τ = 20·19,97 = 399,4 L

Respuesta

V = 399,4 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 86,21 %

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 = 250/20 = 12,5 min, kτ = 0,5·12,5 = 6,25

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 6,25/(1 + 6,25) = 86,21%

Respuesta

X = 86,21%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 25,21 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 = 155 − 15 = 140 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 90 − 60 = 30 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (140 − 30)/ln(140/30) = 71,41 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 360000/(200·71,41) = 25,21 m²

Respuesta

A = 25,21 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: Th,out = 104,3 °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

2·(140 − Th,out) = 0,8·(Th,out − 15)
Th,out = (2·140 + 0,8·15)/(2 + 0,8) = 104,3 °C

Respuesta

Th,out = 104,3 °C

Calor transferido: Q̇ = 71,43 kW; la corriente fría sale a 50,71 °C.

19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = 16,13 °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) = (150/1000)/(0,17·20) = 0,04412 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,035·20) = 0,07143 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 18/0,1155 = 155,8 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 23 − 155,8·0,04412 = 16,13 °C

Respuesta

Ti = 16,13 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: U = 0,5808 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/(7,7·8) = 0,01623 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·8) = 0,1838 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1,4·8) = 0,008929 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·8) = 0,00625 K/W
ΣR = 0,2152 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(8·0,2152) = 0,5808 W/(m²·K)

Respuesta

U = 0,5808 W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 14,52 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 2,387²/(2·9,81) = 0,2905 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(500/0,2)·2,387²/(2·9,81) = 14,52 m

Respuesta

hf = 14,52 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 1,364 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 = 0,02/0,01767 = 1,132 m/s
V²/(2g) = 0,06529 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,018·150/0,15 = 18
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,9

Pérdida de carga total

hf = 18·0,06529 = 1,175 m
hm = 2,9·0,06529 = 0,1893 m
Δz = hf + hm = 1,364 m

Respuesta

Δz = 1,364 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: η = 72,02 %

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 = 1000·9,81·0,08·78 = 61,21 kW

Rendimiento

η = Ph/Pshaft = 61,21/85 = 72,02%

Respuesta

η = 72,02%
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 1,53 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 = 0,02/0,01767 = 1,132 m/s
V²/(2g) = 0,06529 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (13,33 + 8)·0,06529 = 1,393 m

Altura de la bomba

H = Δz + hL = 5 + 1,393 = 6,393 m

Potencia en el eje

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,02·6,393/0,82 = 1,53 kW

Respuesta

Pshaft = 1,53 kW

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