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 1750 kg/h · 30% salCorriente 2ṁ₂ = ? · 15% salProducto20% sal

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 20 % de sal? Halla ṁ2.

ṁ1 = 750 kg/hx1 = 30 %x2 = 15 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F3200 kg/h · 16% NaOHProducto P40% 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 = 3200 kg/hxF = 16 %xP = 40 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoetanol · 150 °C110 °Cagua · 15 °Ct = ? °C

etanol caliente enfría agua en un intercambiador a contracorriente sin pérdidas de calor. Halla la temperatura de salida del agua tout.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 150 → 110 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 180 °C80 °Cagua · 10 °C70 °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 = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 80 °Ct: 10 → 70 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
230 g de CO₂P = 300 kPaT = 70 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 230 g de CO₂ a 300 kPa y 70 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 230 gM = 44,01 g/molP = 300 kPaT = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
CO₂, M = 44,01 g/molP = 600 kPaT = 60 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de CO₂ a 600 kPa y 60 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 44,01 g/molP = 600 kPaT = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 4/ν× M(H2​O)

12 g de C3H8 y 8 g de O2 reaccionan según C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. ¿Qué masa m de H2O se puede formar?

M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(CH4​)n(CH4​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CH4​)× 1/1× M(CO2​)

En la reacción CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, 4 g de CH4 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 9,66 g de CO2. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 9,66 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 = 49. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 49
[HI] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,05 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,4 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,05
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Aluminiom = 50 gT = 200 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Aguam = 400 gT = 24 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de aluminio de 50 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 200 °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 = 50 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 200 °Cmwater = 400 gTwater = 24 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H2C2​H6​ + 7O₂reactivos4CO₂ + 6H₂O(l)productosΔH° = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular ΔH° de la reacción 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C2H6) = −84,7 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)5 min0,96

En una reacción de primer orden la concentración de A baja de 1,2 mol/L a 0,96 mol/L en 5 min. Halla la constante de velocidad k.

CA0 = 1,2 mol/LCA = 0,96 mol/Lt = 5 min
k = min⁻¹
14.Cinética químicaDifícil
Tk50 °Ck1​?10·k1​

Una reacción tiene una energía de activación de 50 kJ/mol. A 50 °C es demasiado lenta. ¿Hasta qué temperatura T2 (en °C) hay que calentarla para que sea 10 veces más rápida?

Ea = 50 kJ/molT1 = 50 °Ck2/k1 = 10R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 100 L/minX = 60%V = ?, k = 0,4 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,4 min⁻¹ se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) alimentado a 100 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 60 %.

Q = 100 L/mink = 0,4 min⁻¹X = 60%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 1500 LQ = 100 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,3 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 1500 L alimentado a 100 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 1500 LQ = 100 L/mink = 0,3 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT125 °C45 °C105 °C10 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador a contracorriente transfiere 500 kW. El fluido caliente se enfría de 125 a 45 °C y el frío se calienta de 10 a 105 °C. El coeficiente global de transmisión es 800 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 500 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 125 → 45 °CTc: 10 → 105 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT175 °C??15 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

En un intercambiador a contracorriente ambas corrientes tienen la misma capacidad calorífica, ṁ·cp = 0,5 kW/K. La corriente caliente entra a 175 °C y la fría a 15 °C. El intercambiador tiene A = 1,5 m² y U = 200 W/(m²·K). Halla la temperatura de salida del fluido caliente Th,out.

Ch = Cc = 0,5 kW/KTh,in = 175 °CTc,in = 15 °CA = 1,5 m²U = 200 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conducción de calorMedia
Ladrillo, k = 0,7250 mmPoliestireno expandido, k = 0,035100 mm16 °C-12 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 50 mm de ladrillo y 100 mm de poliestireno expandido, con un área de 15 m². Las caras exteriores están a 16 °C y -12 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 50 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 16 °CT3 = -12 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Ladrillo, k = 0,72200 mmMadera, k = 0,1725 mminterior 21 °Cexterior -6 °CQ̇ = ?

Un muro de 200 mm de ladrillo y 25 mm de madera separa una habitación a 21 °C del aire exterior a -6 °C. Los coeficientes de convección son 8 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 20 m². Halla la pérdida de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 200 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -6 °C
Q̇ = W
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 3 L/sD = 75 mmL = 1000 mf = 0,015

Agua circula a razón de 3 L/s por una tubería de 1000 m de longitud y 75 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 = 3 L/sL = 1000 mD = 75 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 5descarga libreH = ?L = 100 m, D = 200 mm, f = 0,024× codo (K = 0,3)

Una tubería de 100 m de longitud y 200 mm de diámetro interior (factor de fricción de Darcy f = 0,02) 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), 4 codos (K = 0,3 cada uno) y una válvula (K = 5). 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 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5
H = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 25 L/sH = 14 m

En un ensayo, una bomba impulsa 25 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 14 m mientras su eje absorbe 4 kW. Usa g = 9,81 m/s². Halla el rendimiento de la bomba η en porcentaje.

Q = 25 L/sH = 14 mPshaft = 4 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 20 L/sΔz = 8 mL = 150 m, D = 100 mm, f = 0,015, ΣK = 3

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 8 m más alta. La tubería mide 150 m de longitud, tiene 100 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,015; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 3 (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 = 8 mL = 150 mD = 100 mmf = 0,015ΣK = 3η = 82%
Pshaft = kW

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 1500 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) = 750·(30 − 20)/(20 − 15) = 1500 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 1500 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: W = 1920 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 = 3200·16/40 = 1280 kg/h

Balance total

W = F − P = 3200 − 1280 = 1920 kg/h

Respuesta

W = 1920 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 26,67 °C

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

Calor cedido por la corriente caliente

Q = 1,5·2,44·(150 − 110) = 146,4 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 146,4/(3·4,18) = 26,67 °C

Respuesta

tout = 26,67 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 2,067 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 2,5·2,44·(180 − 80) = 610 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,15)·610 = 518,5 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 518,5/(4,18·60) = 2,067 kg/s

Respuesta

ṁc = 2,067 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 49,7 L

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

Moles

n = 230/44,01 = 5,226 mol
T = 70 + 273,15 = 343,1 K

Volumen

V = nRT/P = 5,226·8,314·343,1/300 = 49,7 L

Respuesta

V = 49,7 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 9,534 kg/m³

Densidad de un gas ideal: ρ = PM/(RT).

Reordena la ley de los gases

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 60 + 273,15 = 333,1 K

Densidad

ρ = 600·44,01/(8,314·333,1) = 9,534 kg/m³

Respuesta

ρ = 9,534 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 3,604 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) = 12/44,1 = 0,2721 mol
n(O2) = 8/32 = 0,25 mol

Reactivo limitante

0,2721/1 = 0,2721, 0,25/5 = 0,05 → O2

Masa de producto

n(H2O) = 0,05·4 = 0,2 mol
m = 0,2·18,02 = 3,604 g

Respuesta

m = 3,604 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(CH4) = 4/16,04 = 0,2494 mol
m = 0,2494·1/1·44,01 = 10,98 g

Rendimiento porcentual

Y = 9,66/10,98·100 = 88,02%

Respuesta

Y = 88,02%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 1,556 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

49 = (2x)²/(1 − x)²

Saca la raíz cuadrada

7 = 2x/(1 − x) → x = 1·7/(2 + 7) = 0,7778 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 1,556 mol/L

Respuesta

[HI] = 1,556 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,1186 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/(0,4 − x) → x² + 0,05·x − 0,02 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,02))/2 = 0,1186 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,1186 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,1186 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 28,6 °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·(200 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 24)

Despeja la temperatura final

Tf = (44,85·200 + 1672·24)/(44,85 + 1672) = 28,6 °C

Respuesta

Tf = 28,6 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: ΔH° = −3119 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° = [4·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [2·(−84,7) + 7·0] = −3119 kJ

Respuesta

ΔH° = −3119 kJ

Negativo: la reacción desprende calor (exotérmica).

13.Cinética química

Respuesta: k = 0,04463 min⁻¹

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).

Ley integrada de primer orden

k = ln(CA0/CA)/t = ln(1,2/0,96)/5 = 0,2231/5 = 0,04463 min⁻¹

Respuesta

k = 0,04463 min⁻¹
14.Cinética química

Respuesta: T2 = 95,63 °C

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperatura absoluta

T1 = 323,1 K

Despeja T₂ de la ecuación de Arrhenius

1/T2 = 1/323,1 − 8,314·ln(10)/50000 = 3,095 × 10⁻³ − 3,829 × 10⁻⁴ = 2,712 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 368,8 K = 95,63 °C

Respuesta

T2 = 95,63 °C
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 229,1 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 − 0,6))/0,4 = 0,9163/0,4 = 2,291 min

Volumen

V = Q·τ = 100·2,291 = 229,1 L

Respuesta

V = 229,1 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 81,82 %

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 = 1500/100 = 15 min, kτ = 0,3·15 = 4,5

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 4,5/(1 + 4,5) = 81,82%

Respuesta

X = 81,82%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 23,32 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

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 = 125 − 105 = 20 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 10 = 35 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (20 − 35)/ln(20/35) = 26,8 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 500000/(800·26,8) = 23,32 m²

Respuesta

A = 23,32 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: Th,out = 115 °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

0,5·(175 − Th,out) = 0,3·(Th,out − 15)
Th,out = (0,5·175 + 0,3·15)/(0,5 + 0,3) = 115 °C

Respuesta

Th,out = 115 °C

Calor transferido: Q̇ = 30 kW; la corriente fría sale a 75 °C.

19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 143,5 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)/(0,72·15) = 0,00463 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,035·15) = 0,1905 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 28/0,1951 = 143,5 W

Respuesta

Q̇ = 143,5 W
20.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 915,5 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/(8·20) = 0,00625 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,72·20) = 0,01389 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,17·20) = 0,007353 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·20) = 0,002 K/W
ΣR = 0,02949 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (21 − (-6))/0,02949 = 915,5 W

Respuesta

Q̇ = 915,5 W
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 4,701 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·0,075²/4 = 0,004418 m²
V = Q/A = 0,003/0,004418 = 0,6791 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 0,6791²/(2·9,81) = 0,0235 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(1000/0,075)·0,6791²/(2·9,81) = 4,701 m

Respuesta

hf = 4,701 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: H = 5,85 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 = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,02·100/0,2 = 10
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 = 6,7

Ecuación de la energía

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

H = (1 + 10 + 6,7)·0,3305 = 5,85 m

Respuesta

H = 5,85 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: η = 85,84 %

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 = 1000·9,81·0,025·14 = 3,433 kW

Rendimiento

η = Ph/Pshaft = 3,433/4 = 85,84%

Respuesta

η = 85,84%
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 3,931 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 = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22,5 + 3)·0,3305 = 8,428 m

Altura de la bomba

H = Δz + hL = 8 + 8,428 = 16,43 m

Potencia en el eje

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,02·16,43/0,82 = 3,931 kW

Respuesta

Pshaft = 3,931 kW

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