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 · 20% salCorriente 2ṁ₂ = ? · 40% 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 = 850 kg/hx1 = 20 %x2 = 40 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F1500 kg/h · 15% NaOHProducto PP = ? · 65%Vapor W (agua pura)0% NaOH

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

F = 1500 kg/hxF = 15 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoetanol · 130 °C60 °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 = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoaceite ligero · 170 °C120 °Cagua · 30 °C45 °C · ṁ = ?10 % perdido

aceite ligero caliente calienta agua en un intercambiador que pierde hacia el entorno el 10 % del calor cedido por la corriente caliente. Halla el caudal de agua ṁc necesario.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 120 °Ct: 30 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
340 g de N₂V = 30 LT = 10 °CP = ?

Un depósito de 30 L contiene 340 g de N₂ a 10 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 340 gM = 28,01 g/molV = 30 LT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de He pasa de 350 kPa, 10 L, 30 °C a 650 kPa y 210 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 350 kPaV1 = 10 LT1 = 30 °CP2 = 650 kPaT2 = 210 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 4/ν× M(H2​O)

8 g de C3H8 y 40 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, 12 g de CH4 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 23,05 g de CO2. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 23,05 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 = 4. Calcula la concentración en el equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 4
[H2] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,08 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,2 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LKc = 0,08
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Cobrem = 50 gT = 90 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Aguam = 250 gT = 23 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de cobre de 50 g (c = 0,385 J/(g·°C)) a 90 °C se introduce en 250 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 23 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 90 °Cmwater = 250 gTwater = 23 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H100 g CH4​CH4​ + 2O₂reactivosCO₂ + 2H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 100 g de CH4 (M = 16,04 g/mol) se queman por completo: CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(CH4) = −74,8 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)C (mol/L)20 minC = ?

Una reacción con ley de velocidad −rA = k·CA² tiene k = 0,05 L/(mol·min) y empieza con 2 mol/L. Halla la concentración CA tras 20 min.

k = 0,05 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/Lt = 20 min
CA = mol/L
14.Cinética químicaDifícil
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))ensayo 10,40,01ensayo 21,60,08n = ?

Dos experimentos miden la velocidad inicial de A → productos. Con CA0 = 0,4 mol/L la velocidad es 0,01 mol/(L·s); con CA0 = 1,6 mol/L es 0,08 mol/(L·s). Halla el orden de reacción n respecto a A.

CA0,1 = 0,4 mol/Lr1 = 0,01 mol/(L·s)CA0,2 = 1,6 mol/Lr2 = 0,08 mol/(L·s)
n =
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 10 L/minX = 60%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 10 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 = 10 L/mink = 0,12 min⁻¹X = 60%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 800 LV = 800 LQ = 25 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,2 min⁻¹) se lleva a cabo en dos CSTR iguales en serie, de 800 L cada uno. El caudal de alimentación es 25 L/min, la densidad es constante y los reactores están en estado estacionario. Halla la conversión global X en porcentaje.

V = 800 L (×2)Q = 25 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT115 °C35 °C40 °C15 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador de carcasa y tubos (un paso por carcasa, dos pasos por tubos) debe transferir 310 kW. El fluido caliente se enfría de 115 a 35 °C y el frío se calienta de 15 a 40 °C. El factor de corrección de la DTML para esta disposición es F = 0,95, y U = 1000 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 310 kWF = 0,95U = 1000 W/(m²·K)Th: 115 → 35 °CTc: 15 → 40 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT100 °C??30 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

En un intercambiador a contracorriente ambas corrientes tienen la misma capacidad calorífica, ṁ·cp = 3 kW/K. La corriente caliente entra a 100 °C y la fría a 30 °C. El intercambiador tiene A = 6 m² y U = 200 W/(m²·K). Halla la temperatura de salida del fluido caliente Th,out.

Ch = Cc = 3 kW/KTh,in = 100 °CTc,in = 30 °CA = 6 m²U = 200 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conducción de calorMedia
Poliestireno expandido, k = 0,035150 mmLana mineral, k = 0,04100 mm16 °C-4 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 150 mm de poliestireno expandido y 100 mm de lana mineral, con un área de 20 m². Las caras exteriores están a 16 °C y -4 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 150 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 16 °CT3 = -4 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Vidrio, k = 0,96250 mmLadrillo, k = 0,7225 mminterior 20 °Cexterior -7 °CTs​ = ?Q̇

Un muro de 250 mm de vidrio y 25 mm de ladrillo separa una habitación a 20 °C del aire exterior a -7 °C. Los coeficientes de convección son 8 W/(m²·K) dentro y 20 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 4 m². Halla la temperatura Ts de la cara interior del muro.

L1 = 250 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 4 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -7 °C
Ts = °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 50 L/sD = 300 mmL = 300 mf = 0,018

Agua circula a razón de 50 L/s por una tubería de 300 m de longitud y 300 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,018 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

Q = 50 L/sL = 300 mD = 300 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 5Δz = ?L = 600 m, D = 300 mm, f = 0,0152× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 600 m de longitud, 300 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,015. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 2 codos (K = 0,3 cada uno), una válvula (K = 5) 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 150 L/s?

Q = 150 L/sL = 600 mD = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 50 L/sH = 34 m

Una bomba con un rendimiento del 72 % impulsa 50 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 34 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 50 L/sH = 34 mη = 72%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 75 L/sΔz = 11 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,022, ΣK = 6

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 11 m más alta. La tubería mide 200 m de longitud, tiene 200 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,022; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 6 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 75 L/sΔz = 11 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 6
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 850 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) = 850·(20 − 30)/(30 − 40) = 850 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 850 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 346,2 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 = 1500·15/65 = 346,2 kg/h

Respuesta

P = 346,2 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 55,86 °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 = 2·2,44·(130 − 60) = 341,6 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 341,6/(2·4,18) = 55,86 °C

Respuesta

tout = 55,86 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 1,507 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 1·2,1·(170 − 120) = 105 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,1)·105 = 94,5 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 94,5/(4,18·15) = 1,507 kg/s

Respuesta

ṁc = 1,507 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 952,5 kPa

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

Moles

n = m/M = 340/28,01 = 12,14 mol
T = 10 + 273,15 = 283,1 K

Presión

P = nRT/V = 12,14·8,314·283,1/0,03 = 952,5 kPa

Respuesta

P = 952,5 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 8,582 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·(350/650)·(483,1/303,1) = 8,582 L

Respuesta

V2 = 8,582 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 13,08 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(C3H8) = 8/44,1 = 0,1814 mol
n(O2) = 40/32 = 1,25 mol

Reactivo limitante

0,1814/1 = 0,1814, 1,25/5 = 0,25 → C3H8

Masa de producto

n(H2O) = 0,1814·4 = 0,7256 mol
m = 0,7256·18,02 = 13,08 g

Respuesta

m = 13,08 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 70,01 %

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) = 12/16,04 = 0,7481 mol
m = 0,7481·1/1·44,01 = 32,93 g

Rendimiento porcentual

Y = 23,05/32,93·100 = 70,01%

Respuesta

Y = 70,01%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [H2] = 0,25 mol/L

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

Expresión de equilibrio

4 = (2x)²/(0,5 − x)²

Saca la raíz cuadrada

2 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·2/(2 + 2) = 0,25 mol/L

Concentración en el equilibrio

[H₂] = 0,5 − x = 0,25 mol/L

Respuesta

[H2] = 0,25 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,09266 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/(0,2 − x) → x² + 0,08·x − 0,016 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,016))/2 = 0,09266 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,09266 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,09266 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 24,21 °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

50·0,385·(90 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 23)

Despeja la temperatura final

Tf = (19,25·90 + 1045·23)/(19,25 + 1045) = 24,21 °C

Respuesta

Tf = 24,21 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 5550 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° = [1·(−393,5) + 2·(−285,8)] − [1·(−74,8) + 2·0] = −890,3 kJ

Calor para la masa dada

n = 100/16,04 = 6,234 mol
q = n·|ΔH°/1| = 6,234·890,3 = 5550 kJ

Respuesta

q = 5550 kJ
13.Cinética química

Respuesta: CA = 0,6667 mol/L

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).

Ley integrada de segundo orden

1/CA = 1/CA0 + kt = 0,5 + 0,05·20 = 1,5 L/mol
CA = 1/1,5 = 0,6667 mol/L

Respuesta

CA = 0,6667 mol/L
14.Cinética química

Respuesta: n = 1,5

Método de las velocidades iniciales: para r = k·Cⁿ, comparar dos ensayos que solo difieren en la concentración inicial elimina k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Duplicar C duplica la velocidad en primer orden y la cuadruplica en segundo orden.

Relaciones

r2/r1 = 0,08/0,01 = 8
C2/C1 = 1,6/0,4 = 4

Orden

n = ln(8)/ln(4) = 1,5

Respuesta

n = 1,5
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 76,36 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))/0,12 = 0,9163/0,12 = 7,636 min

Volumen

V = Q·τ = 10·7,636 = 76,36 L

Respuesta

V = 76,36 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 98,17 %

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 = 800/25 = 32 min, kτ = 0,2·32 = 6,4

Conversión

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 6,4) = 0,1351
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,01826
X = 1 − 0,01826 = 98,17%

Respuesta

X = 98,17%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 7,842 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 = 115 − 40 = 75 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 35 − 15 = 20 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (75 − 20)/ln(75/20) = 41,61 K

Área

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 310000/(1000·0,95·41,61) = 7,842 m²

Respuesta

A = 7,842 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: Th,out = 80 °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

3·(100 − Th,out) = 1,2·(Th,out − 30)
Th,out = (3·100 + 1,2·30)/(3 + 1,2) = 80 °C

Respuesta

Th,out = 80 °C

Calor transferido: Q̇ = 60 kW; la corriente fría sale a 50 °C.

19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = 3,368 °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)/(0,035·20) = 0,2143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,04·20) = 0,125 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 20/0,3393 = 58,95 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 16 − 58,95·0,2143 = 3,368 °C

Respuesta

Ti = 3,368 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: Ts = 12,82 °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/(8·4) = 0,03125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,96·4) = 0,0651 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,72·4) = 0,008681 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·4) = 0,0125 K/W
ΣR = 0,1175 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (20 − (-7))/0,1175 = 229,7 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 229,7·0,03125 = 12,82 °C

Respuesta

Ts = 12,82 °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 0,459 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·0,3²/4 = 0,07069 m²
V = Q/A = 0,05/0,07069 = 0,7074 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 0,7074²/(2·9,81) = 0,0255 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(300/0,3)·0,7074²/(2·9,81) = 0,459 m

Respuesta

hf = 0,459 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 8,515 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 = 0,15/0,07069 = 2,122 m/s
V²/(2g) = 0,2295 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,015·600/0,3 = 30
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 + 1,0 = 7,1

Pérdida de carga total

hf = 30·0,2295 = 6,886 m
hm = 7,1·0,2295 = 1,63 m
Δz = hf + hm = 8,515 m

Respuesta

Δz = 8,515 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 23,16 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 = 1000·9,81·0,05·34 = 16,68 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 16,68/0,72 = 23,16 kW

Respuesta

Pshaft = 23,16 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 19,13 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) = (22 + 6)·0,2905 = 8,134 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 = 11 + 8,134 = 19,13 m

Respuesta

H = 19,13 m

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