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 1650 kg/h · 15% NaOHCorriente 2ṁ₂ = ? · 40% NaOHProducto25% NaOH

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 25 % de NaOH? Halla ṁ2.

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 15 %x2 = 40 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F3200 kg/h · 14% 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 = 3200 kg/hxF = 14 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoetanol · 150 °C90 °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 = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 150 → 90 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 180 °C80 °Cagua · 25 °C45 °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 = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 80 °Ct: 25 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
90 g de HeP = 100 kPaT = 40 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 90 g de He a 100 kPa y 40 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 90 gM = 4,003 g/molP = 100 kPaT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
Ar, M = 39,95 g/molP = 450 kPaT = 90 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de Ar a 450 kPa y 90 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 39,95 g/molP = 450 kPaT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

30 g de CH4 y 24 g de O2 reaccionan según CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. ¿Qué masa m de H2O se puede formar?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(Al)n(Al)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(Al)× 2/2× M(AlCl3​)

En la reacción 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3, 24 g de Al reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 97,25 g de AlCl3. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molreal: 97,25 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

Se introducen 0,25 mol/L de H₂ y 0,25 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 54. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 54
[HI] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,04 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,5 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,04
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Cincm = 250 gT = 160 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Aguam = 400 gT = 22 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de cinc de 250 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 160 °C se introduce en 400 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 22 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 400 gTwater = 22 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
HCH4​ + 2O₂reactivosCO₂ + 2H₂O(l)productosΔH° = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular ΔH° de la reacción CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l).

ΔH°f(CH4) = −74,8 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 = ?50%

Una reacción de segundo orden (−rA = k·CA²) en un reactor discontinuo tiene k = 0,05 L/(mol·min) y parte de 1 mol/L. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 50 %? Halla t.

k = 0,05 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/LX = 50 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
t (min)X (%)20 minX = ?

Una reacción de primer orden tiene k = 0,005 min⁻¹ a 30 °C y una energía de activación de 50 kJ/mol. El reactor discontinuo funciona ahora a 45 °C durante 20 min. Halla la conversión X alcanzada.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 30 °CEa = 50 kJ/molT2 = 45 °Ct = 20 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 40 L/minX = 75%V = ?, k = 0,12 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,12 min⁻¹ se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) alimentado a 40 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla el volumen del reactor V en litros para una conversión de A del 75 %.

Q = 40 L/mink = 0,12 min⁻¹X = 75%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
Q = 100 L/minX = ?V = 100 L

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,4 min⁻¹) se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) de 100 L alimentado a 100 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 100 LQ = 100 L/mink = 0,4 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT170 °C85 °C30 °C60 °CΔT₁ΔT₂flujo paralelo

Un intercambiador de flujo paralelo transfiere 370 kW. El fluido caliente se enfría de 170 a 85 °C y el frío se calienta de 30 a 60 °C. El coeficiente global de transmisión es 800 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 370 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 170 → 85 °CTc: 30 → 60 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT115 °C95 °C17,99 °C15 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (0,5 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) se enfría de 115 a 95 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 2 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 15 °C. Con U = 200 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 115 → 95 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Poliestireno expandido, k = 0,035100 mmHormigón, k = 1,4100 mm17 °C4 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 100 mm de poliestireno expandido y 100 mm de hormigón, con un área de 15 m². Las caras exteriores están a 17 °C y 4 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 100 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 17 °CT3 = 4 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Poliestireno expandido, k = 0,035100 mmVidrio, k = 0,9650 mminterior 22 °Cexterior -4 °CTs​ = ?Q̇

Un muro de 100 mm de poliestireno expandido y 50 mm de vidrio separa una habitación a 22 °C del aire exterior a -4 °C. Los coeficientes de convección son 7,7 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 4 m². Halla la temperatura Ts de la cara interior del muro.

L1 = 100 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 4 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -4 °C
Ts = °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 1,2 m/sD = 300 mmL = 150 mf = 0,03

Agua circula con una velocidad media de 1,2 m/s por una tubería de 150 m de longitud y 300 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,03 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

V = 1,2 m/sL = 150 mD = 300 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 2descarga libreH = ?L = 200 m, D = 300 mm, f = 0,0184× codo (K = 0,3)

Una tubería de 200 m de longitud y 300 mm de diámetro interior (factor de fricción de Darcy f = 0,018) 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 = 2). 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 120 L/s?

Q = 120 L/sL = 200 mD = 300 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2
H = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 25 L/sH = 78 m

En un ensayo, una bomba impulsa 25 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 78 m mientras su eje absorbe 24,5 kW. Usa g = 9,81 m/s². Halla el rendimiento de la bomba η en porcentaje.

Q = 25 L/sH = 78 mPshaft = 24,5 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
200 kPa (manométrica)PQ = 50 L/sΔz = 30 mL = 600 m, D = 150 mm, f = 0,015, ΣK = 8

Una bomba impulsa 50 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 30 m más alta. La tubería mide 600 m de longitud, tiene 150 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,015; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 8 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². El depósito superior está cerrado y el aire sobre el agua está a una presión manométrica de 200 kPa. Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 50 L/sΔz = 30 mL = 600 mD = 150 mmf = 0,015ΣK = 8ptank = 200 kPa
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 433,3 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
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Despeja ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 650·(15 − 25)/(25 − 40) = 433,3 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 433,3 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 689,2 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 = 3200·14/65 = 689,2 kg/h

Respuesta

P = 689,2 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 23,76 °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 = 0,5·2,44·(150 − 90) = 73,2 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 73,2/(2·4,18) = 23,76 °C

Respuesta

tout = 23,76 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 2,481 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 1·2,44·(180 − 80) = 244 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,15)·244 = 207,4 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 207,4/(4,18·20) = 2,481 kg/s

Respuesta

ṁc = 2,481 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 585,4 L

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

Moles

n = 90/4,003 = 22,48 mol
T = 40 + 273,15 = 313,1 K

Volumen

V = nRT/P = 22,48·8,314·313,1/100 = 585,4 L

Respuesta

V = 585,4 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 5,954 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 = 90 + 273,15 = 363,1 K

Densidad

ρ = 450·39,95/(8,314·363,1) = 5,954 kg/m³

Respuesta

ρ = 5,954 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 13,52 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(CH4) = 30/16,04 = 1,87 mol
n(O2) = 24/32 = 0,75 mol

Reactivo limitante

1,87/1 = 1,87, 0,75/2 = 0,375 → O2

Masa de producto

n(H2O) = 0,375·2 = 0,75 mol
m = 0,75·18,02 = 13,52 g

Respuesta

m = 13,52 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 82 %

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(Al) = 24/26,98 = 0,8895 mol
m = 0,8895·2/2·133,33 = 118,6 g

Rendimiento porcentual

Y = 97,25/118,6·100 = 82%

Respuesta

Y = 82%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,393 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/(0,25 − x)²

Saca la raíz cuadrada

7,348 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·7,348/(2 + 7,348) = 0,1965 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,393 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,393 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,1228 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

0,04 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,04·x − 0,02 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,02))/2 = 0,1228 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,1228 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,1228 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 29,57 °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

250·0,388·(160 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 22)

Despeja la temperatura final

Tf = (97·160 + 1672·22)/(97 + 1672) = 29,57 °C

Respuesta

Tf = 29,57 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: ΔH° = −890,3 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

Respuesta

ΔH° = −890,3 kJ

Negativo: la reacción desprende calor (exotérmica).

13.Cinética química

Respuesta: t = 20 min

Leyes de velocidad integradas: orden cero: C = C₀ − kt (recta, t½ = C₀/(2k)); primer orden: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); segundo orden: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Una conversión X significa C = C₀(1 − X).

Concentración al final

CA = 1·(1 − 0,5) = 0,5 mol/L

Ley integrada de segundo orden

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (2 − 1)/0,05 = 20 min

Respuesta

t = 20 min
14.Cinética química

Respuesta: X = 22,49 %

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).

Constante de velocidad a la nueva temperatura

T1 = 303,1 K, T2 = 318,1 K
k2 = 0,005·e−(50000/8,314)·(1/318,1 − 1/303,1) = 0,01274 min⁻¹

Conversión

X = 1 − e−0,01274·20 = 1 − 0,7751 = 22,49 %

Respuesta

X = 22,49 %
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 462,1 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 − 0,75))/0,12 = 1,386/0,12 = 11,55 min

Volumen

V = Q·τ = 40·11,55 = 462,1 L

Respuesta

V = 462,1 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 32,97 %

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 = 100/100 = 1 min, kτ = 0,4·1 = 0,4

Conversión

X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,4 = 32,97%

Respuesta

X = 32,97%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 6,929 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 = 170 − 30 = 140 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 85 − 60 = 25 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (140 − 25)/ln(140/25) = 66,75 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 370000/(800·66,75) = 6,929 m²

Respuesta

A = 6,929 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 1,417 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) = 0,5·2,5·20 = 25 kW
Tc,out = 15 + 25/(2·4,18) = 17,99 °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 = 115 − 17,99 = 97,01 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 95 − 15 = 80 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (97,01 − 80)/ln(97,01/80) = 88,23 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 25000/(200·88,23) = 1,417 m²

Respuesta

A = 1,417 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = 4,317 °C

Resistencia térmica: el flujo de calor estacionario a través de capas en serie se comporta como la corriente por resistencias en serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) para una capa conductora y R = 1/(hA) para una superficie con convección. La caída de temperatura en cada capa es proporcional a su resistencia.

Resistencias de las capas

R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,035·15) = 0,1905 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1,4·15) = 0,004762 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 13/0,1952 = 66,59 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 17 − 66,59·0,1905 = 4,317 °C

Respuesta

Ti = 4,317 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: Ts = 20,9 °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/(7,7·4) = 0,03247 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,035·4) = 0,7143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,96·4) = 0,01302 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·4) = 0,01 K/W
ΣR = 0,7698 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (22 − (-4))/0,7698 = 33,78 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 33,78·0,03247 = 20,9 °C

Respuesta

Ts = 20,9 °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 1,101 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) = 1,2²/(2·9,81) = 0,07339 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(150/0,3)·1,2²/(2·9,81) = 1,101 m

Respuesta

hf = 1,101 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: H = 2,453 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 = 0,12/0,07069 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,018·200/0,3 = 12
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 = 3,7

Ecuación de la energía

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

H = (1 + 12 + 3,7)·0,1469 = 2,453 m

Respuesta

H = 2,453 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: η = 78,08 %

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 = 1000·9,81·0,025·78 = 19,13 kW

Rendimiento

η = Ph/Pshaft = 19,13/24,5 = 78,08%

Respuesta

η = 78,08%
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 78,13 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (60 + 8)·0,408 = 27,75 m

Altura de presión

p/(ρ·g) = 200000/(1000·9,81) = 20,39 m

Altura de la bomba

Las dos superficies están prácticamente en reposo, así que no hay término de altura de velocidad.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 30 + 20,39 + 27,75 = 78,13 m

Respuesta

H = 78,13 m

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