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 11000 kg/h · 5% azúcarCorriente 2ṁ₂ = ? · 40% azúcarProducto25% azúcar

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

ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 5 %x2 = 40 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F3000 kg/h · 7% salProducto P60% salVapor W (agua pura)W = ? kg/h

Un evaporador concentra una disolución de sal evaporando agua pura. Halla el agua evaporada W en kg/h.

F = 3000 kg/hxF = 7 %xP = 60 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoaceite ligero · 120 °C60 °Cagua · 10 °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 = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 60 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 180 °C120 °Cagua · 15 °C70 °C · ṁ = ?5 % perdido

etanol caliente calienta agua en un intercambiador que pierde hacia el entorno el 5 % del calor cedido por la corriente caliente. Halla el caudal de agua ṁc necesario.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 120 °Ct: 15 → 70 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
130 g de CO₂P = 100 kPaT = 85 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 130 g de CO₂ a 100 kPa y 85 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 130 gM = 44,01 g/molP = 100 kPaT = 85 °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, 20 L, 15 °C a 800 kPa y 110 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 300 kPaV1 = 20 LT1 = 15 °CP2 = 800 kPaT2 = 110 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

10 g de Fe2O3 y 8 g de CO reaccionan según Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. ¿Qué masa m de CO2 se puede formar?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(CO2) = 44,01 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 14,38 g de H2O. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreal: 14,38 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 = 36. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 36
[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 = 0,04 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,4 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,04
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Hierrom = 150 gT = 80 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Aguam = 250 gT = 21 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de hierro de 150 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 80 °C se introduce en 250 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 21 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 80 °Cmwater = 250 gTwater = 21 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H50 g CH3​OH2CH3​OH + 3O₂reactivos2CO₂ + 4H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 50 g de CH3OH (M = 32,04 g/mol) se queman por completo: 2CH3OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(CH3OH) = −238,7 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)15 minC = ?

Una reacción con ley de velocidad −rA = k·CA² tiene k = 0,5 L/(mol·min) y empieza con 1,5 mol/L. Halla la concentración CA tras 15 min.

k = 0,5 L/(mol·min)CA0 = 1,5 mol/Lt = 15 min
CA = mol/L
14.Cinética químicaDifícil
Tk20 °Ck1​?10·k1​

Una reacción tiene una energía de activación de 80 kJ/mol. A 20 °C es demasiado lenta. ¿Hasta qué temperatura T2 (en °C) hay que calentarla para que sea 10 veces más rápida?

Ea = 80 kJ/molT1 = 20 °Ck2/k1 = 10R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
QX = 60%mismos Q, k y X que el CSTR

Una reacción de primer orden en fase líquida debe alcanzar un 60 % de conversión. ¿Cuántas veces mayor debe ser un CSTR que un PFR para el mismo caudal de alimentación, constante de velocidad y conversión? Halla la relación VCSTR/VPFR.

X = 60%primer orden, mismos k y Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 50 LV = 50 LQ = 20 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,08 min⁻¹) se lleva a cabo en dos CSTR iguales en serie, de 50 L cada uno. El caudal de alimentación es 20 L/min, la densidad es constante y los reactores están en estado estacionario. Halla la conversión global X en porcentaje.

V = 50 L (×2)Q = 20 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT140 °C10 °C125 °CΔT₁ΔT₂vapor que condensa

En un condensador, el vapor condensa a 140 °C constantes en el exterior de los tubos. El agua de refrigeración (5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circula por los tubos y se calienta de 10 a 125 °C. El coeficiente global de transmisión de calor es 1000 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Ts = 140 °Cṁ = 5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 10 → 125 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT170 °C75 °C57,61 °C15 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (1,5 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) se enfría de 170 a 75 °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 = 300 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 170 → 75 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 300 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Vidrio, k = 0,96250 mmLadrillo, k = 0,72100 mm22 °C-9 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 250 mm de vidrio y 100 mm de ladrillo, con un área de 10 m². Las caras exteriores están a 22 °C y -9 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 250 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 22 °CT3 = -9 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Poliestireno expandido, k = 0,035150 mmVidrio, k = 0,9675 mminterior 20 °Cexterior -11 °CTs​ = ?Q̇

Un muro de 150 mm de poliestireno expandido y 75 mm de vidrio separa una habitación a 20 °C del aire exterior a -11 °C. Los coeficientes de convección son 10 W/(m²·K) dentro y 30 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 8 m². Halla la temperatura Ts de la cara interior del muro.

L1 = 150 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 8 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -11 °C
Ts = °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 1,8 m/sD = 250 mmL = 200 mf = 0,015

Agua circula con una velocidad media de 1,8 m/s por una tubería de 200 m de longitud y 250 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.

V = 1,8 m/sL = 200 mD = 250 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 5descarga libreH = ?L = 100 m, D = 300 mm, f = 0,024× codo (K = 0,3)

Una tubería de 100 m de longitud y 300 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 120 L/s?

Q = 120 L/sL = 100 mD = 300 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5
H = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 15 L/sH = 28 m

En un ensayo, una bomba impulsa 15 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 28 m mientras su eje absorbe 5,9 kW. Usa g = 9,81 m/s². Halla el rendimiento de la bomba η en porcentaje.

Q = 15 L/sH = 28 mPshaft = 5,9 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
400 kPa (manométrica)PQ = 80 L/sΔz = 6 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 2,5

Una bomba impulsa 80 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 6 m más alta. La tubería mide 100 m de longitud, tiene 200 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,015; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 2,5 (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 400 kPa. Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 80 L/sΔz = 6 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 2,5ptank = 400 kPa
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 1333 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
azúcar: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Despeja ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 1000·(5 − 25)/(25 − 40) = 1333 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 1333 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: W = 2650 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 = 3000·7/60 = 350 kg/h

Balance total

W = F − P = 3000 − 350 = 2650 kg/h

Respuesta

W = 2650 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 55,22 °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 = 1,5·2,1·(120 − 60) = 189 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 189/(1·4,18) = 55,22 °C

Respuesta

tout = 55,22 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 0,605 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 1·2,44·(180 − 120) = 146,4 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,05)·146,4 = 139,1 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 139,1/(4,18·55) = 0,605 kg/s

Respuesta

ṁc = 0,605 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 87,96 L

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

Moles

n = 130/44,01 = 2,954 mol
T = 85 + 273,15 = 358,1 K

Volumen

V = nRT/P = 2,954·8,314·358,1/100 = 87,96 L

Respuesta

V = 87,96 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 9,973 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 288,1 K, T2 = 383,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(300/800)·(383,1/288,1) = 9,973 L

Respuesta

V2 = 9,973 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 8,268 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(Fe2O3) = 10/159,69 = 0,06262 mol
n(CO) = 8/28,01 = 0,2856 mol

Reactivo limitante

0,06262/1 = 0,06262, 0,2856/3 = 0,0952 → Fe2O3

Masa de producto

n(CO2) = 0,06262·3 = 0,1879 mol
m = 0,1879·44,01 = 8,268 g

Respuesta

m = 8,268 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 87,98 %

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 = 14,38/16,34·100 = 87,98%

Respuesta

Y = 87,98%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,75 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

36 = (2x)²/(0,5 − x)²

Saca la raíz cuadrada

6 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·6/(2 + 6) = 0,375 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,75 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,75 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 0,2919 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/(0,4 − x) → x² + 0,04·x − 0,016 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,016))/2 = 0,1081 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 0,4 − 0,1081 = 0,2919 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 0,2919 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 24,57 °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

150·0,449·(80 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 21)

Despeja la temperatura final

Tf = (67,35·80 + 1045·21)/(67,35 + 1045) = 24,57 °C

Respuesta

Tf = 24,57 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 1134 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° = [2·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [2·(−238,7) + 3·0] = −1453 kJ

Calor para la masa dada

n = 50/32,04 = 1,561 mol
q = n·|ΔH°/2| = 1,561·726,4 = 1134 kJ

Respuesta

q = 1134 kJ
13.Cinética química

Respuesta: CA = 0,1224 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 = 0,6667 + 0,5·15 = 8,167 L/mol
CA = 1/8,167 = 0,1224 mol/L

Respuesta

CA = 0,1224 mol/L
14.Cinética química

Respuesta: T2 = 42,12 °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 = 293,1 K

Despeja T₂ de la ecuación de Arrhenius

1/T2 = 1/293,1 − 8,314·ln(10)/80000 = 3,411 × 10⁻³ − 2,393 × 10⁻⁴ = 3,172 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 315,3 K = 42,12 °C

Respuesta

T2 = 42,12 °C
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: VCSTR/VPFR = 1,637

Reactores ideales, reacción de primer orden (−rA = k·CA) en estado estacionario, con tiempo espacial τ = V/Q. Un CSTR está perfectamente mezclado, así que todo el volumen reacciona a la baja concentración de salida: τ = X/(k·(1 − X)) y CA = CA0/(1 + k·τ). En un PFR cada rebanada de fluido reacciona como un pequeño reactor discontinuo: τ = ln(1/(1 − X))/k y CA = CA0·e−k·τ. Para la misma conversión un CSTR siempre necesita más volumen que un PFR.

k·τ para cada reactor

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,6/0,4 = 1,5
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2,5) = 0,9163

Relación de volúmenes

VCSTR/VPFR = 1,5/0,9163 = 1,637

Respuesta

VCSTR/VPFR = 1,637

La diferencia crece rápidamente a conversiones altas.

16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 30,56 %

Reactores ideales, reacción de primer orden (−rA = k·CA) en estado estacionario, con tiempo espacial τ = V/Q. Un CSTR está perfectamente mezclado, así que todo el volumen reacciona a la baja concentración de salida: τ = X/(k·(1 − X)) y CA = CA0/(1 + k·τ). En un PFR cada rebanada de fluido reacciona como un pequeño reactor discontinuo: τ = ln(1/(1 − X))/k y CA = CA0·e−k·τ. Para la misma conversión un CSTR siempre necesita más volumen que un PFR.

Tiempo espacial

τ = V/Q = 50/20 = 2,5 min, kτ = 0,08·2,5 = 0,2

Conversión

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,2) = 0,8333
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,6944
X = 1 − 0,6944 = 30,56%

Respuesta

X = 30,56%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 45,13 m²

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Potencia térmica en el lado del agua

Q̇ = 5·4,18·(125 − 10) = 2404 kW

Diferencias de temperatura en los extremos

ΔT₁ = 140 − 10 = 130 K
ΔT₂ = 140 − 125 = 15 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (130 − 15)/ln(130/15) = 53,25 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 2,404 × 10⁶/(1000·53,25) = 45,13 m²

Respuesta

A = 45,13 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 14,23 m²

Método de la DTML: la diferencia de temperatura entre las corrientes cambia a lo largo del intercambiador, así que la ecuación usa su media logarítmica: Q̇ = U·A·ΔTlm, con ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), donde ΔT₁ y ΔT₂ son las diferencias en los dos extremos. A contracorriente se obtiene una ΔTlm mayor que en flujo paralelo con las mismas temperaturas de entrada y salida.

Potencia térmica y temperatura de salida del agua

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1,5·2,5·95 = 356,3 kW
Tc,out = 15 + 356,3/(2·4,18) = 57,61 °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 = 170 − 57,61 = 112,4 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 15 = 60 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (112,4 − 60)/ln(112,4/60) = 83,47 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 356250/(300·83,47) = 14,23 m²

Respuesta

A = 14,23 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 776,3 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) = (250/1000)/(0,96·10) = 0,02604 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,72·10) = 0,01389 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 31/0,03993 = 776,3 W

Respuesta

Q̇ = 776,3 W
20.Conducción de calor

Respuesta: Ts = 19,31 °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/(10·8) = 0,0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,035·8) = 0,5357 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,96·8) = 0,009766 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·8) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,5621 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (20 − (-11))/0,5621 = 55,15 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 55,15·0,0125 = 19,31 °C

Respuesta

Ts = 19,31 °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 1,982 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) = 1,8²/(2·9,81) = 0,1651 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(200/0,25)·1,8²/(2·9,81) = 1,982 m

Respuesta

hf = 1,982 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: H = 2,11 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 = 0,02·100/0,3 = 6,667
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 + 6,667 + 6,7)·0,1469 = 2,11 m

Respuesta

H = 2,11 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: η = 69,83 %

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 = 1000·9,81·0,015·28 = 4,12 kW

Rendimiento

η = Ph/Pshaft = 4,12/5,9 = 69,83%

Respuesta

η = 69,83%
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 50,08 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 = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (7,5 + 2,5)·0,3305 = 3,305 m

Altura de presión

p/(ρ·g) = 400000/(1000·9,81) = 40,77 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 = 6 + 40,77 + 3,305 = 50,08 m

Respuesta

H = 50,08 m

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