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.

Problemas nuevosVolver a la asignatura

En la ventana de impresión, elige «Guardar como PDF» para conservar una copia en tu dispositivo.

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 1800 kg/h · 35% NaOHCorriente 2ṁ₂ = ? · 20% NaOHProducto30% NaOH

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 30 % de NaOH? Halla ṁ2.

ṁ1 = 800 kg/hx1 = 35 %x2 = 20 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F4500 kg/h · 11% azúcarProducto P60% azúcarVapor W (agua pura)W = ? kg/h

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

F = 4500 kg/hxF = 11 %xP = 60 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríomezcla de glicol · 120 °C60 °Cagua · 10 °Ct = ? °C

mezcla de glicol 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 = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 120 → 60 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoaceite ligero · 170 °C120 °Cagua · 10 °C60 °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 = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 120 °Ct: 10 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
170 g de CO₂P = 150 kPaT = 50 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 170 g de CO₂ a 150 kPa y 50 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 170 gM = 44,01 g/molP = 150 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
O₂, M = 32 g/molP = 300 kPaT = 0 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de O₂ a 300 kPa y 0 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 32 g/molP = 300 kPaT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

12 g de Na y 80 g de Cl2 reaccionan según 2Na + Cl2 → 2NaCl. ¿Qué masa m de NaCl se puede formar?

M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(Mg)n(Mg)n(MgO)m(MgO)÷ M(Mg)× 2/2× M(MgO)

En la reacción 2Mg + O2 → 2MgO, 30 g de Mg reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 27,35 g de MgO. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molreal: 27,35 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,40,40C−x−x+2xE0,4 − x0,4 − x2x

Se introducen 0,4 mol/L de H₂ y 0,4 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 64. Calcula la concentración en el equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 64
[H2] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,04 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,1 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,04
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Cobrem = 250 gT = 90 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Aguam = 150 gT = 21 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de cobre de 250 g (c = 0,385 J/(g·°C)) a 90 °C se introduce en 150 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 21 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 90 °Cmwater = 150 gTwater = 21 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
HC6​H12​O6​ + 6O₂reactivos6CO₂ + 6H₂O(l)productosΔH° = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular ΔH° de la reacción C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 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)20 minC = ?

Una reacción con ley de velocidad −rA = k·CA² tiene k = 0,4 L/(mol·min) y empieza con 0,5 mol/L. Halla la concentración CA tras 20 min.

k = 0,4 L/(mol·min)CA0 = 0,5 mol/Lt = 20 min
CA = mol/L
14.Cinética químicaDifícil
Tk40 °C0,0555 °C?

Una reacción tiene una constante de velocidad de 0,05 min⁻¹ a 40 °C y una energía de activación de 60 kJ/mol. Halla la constante de velocidad k2 a 55 °C.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 55 °CEa = 60 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 80 L/minX = 75%V = ?, k = 0,08 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,08 min⁻¹ se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) alimentado a 80 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 = 80 L/mink = 0,08 min⁻¹X = 75%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 500 LV = 500 LQ = 25 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,12 min⁻¹) se lleva a cabo en dos CSTR iguales en serie, de 500 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 = 500 L (×2)Q = 25 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT105 °C20 °C45 °CΔT₁ΔT₂vapor que condensa

En un condensador, el vapor condensa a 105 °C constantes en el exterior de los tubos. El agua de refrigeración (2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circula por los tubos y se calienta de 20 a 45 °C. El coeficiente global de transmisión de calor es 2000 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Ts = 105 °Cṁ = 2 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 20 → 45 °CU = 2000 W/(m²·K)
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT165 °C95 °C150,7 °C10 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (2 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) se enfría de 165 a 95 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 0,5 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 10 °C. Con U = 500 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 165 → 95 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 500 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Vidrio, k = 0,9650 mmLadrillo, k = 0,72150 mm15 °C3 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 50 mm de vidrio y 150 mm de ladrillo, con un área de 12 m². Las caras exteriores están a 15 °C y 3 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 50 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 15 °CT3 = 3 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Placa de yeso, k = 0,17200 mmPoliestireno expandido, k = 0,03525 mminterior 22 °Cexterior 1 °CQ̇

Un muro de 200 mm de placa de yeso y 25 mm de poliestireno expandido separa una habitación a 22 °C del aire exterior a 1 °C. Los coeficientes de convección son 8 W/(m²·K) dentro y 20 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 6 m². Halla el coeficiente global de transmisión de calor U del muro.

L1 = 200 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 1 °C
U = W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 2,4 m/sD = 100 mmL = 100 mf = 0,015

Agua (ρ = 1000 kg/m³) circula a 2,4 m/s por una tubería horizontal de 100 m de longitud y 100 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,015 y g = 9,81 m/s². Halla la caída de presión Δp en la tubería en kPa.

V = 2,4 m/sL = 100 mD = 100 mmf = 0,015ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 0,2descarga libreH = ?L = 100 m, D = 200 mm, f = 0,023× 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), 3 codos (K = 0,3 cada uno) y una válvula (K = 0,2). 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 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 0,2
H = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 40 L/sH = 44 m

Una bomba impulsa 40 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 44 m. El rendimiento de la bomba es del 80 % y el motor eléctrico que la acciona tiene un rendimiento del 90 %. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia eléctrica Pel que absorbe el motor, en kW.

Q = 40 L/sH = 44 mηpump = 80%ηmotor = 90%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
100 kPa (manométrica)PQ = 100 L/sΔz = 24 mL = 100 m, D = 250 mm, f = 0,025, ΣK = 8

Una bomba impulsa 100 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 24 m más alta. La tubería mide 100 m de longitud, tiene 250 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,025; 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 100 kPa. Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 100 L/sΔz = 24 mL = 100 mD = 250 mmf = 0,025ΣK = 8ptank = 100 kPa
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 400 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) = 800·(35 − 30)/(30 − 20) = 400 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 400 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: W = 3675 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 = 4500·11/60 = 825 kg/h

Balance total

W = F − P = 4500 − 825 = 3675 kg/h

Respuesta

W = 3675 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 48,76 °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 = 1,5·3,6·(120 − 60) = 324 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 324/(2·4,18) = 48,76 °C

Respuesta

tout = 48,76 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 0,9043 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 2·2,1·(170 − 120) = 210 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,1)·210 = 189 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 189/(4,18·50) = 0,9043 kg/s

Respuesta

ṁc = 0,9043 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 69,19 L

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

Moles

n = 170/44,01 = 3,863 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Volumen

V = nRT/P = 3,863·8,314·323,1/150 = 69,19 L

Respuesta

V = 69,19 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 4,227 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 = 0 + 273,15 = 273,1 K

Densidad

ρ = 300·32/(8,314·273,1) = 4,227 kg/m³

Respuesta

ρ = 4,227 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 30,5 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(Na) = 12/22,99 = 0,522 mol
n(Cl2) = 80/70,9 = 1,128 mol

Reactivo limitante

0,522/2 = 0,261, 1,128/1 = 1,128 → Na

Masa de producto

n(NaCl) = 0,261·2 = 0,522 mol
m = 0,522·58,44 = 30,5 g

Respuesta

m = 30,5 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 54,99 %

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

Rendimiento teórico

n(Mg) = 30/24,31 = 1,234 mol
m = 1,234·2/2·40,3 = 49,73 g

Rendimiento porcentual

Y = 27,35/49,73·100 = 54,99%

Respuesta

Y = 54,99%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [H2] = 0,08 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

64 = (2x)²/(0,4 − x)²

Saca la raíz cuadrada

8 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·8/(2 + 8) = 0,32 mol/L

Concentración en el equilibrio

[H₂] = 0,4 − x = 0,08 mol/L

Respuesta

[H2] = 0,08 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,04633 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/(0,1 − x) → x² + 0,04·x − 0,004 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,004))/2 = 0,04633 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,04633 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,04633 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 30,18 °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

250·0,385·(90 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 21)

Despeja la temperatura final

Tf = (96,25·90 + 627·21)/(96,25 + 627) = 30,18 °C

Respuesta

Tf = 30,18 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: ΔH° = −2802 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° = [6·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

Respuesta

ΔH° = −2802 kJ

Negativo: la reacción desprende calor (exotérmica).

13.Cinética química

Respuesta: CA = 0,1 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 = 2 + 0,4·20 = 10 L/mol
CA = 1/10 = 0,1 mol/L

Respuesta

CA = 0,1 mol/L
14.Cinética química

Respuesta: k2 = 0,1434 min⁻¹

Velocidad de reacción: en una reacción de primer orden −dC/dt = kC, así que C = C₀·e−kt y la vida media ln 2/k no depende de la concentración. En una reacción de segundo orden 1/C = 1/C₀ + kt. La constante de velocidad aumenta con la temperatura según Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperaturas absolutas

T1 = 313,1 K, T2 = 328,1 K

Cociente de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(60000/8,314)·(1/328,1 − 1/313,1) = 1,053
k2 = 0,05·e1,053 = 0,1434 min⁻¹

Respuesta

k2 = 0,1434 min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 1386 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))/0,08 = 1,386/0,08 = 17,33 min

Volumen

V = Q·τ = 80·17,33 = 1386 L

Respuesta

V = 1386 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 91,35 %

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 = 500/25 = 20 min, kτ = 0,12·20 = 2,4

Conversión

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 2,4) = 0,2941
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,08651
X = 1 − 0,08651 = 91,35%

Respuesta

X = 91,35%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 1,456 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 = 2·4,18·(45 − 20) = 209 kW

Diferencias de temperatura en los extremos

ΔT₁ = 105 − 20 = 85 K
ΔT₂ = 105 − 45 = 60 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (85 − 60)/ln(85/60) = 71,78 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 209000/(2000·71,78) = 1,456 m²

Respuesta

A = 1,456 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 14,81 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) = 2·2,1·70 = 294 kW
Tc,out = 10 + 294/(0,5·4,18) = 150,7 °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 = 165 − 150,7 = 14,33 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 95 − 10 = 85 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (14,33 − 85)/ln(14,33/85) = 39,7 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 294000/(500·39,7) = 14,81 m²

Respuesta

A = 14,81 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 553 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)/(0,96·12) = 0,00434 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,72·12) = 0,01736 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 12/0,0217 = 553 W

Respuesta

Q̇ = 553 W
20.Conducción de calor

Respuesta: U = 0,4841 W/(m²·K)

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

Resistencias en serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(8·6) = 0,02083 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,17·6) = 0,1961 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,035·6) = 0,119 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·6) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,3443 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(6·0,3443) = 0,4841 W/(m²·K)

Respuesta

U = 0,4841 W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δp = 43,2 kPa

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.

Pérdida de carga

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(100/0,1)·2,4²/(2·9,81) = 4,404 m

Caída de presión

La tubería es horizontal y la velocidad no cambia, así que la ecuación de la energía se reduce a Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·4,404 = 43200 Pa = 43,2 kPa

Respuesta

Δp = 43,2 kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: H = 4,164 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 + 3·0,3 + 0,2 = 1,6

Ecuación de la energía

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

H = (1 + 10 + 1,6)·0,3305 = 4,164 m

Respuesta

H = 4,164 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pel = 23,98 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 = 1000·9,81·0,04·44 = 17,27 kW

Potencia en el eje

Pshaft = 17,27/0,8 = 21,58 kW

Potencia eléctrica

Pel = 21,58/0,9 = 23,98 kW

Respuesta

Pel = 23,98 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 38 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 = 0,1/0,04909 = 2,037 m/s
V²/(2g) = 0,2115 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (10 + 8)·0,2115 = 3,807 m

Altura de presión

p/(ρ·g) = 100000/(1000·9,81) = 10,19 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 = 24 + 10,19 + 3,807 = 38 m

Respuesta

H = 38 m

Este es material de práctica independiente. ExamProblems no está afiliado ni respaldado por la organización que gestiona este examen, y el nombre del examen se usa solo para describir el contenido. El FE exam lo organiza NCEES, que no está afiliado a ExamProblems ni lo respalda.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-chemical