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 1300 kg/h · 5% azúcarCorriente 2ṁ₂ = ? · 40% azúcarProducto10% azúcar

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 10 % de azúcar? Halla ṁ2.

ṁ1 = 300 kg/hx1 = 5 %x2 = 40 %x3 = 10 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F2500 kg/h · 8% NaOHProducto PP = ? · 60%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 = 2500 kg/hxF = 8 %xP = 60 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoaceite ligero · 180 °C150 °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: 180 → 150 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 130 °C70 °Cagua · 15 °C60 °C · ṁ = ?10 % perdido

etanol 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 = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 70 °Ct: 15 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
210 g de CH₄V = 5 LT = 45 °CP = ?

Un depósito de 5 L contiene 210 g de CH₄ a 45 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 210 gM = 16,04 g/molV = 5 LT = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de CO₂ pasa de 200 kPa, 10 L, 20 °C a 250 kPa y 120 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 200 kPaV1 = 10 LT1 = 20 °CP2 = 250 kPaT2 = 120 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

30 g de Mg y 32 g de O2 reaccionan según 2Mg + O2 → 2MgO. ¿Qué masa m de MgO se puede formar?

M(Mg) = 24,31M(O2) = 32M(MgO) = 40,3 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, 8 g de Al reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 34,79 g de AlCl3. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molreal: 34,79 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

Se introducen 0,2 mol/L de H₂ y 0,2 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 16. Calcula la concentración en el equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 16
[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 = 0,01 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,1 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,01
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Hierrom = 100 gT = 200 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Aguam = 100 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de hierro de 100 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 200 °C se introduce en 100 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 16 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 200 °Cmwater = 100 gTwater = 16 °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)t½​ = ?C0​/2

Una reacción de segundo orden (−rA = k·CA²) tiene k = 0,5 L/(mol·min) y una concentración inicial de 1,5 mol/L. Halla su primera vida media t½.

k = 0,5 L/(mol·min)CA0 = 1,5 mol/L
t½ = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk40 °Ck1​?3·k1​

Una reacción tiene una energía de activación de 50 kJ/mol. A 40 °C es demasiado lenta. ¿Hasta qué temperatura T2 (en °C) hay que calentarla para que sea 3 veces más rápida?

Ea = 50 kJ/molT1 = 40 °Ck2/k1 = 3R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 10 L/minX = 70%V = ?, k = 0,1 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,1 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 70 %.

Q = 10 L/mink = 0,1 min⁻¹X = 70%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
Q = 20 L/minX = ?V = 250 L

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,2 min⁻¹) se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) de 250 L alimentado a 20 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 250 LQ = 20 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT125 °C110 °C85 °C15 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador de carcasa y tubos (un paso por carcasa, dos pasos por tubos) debe transferir 190 kW. El fluido caliente se enfría de 125 a 110 °C y el frío se calienta de 15 a 85 °C. El factor de corrección de la DTML para esta disposición es F = 0,95, y U = 200 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 190 kWF = 0,95U = 200 W/(m²·K)Th: 125 → 110 °CTc: 15 → 85 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT135 °C50 °C33,39 °C10 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (0,5 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) se enfría de 135 a 50 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 1 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 10 °C. Con U = 800 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 135 → 50 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 800 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Poliestireno expandido, k = 0,035250 mmLadrillo, k = 0,7225 mm16 °C1 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 250 mm de poliestireno expandido y 25 mm de ladrillo, con un área de 12 m². Las caras exteriores están a 16 °C y 1 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 250 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 16 °CT3 = 1 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Poliestireno expandido, k = 0,035100 mmLadrillo, k = 0,7250 mminterior 22 °Cexterior -11 °CTs​ = ?Q̇

Un muro de 100 mm de poliestireno expandido y 50 mm de ladrillo separa una habitación a 22 °C del aire exterior a -11 °C. Los coeficientes de convección son 10 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 = 100 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 4 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -11 °C
Ts = °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 120 L/sD = 300 mmL = 800 mf = 0,02

Agua circula a razón de 120 L/s por una tubería de 800 m de longitud y 300 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,02 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

Q = 120 L/sL = 800 mD = 300 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 2Δz = 10 mL = 100 m, D = 250 mm, f = 0,0152× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 100 m de longitud, 250 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,015. La superficie libre del depósito superior está 10 m por encima de la del inferior. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 2 codos (K = 0,3 cada uno), una válvula (K = 2) y la salida al depósito inferior (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Halla el caudal Q en L/s.

Δz = 10 mL = 100 mD = 250 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 150 L/sH = 16 m

Una bomba impulsa 150 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 16 m. El rendimiento de la bomba es del 70 % y el motor eléctrico que la acciona tiene un rendimiento del 92 %. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia eléctrica Pel que absorbe el motor, en kW.

Q = 150 L/sH = 16 mηpump = 70%ηmotor = 92%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
100 kPa (manométrica)PQ = 75 L/sΔz = 36 mL = 150 m, D = 200 mm, f = 0,018, ΣK = 8

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 36 m más alta. La tubería mide 150 m de longitud, tiene 200 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,018; 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 = 75 L/sΔz = 36 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,018ΣK = 8ptank = 100 kPa
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 50 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) = 300·(5 − 10)/(10 − 40) = 50 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 50 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 333,3 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 = 2500·8/60 = 333,3 kg/h

Respuesta

P = 333,3 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 17,54 °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·(180 − 150) = 94,5 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 94,5/(3·4,18) = 17,54 °C

Respuesta

tout = 17,54 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 2,101 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 3·2,44·(130 − 70) = 439,2 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,1)·439,2 = 395,3 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 395,3/(4,18·45) = 2,101 kg/s

Respuesta

ṁc = 2,101 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 6926 kPa

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

Moles

n = m/M = 210/16,04 = 13,09 mol
T = 45 + 273,15 = 318,1 K

Presión

P = nRT/V = 13,09·8,314·318,1/0,005 = 6926 kPa

Respuesta

P = 6926 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 10,73 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 293,1 K, T2 = 393,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(200/250)·(393,1/293,1) = 10,73 L

Respuesta

V2 = 10,73 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 49,73 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(Mg) = 30/24,31 = 1,234 mol
n(O2) = 32/32 = 1 mol

Reactivo limitante

1,234/2 = 0,617, 1/1 = 1 → Mg

Masa de producto

n(MgO) = 0,617·2 = 1,234 mol
m = 1,234·40,3 = 49,73 g

Respuesta

m = 49,73 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 88 %

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) = 8/26,98 = 0,2965 mol
m = 0,2965·2/2·133,33 = 39,53 g

Rendimiento porcentual

Y = 34,79/39,53·100 = 88%

Respuesta

Y = 88%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [H2] = 0,06667 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

16 = (2x)²/(0,2 − x)²

Saca la raíz cuadrada

4 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·4/(2 + 4) = 0,1333 mol/L

Concentración en el equilibrio

[H₂] = 0,2 − x = 0,06667 mol/L

Respuesta

[H2] = 0,06667 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 0,07298 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

0,01 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,01·x − 0,001 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,001))/2 = 0,02702 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 0,1 − 0,02702 = 0,07298 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 0,07298 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 33,85 °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

100·0,449·(200 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 16)

Despeja la temperatura final

Tf = (44,9·200 + 418·16)/(44,9 + 418) = 33,85 °C

Respuesta

Tf = 33,85 °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: t½ = 1,333 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Vida media de segundo orden

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0,5·1,5) = 1,333 min

Respuesta

t½ = 1,333 min

Cada vida media posterior es el doble de larga, porque C₀ se ha reducido a la mitad.

14.Cinética química

Respuesta: T2 = 59 °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 = 313,1 K

Despeja T₂ de la ecuación de Arrhenius

1/T2 = 1/313,1 − 8,314·ln(3)/50000 = 3,193 × 10⁻³ − 1,827 × 10⁻⁴ = 3,011 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 332,2 K = 59 °C

Respuesta

T2 = 59 °C
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 120,4 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 − 0,7))/0,1 = 1,204/0,1 = 12,04 min

Volumen

V = Q·τ = 10·12,04 = 120,4 L

Respuesta

V = 120,4 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 91,79 %

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 = 250/20 = 12,5 min, kτ = 0,2·12,5 = 2,5

Conversión

X = 1 − e−kτ = 1 − e−2,5 = 91,79%

Respuesta

X = 91,79%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 15,73 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 = 125 − 85 = 40 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 110 − 15 = 95 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (40 − 95)/ln(40/95) = 63,58 K

Área

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 190000/(200·0,95·63,58) = 15,73 m²

Respuesta

A = 15,73 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 1,849 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) = 0,5·2,3·85 = 97,75 kW
Tc,out = 10 + 97,75/(1·4,18) = 33,39 °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 = 135 − 33,39 = 101,6 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 10 = 40 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (101,6 − 40)/ln(101,6/40) = 66,09 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 97750/(800·66,09) = 1,849 m²

Respuesta

A = 1,849 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = 1,073 °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) = (250/1000)/(0,035·12) = 0,5952 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,72·12) = 0,002894 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 15/0,5981 = 25,08 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 16 − 25,08·0,5952 = 1,073 °C

Respuesta

Ti = 1,073 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: Ts = 20,93 °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/(10·4) = 0,025 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,035·4) = 0,7143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,72·4) = 0,01736 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·4) = 0,0125 K/W
ΣR = 0,7691 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (22 − (-11))/0,7691 = 42,9 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 42,9·0,025 = 20,93 °C

Respuesta

Ts = 20,93 °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 7,834 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 = 0,12/0,07069 = 1,698 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 1,698²/(2·9,81) = 0,1469 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(800/0,3)·1,698²/(2·9,81) = 7,834 m

Respuesta

hf = 7,834 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Q = 216,4 L/s

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.

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,015·100/0,25 = 6
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Ecuación de la energía

Las dos superficies están abiertas al aire y prácticamente en reposo, así que todo Δz se pierde en la tubería.

10 = (6 + 4,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·10/10,1) = 4,407 m/s

Caudal

Q = V·π·D²/4 = 4,407·0,04909 = 0,2164 m³/s = 216,4 L/s

Respuesta

Q = 216,4 L/s
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pel = 36,56 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 = 1000·9,81·0,15·16 = 23,54 kW

Potencia en el eje

Pshaft = 23,54/0,7 = 33,63 kW

Potencia eléctrica

Pel = 33,63/0,92 = 36,56 kW

Respuesta

Pel = 36,56 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 52,44 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) = (13,5 + 8)·0,2905 = 6,245 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 = 36 + 10,19 + 6,245 = 52,44 m

Respuesta

H = 52,44 m

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