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 1450 kg/h · 50% azúcarCorriente 2ṁ₂ = ? · 10% azúcarProducto45% azúcar

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 45 % de azúcar? Halla ṁ2.

ṁ1 = 450 kg/hx1 = 50 %x2 = 10 %x3 = 45 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F5000 kg/h · 6% salProducto PP = ? · 50%Vapor W (agua pura)0% sal

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

F = 5000 kg/hxF = 6 %xP = 50 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoaceite ligero · 120 °C70 °Cagua · 20 °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 = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoaceite ligero · 130 °C70 °Cagua · 25 °C75 °C · ṁ = ?5 % perdido

aceite ligero 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 = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 70 °Ct: 25 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
130 g de CO₂P = 500 kPaT = 0 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 130 g de CO₂ a 500 kPa y 0 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 130 gM = 44,01 g/molP = 500 kPaT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de CO₂ pasa de 150 kPa, 5 L, 25 °C a 500 kPa y 90 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 150 kPaV1 = 5 LT1 = 25 °CP2 = 500 kPaT2 = 90 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

16 g de Al y 20 g de Cl2 reaccionan según 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3. ¿Qué masa m de AlCl3 se puede formar?

M(Al) = 26,98M(Cl2) = 70,9M(AlCl3) = 133,33 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(C3​H8​)n(C3​H8​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C3​H8​)× 3/1× M(CO2​)

En la reacción C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O, 4 g de C3H8 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 10,18 g de CO2. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 10,18 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 = 4. Calcula la concentración en el equilibrio [H2].

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

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,05 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,2 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LKc = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Aluminiom = 150 gT = 120 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Aguam = 100 gT = 20 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de aluminio de 150 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 120 °C se introduce en 100 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 20 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 120 °Cmwater = 100 gTwater = 20 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H2C4​H10​ + 13O₂reactivos8CO₂ + 10H₂O(l)productosΔH° = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular ΔH° de la reacción 2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l).

ΔH°f(C4H10) = −125,6 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 = ?60%

Una reacción de primer orden en un reactor discontinuo tiene k = 0,05 min⁻¹. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 60 %? Halla t.

k = 0,05 min⁻¹X = 60 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk20 °C0,0250 °C0,0918

La constante de velocidad de una reacción es 0,02 min⁻¹ a 20 °C y 0,0918 min⁻¹ a 50 °C. Halla la energía de activación Ea.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 20 °Ck2 = 0,0918 min⁻¹T2 = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 80 L/minX = 95%V = ?, k = 0,15 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,15 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 95 %.

Q = 80 L/mink = 0,15 min⁻¹X = 95%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 50 LV = 50 LQ = 100 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,5 min⁻¹) se lleva a cabo en dos CSTR iguales en serie, de 50 L cada uno. El caudal de alimentación es 100 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 = 100 L/mink = 0,5 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT120 °C75 °C30 °C10 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador de carcasa y tubos (un paso por carcasa, dos pasos por tubos) debe transferir 710 kW. El fluido caliente se enfría de 120 a 75 °C y el frío se calienta de 10 a 30 °C. El factor de corrección de la DTML para esta disposición es F = 0,88, y U = 500 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 710 kWF = 0,88U = 500 W/(m²·K)Th: 120 → 75 °CTc: 10 → 30 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT160 °C115 °C?15 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

En un intercambiador de doble tubo a contracorriente, aceite caliente (0,3 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) circula por el tubo interior y se enfría de 160 a 115 °C. Agua (0,3 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra en el espacio anular a 15 °C. El tubo interior tiene un diámetro de 50 mm, y U = 400 W/(m²·K) está referido a este diámetro. Halla la longitud de tubo L necesaria.

ṁh = 0,3 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 160 → 115 °Cṁc = 0,3 kg/sTc,in = 15 °CD = 50 mmU = 400 W/(m²·K)
L = m
19.Conducción de calorMedia
Vidrio, k = 0,96150 mmLana mineral, k = 0,0450 mm19 °C-6 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 150 mm de vidrio y 50 mm de lana mineral, con un área de 10 m². Las caras exteriores están a 19 °C y -6 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 150 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 19 °CT3 = -6 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Poliestireno expandido, k = 0,03550 mmMadera, k = 0,1725 mminterior 22 °Cexterior -15 °CQ̇

Un muro de 50 mm de poliestireno expandido y 25 mm de madera separa una habitación a 22 °C del aire exterior a -15 °C. Los coeficientes de convección son 7,7 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 6 m². Halla el coeficiente global de transmisión de calor U del muro.

L1 = 50 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -15 °C
U = W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 1,9 m/sD = 300 mmL = 1000 mf = 0,018

Agua circula con una velocidad media de 1,9 m/s por una tubería de 1000 m de longitud y 300 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,018 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

V = 1,9 m/sL = 1000 mD = 300 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 0,2Δz = 6 mL = 100 m, D = 250 mm, f = 0,022× 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 = 0,02. La superficie libre del depósito superior está 6 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 = 0,2) y la salida al depósito inferior (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Halla el caudal Q en L/s.

Δz = 6 mL = 100 mD = 250 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 25 L/sH = 28 m

Una bomba impulsa 25 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 28 m. El rendimiento de la bomba es del 60 % y el motor eléctrico que la acciona tiene un rendimiento del 95 %. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia eléctrica Pel que absorbe el motor, en kW.

Q = 25 L/sH = 28 mηpump = 60%ηmotor = 95%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
200 kPa (manométrica)PQ = 120 L/sΔz = 11 mL = 300 m, D = 250 mm, f = 0,022, ΣK = 5

Una bomba impulsa 120 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 11 m más alta. La tubería mide 300 m de longitud, tiene 250 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,022; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 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 200 kPa. Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 120 L/sΔz = 11 mL = 300 mD = 250 mmf = 0,022ΣK = 5ptank = 200 kPa
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 64,29 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) = 450·(50 − 45)/(45 − 10) = 64,29 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 64,29 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 600 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 = 5000·6/50 = 600 kg/h

Respuesta

P = 600 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 61,87 °C

Balance de energía del intercambiador: sin pérdidas, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Calor cedido por la corriente caliente

Q = 2,5·2,1·(120 − 70) = 262,5 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 262,5/(1,5·4,18) = 61,87 °C

Respuesta

tout = 61,87 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 0,2864 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 0,5·2,1·(130 − 70) = 63 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,05)·63 = 59,85 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 59,85/(4,18·50) = 0,2864 kg/s

Respuesta

ṁc = 0,2864 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 13,42 L

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

Moles

n = 130/44,01 = 2,954 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Volumen

V = nRT/P = 2,954·8,314·273,1/500 = 13,42 L

Respuesta

V = 13,42 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 1,827 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 298,1 K, T2 = 363,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(150/500)·(363,1/298,1) = 1,827 L

Respuesta

V2 = 1,827 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 25,07 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(Al) = 16/26,98 = 0,593 mol
n(Cl2) = 20/70,9 = 0,2821 mol

Reactivo limitante

0,593/2 = 0,2965, 0,2821/3 = 0,09403 → Cl2

Masa de producto

n(AlCl3) = 0,09403·2 = 0,1881 mol
m = 0,1881·133,33 = 25,07 g

Respuesta

m = 25,07 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 85,01 %

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

Rendimiento teórico

n(C3H8) = 4/44,1 = 0,0907 mol
m = 0,0907·3/1·44,01 = 11,98 g

Rendimiento porcentual

Y = 10,18/11,98·100 = 85,01%

Respuesta

Y = 85,01%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [H2] = 0,2 mol/L

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

Expresión de equilibrio

4 = (2x)²/(0,4 − x)²

Saca la raíz cuadrada

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

Concentración en el equilibrio

[H₂] = 0,4 − x = 0,2 mol/L

Respuesta

[H2] = 0,2 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 0,1219 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

0,05 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,05·x − 0,01 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,01))/2 = 0,07808 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 0,2 − 0,07808 = 0,1219 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 0,1219 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 44,35 °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

150·0,897·(120 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 20)

Despeja la temperatura final

Tf = (134,6·120 + 418·20)/(134,6 + 418) = 44,35 °C

Respuesta

Tf = 44,35 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: ΔH° = −5755 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° = [8·(−393,5) + 10·(−285,8)] − [2·(−125,6) + 13·0] = −5755 kJ

Respuesta

ΔH° = −5755 kJ

Negativo: la reacción desprende calor (exotérmica).

13.Cinética química

Respuesta: t = 18,33 min

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).

Conversión y concentración

C/C0 = 1 − X = 0,4

Despeja el tiempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,4)/0,05 = 18,33 min

Respuesta

t = 18,33 min
14.Cinética química

Respuesta: Ea = 40,01 kJ/mol

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 = 293,1 K, T2 = 323,1 K

Despeja Ea de Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,524/(-3,167e-4) = 40007 J/mol
Ea = 40,01 kJ/mol

Respuesta

Ea = 40,01 kJ/mol
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 1598 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 − 0,95))/0,15 = 2,996/0,15 = 19,97 min

Volumen

V = Q·τ = 80·19,97 = 1598 L

Respuesta

V = 1598 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 36 %

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 = 50/100 = 0,5 min, kτ = 0,5·0,5 = 0,25

Conversión

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,25) = 0,8
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,64
X = 1 − 0,64 = 36%

Respuesta

X = 36%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 21 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 = 120 − 30 = 90 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 10 = 65 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (90 − 65)/ln(90/65) = 76,82 K

Área

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 710000/(500·0,88·76,82) = 21 m²

Respuesta

A = 21 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: L = 4,937 m

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 y temperatura de salida del agua

Q̇ = 0,3·2,5·(160 − 115) = 33,75 kW
Tc,out = 15 + 33,75/(0,3·4,18) = 41,91 °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 = 160 − 41,91 = 118,1 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 115 − 15 = 100 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (118,1 − 100)/ln(118,1/100) = 108,8 K

Área y longitud

A = 33750/(400·108,8) = 0,7756 m²
L = A/(πD) = 0,7756/(π·0,05) = 4,937 m

Respuesta

L = 4,937 m
19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 177,8 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) = (150/1000)/(0,96·10) = 0,01563 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,04·10) = 0,125 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 25/0,1406 = 177,8 W

Respuesta

Q̇ = 177,8 W
20.Conducción de calor

Respuesta: U = 0,5729 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/(7,7·6) = 0,02165 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,035·6) = 0,2381 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,17·6) = 0,02451 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·6) = 0,006667 K/W
ΣR = 0,2909 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(6·0,2909) = 0,5729 W/(m²·K)

Respuesta

U = 0,5729 W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 11,04 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) = 1,9²/(2·9,81) = 0,184 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(1000/0,3)·1,9²/(2·9,81) = 11,04 m

Respuesta

hf = 11,04 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Q = 165,9 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 = 0,02·100/0,25 = 8
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,3

Ecuación de la energía

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

6 = (8 + 2,3)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·6/10,3) = 3,381 m/s

Caudal

Q = V·π·D²/4 = 3,381·0,04909 = 0,1659 m³/s = 165,9 L/s

Respuesta

Q = 165,9 L/s
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pel = 12,05 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 = 1000·9,81·0,025·28 = 6,867 kW

Potencia en el eje

Pshaft = 6,867/0,6 = 11,45 kW

Potencia eléctrica

Pel = 11,45/0,95 = 12,05 kW

Respuesta

Pel = 12,05 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 40,95 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 = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (26,4 + 5)·0,3046 = 9,564 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 = 11 + 20,39 + 9,564 = 40,95 m

Respuesta

H = 40,95 m

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