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 · 20% salCorriente 2ṁ₂ = ? · 40% salProducto30% sal

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

ṁ1 = 450 kg/hx1 = 20 %x2 = 40 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F4300 kg/h · 9% azúcarProducto PP = ? · 65%Vapor W (agua pura)0% azúcar

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

F = 4300 kg/hxF = 9 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoaceite ligero · 170 °C80 °Cagua · 25 °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: 170 → 80 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoaceite ligero · 180 °C110 °Cagua · 20 °C35 °C · ṁ = ?15 % perdido

aceite ligero caliente calienta agua en un intercambiador que pierde hacia el entorno el 15 % del calor cedido por la corriente caliente. Halla el caudal de agua ṁc necesario.

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 110 °Ct: 20 → 35 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
90 g de O₂P = 150 kPaT = 55 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 90 g de O₂ a 150 kPa y 55 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 90 gM = 32 g/molP = 150 kPaT = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
CO₂, M = 44,01 g/molP = 850 kPaT = 170 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de CO₂ a 850 kPa y 170 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 44,01 g/molP = 850 kPaT = 170 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(Fe)m(Fe)÷ M(X)× 2/ν× M(Fe)

16 g de Fe2O3 y 48 g de CO reaccionan según Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. ¿Qué masa m de Fe se puede formar?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(Fe) = 55,85 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, 12 g de Mg reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 18,1 g de MgO. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molreal: 18,1 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 = 49. Calcula la concentración en el equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 49
[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 = 0,08 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 = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Hierrom = 100 gT = 130 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Aguam = 250 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de hierro de 100 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 130 °C se introduce en 250 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 19 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 250 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H20 g C6​H12​O6​C6​H12​O6​ + 6O₂reactivos6CO₂ + 6H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 20 g de C6H12O6 (M = 180,16 g/mol) se queman por completo: C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 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)10 min0,48

En una reacción de primer orden la concentración de A baja de 1,2 mol/L a 0,48 mol/L en 10 min. Halla la constante de velocidad k.

CA0 = 1,2 mol/LCA = 0,48 mol/Lt = 10 min
k = min⁻¹
14.Cinética químicaDifícil
t (min)X (%)60 minX = ?

Una reacción de primer orden tiene k = 0,002 min⁻¹ a 30 °C y una energía de activación de 80 kJ/mol. El reactor discontinuo funciona ahora a 50 °C durante 60 min. Halla la conversión X alcanzada.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 30 °CEa = 80 kJ/molT2 = 50 °Ct = 60 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 80 L/minX = 85%V = ?, k = 0,5 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,5 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 85 %.

Q = 80 L/mink = 0,5 min⁻¹X = 85%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 200 LQ = 10 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,5 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 200 L alimentado a 10 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 200 LQ = 10 L/mink = 0,5 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT170 °C45 °C75 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador a contracorriente transfiere 330 kW. El fluido caliente se enfría de 170 a 45 °C y el frío se calienta de 30 a 75 °C. El coeficiente global de transmisión es 200 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 330 kWU = 200 W/(m²·K)Th: 170 → 45 °CTc: 30 → 75 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT110 °C55 °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 110 a 55 °C. Agua (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra en el espacio anular a 15 °C. El tubo interior tiene un diámetro de 40 mm, y U = 500 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: 110 → 55 °Cṁc = 1,5 kg/sTc,in = 15 °CD = 40 mmU = 500 W/(m²·K)
L = m
19.Conducción de calorMedia
Poliestireno expandido, k = 0,035150 mmMadera, k = 0,1725 mm15 °C-7 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 150 mm de poliestireno expandido y 25 mm de madera, con un área de 15 m². Las caras exteriores están a 15 °C y -7 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 150 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 15 °CT3 = -7 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Madera, k = 0,17250 mmVidrio, k = 0,9625 mminterior 21 °Cexterior -13 °CTs​ = ?Q̇

Un muro de 250 mm de madera y 25 mm de vidrio separa una habitación a 21 °C del aire exterior a -13 °C. Los coeficientes de convección son 7,7 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 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 4 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -13 °C
Ts = °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 1,3 m/sD = 100 mmL = 400 mf = 0,025

Agua (ρ = 1000 kg/m³) circula a 1,3 m/s por una tubería horizontal de 400 m de longitud y 100 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,025 y g = 9,81 m/s². Halla la caída de presión Δp en la tubería en kPa.

V = 1,3 m/sL = 400 mD = 100 mmf = 0,025ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 2Δz = ?L = 100 m, D = 300 mm, f = 0,0223× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 100 m de longitud, 300 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,022. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 3 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. ¿Qué diferencia de nivel de agua Δz entre los depósitos da un caudal de 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 100 mD = 300 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 100 L/sH = 28 m

Una bomba impulsa 100 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 28 m. El rendimiento de la bomba es del 78 % 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 = 100 L/sH = 28 mηpump = 78%ηmotor = 90%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
200 kPa (manométrica)PQ = 15 L/sΔz = 11 mL = 100 m, D = 100 mm, f = 0,015, ΣK = 8

Una bomba impulsa 15 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 100 m de longitud, tiene 100 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,015; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 8 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². El depósito superior está cerrado y el aire sobre el agua está a una presión manométrica de 200 kPa. Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 15 L/sΔz = 11 mL = 100 mD = 100 mmf = 0,015ΣK = 8ptank = 200 kPa
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 450 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
sal: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Despeja ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 450·(20 − 30)/(30 − 40) = 450 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 450 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 595,4 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 = 4300·9/65 = 595,4 kg/h

Respuesta

P = 595,4 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 62,68 °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·(170 − 80) = 472,5 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 472,5/(3·4,18) = 62,68 °C

Respuesta

tout = 62,68 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 4,982 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 2,5·2,1·(180 − 110) = 367,5 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,15)·367,5 = 312,4 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 312,4/(4,18·15) = 4,982 kg/s

Respuesta

ṁc = 4,982 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 51,15 L

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

Moles

n = 90/32 = 2,813 mol
T = 55 + 273,15 = 328,1 K

Volumen

V = nRT/P = 2,813·8,314·328,1/150 = 51,15 L

Respuesta

V = 51,15 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 10,15 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 = 170 + 273,15 = 443,1 K

Densidad

ρ = 850·44,01/(8,314·443,1) = 10,15 kg/m³

Respuesta

ρ = 10,15 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 11,19 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) = 16/159,69 = 0,1002 mol
n(CO) = 48/28,01 = 1,714 mol

Reactivo limitante

0,1002/1 = 0,1002, 1,714/3 = 0,5712 → Fe2O3

Masa de producto

n(Fe) = 0,1002·2 = 0,2004 mol
m = 0,2004·55,85 = 11,19 g

Respuesta

m = 11,19 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 90,99 %

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) = 12/24,31 = 0,4936 mol
m = 0,4936·2/2·40,3 = 19,89 g

Rendimiento porcentual

Y = 18,1/19,89·100 = 90,99%

Respuesta

Y = 90,99%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [H2] = 0,08889 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

49 = (2x)²/(0,4 − x)²

Saca la raíz cuadrada

7 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·7/(2 + 7) = 0,3111 mol/L

Concentración en el equilibrio

[H₂] = 0,4 − x = 0,08889 mol/L

Respuesta

[H2] = 0,08889 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 0,04202 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

0,08 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,08·x − 0,008 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,008))/2 = 0,05798 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 0,1 − 0,05798 = 0,04202 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 0,04202 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 23,57 °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

100·0,449·(130 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 19)

Despeja la temperatura final

Tf = (44,9·130 + 1045·19)/(44,9 + 1045) = 23,57 °C

Respuesta

Tf = 23,57 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 311 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

Calor para la masa dada

n = 20/180,16 = 0,111 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,111·2802 = 311 kJ

Respuesta

q = 311 kJ
13.Cinética química

Respuesta: k = 0,09163 min⁻¹

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).

Ley integrada de primer orden

k = ln(CA0/CA)/t = ln(1,2/0,48)/10 = 0,9163/10 = 0,09163 min⁻¹

Respuesta

k = 0,09163 min⁻¹
14.Cinética química

Respuesta: X = 57,5 %

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).

Constante de velocidad a la nueva temperatura

T1 = 303,1 K, T2 = 323,1 K
k2 = 0,002·e−(80000/8,314)·(1/323,1 − 1/303,1) = 0,01426 min⁻¹

Conversión

X = 1 − e−0,01426·60 = 1 − 0,425 = 57,5 %

Respuesta

X = 57,5 %
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 303,5 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 − 0,85))/0,5 = 1,897/0,5 = 3,794 min

Volumen

V = Q·τ = 80·3,794 = 303,5 L

Respuesta

V = 303,5 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 90,91 %

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 = 200/10 = 20 min, kτ = 0,5·20 = 10

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 10/(1 + 10) = 90,91%

Respuesta

X = 90,91%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 38,07 m²

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

Diferencias de temperatura en los extremos

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 − 75 = 95 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 30 = 15 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (95 − 15)/ln(95/15) = 43,34 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 330000/(200·43,34) = 38,07 m²

Respuesta

A = 38,07 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: L = 10,75 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·(110 − 55) = 41,25 kW
Tc,out = 15 + 41,25/(1,5·4,18) = 21,58 °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 = 110 − 21,58 = 88,42 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 15 = 40 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (88,42 − 40)/ln(88,42/40) = 61,04 K

Área y longitud

A = 41250/(500·61,04) = 1,352 m²
L = A/(πD) = 1,352/(π·0,04) = 10,75 m

Respuesta

L = 10,75 m
19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = −6,27 °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) = (150/1000)/(0,035·15) = 0,2857 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,17·15) = 0,009804 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 22/0,2955 = 74,45 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 15 − 74,45·0,2857 = −6,27 °C

Respuesta

Ti = −6,27 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: Ts = 18,37 °C

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

Resistencias en serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(7,7·4) = 0,03247 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·4) = 0,3676 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,96·4) = 0,00651 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·4) = 0,0125 K/W
ΣR = 0,4191 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (21 − (-13))/0,4191 = 81,12 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 81,12·0,03247 = 18,37 °C

Respuesta

Ts = 18,37 °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δp = 84,5 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) = 0,025·(400/0,1)·1,3²/(2·9,81) = 8,614 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 = 1000·9,81·8,614 = 84500 Pa = 84,5 kPa

Respuesta

Δp = 84,5 kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 0,766 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 = 0,08/0,07069 = 1,132 m/s
V²/(2g) = 0,06529 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,022·100/0,3 = 7,333
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4

Pérdida de carga total

hf = 7,333·0,06529 = 0,4788 m
hm = 4,4·0,06529 = 0,2873 m
Δz = hf + hm = 0,766 m

Respuesta

Δz = 0,766 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pel = 39,13 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 = 1000·9,81·0,1·28 = 27,47 kW

Potencia en el eje

Pshaft = 27,47/0,78 = 35,22 kW

Potencia eléctrica

Pel = 35,22/0,9 = 39,13 kW

Respuesta

Pel = 39,13 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 35,66 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 = 0,015/0,007854 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (15 + 8)·0,1859 = 4,276 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 + 4,276 = 35,66 m

Respuesta

H = 35,66 m

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