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 1900 kg/h · 20% NaOHCorriente 2ṁ₂ = ? · 35% NaOHProducto25% NaOH

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

ṁ1 = 900 kg/hx1 = 20 %x2 = 35 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F2300 kg/h · 20% NaOHProducto PP = ? · 50%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 = 2300 kg/hxF = 20 %xP = 50 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoetanol · 180 °C120 °Cagua · 10 °Ct = ? °C

etanol 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 = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 120 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 170 °C130 °Cagua · 30 °C60 °C · ṁ = ?5 % perdido

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

ṁh = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 130 °Ct: 30 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
370 g de HeP = 500 kPaT = 35 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 370 g de He a 500 kPa y 35 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 370 gM = 4,003 g/molP = 500 kPaT = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
Ar, M = 39,95 g/molP = 550 kPaT = 180 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de Ar a 550 kPa y 180 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 39,95 g/molP = 550 kPaT = 180 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

6 g de Al y 10 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(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CO2​)

En la reacción CaCO3 → CaO + CO2, 20 g de CaCO3 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 7,74 g de CO2. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 7,74 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,10,10C−x−x+2xE0,1 − x0,1 − x2x

Se introducen 0,1 mol/L de H₂ y 0,1 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 36. Calcula la concentración en el equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 36
[H2] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,02 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 1,5 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,02
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Cobrem = 50 gT = 160 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Aguam = 400 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de cobre de 50 g (c = 0,385 J/(g·°C)) a 160 °C se introduce en 400 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 16 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 400 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H250 g C2​H5​OHC2​H5​OH + 3O₂reactivos2CO₂ + 3H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 250 g de C2H5OH (M = 46,07 g/mol) se queman por completo: C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.Cinética químicaMedia
t (min)C (mol/L)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
Tk25 °Ck1​?5·k1​

Una reacción tiene una energía de activación de 90 kJ/mol. A 25 °C es demasiado lenta. ¿Hasta qué temperatura T2 (en °C) hay que calentarla para que sea 5 veces más rápida?

Ea = 90 kJ/molT1 = 25 °Ck2/k1 = 5R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 100 L/minX = 50%V = ?, k = 0,3 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,3 min⁻¹ se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) alimentado a 100 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 50 %.

Q = 100 L/mink = 0,3 min⁻¹X = 50%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
Q = 100 L/minX = ?V = 1500 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 1500 L alimentado a 100 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 1500 LQ = 100 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT100 °C60 °C90 °C25 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador de calor a contracorriente transfiere 210 kW. Su área de intercambio es 20 m². El fluido caliente se enfría de 100 a 60 °C y el frío se calienta de 25 a 90 °C. Halla el coeficiente global de transmisión de calor U.

Q̇ = 210 kWA = 20 m²Th: 100 → 60 °CTc: 25 → 90 °C
U = W/(m²·K)
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT95 °C70 °C36,88 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (1 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) se enfría de 95 a 70 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 2 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 30 °C. Con U = 1000 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 95 → 70 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Hormigón, k = 1,4200 mmVidrio, k = 0,96150 mm19 °C-8 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 200 mm de hormigón y 150 mm de vidrio, con un área de 4 m². Las caras exteriores están a 19 °C y -8 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 200 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 19 °CT3 = -8 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Poliestireno expandido, k = 0,03550 mmPlaca de yeso, k = 0,1775 mminterior 21 °Cexterior -15 °CQ̇

Un muro de 50 mm de poliestireno expandido y 75 mm de placa de yeso separa una habitación a 21 °C del aire exterior a -15 °C. Los coeficientes de convección son 8 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 10 m². Halla el coeficiente global de transmisión de calor U del muro.

L1 = 50 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 10 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -15 °C
U = W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 2,1 m/sD = 150 mmL = 400 mf = 0,028

Agua (ρ = 1000 kg/m³) circula a 2,1 m/s por una tubería horizontal de 400 m de longitud y 150 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,028 y g = 9,81 m/s². Halla la caída de presión Δp en la tubería en kPa.

V = 2,1 m/sL = 400 mD = 150 mmf = 0,028ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 5descarga libreH = ?L = 150 m, D = 200 mm, f = 0,0152× codo (K = 0,3)

Una tubería de 150 m de longitud y 200 mm de diámetro interior (factor de fricción de Darcy f = 0,015) 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), 2 codos (K = 0,3 cada uno) y una válvula (K = 5). Usa g = 9,81 m/s². ¿A qué altura H debe estar la superficie del depósito sobre la salida de la tubería para un caudal de 50 L/s?

Q = 50 L/sL = 150 mD = 200 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 5
H = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 15 L/sH = 68 m

Una bomba con un rendimiento del 70 % impulsa 15 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 68 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 15 L/sH = 68 mη = 70%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
100 kPa (manométrica)PQ = 80 L/sΔz = 12 mL = 400 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 6

Una bomba impulsa 80 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 12 m más alta. La tubería mide 400 m de longitud, tiene 200 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,015; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 6 (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 = 80 L/sΔz = 12 mL = 400 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 6ptank = 100 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
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Despeja ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 900·(20 − 25)/(25 − 35) = 450 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 450 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 920 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 = 2300·20/50 = 920 kg/h

Respuesta

P = 920 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 97,56 °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 = 2,5·2,44·(180 − 120) = 366 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 366/(1·4,18) = 97,56 °C

Respuesta

tout = 97,56 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 2,218 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 3·2,44·(170 − 130) = 292,8 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,05)·292,8 = 278,2 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 278,2/(4,18·30) = 2,218 kg/s

Respuesta

ṁc = 2,218 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 473,6 L

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

Moles

n = 370/4,003 = 92,43 mol
T = 35 + 273,15 = 308,1 K

Volumen

V = nRT/P = 92,43·8,314·308,1/500 = 473,6 L

Respuesta

V = 473,6 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 5,832 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 = 180 + 273,15 = 453,1 K

Densidad

ρ = 550·39,95/(8,314·453,1) = 5,832 kg/m³

Respuesta

ρ = 5,832 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 12,54 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) = 6/26,98 = 0,2224 mol
n(Cl2) = 10/70,9 = 0,141 mol

Reactivo limitante

0,2224/2 = 0,1112, 0,141/3 = 0,04701 → Cl2

Masa de producto

n(AlCl3) = 0,04701·2 = 0,09403 mol
m = 0,09403·133,33 = 12,54 g

Respuesta

m = 12,54 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 88,01 %

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(CaCO3) = 20/100,09 = 0,1998 mol
m = 0,1998·1/1·44,01 = 8,794 g

Rendimiento porcentual

Y = 7,74/8,794·100 = 88,01%

Respuesta

Y = 88,01%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [H2] = 0,025 mol/L

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

Expresión de equilibrio

36 = (2x)²/(0,1 − x)²

Saca la raíz cuadrada

6 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·6/(2 + 6) = 0,075 mol/L

Concentración en el equilibrio

[H₂] = 0,1 − x = 0,025 mol/L

Respuesta

[H2] = 0,025 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 1,337 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

0,02 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,02·x − 0,03 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,03))/2 = 0,1635 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 1,5 − 0,1635 = 1,337 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 1,337 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 17,64 °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

50·0,385·(160 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 16)

Despeja la temperatura final

Tf = (19,25·160 + 1672·16)/(19,25 + 1672) = 17,64 °C

Respuesta

Tf = 17,64 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 7416 kJ

Calor y entalpía: calentar una sustancia requiere q = m·c·ΔT. En un calorímetro, el calor cedido por el cuerpo caliente es igual al calor absorbido por el frío. La variación de entalpía de una reacción se obtiene de las entalpías de formación: ΔH° = ΣΔH°f(productos) − ΣΔH°f(reactivos), cada una multiplicada por su coeficiente.

Entalpía de reacción

ΔH° = [2·(−393,5) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Calor para la masa dada

n = 250/46,07 = 5,427 mol
q = n·|ΔH°/1| = 5,427·1367 = 7416 kJ

Respuesta

q = 7416 kJ
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: T2 = 38,83 °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 = 298,1 K

Despeja T₂ de la ecuación de Arrhenius

1/T2 = 1/298,1 − 8,314·ln(5)/90000 = 3,354 × 10⁻³ − 1,487 × 10⁻⁴ = 3,205 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 312 K = 38,83 °C

Respuesta

T2 = 38,83 °C
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 231 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 − 0,5))/0,3 = 0,6931/0,3 = 2,31 min

Volumen

V = Q·τ = 100·2,31 = 231 L

Respuesta

V = 231 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 95,02 %

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 = 1500/100 = 15 min, kτ = 0,2·15 = 3

Conversión

X = 1 − e−kτ = 1 − e−3 = 95,02%

Respuesta

X = 95,02%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: U = 526,2 W/(m²·K)

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

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 = 100 − 90 = 10 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 60 − 25 = 35 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (10 − 35)/ln(10/35) = 19,96 K

Coeficiente global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 210000/(20·19,96) = 526,2 W/(m²·K)

Respuesta

U = 526,2 W/(m²·K)
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 1,186 m²

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

Potencia térmica y temperatura de salida del agua

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1·2,3·25 = 57,5 kW
Tc,out = 30 + 57,5/(2·4,18) = 36,88 °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 = 95 − 36,88 = 58,12 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 30 = 40 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (58,12 − 40)/ln(58,12/40) = 48,5 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 57500/(1000·48,5) = 1,186 m²

Respuesta

A = 1,186 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = 6,104 °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) = (200/1000)/(1,4·4) = 0,03571 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,96·4) = 0,03906 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 27/0,07478 = 361,1 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 19 − 361,1·0,03571 = 6,104 °C

Respuesta

Ti = 6,104 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: U = 0,4915 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/(8·10) = 0,0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,035·10) = 0,1429 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·10) = 0,04412 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·10) = 0,004 K/W
ΣR = 0,2035 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(10·0,2035) = 0,4915 W/(m²·K)

Respuesta

U = 0,4915 W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δp = 164,6 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) = 0,028·(400/0,15)·2,1²/(2·9,81) = 16,78 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 = 1000·9,81·16,78 = 164640 Pa = 164,6 kPa

Respuesta

Δp = 164,6 kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: H = 2,369 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 = 0,05/0,03142 = 1,592 m/s
V²/(2g) = 0,1291 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,015·150/0,2 = 11,25
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 = 6,1

Ecuación de la energía

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

H = (1 + 11,25 + 6,1)·0,1291 = 2,369 m

Respuesta

H = 2,369 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 14,29 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 = 1000·9,81·0,015·68 = 10,01 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 10,01/0,7 = 14,29 kW

Respuesta

Pshaft = 14,29 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 34,09 m

Potencia de una bomba: la potencia que recibe el agua es la potencia hidráulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. El eje debe entregar más porque la bomba tiene pérdidas: Pshaft = Ph/ηpump, y el motor absorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La altura de la bomba H sale de la ecuación de la energía: altura geométrica + altura de presión + todas las pérdidas por fricción y localizadas.

Velocidad

V = Q/A = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (30 + 6)·0,3305 = 11,9 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 = 12 + 10,19 + 11,9 = 34,09 m

Respuesta

H = 34,09 m

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