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 1800 kg/h · 15% salCorriente 2ṁ₂ = ? · 35% 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 = 800 kg/hx1 = 15 %x2 = 35 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F3600 kg/h · 5% salProducto P40% salVapor W (agua pura)W = ? kg/h

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

F = 3600 kg/hxF = 5 %xP = 40 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríomezcla de glicol · 140 °C110 °Cagua · 20 °Ct = ? °C

mezcla de glicol caliente enfría agua en un intercambiador a contracorriente sin pérdidas de calor. Halla la temperatura de salida del agua tout.

ṁh = 1 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 110 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 120 °C80 °Cagua · 15 °C40 °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 = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 80 °Ct: 15 → 40 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
430 g de HeV = 10 LT = 100 °CP = ?

Un depósito de 10 L contiene 430 g de He a 100 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 430 gM = 4,003 g/molV = 10 LT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de N₂ pasa de 300 kPa, 10 L, 15 °C a 100 kPa y 110 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 300 kPaV1 = 10 LT1 = 15 °CP2 = 100 kPaT2 = 110 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

24 g de H2 y 24 g de O2 reaccionan según 2H2 + O2 → 2H2O. ¿Qué masa m de H2O se puede formar?

M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(C6​H12​O6​)n(C6​H12​O6​)n(C2​H5​OH)m(C2​H5​OH)÷ M(C6​H12​O6​)× 2/1× M(C2​H5​OH)

En la reacción C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2, 12 g de C6H12O6 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 5,77 g de C2H5OH. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(C2H5OH) = 46,07 g/molreal: 5,77 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,50,50C−x−x+2xE0,5 − x0,5 − x2x

Se introducen 0,5 mol/L de H₂ y 0,5 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 64. Calcula la concentración en el equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 64
[H2] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,08 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,5 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Aluminiom = 75 gT = 110 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Aguam = 150 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de aluminio de 75 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 110 °C se introduce en 150 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 25 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 110 °Cmwater = 150 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H250 g CH4​CH4​ + 2O₂reactivosCO₂ + 2H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 250 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)10 min0,4

En una reacción de primer orden la concentración de A baja de 0,5 mol/L a 0,4 mol/L en 10 min. Halla la constante de velocidad k.

CA0 = 0,5 mol/LCA = 0,4 mol/Lt = 10 min
k = min⁻¹
14.Cinética químicaDifícil
Tk20 °C0,00245 °C?

Una reacción tiene una constante de velocidad de 0,002 min⁻¹ a 20 °C y una energía de activación de 70 kJ/mol. Halla la constante de velocidad k2 a 45 °C.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 20 °CT2 = 45 °CEa = 70 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 40 L/minX = 75%V = ?, k = 0,12 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B con k = 0,12 min⁻¹ se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) alimentado a 40 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla el volumen del reactor V en litros para una conversión de A del 75 %.

Q = 40 L/mink = 0,12 min⁻¹X = 75%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 400 LV = 400 LQ = 10 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,15 min⁻¹) se lleva a cabo en dos CSTR iguales en serie, de 400 L cada uno. El caudal de alimentación es 10 L/min, la densidad es constante y los reactores están en estado estacionario. Halla la conversión global X en porcentaje.

V = 400 L (×2)Q = 10 L/mink = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT125 °C90 °C85 °C15 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador de carcasa y tubos (un paso por carcasa, dos pasos por tubos) debe transferir 240 kW. El fluido caliente se enfría de 125 a 90 °C y el frío se calienta de 15 a 85 °C. El factor de corrección de la DTML para esta disposición es F = 0,92, y U = 800 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 240 kWF = 0,92U = 800 W/(m²·K)Th: 125 → 90 °CTc: 15 → 85 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT125 °C95 °C32,51 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (0,5 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) se enfría de 125 a 95 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 3 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 30 °C. Con U = 500 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 125 → 95 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 500 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Poliestireno expandido, k = 0,035250 mmLadrillo, k = 0,72150 mm22 °C7 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 250 mm de poliestireno expandido y 150 mm de ladrillo, con un área de 8 m². Las caras exteriores están a 22 °C y 7 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 250 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 22 °CT3 = 7 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Poliestireno expandido, k = 0,03550 mmHormigón, k = 1,4100 mminterior 20 °Cexterior -10 °CQ̇ = ?

Un muro de 50 mm de poliestireno expandido y 100 mm de hormigón separa una habitación a 20 °C del aire exterior a -10 °C. Los coeficientes de convección son 6 W/(m²·K) dentro y 30 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 20 m². Halla la pérdida de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 50 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 20 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -10 °C
Q̇ = W
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 2,9 m/sD = 50 mmL = 150 mf = 0,022

Agua (ρ = 1000 kg/m³) circula a 2,9 m/s por una tubería horizontal de 150 m de longitud y 50 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,022 y g = 9,81 m/s². Halla la caída de presión Δp en la tubería en kPa.

V = 2,9 m/sL = 150 mD = 50 mmf = 0,022ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10descarga libreH = ?L = 300 m, D = 200 mm, f = 0,0154× codo (K = 0,3)

Una tubería de 300 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), 4 codos (K = 0,3 cada uno) y una válvula (K = 10). Usa g = 9,81 m/s². ¿A qué altura H debe estar la superficie del depósito sobre la salida de la tubería para un caudal de 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 300 mD = 200 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10
H = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 10 L/sH = 36 m

En un ensayo, una bomba impulsa 10 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 36 m mientras su eje absorbe 4,7 kW. Usa g = 9,81 m/s². Halla el rendimiento de la bomba η en porcentaje.

Q = 10 L/sH = 36 mPshaft = 4,7 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
300 kPa (manométrica)PQ = 120 L/sΔz = 9 mL = 500 m, D = 250 mm, f = 0,015, ΣK = 4

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 9 m más alta. La tubería mide 500 m de longitud, tiene 250 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,015; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 4 (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 300 kPa. Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 120 L/sΔz = 9 mL = 500 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 4ptank = 300 kPa
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 2400 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) = 800·(15 − 30)/(30 − 35) = 2400 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 2400 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: W = 3150 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 = 3600·5/40 = 450 kg/h

Balance total

W = F − P = 3600 − 450 = 3150 kg/h

Respuesta

W = 3150 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 45,84 °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 = 1·3,6·(140 − 110) = 108 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 108/(1·4,18) = 45,84 °C

Respuesta

tout = 45,84 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 0,4203 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 0,5·2,44·(120 − 80) = 48,8 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,1)·48,8 = 43,92 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 43,92/(4,18·25) = 0,4203 kg/s

Respuesta

ṁc = 0,4203 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 33325 kPa

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

Moles

n = m/M = 430/4,003 = 107,4 mol
T = 100 + 273,15 = 373,1 K

Presión

P = nRT/V = 107,4·8,314·373,1/0,01 = 33325 kPa

Respuesta

P = 33325 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 39,89 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 288,1 K, T2 = 383,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(300/100)·(383,1/288,1) = 39,89 L

Respuesta

V2 = 39,89 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 27,03 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(H2) = 24/2,016 = 11,9 mol
n(O2) = 24/32 = 0,75 mol

Reactivo limitante

11,9/2 = 5,952, 0,75/1 = 0,75 → O2

Masa de producto

n(H2O) = 0,75·2 = 1,5 mol
m = 1,5·18,02 = 27,03 g

Respuesta

m = 27,03 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 94,02 %

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(C6H12O6) = 12/180,16 = 0,06661 mol
m = 0,06661·2/1·46,07 = 6,137 g

Rendimiento porcentual

Y = 5,77/6,137·100 = 94,02%

Respuesta

Y = 94,02%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [H2] = 0,1 mol/L

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

Expresión de equilibrio

64 = (2x)²/(0,5 − x)²

Saca la raíz cuadrada

8 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·8/(2 + 8) = 0,4 mol/L

Concentración en el equilibrio

[H₂] = 0,5 − x = 0,1 mol/L

Respuesta

[H2] = 0,1 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 0,336 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/(0,5 − x) → x² + 0,08·x − 0,04 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,04))/2 = 0,164 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 0,5 − 0,164 = 0,336 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 0,336 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 33,24 °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

75·0,897·(110 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 25)

Despeja la temperatura final

Tf = (67,28·110 + 627·25)/(67,28 + 627) = 33,24 °C

Respuesta

Tf = 33,24 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 13876 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 = 250/16,04 = 15,59 mol
q = n·|ΔH°/1| = 15,59·890,3 = 13876 kJ

Respuesta

q = 13876 kJ
13.Cinética química

Respuesta: k = 0,02231 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(0,5/0,4)/10 = 0,2231/10 = 0,02231 min⁻¹

Respuesta

k = 0,02231 min⁻¹
14.Cinética química

Respuesta: k2 = 0,01911 min⁻¹

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

Temperaturas absolutas

T1 = 293,1 K, T2 = 318,1 K

Cociente de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(70000/8,314)·(1/318,1 − 1/293,1) = 2,257
k2 = 0,002·e2,257 = 0,01911 min⁻¹

Respuesta

k2 = 0,01911 min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 462,1 L

Reactores ideales, reacción de primer orden (−rA = k·CA) en estado estacionario, con tiempo espacial τ = V/Q. Un CSTR está perfectamente mezclado, así que todo el volumen reacciona a la baja concentración de salida: τ = X/(k·(1 − X)) y CA = CA0/(1 + k·τ). En un PFR cada rebanada de fluido reacciona como un pequeño reactor discontinuo: τ = ln(1/(1 − X))/k y CA = CA0·e−k·τ. Para la misma conversión un CSTR siempre necesita más volumen que un PFR.

Tiempo espacial

τ = ln(1/(1 − 0,75))/0,12 = 1,386/0,12 = 11,55 min

Volumen

V = Q·τ = 40·11,55 = 462,1 L

Respuesta

V = 462,1 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 97,96 %

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 = 400/10 = 40 min, kτ = 0,15·40 = 6

Conversión

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 6) = 0,1429
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,02041
X = 1 − 0,02041 = 97,96%

Respuesta

X = 97,96%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 5,857 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 = 90 − 15 = 75 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (40 − 75)/ln(40/75) = 55,68 K

Área

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 240000/(800·0,92·55,68) = 5,857 m²

Respuesta

A = 5,857 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 0,8083 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) = 0,5·2,1·30 = 31,5 kW
Tc,out = 30 + 31,5/(3·4,18) = 32,51 °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 = 125 − 32,51 = 92,49 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 95 − 30 = 65 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (92,49 − 65)/ln(92,49/65) = 77,94 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 31500/(500·77,94) = 0,8083 m²

Respuesta

A = 0,8083 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 16,32 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) = (250/1000)/(0,035·8) = 0,8929 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,72·8) = 0,02604 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 15/0,9189 = 16,32 W

Respuesta

Q̇ = 16,32 W
20.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 352,9 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 en serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(6·20) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,035·20) = 0,07143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1,4·20) = 0,003571 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·20) = 0,001667 K/W
ΣR = 0,085 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (20 − (-10))/0,085 = 352,9 W

Respuesta

Q̇ = 352,9 W
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δp = 277,5 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) = 0,022·(150/0,05)·2,9²/(2·9,81) = 28,29 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 = 1000·9,81·28,29 = 277530 Pa = 277,5 kPa

Respuesta

Δp = 277,5 kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: H = 11,63 m

Flujo en tuberías: el número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue el flujo laminar (Re por debajo de unos 2000) del turbulento (por encima de unos 4000). La fricción a lo largo de una tubería produce la pérdida de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Los accesorios, las válvulas, la entrada y la salida añaden pérdidas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre las superficies libres de dos depósitos abiertos la ecuación de la energía da Δz = hf + hm, incluida la pérdida de salida K = 1.

Velocidad

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

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,015·300/0,2 = 22,5
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 = 11,7

Ecuación de la energía

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

H = (1 + 22,5 + 11,7)·0,3305 = 11,63 m

Respuesta

H = 11,63 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: η = 75,14 %

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 = 1000·9,81·0,01·36 = 3,532 kW

Rendimiento

η = Ph/Pshaft = 3,532/4,7 = 75,14%

Respuesta

η = 75,14%
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 49,94 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) = (30 + 4)·0,3046 = 10,36 m

Altura de presión

p/(ρ·g) = 300000/(1000·9,81) = 30,58 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 = 9 + 30,58 + 10,36 = 49,94 m

Respuesta

H = 49,94 m

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