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 1700 kg/h · 35% azúcarCorriente 2ṁ₂ = ? · 5% azúcarProducto15% azúcar

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 15 % de azúcar? Halla ṁ2.

ṁ1 = 700 kg/hx1 = 35 %x2 = 5 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F3200 kg/h · 6% NaOHProducto P35% NaOHVapor W (agua pura)W = ? kg/h

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

F = 3200 kg/hxF = 6 %xP = 35 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoaceite ligero · 120 °C60 °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 = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 60 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríomezcla de glicol · 130 °C90 °Cagua · 25 °C60 °C · ṁ = ?10 % perdido

mezcla de glicol 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 = 1 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 90 °Ct: 25 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
270 g de N₂V = 10 LT = 90 °CP = ?

Un depósito de 10 L contiene 270 g de N₂ a 90 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 270 gM = 28,01 g/molV = 10 LT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de Ar pasa de 250 kPa, 20 L, 25 °C a 450 kPa y 200 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 250 kPaV1 = 20 LT1 = 25 °CP2 = 450 kPaT2 = 200 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

30 g de Na y 32 g de Cl2 reaccionan según 2Na + Cl2 → 2NaCl. ¿Qué masa m de NaCl se puede formar?

M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(Na)n(Na)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(Na)× 2/2× M(NaCl)

En la reacción 2Na + Cl2 → 2NaCl, 8 g de Na reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 15,25 g de NaCl. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/molreal: 15,25 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

Se introducen 0,25 mol/L de H₂ y 0,25 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 = 0,25 mol/LKc = 64
[H2] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,05 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,4 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Plomom = 50 gT = 190 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Aguam = 100 gT = 22 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de plomo de 50 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 190 °C se introduce en 100 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 22 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 190 °Cmwater = 100 gTwater = 22 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
HC6​H12​O6​ + 6O₂reactivos6CO₂ + 6H₂O(l)productosΔH° = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular ΔH° de la reacción C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 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 = ?80%

Una reacción de segundo orden (−rA = k·CA²) en un reactor discontinuo tiene k = 0,2 L/(mol·min) y parte de 2 mol/L. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 80 %? Halla t.

k = 0,2 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/LX = 80 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))ensayo 10,10,01ensayo 20,40,64n = ?

Dos experimentos miden la velocidad inicial de A → productos. Con CA0 = 0,1 mol/L la velocidad es 0,01 mol/(L·s); con CA0 = 0,4 mol/L es 0,64 mol/(L·s). Halla el orden de reacción n respecto a A.

CA0,1 = 0,1 mol/Lr1 = 0,01 mol/(L·s)CA0,2 = 0,4 mol/Lr2 = 0,64 mol/(L·s)
n =
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 50 L/minCA0​ = 2 mol/LCA​ = ?V = 1500 L, k = 0,05 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B (k = 0,05 min⁻¹) se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) de 1500 L. La alimentación entra a 50 L/min con CA0 = 2 mol/L. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la concentración de salida CA.

V = 1500 LQ = 50 L/mink = 0,05 min⁻¹CA0 = 2 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 500 LQ = 80 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,5 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 500 L alimentado a 80 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 500 LQ = 80 L/mink = 0,5 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT130 °C10 °C55 °CΔT₁ΔT₂vapor que condensa

En un condensador, el vapor condensa a 130 °C constantes en el exterior de los tubos. El agua de refrigeración (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circula por los tubos y se calienta de 10 a 55 °C. El coeficiente global de transmisión de calor es 1500 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Ts = 130 °Cṁ = 1,5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 10 → 55 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT115 °C80 °C53,44 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (2 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) se enfría de 115 a 80 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 1,5 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 30 °C. Con U = 1500 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 115 → 80 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Placa de yeso, k = 0,17150 mmMadera, k = 0,1725 mm25 °C8 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 150 mm de placa de yeso y 25 mm de madera, con un área de 8 m². Las caras exteriores están a 25 °C y 8 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 25 °CT3 = 8 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Ladrillo, k = 0,72250 mmHormigón, k = 1,425 mminterior 21 °Cexterior 2 °CQ̇ = ?

Un muro de 250 mm de ladrillo y 25 mm de hormigón separa una habitación a 21 °C del aire exterior a 2 °C. Los coeficientes de convección son 10 W/(m²·K) dentro y 30 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 4 m². Halla la pérdida de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 250 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 4 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 2 °C
Q̇ = W
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 40 L/sD = 300 mmL = 300 mf = 0,03

Agua circula a razón de 40 L/s por una tubería de 300 m de longitud y 300 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,03 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

Q = 40 L/sL = 300 mD = 300 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 2Δz = ?L = 150 m, D = 300 mm, f = 0,0183× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 150 m de longitud, 300 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,018. 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 100 L/s?

Q = 100 L/sL = 150 mD = 300 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 50 L/sH = 18 m

En un ensayo, una bomba impulsa 50 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 18 m mientras su eje absorbe 13,6 kW. Usa g = 9,81 m/s². Halla el rendimiento de la bomba η en porcentaje.

Q = 50 L/sH = 18 mPshaft = 13,6 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 120 L/sΔz = 7 mL = 300 m, D = 250 mm, f = 0,018, 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 7 m más alta. La tubería mide 300 m de longitud, tiene 250 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,018; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 5 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 120 L/sΔz = 7 mL = 300 mD = 250 mmf = 0,018ΣK = 5
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 1400 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) = 700·(35 − 15)/(15 − 5) = 1400 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 1400 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: W = 2651 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 = 3200·6/35 = 548,6 kg/h

Balance total

W = F − P = 3200 − 548,6 = 2651 kg/h

Respuesta

W = 2651 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 30,02 °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 = 0,5·2,1·(120 − 60) = 63 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 63/(3·4,18) = 30,02 °C

Respuesta

tout = 30,02 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 0,8859 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 1·3,6·(130 − 90) = 144 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,1)·144 = 129,6 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 129,6/(4,18·35) = 0,8859 kg/s

Respuesta

ṁc = 0,8859 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 2910 kPa

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

Moles

n = m/M = 270/28,01 = 9,639 mol
T = 90 + 273,15 = 363,1 K

Presión

P = nRT/V = 9,639·8,314·363,1/0,01 = 2910 kPa

Respuesta

P = 2910 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 17,63 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 298,1 K, T2 = 473,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(250/450)·(473,1/298,1) = 17,63 L

Respuesta

V2 = 17,63 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 52,75 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(Na) = 30/22,99 = 1,305 mol
n(Cl2) = 32/70,9 = 0,4513 mol

Reactivo limitante

1,305/2 = 0,6525, 0,4513/1 = 0,4513 → Cl2

Masa de producto

n(NaCl) = 0,4513·2 = 0,9027 mol
m = 0,9027·58,44 = 52,75 g

Respuesta

m = 52,75 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 74,99 %

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(Na) = 8/22,99 = 0,348 mol
m = 0,348·2/2·58,44 = 20,34 g

Rendimiento porcentual

Y = 15,25/20,34·100 = 74,99%

Respuesta

Y = 74,99%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [H2] = 0,05 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/(0,25 − x)²

Saca la raíz cuadrada

8 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·8/(2 + 8) = 0,2 mol/L

Concentración en el equilibrio

[H₂] = 0,25 − x = 0,05 mol/L

Respuesta

[H2] = 0,05 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 0,2814 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/(0,4 − x) → x² + 0,05·x − 0,02 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,02))/2 = 0,1186 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 0,4 − 0,1186 = 0,2814 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 0,2814 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 24,55 °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

50·0,129·(190 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 22)

Despeja la temperatura final

Tf = (6,45·190 + 418·22)/(6,45 + 418) = 24,55 °C

Respuesta

Tf = 24,55 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: ΔH° = −2802 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

Respuesta

ΔH° = −2802 kJ

Negativo: la reacción desprende calor (exotérmica).

13.Cinética química

Respuesta: t = 10 min

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

Concentración al final

CA = 2·(1 − 0,8) = 0,4 mol/L

Ley integrada de segundo orden

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (2,5 − 0,5)/0,2 = 10 min

Respuesta

t = 10 min
14.Cinética química

Respuesta: n = 3

Método de las velocidades iniciales: para r = k·Cⁿ, comparar dos ensayos que solo difieren en la concentración inicial elimina k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Duplicar C duplica la velocidad en primer orden y la cuadruplica en segundo orden.

Relaciones

r2/r1 = 0,64/0,01 = 64
C2/C1 = 0,4/0,1 = 4

Orden

n = ln(64)/ln(4) = 3

Respuesta

n = 3
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: CA = 0,4463 mol/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 = V/Q = 1500/50 = 30 min

Concentración de salida

CA = 2·e−0,05·30 = 0,4463 mol/L

Respuesta

CA = 0,4463 mol/L

Conversión: X = 77,69%.

16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 75,76 %

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 = 500/80 = 6,25 min, kτ = 0,5·6,25 = 3,125

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 3,125/(1 + 3,125) = 75,76%

Respuesta

X = 75,76%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 1,965 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.

Potencia térmica en el lado del agua

Q̇ = 1,5·4,18·(55 − 10) = 282,1 kW

Diferencias de temperatura en los extremos

ΔT₁ = 130 − 10 = 120 K
ΔT₂ = 130 − 55 = 75 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (120 − 75)/ln(120/75) = 95,74 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 282150/(1500·95,74) = 1,965 m²

Respuesta

A = 1,965 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 1,763 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) = 2·2,1·35 = 147 kW
Tc,out = 30 + 147/(1,5·4,18) = 53,44 °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 = 115 − 53,44 = 61,56 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 80 − 30 = 50 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (61,56 − 50)/ln(61,56/50) = 55,58 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 147000/(1500·55,58) = 1,763 m²

Respuesta

A = 1,763 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = 10,43 °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)/(0,17·8) = 0,1103 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,17·8) = 0,01838 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 17/0,1287 = 132,1 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 25 − 132,1·0,1103 = 10,43 °C

Respuesta

Ti = 10,43 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 152,5 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/(10·4) = 0,025 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,72·4) = 0,08681 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(1,4·4) = 0,004464 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·4) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,1246 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (21 − (2))/0,1246 = 152,5 W

Respuesta

Q̇ = 152,5 W
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 0,4896 m

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

Velocidad media

A = π·0,3²/4 = 0,07069 m²
V = Q/A = 0,04/0,07069 = 0,5659 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 0,5659²/(2·9,81) = 0,01632 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(300/0,3)·0,5659²/(2·9,81) = 0,4896 m

Respuesta

hf = 0,4896 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 1,367 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 = 0,1/0,07069 = 1,415 m/s
V²/(2g) = 0,102 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,018·150/0,3 = 9
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4

Pérdida de carga total

hf = 9·0,102 = 0,9181 m
hm = 4,4·0,102 = 0,4488 m
Δz = hf + hm = 1,367 m

Respuesta

Δz = 1,367 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: η = 64,92 %

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 = 1000·9,81·0,05·18 = 8,829 kW

Rendimiento

η = Ph/Pshaft = 8,829/13,6 = 64,92%

Respuesta

η = 64,92%
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 15,1 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) = (21,6 + 5)·0,3046 = 8,102 m

Altura de la bomba

Las dos superficies están abiertas y prácticamente en reposo, así que los términos de presión y velocidad se anulan.

H = Δz + hL = 7 + 8,102 = 15,1 m

Respuesta

H = 15,1 m

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