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 1500 kg/h · 15% salCorriente 2ṁ₂ = ? · 30% salProducto20% sal

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 20 % de sal? Halla ṁ2.

ṁ1 = 500 kg/hx1 = 15 %x2 = 30 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F2600 kg/h · 20% NaOHProducto P40% 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 = 2600 kg/hxF = 20 %xP = 40 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríomezcla de glicol · 150 °C100 °Cagua · 15 °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 = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 100 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríomezcla de glicol · 140 °C90 °Cagua · 15 °C40 °C · ṁ = ?5 % perdido

mezcla de glicol 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 = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 90 °Ct: 15 → 40 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
250 g de CO₂V = 20 LT = 40 °CP = ?

Un depósito de 20 L contiene 250 g de CO₂ a 40 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 250 gM = 44,01 g/molV = 20 LT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
He, M = 4,003 g/molP = 200 kPaT = 60 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de He a 200 kPa y 60 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 4,003 g/molP = 200 kPaT = 60 °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​)

4 g de Al y 40 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(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(Fe2​O3​)× 3/1× M(CO2​)

En la reacción Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2, 30 g de Fe2O3 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 21,83 g de CO2. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 21,83 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 = 64. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 64
[HI] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,05 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,1 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,05
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Aluminiom = 50 gT = 140 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Aguam = 250 gT = 20 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de aluminio de 50 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 140 °C se introduce en 250 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 20 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 140 °Cmwater = 250 gTwater = 20 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H2C4​H10​ + 13O₂reactivos8CO₂ + 10H₂O(l)productosΔH° = ?

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

ΔH°f(C4H10) = −125,6 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.Cinética químicaMedia
t (min)X (%)t = ?50%

Una reacción de segundo orden (−rA = k·CA²) en un reactor discontinuo tiene k = 0,8 L/(mol·min) y parte de 2 mol/L. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 50 %? Halla t.

k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/LX = 50 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk25 °C0,140 °C0,263

La constante de velocidad de una reacción es 0,1 min⁻¹ a 25 °C y 0,263 min⁻¹ a 40 °C. Halla la energía de activación Ea.

k1 = 0,1 min⁻¹T1 = 25 °Ck2 = 0,263 min⁻¹T2 = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 50 L/minCA0​ = 0,5 mol/LCA​ = ?V = 200 L, k = 0,5 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B (k = 0,5 min⁻¹) se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) de 200 L. La alimentación entra a 50 L/min con CA0 = 0,5 mol/L. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la concentración de salida CA.

V = 200 LQ = 50 L/mink = 0,5 min⁻¹CA0 = 0,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 200 LQ = 50 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,1 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 200 L alimentado a 50 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 200 LQ = 50 L/mink = 0,1 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT130 °C90 °C90 °C25 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador a contracorriente transfiere 370 kW. El fluido caliente se enfría de 130 a 90 °C y el frío se calienta de 25 a 90 °C. El coeficiente global de transmisión es 1500 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 370 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 130 → 90 °CTc: 25 → 90 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT85 °C55 °C29,49 °C25 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (0,5 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) se enfría de 85 a 55 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 2 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 25 °C. Con U = 1000 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 85 → 55 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Lana mineral, k = 0,0450 mmPlaca de yeso, k = 0,1775 mm23 °C3 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 50 mm de lana mineral y 75 mm de placa de yeso, con un área de 20 m². Las caras exteriores están a 23 °C y 3 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 50 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 23 °CT3 = 3 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Placa de yeso, k = 0,17150 mmVidrio, k = 0,96150 mminterior 22 °Cexterior 3 °CQ̇

Un muro de 150 mm de placa de yeso y 150 mm de vidrio separa una habitación a 22 °C del aire exterior a 3 °C. Los coeficientes de convección son 8 W/(m²·K) dentro y 20 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 15 m². Halla el coeficiente global de transmisión de calor U del muro.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 15 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 3 °C
U = W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 1,7 m/sD = 250 mmL = 50 mf = 0,022

Agua (ρ = 1000 kg/m³) circula a 1,7 m/s por una tubería horizontal de 50 m de longitud y 250 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 = 1,7 m/sL = 50 mD = 250 mmf = 0,022ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 2Δz = 29 mL = 200 m, D = 100 mm, f = 0,0153× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 200 m de longitud, 100 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,015. La superficie libre del depósito superior está 29 m por encima de la del inferior. 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. Halla el caudal Q en L/s.

Δz = 29 mL = 200 mD = 100 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 25 L/sH = 32 m

Una bomba con un rendimiento del 60 % impulsa 25 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 32 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 25 L/sH = 32 mη = 60%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
200 kPa (manométrica)PQ = 20 L/sΔz = 12 mL = 100 m, D = 100 mm, f = 0,022, ΣK = 5

Una bomba impulsa 20 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 100 m de longitud, tiene 100 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,022; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 5 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². El depósito superior está cerrado y el aire sobre el agua está a una presión manométrica de 200 kPa. Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 20 L/sΔz = 12 mL = 100 mD = 100 mmf = 0,022ΣK = 5ptank = 200 kPa
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 250 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) = 500·(15 − 20)/(20 − 30) = 250 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 250 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: W = 1300 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 = 2600·20/40 = 1300 kg/h

Balance total

W = F − P = 2600 − 1300 = 1300 kg/h

Respuesta

W = 1300 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 86,77 °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 = 2,5·3,6·(150 − 100) = 450 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 450/(1,5·4,18) = 86,77 °C

Respuesta

tout = 86,77 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 2,455 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 1,5·3,6·(140 − 90) = 270 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,05)·270 = 256,5 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 256,5/(4,18·25) = 2,455 kg/s

Respuesta

ṁc = 2,455 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 739,5 kPa

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

Moles

n = m/M = 250/44,01 = 5,681 mol
T = 40 + 273,15 = 313,1 K

Presión

P = nRT/V = 5,681·8,314·313,1/0,02 = 739,5 kPa

Respuesta

P = 739,5 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 0,289 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 = 60 + 273,15 = 333,1 K

Densidad

ρ = 200·4,003/(8,314·333,1) = 0,289 kg/m³

Respuesta

ρ = 0,289 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 19,77 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) = 4/26,98 = 0,1483 mol
n(Cl2) = 40/70,9 = 0,5642 mol

Reactivo limitante

0,1483/2 = 0,07413, 0,5642/3 = 0,1881 → Al

Masa de producto

n(AlCl3) = 0,07413·2 = 0,1483 mol
m = 0,1483·133,33 = 19,77 g

Respuesta

m = 19,77 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(Fe2O3) = 30/159,69 = 0,1879 mol
m = 0,1879·3/1·44,01 = 24,8 g

Rendimiento porcentual

Y = 21,83/24,8·100 = 88,01%

Respuesta

Y = 88,01%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,16 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/(0,1 − x)²

Saca la raíz cuadrada

8 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·8/(2 + 8) = 0,08 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,16 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,16 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 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

0,05 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,05·x − 0,005 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,005))/2 = 0,05 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,05 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,05 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 24,94 °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

50·0,897·(140 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 20)

Despeja la temperatura final

Tf = (44,85·140 + 1045·20)/(44,85 + 1045) = 24,94 °C

Respuesta

Tf = 24,94 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: ΔH° = −5755 kJ

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

Entalpía de reacción

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

Respuesta

ΔH° = −5755 kJ

Negativo: la reacción desprende calor (exotérmica).

13.Cinética química

Respuesta: t = 0,625 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 − 0,5) = 1 mol/L

Ley integrada de segundo orden

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (1 − 0,5)/0,8 = 0,625 min

Respuesta

t = 0,625 min
14.Cinética química

Respuesta: Ea = 50,04 kJ/mol

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

Temperaturas absolutas

T1 = 298,1 K, T2 = 313,1 K

Despeja Ea de Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·0,967/(-1,607e-4) = 50041 J/mol
Ea = 50,04 kJ/mol

Respuesta

Ea = 50,04 kJ/mol
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: CA = 0,06767 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 = 200/50 = 4 min

Concentración de salida

CA = 0,5·e−0,5·4 = 0,06767 mol/L

Respuesta

CA = 0,06767 mol/L

Conversión: X = 86,47%.

16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 28,57 %

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 = 200/50 = 4 min, kτ = 0,1·4 = 0,4

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 0,4/(1 + 0,4) = 28,57%

Respuesta

X = 28,57%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 4,79 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 = 130 − 90 = 40 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 90 − 25 = 65 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (40 − 65)/ln(40/65) = 51,49 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 370000/(1500·51,49) = 4,79 m²

Respuesta

A = 4,79 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 0,9046 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) = 0,5·2,5·30 = 37,5 kW
Tc,out = 25 + 37,5/(2·4,18) = 29,49 °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 = 85 − 29,49 = 55,51 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 25 = 30 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (55,51 − 30)/ln(55,51/30) = 41,46 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 37500/(1000·41,46) = 0,9046 m²

Respuesta

A = 0,9046 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = 8,217 °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) = (50/1000)/(0,04·20) = 0,0625 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·20) = 0,02206 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 20/0,08456 = 236,5 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 23 − 236,5·0,0625 = 8,217 °C

Respuesta

Ti = 8,217 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: U = 0,824 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/(8·15) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,17·15) = 0,05882 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,96·15) = 0,01042 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·15) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,08091 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(15·0,08091) = 0,824 W/(m²·K)

Respuesta

U = 0,824 W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δp = 6,358 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·(50/0,25)·1,7²/(2·9,81) = 0,6481 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 = 1000·9,81·0,6481 = 6358 Pa = 6,358 kPa

Respuesta

Δp = 6,358 kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Q = 31,94 L/s

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

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,015·200/0,1 = 30
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4

Ecuación de la energía

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

29 = (30 + 4,4)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·29/34,4) = 4,067 m/s

Caudal

Q = V·π·D²/4 = 4,067·0,007854 = 0,03194 m³/s = 31,94 L/s

Respuesta

Q = 31,94 L/s
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 13,08 kW

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

Potencia hidráulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,025·32 = 7,848 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 7,848/0,6 = 13,08 kW

Respuesta

Pshaft = 13,08 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 41,31 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 = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22 + 5)·0,3305 = 8,924 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 = 12 + 20,39 + 8,924 = 41,31 m

Respuesta

H = 41,31 m

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