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 1550 kg/h · 45% NaOHCorriente 2ṁ₂ = ? · 10% NaOHProducto40% NaOH

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 40 % de NaOH? Halla ṁ2.

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 45 %x2 = 10 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F3800 kg/h · 11% salProducto PP = ? · 45%Vapor W (agua pura)0% sal

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

F = 3800 kg/hxF = 11 %xP = 45 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríomezcla de glicol · 130 °C60 °Cagua · 30 °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 = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 160 °C100 °Cagua · 20 °C75 °C · ṁ = ?15 % perdido

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

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 100 °Ct: 20 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
250 g de CH₄V = 10 LT = 55 °CP = ?

Un depósito de 10 L contiene 250 g de CH₄ a 55 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 250 gM = 16,04 g/molV = 10 LT = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
N₂, M = 28,01 g/molP = 850 kPaT = 140 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de N₂ a 850 kPa y 140 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 28,01 g/molP = 850 kPaT = 140 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

8 g de Na y 20 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(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, 10 g de C6H12O6 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 2,81 g de C2H5OH. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(C2H5OH) = 46,07 g/molreal: 2,81 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 = 16. Calcula la concentración en el equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 16
[H2] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,01 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,1 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,01
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Aluminiom = 100 gT = 200 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Aguam = 300 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de aluminio de 100 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 200 °C se introduce en 300 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 25 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 200 °Cmwater = 300 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H25 g CH3​OH2CH3​OH + 3O₂reactivos2CO₂ + 4H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 25 g de CH3OH (M = 32,04 g/mol) se queman por completo: 2CH3OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(CH3OH) = −238,7 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)t½​ = ?C0​/2

Una reacción de segundo orden (−rA = k·CA²) tiene k = 0,25 L/(mol·min) y una concentración inicial de 0,8 mol/L. Halla su primera vida media t½.

k = 0,25 L/(mol·min)CA0 = 0,8 mol/L
t½ = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk35 °C0,0160 °C?

Una reacción tiene una constante de velocidad de 0,01 min⁻¹ a 35 °C y una energía de activación de 100 kJ/mol. Halla la constante de velocidad k2 a 60 °C.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 35 °CT2 = 60 °CEa = 100 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 50 L/minCA0​ = 0,5 mol/LCA​ = ?V = 150 L, k = 0,2 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B (k = 0,2 min⁻¹) se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) de 150 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 = 150 LQ = 50 L/mink = 0,2 min⁻¹CA0 = 0,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
Q = 100 L/minX = ?V = 1000 L

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,05 min⁻¹) se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) de 1000 L alimentado a 100 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 1000 LQ = 100 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT100 °C10 °C90 °CΔT₁ΔT₂vapor que condensa

En un condensador, el vapor condensa a 100 °C constantes en el exterior de los tubos. El agua de refrigeración (5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circula por los tubos y se calienta de 10 a 90 °C. El coeficiente global de transmisión de calor es 3000 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Ts = 100 °Cṁ = 5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 10 → 90 °CU = 3000 W/(m²·K)
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT165 °C75 °C60,37 °C20 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (1,5 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) se enfría de 165 a 75 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 2 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 20 °C. Con U = 300 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 165 → 75 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °CU = 300 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Lana mineral, k = 0,04100 mmHormigón, k = 1,4100 mm21 °C-7 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 100 mm de lana mineral y 100 mm de hormigón, con un área de 8 m². Las caras exteriores están a 21 °C y -7 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 100 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 21 °CT3 = -7 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Hormigón, k = 1,4150 mmLadrillo, k = 0,7250 mminterior 22 °Cexterior 4 °CQ̇ = ?

Un muro de 150 mm de hormigón y 50 mm de ladrillo separa una habitación a 22 °C del aire exterior a 4 °C. Los coeficientes de convección son 7,7 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 15 m². Halla la pérdida de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 150 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 15 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 4 °C
Q̇ = W
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 3 m/sD = 250 mmL = 50 mf = 0,03

Agua (ρ = 1000 kg/m³) circula a 3 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 = 0,03 y g = 9,81 m/s². Halla la caída de presión Δp en la tubería en kPa.

V = 3 m/sL = 50 mD = 250 mmf = 0,03ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 0,2Δz = ?L = 100 m, D = 150 mm, f = 0,0254× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 100 m de longitud, 150 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,025. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 4 codos (K = 0,3 cada uno), una válvula (K = 0,2) 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 40 L/s?

Q = 40 L/sL = 100 mD = 150 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 100 L/sH = 48 m

Una bomba con un rendimiento del 80 % impulsa 100 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 48 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 100 L/sH = 48 mη = 80%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 60 L/sΔz = 8 mL = 300 m, D = 200 mm, f = 0,02, ΣK = 4

Una bomba impulsa 60 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 8 m más alta. La tubería mide 300 m de longitud, tiene 200 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,02; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 4 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². El rendimiento de la bomba es del 80 %. Halla la potencia en el eje Pshaft en kW.

Q = 60 L/sΔz = 8 mL = 300 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 4η = 80%
Pshaft = kW

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 91,67 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) = 550·(45 − 40)/(40 − 10) = 91,67 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 91,67 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 928,9 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 = 3800·11/45 = 928,9 kg/h

Respuesta

P = 928,9 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 90,29 °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 = 1,5·3,6·(130 − 60) = 378 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 378/(1,5·4,18) = 90,29 °C

Respuesta

tout = 90,29 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 1,353 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 2,5·2,44·(160 − 100) = 366 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,15)·366 = 311,1 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 311,1/(4,18·55) = 1,353 kg/s

Respuesta

ṁc = 1,353 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 4252 kPa

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

Moles

n = m/M = 250/16,04 = 15,59 mol
T = 55 + 273,15 = 328,1 K

Presión

P = nRT/V = 15,59·8,314·328,1/0,01 = 4252 kPa

Respuesta

P = 4252 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 6,931 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 = 140 + 273,15 = 413,1 K

Densidad

ρ = 850·28,01/(8,314·413,1) = 6,931 kg/m³

Respuesta

ρ = 6,931 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 20,34 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) = 8/22,99 = 0,348 mol
n(Cl2) = 20/70,9 = 0,2821 mol

Reactivo limitante

0,348/2 = 0,174, 0,2821/1 = 0,2821 → Na

Masa de producto

n(NaCl) = 0,174·2 = 0,348 mol
m = 0,348·58,44 = 20,34 g

Respuesta

m = 20,34 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 54,94 %

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) = 10/180,16 = 0,05551 mol
m = 0,05551·2/1·46,07 = 5,114 g

Rendimiento porcentual

Y = 2,81/5,114·100 = 54,94%

Respuesta

Y = 54,94%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [H2] = 0,08333 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

16 = (2x)²/(0,25 − x)²

Saca la raíz cuadrada

4 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·4/(2 + 4) = 0,1667 mol/L

Concentración en el equilibrio

[H₂] = 0,25 − x = 0,08333 mol/L

Respuesta

[H2] = 0,08333 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 0,07298 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

0,01 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,01·x − 0,001 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,001))/2 = 0,02702 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 0,1 − 0,02702 = 0,07298 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 0,07298 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 36,68 °C

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

Balance de calor

100·0,897·(200 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 25)

Despeja la temperatura final

Tf = (89,7·200 + 1254·25)/(89,7 + 1254) = 36,68 °C

Respuesta

Tf = 36,68 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 566,8 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) + 4·(−285,8)] − [2·(−238,7) + 3·0] = −1453 kJ

Calor para la masa dada

n = 25/32,04 = 0,7803 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,7803·726,4 = 566,8 kJ

Respuesta

q = 566,8 kJ
13.Cinética química

Respuesta: t½ = 5 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).

Vida media de segundo orden

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0,25·0,8) = 5 min

Respuesta

t½ = 5 min

Cada vida media posterior es el doble de larga, porque C₀ se ha reducido a la mitad.

14.Cinética química

Respuesta: k2 = 0,1871 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 = 308,1 K, T2 = 333,1 K

Cociente de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(100000/8,314)·(1/333,1 − 1/308,1) = 2,929
k2 = 0,01·e2,929 = 0,1871 min⁻¹

Respuesta

k2 = 0,1871 min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: CA = 0,2744 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 = 150/50 = 3 min

Concentración de salida

CA = 0,5·e−0,2·3 = 0,2744 mol/L

Respuesta

CA = 0,2744 mol/L

Conversión: X = 45,12%.

16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 39,35 %

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 = 1000/100 = 10 min, kτ = 0,05·10 = 0,5

Conversión

X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,5 = 39,35%

Respuesta

X = 39,35%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 15,31 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 = 5·4,18·(90 − 10) = 1672 kW

Diferencias de temperatura en los extremos

ΔT₁ = 100 − 10 = 90 K
ΔT₂ = 100 − 90 = 10 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (90 − 10)/ln(90/10) = 36,41 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 1,672 × 10⁶/(3000·36,41) = 15,31 m²

Respuesta

A = 15,31 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 14,58 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) = 1,5·2,5·90 = 337,5 kW
Tc,out = 20 + 337,5/(2·4,18) = 60,37 °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 = 165 − 60,37 = 104,6 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 20 = 55 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (104,6 − 55)/ln(104,6/55) = 77,17 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 337500/(300·77,17) = 14,58 m²

Respuesta

A = 14,58 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = −6,222 °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) = (100/1000)/(0,04·8) = 0,3125 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1,4·8) = 0,008929 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 28/0,3214 = 87,11 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 21 − 87,11·0,3125 = −6,222 °C

Respuesta

Ti = −6,222 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 779,3 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/(7,7·15) = 0,008658 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(1,4·15) = 0,007143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,72·15) = 0,00463 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·15) = 0,002667 K/W
ΣR = 0,0231 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (22 − (4))/0,0231 = 779,3 W

Respuesta

Q̇ = 779,3 W
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δp = 27 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) = 0,03·(50/0,25)·3²/(2·9,81) = 2,752 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 = 1000·9,81·2,752 = 27000 Pa = 27 kPa

Respuesta

Δp = 27 kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 5,11 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 = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s
V²/(2g) = 0,2611 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,025·100/0,15 = 16,67
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,9

Pérdida de carga total

hf = 16,67·0,2611 = 4,352 m
hm = 2,9·0,2611 = 0,7573 m
Δz = hf + hm = 5,11 m

Respuesta

Δz = 5,11 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 58,86 kW

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

Potencia hidráulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,1·48 = 47,09 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 47,09/0,8 = 58,86 kW

Respuesta

Pshaft = 58,86 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 10,54 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.

Velocidad

V = Q/A = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (30 + 4)·0,1859 = 6,321 m

Altura de la bomba

H = Δz + hL = 8 + 6,321 = 14,32 m

Potencia en el eje

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,06·14,32/0,8 = 10,54 kW

Respuesta

Pshaft = 10,54 kW

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