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 1350 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 = 350 kg/hx1 = 15 %x2 = 30 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F1400 kg/h · 20% 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 = 1400 kg/hxF = 20 %xP = 35 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríomezcla de glicol · 120 °C90 °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 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 120 → 90 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoaceite ligero · 180 °C120 °Cagua · 15 °C75 °C · ṁ = ?5 % perdido

aceite ligero 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 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 120 °Ct: 15 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
90 g de HeP = 700 kPaT = 80 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 90 g de He a 700 kPa y 80 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 90 gM = 4,003 g/molP = 700 kPaT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de CH₄ pasa de 400 kPa, 5 L, 30 °C a 800 kPa y 210 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 400 kPaV1 = 5 LT1 = 30 °CP2 = 800 kPaT2 = 210 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

10 g de Fe2O3 y 16 g de CO reaccionan según Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. ¿Qué masa m de CO2 se puede formar?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(C3​H8​)n(C3​H8​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(C3​H8​)× 4/1× M(H2​O)

En la reacción C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O, 4 g de C3H8 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 4,9 g de H2O. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreal: 4,9 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,40,40C−x−x+2xE0,4 − x0,4 − x2x

Se introducen 0,4 mol/L de H₂ y 0,4 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 50. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 50
[HI] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,2 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,4 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,2
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Cobrem = 50 gT = 150 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Aguam = 200 gT = 24 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de cobre de 50 g (c = 0,385 J/(g·°C)) a 150 °C se introduce en 200 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 24 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 200 gTwater = 24 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H20 g CH4​CH4​ + 2O₂reactivosCO₂ + 2H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 20 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)X (%)t = ?60%

Una reacción de orden cero tiene k = 0,01 mol/(L·min) y parte de 1,5 mol/L. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 60 %? Halla t.

k = 0,01 mol/(L·min)CA0 = 1,5 mol/LX = 60 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk35 °C0,0250 °C?

Una reacción tiene una constante de velocidad de 0,02 min⁻¹ a 35 °C y una energía de activación de 90 kJ/mol. Halla la constante de velocidad k2 a 50 °C.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 35 °CT2 = 50 °CEa = 90 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 100 L/minX = 50%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 100 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla el volumen del reactor V en litros para una conversión de A del 50 %.

Q = 100 L/mink = 0,12 min⁻¹X = 50%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 2000 LQ = 20 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,08 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 2000 L alimentado a 20 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 2000 LQ = 20 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT175 °C80 °C35 °C25 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador de calor a contracorriente transfiere 260 kW. Su área de intercambio es 12 m². El fluido caliente se enfría de 175 a 80 °C y el frío se calienta de 25 a 35 °C. Halla el coeficiente global de transmisión de calor U.

Q̇ = 260 kWA = 12 m²Th: 175 → 80 °CTc: 25 → 35 °C
U = W/(m²·K)
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT100 °C60 °C?10 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

En un intercambiador de doble tubo a contracorriente, aceite caliente (0,2 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) circula por el tubo interior y se enfría de 100 a 60 °C. Agua (0,2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra en el espacio anular a 10 °C. El tubo interior tiene un diámetro de 40 mm, y U = 500 W/(m²·K) está referido a este diámetro. Halla la longitud de tubo L necesaria.

ṁh = 0,2 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 100 → 60 °Cṁc = 0,2 kg/sTc,in = 10 °CD = 40 mmU = 500 W/(m²·K)
L = m
19.Conducción de calorMedia
Vidrio, k = 0,96100 mmLana mineral, k = 0,0450 mm17 °C10 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 100 mm de vidrio y 50 mm de lana mineral, con un área de 8 m². Las caras exteriores están a 17 °C y 10 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 100 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 17 °CT3 = 10 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Madera, k = 0,17150 mmHormigón, k = 1,4100 mminterior 20 °Cexterior 0 °CQ̇ = ?

Un muro de 150 mm de madera y 100 mm de hormigón separa una habitación a 20 °C del aire exterior a 0 °C. Los coeficientes de convección son 7,7 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 12 m². Halla la pérdida de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 12 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = 0 °C
Q̇ = W
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 2,3 m/sD = 200 mmL = 50 mf = 0,018

Agua (ρ = 1000 kg/m³) circula a 2,3 m/s por una tubería horizontal de 50 m de longitud y 200 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,018 y g = 9,81 m/s². Halla la caída de presión Δp en la tubería en kPa.

V = 2,3 m/sL = 50 mD = 200 mmf = 0,018ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10Δz = 9 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,023× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 200 m de longitud, 200 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,02. La superficie libre del depósito superior está 9 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 = 10) y la salida al depósito inferior (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Halla el caudal Q en L/s.

Δz = 9 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 80 L/sH = 68 m

Una bomba impulsa 80 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 68 m. El rendimiento de la bomba es del 70 % y el motor eléctrico que la acciona tiene un rendimiento del 90 %. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia eléctrica Pel que absorbe el motor, en kW.

Q = 80 L/sH = 68 mηpump = 70%ηmotor = 90%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 30 L/sΔz = 11 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,015, ΣK = 8

Una bomba impulsa 30 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 11 m más alta. La tubería mide 100 m de longitud, tiene 150 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,015; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 8 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 30 L/sΔz = 11 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,015ΣK = 8
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 175 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) = 350·(15 − 20)/(20 − 30) = 175 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 175 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: W = 600 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 = 1400·20/35 = 800 kg/h

Balance total

W = F − P = 1400 − 800 = 600 kg/h

Respuesta

W = 600 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 49,45 °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 = 2·3,6·(120 − 90) = 216 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 216/(1,5·4,18) = 49,45 °C

Respuesta

tout = 49,45 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 0,4773 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 1·2,1·(180 − 120) = 126 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,05)·126 = 119,7 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 119,7/(4,18·60) = 0,4773 kg/s

Respuesta

ṁc = 0,4773 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 94,3 L

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

Moles

n = 90/4,003 = 22,48 mol
T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Volumen

V = nRT/P = 22,48·8,314·353,1/700 = 94,3 L

Respuesta

V = 94,3 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 3,984 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 303,1 K, T2 = 483,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(400/800)·(483,1/303,1) = 3,984 L

Respuesta

V2 = 3,984 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 8,268 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(Fe2O3) = 10/159,69 = 0,06262 mol
n(CO) = 16/28,01 = 0,5712 mol

Reactivo limitante

0,06262/1 = 0,06262, 0,5712/3 = 0,1904 → Fe2O3

Masa de producto

n(CO2) = 0,06262·3 = 0,1879 mol
m = 0,1879·44,01 = 8,268 g

Respuesta

m = 8,268 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 74,95 %

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(C3H8) = 4/44,1 = 0,0907 mol
m = 0,0907·4/1·18,02 = 6,538 g

Rendimiento porcentual

Y = 4,9/6,538·100 = 74,95%

Respuesta

Y = 74,95%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,6236 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

50 = (2x)²/(0,4 − x)²

Saca la raíz cuadrada

7,071 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·7,071/(2 + 7,071) = 0,3118 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,6236 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,6236 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,2 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

0,2 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,2·x − 0,08 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,08))/2 = 0,2 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,2 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,2 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 26,84 °C

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

Balance de calor

50·0,385·(150 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 24)

Despeja la temperatura final

Tf = (19,25·150 + 836·24)/(19,25 + 836) = 26,84 °C

Respuesta

Tf = 26,84 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 1110 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 = 20/16,04 = 1,247 mol
q = n·|ΔH°/1| = 1,247·890,3 = 1110 kJ

Respuesta

q = 1110 kJ
13.Cinética química

Respuesta: t = 90 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).

Cantidad convertida

CA0·X = 1,5·0,6 = 0,9 mol/L

Tiempo

t = CA0·X/k = 0,9/0,01 = 90 min

Respuesta

t = 90 min
14.Cinética química

Respuesta: k2 = 0,1021 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 = 323,1 K

Cociente de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(90000/8,314)·(1/323,1 − 1/308,1) = 1,631
k2 = 0,02·e1,631 = 0,1021 min⁻¹

Respuesta

k2 = 0,1021 min⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 577,6 L

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

Tiempo espacial

τ = ln(1/(1 − 0,5))/0,12 = 0,6931/0,12 = 5,776 min

Volumen

V = Q·τ = 100·5,776 = 577,6 L

Respuesta

V = 577,6 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 88,89 %

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 = 2000/20 = 100 min, kτ = 0,08·100 = 8

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 8/(1 + 8) = 88,89%

Respuesta

X = 88,89%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: U = 238,2 W/(m²·K)

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Diferencias de temperatura en los extremos

A contracorriente, la entrada caliente queda frente a la salida fría, y la salida caliente frente a la entrada fría.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 175 − 35 = 140 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 80 − 25 = 55 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (140 − 55)/ln(140/55) = 90,98 K

Coeficiente global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 260000/(12·90,98) = 238,2 W/(m²·K)

Respuesta

U = 238,2 W/(m²·K)
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: L = 5,52 m

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 y temperatura de salida del agua

Q̇ = 0,2·2,5·(100 − 60) = 20 kW
Tc,out = 10 + 20/(0,2·4,18) = 33,92 °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 = 100 − 33,92 = 66,08 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 60 − 10 = 50 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (66,08 − 50)/ln(66,08/50) = 57,67 K

Área y longitud

A = 20000/(500·57,67) = 0,6937 m²
L = A/(πD) = 0,6937/(π·0,04) = 5,52 m

Respuesta

L = 5,52 m
19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = 16,46 °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)/(0,96·8) = 0,01302 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,04·8) = 0,1563 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 7/0,1693 = 41,35 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 17 − 41,35·0,01302 = 16,46 °C

Respuesta

Ti = 16,46 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 213,6 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/(7,7·12) = 0,01082 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,17·12) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1,4·12) = 0,005952 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·12) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,09364 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (20 − (0))/0,09364 = 213,6 W

Respuesta

Q̇ = 213,6 W
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δp = 11,9 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) = 0,018·(50/0,2)·2,3²/(2·9,81) = 1,213 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 = 1000·9,81·1,213 = 11902 Pa = 11,9 kPa

Respuesta

Δp = 11,9 kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Q = 73,34 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 = 0,02·200/0,2 = 20
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 + 1,0 = 12,4

Ecuación de la energía

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

9 = (20 + 12,4)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·9/32,4) = 2,335 m/s

Caudal

Q = V·π·D²/4 = 2,335·0,03142 = 0,07334 m³/s = 73,34 L/s

Respuesta

Q = 73,34 L/s
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pel = 84,71 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 = 1000·9,81·0,08·68 = 53,37 kW

Potencia en el eje

Pshaft = 53,37/0,7 = 76,24 kW

Potencia eléctrica

Pel = 76,24/0,9 = 84,71 kW

Respuesta

Pel = 84,71 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 13,64 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 = 0,03/0,01767 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (10 + 8)·0,1469 = 2,644 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 = 11 + 2,644 = 13,64 m

Respuesta

H = 13,64 m

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