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 1850 kg/h · 30% salCorriente 2ṁ₂ = ? · 10% salProducto25% sal

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 25 % de sal? Halla ṁ2.

ṁ1 = 850 kg/hx1 = 30 %x2 = 10 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F1600 kg/h · 18% 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 = 1600 kg/hxF = 18 %xP = 40 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríomezcla de glicol · 120 °C80 °Cagua · 10 °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: 120 → 80 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 130 °C60 °Cagua · 10 °C75 °C · ṁ = ?5 % perdido

etanol 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 = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Ct: 10 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
410 g de O₂V = 20 LT = 5 °CP = ?

Un depósito de 20 L contiene 410 g de O₂ a 5 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 410 gM = 32 g/molV = 20 LT = 5 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
Estado 1Estado 2

Una cantidad fija de CO₂ pasa de 350 kPa, 5 L, 25 °C a 700 kPa y 190 °C. Halla el nuevo volumen V2.

P1 = 350 kPaV1 = 5 LT1 = 25 °CP2 = 700 kPaT2 = 190 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

30 g de Fe2O3 y 40 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(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(Fe2​O3​)× 3/1× M(CO2​)

En la reacción Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2, 24 g de Fe2O3 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 18,65 g de CO2. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 18,65 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 [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 16
[HI] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

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

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0,1
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Plomom = 250 gT = 100 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Aguam = 300 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de plomo de 250 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 100 °C se introduce en 300 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 19 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 100 °Cmwater = 300 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H25 g C2​H6​2C2​H6​ + 7O₂reactivos4CO₂ + 6H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 25 g de C2H6 (M = 30,07 g/mol) se queman por completo: 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(C2H6) = −84,7 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)5 min0,4

En una reacción de primer orden la concentración de A baja de 0,8 mol/L a 0,4 mol/L en 5 min. Halla la constante de velocidad k.

CA0 = 0,8 mol/LCA = 0,4 mol/Lt = 5 min
k = min⁻¹
14.Cinética químicaDifícil
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))ensayo 10,250,02ensayo 210,08n = ?

Dos experimentos miden la velocidad inicial de A → productos. Con CA0 = 0,25 mol/L la velocidad es 0,02 mol/(L·s); con CA0 = 1 mol/L es 0,08 mol/(L·s). Halla el orden de reacción n respecto a A.

CA0,1 = 0,25 mol/Lr1 = 0,02 mol/(L·s)CA0,2 = 1 mol/Lr2 = 0,08 mol/(L·s)
n =
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
QX = 50%mismos Q, k y X que el CSTR

Una reacción de primer orden en fase líquida debe alcanzar un 50 % de conversión. ¿Cuántas veces mayor debe ser un CSTR que un PFR para el mismo caudal de alimentación, constante de velocidad y conversión? Halla la relación VCSTR/VPFR.

X = 50%primer orden, mismos k y Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
Q = 100 L/minX = ?V = 400 L

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,15 min⁻¹) se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) de 400 L alimentado a 100 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 400 LQ = 100 L/mink = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT100 °C50 °C65 °C25 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador a contracorriente transfiere 500 kW. El fluido caliente se enfría de 100 a 50 °C y el frío se calienta de 25 a 65 °C. El coeficiente global de transmisión es 1000 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 500 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 100 → 50 °CTc: 25 → 65 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT170 °C40 °C113 °C15 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Aceite caliente (1,5 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) se enfría de 170 a 40 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 1 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 15 °C. Con U = 800 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 40 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 800 W/(m²·K)
A = m²
19.Conducción de calorMedia
Placa de yeso, k = 0,17100 mmHormigón, k = 1,4150 mm22 °C4 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 100 mm de placa de yeso y 150 mm de hormigón, con un área de 20 m². Las caras exteriores están a 22 °C y 4 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 22 °CT3 = 4 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Placa de yeso, k = 0,17200 mmMadera, k = 0,1725 mminterior 21 °Cexterior -15 °CQ̇ = ?

Un muro de 200 mm de placa de yeso y 25 mm de madera separa una habitación a 21 °C del aire exterior a -15 °C. Los coeficientes de convección son 6 W/(m²·K) dentro y 30 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 10 m². Halla la pérdida de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 200 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 10 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -15 °C
Q̇ = W
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 2,1 m/sD = 75 mmL = 500 mf = 0,015

Agua circula con una velocidad media de 2,1 m/s por una tubería de 500 m de longitud y 75 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,015 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

V = 2,1 m/sL = 500 mD = 75 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10Δz = 25 mL = 150 m, D = 150 mm, f = 0,0184× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 150 m de longitud, 150 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,018. La superficie libre del depósito superior está 25 m por encima de la del inferior. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 4 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 = 25 mL = 150 mD = 150 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 40 L/sH = 68 m

Una bomba impulsa 40 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 68 m. El rendimiento de la bomba es del 60 % y el motor eléctrico que la acciona tiene un rendimiento del 88 %. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia eléctrica Pel que absorbe el motor, en kW.

Q = 40 L/sH = 68 mηpump = 60%ηmotor = 88%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 80 L/sΔz = 6 mL = 500 m, D = 250 mm, f = 0,015, ΣK = 5

Una bomba impulsa 80 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 6 m más alta. La tubería mide 500 m de longitud, tiene 250 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,015; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 5 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 80 L/sΔz = 6 mL = 500 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 5
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 283,3 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) = 850·(30 − 25)/(25 − 10) = 283,3 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 283,3 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: W = 880 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 = 1600·18/40 = 720 kg/h

Balance total

W = F − P = 1600 − 720 = 880 kg/h

Respuesta

W = 880 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 67,42 °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·(120 − 80) = 360 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 360/(1,5·4,18) = 67,42 °C

Respuesta

tout = 67,42 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 0,8958 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 1,5·2,44·(130 − 60) = 256,2 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,05)·256,2 = 243,4 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 243,4/(4,18·65) = 0,8958 kg/s

Respuesta

ṁc = 0,8958 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 1481 kPa

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

Moles

n = m/M = 410/32 = 12,81 mol
T = 5 + 273,15 = 278,1 K

Presión

P = nRT/V = 12,81·8,314·278,1/0,02 = 1481 kPa

Respuesta

P = 1481 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: V2 = 3,884 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 298,1 K, T2 = 463,1 K

Ley combinada de los gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(350/700)·(463,1/298,1) = 3,884 L

Respuesta

V2 = 3,884 L
7.Estequiometría

Respuesta: m = 24,8 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) = 30/159,69 = 0,1879 mol
n(CO) = 40/28,01 = 1,428 mol

Reactivo limitante

0,1879/1 = 0,1879, 1,428/3 = 0,476 → Fe2O3

Masa de producto

n(CO2) = 0,1879·3 = 0,5636 mol
m = 0,5636·44,01 = 24,8 g

Respuesta

m = 24,8 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 93,99 %

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(Fe2O3) = 24/159,69 = 0,1503 mol
m = 0,1503·3/1·44,01 = 19,84 g

Rendimiento porcentual

Y = 18,65/19,84·100 = 93,99%

Respuesta

Y = 93,99%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,3333 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

[HI] = 2x = 0,3333 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,3333 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 0,7298 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

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

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,1))/2 = 0,2702 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 1 − 0,2702 = 0,7298 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 0,7298 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 21,03 °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

250·0,129·(100 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 19)

Despeja la temperatura final

Tf = (32,25·100 + 1254·19)/(32,25 + 1254) = 21,03 °C

Respuesta

Tf = 21,03 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 1297 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° = [4·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [2·(−84,7) + 7·0] = −3119 kJ

Calor para la masa dada

n = 25/30,07 = 0,8314 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,8314·1560 = 1297 kJ

Respuesta

q = 1297 kJ
13.Cinética química

Respuesta: k = 0,1386 min⁻¹

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

Ley integrada de primer orden

k = ln(CA0/CA)/t = ln(0,8/0,4)/5 = 0,6931/5 = 0,1386 min⁻¹

Respuesta

k = 0,1386 min⁻¹
14.Cinética química

Respuesta: n = 1

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 = 0,08/0,02 = 4
C2/C1 = 1/0,25 = 4

Orden

n = ln(4)/ln(4) = 1

Respuesta

n = 1
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: VCSTR/VPFR = 1,443

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.

k·τ para cada reactor

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,5/0,5 = 1
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2) = 0,6931

Relación de volúmenes

VCSTR/VPFR = 1/0,6931 = 1,443

Respuesta

VCSTR/VPFR = 1,443

La diferencia crece rápidamente a conversiones altas.

16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 45,12 %

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

Tiempo espacial

τ = V/Q = 400/100 = 4 min, kτ = 0,15·4 = 0,6

Conversión

X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,6 = 45,12%

Respuesta

X = 45,12%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 16,82 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 = 100 − 65 = 35 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 25 = 25 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (35 − 25)/ln(35/25) = 29,72 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 500000/(1000·29,72) = 16,82 m²

Respuesta

A = 16,82 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 13,18 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) = 1,5·2,1·130 = 409,5 kW
Tc,out = 15 + 409,5/(1·4,18) = 113 °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 = 170 − 113 = 57,03 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 40 − 15 = 25 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (57,03 − 25)/ln(57,03/25) = 38,84 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 409500/(800·38,84) = 13,18 m²

Respuesta

A = 13,18 m²
19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 517,7 W

Resistencia térmica: el flujo de calor estacionario a través de capas en serie se comporta como la corriente por resistencias en serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) para una capa conductora y R = 1/(hA) para una superficie con convección. La caída de temperatura en cada capa es proporcional a su resistencia.

Resistencias de las capas

R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·20) = 0,02941 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(1,4·20) = 0,005357 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 18/0,03477 = 517,7 W

Respuesta

Q̇ = 517,7 W
20.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 236,3 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/(6·10) = 0,01667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,17·10) = 0,1176 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,17·10) = 0,01471 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·10) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,1524 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (21 − (-15))/0,1524 = 236,3 W

Respuesta

Q̇ = 236,3 W
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 22,48 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.

Altura de velocidad

V²/(2g) = 2,1²/(2·9,81) = 0,2248 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(500/0,075)·2,1²/(2·9,81) = 22,48 m

Respuesta

hf = 22,48 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Q = 70,64 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 = 0,018·150/0,15 = 18
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Ecuación de la energía

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

25 = (18 + 12,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·25/30,7) = 3,997 m/s

Caudal

Q = V·π·D²/4 = 3,997·0,01767 = 0,07064 m³/s = 70,64 L/s

Respuesta

Q = 70,64 L/s
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pel = 50,54 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.

Potencia hidráulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,04·68 = 26,68 kW

Potencia en el eje

Pshaft = 26,68/0,6 = 44,47 kW

Potencia eléctrica

Pel = 44,47/0,88 = 50,54 kW

Respuesta

Pel = 50,54 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 10,74 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 = 0,08/0,04909 = 1,63 m/s
V²/(2g) = 0,1354 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (30 + 5)·0,1354 = 4,738 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 = 6 + 4,738 = 10,74 m

Respuesta

H = 10,74 m

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