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 · 10% azúcarCorriente 2ṁ₂ = ? · 35% azúcarProducto15% azúcar

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

ṁ1 = 500 kg/hx1 = 10 %x2 = 35 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F3400 kg/h · 16% azúcarProducto PP = ? · 65%Vapor W (agua pura)0% azúcar

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

F = 3400 kg/hxF = 16 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríomezcla de glicol · 150 °C80 °Cagua · 25 °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 = 0,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 80 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoaceite ligero · 150 °C110 °Cagua · 30 °C90 °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 = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 110 °Ct: 30 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
140 g de O₂P = 650 kPaT = 90 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 140 g de O₂ a 650 kPa y 90 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 140 gM = 32 g/molP = 650 kPaT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
CH₄, M = 16,04 g/molP = 1000 kPaT = 100 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de CH₄ a 1000 kPa y 100 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 16,04 g/molP = 1000 kPaT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

4 g de H2 y 64 g de O2 reaccionan según 2H2 + O2 → 2H2O. ¿Qué masa m de H2O se puede formar?

M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(H2​)n(H2​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(H2​)× 2/2× M(H2​O)

En la reacción 2H2 + O2 → 2H2O, 20 g de H2 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 157,3 g de H2O. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreal: 157,3 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

Se introducen 1 mol/L de H₂ y 1 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 50. Calcula la concentración en el equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 50
[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 = 0,5 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 = 0,5
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Hierrom = 200 gT = 90 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Aguam = 250 gT = 18 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de hierro de 200 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 90 °C se introduce en 250 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 18 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 90 °Cmwater = 250 gTwater = 18 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H50 g C6​H12​O6​C6​H12​O6​ + 6O₂reactivos6CO₂ + 6H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 50 g de C6H12O6 (M = 180,16 g/mol) se queman por completo: C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 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 = ?80%

Una reacción de primer orden en un reactor discontinuo tiene k = 0,1 min⁻¹. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 80 %? Halla t.

k = 0,1 min⁻¹X = 80 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk30 °C0,0155 °C0,205

La constante de velocidad de una reacción es 0,01 min⁻¹ a 30 °C y 0,205 min⁻¹ a 55 °C. Halla la energía de activación Ea.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 30 °Ck2 = 0,205 min⁻¹T2 = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
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
V = 150 LQ = 50 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,4 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 150 L alimentado a 50 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 150 LQ = 50 L/mink = 0,4 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT120 °C25 °C85 °CΔT₁ΔT₂vapor que condensa

En un condensador, el vapor condensa a 120 °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 25 a 85 °C. El coeficiente global de transmisión de calor es 2500 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Ts = 120 °Cṁ = 5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 25 → 85 °CU = 2500 W/(m²·K)
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT115 °C55 °C?20 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

En un intercambiador de doble tubo a contracorriente, aceite caliente (0,8 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) circula por el tubo interior y se enfría de 115 a 55 °C. Agua (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra en el espacio anular a 20 °C. El tubo interior tiene un diámetro de 50 mm, y U = 400 W/(m²·K) está referido a este diámetro. Halla la longitud de tubo L necesaria.

ṁh = 0,8 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 115 → 55 °Cṁc = 1 kg/sTc,in = 20 °CD = 50 mmU = 400 W/(m²·K)
L = m
19.Conducción de calorMedia
Placa de yeso, k = 0,17150 mmMadera, k = 0,1750 mm23 °C-6 °CQ̇ = ?

Un muro está formado por 150 mm de placa de yeso y 50 mm de madera, con un área de 15 m². Las caras exteriores están a 23 °C y -6 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 23 °CT3 = -6 °C
Q̇ = W
20.Conducción de calorDifícil
Poliestireno expandido, k = 0,035250 mmPlaca de yeso, k = 0,17100 mminterior 21 °Cexterior -12 °CTs​ = ?Q̇

Un muro de 250 mm de poliestireno expandido y 100 mm de placa de yeso separa una habitación a 21 °C del aire exterior a -12 °C. Los coeficientes de convección son 10 W/(m²·K) dentro y 20 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 12 m². Halla la temperatura Ts de la cara interior del muro.

L1 = 250 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -12 °C
Ts = °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 0,8 m/sD = 250 mmL = 500 mf = 0,03

Agua circula con una velocidad media de 0,8 m/s por una tubería de 500 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 pérdida de carga por fricción hf.

V = 0,8 m/sL = 500 mD = 250 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10Δz = ?L = 100 m, D = 150 mm, f = 0,0152× 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 = 0,015. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 2 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. ¿Qué diferencia de nivel de agua Δz entre los depósitos da un caudal de 20 L/s?

Q = 20 L/sL = 100 mD = 150 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 80 L/sH = 78 m

Una bomba impulsa 80 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 78 m. El rendimiento de la bomba es del 72 % y el motor eléctrico que la acciona tiene un rendimiento del 95 %. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia eléctrica Pel que absorbe el motor, en kW.

Q = 80 L/sH = 78 mηpump = 72%ηmotor = 95%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
200 kPa (manométrica)PQ = 20 L/sΔz = 18 mL = 200 m, D = 100 mm, f = 0,015, 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 18 m más alta. La tubería mide 200 m de longitud, tiene 100 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. 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 = 18 mL = 200 mD = 100 mmf = 0,015ΣK = 5ptank = 200 kPa
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 125 kg/h

Balance de materia en estado estacionario: entrada = salida para el total y para cada componente. Los problemas de mezcla combinan ambos.

Balances

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
azúcar: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Despeja ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 500·(10 − 15)/(15 − 35) = 125 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 125 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 836,9 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 = 3400·16/65 = 836,9 kg/h

Respuesta

P = 836,9 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 45,1 °C

Balance de energía del intercambiador: sin pérdidas, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Calor cedido por la corriente caliente

Q = 0,5·3,6·(150 − 80) = 126 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 126/(1,5·4,18) = 45,1 °C

Respuesta

tout = 45,1 °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 = 1,5·2,1·(150 − 110) = 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 = 20,32 L

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

Moles

n = 140/32 = 4,375 mol
T = 90 + 273,15 = 363,1 K

Volumen

V = nRT/P = 4,375·8,314·363,1/650 = 20,32 L

Respuesta

V = 20,32 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 5,17 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 = 100 + 273,15 = 373,1 K

Densidad

ρ = 1000·16,04/(8,314·373,1) = 5,17 kg/m³

Respuesta

ρ = 5,17 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 35,75 g

Estequiometría: una ecuación ajustada cuenta partículas, no gramos. Pasa la masa a moles con n = m/M, usa los coeficientes de la ecuación como relación molar y vuelve a masa con m = n·M. Con dos reactivos, el reactivo limitante es el que se agota primero y fija cuánto producto se forma.

Moles de cada reactivo

n(H2) = 4/2,016 = 1,984 mol
n(O2) = 64/32 = 2 mol

Reactivo limitante

1,984/2 = 0,9921, 2/1 = 2 → H2

Masa de producto

n(H2O) = 0,9921·2 = 1,984 mol
m = 1,984·18,02 = 35,75 g

Respuesta

m = 35,75 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 88 %

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(H2) = 20/2,016 = 9,921 mol
m = 9,921·2/2·18,02 = 178,8 g

Rendimiento porcentual

Y = 157,3/178,8·100 = 88%

Respuesta

Y = 88%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [H2] = 0,2205 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/(1 − x)²

Saca la raíz cuadrada

7,071 = 2x/(1 − x) → x = 1·7,071/(2 + 7,071) = 0,7795 mol/L

Concentración en el equilibrio

[H₂] = 1 − x = 0,2205 mol/L

Respuesta

[H2] = 0,2205 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,08541 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

0,5 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,5·x − 0,05 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,05))/2 = 0,08541 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,08541 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,08541 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 23,7 °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

200·0,449·(90 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 18)

Despeja la temperatura final

Tf = (89,8·90 + 1045·18)/(89,8 + 1045) = 23,7 °C

Respuesta

Tf = 23,7 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 777,6 kJ

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

Entalpía de reacción

ΔH° = [6·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

Calor para la masa dada

n = 50/180,16 = 0,2775 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,2775·2802 = 777,6 kJ

Respuesta

q = 777,6 kJ
13.Cinética química

Respuesta: t = 16,09 min

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).

Conversión y concentración

C/C0 = 1 − X = 0,2

Despeja el tiempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,2)/0,1 = 16,09 min

Respuesta

t = 16,09 min
14.Cinética química

Respuesta: Ea = 99,92 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 = 303,1 K, T2 = 328,1 K

Despeja Ea de Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·3,02/(-2,513e-4) = 99924 J/mol
Ea = 99,92 kJ/mol

Respuesta

Ea = 99,92 kJ/mol
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 = 54,55 %

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, kτ = 0,4·3 = 1,2

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 1,2/(1 + 1,2) = 54,55%

Respuesta

X = 54,55%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 8,348 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·(85 − 25) = 1254 kW

Diferencias de temperatura en los extremos

ΔT₁ = 120 − 25 = 95 K
ΔT₂ = 120 − 85 = 35 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (95 − 35)/ln(95/35) = 60,09 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 1,254 × 10⁶/(2500·60,09) = 8,348 m²

Respuesta

A = 8,348 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: L = 35,19 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 = 0,8·2,3·(115 − 55) = 110,4 kW
Tc,out = 20 + 110,4/(1·4,18) = 46,41 °C

Diferencias de temperatura en los extremos

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 115 − 46,41 = 68,59 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 20 = 35 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (68,59 − 35)/ln(68,59/35) = 49,93 K

Área y longitud

A = 110400/(400·49,93) = 5,528 m²
L = A/(πD) = 5,528/(π·0,05) = 35,19 m

Respuesta

L = 35,19 m
19.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 369,8 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) = (150/1000)/(0,17·15) = 0,05882 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·15) = 0,01961 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 29/0,07843 = 369,8 W

Respuesta

Q̇ = 369,8 W
20.Conducción de calor

Respuesta: Ts = 20,58 °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 en serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·12) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,035·12) = 0,5952 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·12) = 0,04902 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·12) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,6568 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (21 − (-12))/0,6568 = 50,25 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 50,25·0,008333 = 20,58 °C

Respuesta

Ts = 20,58 °C
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 1,957 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) = 0,8²/(2·9,81) = 0,03262 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(500/0,25)·0,8²/(2·9,81) = 1,957 m

Respuesta

hf = 1,957 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 1,443 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 = 0,02/0,01767 = 1,132 m/s
V²/(2g) = 0,06529 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,015·100/0,15 = 10
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Pérdida de carga total

hf = 10·0,06529 = 0,6529 m
hm = 12,1·0,06529 = 0,79 m
Δz = hf + hm = 1,443 m

Respuesta

Δz = 1,443 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pel = 89,49 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 = 1000·9,81·0,08·78 = 61,21 kW

Potencia en el eje

Pshaft = 61,21/0,72 = 85,02 kW

Potencia eléctrica

Pel = 85,02/0,95 = 89,49 kW

Respuesta

Pel = 89,49 kW
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 49,96 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) = (30 + 5)·0,3305 = 11,57 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 = 18 + 20,39 + 11,57 = 49,96 m

Respuesta

H = 49,96 m

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