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 11000 kg/h · 15% NaOHCorriente 2ṁ₂ = ? · 45% NaOHProducto20% NaOH

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

ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 15 %x2 = 45 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F3800 kg/h · 14% azúcarProducto PP = ? · 45%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 = 3800 kg/hxF = 14 %xP = 45 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríomezcla de glicol · 130 °C100 °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 = 1 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 100 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoaceite ligero · 120 °C60 °Cagua · 20 °C60 °C · ṁ = ?10 % perdido

aceite ligero caliente calienta agua en un intercambiador que pierde hacia el entorno el 10 % 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: 120 → 60 °Ct: 20 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
460 g de ArP = 600 kPaT = 50 °CV = ?

¿Qué volumen V ocupan 460 g de Ar a 600 kPa y 50 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 460 gM = 39,95 g/molP = 600 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
CO₂, M = 44,01 g/molP = 250 kPaT = 170 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de CO₂ a 250 kPa y 170 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 44,01 g/molP = 250 kPaT = 170 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

16 g de N2 y 40 g de H2 reaccionan según N2 + 3H2 → 2NH3. ¿Qué masa m de NH3 se puede formar?

M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(C3​H8​)n(C3​H8​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C3​H8​)× 3/1× M(CO2​)

En la reacción C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O, 30 g de C3H8 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 67,36 g de CO2. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 67,36 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 = 36. Calcula la concentración en el equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 36
[HI] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,5 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,5 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,5
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Cincm = 100 gT = 180 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Aguam = 400 gT = 15 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de cinc de 100 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 180 °C se introduce en 400 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 15 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 180 °Cmwater = 400 gTwater = 15 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H250 g CH4​CH4​ + 2O₂reactivosCO₂ + 2H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 250 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 = ?90%

Una reacción de primer orden en un reactor discontinuo tiene k = 0,15 min⁻¹. ¿Cuánto tarda en alcanzar una conversión del 90 %? Halla t.

k = 0,15 min⁻¹X = 90 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
1/Tln kT = 30 °Cln 0,005ln A = ?Ea​ = 100 kJ/mol

Una reacción de primer orden tiene una constante de velocidad de 0,005 s⁻¹ a 30 °C y una energía de activación de 100 kJ/mol. Halla el factor preexponencial A de la ecuación de Arrhenius.

k = 0,005 s⁻¹T = 30 °CEa = 100 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 80 L/minX = 85%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 80 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 85 %.

Q = 80 L/mink = 0,12 min⁻¹X = 85%
V = L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 1000 LV = 1000 LQ = 100 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,3 min⁻¹) se lleva a cabo en dos CSTR iguales en serie, de 1000 L cada uno. El caudal de alimentación es 100 L/min, la densidad es constante y los reactores están en estado estacionario. Halla la conversión global X en porcentaje.

V = 1000 L (×2)Q = 100 L/mink = 0,3 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT80 °C55 °C45 °C10 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador a contracorriente transfiere 160 kW. El fluido caliente se enfría de 80 a 55 °C y el frío se calienta de 10 a 45 °C. El coeficiente global de transmisión es 1500 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 160 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 80 → 55 °CTc: 10 → 45 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT120 °C65 °C10 °C?ΔT₁ΔT₂flujo paralelo

En un intercambiador de doble tubo en equicorriente, aceite caliente (0,5 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) circula por el tubo interior y se enfría de 120 a 65 °C. Agua (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra en el espacio anular a 10 °C. El tubo interior tiene un diámetro de 20 mm, y U = 400 W/(m²·K) está referido a este diámetro. Halla la longitud de tubo L necesaria.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 120 → 65 °Cṁc = 1,5 kg/sTc,in = 10 °CD = 20 mmU = 400 W/(m²·K)
L = m
19.Conducción de calorMedia
Hormigón, k = 1,4100 mmPoliestireno expandido, k = 0,03525 mm15 °C6 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 100 mm de hormigón y 25 mm de poliestireno expandido, con un área de 6 m². Las caras exteriores están a 15 °C y 6 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 100 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 15 °CT3 = 6 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Ladrillo, k = 0,72250 mmLana mineral, k = 0,0450 mminterior 22 °Cexterior -11 °CQ̇ = ?

Un muro de 250 mm de ladrillo y 50 mm de lana mineral separa una habitación a 22 °C del aire exterior a -11 °C. Los coeficientes de convección son 7,7 W/(m²·K) dentro y 20 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 20 m². Halla la pérdida de calor Q̇ a través del muro.

L1 = 250 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 20 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -11 °C
Q̇ = W
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 1,3 m/sD = 150 mmL = 800 mf = 0,02

Agua (ρ = 1000 kg/m³) circula a 1,3 m/s por una tubería horizontal de 800 m de longitud y 150 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,02 y g = 9,81 m/s². Halla la caída de presión Δp en la tubería en kPa.

V = 1,3 m/sL = 800 mD = 150 mmf = 0,02ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10Δz = ?L = 150 m, D = 100 mm, f = 0,0182× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 150 m de longitud, 100 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,018. 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 15 L/s?

Q = 15 L/sL = 150 mD = 100 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 50 L/sH = 58 m

En un ensayo, una bomba impulsa 50 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 58 m mientras su eje absorbe 33,5 kW. Usa g = 9,81 m/s². Halla el rendimiento de la bomba η en porcentaje.

Q = 50 L/sH = 58 mPshaft = 33,5 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 20 L/sΔz = 24 mL = 100 m, D = 100 mm, f = 0,018, ΣK = 6

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 24 m más alta. La tubería mide 100 m de longitud, tiene 100 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,018; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 6 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². El rendimiento de la bomba es del 70 %. Halla la potencia en el eje Pshaft en kW.

Q = 20 L/sΔz = 24 mL = 100 mD = 100 mmf = 0,018ΣK = 6η = 70%
Pshaft = kW

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 200 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) = 1000·(15 − 20)/(20 − 45) = 200 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 200 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 1182 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 = 3800·14/45 = 1182 kg/h

Respuesta

P = 1182 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 76,67 °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 = 1·3,6·(130 − 100) = 108 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 108/(0,5·4,18) = 76,67 °C

Respuesta

tout = 76,67 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 0,6782 kg/s

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

Calor cedido

Qh = 1·2,1·(120 − 60) = 126 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,1)·126 = 113,4 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 113,4/(4,18·40) = 0,6782 kg/s

Respuesta

ṁc = 0,6782 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 51,56 L

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

Moles

n = 460/39,95 = 11,51 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Volumen

V = nRT/P = 11,51·8,314·323,1/600 = 51,56 L

Respuesta

V = 51,56 L
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 2,986 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 = 170 + 273,15 = 443,1 K

Densidad

ρ = 250·44,01/(8,314·443,1) = 2,986 kg/m³

Respuesta

ρ = 2,986 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 19,45 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(N2) = 16/28,02 = 0,571 mol
n(H2) = 40/2,016 = 19,84 mol

Reactivo limitante

0,571/1 = 0,571, 19,84/3 = 6,614 → N2

Masa de producto

n(NH3) = 0,571·2 = 1,142 mol
m = 1,142·17,03 = 19,45 g

Respuesta

m = 19,45 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 75 %

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) = 30/44,1 = 0,6803 mol
m = 0,6803·3/1·44,01 = 89,82 g

Rendimiento porcentual

Y = 67,36/89,82·100 = 75%

Respuesta

Y = 75%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [HI] = 0,6 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

36 = (2x)²/(0,4 − x)²

Saca la raíz cuadrada

6 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·6/(2 + 6) = 0,3 mol/L

Concentración en el equilibrio

[HI] = 2x = 0,6 mol/L

Respuesta

[HI] = 0,6 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [PCl5] = 0,191 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/(0,5 − x) → x² + 0,5·x − 0,25 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,25))/2 = 0,309 mol/L

Concentración en el equilibrio

[PCl₅] = 0,5 − 0,309 = 0,191 mol/L

Respuesta

[PCl5] = 0,191 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 18,74 °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

100·0,388·(180 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 15)

Despeja la temperatura final

Tf = (38,8·180 + 1672·15)/(38,8 + 1672) = 18,74 °C

Respuesta

Tf = 18,74 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 13876 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 = 250/16,04 = 15,59 mol
q = n·|ΔH°/1| = 15,59·890,3 = 13876 kJ

Respuesta

q = 13876 kJ
13.Cinética química

Respuesta: t = 15,35 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 = 0,1

Despeja el tiempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,1)/0,15 = 15,35 min

Respuesta

t = 15,35 min
14.Cinética química

Respuesta: A = 8,516 × 10¹⁴ s⁻¹

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperatura absoluta

T = 30 + 273,15 = 303,1 K

Despeja A de la ecuación de Arrhenius

Ea/(RT) = 100000/(8,314·303,1) = 39,68
A = k·e39,68 = 0,005·1,703 × 10¹⁷ = 8,516 × 10¹⁴ s⁻¹

Respuesta

A = 8,516 × 10¹⁴ s⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: V = 1265 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 − 0,85))/0,12 = 1,897/0,12 = 15,81 min

Volumen

V = Q·τ = 80·15,81 = 1265 L

Respuesta

V = 1265 L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 93,75 %

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 = 0,3·10 = 3

Conversión

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 3) = 0,25
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,0625
X = 1 − 0,0625 = 93,75%

Respuesta

X = 93,75%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 2,681 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 = 80 − 45 = 35 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 10 = 45 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (35 − 45)/ln(35/45) = 39,79 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 160000/(1500·39,79) = 2,681 m²

Respuesta

A = 2,681 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: L = 37,96 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 = 0,5·2,5·(120 − 65) = 68,75 kW
Tc,out = 10 + 68,75/(1,5·4,18) = 20,96 °C

Diferencias de temperatura en los extremos

En flujo paralelo ambas entradas están en el mismo extremo, y ambas salidas en el otro.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 120 − 10 = 110 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 65 − 20,96 = 44,04 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (110 − 44,04)/ln(110/44,04) = 72,05 K

Área y longitud

A = 68750/(400·72,05) = 2,385 m²
L = A/(πD) = 2,385/(π·0,02) = 37,96 m

Respuesta

L = 37,96 m
19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = 14,18 °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)/(1,4·6) = 0,0119 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,035·6) = 0,119 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 9/0,131 = 68,73 W

Temperatura de la interfaz

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 15 − 68,73·0,0119 = 14,18 °C

Respuesta

Ti = 14,18 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: Q̇ = 371,4 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/(7,7·20) = 0,006494 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,72·20) = 0,01736 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,04·20) = 0,0625 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·20) = 0,0025 K/W
ΣR = 0,08885 K/W

Pérdida de calor

Q̇ = (22 − (-11))/0,08885 = 371,4 W

Respuesta

Q̇ = 371,4 W
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δp = 90,13 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) = 0,02·(800/0,15)·1,3²/(2·9,81) = 9,188 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 = 1000·9,81·9,188 = 90133 Pa = 90,13 kPa

Respuesta

Δp = 90,13 kPa
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 7,269 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 = 0,015/0,007854 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,018·150/0,1 = 27
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Pérdida de carga total

hf = 27·0,1859 = 5,02 m
hm = 12,1·0,1859 = 2,25 m
Δz = hf + hm = 7,269 m

Respuesta

Δz = 7,269 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: η = 84,92 %

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 = 1000·9,81·0,05·58 = 28,45 kW

Rendimiento

η = Ph/Pshaft = 28,45/33,5 = 84,92%

Respuesta

η = 84,92%
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 8,95 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 = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18 + 6)·0,3305 = 7,932 m

Altura de la bomba

H = Δz + hL = 24 + 7,932 = 31,93 m

Potencia en el eje

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,02·31,93/0,7 = 8,95 kW

Respuesta

Pshaft = 8,95 kW

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