Ingegneria delle reazioni chimiche: esercizi e domande d’esame

Velocità di reazione e leggi cinetiche, dimensionamento di reattori CSTR e a flusso a pistone, conversione e limiti di equilibrio.

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Argomenti di questo corso

  1. Cinetica chimicaprimo ordine · conversione e secondo ordine · Arrheniuscalcoli
  2. Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)CSTR del primo ordine · PFR del primo ordine · conversione dal volumecalcoli
  3. Equilibrio chimicoKc dalle concentrazioni · Tabella ICE · tabella ICE con equazione di secondo gradocalcoli
  4. Bilancio di massamiscelazione di due correnti · miscelazione a un obiettivo · evaporatorecalcoli

Consigli per l’esame di Ingegneria delle reazioni chimiche

  • Scrivi l’equazione di progetto per il tipo di reattore prima di sostituire la legge cinetica.
  • A parità di conversione, per reazioni di ordine positivo un PFR richiede un volume minore di un CSTR.
  • Controlla che la conversione che vuoi raggiungere sia inferiore alla conversione di equilibrio.

Esempi svolti

Cinetica chimicaFacile
t (min)C (mol/L)60 minC = ?

Una reazione di ordine zero A → prodotti ha una costante cinetica di 0,01 mol/(L·min). La concentrazione iniziale di A è 0,8 mol/L. Trova la concentrazione CA dopo 60 min.

k = 0,01 mol/(L·min)CA0 = 0,8 mol/Lt = 60 min

Calcola CA (mol/L)

Mostra i suggerimenti
  1. Ordine zero: la velocità −dC/dt = k non dipende dalla concentrazione.
  2. Integrando si ottiene C = C₀ − kt (valida finché A non si esaurisce).
  3. kt = 0,6 mol/L.
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

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).

Legge integrata di ordine zero

CA = CA0 − kt = 0,8 − 0,01·60 = 0,2 mol/L

Risposta

CA = 0,2 mol/L
Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 20 L/minCA0​ = 2,5 mol/LCA​ = ?V = 200 L, k = 0,25 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B (k = 0,25 min⁻¹) avviene in un reattore a flusso a pistone (PFR) da 200 L. L’alimentazione entra a 20 L/min con CA0 = 2,5 mol/L. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la concentrazione di uscita CA.

V = 200 LQ = 20 L/mink = 0,25 min⁻¹CA0 = 2,5 mol/L

Calcola CA (mol/L)

Mostra i suggerimenti
  1. Tempo spaziale: τ = V/Q = 10 min.
  2. PFR, primo ordine: CA = CA0·e^(−kτ).
  3. kτ = 2,5.
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

Reattori ideali, reazione del primo ordine (−rA = k·CA) in regime stazionario, con tempo spaziale τ = V/Q. Un CSTR è perfettamente miscelato, quindi l’intero volume reagisce alla bassa concentrazione di uscita: τ = X/(k·(1 − X)) e CA = CA0/(1 + k·τ). In un PFR ogni fetta di fluido reagisce come un piccolo reattore batch: τ = ln(1/(1 − X))/k e CA = CA0·e−k·τ. A parità di conversione un CSTR richiede sempre più volume di un PFR.

Tempo spaziale

τ = V/Q = 200/20 = 10 min

Concentrazione di uscita

CA = 2,5·e−0,25·10 = 0,2052 mol/L

Risposta

CA = 0,2052 mol/L

Conversione: X = 91,79%.

Come funziona l’esercitazione

  • “Esercitati su questo corso” mescola esercizi di tutti i suoi argomenti, come in un vero esame.
  • Ogni esercizio ha valori nuovi, così impari il metodo invece di una risposta.
  • Bloccato? Apri prima un piccolo suggerimento e la spiegazione completa solo quando ti serve.
  • Le simulazioni d’esame sono a tempo e senza suggerimenti; alla fine ricevi il punteggio e una revisione completa.

Calcolatrici per questo corso

Calcolatrice del volume di CSTR e PFR

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