Cinetica chimica
- Primo ordine
- ln(CA/CA0) = −kt
- Tempo di dimezzamento (primo ordine)
- t½ = ln 2/k
- Secondo ordine
- 1/CA = 1/CA0 + kt
- Arrhenius
- k = A·e−Ea/(RT)
- Due temperature
- ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)
Ingegneria delle reazioni chimiche: pacchetto last-minute
Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 8 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.
1Formule e metodi
Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)
- Tempo spaziale
- τ = V/Q
- CSTR, primo ordine
- τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
- PFR, primo ordine
- τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
- Conversione dal volume
- CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
- N CSTR uguali in serie
- X = 1 − 1/(1 + kτi)N
Equilibrio chimico
- Costante di equilibrio
- Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
- Tabella ICE
- Iniziale, Variazione (×coefficiente), Equilibrio
- Equazione di secondo grado
- x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)
Metodo
- Scrivi Kc con i prodotti al numeratore e i reagenti al denominatore, ciascuno elevato al proprio coefficiente.
- Imposta una tabella ICE: Iniziale, Variazione (multipli di x secondo i coefficienti), Equilibrio.
- Inserisci le espressioni all’equilibrio in Kc e risolvi per x.
- Controlla se x è abbastanza piccolo per un’approssimazione; altrimenti risolvi l’equazione di secondo grado.
Bilancio di massa
- Regime stazionario
- entrata = uscita
- Bilancio totale
- ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
- Bilancio per componente
- ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
- Evaporatore
- F·xF = P·xP, W = F − P
2Esercizi
1.Cinetica chimicaMedia
Una reazione del secondo ordine (−rA = k·CA²) ha k = 0,8 L/(mol·min) e una concentrazione iniziale di 0,8 mol/L. Trova il suo primo tempo di dimezzamento t½.
k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 0,8 mol/L
t½ = min
2.Cinetica chimicaDifficile
Due esperimenti misurano la velocità iniziale di A → prodotti. Con CA0 = 0,1 mol/L la velocità è 0,002 mol/(L·s); con CA0 = 0,3 mol/L è 0,0104 mol/(L·s). Trova l’ordine di reazione n rispetto ad A.
CA0,1 = 0,1 mol/Lr1 = 0,002 mol/(L·s)CA0,2 = 0,3 mol/Lr2 = 0,0104 mol/(L·s)
n =
3.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,4 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 50 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova il volume del reattore V in litri per una conversione di A del 95%.
Q = 50 L/mink = 0,4 min⁻¹X = 95%
V = L
4.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,05 min⁻¹) avviene in due CSTR uguali in serie, ciascuno da 200 L. La portata di alimentazione è 5 L/min, la densità è costante e i reattori sono in regime stazionario. Trova la conversione complessiva X in percentuale.
V = 200 L (×2)Q = 5 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
5.Equilibrio chimicoMedia
0,5 mol/L di H₂ e 0,5 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 54. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].
[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 54
[HI] = mol/L
6.Equilibrio chimicoDifficile
PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,5 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 1,5 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [Cl2].
[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,5
[Cl2] = mol/L
7.Bilancio di massaMedia
Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 25% di zucchero? Trova ṁ2.
ṁ1 = 550 kg/hx1 = 20 %x2 = 30 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.Bilancio di massaDifficile
Un evaporatore concentra una soluzione di NaOH facendo evaporare acqua pura. Trova la portata di prodotto P in kg/h.
F = 1500 kg/hxF = 16 %xP = 50 %
P = kg/h
3Soluzioni
1.Cinetica chimica
Risposta: t½ = 1,562 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).
Tempo di dimezzamento del secondo ordine
t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0,8·0,8) = 1,562 min
Risposta
t½ = 1,562 min
Ogni tempo di dimezzamento successivo è lungo il doppio, perché C₀ si è dimezzata.
2.Cinetica chimica
Risposta: n = 1,501
Metodo delle velocità iniziali: per r = k·Cⁿ, confrontando due prove che differiscono solo per la concentrazione iniziale si elimina k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Raddoppiando C la velocità raddoppia per il primo ordine e quadruplica per il secondo ordine.
Rapporti
r2/r1 = 0,0104/0,002 = 5,2
C2/C1 = 0,3/0,1 = 3
Ordine
n = ln(5,2)/ln(3) = 1,501
Risposta
n = 1,501
3.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)
Risposta: V = 374,5 L
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 = ln(1/(1 − 0,95))/0,4 = 2,996/0,4 = 7,489 min
Volume
V = Q·τ = 50·7,489 = 374,5 L
Risposta
V = 374,5 L
4.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)
Risposta: X = 88,89 %
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 = 200/5 = 40 min, kτ = 0,05·40 = 2
Conversione
C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 2) = 0,3333
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,1111
X = 1 − 0,1111 = 88,89%
Risposta
X = 88,89%
5.Equilibrio chimico
Risposta: [HI] = 0,7861 mol/L
Equilibrio chimico: per aA + bB ⇌ cC + dD, la costante di equilibrio è Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), con le concentrazioni all’equilibrio. Una tabella ICE (Iniziale, Variazione, Equilibrio) collega le quantità iniziali a quelle all’equilibrio tramite un’unica incognita x, moltiplicata per i coefficienti.
Espressione all’equilibrio
54 = (2x)²/(0,5 − x)²
Estrai la radice quadrata
7,348 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·7,348/(2 + 7,348) = 0,393 mol/L
Concentrazione all’equilibrio
[HI] = 2x = 0,7861 mol/L
Risposta
[HI] = 0,7861 mol/L
6.Equilibrio chimico
Risposta: [Cl2] = 0,6514 mol/L
Equilibrio chimico: per aA + bB ⇌ cC + dD, la costante di equilibrio è Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), con le concentrazioni all’equilibrio. Una tabella ICE (Iniziale, Variazione, Equilibrio) collega le quantità iniziali a quelle all’equilibrio tramite un’unica incognita x, moltiplicata per i coefficienti.
Espressione all’equilibrio
0,5 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,5·x − 0,75 = 0
Risolvi l’equazione di secondo grado
x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,75))/2 = 0,6514 mol/L
Concentrazione all’equilibrio
[Cl₂] = x = 0,6514 mol/L
Risposta
[Cl2] = 0,6514 mol/L
7.Bilancio di massa
Risposta: ṁ2 = 550 kg/h
Bilancio di massa stazionario: entrata = uscita per il totale e per ogni componente. I problemi di miscelazione combinano entrambi.
Bilanci
Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
zucchero: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
Risolvi per ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 550·(20 − 25)/(25 − 30) = 550 kg/h
Risposta
ṁ2 = 550 kg/h
8.Bilancio di massa
Risposta: P = 480 kg/h
Componente chiave: un componente che passa invariato in una sola corrente (qui il soluto) collega direttamente le portate. Poi il bilancio totale dà il resto.
Bilancio del soluto
F·xF = P·xP → P = 1500·16/50 = 480 kg/h
Risposta
P = 480 kg/h
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