Esercitazione per l’esame FE Chemical: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 24 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

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

Bilancio energetico

Calore sensibile
Q = ṁ·cp·ΔT
Calore latente
Q = ṁ·hfg
Miscelazione
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Acqua
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Legge dei gas ideali

Legge dei gas ideali
pV = nRT
Costante dei gas
R = 8,314 J/(mol·K)
Legge combinata dei gas
p1V1/T1 = p2V2/T2
Moli
n = m/M
Temperatura
T[K] = T[°C] + 273,15

Stechiometria

Moli
n = m/M
Concentrazione
c = n/V
Rapporto molare
usa i coefficienti dell’equazione bilanciata
Reagente limitante
quello che si esaurisce per primo
Resa percentuale
effettiva / teorica × 100%

Metodo

  1. Scrivi e bilancia l’equazione chimica.
  2. Converti la massa data in moli: n = m/M.
  3. Usa i coefficienti come rapporto molare per trovare le moli della sostanza che ti interessa.
  4. Riconverti in massa con m = n·M. Con due reagenti, trova prima il reagente limitante.

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

  1. Scrivi Kc con i prodotti al numeratore e i reagenti al denominatore, ciascuno elevato al proprio coefficiente.
  2. Imposta una tabella ICE: Iniziale, Variazione (multipli di x secondo i coefficienti), Equilibrio.
  3. Inserisci le espressioni all’equilibrio in Kc e risolvi per x.
  4. Controlla se x è abbastanza piccolo per un’approssimazione; altrimenti risolvi l’equazione di secondo grado.

Calorimetria ed entalpia

Calore
q = m·c·ΔT
Acqua
c = 4,18 J/(g·°C)
Calorimetro
calore ceduto = calore assorbito
Entalpia di reazione
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

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)

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

Scambiatori di calore (LMTD)

Potenza termica
Q = U·A·ΔTlm
Differenza di temperatura media logaritmica
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Bilancio di una corrente
Q = ṁcp(Tin − Tout)

Conduzione del calore

Legge di Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Resistenza conduttiva
R = L/(kA)
Resistenza convettiva
R = 1/(hA)
Resistenze in serie
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Trasmittanza U
U = 1/(ΣR·A)

Attrito nei condotti e perdite di carico

Numero di Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Regime di moto
laminare sotto Re ≈ 2000, turbolento sopra Re ≈ 4000
Velocità media
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Perdite localizzate
hm = ΣK·V²/(2g)
Valori tipici di K
imbocco 0,5, sbocco 1,0, curva a 90° ≈ 0,3
Caduta di pressione
Δp = ρ·g·hf
Due serbatoi aperti
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Sbocco libero
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pompe e potenza delle pompe

Potenza idraulica
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Potenza all’albero
Pshaft = Ph/ηpump
Potenza elettrica
Pel = Pshaft/ηmotor
Prevalenza della pompa
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Perdite dell’impianto
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Esercizi

1.Bilancio di massaMedia
MiscelatoreCorrente 1400 kg/h · 20% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 50% NaOHProdotto45% NaOH

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 45% di NaOH? Trova ṁ2.

ṁ1 = 400 kg/hx1 = 20 %x2 = 50 %x3 = 45 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F1600 kg/h · 8% zuccheroProdotto P55% zuccheroVapore W (acqua pura)W = ? kg/h

Un evaporatore concentra una soluzione di zucchero facendo evaporare acqua pura. Trova l’acqua evaporata W in kg/h.

F = 1600 kg/hxF = 8 %xP = 55 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoolio leggero · 120 °C90 °Cacqua · 30 °Ct = ? °C

Il olio leggero caldo raffredda acqua in uno scambiatore controcorrente senza perdite di calore. Trova la temperatura di uscita dell’acqua tout.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 90 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoolio leggero · 180 °C80 °Cacqua · 15 °C55 °C · ṁ = ?5% perso

Il olio leggero caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 5% del calore ceduto dalla corrente calda. Trova la portata d’acqua ṁc necessaria.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 80 °Ct: 15 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 5 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
10 g di N₂V = 5 LT = 80 °CP = ?

Un serbatoio di 5 L contiene 10 g di N₂ a 80 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 10 gM = 28,01 g/molV = 5 LT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
CH₄, M = 16,04 g/molP = 350 kPaT = 150 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di CH₄ a 350 kPa e 150 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 16,04 g/molP = 350 kPaT = 150 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 4/ν× M(H2​O)

30 g di C3H8 e 80 g di O2 reagiscono secondo C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. Quale massa m di H2O si può formare?

M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(H2​)n(H2​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(H2​)× 2/2× M(H2​O)

Nella reazione 2H2 + O2 → 2H2O, 4 g di H2 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 25,03 g di H2O. Trova la resa percentuale Y.

M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreale: 25,03 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

0,25 mol/L di H₂ e 0,25 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 9. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 9
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,08 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,2 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LKc = 0,08
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Alluminiom = 250 gT = 170 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Acquam = 150 gT = 22 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di alluminio da 250 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 170 °C viene immerso in 150 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 22 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 170 °Cmwater = 150 gTwater = 22 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
HCH4​ + 2O₂reagentiCO₂ + 2H₂O(l)prodottiΔH° = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare ΔH° della reazione CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l).

ΔH°f(CH4) = −74,8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.Cinetica chimicaMedia
t (min)X (%)t = ?20%

Una reazione di ordine zero ha k = 0,005 mol/(L·min) e parte da 2 mol/L. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 20%? Trova t.

k = 0,005 mol/(L·min)CA0 = 2 mol/LX = 20 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk20 °C0,00545 °C?

Una reazione ha una costante cinetica di 0,005 min⁻¹ a 20 °C e un’energia di attivazione di 60 kJ/mol. Trova la costante cinetica k2 a 45 °C.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 20 °CT2 = 45 °CEa = 60 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 50 L/minX = 80%V = ?, k = 0,15 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,15 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 80%.

Q = 50 L/mink = 0,15 min⁻¹X = 80%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 1000 LQ = 10 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,2 min⁻¹) avviene in un CSTR da 1000 L alimentato a 10 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 1000 LQ = 10 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT175 °C150 °C90 °C20 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore controcorrente trasferisce 430 kW. Il fluido caldo si raffredda da 175 a 150 °C e il fluido freddo si riscalda da 20 a 90 °C. Il coefficiente globale di scambio è 500 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 430 kWU = 500 W/(m²·K)Th: 175 → 150 °CTc: 20 → 90 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT135 °C60 °C?10 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

In uno scambiatore a doppio tubo controcorrente, olio caldo (0,2 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) scorre nel tubo interno e si raffredda da 135 a 60 °C. Acqua (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) nell’intercapedine anulare entra a 10 °C. Il tubo interno ha un diametro di 32 mm, e U = 250 W/(m²·K) è riferito a questo diametro. Trova la lunghezza del tubo L necessaria.

ṁh = 0,2 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 135 → 60 °Cṁc = 1,5 kg/sTc,in = 10 °CD = 32 mmU = 250 W/(m²·K)
L = m
19.Conduzione del caloreMedia
Mattone, k = 0,72150 mmPolistirene espanso, k = 0,03525 mm19 °C-12 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 150 mm di mattone e 25 mm di polistirene espanso, con un’area di 8 m². Le facce esterne sono a 19 °C e -12 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 150 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 19 °CT3 = -12 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Polistirene espanso, k = 0,035150 mmLegno, k = 0,1750 mmstanza 20 °Cesterno 2 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 150 mm polistirene espanso e 50 mm legno separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a 2 °C. I coefficienti di convezione sono 7,7 W/(m²·K) all’interno e 30 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 10 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 150 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 10 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = 2 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 0,9 m/sD = 100 mmL = 400 mf = 0,015

Acqua scorre con una velocità media di 0,9 m/s in un tubo lungo 400 m con diametro interno di 100 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,015 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

V = 0,9 m/sL = 400 mD = 100 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 2Δz = ?L = 300 m, D = 200 mm, f = 0,0154× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 300 m con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 4 curve (K = 0,3 ciascuna), una valvola (K = 2) e lo sbocco nel serbatoio inferiore (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Quale dislivello Δz tra i peli liberi dei serbatoi dà una portata di 50 L/s?

Q = 50 L/sL = 300 mD = 200 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 50 L/sH = 62 m

Una pompa eroga 50 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 62 m. Il rendimento della pompa è del 78% e il motore elettrico che la aziona ha un rendimento del 92%. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza elettrica Pel assorbita dal motore, in kW.

Q = 50 L/sH = 62 mηpump = 78%ηmotor = 92%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 40 L/sΔz = 8 mL = 600 m, D = 150 mm, f = 0,022, ΣK = 8

Una pompa trasferisce 40 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 8 m più in alto. Il tubo è lungo 600 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,022; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 8 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Il rendimento della pompa è del 70%. Trova la potenza all’albero Pshaft in kW.

Q = 40 L/sΔz = 8 mL = 600 mD = 150 mmf = 0,022ΣK = 8η = 70%
Pshaft = kW

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 2000 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
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Risolvi per ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 400·(20 − 45)/(45 − 50) = 2000 kg/h

Risposta

ṁ2 = 2000 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 1367 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 = 1600·8/55 = 232,7 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 1600 − 232,7 = 1367 kg/h

Risposta

W = 1367 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 40,05 °C

Bilancio energetico dello scambiatore: senza perdite, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 2·2,1·(120 − 90) = 126 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 126/(3·4,18) = 40,05 °C

Risposta

tout = 40,05 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 2,386 kg/s

Bilancio energetico con perdite: calore ceduto = calore assorbito + calore perso.

Calore ceduto

Qh = 2·2,1·(180 − 80) = 420 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,05)·420 = 399 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 399/(4,18·40) = 2,386 kg/s

Risposta

ṁc = 2,386 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 209,6 kPa

Legge dei gas ideali: PV = nRT, con n = m/M.

Moli

n = m/M = 10/28,01 = 0,357 mol
T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Pressione

P = nRT/V = 0,357·8,314·353,1/0,005 = 209,6 kPa

Risposta

P = 209,6 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 1,596 kg/m³

Densità di un gas ideale: ρ = PM/(RT).

Riordina la legge dei gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 150 + 273,15 = 423,1 K

Densità

ρ = 350·16,04/(8,314·423,1) = 1,596 kg/m³

Risposta

ρ = 1,596 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 36,04 g

Stechiometria: un'equazione bilanciata conta particelle, non grammi. Converti la massa in moli con n = m/M, usa i coefficienti dell'equazione come rapporto molare, poi torna alla massa con m = n·M. Con due reagenti, il reagente limitante è quello che si esaurisce per primo e fissa quanto prodotto si forma.

Moli di ogni reagente

n(C3H8) = 30/44,1 = 0,6803 mol
n(O2) = 80/32 = 2,5 mol

Reagente limitante

0,6803/1 = 0,6803, 2,5/5 = 0,5 → O2

Massa di prodotto

n(H2O) = 0,5·4 = 2 mol
m = 2·18,02 = 36,04 g

Risposta

m = 36,04 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 70,01 %

Stechiometria: un'equazione bilanciata conta particelle, non grammi. Converti la massa in moli con n = m/M, usa i coefficienti dell'equazione come rapporto molare, poi torna alla massa con m = n·M. Con due reagenti, il reagente limitante è quello che si esaurisce per primo e fissa quanto prodotto si forma.

Resa teorica

n(H2) = 4/2,016 = 1,984 mol
m = 1,984·2/2·18,02 = 35,75 g

Resa percentuale

Y = 25,03/35,75·100 = 70,01%

Risposta

Y = 70,01%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 0,3 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

9 = (2x)²/(0,25 − x)²

Estrai la radice quadrata

3 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·3/(2 + 3) = 0,15 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 0,3 mol/L

Risposta

[HI] = 0,3 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [Cl2] = 0,09266 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

0,08 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,08·x − 0,016 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,016))/2 = 0,09266 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[Cl₂] = x = 0,09266 mol/L

Risposta

[Cl2] = 0,09266 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 60,99 °C

Calore ed entalpia: riscaldare una sostanza richiede q = m·c·ΔT. In un calorimetro il calore ceduto dal corpo caldo è uguale al calore assorbito da quello freddo. La variazione di entalpia di una reazione si ricava dalle entalpie di formazione: ΔH° = ΣΔH°f(prodotti) − ΣΔH°f(reagenti), ciascuna moltiplicata per il proprio coefficiente.

Bilancio termico

250·0,897·(170 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 22)

Ricava la temperatura finale

Tf = (224,3·170 + 627·22)/(224,3 + 627) = 60,99 °C

Risposta

Tf = 60,99 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −890,3 kJ

Calore ed entalpia: riscaldare una sostanza richiede q = m·c·ΔT. In un calorimetro il calore ceduto dal corpo caldo è uguale al calore assorbito da quello freddo. La variazione di entalpia di una reazione si ricava dalle entalpie di formazione: ΔH° = ΣΔH°f(prodotti) − ΣΔH°f(reagenti), ciascuna moltiplicata per il proprio coefficiente.

Entalpia di reazione

ΔH° = [1·(−393,5) + 2·(−285,8)] − [1·(−74,8) + 2·0] = −890,3 kJ

Risposta

ΔH° = −890,3 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: t = 80 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).

Quantità convertita

CA0·X = 2·0,2 = 0,4 mol/L

Tempo

t = CA0·X/k = 0,4/0,005 = 80 min

Risposta

t = 80 min
14.Cinetica chimica

Risposta: k2 = 0,0346 min⁻¹

Velocità di reazione: per una reazione del primo ordine −dC/dt = kC, quindi C = C₀·e−kt e il tempo di dimezzamento ln 2/k non dipende dalla concentrazione. Per una reazione del secondo ordine 1/C = 1/C₀ + kt. La costante cinetica aumenta con la temperatura secondo Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperature assolute

T1 = 293,1 K, T2 = 318,1 K

Rapporto di Arrhenius

ln(k2/k1) = −(60000/8,314)·(1/318,1 − 1/293,1) = 1,934
k2 = 0,005·e1,934 = 0,0346 min⁻¹

Risposta

k2 = 0,0346 min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 536,5 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 − 0,8))/0,15 = 1,609/0,15 = 10,73 min

Volume

V = Q·τ = 50·10,73 = 536,5 L

Risposta

V = 536,5 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 95,24 %

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 = 1000/10 = 100 min, kτ = 0,2·100 = 20

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 20/(1 + 20) = 95,24%

Risposta

X = 95,24%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 8,12 m²

Metodo LMTD: la differenza di temperatura tra le correnti cambia lungo lo scambiatore, quindi l’equazione usa la sua media logaritmica: Q̇ = U·A·ΔTlm, con ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), dove ΔT₁ e ΔT₂ sono le differenze ai due estremi. A parità di temperature di ingresso e uscita, la controcorrente dà un ΔTlm maggiore dell’equicorrente.

Differenze di temperatura agli estremi

In controcorrente l’ingresso caldo è di fronte all’uscita fredda, e l’uscita calda di fronte all’ingresso freddo.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 175 − 90 = 85 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 150 − 20 = 130 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (85 − 130)/ln(85/130) = 105,9 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 430000/(500·105,9) = 8,12 m²

Risposta

A = 8,12 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: L = 17,21 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.

Potenza termica e temperatura di uscita dell’acqua

Q̇ = 0,2·2,3·(135 − 60) = 34,5 kW
Tc,out = 10 + 34,5/(1,5·4,18) = 15,5 °C

Differenze di temperatura agli estremi

In controcorrente l’ingresso caldo è di fronte all’uscita fredda, e l’uscita calda di fronte all’ingresso freddo.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 135 − 15,5 = 119,5 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 60 − 10 = 50 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (119,5 − 50)/ln(119,5/50) = 79,77 K

Area e lunghezza

A = 34500/(250·79,77) = 1,73 m²
L = A/(πD) = 1,73/(π·0,032) = 17,21 m

Risposta

L = 17,21 m
19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 268,8 W

Resistenza termica: il flusso di calore stazionario attraverso strati in serie si comporta come una corrente in resistori in serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) per uno strato conduttivo e R = 1/(hA) per una superficie con convezione. La caduta di temperatura in ogni strato è proporzionale alla sua resistenza.

Resistenze degli strati

R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,72·8) = 0,02604 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,035·8) = 0,08929 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 31/0,1153 = 268,8 W

Risposta

Q̇ = 268,8 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 19,51 °C

Resistenza termica: il flusso di calore stazionario attraverso strati in serie si comporta come una corrente in resistori in serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) per uno strato conduttivo e R = 1/(hA) per una superficie con convezione. La caduta di temperatura in ogni strato è proporzionale alla sua resistenza.

Resistenze in serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(7,7·10) = 0,01299 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,035·10) = 0,4286 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·10) = 0,02941 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·10) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,4743 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (20 − (2))/0,4743 = 37,95 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 37,95·0,01299 = 19,51 °C

Risposta

Ts = 19,51 °C
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 2,477 m

Moto nei condotti: il numero di Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue il moto laminare (Re sotto circa 2000) da quello turbolento (sopra circa 4000). L’attrito lungo un tubo comporta la perdita di carico di Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Raccordi, valvole, imbocco e sbocco aggiungono perdite localizzate hm = ΣK·V²/(2g). Tra le superfici libere di due serbatoi aperti l’equazione dell’energia dà Δz = hf + hm, compresa la perdita allo sbocco K = 1.

Altezza cinetica

V²/(2g) = 0,9²/(2·9,81) = 0,04128 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(400/0,1)·0,9²/(2·9,81) = 2,477 m

Risposta

hf = 2,477 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 3,512 m

Moto nei condotti: il numero di Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue il moto laminare (Re sotto circa 2000) da quello turbolento (sopra circa 4000). L’attrito lungo un tubo comporta la perdita di carico di Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Raccordi, valvole, imbocco e sbocco aggiungono perdite localizzate hm = ΣK·V²/(2g). Tra le superfici libere di due serbatoi aperti l’equazione dell’energia dà Δz = hf + hm, compresa la perdita allo sbocco K = 1.

Velocità

V = Q/A = 0,05/0,03142 = 1,592 m/s
V²/(2g) = 0,1291 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,015·300/0,2 = 22,5
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Perdita di carico totale

hf = 22,5·0,1291 = 2,905 m
hm = 4,7·0,1291 = 0,6068 m
Δz = hf + hm = 3,512 m

Risposta

Δz = 3,512 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pel = 42,38 kW

Potenza di una pompa: la potenza ceduta all’acqua è la potenza idraulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. L’albero deve fornire di più perché la pompa ha delle perdite: Pshaft = Ph/ηpump, e il motore assorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La prevalenza H della pompa si ricava dall’equazione dell’energia: dislivello geodetico + altezza piezometrica + tutte le perdite distribuite e localizzate.

Potenza idraulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,05·62 = 30,41 kW

Potenza all’albero

Pshaft = 30,41/0,78 = 38,99 kW

Potenza elettrica

Pel = 38,99/0,92 = 42,38 kW

Risposta

Pel = 42,38 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 18,54 kW

Potenza di una pompa: la potenza ceduta all’acqua è la potenza idraulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. L’albero deve fornire di più perché la pompa ha delle perdite: Pshaft = Ph/ηpump, e il motore assorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La prevalenza H della pompa si ricava dall’equazione dell’energia: dislivello geodetico + altezza piezometrica + tutte le perdite distribuite e localizzate.

Velocità

V = Q/A = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s
V²/(2g) = 0,2611 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (88 + 8)·0,2611 = 25,07 m

Prevalenza della pompa

H = Δz + hL = 8 + 25,07 = 33,07 m

Potenza all’albero

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,04·33,07/0,7 = 18,54 kW

Risposta

Pshaft = 18,54 kW

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