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 1300 kg/h · 35% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 15% NaOHProdotto30% NaOH

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 30% di NaOH? Trova ṁ2.

ṁ1 = 300 kg/hx1 = 35 %x2 = 15 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F2100 kg/h · 12% NaOHProdotto P30% NaOHVapore W (acqua pura)W = ? kg/h

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

F = 2100 kg/hxF = 12 %xP = 30 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 140 °C100 °Cacqua · 30 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 100 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoolio leggero · 180 °C110 °Cacqua · 10 °C30 °C · ṁ = ?10% perso

Il olio leggero caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 10% 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 → 110 °Ct: 10 → 30 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
150 g di O₂V = 20 LT = 0 °CP = ?

Un serbatoio di 20 L contiene 150 g di O₂ a 0 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 150 gM = 32 g/molV = 20 LT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
CH₄, M = 16,04 g/molP = 700 kPaT = 140 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di CH₄ a 700 kPa e 140 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 16,04 g/molP = 700 kPaT = 140 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

30 g di Mg e 80 g di O2 reagiscono secondo 2Mg + O2 → 2MgO. Quale massa m di MgO si può formare?

M(Mg) = 24,31M(O2) = 32M(MgO) = 40,3 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(Fe)m(Fe)÷ M(Fe2​O3​)× 2/1× M(Fe)

Nella reazione Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2, 4 g di Fe2O3 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 2,18 g di Fe. Trova la resa percentuale Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(Fe) = 55,85 g/molreale: 2,18 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

0,8 mol/L di H₂ e 0,8 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 49. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 49
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,01 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 = 0,01
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Piombom = 200 gT = 160 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Acquam = 150 gT = 22 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di piombo da 200 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 160 °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 = 200 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 150 gTwater = 22 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H20 g C2​H5​OHC2​H5​OH + 3O₂reagenti2CO₂ + 3H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 20 g di C2H5OH (M = 46,07 g/mol) bruciano completamente: C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.Cinetica chimicaMedia
t (min)C (mol/L)t½​ = ?C0​/2

Una reazione del secondo ordine (−rA = k·CA²) ha k = 0,25 L/(mol·min) e una concentrazione iniziale di 0,5 mol/L. Trova il suo primo tempo di dimezzamento t½.

k = 0,25 L/(mol·min)CA0 = 0,5 mol/L
t½ = min
14.Cinetica chimicaDifficile
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))prova 10,10,012prova 20,30,0208n = ?

Due esperimenti misurano la velocità iniziale di A → prodotti. Con CA0 = 0,1 mol/L la velocità è 0,012 mol/(L·s); con CA0 = 0,3 mol/L è 0,0208 mol/(L·s). Trova l’ordine di reazione n rispetto ad A.

CA0,1 = 0,1 mol/Lr1 = 0,012 mol/(L·s)CA0,2 = 0,3 mol/Lr2 = 0,0208 mol/(L·s)
n =
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 100 L/minCA0​ = 2 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 100 L/min con CA0 = 2 mol/L. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la concentrazione di uscita CA.

V = 200 LQ = 100 L/mink = 0,25 min⁻¹CA0 = 2 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 1500 LQ = 25 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,4 min⁻¹) avviene in un CSTR da 1500 L alimentato a 25 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 1500 LQ = 25 L/mink = 0,4 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT160 °C145 °C150 °C30 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore a fascio tubiero (un passaggio lato mantello, due passaggi lato tubi) deve trasferire 290 kW. Il fluido caldo si raffredda da 160 a 145 °C e il fluido freddo si riscalda da 30 a 150 °C. Il fattore di correzione della LMTD per questa configurazione è F = 0,8, e U = 200 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 290 kWF = 0,8U = 200 W/(m²·K)Th: 160 → 145 °CTc: 30 → 150 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT125 °C65 °C45,14 °C15 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (2 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) si raffredda da 125 a 65 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 2 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 15 °C. Con U = 800 W/(m²·K), trova l’area di scambio A necessaria.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 125 → 65 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 800 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Legno, k = 0,17100 mmVetro, k = 0,9650 mm21 °C-9 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 100 mm di legno e 50 mm di vetro, con un’area di 15 m². Le facce esterne sono a 21 °C e -9 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 21 °CT3 = -9 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Calcestruzzo, k = 1,4250 mmCartongesso, k = 0,1750 mmstanza 22 °Cesterno -6 °CQ̇

Una parete di 250 mm calcestruzzo e 50 mm cartongesso separa una stanza a 22 °C dall’aria esterna a -6 °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 8 m². Trova la trasmittanza termica U della parete.

L1 = 250 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -6 °C
U = W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 1,3 m/sD = 100 mmL = 50 mf = 0,028

Acqua (ρ = 1000 kg/m³) scorre a 1,3 m/s in un tubo orizzontale lungo 50 m con diametro interno di 100 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,028 e g = 9,81 m/s². Trova la caduta di pressione Δp lungo il tubo in kPa.

V = 1,3 m/sL = 50 mD = 100 mmf = 0,028ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 2Δz = ?L = 300 m, D = 300 mm, f = 0,0153× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 300 m con diametro interno di 300 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 3 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 100 L/s?

Q = 100 L/sL = 300 mD = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 20 L/sH = 12 m

Una pompa eroga 20 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 12 m. Il rendimento della pompa è del 82% e il motore elettrico che la aziona ha un rendimento del 88%. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza elettrica Pel assorbita dal motore, in kW.

Q = 20 L/sH = 12 mηpump = 82%ηmotor = 88%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
150 kPa (relativa)PQ = 50 L/sΔz = 8 mL = 150 m, D = 150 mm, f = 0,018, ΣK = 6

Una pompa trasferisce 50 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 150 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,018; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 6 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². La vasca superiore è chiusa e l’aria sopra l’acqua è a una pressione relativa di 150 kPa. Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 50 L/sΔz = 8 mL = 150 mD = 150 mmf = 0,018ΣK = 6ptank = 150 kPa
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 100 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) = 300·(35 − 30)/(30 − 15) = 100 kg/h

Risposta

ṁ2 = 100 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 1260 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 = 2100·12/30 = 840 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 2100 − 840 = 1260 kg/h

Risposta

W = 1260 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 53,35 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 1·2,44·(140 − 100) = 97,6 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 97,6/(1·4,18) = 53,35 °C

Risposta

tout = 53,35 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 3,165 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 2·2,1·(180 − 110) = 294 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,1)·294 = 264,6 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 264,6/(4,18·20) = 3,165 kg/s

Risposta

ṁc = 3,165 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 532,3 kPa

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

Moli

n = m/M = 150/32 = 4,688 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Pressione

P = nRT/V = 4,688·8,314·273,1/0,02 = 532,3 kPa

Risposta

P = 532,3 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 3,269 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 = 140 + 273,15 = 413,1 K

Densità

ρ = 700·16,04/(8,314·413,1) = 3,269 kg/m³

Risposta

ρ = 3,269 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 49,73 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(Mg) = 30/24,31 = 1,234 mol
n(O2) = 80/32 = 2,5 mol

Reagente limitante

1,234/2 = 0,617, 2,5/1 = 2,5 → Mg

Massa di prodotto

n(MgO) = 0,617·2 = 1,234 mol
m = 1,234·40,3 = 49,73 g

Risposta

m = 49,73 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 77,91 %

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(Fe2O3) = 4/159,69 = 0,02505 mol
m = 0,02505·2/1·55,85 = 2,798 g

Resa percentuale

Y = 2,18/2,798·100 = 77,91%

Risposta

Y = 77,91%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 1,244 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

49 = (2x)²/(0,8 − x)²

Estrai la radice quadrata

7 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·7/(2 + 7) = 0,6222 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 1,244 mol/L

Risposta

[HI] = 1,244 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [Cl2] = 0,04 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

0,01 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,01·x − 0,002 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,002))/2 = 0,04 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[Cl₂] = x = 0,04 mol/L

Risposta

[Cl2] = 0,04 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 27,45 °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

200·0,129·(160 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 22)

Ricava la temperatura finale

Tf = (25,8·160 + 627·22)/(25,8 + 627) = 27,45 °C

Risposta

Tf = 27,45 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 593,3 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° = [2·(−393,5) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Calore per la massa data

n = 20/46,07 = 0,4341 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,4341·1367 = 593,3 kJ

Risposta

q = 593,3 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: t½ = 8 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/(0,25·0,5) = 8 min

Risposta

t½ = 8 min

Ogni tempo di dimezzamento successivo è lungo il doppio, perché C₀ si è dimezzata.

14.Cinetica chimica

Risposta: n = 0,5007

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 = 0,0208/0,012 = 1,733
C2/C1 = 0,3/0,1 = 3

Ordine

n = ln(1,733)/ln(3) = 0,5007

Risposta

n = 0,5007
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: CA = 1,213 mol/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 = V/Q = 200/100 = 2 min

Concentrazione di uscita

CA = 2·e−0,25·2 = 1,213 mol/L

Risposta

CA = 1,213 mol/L

Conversione: X = 39,35%.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 96 %

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 = 1500/25 = 60 min, kτ = 0,4·60 = 24

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 24/(1 + 24) = 96%

Risposta

X = 96%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 42,16 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.

Differenze di temperatura agli estremi (controcorrente)

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 = 160 − 150 = 10 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 145 − 30 = 115 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (10 − 115)/ln(10/115) = 42,99 K

Area

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 290000/(200·0,8·42,99) = 42,16 m²

Risposta

A = 42,16 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 4,94 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.

Potenza termica e temperatura di uscita dell’acqua

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 2·2,1·60 = 252 kW
Tc,out = 15 + 252/(2·4,18) = 45,14 °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 = 125 − 45,14 = 79,86 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 15 = 50 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (79,86 − 50)/ln(79,86/50) = 63,77 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 252000/(800·63,77) = 4,94 m²

Risposta

A = 4,94 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = −6,56 °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 degli strati

R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·15) = 0,03922 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,96·15) = 0,003472 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 30/0,04269 = 702,8 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 21 − 702,8·0,03922 = −6,56 °C

Risposta

Ti = −6,56 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: U = 1,573 W/(m²·K)

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/(7,7·8) = 0,01623 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(1,4·8) = 0,02232 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·8) = 0,03676 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·8) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,07949 K/W

Coefficiente globale

U = 1/(A·ΣR) = 1/(8·0,07949) = 1,573 W/(m²·K)

Risposta

U = 1,573 W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δp = 11,83 kPa

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.

Perdita di carico

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(50/0,1)·1,3²/(2·9,81) = 1,206 m

Caduta di pressione

Il tubo è orizzontale e la velocità non cambia, quindi l’equazione dell’energia si riduce a Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·1,206 = 11830 Pa = 11,83 kPa

Risposta

Δp = 11,83 kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 1,979 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 = 0,1/0,07069 = 1,415 m/s
V²/(2g) = 0,102 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,015·300/0,3 = 15
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4

Perdita di carico totale

hf = 15·0,102 = 1,53 m
hm = 4,4·0,102 = 0,4488 m
Δz = hf + hm = 1,979 m

Risposta

Δz = 1,979 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pel = 3,263 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 = 1000·9,81·0,02·12 = 2,354 kW

Potenza all’albero

Pshaft = 2,354/0,82 = 2,871 kW

Potenza elettrica

Pel = 2,871/0,88 = 3,263 kW

Risposta

Pel = 3,263 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 33,08 m

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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18 + 6)·0,408 = 9,793 m

Altezza piezometrica

p/(ρ·g) = 150000/(1000·9,81) = 15,29 m

Prevalenza della pompa

Entrambe le superfici sono praticamente in quiete, quindi non c’è il termine dell’altezza cinetica.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 8 + 15,29 + 9,793 = 33,08 m

Risposta

H = 33,08 m

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