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 1650 kg/h · 10% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 30% saleProdotto15% sale

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 15% di sale? Trova ṁ2.

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 10 %x2 = 30 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F3900 kg/h · 11% zuccheroProdotto PP = ? · 40%Vapore W (acqua pura)0% zucchero

Un evaporatore concentra una soluzione di zucchero facendo evaporare acqua pura. Trova la portata di prodotto P in kg/h.

F = 3900 kg/hxF = 11 %xP = 40 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 130 °C80 °Cacqua · 25 °Ct = ? °C

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

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 80 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoetanolo · 150 °C110 °Cacqua · 10 °C60 °C · ṁ = ?15% perso

Il etanolo caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 15% del calore ceduto dalla corrente calda. Trova la portata d’acqua ṁc necessaria.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 150 → 110 °Ct: 10 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
210 g di HeV = 20 LT = 45 °CP = ?

Un serbatoio di 20 L contiene 210 g di He a 45 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 210 gM = 4,003 g/molV = 20 LT = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Ar, M = 39,95 g/molP = 800 kPaT = 150 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di Ar a 800 kPa e 150 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 39,95 g/molP = 800 kPaT = 150 °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)

8 g di Mg e 24 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(C3​H8​)n(C3​H8​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(C3​H8​)× 4/1× M(H2​O)

Nella reazione C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O, 20 g di C3H8 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 17,98 g di H2O. Trova la resa percentuale Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreale: 17,98 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 [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 9
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,04 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,8 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,04
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Ramem = 200 gT = 150 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Acquam = 400 gT = 17 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di rame da 200 g (c = 0,385 J/(g·°C)) a 150 °C viene immerso in 400 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 17 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 400 gTwater = 17 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H25 g C4​H10​2C4​H10​ + 13O₂reagenti8CO₂ + 10H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 25 g di C4H10 (M = 58,12 g/mol) bruciano completamente: 2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(C4H10) = −125,6 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)X (%)t = ?50%

Una reazione di ordine zero ha k = 0,04 mol/(L·min) e parte da 1,2 mol/L. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 50%? Trova t.

k = 0,04 mol/(L·min)CA0 = 1,2 mol/LX = 50 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))prova 10,250,02prova 20,50,08n = ?

Due esperimenti misurano la velocità iniziale di A → prodotti. Con CA0 = 0,25 mol/L la velocità è 0,02 mol/(L·s); con CA0 = 0,5 mol/L è 0,08 mol/(L·s). Trova l’ordine di reazione n rispetto ad A.

CA0,1 = 0,25 mol/Lr1 = 0,02 mol/(L·s)CA0,2 = 0,5 mol/Lr2 = 0,08 mol/(L·s)
n =
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 50 L/minCA0​ = 1,5 mol/LCA​ = ?V = 500 L, k = 0,1 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B (k = 0,1 min⁻¹) avviene in un reattore a flusso a pistone (PFR) da 500 L. L’alimentazione entra a 50 L/min con CA0 = 1,5 mol/L. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la concentrazione di uscita CA.

V = 500 LQ = 50 L/mink = 0,1 min⁻¹CA0 = 1,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 1000 LQ = 25 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,15 min⁻¹) avviene in un CSTR da 1000 L alimentato a 25 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 1000 LQ = 25 L/mink = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT80 °C65 °C55 °C25 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore controcorrente trasferisce 20 kW. Il fluido caldo si raffredda da 80 a 65 °C e il fluido freddo si riscalda da 25 a 55 °C. Il coefficiente globale di scambio è 300 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 20 kWU = 300 W/(m²·K)Th: 80 → 65 °CTc: 25 → 55 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT150 °C105 °C54,76 °C30 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (0,5 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) si raffredda da 150 a 105 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 0,5 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 30 °C. Con U = 200 W/(m²·K), trova l’area di scambio A necessaria.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 150 → 105 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Calcestruzzo, k = 1,4200 mmLegno, k = 0,1775 mm23 °C4 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 200 mm di calcestruzzo e 75 mm di legno, con un’area di 15 m². Le facce esterne sono a 23 °C e 4 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 200 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 23 °CT3 = 4 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Legno, k = 0,17200 mmCartongesso, k = 0,17150 mmstanza 21 °Cesterno 1 °CQ̇ = ?

Una parete di 200 mm legno e 150 mm cartongesso separa una stanza a 21 °C dall’aria esterna a 1 °C. I coefficienti di convezione sono 10 W/(m²·K) all’interno e 25 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 4 m². Trova la perdita di calore Q̇ attraverso la parete.

L1 = 200 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 4 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 1 °C
Q̇ = W
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 1,6 m/sD = 100 mmL = 150 mf = 0,022

Acqua scorre con una velocità media di 1,6 m/s in un tubo lungo 150 m con diametro interno di 100 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,022 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

V = 1,6 m/sL = 150 mD = 100 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 5sbocco liberoH = ?L = 100 m, D = 150 mm, f = 0,0154× curva (K = 0,3)

Un tubo lungo 100 m con diametro interno di 150 mm (fattore di attrito di Darcy f = 0,015) parte da un serbatoio aperto e scarica come getto libero in aria. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 4 curve (K = 0,3 ciascuna) e una valvola (K = 5). Usa g = 9,81 m/s². A quale altezza H deve trovarsi il pelo libero del serbatoio sopra lo sbocco del tubo per avere una portata di 50 L/s?

Q = 50 L/sL = 100 mD = 150 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5
H = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 60 L/sH = 12 m

In una prova, una pompa eroga 60 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 12 m mentre il suo albero assorbe 9,8 kW. Usa g = 9,81 m/s². Trova il rendimento della pompa η in percentuale.

Q = 60 L/sH = 12 mPshaft = 9,8 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 50 L/sΔz = 9 mL = 600 m, D = 150 mm, f = 0,025, ΣK = 8

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 9 m più in alto. Il tubo è lungo 600 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,025; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 8 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 50 L/sΔz = 9 mL = 600 mD = 150 mmf = 0,025ΣK = 8
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 216,7 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
sale: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Risolvi per ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 650·(10 − 15)/(15 − 30) = 216,7 kg/h

Risposta

ṁ2 = 216,7 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 1073 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 = 3900·11/40 = 1073 kg/h

Risposta

P = 1073 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 32,3 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 0,5·2,44·(130 − 80) = 61 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 61/(2·4,18) = 32,3 °C

Risposta

tout = 32,3 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,1985 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 0,5·2,44·(150 − 110) = 48,8 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·48,8 = 41,48 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 41,48/(4,18·50) = 0,1985 kg/s

Risposta

ṁc = 0,1985 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 6938 kPa

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

Moli

n = m/M = 210/4,003 = 52,46 mol
T = 45 + 273,15 = 318,1 K

Pressione

P = nRT/V = 52,46·8,314·318,1/0,02 = 6938 kPa

Risposta

P = 6938 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 9,085 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 = 800·39,95/(8,314·423,1) = 9,085 kg/m³

Risposta

ρ = 9,085 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 13,26 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) = 8/24,31 = 0,3291 mol
n(O2) = 24/32 = 0,75 mol

Reagente limitante

0,3291/2 = 0,1645, 0,75/1 = 0,75 → Mg

Massa di prodotto

n(MgO) = 0,1645·2 = 0,3291 mol
m = 0,3291·40,3 = 13,26 g

Risposta

m = 13,26 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 55 %

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(C3H8) = 20/44,1 = 0,4535 mol
m = 0,4535·4/1·18,02 = 32,69 g

Resa percentuale

Y = 17,98/32,69·100 = 55%

Risposta

Y = 55%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,1 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

[H₂] = 0,25 − x = 0,1 mol/L

Risposta

[H2] = 0,1 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,64 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

0,04 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,04·x − 0,032 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,032))/2 = 0,16 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,8 − 0,16 = 0,64 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,64 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 22,86 °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

200·0,385·(150 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 17)

Ricava la temperatura finale

Tf = (77·150 + 1672·17)/(77 + 1672) = 22,86 °C

Risposta

Tf = 22,86 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 1238 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° = [8·(−393,5) + 10·(−285,8)] − [2·(−125,6) + 13·0] = −5755 kJ

Calore per la massa data

n = 25/58,12 = 0,4301 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,4301·2877 = 1238 kJ

Risposta

q = 1238 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: t = 15 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 = 1,2·0,5 = 0,6 mol/L

Tempo

t = CA0·X/k = 0,6/0,04 = 15 min

Risposta

t = 15 min
14.Cinetica chimica

Risposta: n = 2

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 = 0,08/0,02 = 4
C2/C1 = 0,5/0,25 = 2

Ordine

n = ln(4)/ln(2) = 2

Risposta

n = 2
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: CA = 0,5518 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 = 500/50 = 10 min

Concentrazione di uscita

CA = 1,5·e−0,1·10 = 0,5518 mol/L

Risposta

CA = 0,5518 mol/L

Conversione: X = 63,21%.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 85,71 %

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 = 1000/25 = 40 min, kτ = 0,15·40 = 6

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 6/(1 + 6) = 85,71%

Risposta

X = 85,71%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 2,089 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 = 80 − 55 = 25 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 25 = 40 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (25 − 40)/ln(25/40) = 31,91 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 20000/(300·31,91) = 2,089 m²

Risposta

A = 2,089 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 3,054 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) = 0,5·2,3·45 = 51,75 kW
Tc,out = 30 + 51,75/(0,5·4,18) = 54,76 °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 = 150 − 54,76 = 95,24 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 105 − 30 = 75 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (95,24 − 75)/ln(95,24/75) = 84,72 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 51750/(200·84,72) = 3,054 m²

Risposta

A = 3,054 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = 18,35 °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) = (200/1000)/(1,4·15) = 0,009524 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·15) = 0,02941 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 19/0,03894 = 488 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 23 − 488·0,009524 = 18,35 °C

Risposta

Ti = 18,35 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 36,38 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 in serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·4) = 0,025 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,17·4) = 0,2941 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,17·4) = 0,2206 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·4) = 0,01 K/W
ΣR = 0,5497 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (21 − (1))/0,5497 = 36,38 W

Risposta

Q̇ = 36,38 W
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 4,306 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) = 1,6²/(2·9,81) = 0,1305 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(150/0,1)·1,6²/(2·9,81) = 4,306 m

Risposta

hf = 4,306 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: H = 7,222 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,015·100/0,15 = 10
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 = 6,7

Equazione dell’energia

Il getto in uscita conserva la sua altezza cinetica; non è una perdita, ma deve essere fornita.

H = (1 + 10 + 6,7)·0,408 = 7,222 m

Risposta

H = 7,222 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: η = 72,07 %

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 = 1000·9,81·0,06·12 = 7,063 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 7,063/9,8 = 72,07%

Risposta

η = 72,07%
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 53,07 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) = (100 + 8)·0,408 = 44,07 m

Prevalenza della pompa

Entrambe le superfici sono aperte e praticamente in quiete, quindi i termini di pressione e di velocità si annullano.

H = Δz + hL = 9 + 44,07 = 53,07 m

Risposta

H = 53,07 m

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