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 1700 kg/h · 35% zuccheroCorrente 2ṁ₂ = ? · 20% zuccheroProdotto30% zucchero

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

ṁ1 = 700 kg/hx1 = 35 %x2 = 20 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F3300 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 = 3300 kg/hxF = 8 %xP = 55 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 150 °C110 °Cacqua · 15 °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: 150 → 110 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 170 °C100 °Cacqua · 10 °C40 °C · ṁ = ?15% perso

Il miscela di glicole 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 = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 170 → 100 °Ct: 10 → 40 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
80 g di CH₄V = 50 LT = 15 °CP = ?

Un serbatoio di 50 L contiene 80 g di CH₄ a 15 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 80 gM = 16,04 g/molV = 50 LT = 15 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di N₂ passa da 300 kPa, 5 L, 15 °C a 600 kPa e 170 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 300 kPaV1 = 5 LT1 = 15 °CP2 = 600 kPaT2 = 170 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(Fe)m(Fe)÷ M(X)× 2/ν× M(Fe)

8 g di Fe2O3 e 40 g di CO reagiscono secondo Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. Quale massa m di Fe si può formare?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(Fe) = 55,85 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(N2​)n(N2​)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(N2​)× 2/1× M(NH3​)

Nella reazione N2 + 3H2 → 2NH3, 6 g di N2 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 4,01 g di NH3. Trova la resa percentuale Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molreale: 4,01 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

1 mol/L di H₂ e 1 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 = 1 mol/LKc = 9
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,1 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,5 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,1
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Ramem = 100 gT = 200 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Acquam = 300 gT = 21 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di rame da 100 g (c = 0,385 J/(g·°C)) a 200 °C viene immerso in 300 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 21 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 200 °Cmwater = 300 gTwater = 21 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
HC3​H8​ + 5O₂reagenti3CO₂ + 4H₂O(l)prodottiΔH° = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare ΔH° della reazione C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(C3H8) = −103,8 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 = ?99%

Una reazione del primo ordine in un reattore batch ha k = 0,15 min⁻¹. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 99%? Trova t.

k = 0,15 min⁻¹X = 99 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk40 °C0,00555 °C?

Una reazione ha una costante cinetica di 0,005 min⁻¹ a 40 °C e un’energia di attivazione di 80 kJ/mol. Trova la costante cinetica k2 a 55 °C.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 55 °CEa = 80 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
QX = 95%stessi Q, k e X del CSTR

Una reazione del primo ordine in fase liquida deve raggiungere una conversione del 95%. Quante volte più grande di un PFR deve essere un CSTR a parità di portata di alimentazione, costante cinetica e conversione? Trova il rapporto VCSTR/VPFR.

X = 95%primo ordine, stessi k e Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 400 LQ = 50 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,15 min⁻¹) avviene in un CSTR da 400 L alimentato a 50 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 400 LQ = 50 L/mink = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT140 °C15 °C115 °CΔT₁ΔT₂vapore che condensa

In un condensatore, il vapore condensa a 140 °C costanti all’esterno dei tubi. L’acqua di raffreddamento (2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) scorre nei tubi e si riscalda da 15 a 115 °C. Il coefficiente globale di scambio è 1500 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Ts = 140 °Cṁ = 2 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 15 → 115 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT110 °C??10 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

In uno scambiatore controcorrente entrambe le correnti hanno la stessa capacità termica oraria, ṁ·cp = 1,5 kW/K. La corrente calda entra a 110 °C e quella fredda a 10 °C. Lo scambiatore ha A = 6 m² e U = 500 W/(m²·K). Trova la temperatura di uscita della corrente calda Th,out.

Ch = Cc = 1,5 kW/KTh,in = 110 °CTc,in = 10 °CA = 6 m²U = 500 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conduzione del caloreMedia
Cartongesso, k = 0,17100 mmVetro, k = 0,9650 mm22 °C-14 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 100 mm di cartongesso e 50 mm di vetro, con un’area di 8 m². Le facce esterne sono a 22 °C e -14 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 22 °CT3 = -14 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Calcestruzzo, k = 1,4250 mmLegno, k = 0,1775 mmstanza 22 °Cesterno 4 °CQ̇

Una parete di 250 mm calcestruzzo e 75 mm legno separa una stanza a 22 °C dall’aria esterna a 4 °C. I coefficienti di convezione sono 6 W/(m²·K) all’interno e 25 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 20 m². Trova la trasmittanza termica U della parete.

L1 = 250 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 4 °C
U = W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 1,8 m/sD = 100 mmL = 300 mf = 0,018

Acqua (ρ = 1000 kg/m³) scorre a 1,8 m/s in un tubo orizzontale lungo 300 m con diametro interno di 100 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,018 e g = 9,81 m/s². Trova la caduta di pressione Δp lungo il tubo in kPa.

V = 1,8 m/sL = 300 mD = 100 mmf = 0,018ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 10sbocco liberoH = ?L = 200 m, D = 200 mm, f = 0,0182× curva (K = 0,3)

Un tubo lungo 200 m con diametro interno di 200 mm (fattore di attrito di Darcy f = 0,018) parte da un serbatoio aperto e scarica come getto libero in aria. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 2 curve (K = 0,3 ciascuna) e una valvola (K = 10). 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 75 L/s?

Q = 75 L/sL = 200 mD = 200 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10
H = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 100 L/sH = 58 m

In una prova, una pompa eroga 100 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 58 m mentre il suo albero assorbe 69,4 kW. Usa g = 9,81 m/s². Trova il rendimento della pompa η in percentuale.

Q = 100 L/sH = 58 mPshaft = 69,4 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 50 L/sΔz = 11 mL = 500 m, D = 200 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 11 m più in alto. Il tubo è lungo 500 m, con diametro interno di 200 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 = 11 mL = 500 mD = 200 mmf = 0,025ΣK = 8
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 350 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) = 700·(35 − 30)/(30 − 20) = 350 kg/h

Risposta

ṁ2 = 350 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 2820 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 = 3300·8/55 = 480 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 3300 − 480 = 2820 kg/h

Risposta

W = 2820 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 61,7 °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·(150 − 110) = 97,6 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 97,6/(0,5·4,18) = 61,7 °C

Risposta

tout = 61,7 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 4,27 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 2,5·3,6·(170 − 100) = 630 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·630 = 535,5 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 535,5/(4,18·30) = 4,27 kg/s

Risposta

ṁc = 4,27 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 239 kPa

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

Moli

n = m/M = 80/16,04 = 4,988 mol
T = 15 + 273,15 = 288,1 K

Pressione

P = nRT/V = 4,988·8,314·288,1/0,05 = 239 kPa

Risposta

P = 239 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 3,845 L

Legge combinata dei gas: per una quantità fissa di gas ideale, P1V1/T1 = P2V2/T2.

Temperature assolute

T1 = 288,1 K, T2 = 443,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(300/600)·(443,1/288,1) = 3,845 L

Risposta

V2 = 3,845 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 5,596 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(Fe2O3) = 8/159,69 = 0,0501 mol
n(CO) = 40/28,01 = 1,428 mol

Reagente limitante

0,0501/1 = 0,0501, 1,428/3 = 0,476 → Fe2O3

Massa di prodotto

n(Fe) = 0,0501·2 = 0,1002 mol
m = 0,1002·55,85 = 5,596 g

Risposta

m = 5,596 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 54,98 %

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(N2) = 6/28,02 = 0,2141 mol
m = 0,2141·2/1·17,03 = 7,293 g

Resa percentuale

Y = 4,01/7,293·100 = 54,98%

Risposta

Y = 54,98%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,4 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/(1 − x)²

Estrai la radice quadrata

3 = 2x/(1 − x) → x = 1·3/(2 + 3) = 0,6 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 1 − x = 0,4 mol/L

Risposta

[H2] = 0,4 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [Cl2] = 0,1791 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

0,1 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,1·x − 0,05 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,05))/2 = 0,1791 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[Cl₂] = x = 0,1791 mol/L

Risposta

[Cl2] = 0,1791 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 26,33 °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

100·0,385·(200 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 21)

Ricava la temperatura finale

Tf = (38,5·200 + 1254·21)/(38,5 + 1254) = 26,33 °C

Risposta

Tf = 26,33 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −2220 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° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Risposta

ΔH° = −2220 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: t = 30,7 min

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).

Conversione e concentrazione

C/C0 = 1 − X = 0,01

Risolvi per il tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,01)/0,15 = 30,7 min

Risposta

t = 30,7 min
14.Cinetica chimica

Risposta: k2 = 0,02037 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 = 313,1 K, T2 = 328,1 K

Rapporto di Arrhenius

ln(k2/k1) = −(80000/8,314)·(1/328,1 − 1/313,1) = 1,405
k2 = 0,005·e1,405 = 0,02037 min⁻¹

Risposta

k2 = 0,02037 min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: VCSTR/VPFR = 6,342

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.

k·τ per ciascun reattore

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,95/0,05 = 19
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(20) = 2,996

Rapporto dei volumi

VCSTR/VPFR = 19/2,996 = 6,342

Risposta

VCSTR/VPFR = 6,342

La differenza cresce rapidamente ad alte conversioni.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 54,55 %

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 = 400/50 = 8 min, kτ = 0,15·8 = 1,2

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 1,2/(1 + 1,2) = 54,55%

Risposta

X = 54,55%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 8,97 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.

Potenza termica dal lato acqua

Q̇ = 2·4,18·(115 − 15) = 836 kW

Differenze di temperatura agli estremi

ΔT₁ = 140 − 15 = 125 K
ΔT₂ = 140 − 115 = 25 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (125 − 25)/ln(125/25) = 62,13 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 836000/(1500·62,13) = 8,97 m²

Risposta

A = 8,97 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Th,out = 43,33 °C

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.

Differenza di temperatura costante

L’uscita fredda si trova di fronte all’ingresso caldo: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), quindi ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.

ΔTlm = Th,out − Tc,in

Bilancio energetico uguale all’equazione di scambio

1,5·(110 − Th,out) = 3·(Th,out − 10)
Th,out = (1,5·110 + 3·10)/(1,5 + 3) = 43,33 °C

Risposta

Th,out = 43,33 °C

Calore trasferito: Q̇ = 100 kW; la corrente fredda esce a 76,67 °C.

19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 449,8 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) = (100/1000)/(0,17·8) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,96·8) = 0,00651 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 36/0,08004 = 449,8 W

Risposta

Q̇ = 449,8 W
20.Conduzione del calore

Risposta: U = 1,21 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/(6·20) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(1,4·20) = 0,008929 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·20) = 0,02206 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·20) = 0,002 K/W
ΣR = 0,04132 K/W

Coefficiente globale

U = 1/(A·ΣR) = 1/(20·0,04132) = 1,21 W/(m²·K)

Risposta

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

Risposta: Δp = 87,48 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) = 0,018·(300/0,1)·1,8²/(2·9,81) = 8,917 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 = 1000·9,81·8,917 = 87480 Pa = 87,48 kPa

Risposta

Δp = 87,48 kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: H = 8,744 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,018·200/0,2 = 18
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 = 11,1

Equazione dell’energia

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

H = (1 + 18 + 11,1)·0,2905 = 8,744 m

Risposta

H = 8,744 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: η = 81,99 %

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 = 1000·9,81·0,1·58 = 56,9 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 56,9/69,4 = 81,99%

Risposta

η = 81,99%
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 20,1 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 = 0,05/0,03142 = 1,592 m/s
V²/(2g) = 0,1291 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (62,5 + 8)·0,1291 = 9,102 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 = 11 + 9,102 = 20,1 m

Risposta

H = 20,1 m

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