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 1950 kg/h · 30% zuccheroCorrente 2ṁ₂ = ? · 10% zuccheroProdotto15% zucchero

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

ṁ1 = 950 kg/hx1 = 30 %x2 = 10 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F800 kg/h · 12% zuccheroProdotto P65% 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 = 800 kg/hxF = 12 %xP = 65 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 150 °C70 °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 = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 150 → 70 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoetanolo · 130 °C60 °Cacqua · 20 °C50 °C · ṁ = ?5% perso

Il etanolo 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 = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Ct: 20 → 50 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 5 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
40 g di CO₂P = 800 kPaT = 100 °CV = ?

Quale volume V occupano 40 g di CO₂ a 800 kPa e 100 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 40 gM = 44,01 g/molP = 800 kPaT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di O₂ passa da 100 kPa, 5 L, 30 °C a 550 kPa e 130 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 100 kPaV1 = 5 LT1 = 30 °CP2 = 550 kPaT2 = 130 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

6 g di Mg e 16 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(Al)n(Al)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(Al)× 2/2× M(AlCl3​)

Nella reazione 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3, 6 g di Al reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 22,24 g di AlCl3. Trova la resa percentuale Y.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molreale: 22,24 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,50,50C−x−x+2xE0,5 − x0,5 − x2x

0,5 mol/L di H₂ e 0,5 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 54. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 54
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,05 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 1,5 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Piombom = 50 gT = 190 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Acquam = 200 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di piombo da 50 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 190 °C viene immerso in 200 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 19 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 190 °Cmwater = 200 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H20 g CH3​OH2CH3​OH + 3O₂reagenti2CO₂ + 4H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 20 g di CH3OH (M = 32,04 g/mol) bruciano completamente: 2CH3OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(CH3OH) = −238,7 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)15 min0,75

In una reazione del primo ordine la concentrazione di A scende da 1,5 mol/L a 0,75 mol/L in 15 min. Trova la costante cinetica k.

CA0 = 1,5 mol/LCA = 0,75 mol/Lt = 15 min
k = min⁻¹
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk25 °C0,00555 °C0,0219

La costante cinetica di una reazione è 0,005 min⁻¹ a 25 °C e 0,0219 min⁻¹ a 55 °C. Trova l’energia di attivazione Ea.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 25 °Ck2 = 0,0219 min⁻¹T2 = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
QX = 85%stessi Q, k e X del CSTR

Una reazione del primo ordine in fase liquida deve raggiungere una conversione del 85%. 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 = 85%primo ordine, stessi k e Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 400 LQ = 25 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,2 min⁻¹) avviene in un CSTR da 400 L alimentato a 25 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 400 LQ = 25 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT115 °C55 °C25 °C40 °CΔT₁ΔT₂equicorrente

Uno scambiatore di calore equicorrente trasferisce 490 kW. La sua area di scambio è 20 m². Il fluido caldo si raffredda da 115 a 55 °C e il fluido freddo si riscalda da 25 a 40 °C. Trova il coefficiente globale di scambio U.

Q̇ = 490 kWA = 20 m²Th: 115 → 55 °CTc: 25 → 40 °C
U = W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT100 °C55 °C15 °C?ΔT₁ΔT₂equicorrente

In uno scambiatore a doppio tubo equicorrente, olio caldo (1 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) scorre nel tubo interno e si raffredda da 100 a 55 °C. Acqua (0,8 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) nell’intercapedine anulare entra a 15 °C. Il tubo interno ha un diametro di 32 mm, e U = 300 W/(m²·K) è riferito a questo diametro. Trova la lunghezza del tubo L necessaria.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 100 → 55 °Cṁc = 0,8 kg/sTc,in = 15 °CD = 32 mmU = 300 W/(m²·K)
L = m
19.Conduzione del caloreMedia
Calcestruzzo, k = 1,4250 mmLana minerale, k = 0,0475 mm21 °C-9 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 250 mm di calcestruzzo e 75 mm di lana minerale, con un’area di 6 m². Le facce esterne sono a 21 °C e -9 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 250 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 21 °CT3 = -9 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Calcestruzzo, k = 1,4100 mmLegno, k = 0,1775 mmstanza 20 °Cesterno -6 °CQ̇

Una parete di 100 mm calcestruzzo e 75 mm legno separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a -6 °C. I coefficienti di convezione sono 8 W/(m²·K) all’interno e 20 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 20 m². Trova la trasmittanza termica U della parete.

L1 = 100 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -6 °C
U = W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 2,3 m/sD = 250 mmL = 200 mf = 0,025

Acqua (ρ = 1000 kg/m³) scorre a 2,3 m/s in un tubo orizzontale lungo 200 m con diametro interno di 250 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,025 e g = 9,81 m/s². Trova la caduta di pressione Δp lungo il tubo in kPa.

V = 2,3 m/sL = 200 mD = 250 mmf = 0,025ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 0,2sbocco liberoH = ?L = 100 m, D = 300 mm, f = 0,0254× curva (K = 0,3)

Un tubo lungo 100 m con diametro interno di 300 mm (fattore di attrito di Darcy f = 0,025) 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 = 0,2). 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 100 L/s?

Q = 100 L/sL = 100 mD = 300 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 0,2
H = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 15 L/sH = 64 m

Una pompa con rendimento del 60% eroga 15 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 64 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 15 L/sH = 64 mη = 60%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 50 L/sΔz = 9 mL = 150 m, D = 150 mm, f = 0,022, 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 150 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 78%. Trova la potenza all’albero Pshaft in kW.

Q = 50 L/sΔz = 9 mL = 150 mD = 150 mmf = 0,022ΣK = 8η = 78%
Pshaft = kW

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 2850 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) = 950·(30 − 15)/(15 − 10) = 2850 kg/h

Risposta

ṁ2 = 2850 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 652,3 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 = 800·12/65 = 147,7 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 800 − 147,7 = 652,3 kg/h

Risposta

W = 652,3 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 50,02 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 1,5·2,44·(150 − 70) = 292,8 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 292,8/(2·4,18) = 50,02 °C

Risposta

tout = 50,02 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 1,941 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1,5·2,44·(130 − 60) = 256,2 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,05)·256,2 = 243,4 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 243,4/(4,18·30) = 1,941 kg/s

Risposta

ṁc = 1,941 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 3,525 L

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

Moli

n = 40/44,01 = 0,9089 mol
T = 100 + 273,15 = 373,1 K

Volume

V = nRT/P = 0,9089·8,314·373,1/800 = 3,525 L

Risposta

V = 3,525 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 1,209 L

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

Temperature assolute

T1 = 303,1 K, T2 = 403,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(100/550)·(403,1/303,1) = 1,209 L

Risposta

V2 = 1,209 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 9,947 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) = 6/24,31 = 0,2468 mol
n(O2) = 16/32 = 0,5 mol

Reagente limitante

0,2468/2 = 0,1234, 0,5/1 = 0,5 → Mg

Massa di prodotto

n(MgO) = 0,1234·2 = 0,2468 mol
m = 0,2468·40,3 = 9,947 g

Risposta

m = 9,947 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 75,01 %

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(Al) = 6/26,98 = 0,2224 mol
m = 0,2224·2/2·133,33 = 29,65 g

Resa percentuale

Y = 22,24/29,65·100 = 75,01%

Risposta

Y = 75,01%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 0,7861 mol/L

Equilibrio chimico: per aA + bB ⇌ cC + dD, la costante di equilibrio è Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), con le concentrazioni all’equilibrio. Una tabella ICE (Iniziale, Variazione, Equilibrio) collega le quantità iniziali a quelle all’equilibrio tramite un’unica incognita x, moltiplicata per i coefficienti.

Espressione all’equilibrio

54 = (2x)²/(0,5 − x)²

Estrai la radice quadrata

7,348 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·7,348/(2 + 7,348) = 0,393 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 0,7861 mol/L

Risposta

[HI] = 0,7861 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 1,25 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

0,05 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,05·x − 0,075 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,075))/2 = 0,25 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 1,5 − 0,25 = 1,25 mol/L

Risposta

[PCl5] = 1,25 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 20,31 °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

50·0,129·(190 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 19)

Ricava la temperatura finale

Tf = (6,45·190 + 836·19)/(6,45 + 836) = 20,31 °C

Risposta

Tf = 20,31 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 453,4 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) + 4·(−285,8)] − [2·(−238,7) + 3·0] = −1453 kJ

Calore per la massa data

n = 20/32,04 = 0,6242 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,6242·726,4 = 453,4 kJ

Risposta

q = 453,4 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: k = 0,04621 min⁻¹

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).

Legge integrata del primo ordine

k = ln(CA0/CA)/t = ln(1,5/0,75)/15 = 0,6931/15 = 0,04621 min⁻¹

Risposta

k = 0,04621 min⁻¹
14.Cinetica chimica

Risposta: Ea = 40,05 kJ/mol

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 = 298,1 K, T2 = 328,1 K

Risolvi Arrhenius per Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,477/(-3,066e-4) = 40049 J/mol
Ea = 40,05 kJ/mol

Risposta

Ea = 40,05 kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: VCSTR/VPFR = 2,987

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) = 0,85/0,15 = 5,667
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(6,667) = 1,897

Rapporto dei volumi

VCSTR/VPFR = 5,667/1,897 = 2,987

Risposta

VCSTR/VPFR = 2,987

La differenza cresce rapidamente ad alte conversioni.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 76,19 %

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 = 400/25 = 16 min, kτ = 0,2·16 = 3,2

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 3,2/(1 + 3,2) = 76,19%

Risposta

X = 76,19%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: U = 585,3 W/(m²·K)

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

In equicorrente entrambi gli ingressi sono allo stesso estremo, ed entrambe le uscite all’altro.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 115 − 25 = 90 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 55 − 40 = 15 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (90 − 15)/ln(90/15) = 41,86 K

Coefficiente globale

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 490000/(20·41,86) = 585,3 W/(m²·K)

Risposta

U = 585,3 W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: L = 123 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 = 1·2,5·(100 − 55) = 112,5 kW
Tc,out = 15 + 112,5/(0,8·4,18) = 48,64 °C

Differenze di temperatura agli estremi

In equicorrente entrambi gli ingressi sono allo stesso estremo, ed entrambe le uscite all’altro.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 100 − 15 = 85 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 55 − 48,64 = 6,358 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (85 − 6,358)/ln(85/6,358) = 30,33 K

Area e lunghezza

A = 112500/(300·30,33) = 12,36 m²
L = A/(πD) = 12,36/(π·0,032) = 123 m

Risposta

L = 123 m
19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = 18,39 °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) = (250/1000)/(1,4·6) = 0,02976 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,04·6) = 0,3125 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 30/0,3423 = 87,65 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 21 − 87,65·0,02976 = 18,39 °C

Risposta

Ti = 18,39 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: U = 1,454 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/(8·20) = 0,00625 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(1,4·20) = 0,003571 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·20) = 0,02206 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·20) = 0,0025 K/W
ΣR = 0,03438 K/W

Coefficiente globale

U = 1/(A·ΣR) = 1/(20·0,03438) = 1,454 W/(m²·K)

Risposta

U = 1,454 W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δp = 52,9 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) = 0,025·(200/0,25)·2,3²/(2·9,81) = 5,392 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 = 1000·9,81·5,392 = 52900 Pa = 52,9 kPa

Risposta

Δp = 52,9 kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: H = 1,146 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 = 0,025·100/0,3 = 8,333
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 0,2 = 1,9

Equazione dell’energia

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

H = (1 + 8,333 + 1,9)·0,102 = 1,146 m

Risposta

H = 1,146 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 15,7 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 = 1000·9,81·0,015·64 = 9,418 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 9,418/0,6 = 15,7 kW

Risposta

Pshaft = 15,7 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 13,36 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22 + 8)·0,408 = 12,24 m

Prevalenza della pompa

H = Δz + hL = 9 + 12,24 = 21,24 m

Potenza all’albero

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,05·21,24/0,78 = 13,36 kW

Risposta

Pshaft = 13,36 kW

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