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 1550 kg/h · 40% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 5% saleProdotto15% sale

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

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 40 %x2 = 5 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F2500 kg/h · 15% saleProdotto P50% saleVapore W (acqua pura)W = ? kg/h

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

F = 2500 kg/hxF = 15 %xP = 50 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddomiscela di glicole · 180 °C110 °Cacqua · 25 °Ct = ? °C

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

ṁh = 3 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 110 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoolio leggero · 170 °C60 °Cacqua · 25 °C50 °C · ṁ = ?15% perso

Il olio leggero 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 = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 60 °Ct: 25 → 50 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
120 g di O₂P = 350 kPaT = 35 °CV = ?

Quale volume V occupano 120 g di O₂ a 350 kPa e 35 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 120 gM = 32 g/molP = 350 kPaT = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
He, M = 4,003 g/molP = 950 kPaT = 60 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di He a 950 kPa e 60 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 4,003 g/molP = 950 kPaT = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(Fe)m(Fe)÷ M(X)× 2/ν× M(Fe)

20 g di Fe2O3 e 80 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(CH4​)n(CH4​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(CH4​)× 2/1× M(H2​O)

Nella reazione CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, 10 g di CH4 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 19,77 g di H2O. Trova la resa percentuale Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreale: 19,77 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 = 25. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 25
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,08 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 = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Zincom = 50 gT = 130 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Acquam = 300 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di zinco da 50 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 130 °C viene immerso in 300 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 25 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 300 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H2C4​H10​ + 13O₂reagenti8CO₂ + 10H₂O(l)prodottiΔH° = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare ΔH° della reazione 2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l).

ΔH°f(C4H10) = −125,6 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)C (mol/L)10 minC = ?

Una reazione con legge cinetica −rA = k·CA² ha k = 0,1 L/(mol·min) e parte da 2 mol/L. Trova la concentrazione CA dopo 10 min.

k = 0,1 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/Lt = 10 min
CA = mol/L
14.Cinetica chimicaDifficile
t (min)X (%)15 minX = ?

Una reazione del primo ordine ha k = 0,01 min⁻¹ a 20 °C e un’energia di attivazione di 50 kJ/mol. Il reattore batch ora lavora a 30 °C per 15 min. Trova la conversione X raggiunta.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 20 °CEa = 50 kJ/molT2 = 30 °Ct = 15 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 50 L/minCA0​ = 2 mol/LCA​ = ?V = 800 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 800 L. L’alimentazione entra a 50 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 = 800 LQ = 50 L/mink = 0,1 min⁻¹CA0 = 2 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 50 LV = 50 LQ = 80 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,25 min⁻¹) avviene in due CSTR uguali in serie, ciascuno da 50 L. La portata di alimentazione è 80 L/min, la densità è costante e i reattori sono in regime stazionario. Trova la conversione complessiva X in percentuale.

V = 50 L (×2)Q = 80 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT130 °C105 °C25 °C90 °CΔT₁ΔT₂equicorrente

Uno scambiatore di calore equicorrente trasferisce 90 kW. La sua area di scambio è 3 m². Il fluido caldo si raffredda da 130 a 105 °C e il fluido freddo si riscalda da 25 a 90 °C. Trova il coefficiente globale di scambio U.

Q̇ = 90 kWA = 3 m²Th: 130 → 105 °CTc: 25 → 90 °C
U = W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT95 °C55 °C?25 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

In uno scambiatore a doppio tubo controcorrente, olio caldo (0,2 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) scorre nel tubo interno e si raffredda da 95 a 55 °C. Acqua (0,8 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) nell’intercapedine anulare entra a 25 °C. Il tubo interno ha un diametro di 20 mm, e U = 200 W/(m²·K) è riferito a questo diametro. Trova la lunghezza del tubo L necessaria.

ṁh = 0,2 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 95 → 55 °Cṁc = 0,8 kg/sTc,in = 25 °CD = 20 mmU = 200 W/(m²·K)
L = m
19.Conduzione del caloreMedia
Lana minerale, k = 0,04100 mmCartongesso, k = 0,17100 mm20 °C8 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 100 mm di lana minerale e 100 mm di cartongesso, con un’area di 6 m². Le facce esterne sono a 20 °C e 8 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 100 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 20 °CT3 = 8 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Cartongesso, k = 0,17200 mmLana minerale, k = 0,04100 mmstanza 21 °Cesterno 3 °CQ̇ = ?

Una parete di 200 mm cartongesso e 100 mm lana minerale separa una stanza a 21 °C dall’aria esterna a 3 °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 8 m². Trova la perdita di calore Q̇ attraverso la parete.

L1 = 200 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 8 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 3 °C
Q̇ = W
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 1,1 m/sD = 300 mmL = 300 mf = 0,028

Acqua scorre con una velocità media di 1,1 m/s in un tubo lungo 300 m con diametro interno di 300 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,028 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

V = 1,1 m/sL = 300 mD = 300 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 2Δz = 10 mL = 150 m, D = 300 mm, f = 0,0153× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 150 m con diametro interno di 300 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015. Il pelo libero del serbatoio superiore si trova 10 m sopra quello del serbatoio inferiore. 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. Trova la portata Q in L/s.

Δz = 10 mL = 150 mD = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 100 L/sH = 20 m

Una pompa eroga 100 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 20 m. Il rendimento della pompa è del 75% 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 = 100 L/sH = 20 mηpump = 75%ηmotor = 88%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 60 L/sΔz = 13 mL = 150 m, D = 200 mm, f = 0,02, ΣK = 5

Una pompa trasferisce 60 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 13 m più in alto. Il tubo è lungo 150 m, con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 5 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Il rendimento della pompa è del 70%. Trova la potenza all’albero Pshaft in kW.

Q = 60 L/sΔz = 13 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 5η = 70%
Pshaft = kW

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 1375 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) = 550·(40 − 15)/(15 − 5) = 1375 kg/h

Risposta

ṁ2 = 1375 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 1750 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 = 2500·15/50 = 750 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 2500 − 750 = 1750 kg/h

Risposta

W = 1750 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 115,4 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 3·3,6·(180 − 110) = 756 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 756/(2·4,18) = 115,4 °C

Risposta

tout = 115,4 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,9395 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 0,5·2,1·(170 − 60) = 115,5 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·115,5 = 98,17 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 98,17/(4,18·25) = 0,9395 kg/s

Risposta

ṁc = 0,9395 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 27,45 L

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

Moli

n = 120/32 = 3,75 mol
T = 35 + 273,15 = 308,1 K

Volume

V = nRT/P = 3,75·8,314·308,1/350 = 27,45 L

Risposta

V = 27,45 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 1,373 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 = 60 + 273,15 = 333,1 K

Densità

ρ = 950·4,003/(8,314·333,1) = 1,373 kg/m³

Risposta

ρ = 1,373 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 13,99 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) = 20/159,69 = 0,1252 mol
n(CO) = 80/28,01 = 2,856 mol

Reagente limitante

0,1252/1 = 0,1252, 2,856/3 = 0,952 → Fe2O3

Massa di prodotto

n(Fe) = 0,1252·2 = 0,2505 mol
m = 0,2505·55,85 = 13,99 g

Risposta

m = 13,99 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 87,99 %

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(CH4) = 10/16,04 = 0,6234 mol
m = 0,6234·2/1·18,02 = 22,47 g

Resa percentuale

Y = 19,77/22,47·100 = 87,99%

Risposta

Y = 87,99%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,1429 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

25 = (2x)²/(0,5 − x)²

Estrai la radice quadrata

5 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·5/(2 + 5) = 0,3571 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 0,5 − x = 0,1429 mol/L

Risposta

[H2] = 0,1429 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 1,191 mol/L

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

Espressione all’equilibrio

0,08 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,08·x − 0,12 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,12))/2 = 0,3087 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 1,5 − 0,3087 = 1,191 mol/L

Risposta

[PCl5] = 1,191 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 26,6 °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

50·0,388·(130 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 25)

Ricava la temperatura finale

Tf = (19,4·130 + 1254·25)/(19,4 + 1254) = 26,6 °C

Risposta

Tf = 26,6 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −5755 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

Risposta

ΔH° = −5755 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: CA = 0,6667 mol/L

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).

Legge integrata del secondo ordine

1/CA = 1/CA0 + kt = 0,5 + 0,1·10 = 1,5 L/mol
CA = 1/1,5 = 0,6667 mol/L

Risposta

CA = 0,6667 mol/L
14.Cinetica chimica

Risposta: X = 25,56 %

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Costante cinetica alla nuova temperatura

T1 = 293,1 K, T2 = 303,1 K
k2 = 0,01·e−(50000/8,314)·(1/303,1 − 1/293,1) = 0,01967 min⁻¹

Conversione

X = 1 − e−0,01967·15 = 1 − 0,7444 = 25,56 %

Risposta

X = 25,56 %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: CA = 0,4038 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 = 800/50 = 16 min

Concentrazione di uscita

CA = 2·e−0,1·16 = 0,4038 mol/L

Risposta

CA = 0,4038 mol/L

Conversione: X = 79,81%.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 25,2 %

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 = 50/80 = 0,625 min, kτ = 0,25·0,625 = 0,1563

Conversione

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,1563) = 0,8649
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,748
X = 1 − 0,748 = 25,2%

Risposta

X = 25,2%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: U = 648,6 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 = 130 − 25 = 105 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 105 − 90 = 15 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (105 − 15)/ln(105/15) = 46,25 K

Coefficiente globale

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 90000/(3·46,25) = 648,6 W/(m²·K)

Risposta

U = 648,6 W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: L = 32,49 m

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Potenza termica e temperatura di uscita dell’acqua

Q̇ = 0,2·2,3·(95 − 55) = 18,4 kW
Tc,out = 25 + 18,4/(0,8·4,18) = 30,5 °C

Differenze di temperatura agli estremi

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 95 − 30,5 = 64,5 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 25 = 30 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (64,5 − 30)/ln(64,5/30) = 45,07 K

Area e lunghezza

A = 18400/(200·45,07) = 2,041 m²
L = A/(πD) = 2,041/(π·0,02) = 32,49 m

Risposta

L = 32,49 m
19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = 10,29 °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)/(0,04·6) = 0,4167 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·6) = 0,09804 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 12/0,5147 = 23,31 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 20 − 23,31·0,4167 = 10,29 °C

Risposta

Ti = 10,29 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 37,08 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/(6·8) = 0,02083 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,17·8) = 0,1471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,04·8) = 0,3125 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·8) = 0,005 K/W
ΣR = 0,4854 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (21 − (3))/0,4854 = 37,08 W

Risposta

Q̇ = 37,08 W
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 1,727 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) = 1,1²/(2·9,81) = 0,06167 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(300/0,3)·1,1²/(2·9,81) = 1,727 m

Risposta

hf = 1,727 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Q = 287 L/s

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.

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,015·150/0,3 = 7,5
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4

Equazione dell’energia

Entrambe le superfici sono aperte all’aria e praticamente in quiete, quindi tutto Δz viene perso nel tubo.

10 = (7,5 + 4,4)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·10/11,9) = 4,06 m/s

Portata

Q = V·π·D²/4 = 4,06·0,07069 = 0,287 m³/s = 287 L/s

Risposta

Q = 287 L/s
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pel = 29,73 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 = 1000·9,81·0,1·20 = 19,62 kW

Potenza all’albero

Pshaft = 19,62/0,75 = 26,16 kW

Potenza elettrica

Pel = 26,16/0,88 = 29,73 kW

Risposta

Pel = 29,73 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 14,06 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 = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (15 + 5)·0,1859 = 3,718 m

Prevalenza della pompa

H = Δz + hL = 13 + 3,718 = 16,72 m

Potenza all’albero

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,06·16,72/0,7 = 14,06 kW

Risposta

Pshaft = 14,06 kW

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