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 · 50% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 15% saleProdotto20% sale

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 20% di sale? Trova ṁ2.

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 50 %x2 = 15 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F2300 kg/h · 8% saleProdotto PP = ? · 35%Vapore W (acqua pura)0% sale

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

F = 2300 kg/hxF = 8 %xP = 35 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoolio leggero · 140 °C60 °Cacqua · 10 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 140 → 60 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoetanolo · 150 °C80 °Cacqua · 10 °C75 °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: 150 → 80 °Ct: 10 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 5 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
50 g di ArV = 20 LT = 30 °CP = ?

Un serbatoio di 20 L contiene 50 g di Ar a 30 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 50 gM = 39,95 g/molV = 20 LT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di CH₄ passa da 400 kPa, 10 L, 35 °C a 450 kPa e 50 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 400 kPaV1 = 10 LT1 = 35 °CP2 = 450 kPaT2 = 50 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

30 g di C3H8 e 40 g di O2 reagiscono secondo C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. Quale massa m di CO2 si può formare?

M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 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 15,73 g di H2O. Trova la resa percentuale Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreale: 15,73 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

0,2 mol/L di H₂ e 0,2 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 9. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 9
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,2500C−x+x+xE0,25 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,05 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,25 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Zincom = 250 gT = 160 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Acquam = 150 gT = 24 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di zinco da 250 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 160 °C viene immerso in 150 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 24 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 150 gTwater = 24 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H20 g C4​H10​2C4​H10​ + 13O₂reagenti8CO₂ + 10H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 20 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)C (mol/L)t½​ = ?C0​/2

Una reazione del secondo ordine (−rA = k·CA²) ha k = 0,1 L/(mol·min) e una concentrazione iniziale di 0,8 mol/L. Trova il suo primo tempo di dimezzamento t½.

k = 0,1 L/(mol·min)CA0 = 0,8 mol/L
t½ = min
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk30 °C0,00240 °C0,00401

La costante cinetica di una reazione è 0,002 min⁻¹ a 30 °C e 0,00401 min⁻¹ a 40 °C. Trova l’energia di attivazione Ea.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 30 °Ck2 = 0,00401 min⁻¹T2 = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 80 L/minCA0​ = 0,5 mol/LCA​ = ?V = 500 L, k = 0,4 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B (k = 0,4 min⁻¹) avviene in un reattore a flusso a pistone (PFR) da 500 L. L’alimentazione entra a 80 L/min con CA0 = 0,5 mol/L. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la concentrazione di uscita CA.

V = 500 LQ = 80 L/mink = 0,4 min⁻¹CA0 = 0,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 1000 LQ = 10 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,15 min⁻¹) avviene in un CSTR da 1000 L alimentato a 10 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 1000 LQ = 10 L/mink = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT135 °C45 °C90 °C25 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore a fascio tubiero (un passaggio lato mantello, due passaggi lato tubi) deve trasferire 480 kW. Il fluido caldo si raffredda da 135 a 45 °C e il fluido freddo si riscalda da 25 a 90 °C. Il fattore di correzione della LMTD per questa configurazione è F = 0,92, e U = 800 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 480 kWF = 0,92U = 800 W/(m²·K)Th: 135 → 45 °CTc: 25 → 90 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT110 °C15 °C?ΔT₁ΔT₂vapore che condensa

Il vapore condensa a 110 °C costanti all’esterno dei tubi di un condensatore con un’area di scambio di 1,5 m² e U = 2000 W/(m²·K). L’acqua di raffreddamento (0,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nei tubi a 15 °C. Trova la temperatura di uscita dell’acqua Tc,out.

Ts = 110 °CA = 1,5 m²U = 2000 W/(m²·K)ṁ = 0,5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °C
Tc,out = °C
19.Conduzione del caloreMedia
Polistirene espanso, k = 0,035100 mmVetro, k = 0,96150 mm25 °C-11 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 100 mm di polistirene espanso e 150 mm di vetro, con un’area di 20 m². Le facce esterne sono a 25 °C e -11 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 100 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 25 °CT3 = -11 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Mattone, k = 0,72150 mmLana minerale, k = 0,0475 mmstanza 22 °Cesterno -9 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 150 mm mattone e 75 mm lana minerale separa una stanza a 22 °C dall’aria esterna a -9 °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 4 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 150 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 4 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -9 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
Q = 100 L/sD = 200 mmL = 800 mf = 0,028

Acqua scorre con una portata di 100 L/s in un tubo lungo 800 m con diametro interno di 200 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.

Q = 100 L/sL = 800 mD = 200 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 10sbocco liberoH = ?L = 150 m, D = 200 mm, f = 0,0252× curva (K = 0,3)

Un tubo lungo 150 m con diametro interno di 200 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), 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 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 150 mD = 200 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10
H = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 20 L/sH = 26 m

Una pompa con rendimento del 80% eroga 20 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 26 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 20 L/sH = 26 mη = 80%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 100 L/sΔz = 9 mL = 200 m, D = 250 mm, f = 0,025, ΣK = 8

Una pompa trasferisce 100 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 200 m, con diametro interno di 250 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 = 100 L/sΔz = 9 mL = 200 mD = 250 mmf = 0,025ΣK = 8
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 3900 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·(50 − 20)/(20 − 15) = 3900 kg/h

Risposta

ṁ2 = 3900 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 525,7 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 = 2300·8/35 = 525,7 kg/h

Risposta

P = 525,7 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 36,79 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 1·2,1·(140 − 60) = 168 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 168/(1,5·4,18) = 36,79 °C

Risposta

tout = 36,79 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,8958 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1,5·2,44·(150 − 80) = 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/(4,18·65) = 0,8958 kg/s

Risposta

ṁc = 0,8958 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 157,7 kPa

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

Moli

n = m/M = 50/39,95 = 1,252 mol
T = 30 + 273,15 = 303,1 K

Pressione

P = nRT/V = 1,252·8,314·303,1/0,02 = 157,7 kPa

Risposta

P = 157,7 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 9,322 L

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

Temperature assolute

T1 = 308,1 K, T2 = 323,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(400/450)·(323,1/308,1) = 9,322 L

Risposta

V2 = 9,322 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 33,01 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(C3H8) = 30/44,1 = 0,6803 mol
n(O2) = 40/32 = 1,25 mol

Reagente limitante

0,6803/1 = 0,6803, 1,25/5 = 0,25 → O2

Massa di prodotto

n(CO2) = 0,25·3 = 0,75 mol
m = 0,75·44,01 = 33,01 g

Risposta

m = 33,01 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 70,01 %

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

Resa percentuale

Y = 15,73/22,47·100 = 70,01%

Risposta

Y = 70,01%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 0,24 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/(0,2 − x)²

Estrai la radice quadrata

3 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·3/(2 + 3) = 0,12 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 0,24 mol/L

Risposta

[HI] = 0,24 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,1604 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/(0,25 − x) → x² + 0,05·x − 0,0125 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,0125))/2 = 0,08956 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,25 − 0,08956 = 0,1604 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,1604 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 42,22 °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

250·0,388·(160 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 24)

Ricava la temperatura finale

Tf = (97·160 + 627·24)/(97 + 627) = 42,22 °C

Risposta

Tf = 42,22 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 990,2 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 = 20/58,12 = 0,3441 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,3441·2877 = 990,2 kJ

Risposta

q = 990,2 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: t½ = 12,5 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Tempo di dimezzamento del secondo ordine

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0,1·0,8) = 12,5 min

Risposta

t½ = 12,5 min

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

14.Cinetica chimica

Risposta: Ea = 54,9 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 = 303,1 K, T2 = 313,1 K

Risolvi Arrhenius per Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·0,6956/(-1,053e-4) = 54904 J/mol
Ea = 54,9 kJ/mol

Risposta

Ea = 54,9 kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: CA = 0,04104 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 = 500/80 = 6,25 min

Concentrazione di uscita

CA = 0,5·e−0,4·6,25 = 0,04104 mol/L

Risposta

CA = 0,04104 mol/L

Conversione: X = 91,79%.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 93,75 %

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 = 1000/10 = 100 min, kτ = 0,15·100 = 15

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 15/(1 + 15) = 93,75%

Risposta

X = 93,75%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 21,15 m²

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

Differenze di temperatura agli estremi (controcorrente)

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 135 − 90 = 45 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 25 = 20 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (45 − 20)/ln(45/20) = 30,83 K

Area

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 480000/(800·0,92·30,83) = 21,15 m²

Risposta

A = 21,15 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Tc,out = 87,39 °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.

Combina il bilancio energetico e l’equazione di scambio

Con ΔT₁ = Ts − Tc,in e ΔT₂ = Ts − Tc,out, la differenza ΔT₁ − ΔT₂ è uguale all’aumento di temperatura dell’acqua, quindi l’aumento si semplifica.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 2000·1,5/(0,5·4180) = 1,435

Temperatura di uscita

ΔT₂ = ΔT₁·e−1,435 = 95·0,238 = 22,61 K
Tc,out = 110 − 22,61 = 87,39 °C

Risposta

Tc,out = 87,39 °C

Calore trasferito: Q̇ = 151,3 kW.

19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = −9,133 °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)/(0,035·20) = 0,1429 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,96·20) = 0,007813 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 36/0,1507 = 238,9 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 25 − 238,9·0,1429 = −9,133 °C

Risposta

Ti = −9,133 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 20,28 °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 in serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(8·4) = 0,03125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,72·4) = 0,05208 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,04·4) = 0,4688 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·4) = 0,0125 K/W
ΣR = 0,5646 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (22 − (-9))/0,5646 = 54,91 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 54,91·0,03125 = 20,28 °C

Risposta

Ts = 20,28 °C
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 57,84 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 media

A = π·0,2²/4 = 0,03142 m²
V = Q/A = 0,1/0,03142 = 3,183 m/s

Altezza cinetica

V²/(2g) = 3,183²/(2·9,81) = 0,5164 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(800/0,2)·3,183²/(2·9,81) = 57,84 m

Risposta

hf = 57,84 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: H = 10,2 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 = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,025·150/0,2 = 18,75
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 + 18,75 + 11,1)·0,3305 = 10,2 m

Risposta

H = 10,2 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 6,377 kW

Potenza di una pompa: la potenza ceduta all’acqua è la potenza idraulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. L’albero deve fornire di più perché la pompa ha delle perdite: Pshaft = Ph/ηpump, e il motore assorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La prevalenza H della pompa si ricava dall’equazione dell’energia: dislivello geodetico + altezza piezometrica + tutte le perdite distribuite e localizzate.

Potenza idraulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,02·26 = 5,101 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 5,101/0,8 = 6,377 kW

Risposta

Pshaft = 6,377 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 14,92 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 = 0,1/0,04909 = 2,037 m/s
V²/(2g) = 0,2115 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (20 + 8)·0,2115 = 5,923 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 + 5,923 = 14,92 m

Risposta

H = 14,92 m

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