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 1900 kg/h · 10% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 50% NaOHProdotto45% NaOH

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 45% di NaOH? Trova ṁ2.

ṁ1 = 900 kg/hx1 = 10 %x2 = 50 %x3 = 45 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F4700 kg/h · 14% NaOHProdotto PP = ? · 65%Vapore W (acqua pura)0% NaOH

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

F = 4700 kg/hxF = 14 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoolio leggero · 120 °C80 °Cacqua · 30 °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: 120 → 80 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoetanolo · 140 °C70 °Cacqua · 30 °C80 °C · ṁ = ?10% perso

Il etanolo caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 10% del calore ceduto dalla corrente calda. Trova la portata d’acqua ṁc necessaria.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 70 °Ct: 30 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
390 g di CO₂V = 5 LT = 65 °CP = ?

Un serbatoio di 5 L contiene 390 g di CO₂ a 65 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 390 gM = 44,01 g/molV = 5 LT = 65 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Ar, M = 39,95 g/molP = 600 kPaT = 40 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di Ar a 600 kPa e 40 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 39,95 g/molP = 600 kPaT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

10 g di Al e 24 g di Cl2 reagiscono secondo 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3. Quale massa m di AlCl3 si può formare?

M(Al) = 26,98M(Cl2) = 70,9M(AlCl3) = 133,33 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CaO)m(CaO)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CaO)

Nella reazione CaCO3 → CaO + CO2, 16 g di CaCO3 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 8,16 g di CaO. Trova la resa percentuale Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CaO) = 56,08 g/molreale: 8,16 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

0,8 mol/L di H₂ e 0,8 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 64. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 64
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,2500C−x+x+xE0,25 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,5 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,25 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,5
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Piombom = 75 gT = 120 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Acquam = 250 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di piombo da 75 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 120 °C viene immerso in 250 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 25 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 120 °Cmwater = 250 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H2C2​H6​ + 7O₂reagenti4CO₂ + 6H₂O(l)prodottiΔH° = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare ΔH° della reazione 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C2H6) = −84,7 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)t½​ = ?C0​/2

Una reazione del secondo ordine (−rA = k·CA²) ha k = 0,1 L/(mol·min) e una concentrazione iniziale di 0,2 mol/L. Trova il suo primo tempo di dimezzamento t½.

k = 0,1 L/(mol·min)CA0 = 0,2 mol/L
t½ = min
14.Cinetica chimicaDifficile
t (min)X (%)60 minX = ?

Una reazione del primo ordine ha k = 0,005 min⁻¹ a 20 °C e un’energia di attivazione di 50 kJ/mol. Il reattore batch ora lavora a 30 °C per 60 min. Trova la conversione X raggiunta.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 20 °CEa = 50 kJ/molT2 = 30 °Ct = 60 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 25 L/minX = 90%V = ?, k = 0,5 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,5 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 25 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova il volume del reattore V in litri per una conversione di A del 90%.

Q = 25 L/mink = 0,5 min⁻¹X = 90%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 200 LQ = 50 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,08 min⁻¹) avviene in un CSTR da 200 L alimentato a 50 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 200 LQ = 50 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT165 °C60 °C30 °C55 °CΔT₁ΔT₂equicorrente

Uno scambiatore equicorrente trasferisce 230 kW. Il fluido caldo si raffredda da 165 a 60 °C e il fluido freddo si riscalda da 30 a 55 °C. Il coefficiente globale di scambio è 300 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 230 kWU = 300 W/(m²·K)Th: 165 → 60 °CTc: 30 → 55 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT155 °C65 °C41,91 °C15 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (1,5 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) si raffredda da 155 a 65 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 3 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 15 °C. Con U = 300 W/(m²·K), trova l’area di scambio A necessaria.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 155 → 65 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 300 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Legno, k = 0,17150 mmMattone, k = 0,7250 mm19 °C-15 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 150 mm di legno e 50 mm di mattone, con un’area di 6 m². Le facce esterne sono a 19 °C e -15 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 19 °CT3 = -15 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Vetro, k = 0,96200 mmMattone, k = 0,7275 mmstanza 20 °Cesterno -8 °CQ̇

Una parete di 200 mm vetro e 75 mm mattone separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a -8 °C. I coefficienti di convezione sono 10 W/(m²·K) all’interno e 30 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 4 m². Trova la trasmittanza termica U della parete.

L1 = 200 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 4 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -8 °C
U = W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 1,1 m/sD = 75 mmL = 400 mf = 0,03

Acqua scorre con una velocità media di 1,1 m/s in un tubo lungo 400 m con diametro interno di 75 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,03 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

V = 1,1 m/sL = 400 mD = 75 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 10sbocco liberoH = ?L = 150 m, D = 300 mm, f = 0,022× curva (K = 0,3)

Un tubo lungo 150 m con diametro interno di 300 mm (fattore di attrito di Darcy f = 0,02) 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 120 L/s?

Q = 120 L/sL = 150 mD = 300 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10
H = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 50 L/sH = 68 m

Una pompa con rendimento del 80% eroga 50 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 68 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 50 L/sH = 68 mη = 80%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
200 kPa (relativa)PQ = 80 L/sΔz = 14 mL = 300 m, D = 250 mm, f = 0,025, ΣK = 8

Una pompa trasferisce 80 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 14 m più in alto. Il tubo è lungo 300 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. La vasca superiore è chiusa e l’aria sopra l’acqua è a una pressione relativa di 200 kPa. Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 80 L/sΔz = 14 mL = 300 mD = 250 mmf = 0,025ΣK = 8ptank = 200 kPa
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 6300 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
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Risolvi per ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 900·(10 − 45)/(45 − 50) = 6300 kg/h

Risposta

ṁ2 = 6300 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 1012 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 = 4700·14/65 = 1012 kg/h

Risposta

P = 1012 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 50,1 °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·(120 − 80) = 84 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 84/(1·4,18) = 50,1 °C

Risposta

tout = 50,1 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,7355 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1·2,44·(140 − 70) = 170,8 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,1)·170,8 = 153,7 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 153,7/(4,18·50) = 0,7355 kg/s

Risposta

ṁc = 0,7355 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 4983 kPa

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

Moli

n = m/M = 390/44,01 = 8,862 mol
T = 65 + 273,15 = 338,1 K

Pressione

P = nRT/V = 8,862·8,314·338,1/0,005 = 4983 kPa

Risposta

P = 4983 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 9,207 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 = 40 + 273,15 = 313,1 K

Densità

ρ = 600·39,95/(8,314·313,1) = 9,207 kg/m³

Risposta

ρ = 9,207 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 30,09 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(Al) = 10/26,98 = 0,3706 mol
n(Cl2) = 24/70,9 = 0,3385 mol

Reagente limitante

0,3706/2 = 0,1853, 0,3385/3 = 0,1128 → Cl2

Massa di prodotto

n(AlCl3) = 0,1128·2 = 0,2257 mol
m = 0,2257·133,33 = 30,09 g

Risposta

m = 30,09 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 91,02 %

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(CaCO3) = 16/100,09 = 0,1599 mol
m = 0,1599·1/1·56,08 = 8,965 g

Resa percentuale

Y = 8,16/8,965·100 = 91,02%

Risposta

Y = 91,02%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 1,28 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

64 = (2x)²/(0,8 − x)²

Estrai la radice quadrata

8 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·8/(2 + 8) = 0,64 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 1,28 mol/L

Risposta

[HI] = 1,28 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [Cl2] = 0,183 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

0,5 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,5·x − 0,125 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,125))/2 = 0,183 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[Cl₂] = x = 0,183 mol/L

Risposta

[Cl2] = 0,183 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 25,87 °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

75·0,129·(120 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 25)

Ricava la temperatura finale

Tf = (9,675·120 + 1045·25)/(9,675 + 1045) = 25,87 °C

Risposta

Tf = 25,87 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −3119 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° = [4·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [2·(−84,7) + 7·0] = −3119 kJ

Risposta

ΔH° = −3119 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: t½ = 50 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/(0,1·0,2) = 50 min

Risposta

t½ = 50 min

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

14.Cinetica chimica

Risposta: X = 44,58 %

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 = 0,005·e−(50000/8,314)·(1/303,1 − 1/293,1) = 0,009837 min⁻¹

Conversione

X = 1 − e−0,009837·60 = 1 − 0,5542 = 44,58 %

Risposta

X = 44,58 %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 115,1 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 = ln(1/(1 − 0,9))/0,5 = 2,303/0,5 = 4,605 min

Volume

V = Q·τ = 25·4,605 = 115,1 L

Risposta

V = 115,1 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 24,24 %

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 = 200/50 = 4 min, kτ = 0,08·4 = 0,32

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 0,32/(1 + 0,32) = 24,24%

Risposta

X = 24,24%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 19,44 m²

Metodo LMTD: la differenza di temperatura tra le correnti cambia lungo lo scambiatore, quindi l’equazione usa la sua media logaritmica: Q̇ = U·A·ΔTlm, con ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), dove ΔT₁ e ΔT₂ sono le differenze ai due estremi. A parità di temperature di ingresso e uscita, la controcorrente dà un ΔTlm maggiore dell’equicorrente.

Differenze di temperatura agli estremi

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 165 − 30 = 135 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 60 − 55 = 5 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (135 − 5)/ln(135/5) = 39,44 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 230000/(300·39,44) = 19,44 m²

Risposta

A = 19,44 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 14,55 m²

Metodo LMTD: la differenza di temperatura tra le correnti cambia lungo lo scambiatore, quindi l’equazione usa la sua media logaritmica: Q̇ = U·A·ΔTlm, con ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), dove ΔT₁ e ΔT₂ sono le differenze ai due estremi. A parità di temperature di ingresso e uscita, la controcorrente dà un ΔTlm maggiore dell’equicorrente.

Potenza termica e temperatura di uscita dell’acqua

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1,5·2,5·90 = 337,5 kW
Tc,out = 15 + 337,5/(3·4,18) = 41,91 °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 = 155 − 41,91 = 113,1 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 15 = 50 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (113,1 − 50)/ln(113,1/50) = 77,3 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 337500/(300·77,3) = 14,55 m²

Risposta

A = 14,55 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = −12,52 °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) = (150/1000)/(0,17·6) = 0,1471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,72·6) = 0,01157 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 34/0,1586 = 214,3 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 19 − 214,3·0,1471 = −12,52 °C

Risposta

Ti = −12,52 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: U = 2,243 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/(10·4) = 0,025 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,96·4) = 0,05208 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,72·4) = 0,02604 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·4) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,1115 K/W

Coefficiente globale

U = 1/(A·ΣR) = 1/(4·0,1115) = 2,243 W/(m²·K)

Risposta

U = 2,243 W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 9,867 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) = 0,03·(400/0,075)·1,1²/(2·9,81) = 9,867 m

Risposta

hf = 9,867 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: H = 3,246 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 = 0,12/0,07069 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,02·150/0,3 = 10
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 + 10 + 11,1)·0,1469 = 3,246 m

Risposta

H = 3,246 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 41,69 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 = 1000·9,81·0,05·68 = 33,35 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 33,35/0,8 = 41,69 kW

Risposta

Pshaft = 41,69 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 39,53 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 = 0,08/0,04909 = 1,63 m/s
V²/(2g) = 0,1354 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (30 + 8)·0,1354 = 5,144 m

Altezza piezometrica

p/(ρ·g) = 200000/(1000·9,81) = 20,39 m

Prevalenza della pompa

Entrambe le superfici sono praticamente in quiete, quindi non c’è il termine dell’altezza cinetica.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 14 + 20,39 + 5,144 = 39,53 m

Risposta

H = 39,53 m

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