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 1850 kg/h · 20% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 35% saleProdotto30% sale

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

ṁ1 = 850 kg/hx1 = 20 %x2 = 35 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F3400 kg/h · 5% saleProdotto P45% 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 = 3400 kg/hxF = 5 %xP = 45 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 160 °C130 °Cacqua · 20 °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: 160 → 130 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 130 °C60 °Cacqua · 10 °C60 °C · ṁ = ?15% perso

Il miscela di glicole caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 15% del calore ceduto dalla corrente calda. Trova la portata d’acqua ṁc necessaria.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Ct: 10 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
350 g di CH₄V = 30 LT = 90 °CP = ?

Un serbatoio di 30 L contiene 350 g di CH₄ a 90 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 350 gM = 16,04 g/molV = 30 LT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Ar, M = 39,95 g/molP = 1000 kPaT = 200 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di Ar a 1000 kPa e 200 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 39,95 g/molP = 1000 kPaT = 200 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

12 g di Mg e 20 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(C6​H12​O6​)n(C6​H12​O6​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C6​H12​O6​)× 2/1× M(CO2​)

Nella reazione C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2, 30 g di C6H12O6 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 12,46 g di CO2. Trova la resa percentuale Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreale: 12,46 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 = 9. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 9
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

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

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0,1
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Ramem = 50 gT = 150 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Acquam = 200 gT = 17 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di rame da 50 g (c = 0,385 J/(g·°C)) a 150 °C viene immerso in 200 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 17 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 200 gTwater = 17 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H50 g C2​H6​2C2​H6​ + 7O₂reagenti4CO₂ + 6H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 50 g di C2H6 (M = 30,07 g/mol) bruciano completamente: 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(C2H6) = −84,7 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)10 min0,35

In una reazione del primo ordine la concentrazione di A scende da 1 mol/L a 0,35 mol/L in 10 min. Trova la costante cinetica k.

CA0 = 1 mol/LCA = 0,35 mol/Lt = 10 min
k = min⁻¹
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk35 °C0,0255 °C?

Una reazione ha una costante cinetica di 0,02 min⁻¹ a 35 °C e un’energia di attivazione di 75 kJ/mol. Trova la costante cinetica k2 a 55 °C.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 35 °CT2 = 55 °CEa = 75 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 50 L/minX = 75%V = ?, k = 0,05 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,05 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 50 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 75%.

Q = 50 L/mink = 0,05 min⁻¹X = 75%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 50 LV = 50 LQ = 25 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,3 min⁻¹) avviene in due CSTR uguali in serie, ciascuno da 50 L. La portata di alimentazione è 25 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 = 25 L/mink = 0,3 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT135 °C100 °C80 °C20 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore controcorrente trasferisce 470 kW. Il fluido caldo si raffredda da 135 a 100 °C e il fluido freddo si riscalda da 20 a 80 °C. Il coefficiente globale di scambio è 1500 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 470 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 135 → 100 °CTc: 20 → 80 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT130 °C20 °C?ΔT₁ΔT₂vapore che condensa

Il vapore condensa a 130 °C costanti all’esterno dei tubi di un condensatore con un’area di scambio di 1,5 m² e U = 3000 W/(m²·K). L’acqua di raffreddamento (0,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nei tubi a 20 °C. Trova la temperatura di uscita dell’acqua Tc,out.

Ts = 130 °CA = 1,5 m²U = 3000 W/(m²·K)ṁ = 0,5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °C
Tc,out = °C
19.Conduzione del caloreMedia
Mattone, k = 0,72100 mmVetro, k = 0,96150 mm21 °C-2 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 100 mm di mattone e 150 mm di vetro, con un’area di 12 m². Le facce esterne sono a 21 °C e -2 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 100 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 21 °CT3 = -2 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Lana minerale, k = 0,04250 mmPolistirene espanso, k = 0,035100 mmstanza 22 °Cesterno -15 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 250 mm lana minerale e 100 mm polistirene espanso separa una stanza a 22 °C dall’aria esterna a -15 °C. I coefficienti di convezione sono 8 W/(m²·K) all’interno e 30 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 6 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 250 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -15 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 2,6 m/sD = 150 mmL = 500 mf = 0,02

Acqua scorre con una velocità media di 2,6 m/s in un tubo lungo 500 m con diametro interno di 150 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,02 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

V = 2,6 m/sL = 500 mD = 150 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 2sbocco liberoH = ?L = 300 m, D = 300 mm, f = 0,0223× curva (K = 0,3)

Un tubo lungo 300 m con diametro interno di 300 mm (fattore di attrito di Darcy f = 0,022) parte da un serbatoio aperto e scarica come getto libero in aria. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 3 curve (K = 0,3 ciascuna) e una valvola (K = 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 200 L/s?

Q = 200 L/sL = 300 mD = 300 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2
H = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 10 L/sH = 64 m

Una pompa con rendimento del 75% eroga 10 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 = 10 L/sH = 64 mη = 75%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 50 L/sΔz = 5 mL = 200 m, D = 150 mm, f = 0,02, ΣK = 2,5

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 5 m più in alto. Il tubo è lungo 200 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 2,5 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Il rendimento della pompa è del 85%. Trova la potenza all’albero Pshaft in kW.

Q = 50 L/sΔz = 5 mL = 200 mD = 150 mmf = 0,02ΣK = 2,5η = 85%
Pshaft = kW

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 1700 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) = 850·(20 − 30)/(30 − 35) = 1700 kg/h

Risposta

ṁ2 = 1700 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 3022 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 = 3400·5/45 = 377,8 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 3400 − 377,8 = 3022 kg/h

Risposta

W = 3022 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 46,27 °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·(160 − 130) = 109,8 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 109,8/(1·4,18) = 46,27 °C

Risposta

tout = 46,27 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,5124 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 0,5·3,6·(130 − 60) = 126 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·126 = 107,1 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 107,1/(4,18·50) = 0,5124 kg/s

Risposta

ṁc = 0,5124 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 2196 kPa

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

Moli

n = m/M = 350/16,04 = 21,82 mol
T = 90 + 273,15 = 363,1 K

Pressione

P = nRT/V = 21,82·8,314·363,1/0,03 = 2196 kPa

Risposta

P = 2196 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 10,16 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 = 200 + 273,15 = 473,1 K

Densità

ρ = 1000·39,95/(8,314·473,1) = 10,16 kg/m³

Risposta

ρ = 10,16 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 19,89 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) = 12/24,31 = 0,4936 mol
n(O2) = 20/32 = 0,625 mol

Reagente limitante

0,4936/2 = 0,2468, 0,625/1 = 0,625 → Mg

Massa di prodotto

n(MgO) = 0,2468·2 = 0,4936 mol
m = 0,4936·40,3 = 19,89 g

Risposta

m = 19,89 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 85,01 %

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(C6H12O6) = 30/180,16 = 0,1665 mol
m = 0,1665·2/1·44,01 = 14,66 g

Resa percentuale

Y = 12,46/14,66·100 = 85,01%

Risposta

Y = 85,01%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 0,6 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/(0,5 − x)²

Estrai la radice quadrata

3 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·3/(2 + 3) = 0,3 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 0,6 mol/L

Risposta

[HI] = 0,6 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,7298 mol/L

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

Espressione all’equilibrio

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

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,1))/2 = 0,2702 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 1 − 0,2702 = 0,7298 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,7298 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 19,99 °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

50·0,385·(150 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 17)

Ricava la temperatura finale

Tf = (19,25·150 + 836·17)/(19,25 + 836) = 19,99 °C

Risposta

Tf = 19,99 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 2593 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

Calore per la massa data

n = 50/30,07 = 1,663 mol
q = n·|ΔH°/2| = 1,663·1560 = 2593 kJ

Risposta

q = 2593 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: k = 0,105 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(1/0,35)/10 = 1,05/10 = 0,105 min⁻¹

Risposta

k = 0,105 min⁻¹
14.Cinetica chimica

Risposta: k2 = 0,1191 min⁻¹

Velocità di reazione: per una reazione del primo ordine −dC/dt = kC, quindi C = C₀·e−kt e il tempo di dimezzamento ln 2/k non dipende dalla concentrazione. Per una reazione del secondo ordine 1/C = 1/C₀ + kt. La costante cinetica aumenta con la temperatura secondo Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperature assolute

T1 = 308,1 K, T2 = 328,1 K

Rapporto di Arrhenius

ln(k2/k1) = −(75000/8,314)·(1/328,1 − 1/308,1) = 1,784
k2 = 0,02·e1,784 = 0,1191 min⁻¹

Risposta

k2 = 0,1191 min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 1386 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 − 0,75))/0,05 = 1,386/0,05 = 27,73 min

Volume

V = Q·τ = 50·27,73 = 1386 L

Risposta

V = 1386 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 60,94 %

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 = 50/25 = 2 min, kτ = 0,3·2 = 0,6

Conversione

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,6) = 0,625
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,3906
X = 1 − 0,3906 = 60,94%

Risposta

X = 60,94%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 4,696 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 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 − 80 = 55 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 100 − 20 = 80 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (55 − 80)/ln(55/80) = 66,72 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 470000/(1500·66,72) = 4,696 m²

Risposta

A = 4,696 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Tc,out = 117,2 °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) = 3000·1,5/(0,5·4180) = 2,153

Temperatura di uscita

ΔT₂ = ΔT₁·e−2,153 = 110·0,1161 = 12,77 K
Tc,out = 130 − 12,77 = 117,2 °C

Risposta

Tc,out = 117,2 °C

Calore trasferito: Q̇ = 203,2 kW.

19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 935,2 W

Resistenza termica: il flusso di calore stazionario attraverso strati in serie si comporta come una corrente in resistori in serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) per uno strato conduttivo e R = 1/(hA) per una superficie con convezione. La caduta di temperatura in ogni strato è proporzionale alla sua resistenza.

Resistenze degli strati

R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,72·12) = 0,01157 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,96·12) = 0,01302 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 23/0,02459 = 935,2 W

Risposta

Q̇ = 935,2 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 21,5 °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/(8·6) = 0,02083 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,04·6) = 1,042 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,035·6) = 0,4762 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·6) = 0,005556 K/W
ΣR = 1,544 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (22 − (-15))/1,544 = 23,96 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 23,96·0,02083 = 21,5 °C

Risposta

Ts = 21,5 °C
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 22,97 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) = 2,6²/(2·9,81) = 0,3445 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(500/0,15)·2,6²/(2·9,81) = 22,97 m

Risposta

hf = 22,97 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: H = 10,77 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 = 0,2/0,07069 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,022·300/0,3 = 22
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 = 3,4

Equazione dell’energia

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

H = (1 + 22 + 3,4)·0,408 = 10,77 m

Risposta

H = 10,77 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 8,371 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 = 1000·9,81·0,01·64 = 6,278 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 6,278/0,75 = 8,371 kW

Risposta

Pshaft = 8,371 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 9,753 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) = (26,67 + 2,5)·0,408 = 11,9 m

Prevalenza della pompa

H = Δz + hL = 5 + 11,9 = 16,9 m

Potenza all’albero

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,05·16,9/0,85 = 9,753 kW

Risposta

Pshaft = 9,753 kW

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