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 1500 kg/h · 5% zuccheroCorrente 2ṁ₂ = ? · 45% zuccheroProdotto35% zucchero

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 35% di zucchero? Trova ṁ2.

ṁ1 = 500 kg/hx1 = 5 %x2 = 45 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F600 kg/h · 7% NaOHProdotto PP = ? · 50%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 = 600 kg/hxF = 7 %xP = 50 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddomiscela di glicole · 140 °C60 °Cacqua · 20 °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 = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 60 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoetanolo · 120 °C70 °Cacqua · 25 °C45 °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 = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Ct: 25 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 5 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
200 g di O₂P = 550 kPaT = 0 °CV = ?

Quale volume V occupano 200 g di O₂ a 550 kPa e 0 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 200 gM = 32 g/molP = 550 kPaT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
Ar, M = 39,95 g/molP = 1000 kPaT = 140 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di Ar a 1000 kPa e 140 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 39,95 g/molP = 1000 kPaT = 140 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

16 g di H2 e 48 g di O2 reagiscono secondo 2H2 + O2 → 2H2O. Quale massa m di H2O si può formare?

M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(Al)n(Al)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(Al)× 2/2× M(AlCl3​)

Nella reazione 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3, 20 g di Al reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 92,91 g di AlCl3. Trova la resa percentuale Y.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molreale: 92,91 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

0,25 mol/L di H₂ e 0,25 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 36. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 36
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,2 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,1 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,2
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Alluminiom = 50 gT = 90 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Acquam = 400 gT = 18 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di alluminio da 50 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 90 °C viene immerso in 400 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 18 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 90 °Cmwater = 400 gTwater = 18 °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)15 minC = ?

Una reazione con legge cinetica −rA = k·CA² ha k = 0,8 L/(mol·min) e parte da 2 mol/L. Trova la concentrazione CA dopo 15 min.

k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/Lt = 15 min
CA = mol/L
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk25 °C0,0540 °C0,145

La costante cinetica di una reazione è 0,05 min⁻¹ a 25 °C e 0,145 min⁻¹ a 40 °C. Trova l’energia di attivazione Ea.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 25 °Ck2 = 0,145 min⁻¹T2 = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 25 L/minX = 80%V = ?, k = 0,15 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,15 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 80%.

Q = 25 L/mink = 0,15 min⁻¹X = 80%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 100 LV = 100 LQ = 10 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,12 min⁻¹) avviene in due CSTR uguali in serie, ciascuno da 100 L. La portata di alimentazione è 10 L/min, la densità è costante e i reattori sono in regime stazionario. Trova la conversione complessiva X in percentuale.

V = 100 L (×2)Q = 10 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT100 °C30 °C80 °CΔT₁ΔT₂vapore che condensa

In un condensatore, il vapore condensa a 100 °C costanti all’esterno dei tubi. L’acqua di raffreddamento (0,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) scorre nei tubi e si riscalda da 30 a 80 °C. Il coefficiente globale di scambio è 2500 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Ts = 100 °Cṁ = 0,5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 30 → 80 °CU = 2500 W/(m²·K)
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT135 °C55 °C?15 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

In uno scambiatore a doppio tubo controcorrente, olio caldo (0,8 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) scorre nel tubo interno e si raffredda da 135 a 55 °C. Acqua (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) nell’intercapedine anulare entra a 15 °C. Il tubo interno ha un diametro di 40 mm, e U = 200 W/(m²·K) è riferito a questo diametro. Trova la lunghezza del tubo L necessaria.

ṁh = 0,8 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 135 → 55 °Cṁc = 1,5 kg/sTc,in = 15 °CD = 40 mmU = 200 W/(m²·K)
L = m
19.Conduzione del caloreMedia
Cartongesso, k = 0,17250 mmMattone, k = 0,7225 mm18 °C-3 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 250 mm di cartongesso e 25 mm di mattone, con un’area di 6 m². Le facce esterne sono a 18 °C e -3 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 18 °CT3 = -3 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Lana minerale, k = 0,0450 mmPolistirene espanso, k = 0,03525 mmstanza 20 °Cesterno -11 °CQ̇

Una parete di 50 mm lana minerale e 25 mm polistirene espanso separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a -11 °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 6 m². Trova la trasmittanza termica U della parete.

L1 = 50 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -11 °C
U = W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
Q = 40 L/sD = 150 mmL = 800 mf = 0,015

Acqua scorre con una portata di 40 L/s in un tubo lungo 800 m con diametro interno di 150 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,015 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

Q = 40 L/sL = 800 mD = 150 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 0,2sbocco liberoH = ?L = 150 m, D = 200 mm, f = 0,0184× curva (K = 0,3)

Un tubo lungo 150 m con diametro interno di 200 mm (fattore di attrito di Darcy f = 0,018) parte da un serbatoio aperto e scarica come getto libero in aria. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 4 curve (K = 0,3 ciascuna) e una valvola (K = 0,2). Usa g = 9,81 m/s². A quale altezza H deve trovarsi il pelo libero del serbatoio sopra lo sbocco del tubo per avere una portata di 50 L/s?

Q = 50 L/sL = 150 mD = 200 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 0,2
H = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 25 L/sH = 78 m

In una prova, una pompa eroga 25 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 78 m mentre il suo albero assorbe 29,4 kW. Usa g = 9,81 m/s². Trova il rendimento della pompa η in percentuale.

Q = 25 L/sH = 78 mPshaft = 29,4 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 100 L/sΔz = 12 mL = 400 m, D = 250 mm, f = 0,015, 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 12 m più in alto. Il tubo è lungo 400 m, con diametro interno di 250 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015; 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 = 12 mL = 400 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 8
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 1500 kg/h

Bilancio di massa stazionario: entrata = uscita per il totale e per ogni componente. I problemi di miscelazione combinano entrambi.

Bilanci

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
zucchero: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Risolvi per ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 500·(5 − 35)/(35 − 45) = 1500 kg/h

Risposta

ṁ2 = 1500 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 84 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 = 600·7/50 = 84 kg/h

Risposta

P = 84 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 88,9 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 1,5·3,6·(140 − 60) = 432 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 432/(1,5·4,18) = 88,9 °C

Risposta

tout = 88,9 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,6932 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 0,5·2,44·(120 − 70) = 61 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,05)·61 = 57,95 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 57,95/(4,18·20) = 0,6932 kg/s

Risposta

ṁc = 0,6932 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 25,81 L

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

Moli

n = 200/32 = 6,25 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Volume

V = nRT/P = 6,25·8,314·273,1/550 = 25,81 L

Risposta

V = 25,81 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 11,63 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 = 140 + 273,15 = 413,1 K

Densità

ρ = 1000·39,95/(8,314·413,1) = 11,63 kg/m³

Risposta

ρ = 11,63 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 54,06 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(H2) = 16/2,016 = 7,937 mol
n(O2) = 48/32 = 1,5 mol

Reagente limitante

7,937/2 = 3,968, 1,5/1 = 1,5 → O2

Massa di prodotto

n(H2O) = 1,5·2 = 3 mol
m = 3·18,02 = 54,06 g

Risposta

m = 54,06 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 94 %

Stechiometria: un'equazione bilanciata conta particelle, non grammi. Converti la massa in moli con n = m/M, usa i coefficienti dell'equazione come rapporto molare, poi torna alla massa con m = n·M. Con due reagenti, il reagente limitante è quello che si esaurisce per primo e fissa quanto prodotto si forma.

Resa teorica

n(Al) = 20/26,98 = 0,7413 mol
m = 0,7413·2/2·133,33 = 98,84 g

Resa percentuale

Y = 92,91/98,84·100 = 94%

Risposta

Y = 94%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,0625 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

36 = (2x)²/(0,25 − x)²

Estrai la radice quadrata

6 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·6/(2 + 6) = 0,1875 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 0,25 − x = 0,0625 mol/L

Risposta

[H2] = 0,0625 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,02679 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

0,2 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,2·x − 0,02 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,02))/2 = 0,07321 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,1 − 0,07321 = 0,02679 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,02679 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 19,88 °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

50·0,897·(90 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 18)

Ricava la temperatura finale

Tf = (44,85·90 + 1672·18)/(44,85 + 1672) = 19,88 °C

Risposta

Tf = 19,88 °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: CA = 0,08 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 + 0,8·15 = 12,5 L/mol
CA = 1/12,5 = 0,08 mol/L

Risposta

CA = 0,08 mol/L
14.Cinetica chimica

Risposta: Ea = 55,1 kJ/mol

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

Temperature assolute

T1 = 298,1 K, T2 = 313,1 K

Risolvi Arrhenius per Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,065/(-1,607e-4) = 55098 J/mol
Ea = 55,1 kJ/mol

Risposta

Ea = 55,1 kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 268,2 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 − 0,8))/0,15 = 1,609/0,15 = 10,73 min

Volume

V = Q·τ = 25·10,73 = 268,2 L

Risposta

V = 268,2 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 79,34 %

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 = 100/10 = 10 min, kτ = 0,12·10 = 1,2

Conversione

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 1,2) = 0,4545
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,2066
X = 1 − 0,2066 = 79,34%

Risposta

X = 79,34%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 1,047 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.

Potenza termica dal lato acqua

Q̇ = 0,5·4,18·(80 − 30) = 104,5 kW

Differenze di temperatura agli estremi

ΔT₁ = 100 − 30 = 70 K
ΔT₂ = 100 − 80 = 20 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70 − 20)/ln(70/20) = 39,91 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 104500/(2500·39,91) = 1,047 m²

Risposta

A = 1,047 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: L = 100,4 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 = 0,8·2,5·(135 − 55) = 160 kW
Tc,out = 15 + 160/(1,5·4,18) = 40,52 °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 = 135 − 40,52 = 94,48 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 15 = 40 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (94,48 − 40)/ln(94,48/40) = 63,39 K

Area e lunghezza

A = 160000/(200·63,39) = 12,62 m²
L = A/(πD) = 12,62/(π·0,04) = 100,4 m

Risposta

L = 100,4 m
19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 83,7 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) = (250/1000)/(0,17·6) = 0,2451 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,72·6) = 0,005787 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 21/0,2509 = 83,7 W

Risposta

Q̇ = 83,7 W
20.Conduzione del calore

Risposta: U = 0,4674 W/(m²·K)

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

Resistenze in serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(8·6) = 0,02083 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,04·6) = 0,2083 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,035·6) = 0,119 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·6) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,3565 K/W

Coefficiente globale

U = 1/(A·ΣR) = 1/(6·0,3565) = 0,4674 W/(m²·K)

Risposta

U = 0,4674 W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 20,89 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·0,15²/4 = 0,01767 m²
V = Q/A = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s

Altezza cinetica

V²/(2g) = 2,264²/(2·9,81) = 0,2611 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(800/0,15)·2,264²/(2·9,81) = 20,89 m

Risposta

hf = 20,89 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: H = 2,117 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 = 0,05/0,03142 = 1,592 m/s
V²/(2g) = 0,1291 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,018·150/0,2 = 13,5
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 0,2 = 1,9

Equazione dell’energia

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

H = (1 + 13,5 + 1,9)·0,1291 = 2,117 m

Risposta

H = 2,117 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: η = 65,07 %

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 = 1000·9,81·0,025·78 = 19,13 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 19,13/29,4 = 65,07%

Risposta

η = 65,07%
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 18,77 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) = (24 + 8)·0,2115 = 6,769 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 = 12 + 6,769 = 18,77 m

Risposta

H = 18,77 m

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