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 1750 kg/h · 40% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 5% saleProdotto25% sale

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 25% di sale? Trova ṁ2.

ṁ1 = 750 kg/hx1 = 40 %x2 = 5 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F3400 kg/h · 12% zuccheroProdotto PP = ? · 35%Vapore W (acqua pura)0% zucchero

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

F = 3400 kg/hxF = 12 %xP = 35 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddomiscela di glicole · 150 °C90 °Cacqua · 10 °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 = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 90 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 120 °C70 °Cacqua · 20 °C50 °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 = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Ct: 20 → 50 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
150 g di O₂P = 500 kPaT = 0 °CV = ?

Quale volume V occupano 150 g di O₂ a 500 kPa e 0 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 150 gM = 32 g/molP = 500 kPaT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di N₂ passa da 150 kPa, 2 L, 25 °C a 750 kPa e 190 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 150 kPaV1 = 2 LT1 = 25 °CP2 = 750 kPaT2 = 190 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

30 g di Al e 48 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(Na)n(Na)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(Na)× 2/2× M(NaCl)

Nella reazione 2Na + Cl2 → 2NaCl, 30 g di Na reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 69,4 g di NaCl. Trova la resa percentuale Y.

M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/molreale: 69,4 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 [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 36
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,1 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,5 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,1
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Alluminiom = 200 gT = 100 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Acquam = 300 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di alluminio da 200 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 100 °C viene immerso in 300 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 16 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 100 °Cmwater = 300 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H250 g C2​H5​OHC2​H5​OH + 3O₂reagenti2CO₂ + 3H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 250 g di C2H5OH (M = 46,07 g/mol) bruciano completamente: C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 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)40 min0,2

In una reazione del primo ordine la concentrazione di A scende da 0,5 mol/L a 0,2 mol/L in 40 min. Trova la costante cinetica k.

CA0 = 0,5 mol/LCA = 0,2 mol/Lt = 40 min
k = min⁻¹
14.Cinetica chimicaDifficile
t (min)X (%)60 minX = ?

Una reazione del primo ordine ha k = 0,002 min⁻¹ a 20 °C e un’energia di attivazione di 90 kJ/mol. Il reattore batch ora lavora a 45 °C per 60 min. Trova la conversione X raggiunta.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 20 °CEa = 90 kJ/molT2 = 45 °Ct = 60 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 10 L/minX = 70%V = ?, k = 0,2 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,2 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 10 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 70%.

Q = 10 L/mink = 0,2 min⁻¹X = 70%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 400 LV = 400 LQ = 50 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,25 min⁻¹) avviene in due CSTR uguali in serie, ciascuno da 400 L. La portata di alimentazione è 50 L/min, la densità è costante e i reattori sono in regime stazionario. Trova la conversione complessiva X in percentuale.

V = 400 L (×2)Q = 50 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT110 °C70 °C95 °C30 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore controcorrente trasferisce 350 kW. Il fluido caldo si raffredda da 110 a 70 °C e il fluido freddo si riscalda da 30 a 95 °C. Il coefficiente globale di scambio è 1500 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 350 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 110 → 70 °CTc: 30 → 95 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT135 °C??20 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

In uno scambiatore controcorrente entrambe le correnti hanno la stessa capacità termica oraria, ṁ·cp = 2 kW/K. La corrente calda entra a 135 °C e quella fredda a 20 °C. Lo scambiatore ha A = 6 m² e U = 200 W/(m²·K). Trova la temperatura di uscita della corrente calda Th,out.

Ch = Cc = 2 kW/KTh,in = 135 °CTc,in = 20 °CA = 6 m²U = 200 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conduzione del caloreMedia
Polistirene espanso, k = 0,03550 mmMattone, k = 0,72150 mm20 °C2 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 50 mm di polistirene espanso e 150 mm di mattone, con un’area di 12 m². Le facce esterne sono a 20 °C e 2 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 50 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 20 °CT3 = 2 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Legno, k = 0,17250 mmCartongesso, k = 0,17100 mmstanza 21 °Cesterno -10 °CQ̇ = ?

Una parete di 250 mm legno e 100 mm cartongesso separa una stanza a 21 °C dall’aria esterna a -10 °C. I coefficienti di convezione sono 8 W/(m²·K) all’interno e 25 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 20 m². Trova la perdita di calore Q̇ attraverso la parete.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -10 °C
Q̇ = W
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 3 m/sD = 150 mmL = 800 mf = 0,015

Acqua (ρ = 1000 kg/m³) scorre a 3 m/s in un tubo orizzontale 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 caduta di pressione Δp lungo il tubo in kPa.

V = 3 m/sL = 800 mD = 150 mmf = 0,015ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 5Δz = ?L = 200 m, D = 150 mm, f = 0,022× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 200 m con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 2 curve (K = 0,3 ciascuna), una valvola (K = 5) e lo sbocco nel serbatoio inferiore (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Quale dislivello Δz tra i peli liberi dei serbatoi dà una portata di 40 L/s?

Q = 40 L/sL = 200 mD = 150 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 100 L/sH = 32 m

Una pompa eroga 100 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 32 m. Il rendimento della pompa è del 72% e il motore elettrico che la aziona ha un rendimento del 92%. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza elettrica Pel assorbita dal motore, in kW.

Q = 100 L/sH = 32 mηpump = 72%ηmotor = 92%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
400 kPa (relativa)PQ = 60 L/sΔz = 6 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 4

Una pompa trasferisce 60 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 6 m più in alto. Il tubo è lungo 200 m, con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 4 (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 400 kPa. Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 60 L/sΔz = 6 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 4ptank = 400 kPa
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 562,5 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) = 750·(40 − 25)/(25 − 5) = 562,5 kg/h

Risposta

ṁ2 = 562,5 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 1166 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 = 3400·12/35 = 1166 kg/h

Risposta

P = 1166 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 61,67 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 2·3,6·(150 − 90) = 432 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 432/(2·4,18) = 61,67 °C

Risposta

tout = 61,67 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 1,83 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1,5·3,6·(120 − 70) = 270 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·270 = 229,5 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 229,5/(4,18·30) = 1,83 kg/s

Risposta

ṁc = 1,83 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 21,29 L

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

Moli

n = 150/32 = 4,688 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Volume

V = nRT/P = 4,688·8,314·273,1/500 = 21,29 L

Risposta

V = 21,29 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 0,6214 L

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

Temperature assolute

T1 = 298,1 K, T2 = 463,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(150/750)·(463,1/298,1) = 0,6214 L

Risposta

V2 = 0,6214 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 60,18 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) = 30/26,98 = 1,112 mol
n(Cl2) = 48/70,9 = 0,677 mol

Reagente limitante

1,112/2 = 0,556, 0,677/3 = 0,2257 → Cl2

Massa di prodotto

n(AlCl3) = 0,2257·2 = 0,4513 mol
m = 0,4513·133,33 = 60,18 g

Risposta

m = 60,18 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 91,01 %

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(Na) = 30/22,99 = 1,305 mol
m = 1,305·2/2·58,44 = 76,26 g

Resa percentuale

Y = 69,4/76,26·100 = 91,01%

Risposta

Y = 91,01%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 0,375 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

[HI] = 2x = 0,375 mol/L

Risposta

[HI] = 0,375 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,3209 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/(0,5 − x) → x² + 0,1·x − 0,05 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,05))/2 = 0,1791 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,5 − 0,1791 = 0,3209 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,3209 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 26,51 °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

200·0,897·(100 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 16)

Ricava la temperatura finale

Tf = (179,4·100 + 1254·16)/(179,4 + 1254) = 26,51 °C

Risposta

Tf = 26,51 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 7416 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° = [2·(−393,5) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Calore per la massa data

n = 250/46,07 = 5,427 mol
q = n·|ΔH°/1| = 5,427·1367 = 7416 kJ

Risposta

q = 7416 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: k = 0,02291 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(0,5/0,2)/40 = 0,9163/40 = 0,02291 min⁻¹

Risposta

k = 0,02291 min⁻¹
14.Cinetica chimica

Risposta: X = 88,75 %

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 = 318,1 K
k2 = 0,002·e−(90000/8,314)·(1/318,1 − 1/293,1) = 0,03641 min⁻¹

Conversione

X = 1 − e−0,03641·60 = 1 − 0,1125 = 88,75 %

Risposta

X = 88,75 %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 60,2 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 − 0,7))/0,2 = 1,204/0,2 = 6,02 min

Volume

V = Q·τ = 10·6,02 = 60,2 L

Risposta

V = 60,2 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 88,89 %

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 = 400/50 = 8 min, kτ = 0,25·8 = 2

Conversione

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 2) = 0,3333
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,1111
X = 1 − 0,1111 = 88,89%

Risposta

X = 88,89%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 9,154 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 = 110 − 95 = 15 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 30 = 40 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (15 − 40)/ln(15/40) = 25,49 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 350000/(1500·25,49) = 9,154 m²

Risposta

A = 9,154 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Th,out = 91,88 °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.

Differenza di temperatura costante

L’uscita fredda si trova di fronte all’ingresso caldo: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), quindi ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.

ΔTlm = Th,out − Tc,in

Bilancio energetico uguale all’equazione di scambio

2·(135 − Th,out) = 1,2·(Th,out − 20)
Th,out = (2·135 + 1,2·20)/(2 + 1,2) = 91,88 °C

Risposta

Th,out = 91,88 °C

Calore trasferito: Q̇ = 86,25 kW; la corrente fredda esce a 63,13 °C.

19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 132 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) = (50/1000)/(0,035·12) = 0,119 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,72·12) = 0,01736 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 18/0,1364 = 132 W

Risposta

Q̇ = 132 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 278,8 W

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

Resistenze in serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(8·20) = 0,00625 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·20) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·20) = 0,02941 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·20) = 0,002 K/W
ΣR = 0,1112 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (21 − (-10))/0,1112 = 278,8 W

Risposta

Q̇ = 278,8 W
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δp = 360 kPa

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.

Perdita di carico

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(800/0,15)·3²/(2·9,81) = 36,7 m

Caduta di pressione

Il tubo è orizzontale e la velocità non cambia, quindi l’equazione dell’energia si riduce a Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·36,7 = 360000 Pa = 360 kPa

Risposta

Δp = 360 kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 8,818 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 = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s
V²/(2g) = 0,2611 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,02·200/0,15 = 26,67
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 + 1,0 = 7,1

Perdita di carico totale

hf = 26,67·0,2611 = 6,964 m
hm = 7,1·0,2611 = 1,854 m
Δz = hf + hm = 8,818 m

Risposta

Δz = 8,818 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pel = 47,39 kW

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

Potenza idraulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,1·32 = 31,39 kW

Potenza all’albero

Pshaft = 31,39/0,72 = 43,6 kW

Potenza elettrica

Pel = 43,6/0,92 = 47,39 kW

Risposta

Pel = 47,39 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 50,31 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 = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (15 + 4)·0,1859 = 3,532 m

Altezza piezometrica

p/(ρ·g) = 400000/(1000·9,81) = 40,77 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 = 6 + 40,77 + 3,532 = 50,31 m

Risposta

H = 50,31 m

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