Esercitazione per l’esame FE Chemical: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 24 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Bilancio di massa

Regime stazionario
entrata = uscita
Bilancio totale
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Bilancio per componente
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Evaporatore
F·xF = P·xP, W = F − P

Bilancio energetico

Calore sensibile
Q = ṁ·cp·ΔT
Calore latente
Q = ṁ·hfg
Miscelazione
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Acqua
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Legge dei gas ideali

Legge dei gas ideali
pV = nRT
Costante dei gas
R = 8,314 J/(mol·K)
Legge combinata dei gas
p1V1/T1 = p2V2/T2
Moli
n = m/M
Temperatura
T[K] = T[°C] + 273,15

Stechiometria

Moli
n = m/M
Concentrazione
c = n/V
Rapporto molare
usa i coefficienti dell’equazione bilanciata
Reagente limitante
quello che si esaurisce per primo
Resa percentuale
effettiva / teorica × 100%

Metodo

  1. Scrivi e bilancia l’equazione chimica.
  2. Converti la massa data in moli: n = m/M.
  3. Usa i coefficienti come rapporto molare per trovare le moli della sostanza che ti interessa.
  4. Riconverti in massa con m = n·M. Con due reagenti, trova prima il reagente limitante.

Equilibrio chimico

Costante di equilibrio
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Tabella ICE
Iniziale, Variazione (×coefficiente), Equilibrio
Equazione di secondo grado
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Metodo

  1. Scrivi Kc con i prodotti al numeratore e i reagenti al denominatore, ciascuno elevato al proprio coefficiente.
  2. Imposta una tabella ICE: Iniziale, Variazione (multipli di x secondo i coefficienti), Equilibrio.
  3. Inserisci le espressioni all’equilibrio in Kc e risolvi per x.
  4. Controlla se x è abbastanza piccolo per un’approssimazione; altrimenti risolvi l’equazione di secondo grado.

Calorimetria ed entalpia

Calore
q = m·c·ΔT
Acqua
c = 4,18 J/(g·°C)
Calorimetro
calore ceduto = calore assorbito
Entalpia di reazione
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

Cinetica chimica

Primo ordine
ln(CA/CA0) = −kt
Tempo di dimezzamento (primo ordine)
t½ = ln 2/k
Secondo ordine
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Due temperature
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Tempo spaziale
τ = V/Q
CSTR, primo ordine
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, primo ordine
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Conversione dal volume
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N CSTR uguali in serie
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Scambiatori di calore (LMTD)

Potenza termica
Q = U·A·ΔTlm
Differenza di temperatura media logaritmica
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Bilancio di una corrente
Q = ṁcp(Tin − Tout)

Conduzione del calore

Legge di Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Resistenza conduttiva
R = L/(kA)
Resistenza convettiva
R = 1/(hA)
Resistenze in serie
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Trasmittanza U
U = 1/(ΣR·A)

Attrito nei condotti e perdite di carico

Numero di Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Regime di moto
laminare sotto Re ≈ 2000, turbolento sopra Re ≈ 4000
Velocità media
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Perdite localizzate
hm = ΣK·V²/(2g)
Valori tipici di K
imbocco 0,5, sbocco 1,0, curva a 90° ≈ 0,3
Caduta di pressione
Δp = ρ·g·hf
Due serbatoi aperti
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Sbocco libero
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pompe e potenza delle pompe

Potenza idraulica
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Potenza all’albero
Pshaft = Ph/ηpump
Potenza elettrica
Pel = Pshaft/ηmotor
Prevalenza della pompa
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Perdite dell’impianto
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Esercizi

1.Bilancio di massaMedia
MiscelatoreCorrente 1650 kg/h · 20% zuccheroCorrente 2ṁ₂ = ? · 35% zuccheroProdotto25% zucchero

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

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 20 %x2 = 35 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F4900 kg/h · 11% zuccheroProdotto PP = ? · 45%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 = 4900 kg/hxF = 11 %xP = 45 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 120 °C60 °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 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 60 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoetanolo · 120 °C90 °Cacqua · 15 °C35 °C · ṁ = ?15% perso

Il etanolo 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 = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 90 °Ct: 15 → 35 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
290 g di CO₂P = 650 kPaT = 0 °CV = ?

Quale volume V occupano 290 g di CO₂ a 650 kPa e 0 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 290 gM = 44,01 g/molP = 650 kPaT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
CO₂, M = 44,01 g/molP = 600 kPaT = 200 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di CO₂ a 600 kPa e 200 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 44,01 g/molP = 600 kPaT = 200 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

24 g di Fe2O3 e 80 g di CO reagiscono secondo Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. Quale massa m di CO2 si può formare?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(CO2) = 44,01 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, 20 g di CaCO3 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 8,4 g di CaO. Trova la resa percentuale Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CaO) = 56,08 g/molreale: 8,4 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 = 16. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 16
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,05 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,8 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Piombom = 150 gT = 170 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Acquam = 250 gT = 20 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di piombo da 150 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 170 °C viene immerso in 250 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 20 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 170 °Cmwater = 250 gTwater = 20 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H100 g C2​H5​OHC2​H5​OH + 3O₂reagenti2CO₂ + 3H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 100 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)20 min0,24

In una reazione del primo ordine la concentrazione di A scende da 1,2 mol/L a 0,24 mol/L in 20 min. Trova la costante cinetica k.

CA0 = 1,2 mol/LCA = 0,24 mol/Lt = 20 min
k = min⁻¹
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk25 °C0,0235 °C?

Una reazione ha una costante cinetica di 0,02 min⁻¹ a 25 °C e un’energia di attivazione di 120 kJ/mol. Trova la costante cinetica k2 a 35 °C.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 25 °CT2 = 35 °CEa = 120 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 100 L/minX = 85%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 100 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 85%.

Q = 100 L/mink = 0,15 min⁻¹X = 85%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 500 LQ = 80 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,1 min⁻¹) avviene in un CSTR da 500 L alimentato a 80 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 500 LQ = 80 L/mink = 0,1 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT120 °C25 °C75 °CΔT₁ΔT₂vapore che condensa

In un condensatore, il vapore condensa a 120 °C costanti all’esterno dei tubi. L’acqua di raffreddamento (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) scorre nei tubi e si riscalda da 25 a 75 °C. Il coefficiente globale di scambio è 3000 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Ts = 120 °Cṁ = 1,5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 25 → 75 °CU = 3000 W/(m²·K)
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT115 °C60 °C25,09 °C15 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (0,5 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) si raffredda da 115 a 60 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 1,5 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 15 °C. Con U = 200 W/(m²·K), trova l’area di scambio A necessaria.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 115 → 60 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Cartongesso, k = 0,17250 mmLana minerale, k = 0,0450 mm22 °C-14 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 250 mm di cartongesso e 50 mm di lana minerale, con un’area di 4 m². Le facce esterne sono a 22 °C e -14 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 22 °CT3 = -14 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Mattone, k = 0,72150 mmCalcestruzzo, k = 1,4100 mmstanza 21 °Cesterno 1 °CQ̇

Una parete di 150 mm mattone e 100 mm calcestruzzo separa una stanza a 21 °C dall’aria esterna a 1 °C. I coefficienti di convezione sono 8 W/(m²·K) all’interno e 20 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 4 m². Trova la trasmittanza termica U della parete.

L1 = 150 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 4 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 1 °C
U = W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
Q = 6 L/sD = 100 mmL = 300 mf = 0,02

Acqua scorre con una portata di 6 L/s in un tubo lungo 300 m con diametro interno di 100 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.

Q = 6 L/sL = 300 mD = 100 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 2Δz = ?L = 300 m, D = 300 mm, f = 0,0153× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 300 m con diametro interno di 300 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 3 curve (K = 0,3 ciascuna), una valvola (K = 2) 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 120 L/s?

Q = 120 L/sL = 300 mD = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 20 L/sH = 72 m

Una pompa con rendimento del 70% eroga 20 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 72 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 20 L/sH = 72 mη = 70%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 50 L/sΔz = 20 mL = 400 m, D = 150 mm, f = 0,022, ΣK = 6

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 20 m più in alto. Il tubo è lungo 400 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,022; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 6 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 50 L/sΔz = 20 mL = 400 mD = 150 mmf = 0,022ΣK = 6
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 325 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) = 650·(20 − 25)/(25 − 35) = 325 kg/h

Risposta

ṁ2 = 325 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 1198 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 = 4900·11/45 = 1198 kg/h

Risposta

P = 1198 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 43,35 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 1·2,44·(120 − 60) = 146,4 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 146,4/(1,5·4,18) = 43,35 °C

Risposta

tout = 43,35 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 2,233 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 3·2,44·(120 − 90) = 219,6 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·219,6 = 186,7 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 186,7/(4,18·20) = 2,233 kg/s

Risposta

ṁc = 2,233 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 23,02 L

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

Moli

n = 290/44,01 = 6,589 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Volume

V = nRT/P = 6,589·8,314·273,1/650 = 23,02 L

Risposta

V = 23,02 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 6,713 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 = 600·44,01/(8,314·473,1) = 6,713 kg/m³

Risposta

ρ = 6,713 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 19,84 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(Fe2O3) = 24/159,69 = 0,1503 mol
n(CO) = 80/28,01 = 2,856 mol

Reagente limitante

0,1503/1 = 0,1503, 2,856/3 = 0,952 → Fe2O3

Massa di prodotto

n(CO2) = 0,1503·3 = 0,4509 mol
m = 0,4509·44,01 = 19,84 g

Risposta

m = 19,84 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 74,96 %

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) = 20/100,09 = 0,1998 mol
m = 0,1998·1/1·56,08 = 11,21 g

Resa percentuale

Y = 8,4/11,21·100 = 74,96%

Risposta

Y = 74,96%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,2667 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

16 = (2x)²/(0,8 − x)²

Estrai la radice quadrata

4 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·4/(2 + 4) = 0,5333 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 0,8 − x = 0,2667 mol/L

Risposta

[H2] = 0,2667 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,6234 mol/L

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

Espressione all’equilibrio

0,05 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,05·x − 0,04 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,04))/2 = 0,1766 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,8 − 0,1766 = 0,6234 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,6234 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 22,73 °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

150·0,129·(170 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 20)

Ricava la temperatura finale

Tf = (19,35·170 + 1045·20)/(19,35 + 1045) = 22,73 °C

Risposta

Tf = 22,73 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 2967 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 = 100/46,07 = 2,171 mol
q = n·|ΔH°/1| = 2,171·1367 = 2967 kJ

Risposta

q = 2967 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: k = 0,08047 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(1,2/0,24)/20 = 1,609/20 = 0,08047 min⁻¹

Risposta

k = 0,08047 min⁻¹
14.Cinetica chimica

Risposta: k2 = 0,09623 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 = 298,1 K, T2 = 308,1 K

Rapporto di Arrhenius

ln(k2/k1) = −(120000/8,314)·(1/308,1 − 1/298,1) = 1,571
k2 = 0,02·e1,571 = 0,09623 min⁻¹

Risposta

k2 = 0,09623 min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 1265 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 − 0,85))/0,15 = 1,897/0,15 = 12,65 min

Volume

V = Q·τ = 100·12,65 = 1265 L

Risposta

V = 1265 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 38,46 %

Reattori ideali, reazione del primo ordine (−rA = k·CA) in regime stazionario, con tempo spaziale τ = V/Q. Un CSTR è perfettamente miscelato, quindi l’intero volume reagisce alla bassa concentrazione di uscita: τ = X/(k·(1 − X)) e CA = CA0/(1 + k·τ). In un PFR ogni fetta di fluido reagisce come un piccolo reattore batch: τ = ln(1/(1 − X))/k e CA = CA0·e−k·τ. A parità di conversione un CSTR richiede sempre più volume di un PFR.

Tempo spaziale

τ = V/Q = 500/80 = 6,25 min, kτ = 0,1·6,25 = 0,625

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 0,625/(1 + 0,625) = 38,46%

Risposta

X = 38,46%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 1,562 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 = 1,5·4,18·(75 − 25) = 313,5 kW

Differenze di temperatura agli estremi

ΔT₁ = 120 − 25 = 95 K
ΔT₂ = 120 − 75 = 45 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (95 − 45)/ln(95/45) = 66,92 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 313500/(3000·66,92) = 1,562 m²

Risposta

A = 1,562 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 4,874 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) = 0,5·2,3·55 = 63,25 kW
Tc,out = 15 + 63,25/(1,5·4,18) = 25,09 °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 = 115 − 25,09 = 89,91 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 60 − 15 = 45 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (89,91 − 45)/ln(89,91/45) = 64,89 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 63250/(200·64,89) = 4,874 m²

Risposta

A = 4,874 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 52,93 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)/(0,17·4) = 0,3676 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,04·4) = 0,3125 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 36/0,6801 = 52,93 W

Risposta

Q̇ = 52,93 W
20.Conduzione del calore

Risposta: U = 2,199 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/(8·4) = 0,03125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,72·4) = 0,05208 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1,4·4) = 0,01786 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·4) = 0,0125 K/W
ΣR = 0,1137 K/W

Coefficiente globale

U = 1/(A·ΣR) = 1/(4·0,1137) = 2,199 W/(m²·K)

Risposta

U = 2,199 W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 1,785 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·0,1²/4 = 0,007854 m²
V = Q/A = 0,006/0,007854 = 0,7639 m/s

Altezza cinetica

V²/(2g) = 0,7639²/(2·9,81) = 0,02975 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(300/0,1)·0,7639²/(2·9,81) = 1,785 m

Risposta

hf = 1,785 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 2,85 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 = 0,015·300/0,3 = 15
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4

Perdita di carico totale

hf = 15·0,1469 = 2,203 m
hm = 4,4·0,1469 = 0,6463 m
Δz = hf + hm = 2,85 m

Risposta

Δz = 2,85 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 20,18 kW

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

Potenza idraulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,02·72 = 14,13 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 14,13/0,7 = 20,18 kW

Risposta

Pshaft = 20,18 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 46,39 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (58,67 + 6)·0,408 = 26,39 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 = 20 + 26,39 = 46,39 m

Risposta

H = 46,39 m

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