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 1400 kg/h · 45% zuccheroCorrente 2ṁ₂ = ? · 15% zuccheroProdotto40% zucchero

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 40% di zucchero? Trova ṁ2.

ṁ1 = 400 kg/hx1 = 45 %x2 = 15 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F4800 kg/h · 20% NaOHProdotto PP = ? · 35%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 = 4800 kg/hxF = 20 %xP = 35 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoolio leggero · 180 °C130 °Cacqua · 15 °Ct = ? °C

Il olio leggero caldo raffredda acqua in uno scambiatore controcorrente senza perdite di calore. Trova la temperatura di uscita dell’acqua tout.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 130 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoetanolo · 140 °C100 °Cacqua · 15 °C90 °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 = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 100 °Ct: 15 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
480 g di N₂P = 200 kPaT = 70 °CV = ?

Quale volume V occupano 480 g di N₂ a 200 kPa e 70 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 480 gM = 28,01 g/molP = 200 kPaT = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di He passa da 400 kPa, 2 L, 20 °C a 300 kPa e 110 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 400 kPaV1 = 2 LT1 = 20 °CP2 = 300 kPaT2 = 110 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

8 g di Al e 16 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(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(Fe)m(Fe)÷ M(Fe2​O3​)× 2/1× M(Fe)

Nella reazione Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2, 8 g di Fe2O3 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 4,76 g di Fe. Trova la resa percentuale Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(Fe) = 55,85 g/molreale: 4,76 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 = 25. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 25
[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​ = ?Ferrom = 150 gT = 130 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Acquam = 250 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di ferro da 150 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 130 °C viene immerso in 250 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 25 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 250 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
HCH4​ + 2O₂reagentiCO₂ + 2H₂O(l)prodottiΔH° = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare ΔH° della reazione CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l).

ΔH°f(CH4) = −74,8 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)60 min1,2

In una reazione del primo ordine la concentrazione di A scende da 1,5 mol/L a 1,2 mol/L in 60 min. Trova la costante cinetica k.

CA0 = 1,5 mol/LCA = 1,2 mol/Lt = 60 min
k = min⁻¹
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk40 °C0,165 °C?

Una reazione ha una costante cinetica di 0,1 min⁻¹ a 40 °C e un’energia di attivazione di 120 kJ/mol. Trova la costante cinetica k2 a 65 °C.

k1 = 0,1 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 65 °CEa = 120 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 80 L/minX = 90%V = ?, k = 0,25 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,25 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 80 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova il volume del reattore V in litri per una conversione di A del 90%.

Q = 80 L/mink = 0,25 min⁻¹X = 90%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 800 LV = 800 LQ = 50 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,12 min⁻¹) avviene in due CSTR uguali in serie, ciascuno da 800 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 = 800 L (×2)Q = 50 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT90 °C40 °C10 °C35 °CΔT₁ΔT₂equicorrente

Uno scambiatore equicorrente trasferisce 480 kW. Il fluido caldo si raffredda da 90 a 40 °C e il fluido freddo si riscalda da 10 a 35 °C. Il coefficiente globale di scambio è 800 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 480 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 90 → 40 °CTc: 10 → 35 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT120 °C25 °C?ΔT₁ΔT₂vapore che condensa

Il vapore condensa a 120 °C costanti all’esterno dei tubi di un condensatore con un’area di scambio di 1 m² e U = 2500 W/(m²·K). L’acqua di raffreddamento (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nei tubi a 25 °C. Trova la temperatura di uscita dell’acqua Tc,out.

Ts = 120 °CA = 1 m²U = 2500 W/(m²·K)ṁ = 1 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °C
Tc,out = °C
19.Conduzione del caloreMedia
Polistirene espanso, k = 0,035150 mmMattone, k = 0,7225 mm18 °C7 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 150 mm di polistirene espanso e 25 mm di mattone, con un’area di 10 m². Le facce esterne sono a 18 °C e 7 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 150 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 18 °CT3 = 7 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Calcestruzzo, k = 1,4100 mmLegno, k = 0,17150 mmstanza 20 °Cesterno -15 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 100 mm calcestruzzo e 150 mm legno separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a -15 °C. I coefficienti di convezione sono 10 W/(m²·K) all’interno e 25 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 15 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 100 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 15 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -15 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
Q = 40 L/sD = 150 mmL = 150 mf = 0,03

Acqua scorre con una portata di 40 L/s in un tubo lungo 150 m con diametro interno di 150 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,03 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

Q = 40 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 10Δz = 12 mL = 100 m, D = 250 mm, f = 0,0154× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 100 m con diametro interno di 250 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015. Il pelo libero del serbatoio superiore si trova 12 m sopra quello del serbatoio inferiore. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 4 curve (K = 0,3 ciascuna), una valvola (K = 10) e lo sbocco nel serbatoio inferiore (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Trova la portata Q in L/s.

Δz = 12 mL = 100 mD = 250 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 25 L/sH = 80 m

Una pompa eroga 25 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 80 m. Il rendimento della pompa è del 65% e il motore elettrico che la aziona ha un rendimento del 94%. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza elettrica Pel assorbita dal motore, in kW.

Q = 25 L/sH = 80 mηpump = 65%ηmotor = 94%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 20 L/sΔz = 8 mL = 500 m, D = 100 mm, f = 0,025, ΣK = 8

Una pompa trasferisce 20 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 8 m più in alto. Il tubo è lungo 500 m, con diametro interno di 100 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,025; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 8 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 20 L/sΔz = 8 mL = 500 mD = 100 mmf = 0,025ΣK = 8
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 80 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) = 400·(45 − 40)/(40 − 15) = 80 kg/h

Risposta

ṁ2 = 80 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 2743 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 = 4800·20/35 = 2743 kg/h

Risposta

P = 2743 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 19,19 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 0,5·2,1·(180 − 130) = 52,5 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 52,5/(3·4,18) = 19,19 °C

Risposta

tout = 19,19 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,1323 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 0,5·2,44·(140 − 100) = 48,8 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·48,8 = 41,48 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 41,48/(4,18·75) = 0,1323 kg/s

Risposta

ṁc = 0,1323 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 244,5 L

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

Moli

n = 480/28,01 = 17,14 mol
T = 70 + 273,15 = 343,1 K

Volume

V = nRT/P = 17,14·8,314·343,1/200 = 244,5 L

Risposta

V = 244,5 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 3,485 L

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

Temperature assolute

T1 = 293,1 K, T2 = 383,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(400/300)·(383,1/293,1) = 3,485 L

Risposta

V2 = 3,485 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 20,06 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(Al) = 8/26,98 = 0,2965 mol
n(Cl2) = 16/70,9 = 0,2257 mol

Reagente limitante

0,2965/2 = 0,1483, 0,2257/3 = 0,07522 → Cl2

Massa di prodotto

n(AlCl3) = 0,07522·2 = 0,1504 mol
m = 0,1504·133,33 = 20,06 g

Risposta

m = 20,06 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 85,06 %

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(Fe2O3) = 8/159,69 = 0,0501 mol
m = 0,0501·2/1·55,85 = 5,596 g

Resa percentuale

Y = 4,76/5,596·100 = 85,06%

Risposta

Y = 85,06%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 1,143 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

25 = (2x)²/(0,8 − x)²

Estrai la radice quadrata

5 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·5/(2 + 5) = 0,5714 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 1,143 mol/L

Risposta

[HI] = 1,143 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 = 31,36 °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

150·0,449·(130 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 25)

Ricava la temperatura finale

Tf = (67,35·130 + 1045·25)/(67,35 + 1045) = 31,36 °C

Risposta

Tf = 31,36 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −890,3 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° = [1·(−393,5) + 2·(−285,8)] − [1·(−74,8) + 2·0] = −890,3 kJ

Risposta

ΔH° = −890,3 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: k = 0,003719 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(1,5/1,2)/60 = 0,2231/60 = 0,003719 min⁻¹

Risposta

k = 0,003719 min⁻¹
14.Cinetica chimica

Risposta: k2 = 3,019 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 = 313,1 K, T2 = 338,1 K

Rapporto di Arrhenius

ln(k2/k1) = −(120000/8,314)·(1/338,1 − 1/313,1) = 3,408
k2 = 0,1·e3,408 = 3,019 min⁻¹

Risposta

k2 = 3,019 min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 736,8 L

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

Tempo spaziale

τ = ln(1/(1 − 0,9))/0,25 = 2,303/0,25 = 9,21 min

Volume

V = Q·τ = 80·9,21 = 736,8 L

Risposta

V = 736,8 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 88,27 %

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 = 800/50 = 16 min, kτ = 0,12·16 = 1,92

Conversione

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 1,92) = 0,3425
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,1173
X = 1 − 0,1173 = 88,27%

Risposta

X = 88,27%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 22,18 m²

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

Differenze di temperatura agli estremi

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 90 − 10 = 80 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 40 − 35 = 5 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (80 − 5)/ln(80/5) = 27,05 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 480000/(800·27,05) = 22,18 m²

Risposta

A = 22,18 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Tc,out = 67,76 °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) = 2500·1/(1·4180) = 0,5981

Temperatura di uscita

ΔT₂ = ΔT₁·e−0,5981 = 95·0,5499 = 52,24 K
Tc,out = 120 − 52,24 = 67,76 °C

Risposta

Tc,out = 67,76 °C

Calore trasferito: Q̇ = 178,7 kW.

19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 25,46 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) = (150/1000)/(0,035·10) = 0,4286 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,72·10) = 0,003472 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 11/0,432 = 25,46 W

Risposta

Q̇ = 25,46 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 16,8 °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/(10·15) = 0,006667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(1,4·15) = 0,004762 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,17·15) = 0,05882 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·15) = 0,002667 K/W
ΣR = 0,07292 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (20 − (-15))/0,07292 = 480 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 480·0,006667 = 16,8 °C

Risposta

Ts = 16,8 °C
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 7,834 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) = 0,03·(150/0,15)·2,264²/(2·9,81) = 7,834 m

Risposta

hf = 7,834 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Q = 174,2 L/s

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.

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,015·100/0,25 = 6
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Equazione dell’energia

Entrambe le superfici sono aperte all’aria e praticamente in quiete, quindi tutto Δz viene perso nel tubo.

12 = (6 + 12,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·12/18,7) = 3,548 m/s

Portata

Q = V·π·D²/4 = 3,548·0,04909 = 0,1742 m³/s = 174,2 L/s

Risposta

Q = 174,2 L/s
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pel = 32,11 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 = 1000·9,81·0,025·80 = 19,62 kW

Potenza all’albero

Pshaft = 19,62/0,65 = 30,18 kW

Potenza elettrica

Pel = 30,18/0,94 = 32,11 kW

Risposta

Pel = 32,11 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 51,96 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 = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (125 + 8)·0,3305 = 43,96 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 = 8 + 43,96 = 51,96 m

Risposta

H = 51,96 m

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