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 1600 kg/h · 30% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 5% NaOHProdotto20% NaOH

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 20% di NaOH? Trova ṁ2.

ṁ1 = 600 kg/hx1 = 30 %x2 = 5 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F2000 kg/h · 16% saleProdotto PP = ? · 65%Vapore W (acqua pura)0% sale

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

F = 2000 kg/hxF = 16 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoolio leggero · 180 °C140 °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 = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 140 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 180 °C150 °Cacqua · 25 °C80 °C · ṁ = ?5% perso

Il miscela di glicole 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 = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 150 °Ct: 25 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 5 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
110 g di O₂V = 50 LT = 80 °CP = ?

Un serbatoio di 50 L contiene 110 g di O₂ a 80 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 110 gM = 32 g/molV = 50 LT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di N₂ passa da 250 kPa, 20 L, 30 °C a 250 kPa e 150 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 250 kPaV1 = 20 LT1 = 30 °CP2 = 250 kPaT2 = 150 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

8 g di C3H8 e 8 g di O2 reagiscono secondo C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. Quale massa m di CO2 si può formare?

M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(C6​H12​O6​)n(C6​H12​O6​)n(C2​H5​OH)m(C2​H5​OH)÷ M(C6​H12​O6​)× 2/1× M(C2​H5​OH)

Nella reazione C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2, 30 g di C6H12O6 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 13,04 g di C2H5OH. Trova la resa percentuale Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(C2H5OH) = 46,07 g/molreale: 13,04 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

0,2 mol/L di H₂ e 0,2 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 9. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 9
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,05 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 = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Alluminiom = 100 gT = 130 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Acquam = 300 gT = 20 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di alluminio da 100 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 130 °C viene immerso in 300 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 20 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 300 gTwater = 20 °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 min0,16

In una reazione del primo ordine la concentrazione di A scende da 0,8 mol/L a 0,16 mol/L in 15 min. Trova la costante cinetica k.

CA0 = 0,8 mol/LCA = 0,16 mol/Lt = 15 min
k = min⁻¹
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk40 °Ck1​?3·k1​

Una reazione ha un’energia di attivazione di 70 kJ/mol. A 40 °C è troppo lenta. A quale temperatura T2 (in °C) va riscaldata per renderla 3 volte più veloce?

Ea = 70 kJ/molT1 = 40 °Ck2/k1 = 3R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 80 L/minX = 80%V = ?, k = 0,1 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,1 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 80%.

Q = 80 L/mink = 0,1 min⁻¹X = 80%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 200 LV = 200 LQ = 100 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,3 min⁻¹) avviene in due CSTR uguali in serie, ciascuno da 200 L. La portata di alimentazione è 100 L/min, la densità è costante e i reattori sono in regime stazionario. Trova la conversione complessiva X in percentuale.

V = 200 L (×2)Q = 100 L/mink = 0,3 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT145 °C85 °C50 °C20 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore a fascio tubiero (un passaggio lato mantello, due passaggi lato tubi) deve trasferire 300 kW. Il fluido caldo si raffredda da 145 a 85 °C e il fluido freddo si riscalda da 20 a 50 °C. Il fattore di correzione della LMTD per questa configurazione è F = 0,95, e U = 300 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 300 kWF = 0,95U = 300 W/(m²·K)Th: 145 → 85 °CTc: 20 → 50 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT85 °C60 °C69,81 °C10 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (2 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) si raffredda da 85 a 60 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 0,5 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 10 °C. Con U = 200 W/(m²·K), trova l’area di scambio A necessaria.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 85 → 60 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Vetro, k = 0,96150 mmPolistirene espanso, k = 0,03525 mm25 °C-12 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 150 mm di vetro e 25 mm di polistirene espanso, con un’area di 10 m². Le facce esterne sono a 25 °C e -12 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 150 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 25 °CT3 = -12 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Cartongesso, k = 0,17100 mmPolistirene espanso, k = 0,035100 mmstanza 20 °Cesterno -8 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 100 mm cartongesso e 100 mm polistirene espanso separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a -8 °C. I coefficienti di convezione sono 8 W/(m²·K) all’interno e 30 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 6 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -8 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 1,2 m/sD = 200 mmL = 800 mf = 0,015

Acqua (ρ = 1000 kg/m³) scorre a 1,2 m/s in un tubo orizzontale lungo 800 m con diametro interno di 200 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 = 1,2 m/sL = 800 mD = 200 mmf = 0,015ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 10Δz = ?L = 200 m, D = 200 mm, f = 0,022× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 200 m con diametro interno di 200 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 = 10) 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 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 200 mD = 200 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 15 L/sH = 14 m

Una pompa con rendimento del 60% eroga 15 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 14 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 15 L/sH = 14 mη = 60%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 30 L/sΔz = 6 mL = 200 m, D = 150 mm, f = 0,022, ΣK = 4

Una pompa trasferisce 30 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 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,022; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 4 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Il rendimento della pompa è del 70%. Trova la potenza all’albero Pshaft in kW.

Q = 30 L/sΔz = 6 mL = 200 mD = 150 mmf = 0,022ΣK = 4η = 70%
Pshaft = kW

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 400 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
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Risolvi per ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 600·(30 − 20)/(20 − 5) = 400 kg/h

Risposta

ṁ2 = 400 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 492,3 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 = 2000·16/65 = 492,3 kg/h

Risposta

P = 492,3 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 40,12 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 2,5·2,1·(180 − 140) = 210 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 210/(2·4,18) = 40,12 °C

Risposta

tout = 40,12 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 1,116 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 2,5·3,6·(180 − 150) = 270 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,05)·270 = 256,5 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 256,5/(4,18·55) = 1,116 kg/s

Risposta

ṁc = 1,116 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 201,9 kPa

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

Moli

n = m/M = 110/32 = 3,438 mol
T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Pressione

P = nRT/V = 3,438·8,314·353,1/0,05 = 201,9 kPa

Risposta

P = 201,9 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 27,92 L

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

Temperature assolute

T1 = 303,1 K, T2 = 423,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(250/250)·(423,1/303,1) = 27,92 L

Risposta

V2 = 27,92 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 6,602 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(C3H8) = 8/44,1 = 0,1814 mol
n(O2) = 8/32 = 0,25 mol

Reagente limitante

0,1814/1 = 0,1814, 0,25/5 = 0,05 → O2

Massa di prodotto

n(CO2) = 0,05·3 = 0,15 mol
m = 0,15·44,01 = 6,602 g

Risposta

m = 6,602 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 84,99 %

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

Resa teorica

n(C6H12O6) = 30/180,16 = 0,1665 mol
m = 0,1665·2/1·46,07 = 15,34 g

Resa percentuale

Y = 13,04/15,34·100 = 84,99%

Risposta

Y = 84,99%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,08 mol/L

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

Espressione all’equilibrio

9 = (2x)²/(0,2 − x)²

Estrai la radice quadrata

3 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·3/(2 + 3) = 0,12 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 0,2 − x = 0,08 mol/L

Risposta

[H2] = 0,08 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,8 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/(1 − x) → x² + 0,05·x − 0,05 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

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

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 1 − 0,2 = 0,8 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,8 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 27,34 °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

100·0,897·(130 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 20)

Ricava la temperatura finale

Tf = (89,7·130 + 1254·20)/(89,7 + 1254) = 27,34 °C

Risposta

Tf = 27,34 °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: k = 0,1073 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(0,8/0,16)/15 = 1,609/15 = 0,1073 min⁻¹

Risposta

k = 0,1073 min⁻¹
14.Cinetica chimica

Risposta: T2 = 53,34 °C

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).

Temperatura assoluta

T1 = 313,1 K

Ricava T₂ dall’equazione di Arrhenius

1/T2 = 1/313,1 − 8,314·ln(3)/70000 = 3,193 × 10⁻³ − 1,305 × 10⁻⁴ = 3,063 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 326,5 K = 53,34 °C

Risposta

T2 = 53,34 °C
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 1288 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))/0,1 = 1,609/0,1 = 16,09 min

Volume

V = Q·τ = 80·16,09 = 1288 L

Risposta

V = 1288 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 60,94 %

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

Tempo spaziale

τ = V/Q = 200/100 = 2 min, kτ = 0,3·2 = 0,6

Conversione

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

Risposta

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

Risposta: A = 13,32 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.

Differenze di temperatura agli estremi (controcorrente)

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 = 145 − 50 = 95 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 85 − 20 = 65 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (95 − 65)/ln(95/65) = 79,05 K

Area

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 300000/(300·0,95·79,05) = 13,32 m²

Risposta

A = 13,32 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 21,39 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) = 2·2,5·25 = 125 kW
Tc,out = 10 + 125/(0,5·4,18) = 69,81 °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 = 85 − 69,81 = 15,19 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 60 − 10 = 50 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (15,19 − 50)/ln(15,19/50) = 29,22 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 125000/(200·29,22) = 21,39 m²

Risposta

A = 21,39 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 425 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)/(0,96·10) = 0,01563 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,035·10) = 0,07143 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 37/0,08705 = 425 W

Risposta

Q̇ = 425 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 19,03 °C

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

Resistenze in serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(8·6) = 0,02083 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·6) = 0,09804 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,035·6) = 0,4762 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·6) = 0,005556 K/W
ΣR = 0,6006 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (20 − (-8))/0,6006 = 46,62 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 46,62·0,02083 = 19,03 °C

Risposta

Ts = 19,03 °C
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δp = 43,2 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·(800/0,2)·1,2²/(2·9,81) = 4,404 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 = 1000·9,81·4,404 = 43200 Pa = 43,2 kPa

Risposta

Δp = 43,2 kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 10,61 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 = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,02·200/0,2 = 20
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Perdita di carico totale

hf = 20·0,3305 = 6,61 m
hm = 12,1·0,3305 = 3,999 m
Δz = hf + hm = 10,61 m

Risposta

Δz = 10,61 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 3,433 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 = 1000·9,81·0,015·14 = 2,06 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 2,06/0,6 = 3,433 kW

Risposta

Pshaft = 3,433 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 4,581 kW

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

Velocità

V = Q/A = 0,03/0,01767 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (29,33 + 4)·0,1469 = 4,896 m

Prevalenza della pompa

H = Δz + hL = 6 + 4,896 = 10,9 m

Potenza all’albero

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,03·10,9/0,7 = 4,581 kW

Risposta

Pshaft = 4,581 kW

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