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.

Nuovi eserciziTorna al corso

Nella finestra di stampa scegli “Salva come PDF” per conservarne una copia sul tuo dispositivo.

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 1850 kg/h · 15% zuccheroCorrente 2ṁ₂ = ? · 40% zuccheroProdotto20% zucchero

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

ṁ1 = 850 kg/hx1 = 15 %x2 = 40 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F5000 kg/h · 15% zuccheroProdotto P30% zuccheroVapore W (acqua pura)W = ? kg/h

Un evaporatore concentra una soluzione di zucchero facendo evaporare acqua pura. Trova l’acqua evaporata W in kg/h.

F = 5000 kg/hxF = 15 %xP = 30 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 150 °C90 °Cacqua · 10 °Ct = ? °C

Il etanolo 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 = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 150 → 90 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 180 °C60 °Cacqua · 15 °C75 °C · ṁ = ?10% perso

Il miscela di glicole caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 10% 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: 180 → 60 °Ct: 15 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
260 g di CO₂V = 30 LT = 15 °CP = ?

Un serbatoio di 30 L contiene 260 g di CO₂ a 15 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 260 gM = 44,01 g/molV = 30 LT = 15 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
N₂, M = 28,01 g/molP = 550 kPaT = 120 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di N₂ a 550 kPa e 120 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 28,01 g/molP = 550 kPaT = 120 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

6 g di H2 e 8 g di O2 reagiscono secondo 2H2 + O2 → 2H2O. Quale massa m di H2O si può formare?

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

Nella reazione 2Na + Cl2 → 2NaCl, 20 g di Na reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 44,74 g di NaCl. Trova la resa percentuale Y.

M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/molreale: 44,74 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,50,50C−x−x+2xE0,5 − x0,5 − x2x

0,5 mol/L di H₂ e 0,5 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 16. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 16
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,2500C−x+x+xE0,25 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,01 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,25 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,01
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Ramem = 100 gT = 130 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Acquam = 200 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di rame da 100 g (c = 0,385 J/(g·°C)) a 130 °C viene immerso in 200 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 16 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 200 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H100 g C4​H10​2C4​H10​ + 13O₂reagenti8CO₂ + 10H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 100 g di C4H10 (M = 58,12 g/mol) bruciano completamente: 2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(C4H10) = −125,6 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)X (%)t = ?50%

Una reazione del secondo ordine (−rA = k·CA²) in un reattore batch ha k = 1 L/(mol·min) e parte da 0,5 mol/L. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 50%? Trova t.

k = 1 L/(mol·min)CA0 = 0,5 mol/LX = 50 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk40 °Ck1​?2·k1​

Una reazione ha un’energia di attivazione di 55 kJ/mol. A 40 °C è troppo lenta. A quale temperatura T2 (in °C) va riscaldata per renderla 2 volte più veloce?

Ea = 55 kJ/molT1 = 40 °Ck2/k1 = 2R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
QX = 60%stessi Q, k e X del CSTR

Una reazione del primo ordine in fase liquida deve raggiungere una conversione del 60%. Quante volte più grande di un PFR deve essere un CSTR a parità di portata di alimentazione, costante cinetica e conversione? Trova il rapporto VCSTR/VPFR.

X = 60%primo ordine, stessi k e Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 1500 LQ = 20 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,25 min⁻¹) avviene in un CSTR da 1500 L alimentato a 20 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 1500 LQ = 20 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT170 °C115 °C10 °C70 °CΔT₁ΔT₂equicorrente

Uno scambiatore equicorrente trasferisce 180 kW. Il fluido caldo si raffredda da 170 a 115 °C e il fluido freddo si riscalda da 10 a 70 °C. Il coefficiente globale di scambio è 1500 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 180 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 170 → 115 °CTc: 10 → 70 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT140 °C115 °C43,76 °C30 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (1 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) si raffredda da 140 a 115 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 1 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 30 °C. Con U = 200 W/(m²·K), trova l’area di scambio A necessaria.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 140 → 115 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Legno, k = 0,17250 mmMattone, k = 0,72150 mm25 °C-6 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 250 mm di legno e 150 mm di mattone, con un’area di 20 m². Le facce esterne sono a 25 °C e -6 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 25 °CT3 = -6 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Lana minerale, k = 0,0450 mmPolistirene espanso, k = 0,035100 mmstanza 20 °Cesterno 3 °CQ̇ = ?

Una parete di 50 mm lana minerale e 100 mm polistirene espanso separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a 3 °C. I coefficienti di convezione sono 7,7 W/(m²·K) all’interno e 20 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 6 m². Trova la perdita di calore Q̇ attraverso la parete.

L1 = 50 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = 3 °C
Q̇ = W
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
Q = 12 L/sD = 100 mmL = 1000 mf = 0,022

Acqua scorre con una portata di 12 L/s in un tubo lungo 1000 m con diametro interno di 100 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,022 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

Q = 12 L/sL = 1000 mD = 100 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 0,2Δz = 27 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,024× 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. Il pelo libero del serbatoio superiore si trova 27 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 = 0,2) e lo sbocco nel serbatoio inferiore (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Trova la portata Q in L/s.

Δz = 27 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 30 L/sH = 54 m

Una pompa con rendimento del 65% eroga 30 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 54 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 30 L/sH = 54 mη = 65%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 75 L/sΔz = 13 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,02, ΣK = 4

Una pompa trasferisce 75 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 13 m più in alto. Il tubo è lungo 100 m, con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02; 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 65%. Trova la potenza all’albero Pshaft in kW.

Q = 75 L/sΔz = 13 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 4η = 65%
Pshaft = kW

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 212,5 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
zucchero: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Risolvi per ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 850·(15 − 20)/(20 − 40) = 212,5 kg/h

Risposta

ṁ2 = 212,5 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 2500 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 = 5000·15/30 = 2500 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 5000 − 2500 = 2500 kg/h

Risposta

W = 2500 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 68,37 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 2,5·2,44·(150 − 90) = 366 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 366/(1,5·4,18) = 68,37 °C

Risposta

tout = 68,37 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 2,325 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1,5·3,6·(180 − 60) = 648 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,1)·648 = 583,2 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 583,2/(4,18·60) = 2,325 kg/s

Risposta

ṁc = 2,325 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 471,8 kPa

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

Moli

n = m/M = 260/44,01 = 5,908 mol
T = 15 + 273,15 = 288,1 K

Pressione

P = nRT/V = 5,908·8,314·288,1/0,03 = 471,8 kPa

Risposta

P = 471,8 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 4,713 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 = 120 + 273,15 = 393,1 K

Densità

ρ = 550·28,01/(8,314·393,1) = 4,713 kg/m³

Risposta

ρ = 4,713 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 9,01 g

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

Moli di ogni reagente

n(H2) = 6/2,016 = 2,976 mol
n(O2) = 8/32 = 0,25 mol

Reagente limitante

2,976/2 = 1,488, 0,25/1 = 0,25 → O2

Massa di prodotto

n(H2O) = 0,25·2 = 0,5 mol
m = 0,5·18,02 = 9,01 g

Risposta

m = 9,01 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 88 %

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) = 20/22,99 = 0,8699 mol
m = 0,8699·2/2·58,44 = 50,84 g

Resa percentuale

Y = 44,74/50,84·100 = 88%

Risposta

Y = 88%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 0,6667 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/(0,5 − x)²

Estrai la radice quadrata

4 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·4/(2 + 4) = 0,3333 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 0,6667 mol/L

Risposta

[HI] = 0,6667 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [Cl2] = 0,04525 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

0,01 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,01·x − 0,0025 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,0025))/2 = 0,04525 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[Cl₂] = x = 0,04525 mol/L

Risposta

[Cl2] = 0,04525 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 21,02 °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

100·0,385·(130 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 16)

Ricava la temperatura finale

Tf = (38,5·130 + 836·16)/(38,5 + 836) = 21,02 °C

Risposta

Tf = 21,02 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 4951 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° = [8·(−393,5) + 10·(−285,8)] − [2·(−125,6) + 13·0] = −5755 kJ

Calore per la massa data

n = 100/58,12 = 1,721 mol
q = n·|ΔH°/2| = 1,721·2877 = 4951 kJ

Risposta

q = 4951 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: t = 2 min

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).

Concentrazione finale

CA = 0,5·(1 − 0,5) = 0,25 mol/L

Legge integrata del secondo ordine

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (4 − 2)/1 = 2 min

Risposta

t = 2 min
14.Cinetica chimica

Risposta: T2 = 50,62 °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(2)/55000 = 3,193 × 10⁻³ − 1,048 × 10⁻⁴ = 3,089 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 323,8 K = 50,62 °C

Risposta

T2 = 50,62 °C
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: VCSTR/VPFR = 1,637

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.

k·τ per ciascun reattore

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,6/0,4 = 1,5
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2,5) = 0,9163

Rapporto dei volumi

VCSTR/VPFR = 1,5/0,9163 = 1,637

Risposta

VCSTR/VPFR = 1,637

La differenza cresce rapidamente ad alte conversioni.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 94,94 %

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 = 1500/20 = 75 min, kτ = 0,25·75 = 18,75

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 18,75/(1 + 18,75) = 94,94%

Risposta

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

Risposta: A = 1,324 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 = 170 − 10 = 160 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 115 − 70 = 45 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (160 − 45)/ln(160/45) = 90,66 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 180000/(1500·90,66) = 1,324 m²

Risposta

A = 1,324 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 3,177 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) = 1·2,3·25 = 57,5 kW
Tc,out = 30 + 57,5/(1·4,18) = 43,76 °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 = 140 − 43,76 = 96,24 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 115 − 30 = 85 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (96,24 − 85)/ln(96,24/85) = 90,51 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 57500/(200·90,51) = 3,177 m²

Risposta

A = 3,177 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 369,3 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)/(0,17·20) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,72·20) = 0,01042 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 31/0,08395 = 369,3 W

Risposta

Q̇ = 369,3 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 23,79 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/(7,7·6) = 0,02165 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,04·6) = 0,2083 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,035·6) = 0,4762 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·6) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,7145 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (20 − (3))/0,7145 = 23,79 W

Risposta

Q̇ = 23,79 W
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 26,18 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 = 0,012/0,007854 = 1,528 m/s

Altezza cinetica

V²/(2g) = 1,528²/(2·9,81) = 0,119 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(1000/0,1)·1,528²/(2·9,81) = 26,18 m

Risposta

hf = 26,18 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Q = 151,1 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 = 0,02·200/0,2 = 20
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,9

Equazione dell’energia

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

27 = (20 + 2,9)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·27/22,9) = 4,81 m/s

Portata

Q = V·π·D²/4 = 4,81·0,03142 = 0,1511 m³/s = 151,1 L/s

Risposta

Q = 151,1 L/s
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 24,45 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 = 1000·9,81·0,03·54 = 15,89 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 15,89/0,65 = 24,45 kW

Risposta

Pshaft = 24,45 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 19,32 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (10 + 4)·0,2905 = 4,067 m

Prevalenza della pompa

H = Δz + hL = 13 + 4,067 = 17,07 m

Potenza all’albero

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,075·17,07/0,65 = 19,32 kW

Risposta

Pshaft = 19,32 kW

Questo è materiale di esercitazione indipendente. ExamProblems non è affiliato né approvato dall’organizzazione che gestisce questo esame, e il nome dell’esame è usato solo per descrivere i contenuti. Il FE exam è gestito da NCEES, che non è affiliato a ExamProblems e non lo approva.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-chemical