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 1550 kg/h · 5% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 35% saleProdotto30% sale

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 30% di sale? Trova ṁ2.

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 5 %x2 = 35 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F2700 kg/h · 13% zuccheroProdotto PP = ? · 50%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 = 2700 kg/hxF = 13 %xP = 50 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddomiscela di glicole · 180 °C100 °Cacqua · 30 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 100 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 140 °C80 °Cacqua · 25 °C85 °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 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 80 °Ct: 25 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
360 g di HeP = 600 kPaT = 0 °CV = ?

Quale volume V occupano 360 g di He a 600 kPa e 0 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 360 gM = 4,003 g/molP = 600 kPaT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di He passa da 150 kPa, 5 L, 15 °C a 800 kPa e 110 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 150 kPaV1 = 5 LT1 = 15 °CP2 = 800 kPaT2 = 110 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

20 g di Al e 32 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(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, 4 g di C6H12O6 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 1,68 g di C2H5OH. Trova la resa percentuale Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(C2H5OH) = 46,07 g/molreale: 1,68 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,10,10C−x−x+2xE0,1 − x0,1 − x2x

0,1 mol/L di H₂ e 0,1 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 49. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 49
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,04 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 = 0,04
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Zincom = 100 gT = 190 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Acquam = 250 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di zinco da 100 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 190 °C viene immerso in 250 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 16 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 190 °Cmwater = 250 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
HC3​H8​ + 5O₂reagenti3CO₂ + 4H₂O(l)prodottiΔH° = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare ΔH° della reazione C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(C3H8) = −103,8 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)X (%)t = ?80%

Una reazione di ordine zero ha k = 0,01 mol/(L·min) e parte da 1,2 mol/L. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 80%? Trova t.

k = 0,01 mol/(L·min)CA0 = 1,2 mol/LX = 80 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk25 °C0,0545 °C0,335

La costante cinetica di una reazione è 0,05 min⁻¹ a 25 °C e 0,335 min⁻¹ a 45 °C. Trova l’energia di attivazione Ea.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 25 °Ck2 = 0,335 min⁻¹T2 = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 50 L/minX = 70%V = ?, k = 0,05 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,05 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 50 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova il volume del reattore V in litri per una conversione di A del 70%.

Q = 50 L/mink = 0,05 min⁻¹X = 70%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 1500 LQ = 5 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,15 min⁻¹) avviene in un CSTR da 1500 L alimentato a 5 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 1500 LQ = 5 L/mink = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT80 °C35 °C10 °C30 °CΔT₁ΔT₂equicorrente

Uno scambiatore equicorrente trasferisce 20 kW. Il fluido caldo si raffredda da 80 a 35 °C e il fluido freddo si riscalda da 10 a 30 °C. Il coefficiente globale di scambio è 1500 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 20 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 80 → 35 °CTc: 10 → 30 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT115 °C75 °C10 °C?ΔT₁ΔT₂equicorrente

In uno scambiatore a doppio tubo equicorrente, olio caldo (0,3 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) scorre nel tubo interno e si raffredda da 115 a 75 °C. Acqua (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) nell’intercapedine anulare entra a 10 °C. Il tubo interno ha un diametro di 25 mm, e U = 400 W/(m²·K) è riferito a questo diametro. Trova la lunghezza del tubo L necessaria.

ṁh = 0,3 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 115 → 75 °Cṁc = 1,5 kg/sTc,in = 10 °CD = 25 mmU = 400 W/(m²·K)
L = m
19.Conduzione del caloreMedia
Calcestruzzo, k = 1,450 mmCartongesso, k = 0,17150 mm21 °C8 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 50 mm di calcestruzzo e 150 mm di cartongesso, con un’area di 20 m². Le facce esterne sono a 21 °C e 8 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 50 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 21 °CT3 = 8 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Calcestruzzo, k = 1,450 mmMattone, k = 0,72100 mmstanza 20 °Cesterno -13 °CQ̇

Una parete di 50 mm calcestruzzo e 100 mm mattone separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a -13 °C. I coefficienti di convezione sono 6 W/(m²·K) all’interno e 30 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 10 m². Trova la trasmittanza termica U della parete.

L1 = 50 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 10 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -13 °C
U = W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 2,3 m/sD = 75 mmL = 200 mf = 0,022

Acqua scorre con una velocità media di 2,3 m/s in un tubo lungo 200 m con diametro interno di 75 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.

V = 2,3 m/sL = 200 mD = 75 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 5sbocco liberoH = ?L = 200 m, D = 300 mm, f = 0,0184× curva (K = 0,3)

Un tubo lungo 200 m con diametro interno di 300 mm (fattore di attrito di Darcy f = 0,018) parte da un serbatoio aperto e scarica come getto libero in aria. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 4 curve (K = 0,3 ciascuna) e una valvola (K = 5). Usa g = 9,81 m/s². A quale altezza H deve trovarsi il pelo libero del serbatoio sopra lo sbocco del tubo per avere una portata di 100 L/s?

Q = 100 L/sL = 200 mD = 300 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5
H = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 10 L/sH = 22 m

Una pompa eroga 10 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 22 m. Il rendimento della pompa è del 65% e il motore elettrico che la aziona ha un rendimento del 88%. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza elettrica Pel assorbita dal motore, in kW.

Q = 10 L/sH = 22 mηpump = 65%ηmotor = 88%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 120 L/sΔz = 8 mL = 600 m, D = 250 mm, f = 0,018, ΣK = 8

Una pompa trasferisce 120 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 600 m, con diametro interno di 250 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,018; 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 = 120 L/sΔz = 8 mL = 600 mD = 250 mmf = 0,018ΣK = 8
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 2750 kg/h

Bilancio di massa stazionario: entrata = uscita per il totale e per ogni componente. I problemi di miscelazione combinano entrambi.

Bilanci

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
sale: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Risolvi per ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 550·(5 − 30)/(30 − 35) = 2750 kg/h

Risposta

ṁ2 = 2750 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 702 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 = 2700·13/50 = 702 kg/h

Risposta

P = 702 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 98,9 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 2·3,6·(180 − 100) = 576 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 576/(2·4,18) = 98,9 °C

Risposta

tout = 98,9 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,7751 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1·3,6·(140 − 80) = 216 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,1)·216 = 194,4 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 194,4/(4,18·60) = 0,7751 kg/s

Risposta

ṁc = 0,7751 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 340,4 L

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

Moli

n = 360/4,003 = 89,93 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Volume

V = nRT/P = 89,93·8,314·273,1/600 = 340,4 L

Risposta

V = 340,4 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 1,247 L

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

Temperature assolute

T1 = 288,1 K, T2 = 383,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(150/800)·(383,1/288,1) = 1,247 L

Risposta

V2 = 1,247 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 40,12 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) = 20/26,98 = 0,7413 mol
n(Cl2) = 32/70,9 = 0,4513 mol

Reagente limitante

0,7413/2 = 0,3706, 0,4513/3 = 0,1504 → Cl2

Massa di prodotto

n(AlCl3) = 0,1504·2 = 0,3009 mol
m = 0,3009·133,33 = 40,12 g

Risposta

m = 40,12 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 82,12 %

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) = 4/180,16 = 0,0222 mol
m = 0,0222·2/1·46,07 = 2,046 g

Resa percentuale

Y = 1,68/2,046·100 = 82,12%

Risposta

Y = 82,12%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 0,1556 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

49 = (2x)²/(0,1 − x)²

Estrai la radice quadrata

7 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·7/(2 + 7) = 0,07778 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 0,1556 mol/L

Risposta

[HI] = 0,1556 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,64 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

0,04 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,04·x − 0,032 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,032))/2 = 0,16 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,8 − 0,16 = 0,64 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,64 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 22,23 °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

100·0,388·(190 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 16)

Ricava la temperatura finale

Tf = (38,8·190 + 1045·16)/(38,8 + 1045) = 22,23 °C

Risposta

Tf = 22,23 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −2220 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° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Risposta

ΔH° = −2220 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: t = 96 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).

Quantità convertita

CA0·X = 1,2·0,8 = 0,96 mol/L

Tempo

t = CA0·X/k = 0,96/0,01 = 96 min

Risposta

t = 96 min
14.Cinetica chimica

Risposta: Ea = 75 kJ/mol

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 = 318,1 K

Risolvi Arrhenius per Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,902/(-2,108e-4) = 75004 J/mol
Ea = 75 kJ/mol

Risposta

Ea = 75 kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 1204 L

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

Tempo spaziale

τ = ln(1/(1 − 0,7))/0,05 = 1,204/0,05 = 24,08 min

Volume

V = Q·τ = 50·24,08 = 1204 L

Risposta

V = 1204 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 97,83 %

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 = 1500/5 = 300 min, kτ = 0,15·300 = 45

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 45/(1 + 45) = 97,83%

Risposta

X = 97,83%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 0,5413 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 = 80 − 10 = 70 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 35 − 30 = 5 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70 − 5)/ln(70/5) = 24,63 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 20000/(1500·24,63) = 0,5413 m²

Risposta

A = 0,5413 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: L = 11,86 m

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 e temperatura di uscita dell’acqua

Q̇ = 0,3·2,5·(115 − 75) = 30 kW
Tc,out = 10 + 30/(1,5·4,18) = 14,78 °C

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 = 115 − 10 = 105 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 75 − 14,78 = 60,22 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (105 − 60,22)/ln(105/60,22) = 80,54 K

Area e lunghezza

A = 30000/(400·80,54) = 0,9312 m²
L = A/(πD) = 0,9312/(π·0,025) = 11,86 m

Risposta

L = 11,86 m
19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = 20,49 °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 degli strati

R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(1,4·20) = 0,001786 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,17·20) = 0,04412 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 13/0,0459 = 283,2 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 21 − 283,2·0,001786 = 20,49 °C

Risposta

Ti = 20,49 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: U = 2,669 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/(6·10) = 0,01667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(1,4·10) = 0,003571 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,72·10) = 0,01389 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·10) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,03746 K/W

Coefficiente globale

U = 1/(A·ΣR) = 1/(10·0,03746) = 2,669 W/(m²·K)

Risposta

U = 2,669 W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 15,82 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.

Altezza cinetica

V²/(2g) = 2,3²/(2·9,81) = 0,2696 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(200/0,075)·2,3²/(2·9,81) = 15,82 m

Risposta

hf = 15,82 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: H = 2,01 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 = 0,1/0,07069 = 1,415 m/s
V²/(2g) = 0,102 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,018·200/0,3 = 12
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 = 6,7

Equazione dell’energia

Il getto in uscita conserva la sua altezza cinetica; non è una perdita, ma deve essere fornita.

H = (1 + 12 + 6,7)·0,102 = 2,01 m

Risposta

H = 2,01 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pel = 3,773 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 = 1000·9,81·0,01·22 = 2,158 kW

Potenza all’albero

Pshaft = 2,158/0,65 = 3,32 kW

Potenza elettrica

Pel = 3,32/0,88 = 3,773 kW

Risposta

Pel = 3,773 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 23,6 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 = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (43,2 + 8)·0,3046 = 15,6 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 + 15,6 = 23,6 m

Risposta

H = 23,6 m

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