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 1200 kg/h · 45% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 20% NaOHProdotto35% NaOH

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 35% di NaOH? Trova ṁ2.

ṁ1 = 200 kg/hx1 = 45 %x2 = 20 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F4700 kg/h · 17% 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 = 4700 kg/hxF = 17 %xP = 50 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 150 °C60 °Cacqua · 25 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 150 → 60 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoolio leggero · 140 °C90 °Cacqua · 25 °C85 °C · ṁ = ?5% perso

Il olio leggero 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 = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 140 → 90 °Ct: 25 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 5 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
170 g di CH₄P = 600 kPaT = 25 °CV = ?

Quale volume V occupano 170 g di CH₄ a 600 kPa e 25 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 170 gM = 16,04 g/molP = 600 kPaT = 25 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
Ar, M = 39,95 g/molP = 1000 kPaT = 100 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di Ar a 1000 kPa e 100 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 39,95 g/molP = 1000 kPaT = 100 °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)

12 g di CH4 e 8 g di O2 reagiscono secondo CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Quale massa m di H2O si può formare?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(CH4​)n(CH4​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CH4​)× 1/1× M(CO2​)

Nella reazione CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, 4 g di CH4 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 9,99 g di CO2. Trova la resa percentuale Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreale: 9,99 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

1 mol/L di H₂ e 1 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 4. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 4
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,05 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,5 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Ferrom = 50 gT = 160 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Acquam = 100 gT = 23 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di ferro da 50 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 160 °C viene immerso in 100 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 23 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 100 gTwater = 23 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H50 g C2​H5​OHC2​H5​OH + 3O₂reagenti2CO₂ + 3H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 50 g di C2H5OH (M = 46,07 g/mol) bruciano completamente: C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.Cinetica chimicaMedia
t (min)X (%)t = ?75%

Una reazione del primo ordine in un reattore batch ha k = 0,1 min⁻¹. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 75%? Trova t.

k = 0,1 min⁻¹X = 75 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
t (min)X (%)20 minX = ?

Una reazione del primo ordine ha k = 0,002 min⁻¹ a 30 °C e un’energia di attivazione di 50 kJ/mol. Il reattore batch ora lavora a 45 °C per 20 min. Trova la conversione X raggiunta.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 30 °CEa = 50 kJ/molT2 = 45 °Ct = 20 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 25 L/minX = 90%V = ?, k = 0,4 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,4 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 25 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 = 25 L/mink = 0,4 min⁻¹X = 90%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 400 LV = 400 LQ = 80 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,12 min⁻¹) avviene in due CSTR uguali in serie, ciascuno da 400 L. La portata di alimentazione è 80 L/min, la densità è costante e i reattori sono in regime stazionario. Trova la conversione complessiva X in percentuale.

V = 400 L (×2)Q = 80 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT180 °C70 °C10 °C20 °CΔT₁ΔT₂equicorrente

Uno scambiatore di calore equicorrente trasferisce 290 kW. La sua area di scambio è 2,5 m². Il fluido caldo si raffredda da 180 a 70 °C e il fluido freddo si riscalda da 10 a 20 °C. Trova il coefficiente globale di scambio U.

Q̇ = 290 kWA = 2,5 m²Th: 180 → 70 °CTc: 10 → 20 °C
U = W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT130 °C90 °C20 °C?ΔT₁ΔT₂equicorrente

In uno scambiatore a doppio tubo equicorrente, olio caldo (0,8 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) scorre nel tubo interno e si raffredda da 130 a 90 °C. Acqua (0,8 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) nell’intercapedine anulare entra a 20 °C. Il tubo interno ha un diametro di 20 mm, e U = 300 W/(m²·K) è riferito a questo diametro. Trova la lunghezza del tubo L necessaria.

ṁh = 0,8 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 130 → 90 °Cṁc = 0,8 kg/sTc,in = 20 °CD = 20 mmU = 300 W/(m²·K)
L = m
19.Conduzione del caloreMedia
Lana minerale, k = 0,0450 mmCalcestruzzo, k = 1,4150 mm17 °C0 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 50 mm di lana minerale e 150 mm di calcestruzzo, con un’area di 4 m². Le facce esterne sono a 17 °C e 0 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 50 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 17 °CT3 = 0 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Lana minerale, k = 0,04250 mmMattone, k = 0,72150 mmstanza 21 °Cesterno -12 °CQ̇ = ?

Una parete di 250 mm lana minerale e 150 mm mattone separa una stanza a 21 °C dall’aria esterna a -12 °C. I coefficienti di convezione sono 7,7 W/(m²·K) all’interno e 30 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 20 m². Trova la perdita di calore Q̇ attraverso la parete.

L1 = 250 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 20 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -12 °C
Q̇ = W
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 1,7 m/sD = 250 mmL = 400 mf = 0,018

Acqua (ρ = 1000 kg/m³) scorre a 1,7 m/s in un tubo orizzontale lungo 400 m con diametro interno di 250 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,018 e g = 9,81 m/s². Trova la caduta di pressione Δp lungo il tubo in kPa.

V = 1,7 m/sL = 400 mD = 250 mmf = 0,018ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 5Δz = ?L = 150 m, D = 150 mm, f = 0,0222× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 150 m con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,022. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 2 curve (K = 0,3 ciascuna), una valvola (K = 5) 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 30 L/s?

Q = 30 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 30 L/sH = 54 m

Una pompa con rendimento del 85% 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 = 85%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
400 kPa (relativa)PQ = 50 L/sΔz = 32 mL = 200 m, D = 150 mm, f = 0,02, ΣK = 8

Una pompa trasferisce 50 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 32 m più in alto. Il tubo è lungo 200 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 8 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². La vasca superiore è chiusa e l’aria sopra l’acqua è a una pressione relativa di 400 kPa. Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 50 L/sΔz = 32 mL = 200 mD = 150 mmf = 0,02ΣK = 8ptank = 400 kPa
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 133,3 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) = 200·(45 − 35)/(35 − 20) = 133,3 kg/h

Risposta

ṁ2 = 133,3 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 1598 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 = 4700·17/50 = 1598 kg/h

Risposta

P = 1598 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 103,8 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 1,5·2,44·(150 − 60) = 329,4 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 329,4/(1·4,18) = 103,8 °C

Risposta

tout = 103,8 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,5966 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1,5·2,1·(140 − 90) = 157,5 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,05)·157,5 = 149,6 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 149,6/(4,18·60) = 0,5966 kg/s

Risposta

ṁc = 0,5966 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 43,79 L

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

Moli

n = 170/16,04 = 10,6 mol
T = 25 + 273,15 = 298,1 K

Volume

V = nRT/P = 10,6·8,314·298,1/600 = 43,79 L

Risposta

V = 43,79 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 12,88 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 = 100 + 273,15 = 373,1 K

Densità

ρ = 1000·39,95/(8,314·373,1) = 12,88 kg/m³

Risposta

ρ = 12,88 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 4,505 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(CH4) = 12/16,04 = 0,7481 mol
n(O2) = 8/32 = 0,25 mol

Reagente limitante

0,7481/1 = 0,7481, 0,25/2 = 0,125 → O2

Massa di prodotto

n(H2O) = 0,125·2 = 0,25 mol
m = 0,25·18,02 = 4,505 g

Risposta

m = 4,505 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 91,02 %

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(CH4) = 4/16,04 = 0,2494 mol
m = 0,2494·1/1·44,01 = 10,98 g

Resa percentuale

Y = 9,99/10,98·100 = 91,02%

Risposta

Y = 91,02%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 1 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

4 = (2x)²/(1 − x)²

Estrai la radice quadrata

2 = 2x/(1 − x) → x = 1·2/(2 + 2) = 0,5 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 1 mol/L

Risposta

[HI] = 1 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,3649 mol/L

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

Espressione all’equilibrio

0,05 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,05·x − 0,025 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,025))/2 = 0,1351 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,5 − 0,1351 = 0,3649 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,3649 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 29,98 °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

50·0,449·(160 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 23)

Ricava la temperatura finale

Tf = (22,45·160 + 418·23)/(22,45 + 418) = 29,98 °C

Risposta

Tf = 29,98 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 1483 kJ

Calore ed entalpia: riscaldare una sostanza richiede q = m·c·ΔT. In un calorimetro il calore ceduto dal corpo caldo è uguale al calore assorbito da quello freddo. La variazione di entalpia di una reazione si ricava dalle entalpie di formazione: ΔH° = ΣΔH°f(prodotti) − ΣΔH°f(reagenti), ciascuna moltiplicata per il proprio coefficiente.

Entalpia di reazione

ΔH° = [2·(−393,5) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Calore per la massa data

n = 50/46,07 = 1,085 mol
q = n·|ΔH°/1| = 1,085·1367 = 1483 kJ

Risposta

q = 1483 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: t = 13,86 min

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).

Conversione e concentrazione

C/C0 = 1 − X = 0,25

Risolvi per il tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,25)/0,1 = 13,86 min

Risposta

t = 13,86 min
14.Cinetica chimica

Risposta: X = 9,69 %

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).

Costante cinetica alla nuova temperatura

T1 = 303,1 K, T2 = 318,1 K
k2 = 0,002·e−(50000/8,314)·(1/318,1 − 1/303,1) = 0,005096 min⁻¹

Conversione

X = 1 − e−0,005096·20 = 1 − 0,9031 = 9,69 %

Risposta

X = 9,69 %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 143,9 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))/0,4 = 2,303/0,4 = 5,756 min

Volume

V = Q·τ = 25·5,756 = 143,9 L

Risposta

V = 143,9 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 = 400/80 = 5 min, kτ = 0,12·5 = 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: U = 1183 W/(m²·K)

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

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 180 − 10 = 170 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 70 − 20 = 50 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (170 − 50)/ln(170/50) = 98,06 K

Coefficiente globale

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 290000/(2,5·98,06) = 1183 W/(m²·K)

Risposta

U = 1183 W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: L = 52,23 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 = 0,8·2,3·(130 − 90) = 73,6 kW
Tc,out = 20 + 73,6/(0,8·4,18) = 42,01 °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 = 130 − 20 = 110 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 90 − 42,01 = 47,99 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (110 − 47,99)/ln(110/47,99) = 74,76 K

Area e lunghezza

A = 73600/(300·74,76) = 3,282 m²
L = A/(πD) = 3,282/(π·0,02) = 52,23 m

Risposta

L = 52,23 m
19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 50,11 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) = (50/1000)/(0,04·4) = 0,3125 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(1,4·4) = 0,02679 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 17/0,3393 = 50,11 W

Risposta

Q̇ = 50,11 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 99,67 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/(7,7·20) = 0,006494 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,04·20) = 0,3125 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,72·20) = 0,01042 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·20) = 0,001667 K/W
ΣR = 0,3311 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (21 − (-12))/0,3311 = 99,67 W

Risposta

Q̇ = 99,67 W
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δp = 41,62 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) = 0,018·(400/0,25)·1,7²/(2·9,81) = 4,242 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 = 1000·9,81·4,242 = 41616 Pa = 41,62 kPa

Risposta

Δp = 41,62 kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 4,275 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 = 0,03/0,01767 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,022·150/0,15 = 22
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 + 1,0 = 7,1

Perdita di carico totale

hf = 22·0,1469 = 3,232 m
hm = 7,1·0,1469 = 1,043 m
Δz = hf + hm = 4,275 m

Risposta

Δz = 4,275 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 18,7 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 = 15,89/0,85 = 18,7 kW

Risposta

Pshaft = 18,7 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 86,92 m

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

Velocità

V = Q/A = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (26,67 + 8)·0,408 = 14,15 m

Altezza piezometrica

p/(ρ·g) = 400000/(1000·9,81) = 40,77 m

Prevalenza della pompa

Entrambe le superfici sono praticamente in quiete, quindi non c’è il termine dell’altezza cinetica.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 32 + 40,77 + 14,15 = 86,92 m

Risposta

H = 86,92 m

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