Esercitazione per l’esame FE Chemical: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 24 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Bilancio di massa

Regime stazionario
entrata = uscita
Bilancio totale
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Bilancio per componente
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Evaporatore
F·xF = P·xP, W = F − P

Bilancio energetico

Calore sensibile
Q = ṁ·cp·ΔT
Calore latente
Q = ṁ·hfg
Miscelazione
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Acqua
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Legge dei gas ideali

Legge dei gas ideali
pV = nRT
Costante dei gas
R = 8,314 J/(mol·K)
Legge combinata dei gas
p1V1/T1 = p2V2/T2
Moli
n = m/M
Temperatura
T[K] = T[°C] + 273,15

Stechiometria

Moli
n = m/M
Concentrazione
c = n/V
Rapporto molare
usa i coefficienti dell’equazione bilanciata
Reagente limitante
quello che si esaurisce per primo
Resa percentuale
effettiva / teorica × 100%

Metodo

  1. Scrivi e bilancia l’equazione chimica.
  2. Converti la massa data in moli: n = m/M.
  3. Usa i coefficienti come rapporto molare per trovare le moli della sostanza che ti interessa.
  4. Riconverti in massa con m = n·M. Con due reagenti, trova prima il reagente limitante.

Equilibrio chimico

Costante di equilibrio
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Tabella ICE
Iniziale, Variazione (×coefficiente), Equilibrio
Equazione di secondo grado
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Metodo

  1. Scrivi Kc con i prodotti al numeratore e i reagenti al denominatore, ciascuno elevato al proprio coefficiente.
  2. Imposta una tabella ICE: Iniziale, Variazione (multipli di x secondo i coefficienti), Equilibrio.
  3. Inserisci le espressioni all’equilibrio in Kc e risolvi per x.
  4. Controlla se x è abbastanza piccolo per un’approssimazione; altrimenti risolvi l’equazione di secondo grado.

Calorimetria ed entalpia

Calore
q = m·c·ΔT
Acqua
c = 4,18 J/(g·°C)
Calorimetro
calore ceduto = calore assorbito
Entalpia di reazione
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

Cinetica chimica

Primo ordine
ln(CA/CA0) = −kt
Tempo di dimezzamento (primo ordine)
t½ = ln 2/k
Secondo ordine
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Due temperature
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Tempo spaziale
τ = V/Q
CSTR, primo ordine
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, primo ordine
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Conversione dal volume
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N CSTR uguali in serie
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Scambiatori di calore (LMTD)

Potenza termica
Q = U·A·ΔTlm
Differenza di temperatura media logaritmica
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Bilancio di una corrente
Q = ṁcp(Tin − Tout)

Conduzione del calore

Legge di Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Resistenza conduttiva
R = L/(kA)
Resistenza convettiva
R = 1/(hA)
Resistenze in serie
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Trasmittanza U
U = 1/(ΣR·A)

Attrito nei condotti e perdite di carico

Numero di Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Regime di moto
laminare sotto Re ≈ 2000, turbolento sopra Re ≈ 4000
Velocità media
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Perdite localizzate
hm = ΣK·V²/(2g)
Valori tipici di K
imbocco 0,5, sbocco 1,0, curva a 90° ≈ 0,3
Caduta di pressione
Δp = ρ·g·hf
Due serbatoi aperti
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Sbocco libero
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pompe e potenza delle pompe

Potenza idraulica
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Potenza all’albero
Pshaft = Ph/ηpump
Potenza elettrica
Pel = Pshaft/ηmotor
Prevalenza della pompa
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Perdite dell’impianto
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Esercizi

1.Bilancio di massaMedia
MiscelatoreCorrente 1400 kg/h · 20% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 30% saleProdotto25% sale

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 25% di sale? Trova ṁ2.

ṁ1 = 400 kg/hx1 = 20 %x2 = 30 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F3500 kg/h · 12% zuccheroProdotto PP = ? · 65%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 = 3500 kg/hxF = 12 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 140 °C100 °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 = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 100 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoetanolo · 140 °C90 °Cacqua · 10 °C90 °C · ṁ = ?15% perso

Il etanolo caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 15% del calore ceduto dalla corrente calda. Trova la portata d’acqua ṁc necessaria.

ṁh = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 90 °Ct: 10 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
110 g di CH₄P = 250 kPaT = 95 °CV = ?

Quale volume V occupano 110 g di CH₄ a 250 kPa e 95 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 110 gM = 16,04 g/molP = 250 kPaT = 95 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
CH₄, M = 16,04 g/molP = 450 kPaT = 120 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di CH₄ a 450 kPa e 120 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 16,04 g/molP = 450 kPaT = 120 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

30 g di Na e 16 g di Cl2 reagiscono secondo 2Na + Cl2 → 2NaCl. Quale massa m di NaCl si può formare?

M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(C3​H8​)n(C3​H8​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C3​H8​)× 3/1× M(CO2​)

Nella reazione C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O, 16 g di C3H8 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 42,15 g di CO2. Trova la resa percentuale Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreale: 42,15 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 = 64. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 64
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,2 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 = 0,2
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Ferrom = 250 gT = 160 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Acquam = 100 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di ferro da 250 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 160 °C viene immerso in 100 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 19 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 100 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
HC2​H5​OH + 3O₂reagenti2CO₂ + 3H₂O(l)prodottiΔH° = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare ΔH° della reazione C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l).

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 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)t½​ = ?C0​/2

Una reazione del secondo ordine (−rA = k·CA²) ha k = 0,4 L/(mol·min) e una concentrazione iniziale di 2 mol/L. Trova il suo primo tempo di dimezzamento t½.

k = 0,4 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/L
t½ = min
14.Cinetica chimicaDifficile
1/Tln kT = 40 °Cln 0,005ln A = ?Ea​ = 75 kJ/mol

Una reazione del primo ordine ha una costante cinetica di 0,005 s⁻¹ a 40 °C e un’energia di attivazione di 75 kJ/mol. Trova il fattore pre-esponenziale A nell’equazione di Arrhenius.

k = 0,005 s⁻¹T = 40 °CEa = 75 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 10 L/minX = 90%V = ?, k = 0,12 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,12 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 10 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 = 10 L/mink = 0,12 min⁻¹X = 90%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 1000 LQ = 40 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,05 min⁻¹) avviene in un CSTR da 1000 L alimentato a 40 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 1000 LQ = 40 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT120 °C30 °C60 °CΔT₁ΔT₂vapore che condensa

In un condensatore, il vapore condensa a 120 °C costanti all’esterno dei tubi. L’acqua di raffreddamento (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) scorre nei tubi e si riscalda da 30 a 60 °C. Il coefficiente globale di scambio è 3500 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Ts = 120 °Cṁ = 1,5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 30 → 60 °CU = 3500 W/(m²·K)
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT100 °C10 °C?ΔT₁ΔT₂vapore che condensa

Il vapore condensa a 100 °C costanti all’esterno dei tubi di un condensatore con un’area di scambio di 8 m² e U = 1500 W/(m²·K). L’acqua di raffreddamento (2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nei tubi a 10 °C. Trova la temperatura di uscita dell’acqua Tc,out.

Ts = 100 °CA = 8 m²U = 1500 W/(m²·K)ṁ = 2 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °C
Tc,out = °C
19.Conduzione del caloreMedia
Mattone, k = 0,7250 mmCartongesso, k = 0,1775 mm17 °C2 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 50 mm di mattone e 75 mm di cartongesso, con un’area di 6 m². Le facce esterne sono a 17 °C e 2 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 50 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 17 °CT3 = 2 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Legno, k = 0,1750 mmMattone, k = 0,7275 mmstanza 22 °Cesterno 4 °CQ̇ = ?

Una parete di 50 mm legno e 75 mm mattone separa una stanza a 22 °C dall’aria esterna a 4 °C. I coefficienti di convezione sono 7,7 W/(m²·K) all’interno e 25 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 10 m². Trova la perdita di calore Q̇ attraverso la parete.

L1 = 50 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 10 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 4 °C
Q̇ = W
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 1,6 m/sD = 200 mmL = 800 mf = 0,028

Acqua (ρ = 1000 kg/m³) scorre a 1,6 m/s in un tubo orizzontale lungo 800 m con diametro interno di 200 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,028 e g = 9,81 m/s². Trova la caduta di pressione Δp lungo il tubo in kPa.

V = 1,6 m/sL = 800 mD = 200 mmf = 0,028ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 10Δz = ?L = 200 m, D = 300 mm, f = 0,0154× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 200 m con diametro interno di 300 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 4 curve (K = 0,3 ciascuna), una valvola (K = 10) e lo sbocco nel serbatoio inferiore (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Quale dislivello Δz tra i peli liberi dei serbatoi dà una portata di 150 L/s?

Q = 150 L/sL = 200 mD = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 40 L/sH = 70 m

Una pompa con rendimento del 75% eroga 40 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 70 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 40 L/sH = 70 mη = 75%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 40 L/sΔz = 7 mL = 600 m, D = 150 mm, f = 0,022, ΣK = 8

Una pompa trasferisce 40 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 7 m più in alto. Il tubo è lungo 600 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,022; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 8 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Il rendimento della pompa è del 82%. Trova la potenza all’albero Pshaft in kW.

Q = 40 L/sΔz = 7 mL = 600 mD = 150 mmf = 0,022ΣK = 8η = 82%
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
sale: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Risolvi per ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 400·(20 − 25)/(25 − 30) = 400 kg/h

Risposta

ṁ2 = 400 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 646,2 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 = 3500·12/65 = 646,2 kg/h

Risposta

P = 646,2 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 71,7 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 2·2,44·(140 − 100) = 195,2 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 195,2/(1·4,18) = 71,7 °C

Risposta

tout = 71,7 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,9303 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 3·2,44·(140 − 90) = 366 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·366 = 311,1 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 311,1/(4,18·80) = 0,9303 kg/s

Risposta

ṁc = 0,9303 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 83,96 L

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

Moli

n = 110/16,04 = 6,858 mol
T = 95 + 273,15 = 368,1 K

Volume

V = nRT/P = 6,858·8,314·368,1/250 = 83,96 L

Risposta

V = 83,96 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 2,208 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 = 450·16,04/(8,314·393,1) = 2,208 kg/m³

Risposta

ρ = 2,208 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 26,38 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(Na) = 30/22,99 = 1,305 mol
n(Cl2) = 16/70,9 = 0,2257 mol

Reagente limitante

1,305/2 = 0,6525, 0,2257/1 = 0,2257 → Cl2

Massa di prodotto

n(NaCl) = 0,2257·2 = 0,4513 mol
m = 0,4513·58,44 = 26,38 g

Risposta

m = 26,38 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 87,99 %

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(C3H8) = 16/44,1 = 0,3628 mol
m = 0,3628·3/1·44,01 = 47,9 g

Resa percentuale

Y = 42,15/47,9·100 = 87,99%

Risposta

Y = 87,99%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 1,6 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

64 = (2x)²/(1 − x)²

Estrai la radice quadrata

8 = 2x/(1 − x) → x = 1·8/(2 + 8) = 0,8 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 1,6 mol/L

Risposta

[HI] = 1,6 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,4877 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

0,2 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,2·x − 0,16 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,16))/2 = 0,3123 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,8 − 0,3123 = 0,4877 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,4877 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 48,85 °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

250·0,449·(160 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 19)

Ricava la temperatura finale

Tf = (112,3·160 + 418·19)/(112,3 + 418) = 48,85 °C

Risposta

Tf = 48,85 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −1367 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

Risposta

ΔH° = −1367 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: t½ = 1,25 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).

Tempo di dimezzamento del secondo ordine

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0,4·2) = 1,25 min

Risposta

t½ = 1,25 min

Ogni tempo di dimezzamento successivo è lungo il doppio, perché C₀ si è dimezzata.

14.Cinetica chimica

Risposta: A = 1,621 × 10¹⁰ s⁻¹

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

T = 40 + 273,15 = 313,1 K

Ricava A dall’equazione di Arrhenius

Ea/(RT) = 75000/(8,314·313,1) = 28,81
A = k·e28,81 = 0,005·3,241 × 10¹² = 1,621 × 10¹⁰ s⁻¹

Risposta

A = 1,621 × 10¹⁰ s⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 191,9 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))/0,12 = 2,303/0,12 = 19,19 min

Volume

V = Q·τ = 10·19,19 = 191,9 L

Risposta

V = 191,9 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 55,56 %

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 = 1000/40 = 25 min, kτ = 0,05·25 = 1,25

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 1,25/(1 + 1,25) = 55,56%

Risposta

X = 55,56%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 0,7264 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.

Potenza termica dal lato acqua

Q̇ = 1,5·4,18·(60 − 30) = 188,1 kW

Differenze di temperatura agli estremi

ΔT₁ = 120 − 30 = 90 K
ΔT₂ = 120 − 60 = 60 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (90 − 60)/ln(90/60) = 73,99 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 188100/(3500·73,99) = 0,7264 m²

Risposta

A = 0,7264 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Tc,out = 78,58 °C

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Combina il bilancio energetico e l’equazione di scambio

Con ΔT₁ = Ts − Tc,in e ΔT₂ = Ts − Tc,out, la differenza ΔT₁ − ΔT₂ è uguale all’aumento di temperatura dell’acqua, quindi l’aumento si semplifica.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 1500·8/(2·4180) = 1,435

Temperatura di uscita

ΔT₂ = ΔT₁·e−1,435 = 90·0,238 = 21,42 K
Tc,out = 100 − 21,42 = 78,58 °C

Risposta

Tc,out = 78,58 °C

Calore trasferito: Q̇ = 573,3 kW.

19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 176,3 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) = (50/1000)/(0,72·6) = 0,01157 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·6) = 0,07353 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 15/0,0851 = 176,3 W

Risposta

Q̇ = 176,3 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 316,8 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/(7,7·10) = 0,01299 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,17·10) = 0,02941 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,72·10) = 0,01042 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·10) = 0,004 K/W
ΣR = 0,05682 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (22 − (4))/0,05682 = 316,8 W

Risposta

Q̇ = 316,8 W
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δp = 143,4 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) = 0,028·(800/0,2)·1,6²/(2·9,81) = 14,61 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 = 1000·9,81·14,61 = 143360 Pa = 143,4 kPa

Risposta

Δp = 143,4 kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 5,21 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 = 0,15/0,07069 = 2,122 m/s
V²/(2g) = 0,2295 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,015·200/0,3 = 10
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Perdita di carico totale

hf = 10·0,2295 = 2,295 m
hm = 12,7·0,2295 = 2,915 m
Δz = hf + hm = 5,21 m

Risposta

Δz = 5,21 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 36,62 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 = 1000·9,81·0,04·70 = 27,47 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 27,47/0,75 = 36,62 kW

Risposta

Pshaft = 36,62 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 15,35 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 = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s
V²/(2g) = 0,2611 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (88 + 8)·0,2611 = 25,07 m

Prevalenza della pompa

H = Δz + hL = 7 + 25,07 = 32,07 m

Potenza all’albero

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,04·32,07/0,82 = 15,35 kW

Risposta

Pshaft = 15,35 kW

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