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 1850 kg/h · 15% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 35% saleProdotto20% sale

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

ṁ1 = 850 kg/hx1 = 15 %x2 = 35 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F2300 kg/h · 14% NaOHProdotto P40% NaOHVapore W (acqua pura)W = ? kg/h

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

F = 2300 kg/hxF = 14 %xP = 40 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddomiscela di glicole · 150 °C100 °Cacqua · 20 °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 = 1 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 100 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoolio leggero · 150 °C120 °Cacqua · 20 °C50 °C · ṁ = ?15% perso

Il olio leggero 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 = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 120 °Ct: 20 → 50 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
140 g di HeV = 50 LT = 60 °CP = ?

Un serbatoio di 50 L contiene 140 g di He a 60 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 140 gM = 4,003 g/molV = 50 LT = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Ar, M = 39,95 g/molP = 550 kPaT = 30 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di Ar a 550 kPa e 30 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 39,95 g/molP = 550 kPaT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

30 g di Al e 40 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(N2​)n(N2​)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(N2​)× 2/1× M(NH3​)

Nella reazione N2 + 3H2 → 2NH3, 12 g di N2 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 11,38 g di NH3. Trova la resa percentuale Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molreale: 11,38 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,40,40C−x−x+2xE0,4 − x0,4 − x2x

0,4 mol/L di H₂ e 0,4 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 9. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 9
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,2 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,4 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,2
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Ferrom = 250 gT = 80 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Acquam = 100 gT = 22 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di ferro da 250 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 80 °C viene immerso in 100 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 22 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 80 °Cmwater = 100 gTwater = 22 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H50 g CH3​OH2CH3​OH + 3O₂reagenti2CO₂ + 4H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 50 g di CH3OH (M = 32,04 g/mol) bruciano completamente: 2CH3OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(CH3OH) = −238,7 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)C (mol/L)15 minC = ?

Una reazione con legge cinetica −rA = k·CA² ha k = 0,8 L/(mol·min) e parte da 1 mol/L. Trova la concentrazione CA dopo 15 min.

k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/Lt = 15 min
CA = mol/L
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk20 °C0,00530 °C0,00984

La costante cinetica di una reazione è 0,005 min⁻¹ a 20 °C e 0,00984 min⁻¹ a 30 °C. Trova l’energia di attivazione Ea.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 20 °Ck2 = 0,00984 min⁻¹T2 = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 80 L/minX = 80%V = ?, k = 0,1 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,1 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 80 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova il volume del reattore V in litri per una conversione di A del 80%.

Q = 80 L/mink = 0,1 min⁻¹X = 80%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 800 LV = 800 LQ = 80 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,3 min⁻¹) avviene in due CSTR uguali in serie, ciascuno da 800 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 = 800 L (×2)Q = 80 L/mink = 0,3 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT115 °C50 °C50 °C25 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore a fascio tubiero (un passaggio lato mantello, due passaggi lato tubi) deve trasferire 590 kW. Il fluido caldo si raffredda da 115 a 50 °C e il fluido freddo si riscalda da 25 a 50 °C. Il fattore di correzione della LMTD per questa configurazione è F = 0,88, e U = 200 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 590 kWF = 0,88U = 200 W/(m²·K)Th: 115 → 50 °CTc: 25 → 50 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT100 °C30 °C?ΔT₁ΔT₂vapore che condensa

Il vapore condensa a 100 °C costanti all’esterno dei tubi di un condensatore con un’area di scambio di 3 m² e U = 2500 W/(m²·K). L’acqua di raffreddamento (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nei tubi a 30 °C. Trova la temperatura di uscita dell’acqua Tc,out.

Ts = 100 °CA = 3 m²U = 2500 W/(m²·K)ṁ = 1 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °C
Tc,out = °C
19.Conduzione del caloreMedia
Lana minerale, k = 0,04250 mmLegno, k = 0,17150 mm18 °C0 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 250 mm di lana minerale e 150 mm di legno, con un’area di 6 m². Le facce esterne sono a 18 °C e 0 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 250 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 18 °CT3 = 0 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Legno, k = 0,1750 mmLana minerale, k = 0,0475 mmstanza 20 °Cesterno 4 °CQ̇

Una parete di 50 mm legno e 75 mm lana minerale separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a 4 °C. I coefficienti di convezione sono 8 W/(m²·K) all’interno e 20 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 4 m². Trova la trasmittanza termica U della parete.

L1 = 50 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 4 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = 4 °C
U = W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
Q = 5 L/sD = 50 mmL = 200 mf = 0,03

Acqua scorre con una portata di 5 L/s in un tubo lungo 200 m con diametro interno di 50 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,03 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

Q = 5 L/sL = 200 mD = 50 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 2Δz = 32 mL = 300 m, D = 300 mm, f = 0,0152× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 300 m con diametro interno di 300 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015. Il pelo libero del serbatoio superiore si trova 32 m sopra quello del serbatoio inferiore. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 2 curve (K = 0,3 ciascuna), una valvola (K = 2) e lo sbocco nel serbatoio inferiore (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Trova la portata Q in L/s.

Δz = 32 mL = 300 mD = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 15 L/sH = 54 m

Una pompa con rendimento del 70% eroga 15 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 = 15 L/sH = 54 mη = 70%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
300 kPa (relativa)PQ = 40 L/sΔz = 11 mL = 500 m, D = 150 mm, f = 0,018, 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 11 m più in alto. Il tubo è lungo 500 m, con diametro interno di 150 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. La vasca superiore è chiusa e l’aria sopra l’acqua è a una pressione relativa di 300 kPa. Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 40 L/sΔz = 11 mL = 500 mD = 150 mmf = 0,018ΣK = 8ptank = 300 kPa
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 283,3 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
sale: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Risolvi per ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 850·(15 − 20)/(20 − 35) = 283,3 kg/h

Risposta

ṁ2 = 283,3 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 1495 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 = 2300·14/40 = 805 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 2300 − 805 = 1495 kg/h

Risposta

W = 1495 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 106,1 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 1·3,6·(150 − 100) = 180 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 180/(0,5·4,18) = 106,1 °C

Risposta

tout = 106,1 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,6406 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1,5·2,1·(150 − 120) = 94,5 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·94,5 = 80,33 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 80,33/(4,18·30) = 0,6406 kg/s

Risposta

ṁc = 0,6406 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 1937 kPa

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

Moli

n = m/M = 140/4,003 = 34,97 mol
T = 60 + 273,15 = 333,1 K

Pressione

P = nRT/V = 34,97·8,314·333,1/0,05 = 1937 kPa

Risposta

P = 1937 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 8,718 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 = 30 + 273,15 = 303,1 K

Densità

ρ = 550·39,95/(8,314·303,1) = 8,718 kg/m³

Risposta

ρ = 8,718 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 50,15 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) = 30/26,98 = 1,112 mol
n(Cl2) = 40/70,9 = 0,5642 mol

Reagente limitante

1,112/2 = 0,556, 0,5642/3 = 0,1881 → Cl2

Massa di prodotto

n(AlCl3) = 0,1881·2 = 0,3761 mol
m = 0,3761·133,33 = 50,15 g

Risposta

m = 50,15 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 78,02 %

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(N2) = 12/28,02 = 0,4283 mol
m = 0,4283·2/1·17,03 = 14,59 g

Resa percentuale

Y = 11,38/14,59·100 = 78,02%

Risposta

Y = 78,02%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 0,48 mol/L

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

Espressione all’equilibrio

9 = (2x)²/(0,4 − x)²

Estrai la radice quadrata

3 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·3/(2 + 3) = 0,24 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 0,48 mol/L

Risposta

[HI] = 0,48 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [Cl2] = 0,2 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/(0,4 − x) → x² + 0,2·x − 0,08 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,08))/2 = 0,2 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[Cl₂] = x = 0,2 mol/L

Risposta

[Cl2] = 0,2 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 34,28 °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·(80 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 22)

Ricava la temperatura finale

Tf = (112,3·80 + 418·22)/(112,3 + 418) = 34,28 °C

Risposta

Tf = 34,28 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 1134 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) + 4·(−285,8)] − [2·(−238,7) + 3·0] = −1453 kJ

Calore per la massa data

n = 50/32,04 = 1,561 mol
q = n·|ΔH°/2| = 1,561·726,4 = 1134 kJ

Risposta

q = 1134 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: CA = 0,07692 mol/L

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).

Legge integrata del secondo ordine

1/CA = 1/CA0 + kt = 1 + 0,8·15 = 13 L/mol
CA = 1/13 = 0,07692 mol/L

Risposta

CA = 0,07692 mol/L
14.Cinetica chimica

Risposta: Ea = 50,02 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 = 293,1 K, T2 = 303,1 K

Risolvi Arrhenius per Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·0,677/(-1,125e-4) = 50022 J/mol
Ea = 50,02 kJ/mol

Risposta

Ea = 50,02 kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 1288 L

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

Tempo spaziale

τ = ln(1/(1 − 0,8))/0,1 = 1,609/0,1 = 16,09 min

Volume

V = Q·τ = 80·16,09 = 1288 L

Risposta

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

Risposta: X = 93,75 %

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 = 800/80 = 10 min, kτ = 0,3·10 = 3

Conversione

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 3) = 0,25
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,0625
X = 1 − 0,0625 = 93,75%

Risposta

X = 93,75%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 80,08 m²

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

Differenze di temperatura agli estremi (controcorrente)

In controcorrente l’ingresso caldo è di fronte all’uscita fredda, e l’uscita calda di fronte all’ingresso freddo.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 115 − 50 = 65 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 25 = 25 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (65 − 25)/ln(65/25) = 41,86 K

Area

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 590000/(200·0,88·41,86) = 80,08 m²

Risposta

A = 80,08 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Tc,out = 88,36 °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) = 2500·3/(1·4180) = 1,794

Temperatura di uscita

ΔT₂ = ΔT₁·e−1,794 = 70·0,1663 = 11,64 K
Tc,out = 100 − 11,64 = 88,36 °C

Risposta

Tc,out = 88,36 °C

Calore trasferito: Q̇ = 244 kW.

19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 15,14 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)/(0,04·6) = 1,042 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,17·6) = 0,1471 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 18/1,189 = 15,14 W

Risposta

Q̇ = 15,14 W
20.Conduzione del calore

Risposta: U = 0,4266 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/(8·4) = 0,03125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,17·4) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,04·4) = 0,4688 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·4) = 0,0125 K/W
ΣR = 0,586 K/W

Coefficiente globale

U = 1/(A·ΣR) = 1/(4·0,586) = 0,4266 W/(m²·K)

Risposta

U = 0,4266 W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 39,66 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·0,05²/4 = 0,001963 m²
V = Q/A = 0,005/0,001963 = 2,546 m/s

Altezza cinetica

V²/(2g) = 2,546²/(2·9,81) = 0,3305 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(200/0,05)·2,546²/(2·9,81) = 39,66 m

Risposta

hf = 39,66 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Q = 405,3 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 = 0,015·300/0,3 = 15
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Equazione dell’energia

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

32 = (15 + 4,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·32/19,1) = 5,733 m/s

Portata

Q = V·π·D²/4 = 5,733·0,07069 = 0,4053 m³/s = 405,3 L/s

Risposta

Q = 405,3 L/s
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 11,35 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.

Potenza idraulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,015·54 = 7,946 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 7,946/0,7 = 11,35 kW

Risposta

Pshaft = 11,35 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 59,34 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 = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s
V²/(2g) = 0,2611 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (60 + 8)·0,2611 = 17,76 m

Altezza piezometrica

p/(ρ·g) = 300000/(1000·9,81) = 30,58 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 = 11 + 30,58 + 17,76 = 59,34 m

Risposta

H = 59,34 m

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