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 1450 kg/h · 50% zuccheroCorrente 2ṁ₂ = ? · 5% zuccheroProdotto20% zucchero

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

ṁ1 = 450 kg/hx1 = 50 %x2 = 5 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F4400 kg/h · 16% NaOHProdotto PP = ? · 65%Vapore W (acqua pura)0% NaOH

Un evaporatore concentra una soluzione di NaOH facendo evaporare acqua pura. Trova la portata di prodotto P in kg/h.

F = 4400 kg/hxF = 16 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 140 °C60 °Cacqua · 15 °Ct = ? °C

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

ṁh = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 60 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 150 °C90 °Cacqua · 25 °C65 °C · ṁ = ?10% perso

Il miscela di glicole caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 10% del calore ceduto dalla corrente calda. Trova la portata d’acqua ṁc necessaria.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 90 °Ct: 25 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
440 g di HeP = 150 kPaT = 30 °CV = ?

Quale volume V occupano 440 g di He a 150 kPa e 30 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 440 gM = 4,003 g/molP = 150 kPaT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di He passa da 200 kPa, 10 L, 20 °C a 400 kPa e 110 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 200 kPaV1 = 10 LT1 = 20 °CP2 = 400 kPaT2 = 110 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 4/ν× M(H2​O)

24 g di C3H8 e 32 g di O2 reagiscono secondo C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. Quale massa m di H2O si può formare?

M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CO2​)

Nella reazione CaCO3 → CaO + CO2, 10 g di CaCO3 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 3,08 g di CO2. Trova la resa percentuale Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreale: 3,08 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 = 54. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 54
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,04 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,5 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,04
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Alluminiom = 200 gT = 110 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Acquam = 250 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di alluminio da 200 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 110 °C viene immerso in 250 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 25 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 110 °Cmwater = 250 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H2CH3​OH + 3O₂reagenti2CO₂ + 4H₂O(l)prodottiΔH° = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare ΔH° della reazione 2CH3OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(CH3OH) = −238,7 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)X (%)t = ?90%

Una reazione di ordine zero ha k = 0,005 mol/(L·min) e parte da 0,5 mol/L. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 90%? Trova t.

k = 0,005 mol/(L·min)CA0 = 0,5 mol/LX = 90 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
1/Tln kT = 100 °Cln 0,1ln A = ?Ea​ = 90 kJ/mol

Una reazione del primo ordine ha una costante cinetica di 0,1 s⁻¹ a 100 °C e un’energia di attivazione di 90 kJ/mol. Trova il fattore pre-esponenziale A nell’equazione di Arrhenius.

k = 0,1 s⁻¹T = 100 °CEa = 90 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 40 L/minX = 60%V = ?, k = 0,3 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,3 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 40 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 60%.

Q = 40 L/mink = 0,3 min⁻¹X = 60%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 2000 LQ = 40 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,5 min⁻¹) avviene in un CSTR da 2000 L alimentato a 40 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 2000 LQ = 40 L/mink = 0,5 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT130 °C80 °C95 °C30 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore di calore controcorrente trasferisce 150 kW. La sua area di scambio è 25 m². Il fluido caldo si raffredda da 130 a 80 °C e il fluido freddo si riscalda da 30 a 95 °C. Trova il coefficiente globale di scambio U.

Q̇ = 150 kWA = 25 m²Th: 130 → 80 °CTc: 30 → 95 °C
U = W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT165 °C90 °C53,26 °C25 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (1,5 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) si raffredda da 165 a 90 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 2 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 25 °C. Con U = 1000 W/(m²·K), trova l’area di scambio A necessaria.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 165 → 90 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Vetro, k = 0,96150 mmCalcestruzzo, k = 1,4100 mm17 °C6 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 150 mm di vetro e 100 mm di calcestruzzo, con un’area di 10 m². Le facce esterne sono a 17 °C e 6 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 150 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 17 °CT3 = 6 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Mattone, k = 0,7250 mmCartongesso, k = 0,1775 mmstanza 22 °Cesterno -2 °CQ̇

Una parete di 50 mm mattone e 75 mm cartongesso separa una stanza a 22 °C dall’aria esterna a -2 °C. I coefficienti di convezione sono 8 W/(m²·K) all’interno e 25 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 20 m². Trova la trasmittanza termica U della parete.

L1 = 50 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -2 °C
U = W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 1,6 m/sD = 300 mmL = 300 mf = 0,025

Acqua scorre con una velocità media di 1,6 m/s in un tubo lungo 300 m con diametro interno di 300 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,025 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

V = 1,6 m/sL = 300 mD = 300 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 0,2Δz = 6 mL = 100 m, D = 250 mm, f = 0,0223× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 100 m con diametro interno di 250 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,022. Il pelo libero del serbatoio superiore si trova 6 m sopra quello del serbatoio inferiore. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 3 curve (K = 0,3 ciascuna), una valvola (K = 0,2) e lo sbocco nel serbatoio inferiore (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Trova la portata Q in L/s.

Δz = 6 mL = 100 mD = 250 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 60 L/sH = 78 m

In una prova, una pompa eroga 60 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 78 m mentre il suo albero assorbe 63,8 kW. Usa g = 9,81 m/s². Trova il rendimento della pompa η in percentuale.

Q = 60 L/sH = 78 mPshaft = 63,8 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
200 kPa (relativa)PQ = 75 L/sΔz = 6 mL = 150 m, D = 200 mm, f = 0,022, ΣK = 8

Una pompa trasferisce 75 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 6 m più in alto. Il tubo è lungo 150 m, con diametro interno di 200 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. La vasca superiore è chiusa e l’aria sopra l’acqua è a una pressione relativa di 200 kPa. Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 75 L/sΔz = 6 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 8ptank = 200 kPa
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 900 kg/h

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

Bilanci

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

Risolvi per ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 450·(50 − 20)/(20 − 5) = 900 kg/h

Risposta

ṁ2 = 900 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 1083 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 = 4400·16/65 = 1083 kg/h

Risposta

P = 1083 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 85,05 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 3·2,44·(140 − 60) = 585,6 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 585,6/(2·4,18) = 85,05 °C

Risposta

tout = 85,05 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 1,744 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1,5·3,6·(150 − 90) = 324 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,1)·324 = 291,6 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 291,6/(4,18·40) = 1,744 kg/s

Risposta

ṁc = 1,744 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 1847 L

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

Moli

n = 440/4,003 = 109,9 mol
T = 30 + 273,15 = 303,1 K

Volume

V = nRT/P = 109,9·8,314·303,1/150 = 1847 L

Risposta

V = 1847 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 6,535 L

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

Temperature assolute

T1 = 293,1 K, T2 = 383,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(200/400)·(383,1/293,1) = 6,535 L

Risposta

V2 = 6,535 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 14,42 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(C3H8) = 24/44,1 = 0,5442 mol
n(O2) = 32/32 = 1 mol

Reagente limitante

0,5442/1 = 0,5442, 1/5 = 0,2 → O2

Massa di prodotto

n(H2O) = 0,2·4 = 0,8 mol
m = 0,8·18,02 = 14,42 g

Risposta

m = 14,42 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 70,05 %

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(CaCO3) = 10/100,09 = 0,09991 mol
m = 0,09991·1/1·44,01 = 4,397 g

Resa percentuale

Y = 3,08/4,397·100 = 70,05%

Risposta

Y = 70,05%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,02139 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

54 = (2x)²/(0,1 − x)²

Estrai la radice quadrata

7,348 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·7,348/(2 + 7,348) = 0,07861 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 0,1 − x = 0,02139 mol/L

Risposta

[H2] = 0,02139 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [Cl2] = 0,1228 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/(0,5 − x) → x² + 0,04·x − 0,02 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,02))/2 = 0,1228 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[Cl₂] = x = 0,1228 mol/L

Risposta

[Cl2] = 0,1228 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 37,45 °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

200·0,897·(110 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 25)

Ricava la temperatura finale

Tf = (179,4·110 + 1045·25)/(179,4 + 1045) = 37,45 °C

Risposta

Tf = 37,45 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −1453 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

Risposta

ΔH° = −1453 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: t = 90 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 = 0,5·0,9 = 0,45 mol/L

Tempo

t = CA0·X/k = 0,45/0,005 = 90 min

Risposta

t = 90 min
14.Cinetica chimica

Risposta: A = 3,971 × 10¹¹ 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 = 100 + 273,15 = 373,1 K

Ricava A dall’equazione di Arrhenius

Ea/(RT) = 90000/(8,314·373,1) = 29,01
A = k·e29,01 = 0,1·3,971 × 10¹² = 3,971 × 10¹¹ s⁻¹

Risposta

A = 3,971 × 10¹¹ s⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 122,2 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 − 0,6))/0,3 = 0,9163/0,3 = 3,054 min

Volume

V = Q·τ = 40·3,054 = 122,2 L

Risposta

V = 122,2 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 96,15 %

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 = 2000/40 = 50 min, kτ = 0,5·50 = 25

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 25/(1 + 25) = 96,15%

Risposta

X = 96,15%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: U = 142,7 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 controcorrente l’ingresso caldo è di fronte all’uscita fredda, e l’uscita calda di fronte all’ingresso freddo.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 130 − 95 = 35 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 80 − 30 = 50 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (35 − 50)/ln(35/50) = 42,06 K

Coefficiente globale

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 150000/(25·42,06) = 142,7 W/(m²·K)

Risposta

U = 142,7 W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 2,738 m²

Metodo LMTD: la differenza di temperatura tra le correnti cambia lungo lo scambiatore, quindi l’equazione usa la sua media logaritmica: Q̇ = U·A·ΔTlm, con ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), dove ΔT₁ e ΔT₂ sono le differenze ai due estremi. A parità di temperature di ingresso e uscita, la controcorrente dà un ΔTlm maggiore dell’equicorrente.

Potenza termica e temperatura di uscita dell’acqua

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1,5·2,1·75 = 236,3 kW
Tc,out = 25 + 236,3/(2·4,18) = 53,26 °C

Differenze di temperatura agli estremi

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 165 − 53,26 = 111,7 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 90 − 25 = 65 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (111,7 − 65)/ln(111,7/65) = 86,27 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 236250/(1000·86,27) = 2,738 m²

Risposta

A = 2,738 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 483,1 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) = (150/1000)/(0,96·10) = 0,01563 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1,4·10) = 0,007143 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 11/0,02277 = 483,1 W

Risposta

Q̇ = 483,1 W
20.Conduzione del calore

Risposta: U = 1,48 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/(8·20) = 0,00625 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,72·20) = 0,003472 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·20) = 0,02206 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·20) = 0,002 K/W
ΣR = 0,03378 K/W

Coefficiente globale

U = 1/(A·ΣR) = 1/(20·0,03378) = 1,48 W/(m²·K)

Risposta

U = 1,48 W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 3,262 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) = 1,6²/(2·9,81) = 0,1305 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(300/0,3)·1,6²/(2·9,81) = 3,262 m

Risposta

hf = 3,262 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Q = 157,7 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 = 0,022·100/0,25 = 8,8
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,6

Equazione dell’energia

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

6 = (8,8 + 2,6)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·6/11,4) = 3,213 m/s

Portata

Q = V·π·D²/4 = 3,213·0,04909 = 0,1577 m³/s = 157,7 L/s

Risposta

Q = 157,7 L/s
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: η = 71,96 %

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 = 1000·9,81·0,06·78 = 45,91 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 45,91/63,8 = 71,96%

Risposta

η = 71,96%
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 33,5 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (16,5 + 8)·0,2905 = 7,117 m

Altezza piezometrica

p/(ρ·g) = 200000/(1000·9,81) = 20,39 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 = 6 + 20,39 + 7,117 = 33,5 m

Risposta

H = 33,5 m

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