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 · 35% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 10% NaOHProdotto15% NaOH

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 15% di NaOH? Trova ṁ2.

ṁ1 = 200 kg/hx1 = 35 %x2 = 10 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F4400 kg/h · 20% 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 = 20 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoolio leggero · 140 °C70 °Cacqua · 15 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 140 → 70 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 180 °C140 °Cacqua · 25 °C65 °C · ṁ = ?15% perso

Il miscela di glicole 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 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 140 °Ct: 25 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
380 g di CH₄V = 50 LT = 50 °CP = ?

Un serbatoio di 50 L contiene 380 g di CH₄ a 50 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 380 gM = 16,04 g/molV = 50 LT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di He passa da 350 kPa, 2 L, 25 °C a 500 kPa e 120 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 350 kPaV1 = 2 LT1 = 25 °CP2 = 500 kPaT2 = 120 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

30 g di Mg e 24 g di O2 reagiscono secondo 2Mg + O2 → 2MgO. Quale massa m di MgO si può formare?

M(Mg) = 24,31M(O2) = 32M(MgO) = 40,3 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, 24 g di N2 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 18,09 g di NH3. Trova la resa percentuale Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molreale: 18,09 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 = 25. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 25
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,01 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 1 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0,01
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Piombom = 50 gT = 140 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Acquam = 400 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di piombo da 50 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 140 °C viene immerso in 400 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 16 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 140 °Cmwater = 400 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H25 g CH3​OH2CH3​OH + 3O₂reagenti2CO₂ + 4H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 25 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)X (%)t = ?75%

Una reazione del primo ordine in un reattore batch ha k = 0,2 min⁻¹. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 75%? Trova t.

k = 0,2 min⁻¹X = 75 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk35 °C0,0255 °C0,134

La costante cinetica di una reazione è 0,02 min⁻¹ a 35 °C e 0,134 min⁻¹ a 55 °C. Trova l’energia di attivazione Ea.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 35 °Ck2 = 0,134 min⁻¹T2 = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
QX = 60%stessi Q, k e X del CSTR

Una reazione del primo ordine in fase liquida deve raggiungere una conversione del 60%. Quante volte più grande di un PFR deve essere un CSTR a parità di portata di alimentazione, costante cinetica e conversione? Trova il rapporto VCSTR/VPFR.

X = 60%primo ordine, stessi k e Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 200 LQ = 25 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,3 min⁻¹) avviene in un CSTR da 200 L alimentato a 25 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 200 LQ = 25 L/mink = 0,3 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT155 °C85 °C30 °C75 °CΔT₁ΔT₂equicorrente

Uno scambiatore equicorrente trasferisce 130 kW. Il fluido caldo si raffredda da 155 a 85 °C e il fluido freddo si riscalda da 30 a 75 °C. Il coefficiente globale di scambio è 500 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 130 kWU = 500 W/(m²·K)Th: 155 → 85 °CTc: 30 → 75 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT160 °C??25 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

In uno scambiatore controcorrente entrambe le correnti hanno la stessa capacità termica oraria, ṁ·cp = 1 kW/K. La corrente calda entra a 160 °C e quella fredda a 25 °C. Lo scambiatore ha A = 1,5 m² e U = 300 W/(m²·K). Trova la temperatura di uscita della corrente calda Th,out.

Ch = Cc = 1 kW/KTh,in = 160 °CTc,in = 25 °CA = 1,5 m²U = 300 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conduzione del caloreMedia
Lana minerale, k = 0,04200 mmLegno, k = 0,17100 mm19 °C-8 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 200 mm di lana minerale e 100 mm di legno, con un’area di 4 m². Le facce esterne sono a 19 °C e -8 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 200 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 19 °CT3 = -8 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Legno, k = 0,1750 mmPolistirene espanso, k = 0,035100 mmstanza 20 °Cesterno -15 °CQ̇

Una parete di 50 mm legno e 100 mm polistirene espanso separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a -15 °C. I coefficienti di convezione sono 10 W/(m²·K) all’interno e 25 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 8 m². Trova la trasmittanza termica U della parete.

L1 = 50 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 8 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -15 °C
U = W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 3 m/sD = 300 mmL = 200 mf = 0,028

Acqua scorre con una velocità media di 3 m/s in un tubo lungo 200 m con diametro interno di 300 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,028 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

V = 3 m/sL = 200 mD = 300 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 2Δz = 20 mL = 200 m, D = 150 mm, f = 0,022× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 200 m con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02. Il pelo libero del serbatoio superiore si trova 20 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 = 20 mL = 200 mD = 150 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 25 L/sH = 80 m

Una pompa con rendimento del 75% eroga 25 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 80 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 25 L/sH = 80 mη = 75%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
100 kPa (relativa)PQ = 75 L/sΔz = 26 mL = 300 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 26 m più in alto. Il tubo è lungo 300 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 100 kPa. Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 75 L/sΔz = 26 mL = 300 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 8ptank = 100 kPa
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 800 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·(35 − 15)/(15 − 10) = 800 kg/h

Risposta

ṁ2 = 800 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 1354 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 = 4400·20/65 = 1354 kg/h

Risposta

P = 1354 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 73,61 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 2,5·2,1·(140 − 70) = 367,5 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 367,5/(1,5·4,18) = 73,61 °C

Risposta

tout = 73,61 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,7321 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1·3,6·(180 − 140) = 144 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·144 = 122,4 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 122,4/(4,18·40) = 0,7321 kg/s

Risposta

ṁc = 0,7321 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 1273 kPa

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

Moli

n = m/M = 380/16,04 = 23,69 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Pressione

P = nRT/V = 23,69·8,314·323,1/0,05 = 1273 kPa

Risposta

P = 1273 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 1,846 L

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

Temperature assolute

T1 = 298,1 K, T2 = 393,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(350/500)·(393,1/298,1) = 1,846 L

Risposta

V2 = 1,846 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 49,73 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(Mg) = 30/24,31 = 1,234 mol
n(O2) = 24/32 = 0,75 mol

Reagente limitante

1,234/2 = 0,617, 0,75/1 = 0,75 → Mg

Massa di prodotto

n(MgO) = 0,617·2 = 1,234 mol
m = 1,234·40,3 = 49,73 g

Risposta

m = 49,73 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 62,01 %

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) = 24/28,02 = 0,8565 mol
m = 0,8565·2/1·17,03 = 29,17 g

Resa percentuale

Y = 18,09/29,17·100 = 62,01%

Risposta

Y = 62,01%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,1143 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

25 = (2x)²/(0,4 − x)²

Estrai la radice quadrata

5 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·5/(2 + 5) = 0,2857 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 0,4 − x = 0,1143 mol/L

Risposta

[H2] = 0,1143 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [Cl2] = 0,09512 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

0,01 = x²/(1 − x) → x² + 0,01·x − 0,01 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,01))/2 = 0,09512 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[Cl₂] = x = 0,09512 mol/L

Risposta

[Cl2] = 0,09512 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 16,48 °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

50·0,129·(140 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 16)

Ricava la temperatura finale

Tf = (6,45·140 + 1672·16)/(6,45 + 1672) = 16,48 °C

Risposta

Tf = 16,48 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 566,8 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 = 25/32,04 = 0,7803 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,7803·726,4 = 566,8 kJ

Risposta

q = 566,8 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: t = 6,931 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)/0,2 = 6,931 min

Risposta

t = 6,931 min
14.Cinetica chimica

Risposta: Ea = 79,96 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 = 308,1 K, T2 = 328,1 K

Risolvi Arrhenius per Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,902/(-1,978e-4) = 79956 J/mol
Ea = 79,96 kJ/mol

Risposta

Ea = 79,96 kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: VCSTR/VPFR = 1,637

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.

k·τ per ciascun reattore

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,6/0,4 = 1,5
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2,5) = 0,9163

Rapporto dei volumi

VCSTR/VPFR = 1,5/0,9163 = 1,637

Risposta

VCSTR/VPFR = 1,637

La differenza cresce rapidamente ad alte conversioni.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 70,59 %

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 = 200/25 = 8 min, kτ = 0,3·8 = 2,4

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 2,4/(1 + 2,4) = 70,59%

Risposta

X = 70,59%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 5,71 m²

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

Differenze di temperatura agli estremi

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 155 − 30 = 125 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 85 − 75 = 10 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (125 − 10)/ln(125/10) = 45,53 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 130000/(500·45,53) = 5,71 m²

Risposta

A = 5,71 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Th,out = 118,1 °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.

Differenza di temperatura costante

L’uscita fredda si trova di fronte all’ingresso caldo: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), quindi ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.

ΔTlm = Th,out − Tc,in

Bilancio energetico uguale all’equazione di scambio

1·(160 − Th,out) = 0,45·(Th,out − 25)
Th,out = (1·160 + 0,45·25)/(1 + 0,45) = 118,1 °C

Risposta

Th,out = 118,1 °C

Calore trasferito: Q̇ = 41,9 kW; la corrente fredda esce a 66,9 °C.

19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 19,33 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) = (200/1000)/(0,04·4) = 1,25 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·4) = 0,1471 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 27/1,397 = 19,33 W

Risposta

Q̇ = 19,33 W
20.Conduzione del calore

Risposta: U = 0,3038 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/(10·8) = 0,0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,17·8) = 0,03676 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,035·8) = 0,3571 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·8) = 0,005 K/W
ΣR = 0,4114 K/W

Coefficiente globale

U = 1/(A·ΣR) = 1/(8·0,4114) = 0,3038 W/(m²·K)

Risposta

U = 0,3038 W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 8,563 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) = 3²/(2·9,81) = 0,4587 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(200/0,3)·3²/(2·9,81) = 8,563 m

Risposta

hf = 8,563 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Q = 63,11 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 = 0,02·200/0,15 = 26,67
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.

20 = (26,67 + 4,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·20/30,77) = 3,571 m/s

Portata

Q = V·π·D²/4 = 3,571·0,01767 = 0,06311 m³/s = 63,11 L/s

Risposta

Q = 63,11 L/s
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 26,16 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 = 1000·9,81·0,025·80 = 19,62 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 19,62/0,75 = 26,16 kW

Risposta

Pshaft = 26,16 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 48,1 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) = (33 + 8)·0,2905 = 11,91 m

Altezza piezometrica

p/(ρ·g) = 100000/(1000·9,81) = 10,19 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 = 26 + 10,19 + 11,91 = 48,1 m

Risposta

H = 48,1 m

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