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 1500 kg/h · 40% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 15% saleProdotto30% sale

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 30% di sale? Trova ṁ2.

ṁ1 = 500 kg/hx1 = 40 %x2 = 15 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F700 kg/h · 8% zuccheroProdotto P65% zuccheroVapore W (acqua pura)W = ? kg/h

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

F = 700 kg/hxF = 8 %xP = 65 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 180 °C90 °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: 180 → 90 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoetanolo · 160 °C80 °Cacqua · 30 °C50 °C · ṁ = ?10% perso

Il etanolo 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 = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 80 °Ct: 30 → 50 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
50 g di HeV = 50 LT = 50 °CP = ?

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

m = 50 gM = 4,003 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 200 kPa, 20 L, 15 °C a 800 kPa e 220 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 200 kPaV1 = 20 LT1 = 15 °CP2 = 800 kPaT2 = 220 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 4/ν× M(H2​O)

8 g di C3H8 e 24 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(H2​)n(H2​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(H2​)× 2/2× M(H2​O)

Nella reazione 2H2 + O2 → 2H2O, 30 g di H2 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 219,9 g di H2O. Trova la resa percentuale Y.

M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreale: 219,9 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

0,2 mol/L di H₂ e 0,2 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 50. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 50
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,08 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 1,5 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,08
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Ramem = 50 gT = 90 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Acquam = 150 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di rame da 50 g (c = 0,385 J/(g·°C)) a 90 °C viene immerso in 150 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 25 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 90 °Cmwater = 150 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H10 g CH3​OH2CH3​OH + 3O₂reagenti2CO₂ + 4H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 10 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)t½​ = ?C0​/2

Una reazione del secondo ordine (−rA = k·CA²) ha k = 0,8 L/(mol·min) e una concentrazione iniziale di 2 mol/L. Trova il suo primo tempo di dimezzamento t½.

k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/L
t½ = min
14.Cinetica chimicaDifficile
t (min)X (%)60 minX = ?

Una reazione del primo ordine ha k = 0,01 min⁻¹ a 25 °C e un’energia di attivazione di 70 kJ/mol. Il reattore batch ora lavora a 40 °C per 60 min. Trova la conversione X raggiunta.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 25 °CEa = 70 kJ/molT2 = 40 °Ct = 60 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 40 L/minX = 95%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 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 95%.

Q = 40 L/mink = 0,1 min⁻¹X = 95%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 2000 LV = 2000 LQ = 25 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,1 min⁻¹) avviene in due CSTR uguali in serie, ciascuno da 2000 L. La portata di alimentazione è 25 L/min, la densità è costante e i reattori sono in regime stazionario. Trova la conversione complessiva X in percentuale.

V = 2000 L (×2)Q = 25 L/mink = 0,1 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT140 °C20 °C55 °CΔT₁ΔT₂vapore che condensa

In un condensatore, il vapore condensa a 140 °C costanti all’esterno dei tubi. L’acqua di raffreddamento (4 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) scorre nei tubi e si riscalda da 20 a 55 °C. Il coefficiente globale di scambio è 2500 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Ts = 140 °Cṁ = 4 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 20 → 55 °CU = 2500 W/(m²·K)
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT155 °C70 °C?10 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

In uno scambiatore a doppio tubo controcorrente, olio caldo (0,3 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) scorre nel tubo interno e si raffredda da 155 a 70 °C. Acqua (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) nell’intercapedine anulare entra a 10 °C. Il tubo interno ha un diametro di 25 mm, e U = 250 W/(m²·K) è riferito a questo diametro. Trova la lunghezza del tubo L necessaria.

ṁh = 0,3 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 155 → 70 °Cṁc = 1,5 kg/sTc,in = 10 °CD = 25 mmU = 250 W/(m²·K)
L = m
19.Conduzione del caloreMedia
Polistirene espanso, k = 0,035200 mmLegno, k = 0,17100 mm23 °C-1 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 200 mm di polistirene espanso e 100 mm di legno, con un’area di 12 m². Le facce esterne sono a 23 °C e -1 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 200 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 23 °CT3 = -1 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Cartongesso, k = 0,17100 mmCalcestruzzo, k = 1,4100 mmstanza 22 °Cesterno -15 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 100 mm cartongesso e 100 mm calcestruzzo separa una stanza a 22 °C dall’aria esterna a -15 °C. I coefficienti di convezione sono 6 W/(m²·K) all’interno e 30 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 15 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 15 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -15 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
Q = 10 L/sD = 150 mmL = 800 mf = 0,025

Acqua scorre con una portata di 10 L/s in un tubo lungo 800 m con diametro interno di 150 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.

Q = 10 L/sL = 800 mD = 150 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 2Δz = ?L = 300 m, D = 300 mm, f = 0,0183× 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 = 0,018. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 3 curve (K = 0,3 ciascuna), una valvola (K = 2) 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 75 L/s?

Q = 75 L/sL = 300 mD = 300 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 10 L/sH = 70 m

Una pompa eroga 10 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 70 m. Il rendimento della pompa è del 82% e il motore elettrico che la aziona ha un rendimento del 92%. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza elettrica Pel assorbita dal motore, in kW.

Q = 10 L/sH = 70 mηpump = 82%ηmotor = 92%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 20 L/sΔz = 39 mL = 150 m, D = 100 mm, f = 0,018, ΣK = 8

Una pompa trasferisce 20 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 39 m più in alto. Il tubo è lungo 150 m, con diametro interno di 100 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. Il rendimento della pompa è del 72%. Trova la potenza all’albero Pshaft in kW.

Q = 20 L/sΔz = 39 mL = 150 mD = 100 mmf = 0,018ΣK = 8η = 72%
Pshaft = kW

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 333,3 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) = 500·(40 − 30)/(30 − 15) = 333,3 kg/h

Risposta

ṁ2 = 333,3 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 613,8 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 = 700·8/65 = 86,15 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 700 − 86,15 = 613,8 kg/h

Risposta

W = 613,8 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 172,6 °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·(180 − 90) = 658,8 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 658,8/(1·4,18) = 172,6 °C

Risposta

tout = 172,6 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 6,304 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 3·2,44·(160 − 80) = 585,6 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,1)·585,6 = 527 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 527/(4,18·20) = 6,304 kg/s

Risposta

ṁc = 6,304 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 671,2 kPa

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

Moli

n = m/M = 50/4,003 = 12,49 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Pressione

P = nRT/V = 12,49·8,314·323,1/0,05 = 671,2 kPa

Risposta

P = 671,2 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 8,557 L

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

Temperature assolute

T1 = 288,1 K, T2 = 493,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(200/800)·(493,1/288,1) = 8,557 L

Risposta

V2 = 8,557 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 10,81 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) = 8/44,1 = 0,1814 mol
n(O2) = 24/32 = 0,75 mol

Reagente limitante

0,1814/1 = 0,1814, 0,75/5 = 0,15 → O2

Massa di prodotto

n(H2O) = 0,15·4 = 0,6 mol
m = 0,6·18,02 = 10,81 g

Risposta

m = 10,81 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 82 %

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(H2) = 30/2,016 = 14,88 mol
m = 14,88·2/2·18,02 = 268,2 g

Resa percentuale

Y = 219,9/268,2·100 = 82%

Risposta

Y = 82%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,0441 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

50 = (2x)²/(0,2 − x)²

Estrai la radice quadrata

7,071 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·7,071/(2 + 7,071) = 0,1559 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 0,2 − x = 0,0441 mol/L

Risposta

[H2] = 0,0441 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [Cl2] = 0,3087 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

0,08 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,08·x − 0,12 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,12))/2 = 0,3087 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[Cl₂] = x = 0,3087 mol/L

Risposta

[Cl2] = 0,3087 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 26,94 °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

50·0,385·(90 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 25)

Ricava la temperatura finale

Tf = (19,25·90 + 627·25)/(19,25 + 627) = 26,94 °C

Risposta

Tf = 26,94 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 226,7 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 = 10/32,04 = 0,3121 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,3121·726,4 = 226,7 kJ

Risposta

q = 226,7 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: t½ = 0,625 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/(0,8·2) = 0,625 min

Risposta

t½ = 0,625 min

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

14.Cinetica chimica

Risposta: X = 90,18 %

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Costante cinetica alla nuova temperatura

T1 = 298,1 K, T2 = 313,1 K
k2 = 0,01·e−(70000/8,314)·(1/313,1 − 1/298,1) = 0,03868 min⁻¹

Conversione

X = 1 − e−0,03868·60 = 1 − 0,09821 = 90,18 %

Risposta

X = 90,18 %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 1198 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 − 0,95))/0,1 = 2,996/0,1 = 29,96 min

Volume

V = Q·τ = 40·29,96 = 1198 L

Risposta

V = 1198 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 98,77 %

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 = 2000/25 = 80 min, kτ = 0,1·80 = 8

Conversione

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 8) = 0,1111
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,01235
X = 1 − 0,01235 = 98,77%

Risposta

X = 98,77%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 2,306 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 = 4·4,18·(55 − 20) = 585,2 kW

Differenze di temperatura agli estremi

ΔT₁ = 140 − 20 = 120 K
ΔT₂ = 140 − 55 = 85 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (120 − 85)/ln(120/85) = 101,5 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 585200/(2500·101,5) = 2,306 m²

Risposta

A = 2,306 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: L = 32,21 m

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

Potenza termica e temperatura di uscita dell’acqua

Q̇ = 0,3·2,3·(155 − 70) = 58,65 kW
Tc,out = 10 + 58,65/(1,5·4,18) = 19,35 °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 = 155 − 19,35 = 135,6 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 10 = 60 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (135,6 − 60)/ln(135,6/60) = 92,74 K

Area e lunghezza

A = 58650/(250·92,74) = 2,53 m²
L = A/(πD) = 2,53/(π·0,025) = 32,21 m

Risposta

L = 32,21 m
19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = 1,24 °C

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)/(0,035·12) = 0,4762 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·12) = 0,04902 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 24/0,5252 = 45,7 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 23 − 45,7·0,4762 = 1,24 °C

Risposta

Ti = 1,24 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 14,83 °C

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/(6·15) = 0,01111 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·15) = 0,03922 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1,4·15) = 0,004762 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·15) = 0,002222 K/W
ΣR = 0,05731 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (22 − (-15))/0,05731 = 645,6 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 645,6·0,01111 = 14,83 °C

Risposta

Ts = 14,83 °C
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 2,176 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·0,15²/4 = 0,01767 m²
V = Q/A = 0,01/0,01767 = 0,5659 m/s

Altezza cinetica

V²/(2g) = 0,5659²/(2·9,81) = 0,01632 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(800/0,15)·0,5659²/(2·9,81) = 2,176 m

Risposta

hf = 2,176 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 1,285 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 = 0,075/0,07069 = 1,061 m/s
V²/(2g) = 0,05738 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,018·300/0,3 = 18
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4

Perdita di carico totale

hf = 18·0,05738 = 1,033 m
hm = 4,4·0,05738 = 0,2525 m
Δz = hf + hm = 1,285 m

Risposta

Δz = 1,285 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pel = 9,103 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 = 1000·9,81·0,01·70 = 6,867 kW

Potenza all’albero

Pshaft = 6,867/0,82 = 8,374 kW

Potenza elettrica

Pel = 8,374/0,92 = 9,103 kW

Risposta

Pel = 9,103 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 13,78 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 = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (27 + 8)·0,3305 = 11,57 m

Prevalenza della pompa

H = Δz + hL = 39 + 11,57 = 50,57 m

Potenza all’albero

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,02·50,57/0,72 = 13,78 kW

Risposta

Pshaft = 13,78 kW

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