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 1650 kg/h · 40% zuccheroCorrente 2ṁ₂ = ? · 20% zuccheroProdotto25% zucchero

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

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 40 %x2 = 20 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F4300 kg/h · 18% saleProdotto PP = ? · 65%Vapore W (acqua pura)0% sale

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

F = 4300 kg/hxF = 18 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 170 °C100 °Cacqua · 20 °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: 170 → 100 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoetanolo · 160 °C110 °Cacqua · 15 °C80 °C · ṁ = ?5% perso

Il etanolo caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 5% 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 → 110 °Ct: 15 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 5 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
40 g di CO₂P = 200 kPaT = 40 °CV = ?

Quale volume V occupano 40 g di CO₂ a 200 kPa e 40 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 40 gM = 44,01 g/molP = 200 kPaT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di CH₄ passa da 400 kPa, 20 L, 35 °C a 650 kPa e 60 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 400 kPaV1 = 20 LT1 = 35 °CP2 = 650 kPaT2 = 60 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

16 g di C3H8 e 48 g di O2 reagiscono secondo C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. Quale massa m di CO2 si può formare?

M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 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 = 16. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 16
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,05 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,1 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Piombom = 200 gT = 150 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Acquam = 150 gT = 24 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di piombo da 200 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 150 °C viene immerso in 150 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 24 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 150 gTwater = 24 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H25 g C2​H6​2C2​H6​ + 7O₂reagenti4CO₂ + 6H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 25 g di C2H6 (M = 30,07 g/mol) bruciano completamente: 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(C2H6) = −84,7 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)5 min0,5

In una reazione del primo ordine la concentrazione di A scende da 1 mol/L a 0,5 mol/L in 5 min. Trova la costante cinetica k.

CA0 = 1 mol/LCA = 0,5 mol/Lt = 5 min
k = min⁻¹
14.Cinetica chimicaDifficile
t (min)X (%)15 minX = ?

Una reazione del primo ordine ha k = 0,02 min⁻¹ a 20 °C e un’energia di attivazione di 50 kJ/mol. Il reattore batch ora lavora a 30 °C per 15 min. Trova la conversione X raggiunta.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 20 °CEa = 50 kJ/molT2 = 30 °Ct = 15 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 20 L/minCA0​ = 1,5 mol/LCA​ = ?V = 200 L, k = 0,4 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B (k = 0,4 min⁻¹) avviene in un reattore a flusso a pistone (PFR) da 200 L. L’alimentazione entra a 20 L/min con CA0 = 1,5 mol/L. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la concentrazione di uscita CA.

V = 200 LQ = 20 L/mink = 0,4 min⁻¹CA0 = 1,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 100 LQ = 25 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,2 min⁻¹) avviene in un CSTR da 100 L alimentato a 25 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 100 LQ = 25 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT80 °C25 °C45 °C10 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore a fascio tubiero (un passaggio lato mantello, due passaggi lato tubi) deve trasferire 520 kW. Il fluido caldo si raffredda da 80 a 25 °C e il fluido freddo si riscalda da 10 a 45 °C. Il fattore di correzione della LMTD per questa configurazione è F = 0,85, e U = 200 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 520 kWF = 0,85U = 200 W/(m²·K)Th: 80 → 25 °CTc: 10 → 45 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT80 °C??30 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

In uno scambiatore controcorrente entrambe le correnti hanno la stessa capacità termica oraria, ṁ·cp = 1,5 kW/K. La corrente calda entra a 80 °C e quella fredda a 30 °C. Lo scambiatore ha A = 3 m² e U = 800 W/(m²·K). Trova la temperatura di uscita della corrente calda Th,out.

Ch = Cc = 1,5 kW/KTh,in = 80 °CTc,in = 30 °CA = 3 m²U = 800 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conduzione del caloreMedia
Vetro, k = 0,96100 mmCartongesso, k = 0,1750 mm16 °C-11 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 100 mm di vetro e 50 mm di cartongesso, con un’area di 12 m². Le facce esterne sono a 16 °C e -11 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 100 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 16 °CT3 = -11 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Lana minerale, k = 0,04250 mmPolistirene espanso, k = 0,035100 mmstanza 20 °Cesterno -8 °CQ̇ = ?

Una parete di 250 mm lana minerale e 100 mm polistirene espanso separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a -8 °C. I coefficienti di convezione sono 10 W/(m²·K) all’interno e 30 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 6 m². Trova la perdita di calore Q̇ attraverso la parete.

L1 = 250 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -8 °C
Q̇ = W
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 0,8 m/sD = 50 mmL = 300 mf = 0,028

Acqua scorre con una velocità media di 0,8 m/s in un tubo lungo 300 m con diametro interno di 50 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 = 0,8 m/sL = 300 mD = 50 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 2Δz = ?L = 100 m, D = 300 mm, f = 0,0183× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 100 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 = 100 mD = 300 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 30 L/sH = 60 m

Una pompa con rendimento del 65% eroga 30 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 60 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 30 L/sH = 60 mη = 65%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 50 L/sΔz = 19 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,02, ΣK = 4

Una pompa trasferisce 50 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 19 m più in alto. Il tubo è lungo 100 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 4 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 50 L/sΔz = 19 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,02ΣK = 4
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 1950 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) = 650·(40 − 25)/(25 − 20) = 1950 kg/h

Risposta

ṁ2 = 1950 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 1191 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 = 4300·18/65 = 1191 kg/h

Risposta

P = 1191 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 81,29 °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·(170 − 100) = 512,4 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 512,4/(2·4,18) = 81,29 °C

Risposta

tout = 81,29 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 1,28 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 3·2,44·(160 − 110) = 366 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,05)·366 = 347,7 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 347,7/(4,18·65) = 1,28 kg/s

Risposta

ṁc = 1,28 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 11,83 L

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

Moli

n = 40/44,01 = 0,9089 mol
T = 40 + 273,15 = 313,1 K

Volume

V = nRT/P = 0,9089·8,314·313,1/200 = 11,83 L

Risposta

V = 11,83 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 13,31 L

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

Temperature assolute

T1 = 308,1 K, T2 = 333,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(400/650)·(333,1/308,1) = 13,31 L

Risposta

V2 = 13,31 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 39,61 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) = 16/44,1 = 0,3628 mol
n(O2) = 48/32 = 1,5 mol

Reagente limitante

0,3628/1 = 0,3628, 1,5/5 = 0,3 → O2

Massa di prodotto

n(CO2) = 0,3·3 = 0,9 mol
m = 0,9·44,01 = 39,61 g

Risposta

m = 39,61 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: [HI] = 0,2667 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

16 = (2x)²/(0,2 − x)²

Estrai la radice quadrata

4 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·4/(2 + 4) = 0,1333 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 0,2667 mol/L

Risposta

[HI] = 0,2667 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,05 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

0,05 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,05·x − 0,005 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,005))/2 = 0,05 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,1 − 0,05 = 0,05 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,05 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 28,98 °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

200·0,129·(150 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 24)

Ricava la temperatura finale

Tf = (25,8·150 + 627·24)/(25,8 + 627) = 28,98 °C

Risposta

Tf = 28,98 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 1297 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° = [4·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [2·(−84,7) + 7·0] = −3119 kJ

Calore per la massa data

n = 25/30,07 = 0,8314 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,8314·1560 = 1297 kJ

Risposta

q = 1297 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: k = 0,1386 min⁻¹

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).

Legge integrata del primo ordine

k = ln(CA0/CA)/t = ln(1/0,5)/5 = 0,6931/5 = 0,1386 min⁻¹

Risposta

k = 0,1386 min⁻¹
14.Cinetica chimica

Risposta: X = 44,58 %

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 = 293,1 K, T2 = 303,1 K
k2 = 0,02·e−(50000/8,314)·(1/303,1 − 1/293,1) = 0,03935 min⁻¹

Conversione

X = 1 − e−0,03935·15 = 1 − 0,5542 = 44,58 %

Risposta

X = 44,58 %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: CA = 0,02747 mol/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 = V/Q = 200/20 = 10 min

Concentrazione di uscita

CA = 1,5·e−0,4·10 = 0,02747 mol/L

Risposta

CA = 0,02747 mol/L

Conversione: X = 98,17%.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 44,44 %

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 = 100/25 = 4 min, kτ = 0,2·4 = 0,8

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 0,8/(1 + 0,8) = 44,44%

Risposta

X = 44,44%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 129,6 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 = 80 − 45 = 35 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 25 − 10 = 15 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (35 − 15)/ln(35/15) = 23,6 K

Area

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 520000/(200·0,85·23,6) = 129,6 m²

Risposta

A = 129,6 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Th,out = 49,23 °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

1,5·(80 − Th,out) = 2,4·(Th,out − 30)
Th,out = (1,5·80 + 2,4·30)/(1,5 + 2,4) = 49,23 °C

Risposta

Th,out = 49,23 °C

Calore trasferito: Q̇ = 46,15 kW; la corrente fredda esce a 60,77 °C.

19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = 8,938 °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) = (100/1000)/(0,96·12) = 0,008681 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·12) = 0,02451 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 27/0,03319 = 813,5 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 16 − 813,5·0,008681 = 8,938 °C

Risposta

Ti = 8,938 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 18,18 W

Resistenza termica: il flusso di calore stazionario attraverso strati in serie si comporta come una corrente in resistori in serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) per uno strato conduttivo e R = 1/(hA) per una superficie con convezione. La caduta di temperatura in ogni strato è proporzionale alla sua resistenza.

Resistenze in serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·6) = 0,01667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,04·6) = 1,042 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,035·6) = 0,4762 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·6) = 0,005556 K/W
ΣR = 1,54 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (20 − (-8))/1,54 = 18,18 W

Risposta

Q̇ = 18,18 W
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 5,48 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) = 0,8²/(2·9,81) = 0,03262 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(300/0,05)·0,8²/(2·9,81) = 5,48 m

Risposta

hf = 5,48 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 0,5967 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 = 0,018·100/0,3 = 6
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4

Perdita di carico totale

hf = 6·0,05738 = 0,3443 m
hm = 4,4·0,05738 = 0,2525 m
Δz = hf + hm = 0,5967 m

Risposta

Δz = 0,5967 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 27,17 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 = 1000·9,81·0,03·60 = 17,66 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 17,66/0,65 = 27,17 kW

Risposta

Pshaft = 27,17 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 26,07 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (13,33 + 4)·0,408 = 7,073 m

Prevalenza della pompa

Entrambe le superfici sono aperte e praticamente in quiete, quindi i termini di pressione e di velocità si annullano.

H = Δz + hL = 19 + 7,073 = 26,07 m

Risposta

H = 26,07 m

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