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 1600 kg/h · 5% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 45% NaOHProdotto10% NaOH

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 10% di NaOH? Trova ṁ2.

ṁ1 = 600 kg/hx1 = 5 %x2 = 45 %x3 = 10 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F1200 kg/h · 14% saleProdotto P50% saleVapore W (acqua pura)W = ? kg/h

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

F = 1200 kg/hxF = 14 %xP = 50 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoolio leggero · 180 °C120 °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 = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 120 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoolio leggero · 120 °C60 °Cacqua · 15 °C80 °C · ṁ = ?15% perso

Il olio leggero caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 15% del calore ceduto dalla corrente calda. Trova la portata d’acqua ṁc necessaria.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 60 °Ct: 15 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
120 g di N₂P = 550 kPaT = 15 °CV = ?

Quale volume V occupano 120 g di N₂ a 550 kPa e 15 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 120 gM = 28,01 g/molP = 550 kPaT = 15 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di CH₄ passa da 300 kPa, 10 L, 25 °C a 350 kPa e 250 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 300 kPaV1 = 10 LT1 = 25 °CP2 = 350 kPaT2 = 250 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 1/ν× M(CO2​)

10 g di CH4 e 64 g di O2 reagiscono secondo CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Quale massa m di CO2 si può formare?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(C6​H12​O6​)n(C6​H12​O6​)n(C2​H5​OH)m(C2​H5​OH)÷ M(C6​H12​O6​)× 2/1× M(C2​H5​OH)

Nella reazione C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2, 6 g di C6H12O6 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 2,15 g di C2H5OH. Trova la resa percentuale Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(C2H5OH) = 46,07 g/molreale: 2,15 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

0,8 mol/L di H₂ e 0,8 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 9. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 9
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,01 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,5 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,01
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Alluminiom = 150 gT = 160 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Acquam = 100 gT = 23 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di alluminio da 150 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 160 °C viene immerso in 100 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 23 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 100 gTwater = 23 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
HC2​H5​OH + 3O₂reagenti2CO₂ + 3H₂O(l)prodottiΔH° = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare ΔH° della reazione C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l).

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 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)C (mol/L)t½​ = ?C0​/2

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

k = 0,2 L/(mol·min)CA0 = 0,8 mol/L
t½ = min
14.Cinetica chimicaDifficile
t (min)X (%)15 minX = ?

Una reazione del primo ordine ha k = 0,002 min⁻¹ a 30 °C e un’energia di attivazione di 90 kJ/mol. Il reattore batch ora lavora a 50 °C per 15 min. Trova la conversione X raggiunta.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 30 °CEa = 90 kJ/molT2 = 50 °Ct = 15 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
QX = 85%stessi Q, k e X del CSTR

Una reazione del primo ordine in fase liquida deve raggiungere una conversione del 85%. 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 = 85%primo ordine, stessi k e Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 150 LV = 150 LQ = 100 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,25 min⁻¹) avviene in due CSTR uguali in serie, ciascuno da 150 L. La portata di alimentazione è 100 L/min, la densità è costante e i reattori sono in regime stazionario. Trova la conversione complessiva X in percentuale.

V = 150 L (×2)Q = 100 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT175 °C85 °C80 °C10 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore a fascio tubiero (un passaggio lato mantello, due passaggi lato tubi) deve trasferire 400 kW. Il fluido caldo si raffredda da 175 a 85 °C e il fluido freddo si riscalda da 10 a 80 °C. Il fattore di correzione della LMTD per questa configurazione è F = 0,92, e U = 200 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 400 kWF = 0,92U = 200 W/(m²·K)Th: 175 → 85 °CTc: 10 → 80 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT150 °C??15 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

In uno scambiatore controcorrente entrambe le correnti hanno la stessa capacità termica oraria, ṁ·cp = 2 kW/K. La corrente calda entra a 150 °C e quella fredda a 15 °C. Lo scambiatore ha A = 1,5 m² e U = 500 W/(m²·K). Trova la temperatura di uscita della corrente calda Th,out.

Ch = Cc = 2 kW/KTh,in = 150 °CTc,in = 15 °CA = 1,5 m²U = 500 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conduzione del caloreMedia
Cartongesso, k = 0,17150 mmVetro, k = 0,96100 mm22 °C-1 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 150 mm di cartongesso e 100 mm di vetro, con un’area di 12 m². Le facce esterne sono a 22 °C e -1 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 22 °CT3 = -1 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Vetro, k = 0,96200 mmCalcestruzzo, k = 1,4150 mmstanza 20 °Cesterno -8 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 200 mm vetro e 150 mm calcestruzzo separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a -8 °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 20 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 200 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 20 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -8 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 1,2 m/sD = 200 mmL = 300 mf = 0,028

Acqua scorre con una velocità media di 1,2 m/s in un tubo lungo 300 m con diametro interno di 200 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 = 1,2 m/sL = 300 mD = 200 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 5Δz = 32 mL = 150 m, D = 100 mm, f = 0,0182× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 150 m con diametro interno di 100 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,018. Il pelo libero del serbatoio superiore si trova 32 m sopra quello del serbatoio inferiore. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 2 curve (K = 0,3 ciascuna), una valvola (K = 5) e lo sbocco nel serbatoio inferiore (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Trova la portata Q in L/s.

Δz = 32 mL = 150 mD = 100 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 20 L/sH = 38 m

Una pompa eroga 20 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 38 m. Il rendimento della pompa è del 82% e il motore elettrico che la aziona ha un rendimento del 88%. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza elettrica Pel assorbita dal motore, in kW.

Q = 20 L/sH = 38 mηpump = 82%ηmotor = 88%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 50 L/sΔz = 10 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,018, 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 10 m più in alto. Il tubo è lungo 100 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,018; 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 = 10 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,018ΣK = 4
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 85,71 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) = 600·(5 − 10)/(10 − 45) = 85,71 kg/h

Risposta

ṁ2 = 85,71 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 864 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 = 1200·14/50 = 336 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 1200 − 336 = 864 kg/h

Risposta

W = 864 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 105,4 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 3·2,1·(180 − 120) = 378 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 378/(1·4,18) = 105,4 °C

Risposta

tout = 105,4 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,5913 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1,5·2,1·(120 − 60) = 189 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·189 = 160,7 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 160,7/(4,18·65) = 0,5913 kg/s

Risposta

ṁc = 0,5913 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 18,66 L

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

Moli

n = 120/28,01 = 4,284 mol
T = 15 + 273,15 = 288,1 K

Volume

V = nRT/P = 4,284·8,314·288,1/550 = 18,66 L

Risposta

V = 18,66 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 15,04 L

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

Temperature assolute

T1 = 298,1 K, T2 = 523,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(300/350)·(523,1/298,1) = 15,04 L

Risposta

V2 = 15,04 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 27,44 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(CH4) = 10/16,04 = 0,6234 mol
n(O2) = 64/32 = 2 mol

Reagente limitante

0,6234/1 = 0,6234, 2/2 = 1 → CH4

Massa di prodotto

n(CO2) = 0,6234·1 = 0,6234 mol
m = 0,6234·44,01 = 27,44 g

Risposta

m = 27,44 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 70,06 %

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(C6H12O6) = 6/180,16 = 0,0333 mol
m = 0,0333·2/1·46,07 = 3,069 g

Resa percentuale

Y = 2,15/3,069·100 = 70,06%

Risposta

Y = 70,06%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 0,96 mol/L

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

Espressione all’equilibrio

9 = (2x)²/(0,8 − x)²

Estrai la radice quadrata

3 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·3/(2 + 3) = 0,48 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 0,96 mol/L

Risposta

[HI] = 0,96 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,4341 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/(0,5 − x) → x² + 0,01·x − 0,005 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,005))/2 = 0,06589 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,5 − 0,06589 = 0,4341 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,4341 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 56,36 °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

150·0,897·(160 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 23)

Ricava la temperatura finale

Tf = (134,6·160 + 418·23)/(134,6 + 418) = 56,36 °C

Risposta

Tf = 56,36 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −1367 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) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Risposta

ΔH° = −1367 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: t½ = 6,25 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/(0,2·0,8) = 6,25 min

Risposta

t½ = 6,25 min

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

14.Cinetica chimica

Risposta: X = 23,93 %

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 = 303,1 K, T2 = 323,1 K
k2 = 0,002·e−(90000/8,314)·(1/323,1 − 1/303,1) = 0,01823 min⁻¹

Conversione

X = 1 − e−0,01823·15 = 1 − 0,7607 = 23,93 %

Risposta

X = 23,93 %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: VCSTR/VPFR = 2,987

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) = 0,85/0,15 = 5,667
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(6,667) = 1,897

Rapporto dei volumi

VCSTR/VPFR = 5,667/1,897 = 2,987

Risposta

VCSTR/VPFR = 2,987

La differenza cresce rapidamente ad alte conversioni.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 47,11 %

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 = 150/100 = 1,5 min, kτ = 0,25·1,5 = 0,375

Conversione

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,375) = 0,7273
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,5289
X = 1 − 0,5289 = 47,11%

Risposta

X = 47,11%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 25,69 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 = 175 − 80 = 95 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 85 − 10 = 75 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (95 − 75)/ln(95/75) = 84,61 K

Area

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 400000/(200·0,92·84,61) = 25,69 m²

Risposta

A = 25,69 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Th,out = 113,2 °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

2·(150 − Th,out) = 0,75·(Th,out − 15)
Th,out = (2·150 + 0,75·15)/(2 + 0,75) = 113,2 °C

Risposta

Th,out = 113,2 °C

Calore trasferito: Q̇ = 73,64 kW; la corrente fredda esce a 51,82 °C.

19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 279,8 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)/(0,17·12) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,96·12) = 0,008681 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 23/0,08221 = 279,8 W

Risposta

Q̇ = 279,8 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 13,85 °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/(10·20) = 0,005 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,96·20) = 0,01042 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(1,4·20) = 0,005357 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·20) = 0,002 K/W
ΣR = 0,02277 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (20 − (-8))/0,02277 = 1229 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 1229·0,005 = 13,85 °C

Risposta

Ts = 13,85 °C
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 3,083 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) = 1,2²/(2·9,81) = 0,07339 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(300/0,2)·1,2²/(2·9,81) = 3,083 m

Risposta

hf = 3,083 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Q = 33,7 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 = 0,018·150/0,1 = 27
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 + 1,0 = 7,1

Equazione dell’energia

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

32 = (27 + 7,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·32/34,1) = 4,291 m/s

Portata

Q = V·π·D²/4 = 4,291·0,007854 = 0,0337 m³/s = 33,7 L/s

Risposta

Q = 33,7 L/s
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pel = 10,33 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 = 1000·9,81·0,02·38 = 7,456 kW

Potenza all’albero

Pshaft = 7,456/0,82 = 9,092 kW

Potenza elettrica

Pel = 9,092/0,88 = 10,33 kW

Risposta

Pel = 10,33 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 16,53 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) = (12 + 4)·0,408 = 6,529 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 = 10 + 6,529 = 16,53 m

Risposta

H = 16,53 m

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