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 1800 kg/h · 45% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 5% NaOHProdotto15% NaOH

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

ṁ1 = 800 kg/hx1 = 45 %x2 = 5 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F3900 kg/h · 14% saleProdotto PP = ? · 40%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 = 3900 kg/hxF = 14 %xP = 40 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 170 °C80 °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 = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 80 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoolio leggero · 180 °C130 °Cacqua · 20 °C35 °C · ṁ = ?10% perso

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

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 130 °Ct: 20 → 35 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
450 g di HeP = 200 kPaT = 20 °CV = ?

Quale volume V occupano 450 g di He a 200 kPa e 20 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 450 gM = 4,003 g/molP = 200 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
Ar, M = 39,95 g/molP = 1000 kPaT = 80 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di Ar a 1000 kPa e 80 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 39,95 g/molP = 1000 kPaT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

30 g di CH4 e 8 g di O2 reagiscono secondo CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Quale massa m di H2O si può formare?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 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, 20 g di N2 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 19,94 g di NH3. Trova la resa percentuale Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molreale: 19,94 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

1 mol/L di H₂ e 1 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 49. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 49
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,2500C−x+x+xE0,25 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,1 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,25 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,1
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Ramem = 150 gT = 90 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Acquam = 400 gT = 20 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di rame da 150 g (c = 0,385 J/(g·°C)) a 90 °C viene immerso in 400 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 20 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 90 °Cmwater = 400 gTwater = 20 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H100 g CH3​OH2CH3​OH + 3O₂reagenti2CO₂ + 4H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 100 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 = ?30%

Una reazione di ordine zero ha k = 0,05 mol/(L·min) e parte da 1,5 mol/L. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 30%? Trova t.

k = 0,05 mol/(L·min)CA0 = 1,5 mol/LX = 30 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk35 °C0,00260 °C0,00645

La costante cinetica di una reazione è 0,002 min⁻¹ a 35 °C e 0,00645 min⁻¹ a 60 °C. Trova l’energia di attivazione Ea.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 35 °Ck2 = 0,00645 min⁻¹T2 = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 100 L/minX = 70%V = ?, k = 0,25 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,25 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 100 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 70%.

Q = 100 L/mink = 0,25 min⁻¹X = 70%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 1500 LQ = 40 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,4 min⁻¹) avviene in un CSTR da 1500 L alimentato a 40 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 1500 LQ = 40 L/mink = 0,4 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT100 °C25 °C55 °CΔT₁ΔT₂vapore che condensa

In un condensatore, il vapore condensa a 100 °C costanti all’esterno dei tubi. L’acqua di raffreddamento (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) scorre nei tubi e si riscalda da 25 a 55 °C. Il coefficiente globale di scambio è 2000 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Ts = 100 °Cṁ = 1 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 25 → 55 °CU = 2000 W/(m²·K)
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT155 °C105 °C16,88 °C10 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (0,5 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) si raffredda da 155 a 105 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 2 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 10 °C. Con U = 800 W/(m²·K), trova l’area di scambio A necessaria.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 155 → 105 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 800 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Mattone, k = 0,72150 mmCartongesso, k = 0,1775 mm18 °C1 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 150 mm di mattone e 75 mm di cartongesso, con un’area di 8 m². Le facce esterne sono a 18 °C e 1 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 150 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 18 °CT3 = 1 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Vetro, k = 0,96200 mmLana minerale, k = 0,0450 mmstanza 22 °Cesterno -4 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 200 mm vetro e 50 mm lana minerale separa una stanza a 22 °C dall’aria esterna a -4 °C. I coefficienti di convezione sono 10 W/(m²·K) all’interno e 20 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 6 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 200 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 6 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -4 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 2,8 m/sD = 150 mmL = 200 mf = 0,015

Acqua scorre con una velocità media di 2,8 m/s in un tubo lungo 200 m con diametro interno di 150 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,015 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

V = 2,8 m/sL = 200 mD = 150 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 0,2Δz = ?L = 150 m, D = 200 mm, f = 0,0154× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 150 m con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 4 curve (K = 0,3 ciascuna), una valvola (K = 0,2) e lo sbocco nel serbatoio inferiore (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Quale dislivello Δz tra i peli liberi dei serbatoi dà una portata di 50 L/s?

Q = 50 L/sL = 150 mD = 200 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 150 L/sH = 18 m

In una prova, una pompa eroga 150 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 18 m mentre il suo albero assorbe 34 kW. Usa g = 9,81 m/s². Trova il rendimento della pompa η in percentuale.

Q = 150 L/sH = 18 mPshaft = 34 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
350 kPa (relativa)PQ = 75 L/sΔz = 9 mL = 600 m, D = 200 mm, f = 0,02, ΣK = 5

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 9 m più in alto. Il tubo è lungo 600 m, con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 5 (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 350 kPa. Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 75 L/sΔz = 9 mL = 600 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 5ptank = 350 kPa
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 2400 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) = 800·(45 − 15)/(15 − 5) = 2400 kg/h

Risposta

ṁ2 = 2400 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 1365 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 = 3900·14/40 = 1365 kg/h

Risposta

P = 1365 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 41,27 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 0,5·2,44·(170 − 80) = 109,8 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 109,8/(1·4,18) = 41,27 °C

Risposta

tout = 41,27 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 1,507 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1·2,1·(180 − 130) = 105 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,1)·105 = 94,5 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 94,5/(4,18·15) = 1,507 kg/s

Risposta

ṁc = 1,507 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 1370 L

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

Moli

n = 450/4,003 = 112,4 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Volume

V = nRT/P = 112,4·8,314·293,1/200 = 1370 L

Risposta

V = 1370 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 13,61 kg/m³

Densità di un gas ideale: ρ = PM/(RT).

Riordina la legge dei gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Densità

ρ = 1000·39,95/(8,314·353,1) = 13,61 kg/m³

Risposta

ρ = 13,61 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 4,505 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) = 30/16,04 = 1,87 mol
n(O2) = 8/32 = 0,25 mol

Reagente limitante

1,87/1 = 1,87, 0,25/2 = 0,125 → O2

Massa di prodotto

n(H2O) = 0,125·2 = 0,25 mol
m = 0,25·18,02 = 4,505 g

Risposta

m = 4,505 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 82,02 %

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) = 20/28,02 = 0,7138 mol
m = 0,7138·2/1·17,03 = 24,31 g

Resa percentuale

Y = 19,94/24,31·100 = 82,02%

Risposta

Y = 82,02%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 1,556 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

49 = (2x)²/(1 − x)²

Estrai la radice quadrata

7 = 2x/(1 − x) → x = 1·7/(2 + 7) = 0,7778 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 1,556 mol/L

Risposta

[HI] = 1,556 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,1342 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

0,1 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,1·x − 0,025 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,025))/2 = 0,1158 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,25 − 0,1158 = 0,1342 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,1342 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 22,34 °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

150·0,385·(90 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 20)

Ricava la temperatura finale

Tf = (57,75·90 + 1672·20)/(57,75 + 1672) = 22,34 °C

Risposta

Tf = 22,34 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 2267 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 = 100/32,04 = 3,121 mol
q = n·|ΔH°/2| = 3,121·726,4 = 2267 kJ

Risposta

q = 2267 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: t = 9 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Quantità convertita

CA0·X = 1,5·0,3 = 0,45 mol/L

Tempo

t = CA0·X/k = 0,45/0,05 = 9 min

Risposta

t = 9 min
14.Cinetica chimica

Risposta: Ea = 39,98 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 = 333,1 K

Risolvi Arrhenius per Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,171/(-2,435e-4) = 39976 J/mol
Ea = 39,98 kJ/mol

Risposta

Ea = 39,98 kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 481,6 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 − 0,7))/0,25 = 1,204/0,25 = 4,816 min

Volume

V = Q·τ = 100·4,816 = 481,6 L

Risposta

V = 481,6 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 93,75 %

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 = 1500/40 = 37,5 min, kτ = 0,4·37,5 = 15

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 15/(1 + 15) = 93,75%

Risposta

X = 93,75%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 1,068 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 = 1·4,18·(55 − 25) = 125,4 kW

Differenze di temperatura agli estremi

ΔT₁ = 100 − 25 = 75 K
ΔT₂ = 100 − 55 = 45 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (75 − 45)/ln(75/45) = 58,73 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 125400/(2000·58,73) = 1,068 m²

Risposta

A = 1,068 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 0,6238 m²

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

Potenza termica e temperatura di uscita dell’acqua

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 0,5·2,3·50 = 57,5 kW
Tc,out = 10 + 57,5/(2·4,18) = 16,88 °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 − 16,88 = 138,1 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 105 − 10 = 95 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (138,1 − 95)/ln(138,1/95) = 115,2 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 57500/(800·115,2) = 0,6238 m²

Risposta

A = 0,6238 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 209,4 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)/(0,72·8) = 0,02604 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·8) = 0,05515 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 17/0,08119 = 209,4 W

Risposta

Q̇ = 209,4 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 20,38 °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/(10·6) = 0,01667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,96·6) = 0,03472 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,04·6) = 0,2083 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·6) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,2681 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (22 − (-4))/0,2681 = 96,99 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 96,99·0,01667 = 20,38 °C

Risposta

Ts = 20,38 °C
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 7,992 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) = 2,8²/(2·9,81) = 0,3996 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(200/0,15)·2,8²/(2·9,81) = 7,992 m

Risposta

hf = 7,992 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 1,827 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 = 0,05/0,03142 = 1,592 m/s
V²/(2g) = 0,1291 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,015·150/0,2 = 11,25
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,9

Perdita di carico totale

hf = 11,25·0,1291 = 1,452 m
hm = 2,9·0,1291 = 0,3744 m
Δz = hf + hm = 1,827 m

Risposta

Δz = 1,827 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: η = 77,9 %

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 = 1000·9,81·0,15·18 = 26,49 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 26,49/34 = 77,9%

Risposta

η = 77,9%
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 63,56 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) = (60 + 5)·0,2905 = 18,88 m

Altezza piezometrica

p/(ρ·g) = 350000/(1000·9,81) = 35,68 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 = 9 + 35,68 + 18,88 = 63,56 m

Risposta

H = 63,56 m

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