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 1250 kg/h · 5% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 45% saleProdotto30% sale

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

ṁ1 = 250 kg/hx1 = 5 %x2 = 45 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F4500 kg/h · 7% NaOHProdotto PP = ? · 50%Vapore W (acqua pura)0% NaOH

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

F = 4500 kg/hxF = 7 %xP = 50 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 180 °C120 °Cacqua · 30 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 120 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 150 °C110 °Cacqua · 30 °C90 °C · ṁ = ?5% perso

Il miscela di glicole 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 = 1 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 110 °Ct: 30 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 5 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
250 g di N₂P = 200 kPaT = 25 °CV = ?

Quale volume V occupano 250 g di N₂ a 200 kPa e 25 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 250 gM = 28,01 g/molP = 200 kPaT = 25 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di CO₂ passa da 350 kPa, 2 L, 40 °C a 200 kPa e 130 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 350 kPaV1 = 2 LT1 = 40 °CP2 = 200 kPaT2 = 130 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

8 g di Mg e 10 g di O2 reagiscono secondo 2Mg + O2 → 2MgO. Quale massa m di MgO si può formare?

M(Mg) = 24,31M(O2) = 32M(MgO) = 40,3 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(Fe)m(Fe)÷ M(Fe2​O3​)× 2/1× M(Fe)

Nella reazione Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2, 4 g di Fe2O3 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 1,96 g di Fe. Trova la resa percentuale Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(Fe) = 55,85 g/molreale: 1,96 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​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,08 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,4 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Ramem = 250 gT = 80 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Acquam = 300 gT = 18 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di rame da 250 g (c = 0,385 J/(g·°C)) a 80 °C viene immerso in 300 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 18 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 80 °Cmwater = 300 gTwater = 18 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H50 g C6​H12​O6​C6​H12​O6​ + 6O₂reagenti6CO₂ + 6H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 50 g di C6H12O6 (M = 180,16 g/mol) bruciano completamente: C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 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)60 min0,5

In una reazione del primo ordine la concentrazione di A scende da 1 mol/L a 0,5 mol/L in 60 min. Trova la costante cinetica k.

CA0 = 1 mol/LCA = 0,5 mol/Lt = 60 min
k = min⁻¹
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk25 °Ck1​?5·k1​

Una reazione ha un’energia di attivazione di 80 kJ/mol. A 25 °C è troppo lenta. A quale temperatura T2 (in °C) va riscaldata per renderla 5 volte più veloce?

Ea = 80 kJ/molT1 = 25 °Ck2/k1 = 5R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 25 L/minCA0​ = 1,5 mol/LCA​ = ?V = 800 L, k = 0,1 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B (k = 0,1 min⁻¹) avviene in un reattore a flusso a pistone (PFR) da 800 L. L’alimentazione entra a 25 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 = 800 LQ = 25 L/mink = 0,1 min⁻¹CA0 = 1,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
Q = 80 L/minX = ?V = 800 L

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,25 min⁻¹) avviene in un reattore a flusso a pistone (PFR) da 800 L alimentato a 80 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 800 LQ = 80 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT110 °C10 °C70 °CΔT₁ΔT₂vapore che condensa

In un condensatore, il vapore condensa a 110 °C costanti all’esterno dei tubi. L’acqua di raffreddamento (2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) scorre nei tubi e si riscalda da 10 a 70 °C. Il coefficiente globale di scambio è 1000 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Ts = 110 °Cṁ = 2 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 10 → 70 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT160 °C??30 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

In uno scambiatore controcorrente entrambe le correnti hanno la stessa capacità termica oraria, ṁ·cp = 3 kW/K. La corrente calda entra a 160 °C e quella fredda a 30 °C. Lo scambiatore ha A = 6 m² e U = 500 W/(m²·K). Trova la temperatura di uscita della corrente calda Th,out.

Ch = Cc = 3 kW/KTh,in = 160 °CTc,in = 30 °CA = 6 m²U = 500 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conduzione del caloreMedia
Legno, k = 0,17250 mmPolistirene espanso, k = 0,03550 mm18 °C-10 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 250 mm di legno e 50 mm di polistirene espanso, con un’area di 15 m². Le facce esterne sono a 18 °C e -10 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 18 °CT3 = -10 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Mattone, k = 0,7250 mmPolistirene espanso, k = 0,03525 mmstanza 21 °Cesterno 1 °CQ̇ = ?

Una parete di 50 mm mattone e 25 mm polistirene espanso separa una stanza a 21 °C dall’aria esterna a 1 °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 10 m². Trova la perdita di calore Q̇ attraverso la parete.

L1 = 50 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 10 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 1 °C
Q̇ = W
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 1,5 m/sD = 50 mmL = 100 mf = 0,02

Acqua scorre con una velocità media di 1,5 m/s in un tubo lungo 100 m con diametro interno di 50 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,02 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

V = 1,5 m/sL = 100 mD = 50 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 10Δz = 5 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,0254× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 100 m con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,025. Il pelo libero del serbatoio superiore si trova 5 m sopra quello del serbatoio inferiore. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 4 curve (K = 0,3 ciascuna), una valvola (K = 10) e lo sbocco nel serbatoio inferiore (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Trova la portata Q in L/s.

Δz = 5 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 10 L/sH = 68 m

In una prova, una pompa eroga 10 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 68 m mentre il suo albero assorbe 8,9 kW. Usa g = 9,81 m/s². Trova il rendimento della pompa η in percentuale.

Q = 10 L/sH = 68 mPshaft = 8,9 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 120 L/sΔz = 28 mL = 300 m, D = 250 mm, f = 0,018, ΣK = 8

Una pompa trasferisce 120 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 28 m più in alto. Il tubo è lungo 300 m, con diametro interno di 250 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 80%. Trova la potenza all’albero Pshaft in kW.

Q = 120 L/sΔz = 28 mL = 300 mD = 250 mmf = 0,018ΣK = 8η = 80%
Pshaft = kW

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 416,7 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) = 250·(5 − 30)/(30 − 45) = 416,7 kg/h

Risposta

ṁ2 = 416,7 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 630 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 = 4500·7/50 = 630 kg/h

Risposta

P = 630 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 88,37 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 2,5·2,44·(180 − 120) = 366 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 366/(1,5·4,18) = 88,37 °C

Risposta

tout = 88,37 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,5455 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1·3,6·(150 − 110) = 144 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,05)·144 = 136,8 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 136,8/(4,18·60) = 0,5455 kg/s

Risposta

ṁc = 0,5455 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 110,6 L

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

Moli

n = 250/28,01 = 8,925 mol
T = 25 + 273,15 = 298,1 K

Volume

V = nRT/P = 8,925·8,314·298,1/200 = 110,6 L

Risposta

V = 110,6 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 4,506 L

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

Temperature assolute

T1 = 313,1 K, T2 = 403,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(350/200)·(403,1/313,1) = 4,506 L

Risposta

V2 = 4,506 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 13,26 g

Stechiometria: un'equazione bilanciata conta particelle, non grammi. Converti la massa in moli con n = m/M, usa i coefficienti dell'equazione come rapporto molare, poi torna alla massa con m = n·M. Con due reagenti, il reagente limitante è quello che si esaurisce per primo e fissa quanto prodotto si forma.

Moli di ogni reagente

n(Mg) = 8/24,31 = 0,3291 mol
n(O2) = 10/32 = 0,3125 mol

Reagente limitante

0,3291/2 = 0,1645, 0,3125/1 = 0,3125 → Mg

Massa di prodotto

n(MgO) = 0,1645·2 = 0,3291 mol
m = 0,3291·40,3 = 13,26 g

Risposta

m = 13,26 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 70,05 %

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(Fe2O3) = 4/159,69 = 0,02505 mol
m = 0,02505·2/1·55,85 = 2,798 g

Resa percentuale

Y = 1,96/2,798·100 = 70,05%

Risposta

Y = 70,05%
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] = 0,2567 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/(0,4 − x) → x² + 0,08·x − 0,032 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,032))/2 = 0,1433 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,4 − 0,1433 = 0,2567 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,2567 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 22,42 °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

250·0,385·(80 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 18)

Ricava la temperatura finale

Tf = (96,25·80 + 1254·18)/(96,25 + 1254) = 22,42 °C

Risposta

Tf = 22,42 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 777,6 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° = [6·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

Calore per la massa data

n = 50/180,16 = 0,2775 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,2775·2802 = 777,6 kJ

Risposta

q = 777,6 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: k = 0,01155 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)/60 = 0,6931/60 = 0,01155 min⁻¹

Risposta

k = 0,01155 min⁻¹
14.Cinetica chimica

Risposta: T2 = 40,65 °C

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).

Temperatura assoluta

T1 = 298,1 K

Ricava T₂ dall’equazione di Arrhenius

1/T2 = 1/298,1 − 8,314·ln(5)/80000 = 3,354 × 10⁻³ − 1,673 × 10⁻⁴ = 3,187 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 313,8 K = 40,65 °C

Risposta

T2 = 40,65 °C
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: CA = 0,06114 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 = 800/25 = 32 min

Concentrazione di uscita

CA = 1,5·e−0,1·32 = 0,06114 mol/L

Risposta

CA = 0,06114 mol/L

Conversione: X = 95,92%.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 91,79 %

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 = 800/80 = 10 min, kτ = 0,25·10 = 2,5

Conversione

X = 1 − e−kτ = 1 − e−2,5 = 91,79%

Risposta

X = 91,79%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 7,66 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 = 2·4,18·(70 − 10) = 501,6 kW

Differenze di temperatura agli estremi

ΔT₁ = 110 − 10 = 100 K
ΔT₂ = 110 − 70 = 40 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (100 − 40)/ln(100/40) = 65,48 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 501600/(1000·65,48) = 7,66 m²

Risposta

A = 7,66 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Th,out = 95 °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

3·(160 − Th,out) = 3·(Th,out − 30)
Th,out = (3·160 + 3·30)/(3 + 3) = 95 °C

Risposta

Th,out = 95 °C

Calore trasferito: Q̇ = 195 kW; la corrente fredda esce a 95 °C.

19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 144,9 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) = (250/1000)/(0,17·15) = 0,09804 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,035·15) = 0,09524 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 28/0,1933 = 144,9 W

Risposta

Q̇ = 144,9 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 214,2 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/(10·10) = 0,01 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,72·10) = 0,006944 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,035·10) = 0,07143 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·10) = 0,005 K/W
ΣR = 0,09337 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (21 − (1))/0,09337 = 214,2 W

Risposta

Q̇ = 214,2 W
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 4,587 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) = 1,5²/(2·9,81) = 0,1147 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(100/0,05)·1,5²/(2·9,81) = 4,587 m

Risposta

hf = 4,587 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Q = 32,3 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 = 0,025·100/0,15 = 16,67
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Equazione dell’energia

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

5 = (16,67 + 12,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·5/29,37) = 1,828 m/s

Portata

Q = V·π·D²/4 = 1,828·0,01767 = 0,0323 m³/s = 32,3 L/s

Risposta

Q = 32,3 L/s
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: η = 74,95 %

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 = 1000·9,81·0,01·68 = 6,671 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 6,671/8,9 = 74,95%

Risposta

η = 74,95%
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 54,47 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 = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (21,6 + 8)·0,3046 = 9,016 m

Prevalenza della pompa

H = Δz + hL = 28 + 9,016 = 37,02 m

Potenza all’albero

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,12·37,02/0,8 = 54,47 kW

Risposta

Pshaft = 54,47 kW

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