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 1850 kg/h · 40% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 15% saleProdotto20% sale

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 20% di sale? Trova ṁ2.

ṁ1 = 850 kg/hx1 = 40 %x2 = 15 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F1500 kg/h · 13% zuccheroProdotto PP = ? · 65%Vapore W (acqua pura)0% zucchero

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

F = 1500 kg/hxF = 13 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 160 °C120 °Cacqua · 10 °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: 160 → 120 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 150 °C60 °Cacqua · 30 °C55 °C · ṁ = ?10% perso

Il miscela di glicole 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 = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 60 °Ct: 30 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
490 g di CH₄V = 20 LT = 95 °CP = ?

Un serbatoio di 20 L contiene 490 g di CH₄ a 95 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 490 gM = 16,04 g/molV = 20 LT = 95 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
CH₄, M = 16,04 g/molP = 100 kPaT = 40 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di CH₄ a 100 kPa e 40 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 16,04 g/molP = 100 kPaT = 40 °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)

20 g di CH4 e 24 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(Na)n(Na)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(Na)× 2/2× M(NaCl)

Nella reazione 2Na + Cl2 → 2NaCl, 4 g di Na reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 8,34 g di NaCl. Trova la resa percentuale Y.

M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/molreale: 8,34 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,10,10C−x−x+2xE0,1 − x0,1 − x2x

0,1 mol/L di H₂ e 0,1 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 36. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 36
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,04 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,1 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,04
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Piombom = 200 gT = 120 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Acquam = 400 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di piombo da 200 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 120 °C viene immerso in 400 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 19 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 120 °Cmwater = 400 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H50 g C2​H5​OHC2​H5​OH + 3O₂reagenti2CO₂ + 3H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 50 g di C2H5OH (M = 46,07 g/mol) bruciano completamente: C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 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 = ?50%

Una reazione del primo ordine in un reattore batch ha k = 0,15 min⁻¹. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 50%? Trova t.

k = 0,15 min⁻¹X = 50 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
1/Tln kT = 60 °Cln 0,1ln A = ?Ea​ = 50 kJ/mol

Una reazione del primo ordine ha una costante cinetica di 0,1 s⁻¹ a 60 °C e un’energia di attivazione di 50 kJ/mol. Trova il fattore pre-esponenziale A nell’equazione di Arrhenius.

k = 0,1 s⁻¹T = 60 °CEa = 50 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 25 L/minCA0​ = 2,5 mol/LCA​ = ?V = 100 L, k = 0,2 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B (k = 0,2 min⁻¹) avviene in un reattore a flusso a pistone (PFR) da 100 L. L’alimentazione entra a 25 L/min con CA0 = 2,5 mol/L. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la concentrazione di uscita CA.

V = 100 LQ = 25 L/mink = 0,2 min⁻¹CA0 = 2,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 1000 LQ = 100 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,5 min⁻¹) avviene in un CSTR da 1000 L alimentato a 100 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 1000 LQ = 100 L/mink = 0,5 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT85 °C50 °C30 °C20 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore di calore controcorrente trasferisce 460 kW. La sua area di scambio è 6 m². Il fluido caldo si raffredda da 85 a 50 °C e il fluido freddo si riscalda da 20 a 30 °C. Trova il coefficiente globale di scambio U.

Q̇ = 460 kWA = 6 m²Th: 85 → 50 °CTc: 20 → 30 °C
U = W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT180 °C120 °C65,89 °C30 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (1,5 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) si raffredda da 180 a 120 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 1,5 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 30 °C. Con U = 200 W/(m²·K), trova l’area di scambio A necessaria.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 180 → 120 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Polistirene espanso, k = 0,035100 mmLana minerale, k = 0,0425 mm16 °C-6 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 100 mm di polistirene espanso e 25 mm di lana minerale, con un’area di 8 m². Le facce esterne sono a 16 °C e -6 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 100 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 16 °CT3 = -6 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Vetro, k = 0,96200 mmLana minerale, k = 0,04150 mmstanza 20 °Cesterno -3 °CQ̇

Una parete di 200 mm vetro e 150 mm lana minerale separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a -3 °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 trasmittanza termica U della parete.

L1 = 200 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 10 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -3 °C
U = W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 2,7 m/sD = 250 mmL = 300 mf = 0,028

Acqua (ρ = 1000 kg/m³) scorre a 2,7 m/s in un tubo orizzontale lungo 300 m con diametro interno di 250 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,028 e g = 9,81 m/s². Trova la caduta di pressione Δp lungo il tubo in kPa.

V = 2,7 m/sL = 300 mD = 250 mmf = 0,028ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 5Δz = ?L = 100 m, D = 250 mm, f = 0,0222× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 100 m con diametro interno di 250 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,022. 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. Quale dislivello Δz tra i peli liberi dei serbatoi dà una portata di 100 L/s?

Q = 100 L/sL = 100 mD = 250 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 20 L/sH = 70 m

Una pompa con rendimento del 70% eroga 20 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 70 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 20 L/sH = 70 mη = 70%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 50 L/sΔz = 21 mL = 200 m, D = 150 mm, f = 0,025, ΣK = 8

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 21 m più in alto. Il tubo è lungo 200 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,025; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 8 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 50 L/sΔz = 21 mL = 200 mD = 150 mmf = 0,025ΣK = 8
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 3400 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) = 850·(40 − 20)/(20 − 15) = 3400 kg/h

Risposta

ṁ2 = 3400 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 300 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 = 1500·13/65 = 300 kg/h

Risposta

P = 300 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 33,35 °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·(160 − 120) = 292,8 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 292,8/(3·4,18) = 33,35 °C

Risposta

tout = 33,35 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 4,186 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1,5·3,6·(150 − 60) = 486 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,1)·486 = 437,4 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 437,4/(4,18·25) = 4,186 kg/s

Risposta

ṁc = 4,186 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 4675 kPa

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

Moli

n = m/M = 490/16,04 = 30,55 mol
T = 95 + 273,15 = 368,1 K

Pressione

P = nRT/V = 30,55·8,314·368,1/0,02 = 4675 kPa

Risposta

P = 4675 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 0,6161 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 = 40 + 273,15 = 313,1 K

Densità

ρ = 100·16,04/(8,314·313,1) = 0,6161 kg/m³

Risposta

ρ = 0,6161 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 13,52 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) = 20/16,04 = 1,247 mol
n(O2) = 24/32 = 0,75 mol

Reagente limitante

1,247/1 = 1,247, 0,75/2 = 0,375 → O2

Massa di prodotto

n(H2O) = 0,375·2 = 0,75 mol
m = 0,75·18,02 = 13,52 g

Risposta

m = 13,52 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(Na) = 4/22,99 = 0,174 mol
m = 0,174·2/2·58,44 = 10,17 g

Resa percentuale

Y = 8,34/10,17·100 = 82,02%

Risposta

Y = 82,02%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,025 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

36 = (2x)²/(0,1 − x)²

Estrai la radice quadrata

6 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·6/(2 + 6) = 0,075 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 0,1 − x = 0,025 mol/L

Risposta

[H2] = 0,025 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [Cl2] = 0,04633 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

0,04 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,04·x − 0,004 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,004))/2 = 0,04633 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[Cl₂] = x = 0,04633 mol/L

Risposta

[Cl2] = 0,04633 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 20,53 °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·(120 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 19)

Ricava la temperatura finale

Tf = (25,8·120 + 1672·19)/(25,8 + 1672) = 20,53 °C

Risposta

Tf = 20,53 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 1483 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

Calore per la massa data

n = 50/46,07 = 1,085 mol
q = n·|ΔH°/1| = 1,085·1367 = 1483 kJ

Risposta

q = 1483 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: t = 4,621 min

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).

Conversione e concentrazione

C/C0 = 1 − X = 0,5

Risolvi per il tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,5)/0,15 = 4,621 min

Risposta

t = 4,621 min
14.Cinetica chimica

Risposta: A = 6,915 × 10⁶ s⁻¹

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

T = 60 + 273,15 = 333,1 K

Ricava A dall’equazione di Arrhenius

Ea/(RT) = 50000/(8,314·333,1) = 18,05
A = k·e18,05 = 0,1·6,915 × 10⁷ = 6,915 × 10⁶ s⁻¹

Risposta

A = 6,915 × 10⁶ s⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: CA = 1,123 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 = 100/25 = 4 min

Concentrazione di uscita

CA = 2,5·e−0,2·4 = 1,123 mol/L

Risposta

CA = 1,123 mol/L

Conversione: X = 55,07%.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 83,33 %

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 = 1000/100 = 10 min, kτ = 0,5·10 = 5

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 5/(1 + 5) = 83,33%

Risposta

X = 83,33%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: U = 1859 W/(m²·K)

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

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 = 85 − 30 = 55 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 20 = 30 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (55 − 30)/ln(55/30) = 41,24 K

Coefficiente globale

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 460000/(6·41,24) = 1859 W/(m²·K)

Risposta

U = 1859 W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 11,07 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) = 1,5·2,5·60 = 225 kW
Tc,out = 30 + 225/(1,5·4,18) = 65,89 °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 = 180 − 65,89 = 114,1 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 120 − 30 = 90 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (114,1 − 90)/ln(114,1/90) = 101,6 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 225000/(200·101,6) = 11,07 m²

Risposta

A = 11,07 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = −2,051 °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)/(0,035·8) = 0,3571 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,04·8) = 0,07813 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 22/0,4353 = 50,54 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 16 − 50,54·0,3571 = −2,051 °C

Risposta

Ti = −2,051 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: U = 0,2434 W/(m²·K)

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) = (200/1000)/(0,96·10) = 0,02083 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,04·10) = 0,375 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·10) = 0,005 K/W
ΣR = 0,4108 K/W

Coefficiente globale

U = 1/(A·ΣR) = 1/(10·0,4108) = 0,2434 W/(m²·K)

Risposta

U = 0,2434 W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δp = 122,5 kPa

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.

Perdita di carico

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(300/0,25)·2,7²/(2·9,81) = 12,48 m

Caduta di pressione

Il tubo è orizzontale e la velocità non cambia, quindi l’equazione dell’energia si riduce a Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·12,48 = 122472 Pa = 122,5 kPa

Risposta

Δp = 122,5 kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 3,363 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 = 0,1/0,04909 = 2,037 m/s
V²/(2g) = 0,2115 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,022·100/0,25 = 8,8
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 + 1,0 = 7,1

Perdita di carico totale

hf = 8,8·0,2115 = 1,861 m
hm = 7,1·0,2115 = 1,502 m
Δz = hf + hm = 3,363 m

Risposta

Δz = 3,363 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 19,62 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 = 1000·9,81·0,02·70 = 13,73 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 13,73/0,7 = 19,62 kW

Risposta

Pshaft = 19,62 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 37,87 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) = (33,33 + 8)·0,408 = 16,87 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 = 21 + 16,87 = 37,87 m

Risposta

H = 37,87 m

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