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 1400 kg/h · 45% zuccheroCorrente 2ṁ₂ = ? · 10% zuccheroProdotto20% zucchero

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

ṁ1 = 400 kg/hx1 = 45 %x2 = 10 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F3100 kg/h · 16% zuccheroProdotto P60% zuccheroVapore W (acqua pura)W = ? kg/h

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

F = 3100 kg/hxF = 16 %xP = 60 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 150 °C60 °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 = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 150 → 60 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 130 °C90 °Cacqua · 25 °C60 °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 = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 90 °Ct: 25 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
460 g di HeV = 20 LT = 65 °CP = ?

Un serbatoio di 20 L contiene 460 g di He a 65 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 460 gM = 4,003 g/molV = 20 LT = 65 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di Ar passa da 300 kPa, 10 L, 15 °C a 550 kPa e 60 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 300 kPaV1 = 10 LT1 = 15 °CP2 = 550 kPaT2 = 60 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

12 g di H2 e 24 g di O2 reagiscono secondo 2H2 + O2 → 2H2O. Quale massa m di H2O si può formare?

M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(CH4​)n(CH4​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CH4​)× 1/1× M(CO2​)

Nella reazione CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, 30 g di CH4 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 51,03 g di CO2. Trova la resa percentuale Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreale: 51,03 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

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

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 36
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,04 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,5 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,04
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Ferrom = 100 gT = 140 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Acquam = 400 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di ferro da 100 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 140 °C viene immerso in 400 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 25 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 140 °Cmwater = 400 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H25 g C6​H12​O6​C6​H12​O6​ + 6O₂reagenti6CO₂ + 6H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 25 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)X (%)t = ?60%

Una reazione del secondo ordine (−rA = k·CA²) in un reattore batch ha k = 0,4 L/(mol·min) e parte da 2 mol/L. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 60%? Trova t.

k = 0,4 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/LX = 60 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk20 °C0,0150 °C?

Una reazione ha una costante cinetica di 0,01 min⁻¹ a 20 °C e un’energia di attivazione di 90 kJ/mol. Trova la costante cinetica k2 a 50 °C.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 20 °CT2 = 50 °CEa = 90 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
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 = 800 LQ = 5 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,08 min⁻¹) avviene in un CSTR da 800 L alimentato a 5 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 800 LQ = 5 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT150 °C60 °C65 °C25 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore controcorrente trasferisce 480 kW. Il fluido caldo si raffredda da 150 a 60 °C e il fluido freddo si riscalda da 25 a 65 °C. Il coefficiente globale di scambio è 1000 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 480 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 150 → 60 °CTc: 25 → 65 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT175 °C??15 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

In uno scambiatore controcorrente entrambe le correnti hanno la stessa capacità termica oraria, ṁ·cp = 4 kW/K. La corrente calda entra a 175 °C e quella fredda a 15 °C. Lo scambiatore ha A = 4 m² e U = 500 W/(m²·K). Trova la temperatura di uscita della corrente calda Th,out.

Ch = Cc = 4 kW/KTh,in = 175 °CTc,in = 15 °CA = 4 m²U = 500 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conduzione del caloreMedia
Calcestruzzo, k = 1,4100 mmLana minerale, k = 0,04100 mm19 °C-10 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 100 mm di calcestruzzo e 100 mm di lana minerale, con un’area di 8 m². Le facce esterne sono a 19 °C e -10 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 100 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 19 °CT3 = -10 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Vetro, k = 0,96100 mmLegno, k = 0,1750 mmstanza 21 °Cesterno -5 °CQ̇

Una parete di 100 mm vetro e 50 mm legno separa una stanza a 21 °C dall’aria esterna a -5 °C. I coefficienti di convezione sono 10 W/(m²·K) all’interno e 30 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 10 m². Trova la trasmittanza termica U della parete.

L1 = 100 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 10 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -5 °C
U = W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 2,3 m/sD = 100 mmL = 400 mf = 0,03

Acqua (ρ = 1000 kg/m³) scorre a 2,3 m/s in un tubo orizzontale lungo 400 m con diametro interno di 100 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,03 e g = 9,81 m/s². Trova la caduta di pressione Δp lungo il tubo in kPa.

V = 2,3 m/sL = 400 mD = 100 mmf = 0,03ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 0,2Δz = ?L = 150 m, D = 200 mm, f = 0,0223× 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 = 0,022. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 3 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 100 L/s?

Q = 100 L/sL = 150 mD = 200 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 20 L/sH = 64 m

Una pompa con rendimento del 75% eroga 20 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 64 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 20 L/sH = 64 mη = 75%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 100 L/sΔz = 11 mL = 200 m, D = 250 mm, f = 0,02, ΣK = 6

Una pompa trasferisce 100 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 11 m più in alto. Il tubo è lungo 200 m, con diametro interno di 250 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 6 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Il rendimento della pompa è del 82%. Trova la potenza all’albero Pshaft in kW.

Q = 100 L/sΔz = 11 mL = 200 mD = 250 mmf = 0,02ΣK = 6η = 82%
Pshaft = kW

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 1000 kg/h

Bilancio di massa stazionario: entrata = uscita per il totale e per ogni componente. I problemi di miscelazione combinano entrambi.

Bilanci

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
zucchero: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Risolvi per ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 400·(45 − 20)/(20 − 10) = 1000 kg/h

Risposta

ṁ2 = 1000 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 2273 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 = 3100·16/60 = 826,7 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 3100 − 826,7 = 2273 kg/h

Risposta

W = 2273 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 80,67 °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·(150 − 60) = 549 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 549/(2·4,18) = 80,67 °C

Risposta

tout = 80,67 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 1,772 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 2·3,6·(130 − 90) = 288 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,1)·288 = 259,2 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 259,2/(4,18·35) = 1,772 kg/s

Risposta

ṁc = 1,772 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 16153 kPa

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

Moli

n = m/M = 460/4,003 = 114,9 mol
T = 65 + 273,15 = 338,1 K

Pressione

P = nRT/V = 114,9·8,314·338,1/0,02 = 16153 kPa

Risposta

P = 16153 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 6,306 L

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

Temperature assolute

T1 = 288,1 K, T2 = 333,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(300/550)·(333,1/288,1) = 6,306 L

Risposta

V2 = 6,306 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 27,03 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(H2) = 12/2,016 = 5,952 mol
n(O2) = 24/32 = 0,75 mol

Reagente limitante

5,952/2 = 2,976, 0,75/1 = 0,75 → O2

Massa di prodotto

n(H2O) = 0,75·2 = 1,5 mol
m = 1,5·18,02 = 27,03 g

Risposta

m = 27,03 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 62 %

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(CH4) = 30/16,04 = 1,87 mol
m = 1,87·1/1·44,01 = 82,31 g

Resa percentuale

Y = 51,03/82,31·100 = 62%

Risposta

Y = 62%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 0,3 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/(0,2 − x)²

Estrai la radice quadrata

6 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·6/(2 + 6) = 0,15 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 0,3 mol/L

Risposta

[HI] = 0,3 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [Cl2] = 0,1228 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/(0,5 − x) → x² + 0,04·x − 0,02 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,02))/2 = 0,1228 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[Cl₂] = x = 0,1228 mol/L

Risposta

[Cl2] = 0,1228 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 28,01 °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

100·0,449·(140 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 25)

Ricava la temperatura finale

Tf = (44,9·140 + 1672·25)/(44,9 + 1672) = 28,01 °C

Risposta

Tf = 28,01 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 388,8 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 = 25/180,16 = 0,1388 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,1388·2802 = 388,8 kJ

Risposta

q = 388,8 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: t = 1,875 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).

Concentrazione finale

CA = 2·(1 − 0,6) = 0,8 mol/L

Legge integrata del secondo ordine

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (1,25 − 0,5)/0,4 = 1,875 min

Risposta

t = 1,875 min
14.Cinetica chimica

Risposta: k2 = 0,3082 min⁻¹

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 = 293,1 K, T2 = 323,1 K

Rapporto di Arrhenius

ln(k2/k1) = −(90000/8,314)·(1/323,1 − 1/293,1) = 3,428
k2 = 0,01·e3,428 = 0,3082 min⁻¹

Risposta

k2 = 0,3082 min⁻¹
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 = 92,75 %

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 = 800/5 = 160 min, kτ = 0,08·160 = 12,8

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 12,8/(1 + 12,8) = 92,75%

Risposta

X = 92,75%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 8,518 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.

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 = 150 − 65 = 85 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 60 − 25 = 35 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (85 − 35)/ln(85/35) = 56,35 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 480000/(1000·56,35) = 8,518 m²

Risposta

A = 8,518 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Th,out = 121,7 °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

4·(175 − Th,out) = 2·(Th,out − 15)
Th,out = (4·175 + 2·15)/(4 + 2) = 121,7 °C

Risposta

Th,out = 121,7 °C

Calore trasferito: Q̇ = 213,3 kW; la corrente fredda esce a 68,33 °C.

19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 90,22 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) = (100/1000)/(1,4·8) = 0,008929 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,04·8) = 0,3125 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 29/0,3214 = 90,22 W

Risposta

Q̇ = 90,22 W
20.Conduzione del calore

Risposta: U = 1,881 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) = (100/1000)/(0,96·10) = 0,01042 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·10) = 0,02941 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·10) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,05316 K/W

Coefficiente globale

U = 1/(A·ΣR) = 1/(10·0,05316) = 1,881 W/(m²·K)

Risposta

U = 1,881 W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δp = 317,4 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) = 0,03·(400/0,1)·2,3²/(2·9,81) = 32,35 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 = 1000·9,81·32,35 = 317400 Pa = 317,4 kPa

Risposta

Δp = 317,4 kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 9,864 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 = 0,1/0,03142 = 3,183 m/s
V²/(2g) = 0,5164 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,022·150/0,2 = 16,5
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,6

Perdita di carico totale

hf = 16,5·0,5164 = 8,521 m
hm = 2,6·0,5164 = 1,343 m
Δz = hf + hm = 9,864 m

Risposta

Δz = 9,864 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 16,74 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 = 1000·9,81·0,02·64 = 12,56 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 12,56/0,75 = 16,74 kW

Risposta

Pshaft = 16,74 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 18,73 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 = 0,1/0,04909 = 2,037 m/s
V²/(2g) = 0,2115 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (16 + 6)·0,2115 = 4,654 m

Prevalenza della pompa

H = Δz + hL = 11 + 4,654 = 15,65 m

Potenza all’albero

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,1·15,65/0,82 = 18,73 kW

Risposta

Pshaft = 18,73 kW

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