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 1750 kg/h · 45% zuccheroCorrente 2ṁ₂ = ? · 5% zuccheroProdotto35% zucchero

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 35% di zucchero? Trova ṁ2.

ṁ1 = 750 kg/hx1 = 45 %x2 = 5 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F3300 kg/h · 13% saleProdotto P35% saleVapore W (acqua pura)W = ? kg/h

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

F = 3300 kg/hxF = 13 %xP = 35 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 150 °C100 °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 = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 150 → 100 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoetanolo · 130 °C60 °Cacqua · 15 °C80 °C · ṁ = ?10% perso

Il etanolo 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 = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Ct: 15 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
250 g di CO₂V = 20 LT = 30 °CP = ?

Un serbatoio di 20 L contiene 250 g di CO₂ a 30 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 250 gM = 44,01 g/molV = 20 LT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Ar, M = 39,95 g/molP = 200 kPaT = 110 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di Ar a 200 kPa e 110 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 39,95 g/molP = 200 kPaT = 110 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 4/ν× M(H2​O)

16 g di C3H8 e 16 g di O2 reagiscono secondo C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. Quale massa m di H2O si può formare?

M(C3H8) = 44,1M(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, 20 g di CH4 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 45 g di CO2. Trova la resa percentuale Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreale: 45 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 = 50. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 50
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,08 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,2 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LKc = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Zincom = 50 gT = 180 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Acquam = 100 gT = 18 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di zinco da 50 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 180 °C viene immerso in 100 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 18 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 180 °Cmwater = 100 gTwater = 18 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
HCH4​ + 2O₂reagentiCO₂ + 2H₂O(l)prodottiΔH° = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare ΔH° della reazione CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l).

ΔH°f(CH4) = −74,8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.Cinetica chimicaMedia
t (min)X (%)t = ?75%

Una reazione del primo ordine in un reattore batch ha k = 0,01 min⁻¹. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 75%? Trova t.

k = 0,01 min⁻¹X = 75 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
t (min)X (%)15 minX = ?

Una reazione del primo ordine ha k = 0,002 min⁻¹ a 25 °C e un’energia di attivazione di 70 kJ/mol. Il reattore batch ora lavora a 40 °C per 15 min. Trova la conversione X raggiunta.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 25 °CEa = 70 kJ/molT2 = 40 °Ct = 15 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 10 L/minX = 75%V = ?, k = 0,2 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,2 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 10 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 75%.

Q = 10 L/mink = 0,2 min⁻¹X = 75%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 2000 LV = 2000 LQ = 80 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,25 min⁻¹) avviene in due CSTR uguali in serie, ciascuno da 2000 L. La portata di alimentazione è 80 L/min, la densità è costante e i reattori sono in regime stazionario. Trova la conversione complessiva X in percentuale.

V = 2000 L (×2)Q = 80 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT130 °C20 °C80 °CΔT₁ΔT₂vapore che condensa

In un condensatore, il vapore condensa a 130 °C costanti all’esterno dei tubi. L’acqua di raffreddamento (0,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) scorre nei tubi e si riscalda da 20 a 80 °C. Il coefficiente globale di scambio è 1000 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Ts = 130 °Cṁ = 0,5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 20 → 80 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT175 °C40 °C70,87 °C20 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (1,5 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) si raffredda da 175 a 40 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 2 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 20 °C. Con U = 1000 W/(m²·K), trova l’area di scambio A necessaria.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 175 → 40 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Cartongesso, k = 0,1750 mmLana minerale, k = 0,04150 mm17 °C1 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 50 mm di cartongesso e 150 mm di lana minerale, con un’area di 8 m². Le facce esterne sono a 17 °C e 1 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 50 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 17 °CT3 = 1 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Legno, k = 0,17100 mmLana minerale, k = 0,04150 mmstanza 20 °Cesterno -7 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 100 mm legno e 150 mm lana minerale separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a -7 °C. I coefficienti di convezione sono 10 W/(m²·K) all’interno e 25 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 12 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 12 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -7 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 1,4 m/sD = 250 mmL = 200 mf = 0,03

Acqua scorre con una velocità media di 1,4 m/s in un tubo lungo 200 m con diametro interno di 250 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,03 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

V = 1,4 m/sL = 200 mD = 250 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 5Δz = ?L = 200 m, D = 250 mm, f = 0,0183× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 200 m con diametro interno di 250 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,018. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 3 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 = 200 mD = 250 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 10 L/sH = 74 m

Una pompa eroga 10 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 74 m. Il rendimento della pompa è del 70% e il motore elettrico che la aziona ha un rendimento del 94%. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza elettrica Pel assorbita dal motore, in kW.

Q = 10 L/sH = 74 mηpump = 70%ηmotor = 94%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 75 L/sΔz = 15 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,018, 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 15 m più in alto. Il tubo è lungo 100 m, con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,018; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 5 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Il rendimento della pompa è del 78%. Trova la potenza all’albero Pshaft in kW.

Q = 75 L/sΔz = 15 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,018ΣK = 5η = 78%
Pshaft = kW

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 250 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) = 750·(45 − 35)/(35 − 5) = 250 kg/h

Risposta

ṁ2 = 250 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 2074 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 = 3300·13/35 = 1226 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 3300 − 1226 = 2074 kg/h

Risposta

W = 2074 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 44,19 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 1,5·2,44·(150 − 100) = 183 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 183/(1,5·4,18) = 44,19 °C

Risposta

tout = 44,19 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 1,414 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 2,5·2,44·(130 − 60) = 427 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,1)·427 = 384,3 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 384,3/(4,18·65) = 1,414 kg/s

Risposta

ṁc = 1,414 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 715,9 kPa

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

Moli

n = m/M = 250/44,01 = 5,681 mol
T = 30 + 273,15 = 303,1 K

Pressione

P = nRT/V = 5,681·8,314·303,1/0,02 = 715,9 kPa

Risposta

P = 715,9 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 2,508 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 = 110 + 273,15 = 383,1 K

Densità

ρ = 200·39,95/(8,314·383,1) = 2,508 kg/m³

Risposta

ρ = 2,508 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 7,208 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(C3H8) = 16/44,1 = 0,3628 mol
n(O2) = 16/32 = 0,5 mol

Reagente limitante

0,3628/1 = 0,3628, 0,5/5 = 0,1 → O2

Massa di prodotto

n(H2O) = 0,1·4 = 0,4 mol
m = 0,4·18,02 = 7,208 g

Risposta

m = 7,208 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 82 %

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) = 20/16,04 = 1,247 mol
m = 1,247·1/1·44,01 = 54,88 g

Resa percentuale

Y = 45/54,88·100 = 82%

Risposta

Y = 82%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,2205 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

50 = (2x)²/(1 − x)²

Estrai la radice quadrata

7,071 = 2x/(1 − x) → x = 1·7,071/(2 + 7,071) = 0,7795 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 1 − x = 0,2205 mol/L

Risposta

[H2] = 0,2205 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,1073 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/(0,2 − x) → x² + 0,08·x − 0,016 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,016))/2 = 0,09266 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,2 − 0,09266 = 0,1073 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,1073 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 25,19 °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

50·0,388·(180 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 18)

Ricava la temperatura finale

Tf = (19,4·180 + 418·18)/(19,4 + 418) = 25,19 °C

Risposta

Tf = 25,19 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −890,3 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° = [1·(−393,5) + 2·(−285,8)] − [1·(−74,8) + 2·0] = −890,3 kJ

Risposta

ΔH° = −890,3 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: t = 138,6 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 = 0,25

Risolvi per il tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,25)/0,01 = 138,6 min

Risposta

t = 138,6 min
14.Cinetica chimica

Risposta: X = 10,96 %

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Costante cinetica alla nuova temperatura

T1 = 298,1 K, T2 = 313,1 K
k2 = 0,002·e−(70000/8,314)·(1/313,1 − 1/298,1) = 0,007735 min⁻¹

Conversione

X = 1 − e−0,007735·15 = 1 − 0,8904 = 10,96 %

Risposta

X = 10,96 %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 69,31 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 − 0,75))/0,2 = 1,386/0,2 = 6,931 min

Volume

V = Q·τ = 10·6,931 = 69,31 L

Risposta

V = 69,31 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 98,1 %

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 = 2000/80 = 25 min, kτ = 0,25·25 = 6,25

Conversione

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 6,25) = 0,1379
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,01902
X = 1 − 0,01902 = 98,1%

Risposta

X = 98,1%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 1,648 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 = 0,5·4,18·(80 − 20) = 125,4 kW

Differenze di temperatura agli estremi

ΔT₁ = 130 − 20 = 110 K
ΔT₂ = 130 − 80 = 50 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (110 − 50)/ln(110/50) = 76,1 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 125400/(1000·76,1) = 1,648 m²

Risposta

A = 1,648 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 8,34 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) = 1,5·2,1·135 = 425,3 kW
Tc,out = 20 + 425,3/(2·4,18) = 70,87 °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 = 175 − 70,87 = 104,1 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 40 − 20 = 20 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (104,1 − 20)/ln(104,1/20) = 50,99 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 425250/(1000·50,99) = 8,34 m²

Risposta

A = 8,34 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = 15,84 °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) = (50/1000)/(0,17·8) = 0,03676 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,04·8) = 0,4688 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 16/0,5055 = 31,65 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 17 − 31,65·0,03676 = 15,84 °C

Risposta

Ti = 15,84 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 19,4 °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/(10·12) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·12) = 0,04902 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,04·12) = 0,3125 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·12) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,3732 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (20 − (-7))/0,3732 = 72,35 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 72,35·0,008333 = 19,4 °C

Risposta

Ts = 19,4 °C
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 2,398 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) = 1,4²/(2·9,81) = 0,0999 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(200/0,25)·1,4²/(2·9,81) = 2,398 m

Risposta

hf = 2,398 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 4,611 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 = 0,018·200/0,25 = 14,4
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 5 + 1,0 = 7,4

Perdita di carico totale

hf = 14,4·0,2115 = 3,046 m
hm = 7,4·0,2115 = 1,565 m
Δz = hf + hm = 4,611 m

Risposta

Δz = 4,611 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pel = 11,03 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 = 1000·9,81·0,01·74 = 7,259 kW

Potenza all’albero

Pshaft = 7,259/0,7 = 10,37 kW

Potenza elettrica

Pel = 10,37/0,94 = 11,03 kW

Risposta

Pel = 11,03 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 17,99 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (9 + 5)·0,2905 = 4,067 m

Prevalenza della pompa

H = Δz + hL = 15 + 4,067 = 19,07 m

Potenza all’albero

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,075·19,07/0,78 = 17,99 kW

Risposta

Pshaft = 17,99 kW

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