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.

Nuovi eserciziTorna al corso

Nella finestra di stampa scegli “Salva come PDF” per conservarne una copia sul tuo dispositivo.

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 1200 kg/h · 50% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 15% saleProdotto25% sale

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 25% di sale? Trova ṁ2.

ṁ1 = 200 kg/hx1 = 50 %x2 = 15 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F2600 kg/h · 5% zuccheroProdotto PP = ? · 45%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 = 2600 kg/hxF = 5 %xP = 45 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddomiscela di glicole · 180 °C110 °Cacqua · 30 °Ct = ? °C

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

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 110 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoolio leggero · 150 °C110 °Cacqua · 10 °C70 °C · ṁ = ?5% perso

Il olio leggero 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 = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 110 °Ct: 10 → 70 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 5 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
60 g di ArP = 250 kPaT = 25 °CV = ?

Quale volume V occupano 60 g di Ar a 250 kPa e 25 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 60 gM = 39,95 g/molP = 250 kPaT = 25 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
N₂, M = 28,01 g/molP = 200 kPaT = 150 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di N₂ a 200 kPa e 150 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 28,01 g/molP = 200 kPaT = 150 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

4 g di N2 e 16 g di H2 reagiscono secondo N2 + 3H2 → 2NH3. Quale massa m di NH3 si può formare?

M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 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 67,5 g di CO2. Trova la resa percentuale Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreale: 67,5 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 = 36. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 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 = 0,02 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,5 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,02
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Alluminiom = 50 gT = 120 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Acquam = 300 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di alluminio da 50 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 120 °C viene immerso in 300 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 19 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 120 °Cmwater = 300 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H2C2​H6​ + 7O₂reagenti4CO₂ + 6H₂O(l)prodottiΔH° = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare ΔH° della reazione 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C2H6) = −84,7 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 = ?80%

Una reazione del primo ordine in un reattore batch ha k = 0,3 min⁻¹. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 80%? Trova t.

k = 0,3 min⁻¹X = 80 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk35 °C0,0245 °C0,0393

La costante cinetica di una reazione è 0,02 min⁻¹ a 35 °C e 0,0393 min⁻¹ a 45 °C. Trova l’energia di attivazione Ea.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 35 °Ck2 = 0,0393 min⁻¹T2 = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
QX = 95%stessi Q, k e X del CSTR

Una reazione del primo ordine in fase liquida deve raggiungere una conversione del 95%. 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 = 95%primo ordine, stessi k e Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 50 LV = 50 LQ = 10 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,08 min⁻¹) avviene in due CSTR uguali in serie, ciascuno da 50 L. La portata di alimentazione è 10 L/min, la densità è costante e i reattori sono in regime stazionario. Trova la conversione complessiva X in percentuale.

V = 50 L (×2)Q = 10 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT85 °C40 °C10 °C30 °CΔT₁ΔT₂equicorrente

Uno scambiatore equicorrente trasferisce 210 kW. Il fluido caldo si raffredda da 85 a 40 °C e il fluido freddo si riscalda da 10 a 30 °C. Il coefficiente globale di scambio è 300 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 210 kWU = 300 W/(m²·K)Th: 85 → 40 °CTc: 10 → 30 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT100 °C70 °C34,13 °C30 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (0,5 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) si raffredda da 100 a 70 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 2 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 30 °C. Con U = 500 W/(m²·K), trova l’area di scambio A necessaria.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 100 → 70 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 500 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Cartongesso, k = 0,17150 mmLegno, k = 0,17100 mm23 °C9 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 150 mm di cartongesso e 100 mm di legno, con un’area di 10 m². Le facce esterne sono a 23 °C e 9 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 23 °CT3 = 9 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Lana minerale, k = 0,04250 mmPolistirene espanso, k = 0,035100 mmstanza 20 °Cesterno 1 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 250 mm lana minerale e 100 mm polistirene espanso separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a 1 °C. I coefficienti di convezione sono 6 W/(m²·K) all’interno e 25 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 15 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 250 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 15 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = 1 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
Q = 80 L/sD = 300 mmL = 800 mf = 0,015

Acqua scorre con una portata di 80 L/s in un tubo lungo 800 m con diametro interno di 300 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,015 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

Q = 80 L/sL = 800 mD = 300 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 5Δz = 29 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,023× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 100 m con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02. Il pelo libero del serbatoio superiore si trova 29 m sopra quello del serbatoio inferiore. 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. Trova la portata Q in L/s.

Δz = 29 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 20 L/sH = 78 m

Una pompa con rendimento del 72% eroga 20 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 78 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 20 L/sH = 78 mη = 72%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 75 L/sΔz = 30 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,02, ΣK = 8

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 30 m più in alto. Il tubo è lungo 100 m, con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02; 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 = 75 L/sΔz = 30 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 8
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 500 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) = 200·(50 − 25)/(25 − 15) = 500 kg/h

Risposta

ṁ2 = 500 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 288,9 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 = 2600·5/45 = 288,9 kg/h

Risposta

P = 288,9 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 50,1 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 0,5·3,6·(180 − 110) = 126 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 126/(1,5·4,18) = 50,1 °C

Risposta

tout = 50,1 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,3182 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1·2,1·(150 − 110) = 84 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,05)·84 = 79,8 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 79,8/(4,18·60) = 0,3182 kg/s

Risposta

ṁc = 0,3182 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 14,89 L

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

Moli

n = 60/39,95 = 1,502 mol
T = 25 + 273,15 = 298,1 K

Volume

V = nRT/P = 1,502·8,314·298,1/250 = 14,89 L

Risposta

V = 14,89 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 1,592 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 = 150 + 273,15 = 423,1 K

Densità

ρ = 200·28,01/(8,314·423,1) = 1,592 kg/m³

Risposta

ρ = 1,592 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 4,862 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(N2) = 4/28,02 = 0,1428 mol
n(H2) = 16/2,016 = 7,937 mol

Reagente limitante

0,1428/1 = 0,1428, 7,937/3 = 2,646 → N2

Massa di prodotto

n(NH3) = 0,1428·2 = 0,2855 mol
m = 0,2855·17,03 = 4,862 g

Risposta

m = 4,862 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) = 30/16,04 = 1,87 mol
m = 1,87·1/1·44,01 = 82,31 g

Resa percentuale

Y = 67,5/82,31·100 = 82%

Risposta

Y = 82%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 1,2 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/(0,8 − x)²

Estrai la radice quadrata

6 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·6/(2 + 6) = 0,6 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

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

Risposta

[HI] = 1,2 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,4095 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

0,02 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,02·x − 0,01 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,01))/2 = 0,0905 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,5 − 0,0905 = 0,4095 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,4095 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 22,49 °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

50·0,897·(120 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 19)

Ricava la temperatura finale

Tf = (44,85·120 + 1254·19)/(44,85 + 1254) = 22,49 °C

Risposta

Tf = 22,49 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −3119 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° = [4·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [2·(−84,7) + 7·0] = −3119 kJ

Risposta

ΔH° = −3119 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: t = 5,365 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 = 0,2

Risolvi per il tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,2)/0,3 = 5,365 min

Risposta

t = 5,365 min
14.Cinetica chimica

Risposta: Ea = 55,06 kJ/mol

Velocità di reazione: per una reazione del primo ordine −dC/dt = kC, quindi C = C₀·e−kt e il tempo di dimezzamento ln 2/k non dipende dalla concentrazione. Per una reazione del secondo ordine 1/C = 1/C₀ + kt. La costante cinetica aumenta con la temperatura secondo Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperature assolute

T1 = 308,1 K, T2 = 318,1 K

Risolvi Arrhenius per Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·0,6755/(-1,020e-4) = 55059 J/mol
Ea = 55,06 kJ/mol

Risposta

Ea = 55,06 kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: VCSTR/VPFR = 6,342

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) = 0,95/0,05 = 19
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(20) = 2,996

Rapporto dei volumi

VCSTR/VPFR = 19/2,996 = 6,342

Risposta

VCSTR/VPFR = 6,342

La differenza cresce rapidamente ad alte conversioni.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 48,98 %

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 = 50/10 = 5 min, kτ = 0,08·5 = 0,4

Conversione

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,4) = 0,7143
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,5102
X = 1 − 0,5102 = 48,98%

Risposta

X = 48,98%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 21,7 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 equicorrente entrambi gli ingressi sono allo stesso estremo, ed entrambe le uscite all’altro.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 85 − 10 = 75 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 40 − 30 = 10 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (75 − 10)/ln(75/10) = 32,26 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 210000/(300·32,26) = 21,7 m²

Risposta

A = 21,7 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 1,33 m²

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

Potenza termica e temperatura di uscita dell’acqua

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 0,5·2,3·30 = 34,5 kW
Tc,out = 30 + 34,5/(2·4,18) = 34,13 °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 = 100 − 34,13 = 65,87 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 30 = 40 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (65,87 − 40)/ln(65,87/40) = 51,87 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 34500/(500·51,87) = 1,33 m²

Risposta

A = 1,33 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = 14,6 °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) = (150/1000)/(0,17·10) = 0,08824 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·10) = 0,05882 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 14/0,1471 = 95,2 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 23 − 95,2·0,08824 = 14,6 °C

Risposta

Ti = 14,6 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 19,66 °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/(6·15) = 0,01111 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,04·15) = 0,4167 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,035·15) = 0,1905 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·15) = 0,002667 K/W
ΣR = 0,6209 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (20 − (1))/0,6209 = 30,6 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 30,6·0,01111 = 19,66 °C

Risposta

Ts = 19,66 °C
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 2,611 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 media

A = π·0,3²/4 = 0,07069 m²
V = Q/A = 0,08/0,07069 = 1,132 m/s

Altezza cinetica

V²/(2g) = 1,132²/(2·9,81) = 0,06529 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(800/0,3)·1,132²/(2·9,81) = 2,611 m

Risposta

hf = 2,611 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Q = 179,6 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 = 0,02·100/0,2 = 10
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 5 + 1,0 = 7,4

Equazione dell’energia

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

29 = (10 + 7,4)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·29/17,4) = 5,718 m/s

Portata

Q = V·π·D²/4 = 5,718·0,03142 = 0,1796 m³/s = 179,6 L/s

Risposta

Q = 179,6 L/s
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 21,26 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 = 1000·9,81·0,02·78 = 15,3 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 15,3/0,72 = 21,26 kW

Risposta

Pshaft = 21,26 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 35,23 m

Potenza di una pompa: la potenza ceduta all’acqua è la potenza idraulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. L’albero deve fornire di più perché la pompa ha delle perdite: Pshaft = Ph/ηpump, e il motore assorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La prevalenza H della pompa si ricava dall’equazione dell’energia: dislivello geodetico + altezza piezometrica + tutte le perdite distribuite e localizzate.

Velocità

V = Q/A = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (10 + 8)·0,2905 = 5,229 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 = 30 + 5,229 = 35,23 m

Risposta

H = 35,23 m

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-chemical