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 1550 kg/h · 30% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 20% NaOHProdotto25% NaOH

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

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 30 %x2 = 20 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F2200 kg/h · 17% NaOHProdotto P40% NaOHVapore W (acqua pura)W = ? kg/h

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

F = 2200 kg/hxF = 17 %xP = 40 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddomiscela di glicole · 180 °C80 °Cacqua · 10 °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 → 80 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 150 °C90 °Cacqua · 15 °C45 °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 = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 90 °Ct: 15 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
220 g di O₂P = 800 kPaT = 20 °CV = ?

Quale volume V occupano 220 g di O₂ a 800 kPa e 20 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 220 gM = 32 g/molP = 800 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
O₂, M = 32 g/molP = 850 kPaT = 130 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di O₂ a 850 kPa e 130 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 32 g/molP = 850 kPaT = 130 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

6 g di Mg e 32 g di O2 reagiscono secondo 2Mg + O2 → 2MgO. Quale massa m di MgO si può formare?

M(Mg) = 24,31M(O2) = 32M(MgO) = 40,3 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(C6​H12​O6​)n(C6​H12​O6​)n(C2​H5​OH)m(C2​H5​OH)÷ M(C6​H12​O6​)× 2/1× M(C2​H5​OH)

Nella reazione C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2, 20 g di C6H12O6 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 7,67 g di C2H5OH. Trova la resa percentuale Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(C2H5OH) = 46,07 g/molreale: 7,67 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

0,25 mol/L di H₂ e 0,25 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 49. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 49
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,2 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 1,5 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,2
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Piombom = 50 gT = 150 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Acquam = 250 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di piombo da 50 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 150 °C viene immerso in 250 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 19 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 250 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
HC3​H8​ + 5O₂reagenti3CO₂ + 4H₂O(l)prodottiΔH° = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare ΔH° della reazione C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(C3H8) = −103,8 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)C (mol/L)t½​ = ?C0​/2

Una reazione del secondo ordine (−rA = k·CA²) ha k = 0,25 L/(mol·min) e una concentrazione iniziale di 0,8 mol/L. Trova il suo primo tempo di dimezzamento t½.

k = 0,25 L/(mol·min)CA0 = 0,8 mol/L
t½ = min
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk35 °C0,0555 °C?

Una reazione ha una costante cinetica di 0,05 min⁻¹ a 35 °C e un’energia di attivazione di 75 kJ/mol. Trova la costante cinetica k2 a 55 °C.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 35 °CT2 = 55 °CEa = 75 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 25 L/minCA0​ = 1 mol/LCA​ = ?V = 200 L, k = 0,4 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B (k = 0,4 min⁻¹) avviene in un reattore a flusso a pistone (PFR) da 200 L. L’alimentazione entra a 25 L/min con CA0 = 1 mol/L. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la concentrazione di uscita CA.

V = 200 LQ = 25 L/mink = 0,4 min⁻¹CA0 = 1 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
Q = 50 L/minX = ?V = 500 L

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,25 min⁻¹) avviene in un reattore a flusso a pistone (PFR) da 500 L alimentato a 50 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 500 LQ = 50 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT150 °C40 °C55 °C25 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore controcorrente trasferisce 140 kW. Il fluido caldo si raffredda da 150 a 40 °C e il fluido freddo si riscalda da 25 a 55 °C. Il coefficiente globale di scambio è 200 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 140 kWU = 200 W/(m²·K)Th: 150 → 40 °CTc: 25 → 55 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT110 °C25 °C?ΔT₁ΔT₂vapore che condensa

Il vapore condensa a 110 °C costanti all’esterno dei tubi di un condensatore con un’area di scambio di 6 m² e U = 2500 W/(m²·K). L’acqua di raffreddamento (3 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nei tubi a 25 °C. Trova la temperatura di uscita dell’acqua Tc,out.

Ts = 110 °CA = 6 m²U = 2500 W/(m²·K)ṁ = 3 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °C
Tc,out = °C
19.Conduzione del caloreMedia
Lana minerale, k = 0,0450 mmCalcestruzzo, k = 1,425 mm21 °C2 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 50 mm di lana minerale e 25 mm di calcestruzzo, con un’area di 4 m². Le facce esterne sono a 21 °C e 2 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 50 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 21 °CT3 = 2 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Polistirene espanso, k = 0,035100 mmLegno, k = 0,1750 mmstanza 22 °Cesterno -11 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 100 mm polistirene espanso e 50 mm legno separa una stanza a 22 °C dall’aria esterna a -11 °C. I coefficienti di convezione sono 8 W/(m²·K) all’interno e 20 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 = 0,035 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -11 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 3 m/sD = 200 mmL = 100 mf = 0,03

Acqua (ρ = 1000 kg/m³) scorre a 3 m/s in un tubo orizzontale lungo 100 m con diametro interno di 200 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 = 3 m/sL = 100 mD = 200 mmf = 0,03ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 0,2Δz = 31 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,0182× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 200 m con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,018. Il pelo libero del serbatoio superiore si trova 31 m sopra quello del serbatoio inferiore. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 2 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. Trova la portata Q in L/s.

Δz = 31 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 20 L/sH = 50 m

Una pompa con rendimento del 82% eroga 20 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 50 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 20 L/sH = 50 mη = 82%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 40 L/sΔz = 18 mL = 150 m, D = 150 mm, f = 0,018, ΣK = 8

Una pompa trasferisce 40 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 18 m più in alto. Il tubo è lungo 150 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,018; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 8 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Il rendimento della pompa è del 82%. Trova la potenza all’albero Pshaft in kW.

Q = 40 L/sΔz = 18 mL = 150 mD = 150 mmf = 0,018ΣK = 8η = 82%
Pshaft = kW

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 550 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
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Risolvi per ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 550·(30 − 25)/(25 − 20) = 550 kg/h

Risposta

ṁ2 = 550 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 1265 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 = 2200·17/40 = 935 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 2200 − 935 = 1265 kg/h

Risposta

W = 1265 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 53,06 °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 − 80) = 180 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 180/(1·4,18) = 53,06 °C

Risposta

tout = 53,06 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 3,876 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 2,5·3,6·(150 − 90) = 540 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,1)·540 = 486 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 486/(4,18·30) = 3,876 kg/s

Risposta

ṁc = 3,876 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 20,95 L

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

Moli

n = 220/32 = 6,875 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Volume

V = nRT/P = 6,875·8,314·293,1/800 = 20,95 L

Risposta

V = 20,95 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 8,115 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 = 130 + 273,15 = 403,1 K

Densità

ρ = 850·32/(8,314·403,1) = 8,115 kg/m³

Risposta

ρ = 8,115 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 9,947 g

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

Moli di ogni reagente

n(Mg) = 6/24,31 = 0,2468 mol
n(O2) = 32/32 = 1 mol

Reagente limitante

0,2468/2 = 0,1234, 1/1 = 1 → Mg

Massa di prodotto

n(MgO) = 0,1234·2 = 0,2468 mol
m = 0,2468·40,3 = 9,947 g

Risposta

m = 9,947 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 74,99 %

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(C6H12O6) = 20/180,16 = 0,111 mol
m = 0,111·2/1·46,07 = 10,23 g

Resa percentuale

Y = 7,67/10,23·100 = 74,99%

Risposta

Y = 74,99%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,05556 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

49 = (2x)²/(0,25 − x)²

Estrai la radice quadrata

7 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·7/(2 + 7) = 0,1944 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 0,25 − x = 0,05556 mol/L

Risposta

[H2] = 0,05556 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 1,043 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

0,2 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,2·x − 0,3 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,3))/2 = 0,4568 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 1,5 − 0,4568 = 1,043 mol/L

Risposta

[PCl5] = 1,043 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 19,8 °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

50·0,129·(150 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 19)

Ricava la temperatura finale

Tf = (6,45·150 + 1045·19)/(6,45 + 1045) = 19,8 °C

Risposta

Tf = 19,8 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −2220 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° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Risposta

ΔH° = −2220 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: t½ = 5 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).

Tempo di dimezzamento del secondo ordine

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0,25·0,8) = 5 min

Risposta

t½ = 5 min

Ogni tempo di dimezzamento successivo è lungo il doppio, perché C₀ si è dimezzata.

14.Cinetica chimica

Risposta: k2 = 0,2977 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 = 308,1 K, T2 = 328,1 K

Rapporto di Arrhenius

ln(k2/k1) = −(75000/8,314)·(1/328,1 − 1/308,1) = 1,784
k2 = 0,05·e1,784 = 0,2977 min⁻¹

Risposta

k2 = 0,2977 min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: CA = 0,04076 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 = 200/25 = 8 min

Concentrazione di uscita

CA = 1·e−0,4·8 = 0,04076 mol/L

Risposta

CA = 0,04076 mol/L

Conversione: X = 95,92%.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 91,79 %

Reattori ideali, reazione del primo ordine (−rA = k·CA) in regime stazionario, con tempo spaziale τ = V/Q. Un CSTR è perfettamente miscelato, quindi l’intero volume reagisce alla bassa concentrazione di uscita: τ = X/(k·(1 − X)) e CA = CA0/(1 + k·τ). In un PFR ogni fetta di fluido reagisce come un piccolo reattore batch: τ = ln(1/(1 − X))/k e CA = CA0·e−k·τ. A parità di conversione un CSTR richiede sempre più volume di un PFR.

Tempo spaziale

τ = V/Q = 500/50 = 10 min, kτ = 0,25·10 = 2,5

Conversione

X = 1 − e−kτ = 1 − e−2,5 = 91,79%

Risposta

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

Risposta: A = 16,15 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 − 55 = 95 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 40 − 25 = 15 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (95 − 15)/ln(95/15) = 43,34 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 140000/(200·43,34) = 16,15 m²

Risposta

A = 16,15 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Tc,out = 84,3 °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.

Combina il bilancio energetico e l’equazione di scambio

Con ΔT₁ = Ts − Tc,in e ΔT₂ = Ts − Tc,out, la differenza ΔT₁ − ΔT₂ è uguale all’aumento di temperatura dell’acqua, quindi l’aumento si semplifica.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 2500·6/(3·4180) = 1,196

Temperatura di uscita

ΔT₂ = ΔT₁·e−1,196 = 85·0,3023 = 25,7 K
Tc,out = 110 − 25,7 = 84,3 °C

Risposta

Tc,out = 84,3 °C

Calore trasferito: Q̇ = 743,6 kW.

19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = 2,268 °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)/(0,04·4) = 0,3125 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(1,4·4) = 0,004464 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 19/0,317 = 59,94 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 21 − 59,94·0,3125 = 2,268 °C

Risposta

Ti = 2,268 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 20,76 °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/(8·12) = 0,01042 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,035·12) = 0,2381 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·12) = 0,02451 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·12) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,2772 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (22 − (-11))/0,2772 = 119,1 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 119,1·0,01042 = 20,76 °C

Risposta

Ts = 20,76 °C
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δp = 67,5 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) = 0,03·(100/0,2)·3²/(2·9,81) = 6,881 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 = 1000·9,81·6,881 = 67500 Pa = 67,5 kPa

Risposta

Δp = 67,5 kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Q = 172 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 = 0,018·200/0,2 = 18
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,3

Equazione dell’energia

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

31 = (18 + 2,3)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·31/20,3) = 5,474 m/s

Portata

Q = V·π·D²/4 = 5,474·0,03142 = 0,172 m³/s = 172 L/s

Risposta

Q = 172 L/s
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 11,96 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 = 1000·9,81·0,02·50 = 9,81 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 9,81/0,82 = 11,96 kW

Risposta

Pshaft = 11,96 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 11,86 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 = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s
V²/(2g) = 0,2611 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18 + 8)·0,2611 = 6,79 m

Prevalenza della pompa

H = Δz + hL = 18 + 6,79 = 24,79 m

Potenza all’albero

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,04·24,79/0,82 = 11,86 kW

Risposta

Pshaft = 11,86 kW

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