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 1450 kg/h · 15% zuccheroCorrente 2ṁ₂ = ? · 30% zuccheroProdotto20% zucchero

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

ṁ1 = 450 kg/hx1 = 15 %x2 = 30 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F1000 kg/h · 19% NaOHProdotto P65% 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 = 1000 kg/hxF = 19 %xP = 65 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 140 °C80 °Cacqua · 20 °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 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 80 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoolio leggero · 130 °C90 °Cacqua · 15 °C60 °C · ṁ = ?15% perso

Il olio leggero caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 15% del calore ceduto dalla corrente calda. Trova la portata d’acqua ṁc necessaria.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 90 °Ct: 15 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
30 g di N₂P = 350 kPaT = 0 °CV = ?

Quale volume V occupano 30 g di N₂ a 350 kPa e 0 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 30 gM = 28,01 g/molP = 350 kPaT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
Ar, M = 39,95 g/molP = 750 kPaT = 190 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di Ar a 750 kPa e 190 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 39,95 g/molP = 750 kPaT = 190 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(Fe)m(Fe)÷ M(X)× 2/ν× M(Fe)

20 g di Fe2O3 e 20 g di CO reagiscono secondo Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. Quale massa m di Fe si può formare?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(Fe) = 55,85 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(N2​)n(N2​)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(N2​)× 2/1× M(NH3​)

Nella reazione N2 + 3H2 → 2NH3, 16 g di N2 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 15,17 g di NH3. Trova la resa percentuale Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molreale: 15,17 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 = 50. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 50
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,08 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 = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Ramem = 50 gT = 90 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Acquam = 300 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di rame da 50 g (c = 0,385 J/(g·°C)) a 90 °C viene immerso in 300 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 25 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 90 °Cmwater = 300 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H25 g C4​H10​2C4​H10​ + 13O₂reagenti8CO₂ + 10H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 25 g di C4H10 (M = 58,12 g/mol) bruciano completamente: 2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(C4H10) = −125,6 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)C (mol/L)5 min1,05

In una reazione del primo ordine la concentrazione di A scende da 1,5 mol/L a 1,05 mol/L in 5 min. Trova la costante cinetica k.

CA0 = 1,5 mol/LCA = 1,05 mol/Lt = 5 min
k = min⁻¹
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk20 °C0,0535 °C?

Una reazione ha una costante cinetica di 0,05 min⁻¹ a 20 °C e un’energia di attivazione di 75 kJ/mol. Trova la costante cinetica k2 a 35 °C.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 20 °CT2 = 35 °CEa = 75 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 10 L/minCA0​ = 2 mol/LCA​ = ?V = 400 L, k = 0,05 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B (k = 0,05 min⁻¹) avviene in un reattore a flusso a pistone (PFR) da 400 L. L’alimentazione entra a 10 L/min con CA0 = 2 mol/L. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la concentrazione di uscita CA.

V = 400 LQ = 10 L/mink = 0,05 min⁻¹CA0 = 2 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 400 LQ = 100 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,12 min⁻¹) avviene in un CSTR da 400 L alimentato a 100 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 400 LQ = 100 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT95 °C65 °C10 °C45 °CΔT₁ΔT₂equicorrente

Uno scambiatore di calore equicorrente trasferisce 360 kW. La sua area di scambio è 3 m². Il fluido caldo si raffredda da 95 a 65 °C e il fluido freddo si riscalda da 10 a 45 °C. Trova il coefficiente globale di scambio U.

Q̇ = 360 kWA = 3 m²Th: 95 → 65 °CTc: 10 → 45 °C
U = W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT90 °C55 °C15 °C?ΔT₁ΔT₂equicorrente

In uno scambiatore a doppio tubo equicorrente, olio caldo (0,3 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) scorre nel tubo interno e si raffredda da 90 a 55 °C. Acqua (0,2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) nell’intercapedine anulare entra a 15 °C. Il tubo interno ha un diametro di 40 mm, e U = 200 W/(m²·K) è riferito a questo diametro. Trova la lunghezza del tubo L necessaria.

ṁh = 0,3 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 90 → 55 °Cṁc = 0,2 kg/sTc,in = 15 °CD = 40 mmU = 200 W/(m²·K)
L = m
19.Conduzione del caloreMedia
Mattone, k = 0,72150 mmLegno, k = 0,17100 mm15 °C0 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 150 mm di mattone e 100 mm di legno, con un’area di 15 m². Le facce esterne sono a 15 °C e 0 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 150 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 15 °CT3 = 0 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Mattone, k = 0,72100 mmVetro, k = 0,9650 mmstanza 20 °Cesterno -12 °CQ̇

Una parete di 100 mm mattone e 50 mm vetro separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a -12 °C. I coefficienti di convezione sono 6 W/(m²·K) all’interno e 30 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 4 m². Trova la trasmittanza termica U della parete.

L1 = 100 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 4 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -12 °C
U = W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 1,9 m/sD = 300 mmL = 300 mf = 0,028

Acqua scorre con una velocità media di 1,9 m/s in un tubo lungo 300 m con diametro interno di 300 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,028 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

V = 1,9 m/sL = 300 mD = 300 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 2sbocco liberoH = ?L = 100 m, D = 250 mm, f = 0,0152× curva (K = 0,3)

Un tubo lungo 100 m con diametro interno di 250 mm (fattore di attrito di Darcy f = 0,015) parte da un serbatoio aperto e scarica come getto libero in aria. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 2 curve (K = 0,3 ciascuna) e una valvola (K = 2). Usa g = 9,81 m/s². A quale altezza H deve trovarsi il pelo libero del serbatoio sopra lo sbocco del tubo per avere una portata di 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 100 mD = 250 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2
H = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 10 L/sH = 44 m

In una prova, una pompa eroga 10 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 44 m mentre il suo albero assorbe 5,4 kW. Usa g = 9,81 m/s². Trova il rendimento della pompa η in percentuale.

Q = 10 L/sH = 44 mPshaft = 5,4 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 75 L/sΔz = 7 mL = 150 m, D = 200 mm, f = 0,022, 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 7 m più in alto. Il tubo è lungo 150 m, con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,022; 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 = 7 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 8
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 225 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) = 450·(15 − 20)/(20 − 30) = 225 kg/h

Risposta

ṁ2 = 225 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 707,7 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 = 1000·19/65 = 292,3 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 1000 − 292,3 = 707,7 kg/h

Risposta

W = 707,7 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 37,51 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 1·2,44·(140 − 80) = 146,4 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 146,4/(2·4,18) = 37,51 °C

Risposta

tout = 37,51 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,5694 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1,5·2,1·(130 − 90) = 126 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·126 = 107,1 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 107,1/(4,18·45) = 0,5694 kg/s

Risposta

ṁc = 0,5694 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 6,949 L

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

Moli

n = 30/28,01 = 1,071 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Volume

V = nRT/P = 1,071·8,314·273,1/350 = 6,949 L

Risposta

V = 6,949 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 7,781 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 = 190 + 273,15 = 463,1 K

Densità

ρ = 750·39,95/(8,314·463,1) = 7,781 kg/m³

Risposta

ρ = 7,781 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 13,99 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(Fe2O3) = 20/159,69 = 0,1252 mol
n(CO) = 20/28,01 = 0,714 mol

Reagente limitante

0,1252/1 = 0,1252, 0,714/3 = 0,238 → Fe2O3

Massa di prodotto

n(Fe) = 0,1252·2 = 0,2505 mol
m = 0,2505·55,85 = 13,99 g

Risposta

m = 13,99 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 78 %

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(N2) = 16/28,02 = 0,571 mol
m = 0,571·2/1·17,03 = 19,45 g

Resa percentuale

Y = 15,17/19,45·100 = 78%

Risposta

Y = 78%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 1,247 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/(0,8 − x)²

Estrai la radice quadrata

7,071 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·7,071/(2 + 7,071) = 0,6236 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 1,247 mol/L

Risposta

[HI] = 1,247 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,336 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/(0,5 − x) → x² + 0,08·x − 0,04 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,04))/2 = 0,164 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,5 − 0,164 = 0,336 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,336 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 25,98 °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

50·0,385·(90 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 25)

Ricava la temperatura finale

Tf = (19,25·90 + 1254·25)/(19,25 + 1254) = 25,98 °C

Risposta

Tf = 25,98 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 1238 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° = [8·(−393,5) + 10·(−285,8)] − [2·(−125,6) + 13·0] = −5755 kJ

Calore per la massa data

n = 25/58,12 = 0,4301 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,4301·2877 = 1238 kJ

Risposta

q = 1238 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: k = 0,07133 min⁻¹

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).

Legge integrata del primo ordine

k = ln(CA0/CA)/t = ln(1,5/1,05)/5 = 0,3567/5 = 0,07133 min⁻¹

Risposta

k = 0,07133 min⁻¹
14.Cinetica chimica

Risposta: k2 = 0,2236 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 = 308,1 K

Rapporto di Arrhenius

ln(k2/k1) = −(75000/8,314)·(1/308,1 − 1/293,1) = 1,498
k2 = 0,05·e1,498 = 0,2236 min⁻¹

Risposta

k2 = 0,2236 min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: CA = 0,2707 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 = 400/10 = 40 min

Concentrazione di uscita

CA = 2·e−0,05·40 = 0,2707 mol/L

Risposta

CA = 0,2707 mol/L

Conversione: X = 86,47%.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 32,43 %

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 = 400/100 = 4 min, kτ = 0,12·4 = 0,48

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 0,48/(1 + 0,48) = 32,43%

Risposta

X = 32,43%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: U = 2671 W/(m²·K)

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Differenze di temperatura agli estremi

In equicorrente entrambi gli ingressi sono allo stesso estremo, ed entrambe le uscite all’altro.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 95 − 10 = 85 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 65 − 45 = 20 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (85 − 20)/ln(85/20) = 44,92 K

Coefficiente globale

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 360000/(3·44,92) = 2671 W/(m²·K)

Risposta

U = 2671 W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: L = 28,72 m

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 e temperatura di uscita dell’acqua

Q̇ = 0,3·2,3·(90 − 55) = 24,15 kW
Tc,out = 15 + 24,15/(0,2·4,18) = 43,89 °C

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 = 90 − 15 = 75 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 55 − 43,89 = 11,11 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (75 − 11,11)/ln(75/11,11) = 33,46 K

Area e lunghezza

A = 24150/(200·33,46) = 3,609 m²
L = A/(πD) = 3,609/(π·0,04) = 28,72 m

Risposta

L = 28,72 m
19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 282,5 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) = (150/1000)/(0,72·15) = 0,01389 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·15) = 0,03922 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 15/0,0531 = 282,5 W

Risposta

Q̇ = 282,5 W
20.Conduzione del calore

Risposta: U = 2,558 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/(6·4) = 0,04167 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,72·4) = 0,03472 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,96·4) = 0,01302 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·4) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,09774 K/W

Coefficiente globale

U = 1/(A·ΣR) = 1/(4·0,09774) = 2,558 W/(m²·K)

Risposta

U = 2,558 W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 5,152 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) = 1,9²/(2·9,81) = 0,184 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(300/0,3)·1,9²/(2·9,81) = 5,152 m

Risposta

hf = 5,152 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: H = 1,367 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 = 0,08/0,04909 = 1,63 m/s
V²/(2g) = 0,1354 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,015·100/0,25 = 6
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 = 3,1

Equazione dell’energia

Il getto in uscita conserva la sua altezza cinetica; non è una perdita, ma deve essere fornita.

H = (1 + 6 + 3,1)·0,1354 = 1,367 m

Risposta

H = 1,367 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: η = 79,93 %

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 = 1000·9,81·0,01·44 = 4,316 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 4,316/5,4 = 79,93%

Risposta

η = 79,93%
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 14,12 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) = (16,5 + 8)·0,2905 = 7,117 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 = 7 + 7,117 = 14,12 m

Risposta

H = 14,12 m

Questo è materiale di esercitazione indipendente. ExamProblems non è affiliato né approvato dall’organizzazione che gestisce questo esame, e il nome dell’esame è usato solo per descrivere i contenuti. Il FE exam è gestito da NCEES, che non è affiliato a ExamProblems e non lo approva.

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