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 1650 kg/h · 5% zuccheroCorrente 2ṁ₂ = ? · 40% zuccheroProdotto10% zucchero

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 10% di zucchero? Trova ṁ2.

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 5 %x2 = 40 %x3 = 10 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F4300 kg/h · 14% zuccheroProdotto PP = ? · 55%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 = 4300 kg/hxF = 14 %xP = 55 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 140 °C80 °Cacqua · 25 °Ct = ? °C

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

ṁh = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 80 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 180 °C90 °Cacqua · 20 °C70 °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 = 0,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 90 °Ct: 20 → 70 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
440 g di ArV = 50 LT = 90 °CP = ?

Un serbatoio di 50 L contiene 440 g di Ar a 90 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 440 gM = 39,95 g/molV = 50 LT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
He, M = 4,003 g/molP = 450 kPaT = 120 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di He a 450 kPa e 120 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 4,003 g/molP = 450 kPaT = 120 °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​)

20 g di N2 e 64 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(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, 8 g di C6H12O6 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 3,72 g di C2H5OH. Trova la resa percentuale Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(C2H5OH) = 46,07 g/molreale: 3,72 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 [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 50
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,01 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 = 0,01
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Zincom = 100 gT = 190 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Acquam = 150 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di zinco da 100 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 190 °C viene immerso in 150 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 19 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 190 °Cmwater = 150 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
HC6​H12​O6​ + 6O₂reagenti6CO₂ + 6H₂O(l)prodottiΔH° = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare ΔH° della reazione C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 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)2 minC = ?

Una reazione con legge cinetica −rA = k·CA² ha k = 0,4 L/(mol·min) e parte da 0,5 mol/L. Trova la concentrazione CA dopo 2 min.

k = 0,4 L/(mol·min)CA0 = 0,5 mol/Lt = 2 min
CA = mol/L
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk30 °C0,0140 °C0,0259

La costante cinetica di una reazione è 0,01 min⁻¹ a 30 °C e 0,0259 min⁻¹ a 40 °C. Trova l’energia di attivazione Ea.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 30 °Ck2 = 0,0259 min⁻¹T2 = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 20 L/minX = 90%V = ?, k = 0,05 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,05 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 20 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 90%.

Q = 20 L/mink = 0,05 min⁻¹X = 90%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 800 LQ = 5 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,2 min⁻¹) avviene in un CSTR da 800 L alimentato a 5 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 800 LQ = 5 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT175 °C110 °C155 °C30 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore a fascio tubiero (un passaggio lato mantello, due passaggi lato tubi) deve trasferire 470 kW. Il fluido caldo si raffredda da 175 a 110 °C e il fluido freddo si riscalda da 30 a 155 °C. Il fattore di correzione della LMTD per questa configurazione è F = 0,8, e U = 200 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 470 kWF = 0,8U = 200 W/(m²·K)Th: 175 → 110 °CTc: 30 → 155 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT150 °C??25 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

In uno scambiatore controcorrente entrambe le correnti hanno la stessa capacità termica oraria, ṁ·cp = 0,5 kW/K. La corrente calda entra a 150 °C e quella fredda a 25 °C. Lo scambiatore ha A = 0,5 m² e U = 300 W/(m²·K). Trova la temperatura di uscita della corrente calda Th,out.

Ch = Cc = 0,5 kW/KTh,in = 150 °CTc,in = 25 °CA = 0,5 m²U = 300 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conduzione del caloreMedia
Cartongesso, k = 0,17100 mmVetro, k = 0,9625 mm16 °C6 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 100 mm di cartongesso e 25 mm di vetro, con un’area di 20 m². Le facce esterne sono a 16 °C e 6 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 16 °CT3 = 6 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Polistirene espanso, k = 0,035150 mmLegno, k = 0,1750 mmstanza 22 °Cesterno -2 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 150 mm polistirene espanso e 50 mm legno separa una stanza a 22 °C dall’aria esterna a -2 °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 15 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 150 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 15 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -2 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
Q = 15 L/sD = 100 mmL = 400 mf = 0,022

Acqua scorre con una portata di 15 L/s in un tubo lungo 400 m con diametro interno di 100 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,022 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

Q = 15 L/sL = 400 mD = 100 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 2Δz = 15 mL = 150 m, D = 300 mm, f = 0,0153× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 150 m con diametro interno di 300 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015. Il pelo libero del serbatoio superiore si trova 15 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 = 2) e lo sbocco nel serbatoio inferiore (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Trova la portata Q in L/s.

Δz = 15 mL = 150 mD = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 25 L/sH = 48 m

Una pompa con rendimento del 78% eroga 25 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 48 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 25 L/sH = 48 mη = 78%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 40 L/sΔz = 10 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,015, 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 10 m più in alto. Il tubo è lungo 200 m, con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015; 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 80%. Trova la potenza all’albero Pshaft in kW.

Q = 40 L/sΔz = 10 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 8η = 80%
Pshaft = kW

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 108,3 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) = 650·(5 − 10)/(10 − 40) = 108,3 kg/h

Risposta

ṁ2 = 108,3 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 1095 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 = 4300·14/55 = 1095 kg/h

Risposta

P = 1095 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 77,54 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 3·2,44·(140 − 80) = 439,2 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 439,2/(2·4,18) = 77,54 °C

Risposta

tout = 77,54 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,6976 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 0,5·3,6·(180 − 90) = 162 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,1)·162 = 145,8 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 145,8/(4,18·50) = 0,6976 kg/s

Risposta

ṁc = 0,6976 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 665,1 kPa

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

Moli

n = m/M = 440/39,95 = 11,01 mol
T = 90 + 273,15 = 363,1 K

Pressione

P = nRT/V = 11,01·8,314·363,1/0,05 = 665,1 kPa

Risposta

P = 665,1 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 0,5511 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 = 120 + 273,15 = 393,1 K

Densità

ρ = 450·4,003/(8,314·393,1) = 0,5511 kg/m³

Risposta

ρ = 0,5511 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 24,31 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) = 20/28,02 = 0,7138 mol
n(H2) = 64/2,016 = 31,75 mol

Reagente limitante

0,7138/1 = 0,7138, 31,75/3 = 10,58 → N2

Massa di prodotto

n(NH3) = 0,7138·2 = 1,428 mol
m = 1,428·17,03 = 24,31 g

Risposta

m = 24,31 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 90,92 %

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) = 8/180,16 = 0,0444 mol
m = 0,0444·2/1·46,07 = 4,091 g

Resa percentuale

Y = 3,72/4,091·100 = 90,92%

Risposta

Y = 90,92%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 1,559 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

[HI] = 2x = 1,559 mol/L

Risposta

[HI] = 1,559 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 1,382 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

0,01 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,01·x − 0,015 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,015))/2 = 0,1176 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 1,5 − 0,1176 = 1,382 mol/L

Risposta

[PCl5] = 1,382 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 28,97 °C

Calore ed entalpia: riscaldare una sostanza richiede q = m·c·ΔT. In un calorimetro il calore ceduto dal corpo caldo è uguale al calore assorbito da quello freddo. La variazione di entalpia di una reazione si ricava dalle entalpie di formazione: ΔH° = ΣΔH°f(prodotti) − ΣΔH°f(reagenti), ciascuna moltiplicata per il proprio coefficiente.

Bilancio termico

100·0,388·(190 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 19)

Ricava la temperatura finale

Tf = (38,8·190 + 627·19)/(38,8 + 627) = 28,97 °C

Risposta

Tf = 28,97 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −2802 kJ

Calore ed entalpia: riscaldare una sostanza richiede q = m·c·ΔT. In un calorimetro il calore ceduto dal corpo caldo è uguale al calore assorbito da quello freddo. La variazione di entalpia di una reazione si ricava dalle entalpie di formazione: ΔH° = ΣΔH°f(prodotti) − ΣΔH°f(reagenti), ciascuna moltiplicata per il proprio coefficiente.

Entalpia di reazione

ΔH° = [6·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

Risposta

ΔH° = −2802 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: CA = 0,3571 mol/L

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).

Legge integrata del secondo ordine

1/CA = 1/CA0 + kt = 2 + 0,4·2 = 2,8 L/mol
CA = 1/2,8 = 0,3571 mol/L

Risposta

CA = 0,3571 mol/L
14.Cinetica chimica

Risposta: Ea = 75,11 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 = 303,1 K, T2 = 313,1 K

Risolvi Arrhenius per Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·0,9517/(-1,053e-4) = 75111 J/mol
Ea = 75,11 kJ/mol

Risposta

Ea = 75,11 kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 921 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 − 0,9))/0,05 = 2,303/0,05 = 46,05 min

Volume

V = Q·τ = 20·46,05 = 921 L

Risposta

V = 921 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 96,97 %

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

Tempo spaziale

τ = V/Q = 800/5 = 160 min, kτ = 0,2·160 = 32

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 32/(1 + 32) = 96,97%

Risposta

X = 96,97%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 67,87 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.

Differenze di temperatura agli estremi (controcorrente)

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 − 155 = 20 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 110 − 30 = 80 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (20 − 80)/ln(20/80) = 43,28 K

Area

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 470000/(200·0,8·43,28) = 67,87 m²

Risposta

A = 67,87 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Th,out = 121,2 °C

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

Differenza di temperatura costante

L’uscita fredda si trova di fronte all’ingresso caldo: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), quindi ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.

ΔTlm = Th,out − Tc,in

Bilancio energetico uguale all’equazione di scambio

0,5·(150 − Th,out) = 0,15·(Th,out − 25)
Th,out = (0,5·150 + 0,15·25)/(0,5 + 0,15) = 121,2 °C

Risposta

Th,out = 121,2 °C

Calore trasferito: Q̇ = 14,42 kW; la corrente fredda esce a 53,85 °C.

19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = 6,424 °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) = (100/1000)/(0,17·20) = 0,02941 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,96·20) = 0,001302 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 10/0,03071 = 325,6 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 16 − 325,6·0,02941 = 6,424 °C

Risposta

Ti = 6,424 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 21,49 °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/(10·15) = 0,006667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,035·15) = 0,2857 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·15) = 0,01961 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·15) = 0,002667 K/W
ΣR = 0,3147 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (22 − (-2))/0,3147 = 76,27 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 76,27·0,006667 = 21,49 °C

Risposta

Ts = 21,49 °C
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 16,36 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·0,1²/4 = 0,007854 m²
V = Q/A = 0,015/0,007854 = 1,91 m/s

Altezza cinetica

V²/(2g) = 1,91²/(2·9,81) = 0,1859 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(400/0,1)·1,91²/(2·9,81) = 16,36 m

Risposta

hf = 16,36 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Q = 351,5 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 = 0,015·150/0,3 = 7,5
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4

Equazione dell’energia

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

15 = (7,5 + 4,4)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·15/11,9) = 4,973 m/s

Portata

Q = V·π·D²/4 = 4,973·0,07069 = 0,3515 m³/s = 351,5 L/s

Risposta

Q = 351,5 L/s
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 15,09 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 = 1000·9,81·0,025·48 = 11,77 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 11,77/0,78 = 15,09 kW

Risposta

Pshaft = 15,09 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 5,837 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 = 0,04/0,03142 = 1,273 m/s
V²/(2g) = 0,08263 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (15 + 8)·0,08263 = 1,9 m

Prevalenza della pompa

H = Δz + hL = 10 + 1,9 = 11,9 m

Potenza all’albero

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,04·11,9/0,8 = 5,837 kW

Risposta

Pshaft = 5,837 kW

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