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 1300 kg/h · 20% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 45% saleProdotto30% sale

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 30% di sale? Trova ṁ2.

ṁ1 = 300 kg/hx1 = 20 %x2 = 45 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F800 kg/h · 17% zuccheroProdotto P60% zuccheroVapore W (acqua pura)W = ? kg/h

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

F = 800 kg/hxF = 17 %xP = 60 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoolio leggero · 180 °C110 °Cacqua · 10 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 110 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 120 °C60 °Cacqua · 25 °C55 °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: 120 → 60 °Ct: 25 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
230 g di CO₂V = 20 LT = 85 °CP = ?

Un serbatoio di 20 L contiene 230 g di CO₂ a 85 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 230 gM = 44,01 g/molV = 20 LT = 85 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
CH₄, M = 16,04 g/molP = 750 kPaT = 140 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di CH₄ a 750 kPa e 140 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 16,04 g/molP = 750 kPaT = 140 °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)

8 g di Mg e 24 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(Mg)n(Mg)n(MgO)m(MgO)÷ M(Mg)× 2/2× M(MgO)

Nella reazione 2Mg + O2 → 2MgO, 4 g di Mg reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 4,11 g di MgO. Trova la resa percentuale Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molreale: 4,11 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 = 54. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 54
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

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

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LKc = 0,5
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Alluminiom = 75 gT = 160 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Acquam = 200 gT = 20 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di alluminio da 75 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 160 °C viene immerso in 200 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 20 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 200 gTwater = 20 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H100 g C3​H8​C3​H8​ + 5O₂reagenti3CO₂ + 4H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 100 g di C3H8 (M = 44,1 g/mol) bruciano completamente: C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(C3H8) = −103,8 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)X (%)t = ?50%

Una reazione del primo ordine in un reattore batch ha k = 0,1 min⁻¹. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 50%? Trova t.

k = 0,1 min⁻¹X = 50 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk25 °C0,00550 °C0,113

La costante cinetica di una reazione è 0,005 min⁻¹ a 25 °C e 0,113 min⁻¹ a 50 °C. Trova l’energia di attivazione Ea.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 25 °Ck2 = 0,113 min⁻¹T2 = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 25 L/minCA0​ = 1,5 mol/LCA​ = ?V = 250 L, k = 0,08 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B (k = 0,08 min⁻¹) avviene in un reattore a flusso a pistone (PFR) da 250 L. L’alimentazione entra a 25 L/min con CA0 = 1,5 mol/L. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la concentrazione di uscita CA.

V = 250 LQ = 25 L/mink = 0,08 min⁻¹CA0 = 1,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 100 LQ = 100 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,25 min⁻¹) avviene in un CSTR da 100 L alimentato a 100 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 100 LQ = 100 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT135 °C105 °C80 °C30 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore a fascio tubiero (un passaggio lato mantello, due passaggi lato tubi) deve trasferire 330 kW. Il fluido caldo si raffredda da 135 a 105 °C e il fluido freddo si riscalda da 30 a 80 °C. Il fattore di correzione della LMTD per questa configurazione è F = 0,8, e U = 1000 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 330 kWF = 0,8U = 1000 W/(m²·K)Th: 135 → 105 °CTc: 30 → 80 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT130 °C95 °C10 °C?ΔT₁ΔT₂equicorrente

In uno scambiatore a doppio tubo equicorrente, olio caldo (0,8 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) scorre nel tubo interno e si raffredda da 130 a 95 °C. Acqua (0,3 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) nell’intercapedine anulare entra a 10 °C. Il tubo interno ha un diametro di 50 mm, e U = 500 W/(m²·K) è riferito a questo diametro. Trova la lunghezza del tubo L necessaria.

ṁh = 0,8 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 130 → 95 °Cṁc = 0,3 kg/sTc,in = 10 °CD = 50 mmU = 500 W/(m²·K)
L = m
19.Conduzione del caloreMedia
Calcestruzzo, k = 1,4150 mmLegno, k = 0,1725 mm18 °C-10 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 150 mm di calcestruzzo e 25 mm di legno, con un’area di 15 m². Le facce esterne sono a 18 °C e -10 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 150 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 18 °CT3 = -10 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Vetro, k = 0,9650 mmCartongesso, k = 0,1775 mmstanza 21 °Cesterno 2 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 50 mm vetro e 75 mm cartongesso separa una stanza a 21 °C dall’aria esterna a 2 °C. I coefficienti di convezione sono 10 W/(m²·K) all’interno e 20 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 10 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 50 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 10 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 2 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 2 m/sD = 75 mmL = 100 mf = 0,022

Acqua (ρ = 1000 kg/m³) scorre a 2 m/s in un tubo orizzontale lungo 100 m con diametro interno di 75 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,022 e g = 9,81 m/s². Trova la caduta di pressione Δp lungo il tubo in kPa.

V = 2 m/sL = 100 mD = 75 mmf = 0,022ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 10Δz = ?L = 300 m, D = 250 mm, f = 0,0154× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 300 m con diametro interno di 250 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 4 curve (K = 0,3 ciascuna), una valvola (K = 10) e lo sbocco nel serbatoio inferiore (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Quale dislivello Δz tra i peli liberi dei serbatoi dà una portata di 100 L/s?

Q = 100 L/sL = 300 mD = 250 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 80 L/sH = 64 m

In una prova, una pompa eroga 80 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 64 m mentre il suo albero assorbe 59,1 kW. Usa g = 9,81 m/s². Trova il rendimento della pompa η in percentuale.

Q = 80 L/sH = 64 mPshaft = 59,1 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
200 kPa (relativa)PQ = 50 L/sΔz = 5 mL = 200 m, D = 150 mm, f = 0,015, ΣK = 2

Una pompa trasferisce 50 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 5 m più in alto. Il tubo è lungo 200 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 2 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². La vasca superiore è chiusa e l’aria sopra l’acqua è a una pressione relativa di 200 kPa. Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 50 L/sΔz = 5 mL = 200 mD = 150 mmf = 0,015ΣK = 2ptank = 200 kPa
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 200 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) = 300·(20 − 30)/(30 − 45) = 200 kg/h

Risposta

ṁ2 = 200 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 573,3 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 = 800·17/60 = 226,7 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 800 − 226,7 = 573,3 kg/h

Risposta

W = 573,3 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 45,17 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 2·2,1·(180 − 110) = 294 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 294/(2·4,18) = 45,17 °C

Risposta

tout = 45,17 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,7751 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 0,5·3,6·(120 − 60) = 108 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,1)·108 = 97,2 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 97,2/(4,18·30) = 0,7751 kg/s

Risposta

ṁc = 0,7751 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 778,1 kPa

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

Moli

n = m/M = 230/44,01 = 5,226 mol
T = 85 + 273,15 = 358,1 K

Pressione

P = nRT/V = 5,226·8,314·358,1/0,02 = 778,1 kPa

Risposta

P = 778,1 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 3,502 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 = 140 + 273,15 = 413,1 K

Densità

ρ = 750·16,04/(8,314·413,1) = 3,502 kg/m³

Risposta

ρ = 3,502 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 13,26 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) = 8/24,31 = 0,3291 mol
n(O2) = 24/32 = 0,75 mol

Reagente limitante

0,3291/2 = 0,1645, 0,75/1 = 0,75 → Mg

Massa di prodotto

n(MgO) = 0,1645·2 = 0,3291 mol
m = 0,3291·40,3 = 13,26 g

Risposta

m = 13,26 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 61,98 %

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(Mg) = 4/24,31 = 0,1645 mol
m = 0,1645·2/2·40,3 = 6,631 g

Resa percentuale

Y = 4,11/6,631·100 = 61,98%

Risposta

Y = 61,98%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,1712 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

54 = (2x)²/(0,8 − x)²

Estrai la radice quadrata

7,348 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·7,348/(2 + 7,348) = 0,6288 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 0,8 − x = 0,1712 mol/L

Risposta

[H2] = 0,1712 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [Cl2] = 0,1531 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

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

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,1))/2 = 0,1531 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[Cl₂] = x = 0,1531 mol/L

Risposta

[Cl2] = 0,1531 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 30,43 °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

75·0,897·(160 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 20)

Ricava la temperatura finale

Tf = (67,28·160 + 836·20)/(67,28 + 836) = 30,43 °C

Risposta

Tf = 30,43 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 5034 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

Calore per la massa data

n = 100/44,1 = 2,268 mol
q = n·|ΔH°/1| = 2,268·2220 = 5034 kJ

Risposta

q = 5034 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: t = 6,931 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 = 0,5

Risolvi per il tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,5)/0,1 = 6,931 min

Risposta

t = 6,931 min
14.Cinetica chimica

Risposta: Ea = 99,9 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 = 298,1 K, T2 = 323,1 K

Risolvi Arrhenius per Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·3,118/(-2,595e-4) = 99903 J/mol
Ea = 99,9 kJ/mol

Risposta

Ea = 99,9 kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: CA = 0,674 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 = 250/25 = 10 min

Concentrazione di uscita

CA = 1,5·e−0,08·10 = 0,674 mol/L

Risposta

CA = 0,674 mol/L

Conversione: X = 55,07%.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 20 %

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 = 100/100 = 1 min, kτ = 0,25·1 = 0,25

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 0,25/(1 + 0,25) = 20%

Risposta

X = 20%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 6,397 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 = 135 − 80 = 55 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 105 − 30 = 75 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (55 − 75)/ln(55/75) = 64,48 K

Area

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 330000/(1000·0,8·64,48) = 6,397 m²

Risposta

A = 6,397 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: L = 12,07 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 = 0,8·2,3·(130 − 95) = 64,4 kW
Tc,out = 10 + 64,4/(0,3·4,18) = 61,36 °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 = 130 − 10 = 120 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 95 − 61,36 = 33,64 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (120 − 33,64)/ln(120/33,64) = 67,91 K

Area e lunghezza

A = 64400/(500·67,91) = 1,897 m²
L = A/(πD) = 1,897/(π·0,05) = 12,07 m

Risposta

L = 12,07 m
19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 1652 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)/(1,4·15) = 0,007143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,17·15) = 0,009804 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 28/0,01695 = 1652 W

Risposta

Q̇ = 1652 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 18,05 °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/(10·10) = 0,01 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,96·10) = 0,005208 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·10) = 0,04412 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·10) = 0,005 K/W
ΣR = 0,06433 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (21 − (2))/0,06433 = 295,4 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 295,4·0,01 = 18,05 °C

Risposta

Ts = 18,05 °C
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δp = 58,67 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) = 0,022·(100/0,075)·2²/(2·9,81) = 5,98 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 = 1000·9,81·5,98 = 58667 Pa = 58,67 kPa

Risposta

Δp = 58,67 kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 6,494 m

Moto nei condotti: il numero di Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue il moto laminare (Re sotto circa 2000) da quello turbolento (sopra circa 4000). L’attrito lungo un tubo comporta la perdita di carico di Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Raccordi, valvole, imbocco e sbocco aggiungono perdite localizzate hm = ΣK·V²/(2g). Tra le superfici libere di due serbatoi aperti l’equazione dell’energia dà Δz = hf + hm, compresa la perdita allo sbocco K = 1.

Velocità

V = Q/A = 0,1/0,04909 = 2,037 m/s
V²/(2g) = 0,2115 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,015·300/0,25 = 18
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Perdita di carico totale

hf = 18·0,2115 = 3,807 m
hm = 12,7·0,2115 = 2,686 m
Δz = hf + hm = 6,494 m

Risposta

Δz = 6,494 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: η = 84,99 %

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 = 1000·9,81·0,08·64 = 50,23 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 50,23/59,1 = 84,99%

Risposta

η = 84,99%
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 34,36 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (20 + 2)·0,408 = 8,977 m

Altezza piezometrica

p/(ρ·g) = 200000/(1000·9,81) = 20,39 m

Prevalenza della pompa

Entrambe le superfici sono praticamente in quiete, quindi non c’è il termine dell’altezza cinetica.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 5 + 20,39 + 8,977 = 34,36 m

Risposta

H = 34,36 m

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