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 1900 kg/h · 5% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 35% saleProdotto25% sale

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

ṁ1 = 900 kg/hx1 = 5 %x2 = 35 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F1400 kg/h · 9% zuccheroProdotto P35% 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 = 1400 kg/hxF = 9 %xP = 35 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddomiscela di glicole · 180 °C130 °Cacqua · 20 °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 = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 130 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoolio leggero · 150 °C70 °Cacqua · 25 °C55 °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 = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 70 °Ct: 25 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
180 g di CO₂V = 20 LT = 75 °CP = ?

Un serbatoio di 20 L contiene 180 g di CO₂ a 75 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 180 gM = 44,01 g/molV = 20 LT = 75 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
CO₂, M = 44,01 g/molP = 100 kPaT = 140 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di CO₂ a 100 kPa e 140 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 44,01 g/molP = 100 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)

20 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(Mg)n(Mg)n(MgO)m(MgO)÷ M(Mg)× 2/2× M(MgO)

Nella reazione 2Mg + O2 → 2MgO, 6 g di Mg reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 7,46 g di MgO. Trova la resa percentuale Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molreale: 7,46 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 = 50. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 50
[HI] = 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 [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LKc = 0,5
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Ramem = 50 gT = 180 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Acquam = 100 gT = 24 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di rame da 50 g (c = 0,385 J/(g·°C)) a 180 °C viene immerso in 100 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 24 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 180 °Cmwater = 100 gTwater = 24 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
HCH4​ + 2O₂reagentiCO₂ + 2H₂O(l)prodottiΔH° = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare ΔH° della reazione CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l).

ΔH°f(CH4) = −74,8 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)20 minC = ?

Una reazione con legge cinetica −rA = k·CA² ha k = 0,2 L/(mol·min) e parte da 2 mol/L. Trova la concentrazione CA dopo 20 min.

k = 0,2 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/Lt = 20 min
CA = mol/L
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk30 °C0,145 °C?

Una reazione ha una costante cinetica di 0,1 min⁻¹ a 30 °C e un’energia di attivazione di 55 kJ/mol. Trova la costante cinetica k2 a 45 °C.

k1 = 0,1 min⁻¹T1 = 30 °CT2 = 45 °CEa = 55 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 40 L/minX = 50%V = ?, k = 0,2 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,2 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 40 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 50%.

Q = 40 L/mink = 0,2 min⁻¹X = 50%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 200 LV = 200 LQ = 10 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,12 min⁻¹) avviene in due CSTR uguali in serie, ciascuno da 200 L. La portata di alimentazione è 10 L/min, la densità è costante e i reattori sono in regime stazionario. Trova la conversione complessiva X in percentuale.

V = 200 L (×2)Q = 10 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT125 °C35 °C90 °C15 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore di calore controcorrente trasferisce 250 kW. La sua area di scambio è 2,5 m². Il fluido caldo si raffredda da 125 a 35 °C e il fluido freddo si riscalda da 15 a 90 °C. Trova il coefficiente globale di scambio U.

Q̇ = 250 kWA = 2,5 m²Th: 125 → 35 °CTc: 15 → 90 °C
U = W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT160 °C130 °C35,05 °C25 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (1 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) si raffredda da 160 a 130 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 1,5 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 25 °C. Con U = 1000 W/(m²·K), trova l’area di scambio A necessaria.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 130 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Calcestruzzo, k = 1,450 mmVetro, k = 0,9625 mm25 °C6 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 50 mm di calcestruzzo e 25 mm di vetro, con un’area di 12 m². Le facce esterne sono a 25 °C e 6 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 50 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 25 °CT3 = 6 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Lana minerale, k = 0,04100 mmVetro, k = 0,9675 mmstanza 22 °Cesterno 2 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 100 mm lana minerale e 75 mm vetro separa una stanza a 22 °C dall’aria esterna a 2 °C. I coefficienti di convezione sono 7,7 W/(m²·K) all’interno e 30 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 6 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 100 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 6 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 2 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 2,6 m/sD = 75 mmL = 800 mf = 0,03

Acqua (ρ = 1000 kg/m³) scorre a 2,6 m/s in un tubo orizzontale lungo 800 m con diametro interno di 75 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 = 2,6 m/sL = 800 mD = 75 mmf = 0,03ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 10Δz = ?L = 150 m, D = 250 mm, f = 0,0253× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 150 m con diametro interno di 250 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,025. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 3 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 50 L/s?

Q = 50 L/sL = 150 mD = 250 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 30 L/sH = 58 m

In una prova, una pompa eroga 30 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 58 m mentre il suo albero assorbe 24,4 kW. Usa g = 9,81 m/s². Trova il rendimento della pompa η in percentuale.

Q = 30 L/sH = 58 mPshaft = 24,4 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 40 L/sΔz = 13 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,025, ΣK = 4

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 13 m più in alto. Il tubo è lungo 100 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,025; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 4 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Il rendimento della pompa è del 72%. Trova la potenza all’albero Pshaft in kW.

Q = 40 L/sΔz = 13 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,025ΣK = 4η = 72%
Pshaft = kW

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 1800 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) = 900·(5 − 25)/(25 − 35) = 1800 kg/h

Risposta

ṁ2 = 1800 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 1040 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 = 1400·9/35 = 360 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 1400 − 360 = 1040 kg/h

Risposta

W = 1040 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 149,2 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 1,5·3,6·(180 − 130) = 270 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 270/(0,5·4,18) = 149,2 °C

Risposta

tout = 149,2 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,5694 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 0,5·2,1·(150 − 70) = 84 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·84 = 71,4 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 71,4/(4,18·30) = 0,5694 kg/s

Risposta

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

Risposta: P = 591,9 kPa

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

Moli

n = m/M = 180/44,01 = 4,09 mol
T = 75 + 273,15 = 348,1 K

Pressione

P = nRT/V = 4,09·8,314·348,1/0,02 = 591,9 kPa

Risposta

P = 591,9 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 1,281 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 = 100·44,01/(8,314·413,1) = 1,281 kg/m³

Risposta

ρ = 1,281 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 33,16 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) = 20/24,31 = 0,8227 mol
n(O2) = 32/32 = 1 mol

Reagente limitante

0,8227/2 = 0,4114, 1/1 = 1 → Mg

Massa di prodotto

n(MgO) = 0,4114·2 = 0,8227 mol
m = 0,8227·40,3 = 33,16 g

Risposta

m = 33,16 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 75 %

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) = 6/24,31 = 0,2468 mol
m = 0,2468·2/2·40,3 = 9,947 g

Resa percentuale

Y = 7,46/9,947·100 = 75%

Risposta

Y = 75%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 0,3898 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/(0,25 − x)²

Estrai la radice quadrata

7,071 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·7,071/(2 + 7,071) = 0,1949 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 0,3898 mol/L

Risposta

[HI] = 0,3898 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,04689 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

[PCl₅] = 0,2 − 0,1531 = 0,04689 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,04689 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 30,87 °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·(180 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 24)

Ricava la temperatura finale

Tf = (19,25·180 + 418·24)/(19,25 + 418) = 30,87 °C

Risposta

Tf = 30,87 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −890,3 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° = [1·(−393,5) + 2·(−285,8)] − [1·(−74,8) + 2·0] = −890,3 kJ

Risposta

ΔH° = −890,3 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: CA = 0,2222 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 = 0,5 + 0,2·20 = 4,5 L/mol
CA = 1/4,5 = 0,2222 mol/L

Risposta

CA = 0,2222 mol/L
14.Cinetica chimica

Risposta: k2 = 0,2798 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 = 303,1 K, T2 = 318,1 K

Rapporto di Arrhenius

ln(k2/k1) = −(55000/8,314)·(1/318,1 − 1/303,1) = 1,029
k2 = 0,1·e1,029 = 0,2798 min⁻¹

Risposta

k2 = 0,2798 min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 138,6 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 − 0,5))/0,2 = 0,6931/0,2 = 3,466 min

Volume

V = Q·τ = 40·3,466 = 138,6 L

Risposta

V = 138,6 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 91,35 %

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 = 200/10 = 20 min, kτ = 0,12·20 = 2,4

Conversione

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 2,4) = 0,2941
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,08651
X = 1 − 0,08651 = 91,35%

Risposta

X = 91,35%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: U = 3731 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 controcorrente l’ingresso caldo è di fronte all’uscita fredda, e l’uscita calda di fronte all’ingresso freddo.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 125 − 90 = 35 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 35 − 15 = 20 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (35 − 20)/ln(35/20) = 26,8 K

Coefficiente globale

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 250000/(2,5·26,8) = 3731 W/(m²·K)

Risposta

U = 3731 W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 0,5493 m²

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

Potenza termica e temperatura di uscita dell’acqua

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1·2,1·30 = 63 kW
Tc,out = 25 + 63/(1,5·4,18) = 35,05 °C

Differenze di temperatura agli estremi

In controcorrente l’ingresso caldo è di fronte all’uscita fredda, e l’uscita calda di fronte all’ingresso freddo.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 160 − 35,05 = 125 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 130 − 25 = 105 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (125 − 105)/ln(125/105) = 114,7 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 63000/(1000·114,7) = 0,5493 m²

Risposta

A = 0,5493 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 3692 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) = (50/1000)/(1,4·12) = 0,002976 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,96·12) = 0,00217 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 19/0,005146 = 3692 W

Risposta

Q̇ = 3692 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 21,05 °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/(7,7·6) = 0,02165 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,04·6) = 0,4167 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,96·6) = 0,01302 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·6) = 0,005556 K/W
ΣR = 0,4569 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (22 − (2))/0,4569 = 43,77 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 43,77·0,02165 = 21,05 °C

Risposta

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

Risposta: Δp = 1082 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·(800/0,075)·2,6²/(2·9,81) = 110,3 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 = 1000·9,81·110,3 = 1,082 × 10⁶ Pa = 1082 kPa

Risposta

Δp = 1082 kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 1,449 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 = 0,05/0,04909 = 1,019 m/s
V²/(2g) = 0,05288 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,025·150/0,25 = 15
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 + 1,0 = 12,4

Perdita di carico totale

hf = 15·0,05288 = 0,7932 m
hm = 12,4·0,05288 = 0,6557 m
Δz = hf + hm = 1,449 m

Risposta

Δz = 1,449 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: η = 69,96 %

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 = 1000·9,81·0,03·58 = 17,07 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 17,07/24,4 = 69,96%

Risposta

η = 69,96%
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 10,03 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) = (16,67 + 4)·0,2611 = 5,397 m

Prevalenza della pompa

H = Δz + hL = 13 + 5,397 = 18,4 m

Potenza all’albero

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,04·18,4/0,72 = 10,03 kW

Risposta

Pshaft = 10,03 kW

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