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 1650 kg/h · 15% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 30% saleProdotto25% sale

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

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 15 %x2 = 30 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F3900 kg/h · 9% 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 = 3900 kg/hxF = 9 %xP = 55 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 140 °C70 °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 = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 70 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoetanolo · 130 °C70 °Cacqua · 10 °C65 °C · ṁ = ?15% perso

Il etanolo 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 = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 70 °Ct: 10 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
150 g di HeP = 500 kPaT = 10 °CV = ?

Quale volume V occupano 150 g di He a 500 kPa e 10 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 150 gM = 4,003 g/molP = 500 kPaT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di CO₂ passa da 400 kPa, 20 L, 15 °C a 250 kPa e 180 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 400 kPaV1 = 20 LT1 = 15 °CP2 = 250 kPaT2 = 180 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(Fe)m(Fe)÷ M(X)× 2/ν× M(Fe)

12 g di Fe2O3 e 24 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(Mg)n(Mg)n(MgO)m(MgO)÷ M(Mg)× 2/2× M(MgO)

Nella reazione 2Mg + O2 → 2MgO, 10 g di Mg reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 12,43 g di MgO. Trova la resa percentuale Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molreale: 12,43 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 = 16. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 16
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,02 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,5 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,02
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Piombom = 150 gT = 170 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Acquam = 400 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di piombo da 150 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 170 °C viene immerso in 400 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 19 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 170 °Cmwater = 400 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
HC3​H8​ + 5O₂reagenti3CO₂ + 4H₂O(l)prodottiΔH° = ?

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

ΔH°f(C3H8) = −103,8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.Cinetica chimicaMedia
t (min)C (mol/L)5 minC = ?

Una reazione con legge cinetica −rA = k·CA² ha k = 0,1 L/(mol·min) e parte da 2 mol/L. Trova la concentrazione CA dopo 5 min.

k = 0,1 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/Lt = 5 min
CA = mol/L
14.Cinetica chimicaDifficile
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))prova 10,40,012prova 20,80,0339n = ?

Due esperimenti misurano la velocità iniziale di A → prodotti. Con CA0 = 0,4 mol/L la velocità è 0,012 mol/(L·s); con CA0 = 0,8 mol/L è 0,0339 mol/(L·s). Trova l’ordine di reazione n rispetto ad A.

CA0,1 = 0,4 mol/Lr1 = 0,012 mol/(L·s)CA0,2 = 0,8 mol/Lr2 = 0,0339 mol/(L·s)
n =
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
QX = 75%stessi Q, k e X del CSTR

Una reazione del primo ordine in fase liquida deve raggiungere una conversione del 75%. Quante volte più grande di un PFR deve essere un CSTR a parità di portata di alimentazione, costante cinetica e conversione? Trova il rapporto VCSTR/VPFR.

X = 75%primo ordine, stessi k e Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 2000 LQ = 20 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,1 min⁻¹) avviene in un CSTR da 2000 L alimentato a 20 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 2000 LQ = 20 L/mink = 0,1 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT160 °C100 °C20 °C65 °CΔT₁ΔT₂equicorrente

Uno scambiatore equicorrente trasferisce 310 kW. Il fluido caldo si raffredda da 160 a 100 °C e il fluido freddo si riscalda da 20 a 65 °C. Il coefficiente globale di scambio è 1500 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 310 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 160 → 100 °CTc: 20 → 65 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT125 °C75 °C29,98 °C25 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (0,5 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) si raffredda da 125 a 75 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 3 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 = 0,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 125 → 75 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Vetro, k = 0,96250 mmCartongesso, k = 0,17100 mm25 °C6 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 250 mm di vetro e 100 mm di cartongesso, con un’area di 15 m². Le facce esterne sono a 25 °C e 6 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 250 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 25 °CT3 = 6 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Mattone, k = 0,72200 mmVetro, k = 0,9675 mmstanza 21 °Cesterno -11 °CQ̇

Una parete di 200 mm mattone e 75 mm vetro separa una stanza a 21 °C dall’aria esterna a -11 °C. I coefficienti di convezione sono 6 W/(m²·K) all’interno e 25 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 10 m². Trova la trasmittanza termica U della parete.

L1 = 200 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 10 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -11 °C
U = W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
Q = 60 L/sD = 200 mmL = 800 mf = 0,02

Acqua scorre con una portata di 60 L/s in un tubo lungo 800 m con diametro interno di 200 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,02 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

Q = 60 L/sL = 800 mD = 200 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 2Δz = 17 mL = 150 m, D = 300 mm, f = 0,024× 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 = 0,02. Il pelo libero del serbatoio superiore si trova 17 m sopra quello del serbatoio inferiore. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 4 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 = 17 mL = 150 mD = 300 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 30 L/sH = 56 m

Una pompa con rendimento del 75% eroga 30 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 56 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 30 L/sH = 56 mη = 75%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 50 L/sΔz = 15 mL = 500 m, D = 150 mm, f = 0,02, ΣK = 8

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 15 m più in alto. Il tubo è lungo 500 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02; 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 78%. Trova la potenza all’albero Pshaft in kW.

Q = 50 L/sΔz = 15 mL = 500 mD = 150 mmf = 0,02ΣK = 8η = 78%
Pshaft = kW

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 1300 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) = 650·(15 − 25)/(25 − 30) = 1300 kg/h

Risposta

ṁ2 = 1300 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 638,2 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 = 3900·9/55 = 638,2 kg/h

Risposta

P = 638,2 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 81,29 °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 − 70) = 512,4 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 512,4/(2·4,18) = 81,29 °C

Risposta

tout = 81,29 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,2706 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 0,5·2,44·(130 − 70) = 73,2 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·73,2 = 62,22 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 62,22/(4,18·55) = 0,2706 kg/s

Risposta

ṁc = 0,2706 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 176,4 L

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

Moli

n = 150/4,003 = 37,47 mol
T = 10 + 273,15 = 283,1 K

Volume

V = nRT/P = 37,47·8,314·283,1/500 = 176,4 L

Risposta

V = 176,4 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 50,32 L

Legge combinata dei gas: per una quantità fissa di gas ideale, P1V1/T1 = P2V2/T2.

Temperature assolute

T1 = 288,1 K, T2 = 453,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(400/250)·(453,1/288,1) = 50,32 L

Risposta

V2 = 50,32 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 8,394 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) = 12/159,69 = 0,07515 mol
n(CO) = 24/28,01 = 0,8568 mol

Reagente limitante

0,07515/1 = 0,07515, 0,8568/3 = 0,2856 → Fe2O3

Massa di prodotto

n(Fe) = 0,07515·2 = 0,1503 mol
m = 0,1503·55,85 = 8,394 g

Risposta

m = 8,394 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 74,98 %

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) = 10/24,31 = 0,4114 mol
m = 0,4114·2/2·40,3 = 16,58 g

Resa percentuale

Y = 12,43/16,58·100 = 74,98%

Risposta

Y = 74,98%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,3333 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

16 = (2x)²/(1 − x)²

Estrai la radice quadrata

4 = 2x/(1 − x) → x = 1·4/(2 + 4) = 0,6667 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 1 − x = 0,3333 mol/L

Risposta

[H2] = 0,3333 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [Cl2] = 0,0905 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

0,02 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,02·x − 0,01 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,01))/2 = 0,0905 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[Cl₂] = x = 0,0905 mol/L

Risposta

[Cl2] = 0,0905 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 20,73 °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

150·0,129·(170 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 19)

Ricava la temperatura finale

Tf = (19,35·170 + 1672·19)/(19,35 + 1672) = 20,73 °C

Risposta

Tf = 20,73 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −2220 kJ

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

Entalpia di reazione

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

Risposta

ΔH° = −2220 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: CA = 1 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 + 0,1·5 = 1 L/mol
CA = 1/1 = 1 mol/L

Risposta

CA = 1 mol/L
14.Cinetica chimica

Risposta: n = 1,498

Metodo delle velocità iniziali: per r = k·Cⁿ, confrontando due prove che differiscono solo per la concentrazione iniziale si elimina k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Raddoppiando C la velocità raddoppia per il primo ordine e quadruplica per il secondo ordine.

Rapporti

r2/r1 = 0,0339/0,012 = 2,825
C2/C1 = 0,8/0,4 = 2

Ordine

n = ln(2,825)/ln(2) = 1,498

Risposta

n = 1,498
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: VCSTR/VPFR = 2,164

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.

k·τ per ciascun reattore

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,75/0,25 = 3
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(4) = 1,386

Rapporto dei volumi

VCSTR/VPFR = 3/1,386 = 2,164

Risposta

VCSTR/VPFR = 2,164

La differenza cresce rapidamente ad alte conversioni.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 90,91 %

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 = 2000/20 = 100 min, kτ = 0,1·100 = 10

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 10/(1 + 10) = 90,91%

Risposta

X = 90,91%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 2,729 m²

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

Differenze di temperatura agli estremi

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 160 − 20 = 140 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 100 − 65 = 35 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (140 − 35)/ln(140/35) = 75,74 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 310000/(1500·75,74) = 2,729 m²

Risposta

A = 2,729 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 0,8914 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) = 0,5·2,5·50 = 62,5 kW
Tc,out = 25 + 62,5/(3·4,18) = 29,98 °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 = 125 − 29,98 = 95,02 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 25 = 50 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (95,02 − 50)/ln(95,02/50) = 70,12 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 62500/(1000·70,12) = 0,8914 m²

Risposta

A = 0,8914 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 335,8 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) = (250/1000)/(0,96·15) = 0,01736 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·15) = 0,03922 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 19/0,05658 = 335,8 W

Risposta

Q̇ = 335,8 W
20.Conduzione del calore

Risposta: U = 1,778 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/(6·10) = 0,01667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,72·10) = 0,02778 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,96·10) = 0,007813 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·10) = 0,004 K/W
ΣR = 0,05626 K/W

Coefficiente globale

U = 1/(A·ΣR) = 1/(10·0,05626) = 1,778 W/(m²·K)

Risposta

U = 1,778 W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 14,87 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·0,2²/4 = 0,03142 m²
V = Q/A = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s

Altezza cinetica

V²/(2g) = 1,91²/(2·9,81) = 0,1859 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(800/0,2)·1,91²/(2·9,81) = 14,87 m

Risposta

hf = 14,87 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Q = 336,7 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 = 0,02·150/0,3 = 10
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Equazione dell’energia

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

17 = (10 + 4,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·17/14,7) = 4,763 m/s

Portata

Q = V·π·D²/4 = 4,763·0,07069 = 0,3367 m³/s = 336,7 L/s

Risposta

Q = 336,7 L/s
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 21,97 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 = 1000·9,81·0,03·56 = 16,48 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 16,48/0,75 = 21,97 kW

Risposta

Pshaft = 21,97 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 28,59 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (66,67 + 8)·0,408 = 30,47 m

Prevalenza della pompa

H = Δz + hL = 15 + 30,47 = 45,47 m

Potenza all’albero

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,05·45,47/0,78 = 28,59 kW

Risposta

Pshaft = 28,59 kW

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