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 1250 kg/h · 50% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 20% saleProdotto45% sale

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 45% di sale? Trova ṁ2.

ṁ1 = 250 kg/hx1 = 50 %x2 = 20 %x3 = 45 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F1900 kg/h · 16% saleProdotto PP = ? · 30%Vapore W (acqua pura)0% sale

Un evaporatore concentra una soluzione di sale facendo evaporare acqua pura. Trova la portata di prodotto P in kg/h.

F = 1900 kg/hxF = 16 %xP = 30 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddomiscela di glicole · 180 °C100 °Cacqua · 30 °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 → 100 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoetanolo · 160 °C70 °Cacqua · 25 °C40 °C · ṁ = ?5% perso

Il etanolo caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 5% del calore ceduto dalla corrente calda. Trova la portata d’acqua ṁc necessaria.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 70 °Ct: 25 → 40 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 5 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
380 g di N₂P = 750 kPaT = 35 °CV = ?

Quale volume V occupano 380 g di N₂ a 750 kPa e 35 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 380 gM = 28,01 g/molP = 750 kPaT = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
O₂, M = 32 g/molP = 450 kPaT = 80 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di O₂ a 450 kPa e 80 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 32 g/molP = 450 kPaT = 80 °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)

6 g di Mg e 80 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, 24 g di Mg reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 29,84 g di MgO. Trova la resa percentuale Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molreale: 29,84 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,50,50C−x−x+2xE0,5 − x0,5 − x2x

0,5 mol/L di H₂ e 0,5 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 49. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 49
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,2500C−x+x+xE0,25 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,2 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,25 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,2
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Piombom = 75 gT = 120 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Acquam = 200 gT = 17 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di piombo da 75 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 120 °C viene immerso in 200 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 17 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 120 °Cmwater = 200 gTwater = 17 °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)X (%)t = ?95%

Una reazione del secondo ordine (−rA = k·CA²) in un reattore batch ha k = 0,8 L/(mol·min) e parte da 1 mol/L. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 95%? Trova t.

k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/LX = 95 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
1/Tln kT = 60 °Cln 0,02ln A = ?Ea​ = 90 kJ/mol

Una reazione del primo ordine ha una costante cinetica di 0,02 s⁻¹ a 60 °C e un’energia di attivazione di 90 kJ/mol. Trova il fattore pre-esponenziale A nell’equazione di Arrhenius.

k = 0,02 s⁻¹T = 60 °CEa = 90 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 100 L/minX = 70%V = ?, k = 0,3 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,3 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 100 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 70%.

Q = 100 L/mink = 0,3 min⁻¹X = 70%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 500 LV = 500 LQ = 25 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,4 min⁻¹) avviene in due CSTR uguali in serie, ciascuno da 500 L. La portata di alimentazione è 25 L/min, la densità è costante e i reattori sono in regime stazionario. Trova la conversione complessiva X in percentuale.

V = 500 L (×2)Q = 25 L/mink = 0,4 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT180 °C100 °C145 °C15 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore controcorrente trasferisce 390 kW. Il fluido caldo si raffredda da 180 a 100 °C e il fluido freddo si riscalda da 15 a 145 °C. Il coefficiente globale di scambio è 800 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 390 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 180 → 100 °CTc: 15 → 145 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT120 °C65 °C?10 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

In uno scambiatore a doppio tubo controcorrente, olio caldo (1 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) scorre nel tubo interno e si raffredda da 120 a 65 °C. Acqua (0,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) nell’intercapedine anulare entra a 10 °C. Il tubo interno ha un diametro di 40 mm, e U = 150 W/(m²·K) è riferito a questo diametro. Trova la lunghezza del tubo L necessaria.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 120 → 65 °Cṁc = 0,5 kg/sTc,in = 10 °CD = 40 mmU = 150 W/(m²·K)
L = m
19.Conduzione del caloreMedia
Polistirene espanso, k = 0,035200 mmMattone, k = 0,7225 mm15 °C-10 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 200 mm di polistirene espanso e 25 mm di mattone, con un’area di 15 m². Le facce esterne sono a 15 °C e -10 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 200 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 15 °CT3 = -10 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Mattone, k = 0,72200 mmPolistirene espanso, k = 0,03525 mmstanza 22 °Cesterno -5 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 200 mm mattone e 25 mm polistirene espanso separa una stanza a 22 °C dall’aria esterna a -5 °C. I coefficienti di convezione sono 7,7 W/(m²·K) all’interno e 25 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 8 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 200 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 8 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -5 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
Q = 120 L/sD = 300 mmL = 50 mf = 0,015

Acqua scorre con una portata di 120 L/s in un tubo lungo 50 m con diametro interno di 300 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,015 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

Q = 120 L/sL = 50 mD = 300 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 10Δz = ?L = 300 m, D = 250 mm, f = 0,0254× 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 = 0,025. 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 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 300 mD = 250 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 100 L/sH = 24 m

Una pompa eroga 100 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 24 m. Il rendimento della pompa è del 72% e il motore elettrico che la aziona ha un rendimento del 95%. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza elettrica Pel assorbita dal motore, in kW.

Q = 100 L/sH = 24 mηpump = 72%ηmotor = 95%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
350 kPa (relativa)PQ = 50 L/sΔz = 27 mL = 150 m, D = 150 mm, f = 0,015, ΣK = 6

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 27 m più in alto. Il tubo è lungo 150 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 6 (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 350 kPa. Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 50 L/sΔz = 27 mL = 150 mD = 150 mmf = 0,015ΣK = 6ptank = 350 kPa
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 50 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) = 250·(50 − 45)/(45 − 20) = 50 kg/h

Risposta

ṁ2 = 50 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 1013 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 = 1900·16/30 = 1013 kg/h

Risposta

P = 1013 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 98,9 °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 − 100) = 432 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 432/(1,5·4,18) = 98,9 °C

Risposta

tout = 98,9 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 3,327 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1·2,44·(160 − 70) = 219,6 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,05)·219,6 = 208,6 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 208,6/(4,18·15) = 3,327 kg/s

Risposta

ṁc = 3,327 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 46,34 L

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

Moli

n = 380/28,01 = 13,57 mol
T = 35 + 273,15 = 308,1 K

Volume

V = nRT/P = 13,57·8,314·308,1/750 = 46,34 L

Risposta

V = 46,34 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 4,904 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 = 80 + 273,15 = 353,1 K

Densità

ρ = 450·32/(8,314·353,1) = 4,904 kg/m³

Risposta

ρ = 4,904 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 9,947 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) = 6/24,31 = 0,2468 mol
n(O2) = 80/32 = 2,5 mol

Reagente limitante

0,2468/2 = 0,1234, 2,5/1 = 2,5 → Mg

Massa di prodotto

n(MgO) = 0,1234·2 = 0,2468 mol
m = 0,2468·40,3 = 9,947 g

Risposta

m = 9,947 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) = 24/24,31 = 0,9872 mol
m = 0,9872·2/2·40,3 = 39,79 g

Resa percentuale

Y = 29,84/39,79·100 = 75%

Risposta

Y = 75%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 0,7778 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

49 = (2x)²/(0,5 − x)²

Estrai la radice quadrata

7 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·7/(2 + 7) = 0,3889 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 0,7778 mol/L

Risposta

[HI] = 0,7778 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [Cl2] = 0,1449 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

0,2 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,2·x − 0,05 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,05))/2 = 0,1449 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[Cl₂] = x = 0,1449 mol/L

Risposta

[Cl2] = 0,1449 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 18,18 °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

75·0,129·(120 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 17)

Ricava la temperatura finale

Tf = (9,675·120 + 836·17)/(9,675 + 836) = 18,18 °C

Risposta

Tf = 18,18 °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: t = 23,75 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Concentrazione finale

CA = 1·(1 − 0,95) = 0,05 mol/L

Legge integrata del secondo ordine

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (20 − 1)/0,8 = 23,75 min

Risposta

t = 23,75 min
14.Cinetica chimica

Risposta: A = 2,586 × 10¹² s⁻¹

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperatura assoluta

T = 60 + 273,15 = 333,1 K

Ricava A dall’equazione di Arrhenius

Ea/(RT) = 90000/(8,314·333,1) = 32,49
A = k·e32,49 = 0,02·1,293 × 10¹⁴ = 2,586 × 10¹² s⁻¹

Risposta

A = 2,586 × 10¹² s⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 401,3 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 − 0,7))/0,3 = 1,204/0,3 = 4,013 min

Volume

V = Q·τ = 100·4,013 = 401,3 L

Risposta

V = 401,3 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 98,77 %

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 = 500/25 = 20 min, kτ = 0,4·20 = 8

Conversione

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 8) = 0,1111
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,01235
X = 1 − 0,01235 = 98,77%

Risposta

X = 98,77%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 8,651 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 controcorrente l’ingresso caldo è di fronte all’uscita fredda, e l’uscita calda di fronte all’ingresso freddo.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 180 − 145 = 35 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 100 − 15 = 85 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (35 − 85)/ln(35/85) = 56,35 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 390000/(800·56,35) = 8,651 m²

Risposta

A = 8,651 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: L = 128,6 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 = 1·2,3·(120 − 65) = 126,5 kW
Tc,out = 10 + 126,5/(0,5·4,18) = 70,53 °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 = 120 − 70,53 = 49,47 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 10 = 55 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (49,47 − 55)/ln(49,47/55) = 52,19 K

Area e lunghezza

A = 126500/(150·52,19) = 16,16 m²
L = A/(πD) = 16,16/(π·0,04) = 128,6 m

Risposta

L = 128,6 m
19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 65,23 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) = (200/1000)/(0,035·15) = 0,381 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,72·15) = 0,002315 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 25/0,3833 = 65,23 W

Risposta

Q̇ = 65,23 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 18,98 °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/(7,7·8) = 0,01623 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,72·8) = 0,03472 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,035·8) = 0,08929 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·8) = 0,005 K/W
ΣR = 0,1452 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (22 − (-5))/0,1452 = 185,9 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 185,9·0,01623 = 18,98 °C

Risposta

Ts = 18,98 °C
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 0,3672 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·0,3²/4 = 0,07069 m²
V = Q/A = 0,12/0,07069 = 1,698 m/s

Altezza cinetica

V²/(2g) = 1,698²/(2·9,81) = 0,1469 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(50/0,3)·1,698²/(2·9,81) = 0,3672 m

Risposta

hf = 0,3672 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 5,781 m

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

Velocità

V = Q/A = 0,08/0,04909 = 1,63 m/s
V²/(2g) = 0,1354 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,025·300/0,25 = 30
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Perdita di carico totale

hf = 30·0,1354 = 4,061 m
hm = 12,7·0,1354 = 1,719 m
Δz = hf + hm = 5,781 m

Risposta

Δz = 5,781 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pel = 34,42 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 = 1000·9,81·0,1·24 = 23,54 kW

Potenza all’albero

Pshaft = 23,54/0,72 = 32,7 kW

Potenza elettrica

Pel = 32,7/0,95 = 34,42 kW

Risposta

Pel = 34,42 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 71,25 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) = (15 + 6)·0,408 = 8,569 m

Altezza piezometrica

p/(ρ·g) = 350000/(1000·9,81) = 35,68 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 = 27 + 35,68 + 8,569 = 71,25 m

Risposta

H = 71,25 m

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