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 1550 kg/h · 20% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 50% NaOHProdotto30% NaOH

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

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 20 %x2 = 50 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F1800 kg/h · 6% zuccheroProdotto P40% 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 = 1800 kg/hxF = 6 %xP = 40 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoolio leggero · 180 °C140 °Cacqua · 15 °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 → 140 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 140 °C80 °Cacqua · 25 °C75 °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 = 1 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 80 °Ct: 25 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
100 g di N₂V = 10 LT = 30 °CP = ?

Un serbatoio di 10 L contiene 100 g di N₂ a 30 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 100 gM = 28,01 g/molV = 10 LT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
He, M = 4,003 g/molP = 450 kPaT = 10 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di He a 450 kPa e 10 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 4,003 g/molP = 450 kPaT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

30 g di Al e 24 g di Cl2 reagiscono secondo 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3. Quale massa m di AlCl3 si può formare?

M(Al) = 26,98M(Cl2) = 70,9M(AlCl3) = 133,33 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(Na)n(Na)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(Na)× 2/2× M(NaCl)

Nella reazione 2Na + Cl2 → 2NaCl, 6 g di Na reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 12,96 g di NaCl. Trova la resa percentuale Y.

M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/molreale: 12,96 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

0,2 mol/L di H₂ e 0,2 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 36. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 36
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,01 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 = 0,01
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Piombom = 75 gT = 190 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Acquam = 150 gT = 18 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di piombo da 75 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 190 °C viene immerso in 150 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 18 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 190 °Cmwater = 150 gTwater = 18 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H10 g C2​H5​OHC2​H5​OH + 3O₂reagenti2CO₂ + 3H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 10 g di C2H5OH (M = 46,07 g/mol) bruciano completamente: C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 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 = ?60%

Una reazione di ordine zero ha k = 0,05 mol/(L·min) e parte da 1 mol/L. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 60%? Trova t.

k = 0,05 mol/(L·min)CA0 = 1 mol/LX = 60 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
t (min)X (%)30 minX = ?

Una reazione del primo ordine ha k = 0,01 min⁻¹ a 20 °C e un’energia di attivazione di 60 kJ/mol. Il reattore batch ora lavora a 40 °C per 30 min. Trova la conversione X raggiunta.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 20 °CEa = 60 kJ/molT2 = 40 °Ct = 30 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 50 L/minX = 75%V = ?, k = 0,1 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,1 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 50 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 75%.

Q = 50 L/mink = 0,1 min⁻¹X = 75%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 2000 LQ = 5 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,08 min⁻¹) avviene in un CSTR da 2000 L alimentato a 5 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 2000 LQ = 5 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT120 °C55 °C80 °C30 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore controcorrente trasferisce 450 kW. Il fluido caldo si raffredda da 120 a 55 °C e il fluido freddo si riscalda da 30 a 80 °C. Il coefficiente globale di scambio è 800 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 450 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 120 → 55 °CTc: 30 → 80 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT120 °C15 °C?ΔT₁ΔT₂vapore che condensa

Il vapore condensa a 120 °C costanti all’esterno dei tubi di un condensatore con un’area di scambio di 2 m² e U = 1000 W/(m²·K). L’acqua di raffreddamento (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nei tubi a 15 °C. Trova la temperatura di uscita dell’acqua Tc,out.

Ts = 120 °CA = 2 m²U = 1000 W/(m²·K)ṁ = 1,5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °C
Tc,out = °C
19.Conduzione del caloreMedia
Vetro, k = 0,96250 mmCalcestruzzo, k = 1,450 mm23 °C-10 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 250 mm di vetro e 50 mm di calcestruzzo, con un’area di 8 m². Le facce esterne sono a 23 °C e -10 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 250 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 23 °CT3 = -10 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Cartongesso, k = 0,17100 mmLana minerale, k = 0,0475 mmstanza 21 °Cesterno 2 °CQ̇

Una parete di 100 mm cartongesso e 75 mm lana minerale separa una stanza a 21 °C dall’aria esterna a 2 °C. I coefficienti di convezione sono 8 W/(m²·K) all’interno e 30 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 20 m². Trova la trasmittanza termica U della parete.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 20 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 2 °C
U = W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 0,9 m/sD = 200 mmL = 1000 mf = 0,028

Acqua scorre con una velocità media di 0,9 m/s in un tubo lungo 1000 m con diametro interno di 200 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,028 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

V = 0,9 m/sL = 1000 mD = 200 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 2Δz = 34 mL = 100 m, D = 100 mm, f = 0,0154× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 100 m con diametro interno di 100 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015. Il pelo libero del serbatoio superiore si trova 34 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 = 34 mL = 100 mD = 100 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 150 L/sH = 68 m

In una prova, una pompa eroga 150 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 68 m mentre il suo albero assorbe 117,7 kW. Usa g = 9,81 m/s². Trova il rendimento della pompa η in percentuale.

Q = 150 L/sH = 68 mPshaft = 117,7 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 75 L/sΔz = 7 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,02, ΣK = 6

Una pompa trasferisce 75 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 7 m più in alto. Il tubo è lungo 200 m, con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 6 (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 = 75 L/sΔz = 7 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 6η = 72%
Pshaft = kW

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 275 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
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Risolvi per ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 550·(20 − 30)/(30 − 50) = 275 kg/h

Risposta

ṁ2 = 275 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 1530 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 = 1800·6/40 = 270 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 1800 − 270 = 1530 kg/h

Risposta

W = 1530 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 95,38 °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 − 140) = 168 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 168/(0,5·4,18) = 95,38 °C

Risposta

tout = 95,38 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,9301 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1·3,6·(140 − 80) = 216 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,1)·216 = 194,4 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 194,4/(4,18·50) = 0,9301 kg/s

Risposta

ṁc = 0,9301 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 899,8 kPa

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

Moli

n = m/M = 100/28,01 = 3,57 mol
T = 30 + 273,15 = 303,1 K

Pressione

P = nRT/V = 3,57·8,314·303,1/0,01 = 899,8 kPa

Risposta

P = 899,8 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 0,7652 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 = 10 + 273,15 = 283,1 K

Densità

ρ = 450·4,003/(8,314·283,1) = 0,7652 kg/m³

Risposta

ρ = 0,7652 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 30,09 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(Al) = 30/26,98 = 1,112 mol
n(Cl2) = 24/70,9 = 0,3385 mol

Reagente limitante

1,112/2 = 0,556, 0,3385/3 = 0,1128 → Cl2

Massa di prodotto

n(AlCl3) = 0,1128·2 = 0,2257 mol
m = 0,2257·133,33 = 30,09 g

Risposta

m = 30,09 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 84,97 %

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(Na) = 6/22,99 = 0,261 mol
m = 0,261·2/2·58,44 = 15,25 g

Resa percentuale

Y = 12,96/15,25·100 = 84,97%

Risposta

Y = 84,97%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,05 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

36 = (2x)²/(0,2 − x)²

Estrai la radice quadrata

6 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·6/(2 + 6) = 0,15 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 0,2 − x = 0,05 mol/L

Risposta

[H2] = 0,05 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,16 mol/L

Equilibrio chimico: per aA + bB ⇌ cC + dD, la costante di equilibrio è Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), con le concentrazioni all’equilibrio. Una tabella ICE (Iniziale, Variazione, Equilibrio) collega le quantità iniziali a quelle all’equilibrio tramite un’unica incognita x, moltiplicata per i coefficienti.

Espressione all’equilibrio

0,01 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,01·x − 0,002 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,002))/2 = 0,04 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,2 − 0,04 = 0,16 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,16 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 20,61 °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·(190 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 18)

Ricava la temperatura finale

Tf = (9,675·190 + 627·18)/(9,675 + 627) = 20,61 °C

Risposta

Tf = 20,61 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 296,7 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° = [2·(−393,5) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Calore per la massa data

n = 10/46,07 = 0,2171 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,2171·1367 = 296,7 kJ

Risposta

q = 296,7 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: t = 12 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).

Quantità convertita

CA0·X = 1·0,6 = 0,6 mol/L

Tempo

t = CA0·X/k = 0,6/0,05 = 12 min

Risposta

t = 12 min
14.Cinetica chimica

Risposta: X = 76,43 %

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).

Costante cinetica alla nuova temperatura

T1 = 293,1 K, T2 = 313,1 K
k2 = 0,01·e−(60000/8,314)·(1/313,1 − 1/293,1) = 0,04818 min⁻¹

Conversione

X = 1 − e−0,04818·30 = 1 − 0,2357 = 76,43 %

Risposta

X = 76,43 %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 693,1 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 − 0,75))/0,1 = 1,386/0,1 = 13,86 min

Volume

V = Q·τ = 50·13,86 = 693,1 L

Risposta

V = 693,1 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 96,97 %

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

Tempo spaziale

τ = V/Q = 2000/5 = 400 min, kτ = 0,08·400 = 32

Conversione

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

Risposta

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

Risposta: A = 17,63 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 = 120 − 80 = 40 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 30 = 25 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (40 − 25)/ln(40/25) = 31,91 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 450000/(800·31,91) = 17,63 m²

Risposta

A = 17,63 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Tc,out = 43,68 °C

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

Combina il bilancio energetico e l’equazione di scambio

Con ΔT₁ = Ts − Tc,in e ΔT₂ = Ts − Tc,out, la differenza ΔT₁ − ΔT₂ è uguale all’aumento di temperatura dell’acqua, quindi l’aumento si semplifica.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 1000·2/(1,5·4180) = 0,319

Temperatura di uscita

ΔT₂ = ΔT₁·e−0,319 = 105·0,7269 = 76,32 K
Tc,out = 120 − 76,32 = 43,68 °C

Risposta

Tc,out = 43,68 °C

Calore trasferito: Q̇ = 179,8 kW.

19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 891,5 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)/(0,96·8) = 0,03255 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(1,4·8) = 0,004464 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 33/0,03702 = 891,5 W

Risposta

Q̇ = 891,5 W
20.Conduzione del calore

Risposta: U = 0,3815 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/(8·20) = 0,00625 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·20) = 0,02941 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,04·20) = 0,09375 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·20) = 0,001667 K/W
ΣR = 0,1311 K/W

Coefficiente globale

U = 1/(A·ΣR) = 1/(20·0,1311) = 0,3815 W/(m²·K)

Risposta

U = 0,3815 W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 5,78 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.

Altezza cinetica

V²/(2g) = 0,9²/(2·9,81) = 0,04128 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(1000/0,2)·0,9²/(2·9,81) = 5,78 m

Risposta

hf = 5,78 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Q = 45,7 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 = 0,015·100/0,1 = 15
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.

34 = (15 + 4,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·34/19,7) = 5,819 m/s

Portata

Q = V·π·D²/4 = 5,819·0,007854 = 0,0457 m³/s = 45,7 L/s

Risposta

Q = 45,7 L/s
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: η = 85,01 %

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 = 1000·9,81·0,15·68 = 100,1 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 100,1/117,7 = 85,01%

Risposta

η = 85,01%
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 14,87 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (20 + 6)·0,2905 = 7,553 m

Prevalenza della pompa

H = Δz + hL = 7 + 7,553 = 14,55 m

Potenza all’albero

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,075·14,55/0,72 = 14,87 kW

Risposta

Pshaft = 14,87 kW

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