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 1450 kg/h · 40% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 10% saleProdotto35% sale

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 35% di sale? Trova ṁ2.

ṁ1 = 450 kg/hx1 = 40 %x2 = 10 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F500 kg/h · 20% 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 = 500 kg/hxF = 20 %xP = 30 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddomiscela di glicole · 140 °C110 °Cacqua · 15 °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 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 110 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoetanolo · 160 °C60 °Cacqua · 30 °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 = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 60 °Ct: 30 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
290 g di ArP = 600 kPaT = 65 °CV = ?

Quale volume V occupano 290 g di Ar a 600 kPa e 65 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 290 gM = 39,95 g/molP = 600 kPaT = 65 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
CH₄, M = 16,04 g/molP = 300 kPaT = 180 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di CH₄ a 300 kPa e 180 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 16,04 g/molP = 300 kPaT = 180 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

16 g di Na e 24 g di Cl2 reagiscono secondo 2Na + Cl2 → 2NaCl. Quale massa m di NaCl si può formare?

M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(Fe2​O3​)× 3/1× M(CO2​)

Nella reazione Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2, 16 g di Fe2O3 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 10,32 g di CO2. Trova la resa percentuale Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreale: 10,32 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

0,8 mol/L di H₂ e 0,8 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 16. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 16
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,02 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 = 0,02
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Ferrom = 150 gT = 160 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Acquam = 100 gT = 21 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di ferro da 150 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 160 °C viene immerso in 100 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 21 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 100 gTwater = 21 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H2CH3​OH + 3O₂reagenti2CO₂ + 4H₂O(l)prodottiΔH° = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare ΔH° della reazione 2CH3OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(CH3OH) = −238,7 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 = ?50%

Una reazione del primo ordine in un reattore batch ha k = 0,05 min⁻¹. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 50%? Trova t.

k = 0,05 min⁻¹X = 50 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk30 °C0,0250 °C?

Una reazione ha una costante cinetica di 0,02 min⁻¹ a 30 °C e un’energia di attivazione di 60 kJ/mol. Trova la costante cinetica k2 a 50 °C.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 30 °CT2 = 50 °CEa = 60 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
QX = 85%stessi Q, k e X del CSTR

Una reazione del primo ordine in fase liquida deve raggiungere una conversione del 85%. 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 = 85%primo ordine, stessi k e Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 150 LV = 150 LQ = 100 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,3 min⁻¹) avviene in due CSTR uguali in serie, ciascuno da 150 L. La portata di alimentazione è 100 L/min, la densità è costante e i reattori sono in regime stazionario. Trova la conversione complessiva X in percentuale.

V = 150 L (×2)Q = 100 L/mink = 0,3 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT110 °C80 °C10 °C50 °CΔT₁ΔT₂equicorrente

Uno scambiatore equicorrente trasferisce 360 kW. Il fluido caldo si raffredda da 110 a 80 °C e il fluido freddo si riscalda da 10 a 50 °C. Il coefficiente globale di scambio è 500 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 360 kWU = 500 W/(m²·K)Th: 110 → 80 °CTc: 10 → 50 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT110 °C75 °C37,58 °C20 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (1 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) si raffredda da 110 a 75 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 1 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 20 °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: 110 → 75 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Legno, k = 0,17250 mmVetro, k = 0,96150 mm19 °C-5 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 250 mm di legno e 150 mm di vetro, con un’area di 10 m². Le facce esterne sono a 19 °C e -5 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 19 °CT3 = -5 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Polistirene espanso, k = 0,03550 mmCartongesso, k = 0,1775 mmstanza 22 °Cesterno -2 °CQ̇ = ?

Una parete di 50 mm polistirene espanso e 75 mm cartongesso 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 4 m². Trova la perdita di calore Q̇ attraverso la parete.

L1 = 50 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 4 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -2 °C
Q̇ = W
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
Q = 75 L/sD = 250 mmL = 400 mf = 0,025

Acqua scorre con una portata di 75 L/s in un tubo lungo 400 m con diametro interno di 250 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,025 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

Q = 75 L/sL = 400 mD = 250 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 5Δz = ?L = 200 m, D = 200 mm, f = 0,0153× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 200 m con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 3 curve (K = 0,3 ciascuna), una valvola (K = 5) 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 = 200 mD = 200 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 10 L/sH = 18 m

Una pompa con rendimento del 85% eroga 10 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 18 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 10 L/sH = 18 mη = 85%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
400 kPa (relativa)PQ = 120 L/sΔz = 16 mL = 500 m, D = 250 mm, f = 0,018, ΣK = 5

Una pompa trasferisce 120 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 16 m più in alto. Il tubo è lungo 500 m, con diametro interno di 250 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,018; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 5 (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 400 kPa. Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 120 L/sΔz = 16 mL = 500 mD = 250 mmf = 0,018ΣK = 5ptank = 400 kPa
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 90 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) = 450·(40 − 35)/(35 − 10) = 90 kg/h

Risposta

ṁ2 = 90 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 333,3 kg/h

Componente chiave: un componente che passa invariato in una sola corrente (qui il soluto) collega direttamente le portate. Poi il bilancio totale dà il resto.

Bilancio del soluto

F·xF = P·xP → P = 500·20/30 = 333,3 kg/h

Risposta

P = 333,3 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 27,92 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 1·3,6·(140 − 110) = 108 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 108/(2·4,18) = 27,92 °C

Risposta

tout = 27,92 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 2,126 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1,5·2,44·(160 − 60) = 366 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·366 = 311,1 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 311,1/(4,18·35) = 2,126 kg/s

Risposta

ṁc = 2,126 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 34,01 L

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

Moli

n = 290/39,95 = 7,259 mol
T = 65 + 273,15 = 338,1 K

Volume

V = nRT/P = 7,259·8,314·338,1/600 = 34,01 L

Risposta

V = 34,01 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 1,277 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 = 180 + 273,15 = 453,1 K

Densità

ρ = 300·16,04/(8,314·453,1) = 1,277 kg/m³

Risposta

ρ = 1,277 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 39,56 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(Na) = 16/22,99 = 0,696 mol
n(Cl2) = 24/70,9 = 0,3385 mol

Reagente limitante

0,696/2 = 0,348, 0,3385/1 = 0,3385 → Cl2

Massa di prodotto

n(NaCl) = 0,3385·2 = 0,677 mol
m = 0,677·58,44 = 39,56 g

Risposta

m = 39,56 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 78,01 %

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(Fe2O3) = 16/159,69 = 0,1002 mol
m = 0,1002·3/1·44,01 = 13,23 g

Resa percentuale

Y = 10,32/13,23·100 = 78,01%

Risposta

Y = 78,01%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 1,067 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/(0,8 − x)²

Estrai la radice quadrata

4 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·4/(2 + 4) = 0,5333 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 1,067 mol/L

Risposta

[HI] = 1,067 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,146 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/(0,2 − x) → x² + 0,02·x − 0,004 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,004))/2 = 0,05403 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,2 − 0,05403 = 0,146 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,146 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 40,29 °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

150·0,449·(160 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 21)

Ricava la temperatura finale

Tf = (67,35·160 + 418·21)/(67,35 + 418) = 40,29 °C

Risposta

Tf = 40,29 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −1453 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) + 4·(−285,8)] − [2·(−238,7) + 3·0] = −1453 kJ

Risposta

ΔH° = −1453 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: t = 13,86 min

Velocità di reazione: per una reazione del primo ordine −dC/dt = kC, quindi C = C₀·e−kt e il tempo di dimezzamento ln 2/k non dipende dalla concentrazione. Per una reazione del secondo ordine 1/C = 1/C₀ + kt. La costante cinetica aumenta con la temperatura secondo Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Conversione e concentrazione

C/C0 = 1 − X = 0,5

Risolvi per il tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,5)/0,05 = 13,86 min

Risposta

t = 13,86 min
14.Cinetica chimica

Risposta: k2 = 0,08728 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 = 323,1 K

Rapporto di Arrhenius

ln(k2/k1) = −(60000/8,314)·(1/323,1 − 1/303,1) = 1,473
k2 = 0,02·e1,473 = 0,08728 min⁻¹

Risposta

k2 = 0,08728 min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: VCSTR/VPFR = 2,987

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) = 0,85/0,15 = 5,667
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(6,667) = 1,897

Rapporto dei volumi

VCSTR/VPFR = 5,667/1,897 = 2,987

Risposta

VCSTR/VPFR = 2,987

La differenza cresce rapidamente ad alte conversioni.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 52,44 %

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 = 150/100 = 1,5 min, kτ = 0,3·1,5 = 0,45

Conversione

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,45) = 0,6897
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,4756
X = 1 − 0,4756 = 52,44%

Risposta

X = 52,44%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 12,38 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 = 110 − 10 = 100 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 80 − 50 = 30 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (100 − 30)/ln(100/30) = 58,14 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 360000/(500·58,14) = 12,38 m²

Risposta

A = 12,38 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 1,161 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) = 1·2,1·35 = 73,5 kW
Tc,out = 20 + 73,5/(1·4,18) = 37,58 °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 = 110 − 37,58 = 72,42 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 20 = 55 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (72,42 − 55)/ln(72,42/55) = 63,31 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 73500/(1000·63,31) = 1,161 m²

Risposta

A = 1,161 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = −2,695 °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 degli strati

R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·10) = 0,1471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,96·10) = 0,01563 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 24/0,1627 = 147,5 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 19 − 147,5·0,1471 = −2,695 °C

Risposta

Ti = −2,695 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 47,22 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 in serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(7,7·4) = 0,03247 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,035·4) = 0,3571 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·4) = 0,1103 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·4) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,5082 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (22 − (-2))/0,5082 = 47,22 W

Risposta

Q̇ = 47,22 W
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 4,759 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·0,25²/4 = 0,04909 m²
V = Q/A = 0,075/0,04909 = 1,528 m/s

Altezza cinetica

V²/(2g) = 1,528²/(2·9,81) = 0,119 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(400/0,25)·1,528²/(2·9,81) = 4,759 m

Risposta

hf = 4,759 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 2,892 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 = 0,05/0,03142 = 1,592 m/s
V²/(2g) = 0,1291 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,015·200/0,2 = 15
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 5 + 1,0 = 7,4

Perdita di carico totale

hf = 15·0,1291 = 1,937 m
hm = 7,4·0,1291 = 0,9554 m
Δz = hf + hm = 2,892 m

Risposta

Δz = 2,892 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 2,077 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 = 1000·9,81·0,01·18 = 1,766 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 1,766/0,85 = 2,077 kW

Risposta

Pshaft = 2,077 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 69,26 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 = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (36 + 5)·0,3046 = 12,49 m

Altezza piezometrica

p/(ρ·g) = 400000/(1000·9,81) = 40,77 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 = 16 + 40,77 + 12,49 = 69,26 m

Risposta

H = 69,26 m

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