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.

Nuovi eserciziTorna al corso

Nella finestra di stampa scegli “Salva come PDF” per conservarne una copia sul tuo dispositivo.

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 · 40% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 10% 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 = 40 %x2 = 10 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F1000 kg/h · 19% NaOHProdotto P30% NaOHVapore W (acqua pura)W = ? kg/h

Un evaporatore concentra una soluzione di NaOH facendo evaporare acqua pura. Trova l’acqua evaporata W in kg/h.

F = 1000 kg/hxF = 19 %xP = 30 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddomiscela di glicole · 180 °C70 °Cacqua · 25 °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 → 70 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoetanolo · 150 °C100 °Cacqua · 15 °C80 °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: 150 → 100 °Ct: 15 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
330 g di N₂V = 20 LT = 90 °CP = ?

Un serbatoio di 20 L contiene 330 g di N₂ a 90 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 330 gM = 28,01 g/molV = 20 LT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Ar, M = 39,95 g/molP = 200 kPaT = 120 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di Ar a 200 kPa e 120 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 39,95 g/molP = 200 kPaT = 120 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

24 g di Fe2O3 e 40 g di CO reagiscono secondo Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. Quale massa m di CO2 si può formare?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(CH4​)n(CH4​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(CH4​)× 2/1× M(H2​O)

Nella reazione CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, 8 g di CH4 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 12,58 g di H2O. Trova la resa percentuale Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreale: 12,58 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 = 9. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 9
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,2500C−x+x+xE0,25 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,05 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,25 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Piombom = 75 gT = 190 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Acquam = 150 gT = 25 °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 25 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 190 °Cmwater = 150 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H25 g C3​H8​C3​H8​ + 5O₂reagenti3CO₂ + 4H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 25 g di C3H8 (M = 44,1 g/mol) bruciano completamente: C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(C3H8) = −103,8 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 = ?99%

Una reazione del primo ordine in un reattore batch ha k = 0,2 min⁻¹. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 99%? Trova t.

k = 0,2 min⁻¹X = 99 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
1/Tln kT = 80 °Cln 0,1ln A = ?Ea​ = 40 kJ/mol

Una reazione del primo ordine ha una costante cinetica di 0,1 s⁻¹ a 80 °C e un’energia di attivazione di 40 kJ/mol. Trova il fattore pre-esponenziale A nell’equazione di Arrhenius.

k = 0,1 s⁻¹T = 80 °CEa = 40 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 80 L/minCA0​ = 1,5 mol/LCA​ = ?V = 200 L, k = 0,5 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B (k = 0,5 min⁻¹) avviene in un reattore a flusso a pistone (PFR) da 200 L. L’alimentazione entra a 80 L/min con CA0 = 1,5 mol/L. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la concentrazione di uscita CA.

V = 200 LQ = 80 L/mink = 0,5 min⁻¹CA0 = 1,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 800 LQ = 80 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,05 min⁻¹) avviene in un CSTR da 800 L alimentato a 80 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 800 LQ = 80 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT100 °C10 °C25 °CΔT₁ΔT₂vapore che condensa

In un condensatore, il vapore condensa a 100 °C costanti all’esterno dei tubi. L’acqua di raffreddamento (3 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) scorre nei tubi e si riscalda da 10 a 25 °C. Il coefficiente globale di scambio è 2500 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Ts = 100 °Cṁ = 3 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 10 → 25 °CU = 2500 W/(m²·K)
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT135 °C70 °C20 °C?ΔT₁ΔT₂equicorrente

In uno scambiatore a doppio tubo equicorrente, olio caldo (0,3 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) scorre nel tubo interno e si raffredda da 135 a 70 °C. Acqua (0,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) nell’intercapedine anulare entra a 20 °C. Il tubo interno ha un diametro di 40 mm, e U = 300 W/(m²·K) è riferito a questo diametro. Trova la lunghezza del tubo L necessaria.

ṁh = 0,3 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 135 → 70 °Cṁc = 0,5 kg/sTc,in = 20 °CD = 40 mmU = 300 W/(m²·K)
L = m
19.Conduzione del caloreMedia
Mattone, k = 0,72150 mmVetro, k = 0,96100 mm20 °C10 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 150 mm di mattone e 100 mm di vetro, con un’area di 15 m². Le facce esterne sono a 20 °C e 10 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 150 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 20 °CT3 = 10 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Mattone, k = 0,72100 mmCalcestruzzo, k = 1,4100 mmstanza 20 °Cesterno -4 °CQ̇ = ?

Una parete di 100 mm mattone e 100 mm calcestruzzo separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a -4 °C. I coefficienti di convezione sono 8 W/(m²·K) all’interno e 20 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 10 m². Trova la perdita di calore Q̇ attraverso la parete.

L1 = 100 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 10 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -4 °C
Q̇ = W
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
Q = 12 L/sD = 150 mmL = 200 mf = 0,028

Acqua scorre con una portata di 12 L/s in un tubo lungo 200 m con diametro interno di 150 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.

Q = 12 L/sL = 200 mD = 150 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 0,2Δz = 25 mL = 150 m, D = 150 mm, f = 0,023× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 150 m con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02. Il pelo libero del serbatoio superiore si trova 25 m sopra quello del serbatoio inferiore. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 3 curve (K = 0,3 ciascuna), una valvola (K = 0,2) e lo sbocco nel serbatoio inferiore (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Trova la portata Q in L/s.

Δz = 25 mL = 150 mD = 150 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 50 L/sH = 58 m

Una pompa eroga 50 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 58 m. Il rendimento della pompa è del 78% e il motore elettrico che la aziona ha un rendimento del 94%. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza elettrica Pel assorbita dal motore, in kW.

Q = 50 L/sH = 58 mηpump = 78%ηmotor = 94%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 20 L/sΔz = 30 mL = 150 m, D = 100 mm, f = 0,022, ΣK = 8

Una pompa trasferisce 20 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 30 m più in alto. Il tubo è lungo 150 m, con diametro interno di 100 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,022; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 8 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 20 L/sΔz = 30 mL = 150 mD = 100 mmf = 0,022ΣK = 8
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 650 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·(40 − 25)/(25 − 10) = 650 kg/h

Risposta

ṁ2 = 650 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 366,7 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 = 1000·19/30 = 633,3 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 1000 − 633,3 = 366,7 kg/h

Risposta

W = 366,7 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 96,05 °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 − 70) = 594 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 594/(2·4,18) = 96,05 °C

Risposta

tout = 96,05 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,1908 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 0,5·2,44·(150 − 100) = 61 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·61 = 51,85 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 51,85/(4,18·65) = 0,1908 kg/s

Risposta

ṁc = 0,1908 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 1779 kPa

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

Moli

n = m/M = 330/28,01 = 11,78 mol
T = 90 + 273,15 = 363,1 K

Pressione

P = nRT/V = 11,78·8,314·363,1/0,02 = 1779 kPa

Risposta

P = 1779 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 2,444 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 = 120 + 273,15 = 393,1 K

Densità

ρ = 200·39,95/(8,314·393,1) = 2,444 kg/m³

Risposta

ρ = 2,444 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 19,84 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) = 24/159,69 = 0,1503 mol
n(CO) = 40/28,01 = 1,428 mol

Reagente limitante

0,1503/1 = 0,1503, 1,428/3 = 0,476 → Fe2O3

Massa di prodotto

n(CO2) = 0,1503·3 = 0,4509 mol
m = 0,4509·44,01 = 19,84 g

Risposta

m = 19,84 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 69,99 %

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(CH4) = 8/16,04 = 0,4988 mol
m = 0,4988·2/1·18,02 = 17,98 g

Resa percentuale

Y = 12,58/17,98·100 = 69,99%

Risposta

Y = 69,99%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,2 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

9 = (2x)²/(0,5 − x)²

Estrai la radice quadrata

3 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·3/(2 + 3) = 0,3 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 0,5 − x = 0,2 mol/L

Risposta

[H2] = 0,2 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,1604 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

0,05 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,05·x − 0,0125 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,0125))/2 = 0,08956 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,25 − 0,08956 = 0,1604 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,1604 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 27,51 °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 − 25)

Ricava la temperatura finale

Tf = (9,675·190 + 627·25)/(9,675 + 627) = 27,51 °C

Risposta

Tf = 27,51 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 1258 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

Calore per la massa data

n = 25/44,1 = 0,5669 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,5669·2220 = 1258 kJ

Risposta

q = 1258 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: t = 23,03 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 = 0,01

Risolvi per il tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,01)/0,2 = 23,03 min

Risposta

t = 23,03 min
14.Cinetica chimica

Risposta: A = 82535 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 = 80 + 273,15 = 353,1 K

Ricava A dall’equazione di Arrhenius

Ea/(RT) = 40000/(8,314·353,1) = 13,62
A = k·e13,62 = 0,1·8,254 × 10⁵ = 82535 s⁻¹

Risposta

A = 82535 s⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: CA = 0,4298 mol/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 = V/Q = 200/80 = 2,5 min

Concentrazione di uscita

CA = 1,5·e−0,5·2,5 = 0,4298 mol/L

Risposta

CA = 0,4298 mol/L

Conversione: X = 71,35%.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 33,33 %

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 = 800/80 = 10 min, kτ = 0,05·10 = 0,5

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 0,5/(1 + 0,5) = 33,33%

Risposta

X = 33,33%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 0,9145 m²

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 dal lato acqua

Q̇ = 3·4,18·(25 − 10) = 188,1 kW

Differenze di temperatura agli estremi

ΔT₁ = 100 − 10 = 90 K
ΔT₂ = 100 − 25 = 75 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (90 − 75)/ln(90/75) = 82,27 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 188100/(2500·82,27) = 0,9145 m²

Risposta

A = 0,9145 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: L = 21,39 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 = 0,3·2,5·(135 − 70) = 48,75 kW
Tc,out = 20 + 48,75/(0,5·4,18) = 43,33 °C

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 = 135 − 20 = 115 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 70 − 43,33 = 26,67 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (115 − 26,67)/ln(115/26,67) = 60,45 K

Area e lunghezza

A = 48750/(300·60,45) = 2,688 m²
L = A/(πD) = 2,688/(π·0,04) = 21,39 m

Risposta

L = 21,39 m
19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = 13,33 °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) = (150/1000)/(0,72·15) = 0,01389 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,96·15) = 0,006944 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 10/0,02083 = 480 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 20 − 480·0,01389 = 13,33 °C

Risposta

Ti = 13,33 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 622,9 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/(8·10) = 0,0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,72·10) = 0,01389 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1,4·10) = 0,007143 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·10) = 0,005 K/W
ΣR = 0,03853 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (20 − (-4))/0,03853 = 622,9 W

Risposta

Q̇ = 622,9 W
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 0,8774 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·0,15²/4 = 0,01767 m²
V = Q/A = 0,012/0,01767 = 0,6791 m/s

Altezza cinetica

V²/(2g) = 0,6791²/(2·9,81) = 0,0235 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(200/0,15)·0,6791²/(2·9,81) = 0,8774 m

Risposta

hf = 0,8774 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Q = 82,33 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 = 0,02·150/0,15 = 20
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,6

Equazione dell’energia

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

25 = (20 + 2,6)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·25/22,6) = 4,659 m/s

Portata

Q = V·π·D²/4 = 4,659·0,01767 = 0,08233 m³/s = 82,33 L/s

Risposta

Q = 82,33 L/s
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pel = 38,8 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 = 1000·9,81·0,05·58 = 28,45 kW

Potenza all’albero

Pshaft = 28,45/0,78 = 36,47 kW

Potenza elettrica

Pel = 36,47/0,94 = 38,8 kW

Risposta

Pel = 38,8 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 43,55 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 = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (33 + 8)·0,3305 = 13,55 m

Prevalenza della pompa

Entrambe le superfici sono aperte e praticamente in quiete, quindi i termini di pressione e di velocità si annullano.

H = Δz + hL = 30 + 13,55 = 43,55 m

Risposta

H = 43,55 m

Questo è materiale di esercitazione indipendente. ExamProblems non è affiliato né approvato dall’organizzazione che gestisce questo esame, e il nome dell’esame è usato solo per descrivere i contenuti. Il FE exam è gestito da NCEES, che non è affiliato a ExamProblems e non lo approva.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-chemical