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 1800 kg/h · 50% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 15% NaOHProdotto40% NaOH

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 40% di NaOH? Trova ṁ2.

ṁ1 = 800 kg/hx1 = 50 %x2 = 15 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F1700 kg/h · 17% NaOHProdotto P35% 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 = 1700 kg/hxF = 17 %xP = 35 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 130 °C60 °Cacqua · 15 °Ct = ? °C

Il etanolo caldo raffredda acqua in uno scambiatore controcorrente senza perdite di calore. Trova la temperatura di uscita dell’acqua tout.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 140 °C60 °Cacqua · 20 °C60 °C · ṁ = ?15% perso

Il miscela di glicole 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 = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 60 °Ct: 20 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
220 g di CH₄V = 5 LT = 20 °CP = ?

Un serbatoio di 5 L contiene 220 g di CH₄ a 20 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 220 gM = 16,04 g/molV = 5 LT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
N₂, M = 28,01 g/molP = 900 kPaT = 190 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di N₂ a 900 kPa e 190 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 28,01 g/molP = 900 kPaT = 190 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

10 g di H2 e 48 g di O2 reagiscono secondo 2H2 + O2 → 2H2O. Quale massa m di H2O si può formare?

M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(C6​H12​O6​)n(C6​H12​O6​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C6​H12​O6​)× 2/1× M(CO2​)

Nella reazione C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2, 8 g di C6H12O6 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 3,67 g di CO2. Trova la resa percentuale Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreale: 3,67 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

0,25 mol/L di H₂ e 0,25 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 = 0,25 mol/LKc = 9
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,04 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 1,5 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,04
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Zincom = 250 gT = 180 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Acquam = 250 gT = 23 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di zinco da 250 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 180 °C viene immerso in 250 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 23 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 180 °Cmwater = 250 gTwater = 23 °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 = ?60%

Una reazione di ordine zero ha k = 0,05 mol/(L·min) e parte da 1,2 mol/L. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 60%? Trova t.

k = 0,05 mol/(L·min)CA0 = 1,2 mol/LX = 60 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk25 °C0,0140 °C0,0569

La costante cinetica di una reazione è 0,01 min⁻¹ a 25 °C e 0,0569 min⁻¹ a 40 °C. Trova l’energia di attivazione Ea.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 25 °Ck2 = 0,0569 min⁻¹T2 = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 20 L/minX = 60%V = ?, k = 0,05 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,05 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 20 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 60%.

Q = 20 L/mink = 0,05 min⁻¹X = 60%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 2000 LQ = 20 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,12 min⁻¹) avviene in un CSTR da 2000 L alimentato a 20 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 2000 LQ = 20 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT130 °C20 °C105 °CΔT₁ΔT₂vapore che condensa

In un condensatore, il vapore condensa a 130 °C costanti all’esterno dei tubi. L’acqua di raffreddamento (2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) scorre nei tubi e si riscalda da 20 a 105 °C. Il coefficiente globale di scambio è 3500 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Ts = 130 °Cṁ = 2 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 20 → 105 °CU = 3500 W/(m²·K)
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT140 °C25 °C?ΔT₁ΔT₂vapore che condensa

Il vapore condensa a 140 °C costanti all’esterno dei tubi di un condensatore con un’area di scambio di 6 m² e U = 1000 W/(m²·K). L’acqua di raffreddamento (0,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nei tubi a 25 °C. Trova la temperatura di uscita dell’acqua Tc,out.

Ts = 140 °CA = 6 m²U = 1000 W/(m²·K)ṁ = 0,5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °C
Tc,out = °C
19.Conduzione del caloreMedia
Mattone, k = 0,7250 mmVetro, k = 0,9675 mm25 °C-10 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 50 mm di mattone e 75 mm di vetro, con un’area di 15 m². Le facce esterne sono a 25 °C e -10 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 50 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 25 °CT3 = -10 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Lana minerale, k = 0,04150 mmCalcestruzzo, k = 1,4100 mmstanza 21 °Cesterno -5 °CQ̇

Una parete di 150 mm lana minerale e 100 mm calcestruzzo separa una stanza a 21 °C dall’aria esterna a -5 °C. I coefficienti di convezione sono 6 W/(m²·K) all’interno e 20 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 10 m². Trova la trasmittanza termica U della parete.

L1 = 150 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 10 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -5 °C
U = W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 2,5 m/sD = 75 mmL = 300 mf = 0,03

Acqua scorre con una velocità media di 2,5 m/s in un tubo lungo 300 m con diametro interno di 75 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,03 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

V = 2,5 m/sL = 300 mD = 75 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 2Δz = ?L = 200 m, D = 300 mm, f = 0,022× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 200 m con diametro interno di 300 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 2 curve (K = 0,3 ciascuna), una valvola (K = 2) 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 100 L/s?

Q = 100 L/sL = 200 mD = 300 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 15 L/sH = 12 m

Una pompa con rendimento del 82% eroga 15 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 12 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 15 L/sH = 12 mη = 82%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 80 L/sΔz = 10 mL = 150 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 4

Una pompa trasferisce 80 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 10 m più in alto. Il tubo è lungo 150 m, con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 4 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Il rendimento della pompa è del 65%. Trova la potenza all’albero Pshaft in kW.

Q = 80 L/sΔz = 10 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 4η = 65%
Pshaft = kW

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 320 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) = 800·(50 − 40)/(40 − 15) = 320 kg/h

Risposta

ṁ2 = 320 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 874,3 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 = 1700·17/35 = 825,7 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 1700 − 825,7 = 874,3 kg/h

Risposta

W = 874,3 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 35,43 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 0,5·2,44·(130 − 60) = 85,4 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 85,4/(1·4,18) = 35,43 °C

Risposta

tout = 35,43 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 2,196 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1,5·3,6·(140 − 60) = 432 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·432 = 367,2 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 367,2/(4,18·40) = 2,196 kg/s

Risposta

ṁc = 2,196 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 6686 kPa

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

Moli

n = m/M = 220/16,04 = 13,72 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Pressione

P = nRT/V = 13,72·8,314·293,1/0,005 = 6686 kPa

Risposta

P = 6686 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 6,547 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 = 190 + 273,15 = 463,1 K

Densità

ρ = 900·28,01/(8,314·463,1) = 6,547 kg/m³

Risposta

ρ = 6,547 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 54,06 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(H2) = 10/2,016 = 4,96 mol
n(O2) = 48/32 = 1,5 mol

Reagente limitante

4,96/2 = 2,48, 1,5/1 = 1,5 → O2

Massa di prodotto

n(H2O) = 1,5·2 = 3 mol
m = 3·18,02 = 54,06 g

Risposta

m = 54,06 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 93,9 %

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(C6H12O6) = 8/180,16 = 0,0444 mol
m = 0,0444·2/1·44,01 = 3,909 g

Resa percentuale

Y = 3,67/3,909·100 = 93,9%

Risposta

Y = 93,9%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,1 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/(0,25 − x)²

Estrai la radice quadrata

3 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·3/(2 + 3) = 0,15 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 0,25 − x = 0,1 mol/L

Risposta

[H2] = 0,1 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [Cl2] = 0,2258 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

0,04 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,04·x − 0,06 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,06))/2 = 0,2258 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[Cl₂] = x = 0,2258 mol/L

Risposta

[Cl2] = 0,2258 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 36,34 °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

250·0,388·(180 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 23)

Ricava la temperatura finale

Tf = (97·180 + 1045·23)/(97 + 1045) = 36,34 °C

Risposta

Tf = 36,34 °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 = 14,4 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 = 1,2·0,6 = 0,72 mol/L

Tempo

t = CA0·X/k = 0,72/0,05 = 14,4 min

Risposta

t = 14,4 min
14.Cinetica chimica

Risposta: Ea = 89,98 kJ/mol

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 = 298,1 K, T2 = 313,1 K

Risolvi Arrhenius per Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,739/(-1,607e-4) = 89977 J/mol
Ea = 89,98 kJ/mol

Risposta

Ea = 89,98 kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 366,5 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 − 0,6))/0,05 = 0,9163/0,05 = 18,33 min

Volume

V = Q·τ = 20·18,33 = 366,5 L

Risposta

V = 366,5 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 92,31 %

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

Tempo spaziale

τ = V/Q = 2000/20 = 100 min, kτ = 0,12·100 = 12

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 12/(1 + 12) = 92,31%

Risposta

X = 92,31%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 3,539 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 = 2·4,18·(105 − 20) = 710,6 kW

Differenze di temperatura agli estremi

ΔT₁ = 130 − 20 = 110 K
ΔT₂ = 130 − 105 = 25 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (110 − 25)/ln(110/25) = 57,37 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 710600/(3500·57,37) = 3,539 m²

Risposta

A = 3,539 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Tc,out = 133,5 °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) = 1000·6/(0,5·4180) = 2,871

Temperatura di uscita

ΔT₂ = ΔT₁·e−2,871 = 115·0,05665 = 6,515 K
Tc,out = 140 − 6,515 = 133,5 °C

Risposta

Tc,out = 133,5 °C

Calore trasferito: Q̇ = 226,7 kW.

19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = 8,529 °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) = (50/1000)/(0,72·15) = 0,00463 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,96·15) = 0,005208 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 35/0,009838 = 3558 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 25 − 3558·0,00463 = 8,529 °C

Risposta

Ti = 8,529 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: U = 0,2476 W/(m²·K)

Resistenza termica: il flusso di calore stazionario attraverso strati in serie si comporta come una corrente in resistori in serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) per uno strato conduttivo e R = 1/(hA) per una superficie con convezione. La caduta di temperatura in ogni strato è proporzionale alla sua resistenza.

Resistenze in serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(6·10) = 0,01667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,04·10) = 0,375 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 = 0,4038 K/W

Coefficiente globale

U = 1/(A·ΣR) = 1/(10·0,4038) = 0,2476 W/(m²·K)

Risposta

U = 0,2476 W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 38,23 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) = 2,5²/(2·9,81) = 0,3186 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(300/0,075)·2,5²/(2·9,81) = 38,23 m

Risposta

hf = 38,23 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 1,778 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 = 0,1/0,07069 = 1,415 m/s
V²/(2g) = 0,102 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,02·200/0,3 = 13,33
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Perdita di carico totale

hf = 13,33·0,102 = 1,36 m
hm = 4,1·0,102 = 0,4182 m
Δz = hf + hm = 1,778 m

Risposta

Δz = 1,778 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 2,153 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 = 1000·9,81·0,015·12 = 1,766 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 1,766/0,82 = 2,153 kW

Risposta

Pshaft = 2,153 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 18,16 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 = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (11,25 + 4)·0,3305 = 5,04 m

Prevalenza della pompa

H = Δz + hL = 10 + 5,04 = 15,04 m

Potenza all’albero

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,08·15,04/0,65 = 18,16 kW

Risposta

Pshaft = 18,16 kW

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