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 1700 kg/h · 35% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 10% NaOHProdotto15% NaOH

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 15% di NaOH? Trova ṁ2.

ṁ1 = 700 kg/hx1 = 35 %x2 = 10 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F600 kg/h · 12% zuccheroProdotto PP = ? · 55%Vapore W (acqua pura)0% zucchero

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

F = 600 kg/hxF = 12 %xP = 55 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoolio leggero · 150 °C80 °Cacqua · 10 °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 = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 80 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 180 °C90 °Cacqua · 15 °C55 °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 = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 90 °Ct: 15 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
200 g di HeV = 30 LT = 60 °CP = ?

Un serbatoio di 30 L contiene 200 g di He a 60 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 200 gM = 4,003 g/molV = 30 LT = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di He passa da 150 kPa, 20 L, 25 °C a 350 kPa e 250 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 150 kPaV1 = 20 LT1 = 25 °CP2 = 350 kPaT2 = 250 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 1/ν× M(CO2​)

20 g di CH4 e 24 g di O2 reagiscono secondo CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Quale massa m di CO2 si può formare?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(Al)n(Al)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(Al)× 2/2× M(AlCl3​)

Nella reazione 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3, 30 g di Al reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 134,9 g di AlCl3. Trova la resa percentuale Y.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molreale: 134,9 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,40,40C−x−x+2xE0,4 − x0,4 − x2x

0,4 mol/L di H₂ e 0,4 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 54. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 54
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,2500C−x+x+xE0,25 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,02 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 = 0,02
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Ferrom = 250 gT = 120 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Acquam = 250 gT = 22 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di ferro da 250 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 120 °C viene immerso in 250 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 22 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 120 °Cmwater = 250 gTwater = 22 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H10 g C6​H12​O6​C6​H12​O6​ + 6O₂reagenti6CO₂ + 6H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 10 g di C6H12O6 (M = 180,16 g/mol) bruciano completamente: C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 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 = ?95%

Una reazione del primo ordine in un reattore batch ha k = 0,05 min⁻¹. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 95%? Trova t.

k = 0,05 min⁻¹X = 95 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk25 °C0,0155 °C0,0914

La costante cinetica di una reazione è 0,01 min⁻¹ a 25 °C e 0,0914 min⁻¹ a 55 °C. Trova l’energia di attivazione Ea.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 25 °Ck2 = 0,0914 min⁻¹T2 = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 40 L/minX = 95%V = ?, k = 0,2 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,2 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 40 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 95%.

Q = 40 L/mink = 0,2 min⁻¹X = 95%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 250 LQ = 80 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,5 min⁻¹) avviene in un CSTR da 250 L alimentato a 80 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 250 LQ = 80 L/mink = 0,5 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT115 °C50 °C10 °C20 °CΔT₁ΔT₂equicorrente

Uno scambiatore di calore equicorrente trasferisce 140 kW. La sua area di scambio è 10 m². Il fluido caldo si raffredda da 115 a 50 °C e il fluido freddo si riscalda da 10 a 20 °C. Trova il coefficiente globale di scambio U.

Q̇ = 140 kWA = 10 m²Th: 115 → 50 °CTc: 10 → 20 °C
U = W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT170 °C105 °C56,82 °C30 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (1,5 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) si raffredda da 170 a 105 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 2 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 30 °C. Con U = 200 W/(m²·K), trova l’area di scambio A necessaria.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 170 → 105 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Mattone, k = 0,72200 mmLana minerale, k = 0,04150 mm19 °C5 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 200 mm di mattone e 150 mm di lana minerale, con un’area di 8 m². Le facce esterne sono a 19 °C e 5 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 200 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 19 °CT3 = 5 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Vetro, k = 0,9650 mmLegno, k = 0,1750 mmstanza 20 °Cesterno -12 °CQ̇ = ?

Una parete di 50 mm vetro e 50 mm legno separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a -12 °C. I coefficienti di convezione sono 10 W/(m²·K) all’interno e 20 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 6 m². Trova la perdita di calore Q̇ attraverso la parete.

L1 = 50 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -12 °C
Q̇ = W
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 2 m/sD = 200 mmL = 1000 mf = 0,022

Acqua (ρ = 1000 kg/m³) scorre a 2 m/s in un tubo orizzontale lungo 1000 m con diametro interno di 200 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,022 e g = 9,81 m/s². Trova la caduta di pressione Δp lungo il tubo in kPa.

V = 2 m/sL = 1000 mD = 200 mmf = 0,022ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 5sbocco liberoH = ?L = 150 m, D = 250 mm, f = 0,0182× curva (K = 0,3)

Un tubo lungo 150 m con diametro interno di 250 mm (fattore di attrito di Darcy f = 0,018) parte da un serbatoio aperto e scarica come getto libero in aria. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 2 curve (K = 0,3 ciascuna) e una valvola (K = 5). Usa g = 9,81 m/s². A quale altezza H deve trovarsi il pelo libero del serbatoio sopra lo sbocco del tubo per avere una portata di 75 L/s?

Q = 75 L/sL = 150 mD = 250 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 5
H = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 80 L/sH = 18 m

Una pompa eroga 80 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 18 m. Il rendimento della pompa è del 80% e il motore elettrico che la aziona ha un rendimento del 95%. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza elettrica Pel assorbita dal motore, in kW.

Q = 80 L/sH = 18 mηpump = 80%ηmotor = 95%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 50 L/sΔz = 6 mL = 500 m, D = 150 mm, f = 0,015, ΣK = 6

Una pompa trasferisce 50 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 6 m più in alto. Il tubo è lungo 500 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 6 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 50 L/sΔz = 6 mL = 500 mD = 150 mmf = 0,015ΣK = 6
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 2800 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) = 700·(35 − 15)/(15 − 10) = 2800 kg/h

Risposta

ṁ2 = 2800 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 130,9 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 = 600·12/55 = 130,9 kg/h

Risposta

P = 130,9 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 36,38 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 1,5·2,1·(150 − 80) = 220,5 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 220,5/(2·4,18) = 36,38 °C

Risposta

tout = 36,38 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 3,488 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 2·3,6·(180 − 90) = 648 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,1)·648 = 583,2 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 583,2/(4,18·40) = 3,488 kg/s

Risposta

ṁc = 3,488 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 4613 kPa

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

Moli

n = m/M = 200/4,003 = 49,96 mol
T = 60 + 273,15 = 333,1 K

Pressione

P = nRT/V = 49,96·8,314·333,1/0,03 = 4613 kPa

Risposta

P = 4613 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 15,04 L

Legge combinata dei gas: per una quantità fissa di gas ideale, P1V1/T1 = P2V2/T2.

Temperature assolute

T1 = 298,1 K, T2 = 523,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(150/350)·(523,1/298,1) = 15,04 L

Risposta

V2 = 15,04 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 16,5 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(CH4) = 20/16,04 = 1,247 mol
n(O2) = 24/32 = 0,75 mol

Reagente limitante

1,247/1 = 1,247, 0,75/2 = 0,375 → O2

Massa di prodotto

n(CO2) = 0,375·1 = 0,375 mol
m = 0,375·44,01 = 16,5 g

Risposta

m = 16,5 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 91 %

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(Al) = 30/26,98 = 1,112 mol
m = 1,112·2/2·133,33 = 148,3 g

Resa percentuale

Y = 134,9/148,3·100 = 91%

Risposta

Y = 91%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,08558 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

54 = (2x)²/(0,4 − x)²

Estrai la radice quadrata

7,348 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·7,348/(2 + 7,348) = 0,3144 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 0,4 − x = 0,08558 mol/L

Risposta

[H2] = 0,08558 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,1886 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/(0,25 − x) → x² + 0,02·x − 0,005 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,005))/2 = 0,06141 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,25 − 0,06141 = 0,1886 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,1886 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 31,51 °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

250·0,449·(120 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 22)

Ricava la temperatura finale

Tf = (112,3·120 + 1045·22)/(112,3 + 1045) = 31,51 °C

Risposta

Tf = 31,51 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 155,5 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° = [6·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

Calore per la massa data

n = 10/180,16 = 0,05551 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,05551·2802 = 155,5 kJ

Risposta

q = 155,5 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: t = 59,91 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 = 0,05

Risolvi per il tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,05)/0,05 = 59,91 min

Risposta

t = 59,91 min
14.Cinetica chimica

Risposta: Ea = 59,99 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 = 328,1 K

Risolvi Arrhenius per Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·2,213/(-3,066e-4) = 59994 J/mol
Ea = 59,99 kJ/mol

Risposta

Ea = 59,99 kJ/mol
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 599,1 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 − 0,95))/0,2 = 2,996/0,2 = 14,98 min

Volume

V = Q·τ = 40·14,98 = 599,1 L

Risposta

V = 599,1 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 60,98 %

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 = 250/80 = 3,125 min, kτ = 0,5·3,125 = 1,563

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 1,563/(1 + 1,563) = 60,98%

Risposta

X = 60,98%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: U = 233,8 W/(m²·K)

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.

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 = 115 − 10 = 105 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 50 − 20 = 30 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (105 − 30)/ln(105/30) = 59,87 K

Coefficiente globale

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 140000/(10·59,87) = 233,8 W/(m²·K)

Risposta

U = 233,8 W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 12,08 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) = 1,5·2,3·65 = 224,2 kW
Tc,out = 30 + 224,2/(2·4,18) = 56,82 °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 = 170 − 56,82 = 113,2 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 105 − 30 = 75 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (113,2 − 75)/ln(113,2/75) = 92,78 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 224250/(200·92,78) = 12,08 m²

Risposta

A = 12,08 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = 18,03 °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) = (200/1000)/(0,72·8) = 0,03472 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,04·8) = 0,4688 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 14/0,5035 = 27,81 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 19 − 27,81·0,03472 = 18,03 °C

Risposta

Ti = 18,03 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 386,9 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/(10·6) = 0,01667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,96·6) = 0,008681 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·6) = 0,04902 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·6) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,0827 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (20 − (-12))/0,0827 = 386,9 W

Risposta

Q̇ = 386,9 W
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δp = 220 kPa

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.

Perdita di carico

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(1000/0,2)·2²/(2·9,81) = 22,43 m

Caduta di pressione

Il tubo è orizzontale e la velocità non cambia, quindi l’equazione dell’energia si riduce a Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·22,43 = 220000 Pa = 220 kPa

Risposta

Δp = 220 kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: H = 2,13 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 = 0,075/0,04909 = 1,528 m/s
V²/(2g) = 0,119 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,018·150/0,25 = 10,8
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 = 6,1

Equazione dell’energia

Il getto in uscita conserva la sua altezza cinetica; non è una perdita, ma deve essere fornita.

H = (1 + 10,8 + 6,1)·0,119 = 2,13 m

Risposta

H = 2,13 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pel = 18,59 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 = 1000·9,81·0,08·18 = 14,13 kW

Potenza all’albero

Pshaft = 14,13/0,8 = 17,66 kW

Potenza elettrica

Pel = 17,66/0,95 = 18,59 kW

Risposta

Pel = 18,59 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 28,85 m

Potenza di una pompa: la potenza ceduta all’acqua è la potenza idraulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. L’albero deve fornire di più perché la pompa ha delle perdite: Pshaft = Ph/ηpump, e il motore assorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La prevalenza H della pompa si ricava dall’equazione dell’energia: dislivello geodetico + altezza piezometrica + tutte le perdite distribuite e localizzate.

Velocità

V = Q/A = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (50 + 6)·0,408 = 22,85 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 = 6 + 22,85 = 28,85 m

Risposta

H = 28,85 m

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