Esercitazione per l’esame FE Chemical: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 24 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Bilancio di massa

Regime stazionario
entrata = uscita
Bilancio totale
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Bilancio per componente
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Evaporatore
F·xF = P·xP, W = F − P

Bilancio energetico

Calore sensibile
Q = ṁ·cp·ΔT
Calore latente
Q = ṁ·hfg
Miscelazione
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Acqua
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Legge dei gas ideali

Legge dei gas ideali
pV = nRT
Costante dei gas
R = 8,314 J/(mol·K)
Legge combinata dei gas
p1V1/T1 = p2V2/T2
Moli
n = m/M
Temperatura
T[K] = T[°C] + 273,15

Stechiometria

Moli
n = m/M
Concentrazione
c = n/V
Rapporto molare
usa i coefficienti dell’equazione bilanciata
Reagente limitante
quello che si esaurisce per primo
Resa percentuale
effettiva / teorica × 100%

Metodo

  1. Scrivi e bilancia l’equazione chimica.
  2. Converti la massa data in moli: n = m/M.
  3. Usa i coefficienti come rapporto molare per trovare le moli della sostanza che ti interessa.
  4. Riconverti in massa con m = n·M. Con due reagenti, trova prima il reagente limitante.

Equilibrio chimico

Costante di equilibrio
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Tabella ICE
Iniziale, Variazione (×coefficiente), Equilibrio
Equazione di secondo grado
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Metodo

  1. Scrivi Kc con i prodotti al numeratore e i reagenti al denominatore, ciascuno elevato al proprio coefficiente.
  2. Imposta una tabella ICE: Iniziale, Variazione (multipli di x secondo i coefficienti), Equilibrio.
  3. Inserisci le espressioni all’equilibrio in Kc e risolvi per x.
  4. Controlla se x è abbastanza piccolo per un’approssimazione; altrimenti risolvi l’equazione di secondo grado.

Calorimetria ed entalpia

Calore
q = m·c·ΔT
Acqua
c = 4,18 J/(g·°C)
Calorimetro
calore ceduto = calore assorbito
Entalpia di reazione
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

Cinetica chimica

Primo ordine
ln(CA/CA0) = −kt
Tempo di dimezzamento (primo ordine)
t½ = ln 2/k
Secondo ordine
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Due temperature
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Tempo spaziale
τ = V/Q
CSTR, primo ordine
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, primo ordine
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Conversione dal volume
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N CSTR uguali in serie
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Scambiatori di calore (LMTD)

Potenza termica
Q = U·A·ΔTlm
Differenza di temperatura media logaritmica
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Bilancio di una corrente
Q = ṁcp(Tin − Tout)

Conduzione del calore

Legge di Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Resistenza conduttiva
R = L/(kA)
Resistenza convettiva
R = 1/(hA)
Resistenze in serie
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Trasmittanza U
U = 1/(ΣR·A)

Attrito nei condotti e perdite di carico

Numero di Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Regime di moto
laminare sotto Re ≈ 2000, turbolento sopra Re ≈ 4000
Velocità media
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Perdite localizzate
hm = ΣK·V²/(2g)
Valori tipici di K
imbocco 0,5, sbocco 1,0, curva a 90° ≈ 0,3
Caduta di pressione
Δp = ρ·g·hf
Due serbatoi aperti
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Sbocco libero
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pompe e potenza delle pompe

Potenza idraulica
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Potenza all’albero
Pshaft = Ph/ηpump
Potenza elettrica
Pel = Pshaft/ηmotor
Prevalenza della pompa
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Perdite dell’impianto
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Esercizi

1.Bilancio di massaMedia
MiscelatoreCorrente 1550 kg/h · 30% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 5% saleProdotto10% sale

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 10% di sale? Trova ṁ2.

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 30 %x2 = 5 %x3 = 10 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F1000 kg/h · 10% zuccheroProdotto PP = ? · 65%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 = 1000 kg/hxF = 10 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 180 °C140 °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 = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 140 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoolio leggero · 160 °C120 °Cacqua · 30 °C90 °C · ṁ = ?15% perso

Il olio leggero 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 = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 120 °Ct: 30 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
250 g di N₂P = 250 kPaT = 55 °CV = ?

Quale volume V occupano 250 g di N₂ a 250 kPa e 55 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 250 gM = 28,01 g/molP = 250 kPaT = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
CH₄, M = 16,04 g/molP = 200 kPaT = 150 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di CH₄ a 200 kPa e 150 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 16,04 g/molP = 200 kPaT = 150 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 4/ν× M(H2​O)

6 g di C3H8 e 48 g di O2 reagiscono secondo C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. Quale massa m di H2O si può formare?

M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 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, 20 g di CH4 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 40,89 g di H2O. Trova la resa percentuale Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreale: 40,89 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 = 25. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 25
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,05 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,8 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Ferrom = 100 gT = 80 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Acquam = 400 gT = 18 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di ferro da 100 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 80 °C viene immerso in 400 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 18 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 80 °Cmwater = 400 gTwater = 18 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H25 g C2​H6​2C2​H6​ + 7O₂reagenti4CO₂ + 6H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 25 g di C2H6 (M = 30,07 g/mol) bruciano completamente: 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(C2H6) = −84,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.Cinetica chimicaMedia
t (min)X (%)t = ?90%

Una reazione del secondo ordine (−rA = k·CA²) in un reattore batch ha k = 1 L/(mol·min) e parte da 1 mol/L. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 90%? Trova t.

k = 1 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/LX = 90 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
1/Tln kT = 100 °Cln 0,005ln A = ?Ea​ = 90 kJ/mol

Una reazione del primo ordine ha una costante cinetica di 0,005 s⁻¹ a 100 °C e un’energia di attivazione di 90 kJ/mol. Trova il fattore pre-esponenziale A nell’equazione di Arrhenius.

k = 0,005 s⁻¹T = 100 °CEa = 90 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 10 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 10 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 = 10 L/mink = 0,2 min⁻¹X = 95%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 50 LV = 50 LQ = 20 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,08 min⁻¹) avviene in due CSTR uguali in serie, ciascuno da 50 L. La portata di alimentazione è 20 L/min, la densità è costante e i reattori sono in regime stazionario. Trova la conversione complessiva X in percentuale.

V = 50 L (×2)Q = 20 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT85 °C70 °C10 °C20 °CΔT₁ΔT₂equicorrente

Uno scambiatore equicorrente trasferisce 370 kW. Il fluido caldo si raffredda da 85 a 70 °C e il fluido freddo si riscalda da 10 a 20 °C. Il coefficiente globale di scambio è 500 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 370 kWU = 500 W/(m²·K)Th: 85 → 70 °CTc: 10 → 20 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT100 °C40 °C32,61 °C10 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (1,5 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) si raffredda da 100 a 40 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 2 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 10 °C. Con U = 1500 W/(m²·K), trova l’area di scambio A necessaria.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 100 → 40 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Cartongesso, k = 0,17150 mmPolistirene espanso, k = 0,03575 mm19 °C-5 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 150 mm di cartongesso e 75 mm di polistirene espanso, con un’area di 15 m². Le facce esterne sono a 19 °C e -5 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 19 °CT3 = -5 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Mattone, k = 0,72200 mmPolistirene espanso, k = 0,03550 mmstanza 22 °Cesterno -11 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 200 mm mattone e 50 mm polistirene espanso separa una stanza a 22 °C dall’aria esterna a -11 °C. I coefficienti di convezione sono 7,7 W/(m²·K) all’interno e 25 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 8 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 200 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 8 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -11 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
Q = 5 L/sD = 100 mmL = 200 mf = 0,02

Acqua scorre con una portata di 5 L/s in un tubo lungo 200 m con diametro interno di 100 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,02 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

Q = 5 L/sL = 200 mD = 100 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 10Δz = 38 mL = 100 m, D = 100 mm, f = 0,023× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 100 m con diametro interno di 100 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02. Il pelo libero del serbatoio superiore si trova 38 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 = 10) e lo sbocco nel serbatoio inferiore (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Trova la portata Q in L/s.

Δz = 38 mL = 100 mD = 100 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 100 L/sH = 64 m

Una pompa con rendimento del 85% eroga 100 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 64 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 100 L/sH = 64 mη = 85%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 50 L/sΔz = 22 mL = 200 m, D = 150 mm, f = 0,025, 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 22 m più in alto. Il tubo è lungo 200 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,025; 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 = 22 mL = 200 mD = 150 mmf = 0,025ΣK = 6
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 2200 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) = 550·(30 − 10)/(10 − 5) = 2200 kg/h

Risposta

ṁ2 = 2200 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 153,8 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 = 1000·10/65 = 153,8 kg/h

Risposta

P = 153,8 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 38,35 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 2·2,44·(180 − 140) = 195,2 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 195,2/(2·4,18) = 38,35 °C

Risposta

tout = 38,35 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,5694 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 2·2,1·(160 − 120) = 168 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·168 = 142,8 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 142,8/(4,18·60) = 0,5694 kg/s

Risposta

ṁc = 0,5694 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 97,4 L

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

Moli

n = 250/28,01 = 8,925 mol
T = 55 + 273,15 = 328,1 K

Volume

V = nRT/P = 8,925·8,314·328,1/250 = 97,4 L

Risposta

V = 97,4 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 0,9119 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 = 150 + 273,15 = 423,1 K

Densità

ρ = 200·16,04/(8,314·423,1) = 0,9119 kg/m³

Risposta

ρ = 0,9119 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 9,807 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(C3H8) = 6/44,1 = 0,1361 mol
n(O2) = 48/32 = 1,5 mol

Reagente limitante

0,1361/1 = 0,1361, 1,5/5 = 0,3 → C3H8

Massa di prodotto

n(H2O) = 0,1361·4 = 0,5442 mol
m = 0,5442·18,02 = 9,807 g

Risposta

m = 9,807 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 90,99 %

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) = 20/16,04 = 1,247 mol
m = 1,247·2/1·18,02 = 44,94 g

Resa percentuale

Y = 40,89/44,94·100 = 90,99%

Risposta

Y = 90,99%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,1143 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

25 = (2x)²/(0,4 − x)²

Estrai la radice quadrata

5 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·5/(2 + 5) = 0,2857 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 0,4 − x = 0,1143 mol/L

Risposta

[H2] = 0,1143 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,6234 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/(0,8 − x) → x² + 0,05·x − 0,04 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,04))/2 = 0,1766 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,8 − 0,1766 = 0,6234 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,6234 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 19,62 °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

100·0,449·(80 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 18)

Ricava la temperatura finale

Tf = (44,9·80 + 1672·18)/(44,9 + 1672) = 19,62 °C

Risposta

Tf = 19,62 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 1297 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° = [4·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [2·(−84,7) + 7·0] = −3119 kJ

Calore per la massa data

n = 25/30,07 = 0,8314 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,8314·1560 = 1297 kJ

Risposta

q = 1297 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: t = 9 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).

Concentrazione finale

CA = 1·(1 − 0,9) = 0,1 mol/L

Legge integrata del secondo ordine

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (10 − 1)/1 = 9 min

Risposta

t = 9 min
14.Cinetica chimica

Risposta: A = 1,986 × 10¹⁰ 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 = 100 + 273,15 = 373,1 K

Ricava A dall’equazione di Arrhenius

Ea/(RT) = 90000/(8,314·373,1) = 29,01
A = k·e29,01 = 0,005·3,971 × 10¹² = 1,986 × 10¹⁰ s⁻¹

Risposta

A = 1,986 × 10¹⁰ s⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 149,8 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 = 10·14,98 = 149,8 L

Risposta

V = 149,8 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 30,56 %

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 = 50/20 = 2,5 min, kτ = 0,08·2,5 = 0,2

Conversione

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,2) = 0,8333
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,6944
X = 1 − 0,6944 = 30,56%

Risposta

X = 30,56%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 12 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 = 85 − 10 = 75 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 70 − 20 = 50 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (75 − 50)/ln(75/50) = 61,66 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 370000/(500·61,66) = 12 m²

Risposta

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

Risposta: A = 2,727 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) = 1,5·2,1·60 = 189 kW
Tc,out = 10 + 189/(2·4,18) = 32,61 °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 = 100 − 32,61 = 67,39 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 40 − 10 = 30 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (67,39 − 30)/ln(67,39/30) = 46,2 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 189000/(1500·46,2) = 2,727 m²

Risposta

A = 2,727 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 119 W

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

Resistenze degli strati

R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,17·15) = 0,05882 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,035·15) = 0,1429 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 24/0,2017 = 119 W

Risposta

Q̇ = 119 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 19,72 °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 in serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(7,7·8) = 0,01623 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,72·8) = 0,03472 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,035·8) = 0,1786 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·8) = 0,005 K/W
ΣR = 0,2345 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (22 − (-11))/0,2345 = 140,7 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 140,7·0,01623 = 19,72 °C

Risposta

Ts = 19,72 °C
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 0,8263 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·0,1²/4 = 0,007854 m²
V = Q/A = 0,005/0,007854 = 0,6366 m/s

Altezza cinetica

V²/(2g) = 0,6366²/(2·9,81) = 0,02066 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(200/0,1)·0,6366²/(2·9,81) = 0,8263 m

Risposta

hf = 0,8263 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Q = 37,68 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 = 0,02·100/0,1 = 20
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 + 1,0 = 12,4

Equazione dell’energia

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

38 = (20 + 12,4)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·38/32,4) = 4,797 m/s

Portata

Q = V·π·D²/4 = 4,797·0,007854 = 0,03768 m³/s = 37,68 L/s

Risposta

Q = 37,68 L/s
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 73,86 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 = 1000·9,81·0,1·64 = 62,78 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 62,78/0,85 = 73,86 kW

Risposta

Pshaft = 73,86 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 38,05 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) = (33,33 + 6)·0,408 = 16,05 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 = 22 + 16,05 = 38,05 m

Risposta

H = 38,05 m

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