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 1650 kg/h · 50% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 10% saleProdotto45% sale

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 45% di sale? Trova ṁ2.

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 50 %x2 = 10 %x3 = 45 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F1800 kg/h · 12% NaOHProdotto PP = ? · 50%Vapore W (acqua pura)0% NaOH

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

F = 1800 kg/hxF = 12 %xP = 50 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 130 °C80 °Cacqua · 30 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 80 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoetanolo · 170 °C110 °Cacqua · 10 °C40 °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 = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 110 °Ct: 10 → 40 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
260 g di O₂V = 50 LT = 35 °CP = ?

Un serbatoio di 50 L contiene 260 g di O₂ a 35 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 260 gM = 32 g/molV = 50 LT = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
N₂, M = 28,01 g/molP = 550 kPaT = 50 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di N₂ a 550 kPa e 50 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 28,01 g/molP = 550 kPaT = 50 °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)

4 g di H2 e 8 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, 12 g di C6H12O6 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 4,57 g di CO2. Trova la resa percentuale Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreale: 4,57 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

0,8 mol/L di H₂ e 0,8 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 36. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 36
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

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

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,5
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Piombom = 150 gT = 130 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Acquam = 100 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di piombo da 150 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 130 °C viene immerso in 100 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 16 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 100 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H20 g C2​H6​2C2​H6​ + 7O₂reagenti4CO₂ + 6H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 20 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 = ?60%

Una reazione del secondo ordine (−rA = k·CA²) in un reattore batch ha k = 1 L/(mol·min) e parte da 2 mol/L. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 60%? Trova t.

k = 1 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/LX = 60 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk50 °Ck1​?3·k1​

Una reazione ha un’energia di attivazione di 60 kJ/mol. A 50 °C è troppo lenta. A quale temperatura T2 (in °C) va riscaldata per renderla 3 volte più veloce?

Ea = 60 kJ/molT1 = 50 °Ck2/k1 = 3R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 100 L/minX = 80%V = ?, k = 0,12 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,12 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 100 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 80%.

Q = 100 L/mink = 0,12 min⁻¹X = 80%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 200 LQ = 100 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,25 min⁻¹) avviene in un CSTR da 200 L alimentato a 100 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 200 LQ = 100 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT170 °C45 °C50 °C20 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore controcorrente trasferisce 190 kW. Il fluido caldo si raffredda da 170 a 45 °C e il fluido freddo si riscalda da 20 a 50 °C. Il coefficiente globale di scambio è 800 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 190 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 170 → 45 °CTc: 20 → 50 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT155 °C??30 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

In uno scambiatore controcorrente entrambe le correnti hanno la stessa capacità termica oraria, ṁ·cp = 0,5 kW/K. La corrente calda entra a 155 °C e quella fredda a 30 °C. Lo scambiatore ha A = 1,5 m² e U = 500 W/(m²·K). Trova la temperatura di uscita della corrente calda Th,out.

Ch = Cc = 0,5 kW/KTh,in = 155 °CTc,in = 30 °CA = 1,5 m²U = 500 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conduzione del caloreMedia
Legno, k = 0,1750 mmLana minerale, k = 0,0475 mm25 °C4 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 50 mm di legno e 75 mm di lana minerale, con un’area di 20 m². Le facce esterne sono a 25 °C e 4 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 50 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 25 °CT3 = 4 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Mattone, k = 0,72250 mmCartongesso, k = 0,1775 mmstanza 21 °Cesterno -5 °CQ̇ = ?

Una parete di 250 mm mattone e 75 mm cartongesso separa una stanza a 21 °C dall’aria esterna a -5 °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 6 m². Trova la perdita di calore Q̇ attraverso la parete.

L1 = 250 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -5 °C
Q̇ = W
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 2,7 m/sD = 100 mmL = 100 mf = 0,02

Acqua scorre con una velocità media di 2,7 m/s in un tubo lungo 100 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.

V = 2,7 m/sL = 100 mD = 100 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 10Δz = 9 mL = 300 m, D = 300 mm, f = 0,0154× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 300 m con diametro interno di 300 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015. Il pelo libero del serbatoio superiore si trova 9 m sopra quello del serbatoio inferiore. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 4 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 = 9 mL = 300 mD = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 60 L/sH = 44 m

Una pompa con rendimento del 75% eroga 60 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 44 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 60 L/sH = 44 mη = 75%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
250 kPa (relativa)PQ = 60 L/sΔz = 11 mL = 600 m, D = 200 mm, f = 0,02, ΣK = 8

Una pompa trasferisce 60 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 11 m più in alto. Il tubo è lungo 600 m, con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 8 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². La vasca superiore è chiusa e l’aria sopra l’acqua è a una pressione relativa di 250 kPa. Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 60 L/sΔz = 11 mL = 600 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 8ptank = 250 kPa
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 92,86 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·(50 − 45)/(45 − 10) = 92,86 kg/h

Risposta

ṁ2 = 92,86 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 432 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 = 1800·12/50 = 432 kg/h

Risposta

P = 432 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 54,32 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 2,5·2,44·(130 − 80) = 305 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 305/(3·4,18) = 54,32 °C

Risposta

tout = 54,32 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 2,481 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 2,5·2,44·(170 − 110) = 366 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·366 = 311,1 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 311,1/(4,18·30) = 2,481 kg/s

Risposta

ṁc = 2,481 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 416,3 kPa

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

Moli

n = m/M = 260/32 = 8,125 mol
T = 35 + 273,15 = 308,1 K

Pressione

P = nRT/V = 8,125·8,314·308,1/0,05 = 416,3 kPa

Risposta

P = 416,3 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 5,734 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 = 50 + 273,15 = 323,1 K

Densità

ρ = 550·28,01/(8,314·323,1) = 5,734 kg/m³

Risposta

ρ = 5,734 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 9,01 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) = 4/2,016 = 1,984 mol
n(O2) = 8/32 = 0,25 mol

Reagente limitante

1,984/2 = 0,9921, 0,25/1 = 0,25 → O2

Massa di prodotto

n(H2O) = 0,25·2 = 0,5 mol
m = 0,5·18,02 = 9,01 g

Risposta

m = 9,01 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 77,95 %

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) = 12/180,16 = 0,06661 mol
m = 0,06661·2/1·44,01 = 5,863 g

Resa percentuale

Y = 4,57/5,863·100 = 77,95%

Risposta

Y = 77,95%
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

36 = (2x)²/(0,8 − x)²

Estrai la radice quadrata

6 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·6/(2 + 6) = 0,6 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 0,8 − x = 0,2 mol/L

Risposta

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

Risposta: [PCl5] = 0,01459 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

0,5 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,5·x − 0,05 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,05))/2 = 0,08541 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,1 − 0,08541 = 0,01459 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,01459 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 21,04 °C

Calore ed entalpia: riscaldare una sostanza richiede q = m·c·ΔT. In un calorimetro il calore ceduto dal corpo caldo è uguale al calore assorbito da quello freddo. La variazione di entalpia di una reazione si ricava dalle entalpie di formazione: ΔH° = ΣΔH°f(prodotti) − ΣΔH°f(reagenti), ciascuna moltiplicata per il proprio coefficiente.

Bilancio termico

150·0,129·(130 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 16)

Ricava la temperatura finale

Tf = (19,35·130 + 418·16)/(19,35 + 418) = 21,04 °C

Risposta

Tf = 21,04 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 1037 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 = 20/30,07 = 0,6651 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,6651·1560 = 1037 kJ

Risposta

q = 1037 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: t = 0,75 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 = 2·(1 − 0,6) = 0,8 mol/L

Legge integrata del secondo ordine

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (1,25 − 0,5)/1 = 0,75 min

Risposta

t = 0,75 min
14.Cinetica chimica

Risposta: T2 = 66,72 °C

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

T1 = 323,1 K

Ricava T₂ dall’equazione di Arrhenius

1/T2 = 1/323,1 − 8,314·ln(3)/60000 = 3,095 × 10⁻³ − 1,522 × 10⁻⁴ = 2,942 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 339,9 K = 66,72 °C

Risposta

T2 = 66,72 °C
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 1341 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 − 0,8))/0,12 = 1,609/0,12 = 13,41 min

Volume

V = Q·τ = 100·13,41 = 1341 L

Risposta

V = 1341 L
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 = 200/100 = 2 min, kτ = 0,25·2 = 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 = 3,922 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 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 − 50 = 120 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 20 = 25 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (120 − 25)/ln(120/25) = 60,56 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 190000/(800·60,56) = 3,922 m²

Risposta

A = 3,922 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Th,out = 80 °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.

Differenza di temperatura costante

L’uscita fredda si trova di fronte all’ingresso caldo: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), quindi ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.

ΔTlm = Th,out − Tc,in

Bilancio energetico uguale all’equazione di scambio

0,5·(155 − Th,out) = 0,75·(Th,out − 30)
Th,out = (0,5·155 + 0,75·30)/(0,5 + 0,75) = 80 °C

Risposta

Th,out = 80 °C

Calore trasferito: Q̇ = 37,5 kW; la corrente fredda esce a 105 °C.

19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 193,6 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) = (50/1000)/(0,17·20) = 0,01471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,04·20) = 0,09375 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 21/0,1085 = 193,6 W

Risposta

Q̇ = 193,6 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 161,9 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/(8·6) = 0,02083 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,72·6) = 0,05787 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·6) = 0,07353 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·6) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,1606 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (21 − (-5))/0,1606 = 161,9 W

Risposta

Q̇ = 161,9 W
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 7,431 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) = 2,7²/(2·9,81) = 0,3716 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(100/0,1)·2,7²/(2·9,81) = 7,431 m

Risposta

hf = 7,431 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Q = 178,5 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 = 0,015·300/0,3 = 15
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Equazione dell’energia

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

9 = (15 + 12,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·9/27,7) = 2,525 m/s

Portata

Q = V·π·D²/4 = 2,525·0,07069 = 0,1785 m³/s = 178,5 L/s

Risposta

Q = 178,5 L/s
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 34,53 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 = 1000·9,81·0,06·44 = 25,9 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 25,9/0,75 = 34,53 kW

Risposta

Pshaft = 34,53 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 49,13 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 = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (60 + 8)·0,1859 = 12,64 m

Altezza piezometrica

p/(ρ·g) = 250000/(1000·9,81) = 25,48 m

Prevalenza della pompa

Entrambe le superfici sono praticamente in quiete, quindi non c’è il termine dell’altezza cinetica.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 11 + 25,48 + 12,64 = 49,13 m

Risposta

H = 49,13 m

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