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 1400 kg/h · 45% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 10% saleProdotto30% sale

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 30% di sale? Trova ṁ2.

ṁ1 = 400 kg/hx1 = 45 %x2 = 10 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F1800 kg/h · 16% 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 = 1800 kg/hxF = 16 %xP = 55 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 170 °C110 °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: 170 → 110 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 170 °C80 °Cacqua · 30 °C65 °C · ṁ = ?5% perso

Il miscela di glicole caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 5% 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: 170 → 80 °Ct: 30 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 5 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
180 g di CH₄V = 5 LT = 40 °CP = ?

Un serbatoio di 5 L contiene 180 g di CH₄ a 40 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 180 gM = 16,04 g/molV = 5 LT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di N₂ passa da 350 kPa, 5 L, 35 °C a 450 kPa e 180 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 350 kPaV1 = 5 LT1 = 35 °CP2 = 450 kPaT2 = 180 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

16 g di CH4 e 32 g di O2 reagiscono secondo CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Quale massa m di H2O si può formare?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(H2​)n(H2​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(H2​)× 2/2× M(H2​O)

Nella reazione 2H2 + O2 → 2H2O, 12 g di H2 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 97,61 g di H2O. Trova la resa percentuale Y.

M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreale: 97,61 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

0,2 mol/L di H₂ e 0,2 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 64. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 64
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,2500C−x+x+xE0,25 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,5 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 = 0,5
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Zincom = 75 gT = 190 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Acquam = 400 gT = 18 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di zinco da 75 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 190 °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 = 75 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 190 °Cmwater = 400 gTwater = 18 °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 = ?50%

Una reazione del primo ordine in un reattore batch ha k = 0,02 min⁻¹. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 50%? Trova t.

k = 0,02 min⁻¹X = 50 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk20 °Ck1​?2·k1​

Una reazione ha un’energia di attivazione di 60 kJ/mol. A 20 °C è troppo lenta. A quale temperatura T2 (in °C) va riscaldata per renderla 2 volte più veloce?

Ea = 60 kJ/molT1 = 20 °Ck2/k1 = 2R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 40 L/minX = 70%V = ?, k = 0,5 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,5 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 70%.

Q = 40 L/mink = 0,5 min⁻¹X = 70%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 2000 LV = 2000 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 2000 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 = 2000 L (×2)Q = 20 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT175 °C110 °C90 °C30 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore a fascio tubiero (un passaggio lato mantello, due passaggi lato tubi) deve trasferire 130 kW. Il fluido caldo si raffredda da 175 a 110 °C e il fluido freddo si riscalda da 30 a 90 °C. Il fattore di correzione della LMTD per questa configurazione è F = 0,8, e U = 800 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 130 kWF = 0,8U = 800 W/(m²·K)Th: 175 → 110 °CTc: 30 → 90 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT95 °C??10 °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 95 °C e quella fredda a 10 °C. Lo scambiatore ha A = 6 m² e U = 300 W/(m²·K). Trova la temperatura di uscita della corrente calda Th,out.

Ch = Cc = 0,5 kW/KTh,in = 95 °CTc,in = 10 °CA = 6 m²U = 300 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conduzione del caloreMedia
Calcestruzzo, k = 1,4100 mmCartongesso, k = 0,1725 mm18 °C-11 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 100 mm di calcestruzzo e 25 mm di cartongesso, con un’area di 8 m². Le facce esterne sono a 18 °C e -11 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 100 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 18 °CT3 = -11 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Calcestruzzo, k = 1,450 mmLana minerale, k = 0,0425 mmstanza 21 °Cesterno -13 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 50 mm calcestruzzo e 25 mm lana minerale separa una stanza a 21 °C dall’aria esterna a -13 °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 12 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 50 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 12 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -13 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 1,3 m/sD = 300 mmL = 400 mf = 0,025

Acqua (ρ = 1000 kg/m³) scorre a 1,3 m/s in un tubo orizzontale lungo 400 m con diametro interno di 300 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,025 e g = 9,81 m/s². Trova la caduta di pressione Δp lungo il tubo in kPa.

V = 1,3 m/sL = 400 mD = 300 mmf = 0,025ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 2sbocco liberoH = ?L = 400 m, D = 250 mm, f = 0,0154× curva (K = 0,3)

Un tubo lungo 400 m con diametro interno di 250 mm (fattore di attrito di Darcy f = 0,015) parte da un serbatoio aperto e scarica come getto libero in aria. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 4 curve (K = 0,3 ciascuna) e una valvola (K = 2). 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 50 L/s?

Q = 50 L/sL = 400 mD = 250 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2
H = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 15 L/sH = 56 m

Una pompa con rendimento del 82% eroga 15 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 56 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 15 L/sH = 56 mη = 82%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 50 L/sΔz = 5 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 5

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 5 m più in alto. Il tubo è lungo 100 m, con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,015; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 5 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 50 L/sΔz = 5 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 5
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 300 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) = 400·(45 − 30)/(30 − 10) = 300 kg/h

Risposta

ṁ2 = 300 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 523,6 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 = 1800·16/55 = 523,6 kg/h

Risposta

P = 523,6 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 32,51 °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·(170 − 110) = 73,2 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 73,2/(1·4,18) = 32,51 °C

Risposta

tout = 32,51 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 3,156 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1,5·3,6·(170 − 80) = 486 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,05)·486 = 461,7 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 461,7/(4,18·35) = 3,156 kg/s

Risposta

ṁc = 3,156 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 5843 kPa

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

Moli

n = m/M = 180/16,04 = 11,22 mol
T = 40 + 273,15 = 313,1 K

Pressione

P = nRT/V = 11,22·8,314·313,1/0,005 = 5843 kPa

Risposta

P = 5843 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 5,719 L

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

Temperature assolute

T1 = 308,1 K, T2 = 453,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(350/450)·(453,1/308,1) = 5,719 L

Risposta

V2 = 5,719 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 18,02 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) = 16/16,04 = 0,9975 mol
n(O2) = 32/32 = 1 mol

Reagente limitante

0,9975/1 = 0,9975, 1/2 = 0,5 → O2

Massa di prodotto

n(H2O) = 0,5·2 = 1 mol
m = 1·18,02 = 18,02 g

Risposta

m = 18,02 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(H2) = 12/2,016 = 5,952 mol
m = 5,952·2/2·18,02 = 107,3 g

Resa percentuale

Y = 97,61/107,3·100 = 91%

Risposta

Y = 91%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 0,32 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

64 = (2x)²/(0,2 − x)²

Estrai la radice quadrata

8 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·8/(2 + 8) = 0,16 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 0,32 mol/L

Risposta

[HI] = 0,32 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,06699 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/(0,25 − x) → x² + 0,5·x − 0,125 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,125))/2 = 0,183 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,25 − 0,183 = 0,06699 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,06699 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 20,94 °C

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

Bilancio termico

75·0,388·(190 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 18)

Ricava la temperatura finale

Tf = (29,1·190 + 1672·18)/(29,1 + 1672) = 20,94 °C

Risposta

Tf = 20,94 °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 = 34,66 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 = 0,5

Risolvi per il tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,5)/0,02 = 34,66 min

Risposta

t = 34,66 min
14.Cinetica chimica

Risposta: T2 = 28,49 °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 = 293,1 K

Ricava T₂ dall’equazione di Arrhenius

1/T2 = 1/293,1 − 8,314·ln(2)/60000 = 3,411 × 10⁻³ − 9,605 × 10⁻⁵ = 3,315 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 301,6 K = 28,49 °C

Risposta

T2 = 28,49 °C
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 96,32 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 − 0,7))/0,5 = 1,204/0,5 = 2,408 min

Volume

V = Q·τ = 40·2,408 = 96,32 L

Risposta

V = 96,32 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 98,77 %

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 = 0,08·100 = 8

Conversione

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 8) = 0,1111
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,01235
X = 1 − 0,01235 = 98,77%

Risposta

X = 98,77%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 2,463 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.

Differenze di temperatura agli estremi (controcorrente)

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 = 175 − 90 = 85 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 110 − 30 = 80 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (85 − 80)/ln(85/80) = 82,47 K

Area

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 130000/(800·0,8·82,47) = 2,463 m²

Risposta

A = 2,463 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Th,out = 28,48 °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·(95 − Th,out) = 1,8·(Th,out − 10)
Th,out = (0,5·95 + 1,8·10)/(0,5 + 1,8) = 28,48 °C

Risposta

Th,out = 28,48 °C

Calore trasferito: Q̇ = 33,26 kW; la corrente fredda esce a 76,52 °C.

19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = 8,519 °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) = (100/1000)/(1,4·8) = 0,008929 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,17·8) = 0,01838 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 29/0,02731 = 1062 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 18 − 1062·0,008929 = 8,519 °C

Risposta

Ti = 8,519 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 15,91 °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/(8·12) = 0,01042 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(1,4·12) = 0,002976 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,04·12) = 0,05208 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·12) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,06964 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (21 − (-13))/0,06964 = 488,2 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 488,2·0,01042 = 15,91 °C

Risposta

Ts = 15,91 °C
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δp = 28,17 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) = 0,025·(400/0,3)·1,3²/(2·9,81) = 2,871 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 = 1000·9,81·2,871 = 28167 Pa = 28,17 kPa

Risposta

Δp = 28,17 kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: H = 1,518 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 = 0,05/0,04909 = 1,019 m/s
V²/(2g) = 0,05288 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,015·400/0,25 = 24
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 = 3,7

Equazione dell’energia

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

H = (1 + 24 + 3,7)·0,05288 = 1,518 m

Risposta

H = 1,518 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 10,05 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 = 1000·9,81·0,015·56 = 8,24 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 8,24/0,82 = 10,05 kW

Risposta

Pshaft = 10,05 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 6,614 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 = 0,05/0,03142 = 1,592 m/s
V²/(2g) = 0,1291 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (7,5 + 5)·0,1291 = 1,614 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 = 5 + 1,614 = 6,614 m

Risposta

H = 6,614 m

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