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 1600 kg/h · 10% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 30% saleProdotto25% sale

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 25% di sale? Trova ṁ2.

ṁ1 = 600 kg/hx1 = 10 %x2 = 30 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F1000 kg/h · 19% saleProdotto P30% saleVapore W (acqua pura)W = ? kg/h

Un evaporatore concentra una soluzione di sale facendo evaporare acqua pura. Trova l’acqua evaporata W in kg/h.

F = 1000 kg/hxF = 19 %xP = 30 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddomiscela di glicole · 170 °C60 °Cacqua · 15 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 170 → 60 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 140 °C90 °Cacqua · 10 °C90 °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: 140 → 90 °Ct: 10 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 5 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
230 g di N₂P = 600 kPaT = 20 °CV = ?

Quale volume V occupano 230 g di N₂ a 600 kPa e 20 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 230 gM = 28,01 g/molP = 600 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
O₂, M = 32 g/molP = 550 kPaT = 30 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di O₂ a 550 kPa e 30 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 32 g/molP = 550 kPaT = 30 °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)

10 g di C3H8 e 10 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(C6​H12​O6​)n(C6​H12​O6​)n(C2​H5​OH)m(C2​H5​OH)÷ M(C6​H12​O6​)× 2/1× M(C2​H5​OH)

Nella reazione C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2, 8 g di C6H12O6 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 2,25 g di C2H5OH. Trova la resa percentuale Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(C2H5OH) = 46,07 g/molreale: 2,25 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 = 49. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 49
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,5 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 = 0,5
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Ferrom = 75 gT = 120 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Acquam = 300 gT = 23 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di ferro da 75 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 120 °C viene immerso in 300 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 23 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 120 °Cmwater = 300 gTwater = 23 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
HC2​H5​OH + 3O₂reagenti2CO₂ + 3H₂O(l)prodottiΔH° = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare ΔH° della reazione C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l).

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 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)C (mol/L)t½​ = ?C0​/2

Una reazione del secondo ordine (−rA = k·CA²) ha k = 0,8 L/(mol·min) e una concentrazione iniziale di 2 mol/L. Trova il suo primo tempo di dimezzamento t½.

k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/L
t½ = min
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk35 °C0,00265 °C?

Una reazione ha una costante cinetica di 0,002 min⁻¹ a 35 °C e un’energia di attivazione di 60 kJ/mol. Trova la costante cinetica k2 a 65 °C.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 35 °CT2 = 65 °CEa = 60 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 10 L/minCA0​ = 2 mol/LCA​ = ?V = 50 L, k = 0,25 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B (k = 0,25 min⁻¹) avviene in un reattore a flusso a pistone (PFR) da 50 L. L’alimentazione entra a 10 L/min con CA0 = 2 mol/L. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la concentrazione di uscita CA.

V = 50 LQ = 10 L/mink = 0,25 min⁻¹CA0 = 2 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 400 LV = 400 LQ = 100 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,3 min⁻¹) avviene in due CSTR uguali in serie, ciascuno da 400 L. La portata di alimentazione è 100 L/min, la densità è costante e i reattori sono in regime stazionario. Trova la conversione complessiva X in percentuale.

V = 400 L (×2)Q = 100 L/mink = 0,3 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT165 °C75 °C10 °C50 °CΔT₁ΔT₂equicorrente

Uno scambiatore equicorrente trasferisce 260 kW. Il fluido caldo si raffredda da 165 a 75 °C e il fluido freddo si riscalda da 10 a 50 °C. Il coefficiente globale di scambio è 500 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 260 kWU = 500 W/(m²·K)Th: 165 → 75 °CTc: 10 → 50 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT135 °C??15 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

In uno scambiatore controcorrente entrambe le correnti hanno la stessa capacità termica oraria, ṁ·cp = 2 kW/K. La corrente calda entra a 135 °C e quella fredda a 15 °C. Lo scambiatore ha A = 5 m² e U = 800 W/(m²·K). Trova la temperatura di uscita della corrente calda Th,out.

Ch = Cc = 2 kW/KTh,in = 135 °CTc,in = 15 °CA = 5 m²U = 800 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conduzione del caloreMedia
Mattone, k = 0,7250 mmVetro, k = 0,96150 mm22 °C9 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 50 mm di mattone e 150 mm di vetro, con un’area di 12 m². Le facce esterne sono a 22 °C e 9 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 50 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 22 °CT3 = 9 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Cartongesso, k = 0,17150 mmCalcestruzzo, k = 1,4100 mmstanza 21 °Cesterno -11 °CQ̇

Una parete di 150 mm cartongesso e 100 mm calcestruzzo separa una stanza a 21 °C dall’aria esterna a -11 °C. I coefficienti di convezione sono 6 W/(m²·K) all’interno e 20 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 4 m². Trova la trasmittanza termica U della parete.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 4 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -11 °C
U = W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 2,3 m/sD = 250 mmL = 1000 mf = 0,022

Acqua scorre con una velocità media di 2,3 m/s in un tubo lungo 1000 m con diametro interno di 250 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,022 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

V = 2,3 m/sL = 1000 mD = 250 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 2Δz = ?L = 100 m, D = 150 mm, f = 0,0224× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 100 m con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,022. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 4 curve (K = 0,3 ciascuna), una valvola (K = 2) e lo sbocco nel serbatoio inferiore (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Quale dislivello Δz tra i peli liberi dei serbatoi dà una portata di 40 L/s?

Q = 40 L/sL = 100 mD = 150 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 25 L/sH = 80 m

Una pompa con rendimento del 70% eroga 25 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 80 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 25 L/sH = 80 mη = 70%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 100 L/sΔz = 12 mL = 400 m, D = 250 mm, f = 0,018, ΣK = 5

Una pompa trasferisce 100 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 12 m più in alto. Il tubo è lungo 400 m, con diametro interno di 250 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,018; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 5 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Il rendimento della pompa è del 75%. Trova la potenza all’albero Pshaft in kW.

Q = 100 L/sΔz = 12 mL = 400 mD = 250 mmf = 0,018ΣK = 5η = 75%
Pshaft = kW

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 1800 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) = 600·(10 − 25)/(25 − 30) = 1800 kg/h

Risposta

ṁ2 = 1800 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 366,7 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 = 1000·19/30 = 633,3 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 1000 − 633,3 = 366,7 kg/h

Risposta

W = 366,7 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 78,16 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 2·3,6·(170 − 60) = 792 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 792/(3·4,18) = 78,16 °C

Risposta

tout = 78,16 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,767 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1,5·3,6·(140 − 90) = 270 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,05)·270 = 256,5 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 256,5/(4,18·80) = 0,767 kg/s

Risposta

ṁc = 0,767 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 33,36 L

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

Moli

n = 230/28,01 = 8,211 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Volume

V = nRT/P = 8,211·8,314·293,1/600 = 33,36 L

Risposta

V = 33,36 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 6,983 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 = 30 + 273,15 = 303,1 K

Densità

ρ = 550·32/(8,314·303,1) = 6,983 kg/m³

Risposta

ρ = 6,983 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 4,505 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) = 10/44,1 = 0,2268 mol
n(O2) = 10/32 = 0,3125 mol

Reagente limitante

0,2268/1 = 0,2268, 0,3125/5 = 0,0625 → O2

Massa di prodotto

n(H2O) = 0,0625·4 = 0,25 mol
m = 0,25·18,02 = 4,505 g

Risposta

m = 4,505 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 54,99 %

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(C6H12O6) = 8/180,16 = 0,0444 mol
m = 0,0444·2/1·46,07 = 4,091 g

Resa percentuale

Y = 2,25/4,091·100 = 54,99%

Risposta

Y = 54,99%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,1778 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

49 = (2x)²/(0,8 − x)²

Estrai la radice quadrata

7 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·7/(2 + 7) = 0,6222 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 0,8 − x = 0,1778 mol/L

Risposta

[H2] = 0,1778 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,3699 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/(0,8 − x) → x² + 0,5·x − 0,4 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,4))/2 = 0,4301 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,8 − 0,4301 = 0,3699 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,3699 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 25,54 °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

75·0,449·(120 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 23)

Ricava la temperatura finale

Tf = (33,68·120 + 1254·23)/(33,68 + 1254) = 25,54 °C

Risposta

Tf = 25,54 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −1367 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° = [2·(−393,5) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Risposta

ΔH° = −1367 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: t½ = 0,625 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).

Tempo di dimezzamento del secondo ordine

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0,8·2) = 0,625 min

Risposta

t½ = 0,625 min

Ogni tempo di dimezzamento successivo è lungo il doppio, perché C₀ si è dimezzata.

14.Cinetica chimica

Risposta: k2 = 0,01597 min⁻¹

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 = 308,1 K, T2 = 338,1 K

Rapporto di Arrhenius

ln(k2/k1) = −(60000/8,314)·(1/338,1 − 1/308,1) = 2,078
k2 = 0,002·e2,078 = 0,01597 min⁻¹

Risposta

k2 = 0,01597 min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: CA = 0,573 mol/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 = V/Q = 50/10 = 5 min

Concentrazione di uscita

CA = 2·e−0,25·5 = 0,573 mol/L

Risposta

CA = 0,573 mol/L

Conversione: X = 71,35%.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 79,34 %

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 = 400/100 = 4 min, kτ = 0,3·4 = 1,2

Conversione

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 1,2) = 0,4545
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,2066
X = 1 − 0,2066 = 79,34%

Risposta

X = 79,34%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 7,298 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 = 165 − 10 = 155 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 75 − 50 = 25 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (155 − 25)/ln(155/25) = 71,25 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 260000/(500·71,25) = 7,298 m²

Risposta

A = 7,298 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Th,out = 55 °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

2·(135 − Th,out) = 4·(Th,out − 15)
Th,out = (2·135 + 4·15)/(2 + 4) = 55 °C

Risposta

Th,out = 55 °C

Calore trasferito: Q̇ = 160 kW; la corrente fredda esce a 95 °C.

19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = 18 °C

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

Resistenze degli strati

R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,72·12) = 0,005787 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,96·12) = 0,01302 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 13/0,01881 = 691,2 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 22 − 691,2·0,005787 = 18 °C

Risposta

Ti = 18 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: U = 0,8544 W/(m²·K)

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

Resistenze in serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(6·4) = 0,04167 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,17·4) = 0,2206 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1,4·4) = 0,01786 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·4) = 0,0125 K/W
ΣR = 0,2926 K/W

Coefficiente globale

U = 1/(A·ΣR) = 1/(4·0,2926) = 0,8544 W/(m²·K)

Risposta

U = 0,8544 W/(m²·K)
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 23,73 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) = 2,3²/(2·9,81) = 0,2696 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(1000/0,25)·2,3²/(2·9,81) = 23,73 m

Risposta

hf = 23,73 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 5,057 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 = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s
V²/(2g) = 0,2611 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,022·100/0,15 = 14,67
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Perdita di carico totale

hf = 14,67·0,2611 = 3,83 m
hm = 4,7·0,2611 = 1,227 m
Δz = hf + hm = 5,057 m

Risposta

Δz = 5,057 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 28,03 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 = 1000·9,81·0,025·80 = 19,62 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 19,62/0,7 = 28,03 kW

Risposta

Pshaft = 28,03 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 25,05 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.

Velocità

V = Q/A = 0,1/0,04909 = 2,037 m/s
V²/(2g) = 0,2115 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (28,8 + 5)·0,2115 = 7,15 m

Prevalenza della pompa

H = Δz + hL = 12 + 7,15 = 19,15 m

Potenza all’albero

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,1·19,15/0,75 = 25,05 kW

Risposta

Pshaft = 25,05 kW

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