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
Bilanci di materia e di energia: pacchetto last-minute
Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 8 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.
1Formule e metodi
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
- Scrivi e bilancia l’equazione chimica.
- Converti la massa data in moli: n = m/M.
- Usa i coefficienti come rapporto molare per trovare le moli della sostanza che ti interessa.
- Riconverti in massa con m = n·M. Con due reagenti, trova prima il reagente limitante.
2Esercizi
1.Bilancio di massaMedia
Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 30% di sale? Trova ṁ2.
ṁ1 = 700 kg/hx1 = 20 %x2 = 40 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
Un evaporatore concentra una soluzione di NaOH facendo evaporare acqua pura. Trova l’acqua evaporata W in kg/h.
F = 3400 kg/hxF = 7 %xP = 55 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
Il etanolo caldo raffredda acqua in uno scambiatore controcorrente senza perdite di calore. Trova la temperatura di uscita dell’acqua tout.
ṁh = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 110 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
Il olio leggero caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 10% del calore ceduto dalla corrente calda. Trova la portata d’acqua ṁc necessaria.
ṁh = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 140 → 70 °Ct: 25 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
Quale volume V occupano 470 g di CH₄ a 600 kPa e 20 °C? Trattalo come gas ideale.
m = 470 gM = 16,04 g/molP = 600 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
Trova la densità ρ di CH₄ a 550 kPa e 140 °C, trattandolo come gas ideale.
M = 16,04 g/molP = 550 kPaT = 140 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
20 g di Fe2O3 e 48 g di CO reagiscono secondo Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. Quale massa m di Fe si può formare?
M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(Fe) = 55,85 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
Nella reazione C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O, 24 g di C3H8 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 30,6 g di H2O. Trova la resa percentuale Y.
M(C3H8) = 44,1 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreale: 30,6 g
Y = %
3Soluzioni
1.Bilancio di massa
Risposta: ṁ2 = 700 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) = 700·(20 − 30)/(30 − 40) = 700 kg/h
Risposta
ṁ2 = 700 kg/h
2.Bilancio di massa
Risposta: W = 2967 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 = 3400·7/55 = 432,7 kg/h
Bilancio totale
W = F − P = 3400 − 432,7 = 2967 kg/h
Risposta
W = 2967 kg/h
3.Bilancio energetico
Risposta: tout = 135,1 °C
Bilancio energetico dello scambiatore: senza perdite, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Calore ceduto dalla corrente calda
Q = 3·2,44·(170 − 110) = 439,2 kW
Calore assorbito dall’acqua
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 439,2/(1·4,18) = 135,1 °C
Risposta
tout = 135,1 °C
4.Bilancio energetico
Risposta: ṁc = 1,809 kg/s
Bilancio energetico con perdite: calore ceduto = calore assorbito + calore perso.
Calore ceduto
Qh = 2·2,1·(140 − 70) = 294 kW
Calore che raggiunge l’acqua
Qc = (1 − 0,1)·294 = 264,6 kW
Portata d’acqua
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 264,6/(4,18·35) = 1,809 kg/s
Risposta
ṁc = 1,809 kg/s
5.Legge dei gas ideali
Risposta: V = 119 L
Legge dei gas ideali: PV = nRT, con n = m/M.
Moli
n = 470/16,04 = 29,3 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K
Volume
V = nRT/P = 29,3·8,314·293,1/600 = 119 L
Risposta
V = 119 L
6.Legge dei gas ideali
Risposta: ρ = 2,568 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 = 140 + 273,15 = 413,1 K
Densità
ρ = 550·16,04/(8,314·413,1) = 2,568 kg/m³
Risposta
ρ = 2,568 kg/m³
7.Stechiometria
Risposta: m = 13,99 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(Fe2O3) = 20/159,69 = 0,1252 mol
n(CO) = 48/28,01 = 1,714 mol
Reagente limitante
0,1252/1 = 0,1252, 1,714/3 = 0,5712 → Fe2O3
Massa di prodotto
n(Fe) = 0,1252·2 = 0,2505 mol
m = 0,2505·55,85 = 13,99 g
Risposta
m = 13,99 g
8.Stechiometria
Risposta: Y = 78,01 %
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(C3H8) = 24/44,1 = 0,5442 mol
m = 0,5442·4/1·18,02 = 39,23 g
Resa percentuale
Y = 30,6/39,23·100 = 78,01%
Risposta
Y = 78,01%
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