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 NaOH? Trova ṁ2.
ṁ1 = 850 kg/hx1 = 40 %x2 = 10 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
Un evaporatore concentra una soluzione di sale facendo evaporare acqua pura. Trova l’acqua evaporata W in kg/h.
F = 1800 kg/hxF = 14 %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 = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
Il etanolo 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 = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Ct: 10 → 40 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 5 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
Un serbatoio di 20 L contiene 310 g di O₂ a 80 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.
m = 310 gM = 32 g/molV = 20 LT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Trova la densità ρ di N₂ a 750 kPa e 30 °C, trattandolo come gas ideale.
M = 28,01 g/molP = 750 kPaT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
12 g di N2 e 24 g di H2 reagiscono secondo N2 + 3H2 → 2NH3. Quale massa m di NH3 si può formare?
M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
Nella reazione CaCO3 → CaO + CO2, 24 g di CaCO3 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 9,41 g di CaO. Trova la resa percentuale Y.
M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CaO) = 56,08 g/molreale: 9,41 g
Y = %
3Soluzioni
1.Bilancio di massa
Risposta: ṁ2 = 425 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
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
Risolvi per ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 850·(40 − 30)/(30 − 10) = 425 kg/h
Risposta
ṁ2 = 425 kg/h
2.Bilancio di massa
Risposta: W = 1342 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 = 1800·14/55 = 458,2 kg/h
Bilancio totale
W = F − P = 1800 − 458,2 = 1342 kg/h
Risposta
W = 1342 kg/h
3.Bilancio energetico
Risposta: tout = 78,1 °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 − 60) = 427 kW
Calore assorbito dall’acqua
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 427/(1,5·4,18) = 78,1 °C
Risposta
tout = 78,1 °C
4.Bilancio energetico
Risposta: ṁc = 1,386 kg/s
Bilancio energetico con perdite: calore ceduto = calore assorbito + calore perso.
Calore ceduto
Qh = 1,5·2,44·(120 − 70) = 183 kW
Calore che raggiunge l’acqua
Qc = (1 − 0,05)·183 = 173,8 kW
Portata d’acqua
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 173,8/(4,18·30) = 1,386 kg/s
Risposta
ṁc = 1,386 kg/s
5.Legge dei gas ideali
Risposta: P = 1422 kPa
Legge dei gas ideali: PV = nRT, con n = m/M.
Moli
n = m/M = 310/32 = 9,688 mol
T = 80 + 273,15 = 353,1 K
Pressione
P = nRT/V = 9,688·8,314·353,1/0,02 = 1422 kPa
Risposta
P = 1422 kPa
6.Legge dei gas ideali
Risposta: ρ = 8,335 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 = 750·28,01/(8,314·303,1) = 8,335 kg/m³
Risposta
ρ = 8,335 kg/m³
7.Stechiometria
Risposta: m = 14,59 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(N2) = 12/28,02 = 0,4283 mol
n(H2) = 24/2,016 = 11,9 mol
Reagente limitante
0,4283/1 = 0,4283, 11,9/3 = 3,968 → N2
Massa di prodotto
n(NH3) = 0,4283·2 = 0,8565 mol
m = 0,8565·17,03 = 14,59 g
Risposta
m = 14,59 g
8.Stechiometria
Risposta: Y = 69,98 %
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(CaCO3) = 24/100,09 = 0,2398 mol
m = 0,2398·1/1·56,08 = 13,45 g
Resa percentuale
Y = 9,41/13,45·100 = 69,98%
Risposta
Y = 69,98%
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