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.

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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.

2Esercizi

1.Bilancio di massaMedia
MiscelatoreCorrente 1700 kg/h · 35% zuccheroCorrente 2ṁ₂ = ? · 15% zuccheroProdotto25% zucchero

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

ṁ1 = 700 kg/hx1 = 35 %x2 = 15 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F2600 kg/h · 9% zuccheroProdotto PP = ? · 35%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 = 2600 kg/hxF = 9 %xP = 35 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 150 °C60 °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 = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 150 → 60 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoolio leggero · 150 °C100 °Cacqua · 10 °C30 °C · ṁ = ?5% perso

Il olio leggero 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 = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 100 °Ct: 10 → 30 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 5 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
390 g di HeV = 10 LT = 25 °CP = ?

Un serbatoio di 10 L contiene 390 g di He a 25 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 390 gM = 4,003 g/molV = 10 LT = 25 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di Ar passa da 150 kPa, 20 L, 40 °C a 100 kPa e 130 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 150 kPaV1 = 20 LT1 = 40 °CP2 = 100 kPaT2 = 130 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

24 g di Al e 16 g di Cl2 reagiscono secondo 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3. Quale massa m di AlCl3 si può formare?

M(Al) = 26,98M(Cl2) = 70,9M(AlCl3) = 133,33 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(Fe2​O3​)× 3/1× M(CO2​)

Nella reazione Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2, 6 g di Fe2O3 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 3,72 g di CO2. Trova la resa percentuale Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreale: 3,72 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
zucchero: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Risolvi per ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 700·(35 − 25)/(25 − 15) = 700 kg/h

Risposta

ṁ2 = 700 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 668,6 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 = 2600·9/35 = 668,6 kg/h

Risposta

P = 668,6 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 67,54 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 2·2,44·(150 − 60) = 439,2 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 439,2/(2·4,18) = 67,54 °C

Risposta

tout = 67,54 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 1,79 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1,5·2,1·(150 − 100) = 157,5 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,05)·157,5 = 149,6 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 149,6/(4,18·20) = 1,79 kg/s

Risposta

ṁc = 1,79 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 24150 kPa

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

Moli

n = m/M = 390/4,003 = 97,43 mol
T = 25 + 273,15 = 298,1 K

Pressione

P = nRT/V = 97,43·8,314·298,1/0,01 = 24150 kPa

Risposta

P = 24150 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 38,62 L

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

Temperature assolute

T1 = 313,1 K, T2 = 403,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(150/100)·(403,1/313,1) = 38,62 L

Risposta

V2 = 38,62 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 20,06 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(Al) = 24/26,98 = 0,8895 mol
n(Cl2) = 16/70,9 = 0,2257 mol

Reagente limitante

0,8895/2 = 0,4448, 0,2257/3 = 0,07522 → Cl2

Massa di prodotto

n(AlCl3) = 0,07522·2 = 0,1504 mol
m = 0,1504·133,33 = 20,06 g

Risposta

m = 20,06 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 74,99 %

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(Fe2O3) = 6/159,69 = 0,03757 mol
m = 0,03757·3/1·44,01 = 4,961 g

Resa percentuale

Y = 3,72/4,961·100 = 74,99%

Risposta

Y = 74,99%

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