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 15% di zucchero? Trova ṁ2.
ṁ1 = 900 kg/hx1 = 5 %x2 = 35 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
Un evaporatore concentra una soluzione di sale facendo evaporare acqua pura. Trova la portata di prodotto P in kg/h.
F = 4300 kg/hxF = 7 %xP = 45 %
P = 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 = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 90 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
Il olio leggero caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 15% del calore ceduto dalla corrente calda. Trova la portata d’acqua ṁc necessaria.
ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 90 °Ct: 20 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
Un serbatoio di 50 L contiene 410 g di O₂ a 95 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.
m = 410 gM = 32 g/molV = 50 LT = 95 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Una quantità fissa di Ar passa da 150 kPa, 20 L, 20 °C a 500 kPa e 90 °C. Trova il nuovo volume V2.
P1 = 150 kPaV1 = 20 LT1 = 20 °CP2 = 500 kPaT2 = 90 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
4 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 N2 + 3H2 → 2NH3, 20 g di N2 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 18,96 g di NH3. Trova la resa percentuale Y.
M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molreale: 18,96 g
Y = %
3Soluzioni
1.Bilancio di massa
Risposta: ṁ2 = 450 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) = 900·(5 − 15)/(15 − 35) = 450 kg/h
Risposta
ṁ2 = 450 kg/h
2.Bilancio di massa
Risposta: P = 668,9 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 = 4300·7/45 = 668,9 kg/h
Risposta
P = 668,9 kg/h
3.Bilancio energetico
Risposta: tout = 25,84 °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·(120 − 90) = 36,6 kW
Calore assorbito dall’acqua
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 36,6/(1,5·4,18) = 25,84 °C
Risposta
tout = 25,84 °C
4.Bilancio energetico
Risposta: ṁc = 0,1553 kg/s
Bilancio energetico con perdite: calore ceduto = calore assorbito + calore perso.
Calore ceduto
Qh = 0,5·2,1·(130 − 90) = 42 kW
Calore che raggiunge l’acqua
Qc = (1 − 0,15)·42 = 35,7 kW
Portata d’acqua
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 35,7/(4,18·55) = 0,1553 kg/s
Risposta
ṁc = 0,1553 kg/s
5.Legge dei gas ideali
Risposta: P = 784,3 kPa
Legge dei gas ideali: PV = nRT, con n = m/M.
Moli
n = m/M = 410/32 = 12,81 mol
T = 95 + 273,15 = 368,1 K
Pressione
P = nRT/V = 12,81·8,314·368,1/0,05 = 784,3 kPa
Risposta
P = 784,3 kPa
6.Legge dei gas ideali
Risposta: V2 = 7,433 L
Legge combinata dei gas: per una quantità fissa di gas ideale, P1V1/T1 = P2V2/T2.
Temperature assolute
T1 = 293,1 K, T2 = 363,1 K
Legge combinata dei gas
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(150/500)·(363,1/293,1) = 7,433 L
Risposta
V2 = 7,433 L
7.Stechiometria
Risposta: m = 4,862 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) = 4/28,02 = 0,1428 mol
n(H2) = 24/2,016 = 11,9 mol
Reagente limitante
0,1428/1 = 0,1428, 11,9/3 = 3,968 → N2
Massa di prodotto
n(NH3) = 0,1428·2 = 0,2855 mol
m = 0,2855·17,03 = 4,862 g
Risposta
m = 4,862 g
8.Stechiometria
Risposta: Y = 77,99 %
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(N2) = 20/28,02 = 0,7138 mol
m = 0,7138·2/1·17,03 = 24,31 g
Resa percentuale
Y = 18,96/24,31·100 = 77,99%
Risposta
Y = 77,99%
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