ESERCIZI ESTIVI DI TECNOLOGIE CHIMICHE INDUSTRIALI Classe 4 CM –prof. Massimo Vizza
Anno scolastico 2020/2021 Risolvere i seguenti esercizi
1. 2,3 t/h di una soluzione acquosa al 35% di etanolo vengono sottoposte a distillazione per rettifica allo scopo di ottenere dell'etanolo al 95%. Il residuo di distillazione deve contenere etanolo in concentrazione dell'1%. Quanto distillato e quanto residuo si ottengono dall'impianto?
2. In uscita da un miscelatore si vogliono ottenere 32 t/h di una soluzione acquosa al 12% per aggiunta di acqua ad una soluzione al 30%. Determinare le portate di acqua e di soluzione concentrata in ingresso. Assumendo che l'acqua sia disponibile a 14°C e che la soluzione concentrata si trovi a 80°C, quale sarà la temperatura della miscela risultante? Si assuma che il calore specifico della soluzione concentrata sia 0,82 kcal/kg °C e quello della soluzione diluita 0,91 kcal/kg °C.
3. Un liquido e un gas scambiano calore tra loro in controcorrente, Il liquido entra a 115°C ed esce a 80°C mentre il gas entra a 25°C ed esce a 50°C. Calcolare la differenza di temperatura media logaritmica.
4. Un impianto di concentrazione deve produrre 2 t/h di soluzione al 15% a partire da una soluzione diluita al 3%. La soluzione concentrata, che esce dal concentratore a 108°C, deve essere raffreddata a 30 °C mediante un flusso d’acqua a 14 °C che si scalda sino a 25°C.
Determinare la portata dell’alimentazione all’impianto, di vapore prodotto e di acqua di raffreddamento (per le soluzioni, si assuma che il calore specifico sia 1,2 kcal/kg °C).
5. In uno scambiatore di calore avente A = 52m2 si rilevano i seguenti dati: ΔTML = 32 °C e Q = 2520000 Kcal/h a scambiatore pulito; ΔTML = 41°C e Q = 2470000 Kcal/h dopo un anno di funzionamento. Calcolare il fattore di sporcamento totale (Re + Ri) accumulatosi.
6. Si devono sottrarre 1300000 Kcal/h a 7,5 t/h di un fluido di processo avente cp = 0,85 Kcal/
Kg °C che entra in un refrigerante a 280°C. Si usa come fluido di servizio acqua disponibile a 22°C che esce a 50°C. Se Ud = 1500 Kcal/m2 h °C calcolare la portata di acqua necessaria e la superficie di scambio.
7. In uno scambiatore di calore si rilevano i seguenti dati: Q = 2860000 Kcal/h, A = 48 m2, ΔTML= 31°C a scambiatore pulito. Sapendo che i fattori di sporcamento sono Re= 0,000205 e Ri = 0,000410, calcolare Ud.
8. Calcolare la portata di acqua che entra a 18°C ed esce a 40°C ad un refrigerante dove stanno condensando 1650 kg/h di vapore a 2 ata. Conoscendo Ud = 1200 Kcal/ m2h°C si vuole inoltre sapere la superficie dello scambiatore.
9. Una superficie di acciaio di spessore 8 mm (K= 46.5 W/m°C) di 5 m2 è ricoperta con due strati: uno isolante (K= 0,144 W/ m°C) di spessore 50mm e uno di intonaco (K= 0,698 W/
m°C) di spessore 10 mm. La temperatura interna è di 250°C e quella esterna è 50 °C. Calcolare
il flusso di calore. Calcolare inoltre quanto deve essere lo spessore dello strato di isolante per dimezzare la dispersione del calore.
10. Si devono produrre 500 Kg/h di una soluzione di NaOH al 12% in peso, partendo da una soluzione al 5% in peso. La soluzione entra nel concentratore alla temperatura di 30°C. La pressione di esercizio è 0,6 ata. Il vapore di rete è disponibile a 4 ata. Il coefficiente di scambio (UD) è pari a 1450 Kcal/m2 h °C. Calcolare: la portata dell’alimentazione, il consumo di vapore di rete, la superficie di scambio necessaria, la portata di acqua al condensatore barometrico, considerando che l’acqua di servizio è disponibile a 15 °C ed esce alla temperatura di condensazione del vapore prodotto nel concentratore. Ipotesi semplificative: il valore del Cp delle soluzioni si considera unitario; si trascura l’innalzamento ebullioscopico.
11. Utilizzando il diagramma igrometrico, determinare: umidità assoluta, calore specifico, temperatura di saturazione adiabatica (Tbu), volume specifico, temperatura di rugiada dell’aria con umidità relativa 50% e temperatura di 25 °C.
12. Si vogliono concentrare 3000 kg/h di una soluzione acquosa dal 6% al 24% in peso mediante un evaporatore a semplice effetto sotto vuoto che lavora a 0,6 ata. L'alimentazione è preriscaldata a 30°C e si dispone di vapore di rete a 2.0 ata. Determinare le portate in uscita dall'evaporatore e la portata di vapore di rete richiesta per l'operazione sapendo che la temperatura di ebollizione e il calore latente di evaporazione della soluzione sono 89 °C e 585 kcal/kg, mentre il calore specifico, sia dell'alimentazione sia del prodotto concentrato, è 0,8 kcal/kg °C. Determinare inoltre la superficie di scambio necessaria, nell'ipotesi che il coefficiente globale di scambio sia 950 kcal/m2 h °C, e la portata d'acqua al condensatore, sapendo che l'acqua entra a 30 °C e la miscela esce a 50 °C.
13. Mediante un evaporatore a duplice effetto in controcorrente, si vuole concentrare una soluzione acquosa dal 2% al 18% in modo da ottenere 2800 kg/h di concentrato.
L'alimentazione è preriscaldata a 50°C e si dispone di vapore di rete a 2,0 ata. Il vapore in uscita dall'ultimo effetto (che si trova a 0,2 ata) è mandato ad un condensatore barometrico alimentato con acqua a 20 °C; l'acqua esce dal condensatore alla stessa temperatura dei vapori in ingresso. Valutare le portate di vapore di rete e di acqua richieste e le superfici degli evaporatori sapendo che U1=1900 kcal/m2h°C e U2=1800 kcal/m2 h °C. Nei calcoli si trascurino gli innalzamenti ebullioscopici, si consideri unitario il calore specifico e si assuma che i vapori siano equiripartiti e scambino solo i calori latenti di condensazione. Si ipotizzi inoltre un uguale salto di pressione nei due effetti.
14. Si vogliono concentrare 8000 kg/h di una soluzione acquosa dal 10% al 20% in peso mediante un evaporatore a duplice effetto controcorrente. L'alimentazione è preriscaldata a 60°C e si dispone di vapore di rete a 2.5 ata; si ipotizzi che gli evaporatori lavorino a 0,7 ata e 0,2 ata.
Determinare le portate in impianto, la portata di vapore di rete richiesta per eseguire l'operazione. Nei calcoli si trascurino gli innalzamenti ebullioscopici e si consideri unitario il calore specifico.
15. 5 m3/h di una soluzione acquosa di peso specifico 1.028 kg/dm3 al 7% in peso di una sostanza termodegradabile devono essere concentrati fino al 40% in peso. A tal fine essi vengono inviati a un concentratore tipo Kestner che, lavorando a pressione ambiente allontana metà dell’acqua iniziale. Il prodotto preconcentrato entra a 100 °C in un duplice effetto equicorrente in cui il primo effetto lavora a 0.8 ata e il secondo a 0,2 ata. Il primo effetto allontana il 48%
dell’acqua ancora da allontanare, mentre il secondo effetto allontana il restante 52%. Il primo effetto ha UD = 1050 w/m2 °C e il secondo ha UD 950w/m2°C. Si dispone di vapore di rete a 2 ata il vuoto è realizzato da un condensatore barometrico alimentato da acqua a 15 °C e il cui scarico è a 45 °C. Il calore specifico si può ritenere mediamente costante a tutte le concentrazioni e pari a 0.94 kcal/kg °C; gli innalzamenti ebullioscopici si possono ritenere trascurabili
Calcolare:
• portata oraria di prodotto finale ricavato e di acqua allontanata complessivamente e da ognuno dei corpi
• evaporanti:
• portata oraria di ‘vapore di rete al primo effetto
• aree di scambio del primo e del secondo effetto
• portata oraria di acqua al condensatore barometrico.
16. Da una sospensione solida acquosa si separa il solido mediante centrifugazione. Il solido così ottenuto è umido e contiene 0.2 kg di acqua ogni kg di parte secca: l’umidità deve essere ridotta a 0.03 kg di acqua per kg di parte secca e ciò si realizza con un essiccatore a tamburo rotante. L’aria viene resa siccativa scaldandola a 75°C in uno scambiatore a piastre con vapore di rete. L’aria è prelevata dall’atmosfera da un ventilatore che ha sull’aspirazione un filtro a maniche per la depolverizzazione, passa per lo scambiatore a piastre, per l’essiccatore e prima di essere restituita all’atmosfera, per due cicloni che abbattono le polveri trascinate che sono recuperate e unite al prodotto essiccato. La sospensione di partenza, che proviene da altre lavorazioni, è disponibile in un serbatoio a fondo conico munito di agitatore che alimenta per caduta a portata costante la centrifuga, per quanto riguarda la centrifuga si precisa che la parte liquida va ad altre lavorazioni, mentre quella solida entra in una tramoggia che, mediante dosatore stellare, alimenta l’essiccatore. Il prodotto essiccato viene allontanato con nastro trasportatore. Rappresentare in normativa UNICHIM il processo descritto completo di organi accessori (pompe, serbatoi, ecc.) e con regolazione automatica. Calcolare, per una portata di 500kg/h di solido umido la quantità di solido essiccato prodotto.
17. Una mole di elio (da approssimare come gas perfetto) alla temperatura TA = 27 °C occupa inizialmente il volume VA = 1 l. Al gas viene fatta compiere una trasformazione quasi statica isoterma che ne raddoppia il volume e poi una compressione adiabatica quasi statica che lo riporta alla pressione iniziale.
a. Determinare lo stato finale;
b. calcolare il lavoro e il calore scambiato dal sistema durante la trasformazione complessiva.
[Vf = 1.32 l, Tf = 396 K ; Qtot = 1726 J, Ltot = 53).
18. Calcola il lavoro necessario per portare isotermicamente e reversibilmente (27°C), 1,12kg di azoto dal volume di 0,9m3 a quello di 0,09 m3. Si ammetta che il gas abbia comportamento
ideale. (-229000 J)
19. Calcola la variazione di energia interna di un gas che a pressione esterna costante (750 mmHg) passa dal volume di 2,0L a quello di 12L quando gli vengono forniti 210J. (-790J)
20. Calcola il calore necessario per riscaldare 1 kg di alluminio da 27°C a 127°C, sapendo che il
suo Cp è 24,35 J/mol*K {90,25J)
21. Una mole di azoto a 50°C, racchiusa in un recipiente del volume di 20L, si espande: a) isotermicamente e b) adiabaticamente, fino ad un volume di 30L. Calcola il lavoro compiuto
in ciascuna trasformazione. (a) 186,5J -b) 1006J)
22. Durante il funzionamento di un trattore agricolo la temperatura nella camera di combustione è circa 1700°C, mentre quella del collettore di scarico è circa 250°C e quella dell’ambiente esterno è 27°C. Calcola il rendimento teorico della macchina nei due casi: a) all’avviamento della macchina b) a macchina avviata. (a) 85% -b) 74%)
23. Calcola la variazione di entropia di una mole di gas perfetto che passa isotermicamente dalla pressione di 1 atm a quella di 10 atm. (ΔS = -19,13)
24. Calcola la variazione di entropia di una mole di gas perfetto biatomico, quando a volume costante passa dalla T di 300°K a quella di 900°K (ΔS = 22,82)
25. Esercizi sul libro di testo:
• Pag. 46 n° 1,2,3,4,5,6,7,8,9,11,12,13
• Pag. 269 n° 1,2,3,5,6
• Pag. 322 n° 3,4,5
• Pag. 523 n° 1,2,4,7
Tutti gli esercizi vanno fatti su fogli protocollo o consegnati su classroom o su foglio protocollo entro il primo giorno di scuola.
Eseguire in normativa UNICHIM completi di organi accessori (pompe, serbatoi polmone, cicloni, ecc) con regolazione e legenda, gli schemi dei processi descritti.
1. Un reagente viene inviato a un serbatoio chiuso munito di agitatore dove si unisce ad un’altra soluzione proveniente da altre lavorazioni: la portata della prima soluzione è regolata in base alla misura della portata della seconda. La soluzione così ottenuta viene inviata a un corpo evaporante, che lavora in depressione, dopo aver recuperato calore dalle condense del vapore di rete a 3 bar che realizza l’evaporazione. La depressione è realizzata mediante condensatore barometrico. Il prodotto concentrato viene accumulato in un
serbatoio chiuso munito di un agitatore e di serpentino interno, percorso da vapore di rete, dove la soluzione concentrata è mantenuta calda e a pressione ambiente prima di essere inviata ad altre lavorazioni.
2. Una soluzione diluita è concentrata in un impianto a duplice effetto controcorrente. La soluzione diluita viene preriscaldato mediante parziale condensazione del vapore prodotto nell’effetto che lavora a pressione più bassa (la parte eccedente viene inviata ad altre utenze). Le condense del vapore di rete tornano in caldaia. La soluzione concentrata (monitorata mediante controllo analitico) che esce dal corpo evaporante a pressione maggiore, entra in un serbatoio in depressione dove subisce evaporazione adiabatica con raffreddamento. La depressione è realizzata con condensatore barometrico in cui la portata di acqua di rete è regolata dalla temperatura raggiunta dalla soluzione. Da qui la soluzione concentrata viene prelevata con pompa volumetrica ed inviata ad altre lavorazioni.
3. Una soluzione acquosa deve essere concentrata con un sistema di evaporazione a triplice effetto in equicorrente. Tenendo conto che:
a. La soluzione da concentrare entra nel sistema preriscaldata
b. la pressione dell’ultimo effetto è di 0,1 ata prodotta utilizzando un condensatore barometrico.
La soluzione concentrata viene inviata ad un serbatoio prima di essere mandata ad altre lavorazioni.
