Esercizi Termodinamica

H O/fumi_secchi=0.113]

2

12 Nei processi di trattamento di acque inquinate vengono spesso utilizzati

microrganismi che si “nutrono” del materiale organico inquinante. Il risultato del

processo è un fango che a sua volta deve essere in qualche modo smaltito. In

genere il fango viene prima di tutto essiccato, e tale operazione è spesso la più

costosa. Cosa fare del fango essiccato è un problema di non poco conto. In alcuni

casi il fango essiccato viene bruciato con aria in una fornace in cui viene

alimentato anche un combustibile (vedi Figura).

Utilizzando i dati indicati in figura (dove le percentuali sono molari), si

determinano

La portata di aria in ingresso

La portata di fango in ingresso

La portata di acqua prodotta

Portata e composizione (in C e H) del combustibile

Si calcoli nuovamente la sola portata di aria in ingresso nel caso in cui le

percentuali indicate non siano molari ma in peso.

Acqua

Fango Gas prodotto (%)

(%) SO 1.5

2

S 32 CO 10.1

2 135

C 40 N 81.7

2 mol/min

H 4 O 4.6

2 2

O 24 CO 2.1

2 Combustibile (%) Aria

C ? (%)

H ? N 80

2

O 20

2 13

Una miscela secca di HCl ed aria è ossidata cataliticamente per ottenere

cloro. L'aria è in eccesso del 30% rispetto ad un'alimentazione stechiometrica.

Calcolare il peso d'aria per Kg di acido, la composizione molare del gas entrante,

e la composizione in uscita nel caso di una conversione del 60%. [Ris: aria = 1.2

Kg; gas IN: HCl = 39.3 %, O 12.7 %, N = 48.0%, Gas OUT: HCl = 16.7%, O

2 2 2

= 7.2%, N = 50.9%, Cl = 12.6%, H O = 12.6%]

2 2 2

Calcolare la composizione finale dei gas ottenuti dalla seguente combustione

di CH . La corrente entrante contiene 287 Kmoli/h di gas con CH al 20%, O al

4 4 2

60% e CO al 20% molare. La conversione è del 90% nel reagente limitante. [Ris:

2

CH =2%, O = 24%, CO = 38%, H O 36%

4 2 2 2

Per produrre HCl da NaCl si tratta del sale con H SO . Dalla reazione si

2 4

sviluppano HCl e H O vapore e resta una torta salina solida. Sapendo che l'H SO

2 2 4

è in soluzione acquosa al 75% in peso e che la torta ha la seguente composizione

in peso: Na SO 91.48%, NaHSO 4.79%, NaCl 1.98%, H O 1.35%, HCl 0.40%,

2 4 4 2

calcolare le portate di ogni corrente (sale ed acido in ingresso, gas e torta salina

in uscita) per ogni 1000 Kg/h di sale entrante, e la resa in Na SO .

2 4

Svolgimento:

Sebbene il problema potrebbe essere risolto utilizzando come base di calcolo

1000 kg/h di sale entrante noi utilizzeremo come base di calcolo 1000 kg/h di

torta salina. Con questa scelta conosciamo le portate in massa di Na2SO4,

NaHSO4, NaCl, H2O, ed HCl in uscita nella torta salina (pertanto dividendo

per i rispettivi pesi molecolari possiamo calcolare le portate molari):

m· [kg/h] M [kg/h] n· [kmol/h]

w

Na2SO4 914.8 142.05 6.44

NaHSO4 47.9 120.06 0.4

NaCl 19.8 58.45 0.34

H2O 13.5 18.02 0.75

HCl 4 36.47 0.11

H SO 98.08

2 4

14

Conviene utilizzare le portate molari, piuttosto che quelle in massa, in quanto

andremo a scrivere delle equazioni di bilancio sui singoli elementi.

Bilancio sul Na: %! ()*+"

()*+" ()*+"

= 2 + +

!"#$ !" &' !",&' !"#$

! " "

da questa equazione di bilancio ricavo la portata molare di NaCl alimentata:

%!

=13.62 [kmol/h]

!"#$ %!

= 13.62*58.45 = 796.09 [Kg/h]

e la portata in massa: !"#$

Il sodio è l’elemento di collegamento tra la portata di sale alimentata e la portata

di torta salina. Infatti tutto il sodio uscente nella torta salina è entrato sotto forma

di cloruro di sodio. Questo significa che se una delle due portate è nota siamo in

grado di calcolare l’altra tramite l’equazione di bilancio del sodio.

Bilancio sullo S: -)$ ()*+" ()*+"

= +

, &' !" &' !",&'

! " ! " "

lo zolfo serve come elemento di collegamento tra la corrente di torta uscente e la

corrente della soluzione acquosa di acido solforico alimentata. Infatti lo zolfo

viene alimentato solo con la soluzione acquosa di acido solforico ed esce solo

con la torta saline. Poiché conosciamo la portata di zolfo uscente ricaviamo la

-)$

portata molare di acido solforico alimentata: = 6.84 [kmol/h]

, &'

! "

-)$

e la portata in massa: = 6.84*98.08 = 670.87 [kg/h].

, &'

! "

Inoltre poiché sappiamo che l’acido solforico è il 75% in peso della soluzione

con la quale viene alimentato, possiamo ricavare le portate della soluzione e

dell’acqua:

-)$

=670.87/0.75 = 894.49 [kg/h]

..01

-)$

= 670.87 = 223.62 [Kg/h

, '

! ..21

003.40

-)$

= = 12.41 [Kmol/h]

, '

! 56..0

Bilancio su Cl: %! ()*+" 7"- ()*+"

= + +

!"#$ ,#$ ,#$ !"#$

da questa equazione ricaviamo la portata di acido cloridrico in fase gassosa:

7"-

= 13.17 [kmol/h]

,#$

7"-

= 13.17 ∗ 36.47 = 480.31 [Kg/h]

,#$ 15

Bilancio sul H: ()*+" 7"-

-)$ -)$ ()*+" ()*+" 7"-

2 + 2 = + 2 + + + 2

, &' , ' !",&' , ' , '

,#$ ,#$

! " ! " ! !

da questa equazione ricaviamo la portata di acqua uscente in fase gassosa:

7"-

= 11.66 [kmol/h]

, '

!

7"-

=11.66*18.02=210.11 [Kg/h]

, '

!

Calcolo della resa in Na SO :

2 4

!" &'

0 9 ! "

= = = 0.95

1

@

0 9 2 !"#$

Cambio della base di calcolo:

A questo punto dobbiamo ricordarci che i risultati trovati sono relativi alla base

di calcolo da noi scelta, che era diversa dalla portata assegnata dal problema. In

particolare, il dato assegnato dal problema è 1000 kg/h di cloruro di sodio

alimentato all’impianto, mentre la nostra base di calcolo (1000 kg/h di torta salina

uscente dall’impianto) ci ha consentito di calcolare che la portata di cloruro di

sodio alimentata è 796.09 kg/h. Pertanto tutte la portate vanno convertite secondo

la seguente proporzione: 1000

=

796.09

:"-;

Dove è la portata di una generica corrente calcolata scegliendo 1000 kg/h

:"-; ·

di torta salina come base di calcolo, mentre m è la portata della stessa corrente

quando si alimentano all’impianto 1000kg/h di cloruro di sodio.

Così facendo si ottengono i seguenti risultati:

Na Cl alimentato

1000 Kg/h

Soluzione acida alimentata 1124

kg/h

Torta salina uscente

1256 Kg/h

16

Gas uscente 867 Kg/h

Possiamo verificare l’accuratezza dei nostri calcoli effettuando un bilancio

globale:

Portata totale in ingresso = 2124 [kg/h]

portata totale in uscita = 2123 [kg/h]

Nell'impianto di produzione dell'ammoniaca (Figura sottostante), una

miscela di azoto ed idrogeno in rapporto molare 1:3 viene inviata al reattore, dal

quale si ottiene una conversione in ammoniaca del 25%. L'ammoniaca formata

viene separata per condensazione ed i gas non convertiti vengono riciclati al

reattore. La miscela N - H iniziale contiene 0.2 parti di argon per 100 parti di

2 2

N e H . La concentrazione limite di argon all'ingresso del reattore viene fissata

2 2

in 5 parti di argon per 100 parti di H e N .

2 2

Calcolare la frazione di riciclo che deve essere spurgata. [Ris: S/(S+R) =

0.01]

Che cosa succederebbe se non fosse effettuato lo spurgo?

Se la corrente di ingresso fosse priva di argon, e lo spurgo non fosse

effettuato, cosa succederebbe se l'alimentazione di N e H non fosse

2 2

stechiometrica (con un rapporto N /H diverso da 1:3)?

2 2 Spurgo

N H Ar

2 2

N H Ar

2 2 NH 3

NH 3

Fig. 2 17

All’impianto schematizzato in figura viene alimentato un composto insaturo

A insieme con un idrogeno. Nel reattore dell’impianto avvengono le seguenti

reazioni di idrogenazione:

A + H → B

2

A + 2H → C

2

Poiché queste reazioni avvengono solo parzialmente, la corrente in uscita dal

reattore contiene ancora idrogeno e composto A. Con una prima separazione,

l’idrogeno avanzato viene recuperato interamente e riciclato al reattore. Con una

seconda separazione, anche A viene recuperato interamente e riciclato.

Per un rapporto molare H /A di alimentazione all’impianto pari a 1.3 si

2

determini la composizione della miscela di B e C in uscita dall’impianto.

Sapendo che il riciclo di idrogeno è di 4 moli per ogni mole in uscita dal

separatore n.1 e che il riciclo di A è di 0.8 moli di A per ogni mole in uscita

dal separatore n. 2, si determini la composizione della miscela in uscita dal

reattore. A

H

2 1 2

reattore

A, H

2 B, C

Soluzione

H

0 1.3

A

18

A + H2 → B

A + 2H2 → C

Base di calcolo 1mole di A

Effettuando un bilancio globale.

Bil su A n + n = 1 n = 1 - n

B C B C

Bil su H2 n + 2n = 1.3 1 – nc + 2n = 1.3

B C C

n = 0.7

B

n = 0.3

C IN OUT

A 1 /

H 1.3 /

2

B / 0.7

C / 0.3 BCD,=FGHH

=

n = 4 · (n n n )

! >? @ ? A

< = (n )

n = 0.8 · n = 0.8

>? @

A

BCD,=FGHH = (1

n = n = 4 · + 0.8) = 7.2

!

< <

!

Composizione in uscita dal reattore

n Y

A 0.8 0.8/9=0.089

H 7.2

2

B 0.7

C 0.3

TOT 9 19

Un impianto per la fabbricazione della nitroglicerina è schematizzato in

figura. La glicerina alimentata è pura e la sua portata è di 5 ton/h. l’altra

alimentazione, F, è costituita da H SO al 50% in peso, HNO al 43%, ed il

2 4 3

restante 7% è acqua. Nel reattore si produce nitroglicerina secondo la reazione

C H O + 3HNO = C H O (NO ) + 3H O

3 8 3 3 3 5 3 2 3 2

La funzione dell’acido solforico è quella di catalizzare la reazione. La

conversione è completa e, dal separatore, esce il prodotto principale P costituito

da nitroglicerina al 96,5% in peso (il resto essendo acqua). Dalla unità di recupero

acido, il prodotto secondario W è invece acido solforico con acqua. Il riciclo R

contiene acido nitrico al 70% in peso e acqua al 30%. Determinare nell’ordine:

La portata del prodotto principale P (