ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ (ΣΤΕΦ) ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΣΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΣΗΣ Τ.Ε.

Transcript

1 ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ (ΣΤΕΦ) ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΣΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΣΗΣ Τ.Ε. ΤΕΛΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ Σεπτέμβριος, 2016 Μάθημα: «Αντιρρυπαντική Τεχνολογία Αέριων Χημικών Ρύπων» Υπ. Μαθήματος: Αν. Καθ. Δρ. Μαρία Γούλα Παρατηρήσεις: Η εξέταση γίνεται με κλειστά βιβλία/σημειώσεις και διαρκεί 2 ώρες. Απαγορεύεται η χρήση κινητών τηλεφώνων κατά τη διάρκεια της εξέτασης ακόμα και ως αριθμομηχανή. Χρήση κινητού κατά την εξέταση ισοδυναμεί με μηδενισμό του γραπτού. Η εξέταση περιλαμβάνει ερωτήσεις κατανόησης της θεωρίας και πρόβλημα προς επίλυση.

2 ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΤΑΝΟΗΣΗΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 1. Ποια είναι τα απαραίτητα βήματα για την κατάστρωση ισοζυγίων μάζας και ενέργειας; Δώστε τον ορισμό του οριακού αντιδρώντος σε μία αντίδραση 2. Πως ορίζεται ο ρυθμός μιας χημικής αντίδρασης; 3. Τι εκφράζει η εξίσωση ρυθμού μιας χημικής αντίδρασης; 4. Δώστε τους διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους εκφράζεται η πρόοδος μιας αντίδρασης. 5. Eξηγήστε επιγραμματικά τον τρόπο λειτουργίας των ακόλουθων αντιδραστήρων (α) Ασυνεχούς Λειτουργίας και Πλήρους Ανάμιξης, (β) Ημι-συνεχούς Λειτουργίας και Πλήρους Ανάμιξης, (γ) Συνεχούς Λειτουργίας και Πλήρους Ανάμιξης, (δ) Εμβολικής Ροής 6. Δείγμα από αέριο Νe (Ατομικό βάρος (ΑΒ) ή σχετική ατομική μάζα (ΣΑΜ, Αr) = 20,18) έχει μάζα 255 mg και καταλαμβάνει όγκο 3.00 dm 3 στους 122 Κ. Χρησιμοποιήστε την καταστατική εξίσωση των ιδανικών αερίων για να υπολογίσετε την πίεση του αερίου. 7. Ποια είναι τα αέρια που χρησιμοποιούνται κυρίως ως αναγωγικά μέσα στην SCR και ποια η συνηθέστερη ενεργός φάση του καταλύτη; 8. Περιγράψτε συνοπτικά τη διεργασία της απορρόφησης. Ποίες είναι οι διαδικασίες που περιλαμβάνονται στο σχεδιασμό της διεργασίας ενός πύργου απορρόφησης; 9. Ποιες είναι οι αντιδράσεις σχηματισμού του θερμικού και καύσιμου NO x και από ποιους παράγοντες εξαρτάται και προτείνετε τρόπους αποτροπής του σχηματισμού τους. 10. Αναφερθείτε στη διεργασία μέσω της οποίας μπορεί να επιτευχθεί ταυτόχρονη απομάκρυνση ΝΟ x και SO 2 από απαέρια μονάδων καύσης. ΠΡΟΒΛΗΜΑ 1 Κλίνη ενεργού άνθρακα με διαστάσεις 12ft x 6ft x 2ft βάθος χρησιμοποιείται σε σύστημα ανάκτησης βενζολίου. Το σύστημα είναι συνδεδεμένο για μία ώρα και στη συνέχεια αναγεννάται για άλλη μια ώρα. Το εισερχόμενο αέριο ρεύμα περιέχει 5000 ppm βενζολίου (κατ όγκο) σε 1 atm και 100 o F. Η προσροφητική ικανότητα λειτουργίας της κλίνης είναι 10 lb m βενζολίου ανά 100 lb m άνθρακα. Οι φυσικές ιδιότητες του άνθρακα είναι οι ακόλουθες: πυκνότητα = 30 lbm/ft 3, κλάσμα κενού όγκου = 0.4 και μέγεθος σωματιδίων 4 x 10 mesh (0.011 ft). Επίσης δίνεται ΜΒ αέρα = 29. Να προσδιοριστεί η πτώση πίεσης κατά μήκος της κλίνης από: (α) εξίσωση Ergun, (β) εξίσωση Union Carbide, (γ) από το κατάλληλο σχήμα στο τυπολόγιο ΠΡΟΒΛΗΜΑ 2 Υπολογίστε την απαιτούμενη θερμοκρασία σε ένα ισοθερμοκρασιακό μετακαυστήρα εμβολικής ροής με χρόνο παραμονής 0.5 sec για απόδοση 99.5% καταστροφής του τολουολίου. Χρησιμοποιείστε: (α) τη θερμοκρασία αυτανάφλεξης, (β) τη μέθοδο Lee et al., (γ) τη μέθοδο Cooper et al. ΠΡΟΒΛΗΜΑ 3 (2 μονάδες) Υπολογίστε την παροχή μάζας του μεθανίου που απαιτείται σε μετακαυστήρα ο οποίος επεξεργάζεται 2465 acfm ρυπασμένου αέρα. Ο αέρας εισέρχεται στους 200 ο F και η επιθυμητή θερμοκρασία των καυσαερίων είναι 1350 o F. Εκτιμάται ότι στον καυστήρα θα χρησιμοποιηθούν 200 scfm εξωτερικού αέρα. Το καύσιμο εισέρχεται στους 80 o F και ο αέρας του καυστήρα εισέρχεται επίσης στους 80 ο F. Η κατώτερη θερμογόνος δύναμη (LHV) του μεθανίου είναι 21,560 Btu/lb m. Υποθέστε 10% συνολική απώλεια θερμότητας. Επίσης, αγνοείστε κάθε όφελος από την οξείδωση των ρύπων. ΠΡΟΒΛΗΜΑ 4 Καθορίστε το μήκος και τη διάμετρο του μετακαυστήρα του προβλήματος 3, με δεδομένο ότι η ταχύτητα σχεδιασμού είναι 15 ft/sec και ο απαιτούμενος χρόνος παραμονής είναι 1.0 sec. ΠΡΟΒΛΗΜΑ 5

3 Για πρώτης τάξεως αντίδραση R P, οι τιμές της σταθεράς ρυθμού k ορίζονται να είναι 10.0 s - 1 και 5.00 s -1 σε Τ= 700 Κ και 670 Κ αντίστοιχα. Υπολογίστε τις τιμές των Α και Ε. Θυμηθείτε ότι η εξίσωση Arrhenius έχει τη μορφή: reaction rate = r p = -r R.

4 ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΣΤΙΣ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΤΑΝΟΗΣΗΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 1. Ποιες είναι οι μονάδες ρυθμών αντιδράσεων; moles/ (όγκο-χρόνο) 2. Ποιες από τις παρακάτω οργανικές ουσίες στην παρένθεση (Μεθάνιο, Αιθάνιο, HFC, Φορμαλδεΰδη) ΔΕΝ θεωρούνται VOC; Μεθάνιο, Αιθάνιο, HFC. 3. Σημειώστε τους παράγοντες που επηρεάζουν την καύση: Οξυγόνο, Θερμοκρασία, Χρόνος, Τύρβη. 4. Τι ονομάζεται θερμοκρασία αυτανάφλεξης; Η θερμoκρασία στην οποία εύφλεκτα μίγματα VOC θα αναφλεγούν στον αέρα χωρίς εξωτερική πηγή (π.χ. σπινθήρα). 5. Ποια είναι τα μειονεκτήματα των μονάδων θερμικής οξείδωσης; (1) Απαίτηση μεγάλων ποσοτήτων καυσίμου για την άνοδο της θερμοκρασίας στα επιθυμητά επίπεδα. Χρήση εναλλακτών για ανάκτηση μέρους της θερμότητας (στους αναθερμαντήρες - ecuperators), (2) Δεν χρησιμοποιείται όταν το αέριο ρεύμα έχει συγκέντρωση VOC που υπερβαίνει το 25% του κατώτερου ορίου εκρηξιμότητας (lower explosive limit, LEL), (3) Ανάγκη για πυρίμαχες επενδύσεις, (4) Τα αλογόνα απαιτούν μεγαλύτερο χρόνο παραμονής. 6. Δώστε τον ορισμό της προσρόφησης. Προσρόφηση είναι η διεργασία κατά την οποία μόρια ενός αερίου ή υγρού έρχονται σε επαφή και προσκολλώνται σε μία στερεή επιφάνεια. 7. Περιγράψτε τη διεργασία της φυσικής προσρόφησης. Ασθενής δεσμός του μορίου του αερίου με το στερεό μέσω ηλεκτροστατικών δυνάμεων (δυνάμεις van den Waals). Είναι αντιστρεπτή, εξώθερμη διεργασία. 8. Περιγράψτε τη διεργασία της χημειορόφησης. Χημική σύνδεση με αντίδραση (υπάρχει πραγματικός χημικός δεσμός). Μη αντιστρεπτή, ισχυρά εξώθερμη διεργασία. 9. Δώστε δύο παραδείγματα άμορφων και δύο παραδείγματα κρυσταλλικών προσροφητικών μέσων. Άμορφα: Ενεργός άνθρακας, Silica gel. Κρυσταλλικά: Μοριακά κόσκινα, Συνθετικά πολυμερή. 10. Τι ονομάζεται «ενεργοποίηση» του άνθρακα; Η διεργασία με την οποία παράγεται η πορώδης δομή (αύξηση της επιφάνειας), ουσιαστική για την αποτελεσματική προσρόφηση. Αρχικά πραγματοποιείται η «εναθράκωση» (πυρόλυση-θέρμανση χωρίς αέρα) και εν συνεχεία ο άνθρακας εκτίθεται σε οξειδωτική ατμόσφαιρα ( ο C). 11. Δώστε τον ορισμό της απορρόφησης. Απορρόφηση είναι η διαλυτοποίηση των μορίων μέσα στο μέσω συλλογής, κυρίως σε υγρά και αποτελεί διεργασίας μεταφοράς μάζας.

5 12. Περιγράψτε εν συντομία τη διεργασία της απορρόφησης. Η διεργασία περιλαμβάνει τη διάχυση της ουσίας από την αέρια φάση μέσω της διεπιφάνειας αερίου-υγρού και τη διασπορά της στην υγρή φάση (μπορεί να πραγματοποιείται και χημική αντίδραση στο νερό). Η μεταφορά μάζας επιτελείται τόσο με μοριακά μέσα όσο και με συναγωγή και ελέγχεται είτε από την αντίσταση στην αέρια φάση είτε από την αντίσταση στην υγρή. 13. Περιγράψτε εν συντομία τα βήματα που απαιτούνται κατά το σχεδιασμό πύργου απορρόφησης. (1) Ισοζύγια μάζας του πύργου για να καθοριστεί ο ρυθμός ανακυκλοφορίας του υγρού, (2) Υπολογισμός του ύψους του πληρωτικού υλικού, (3) Καθορισμός της διαμέτρου της στήλης ώστε να μπορεί να δεχτεί τις απαιτούμενες παροχές υγρού και αερίου. 14. Περιγράψτε τη διεργασία καθαρισμού με ασβεστόλιθο για τον έλεγχο των οξειδίων του θείου. Αραιή λάσπη ασβεστόλιθου έρχεται σε επαφή με τα αέρια καύσης σε πύργο ψεκασμού. Το διοξείδιο του θείου απορροφάται, εξουδετερώνεται και οξειδώνεται μερικά σε θειώδες ασβέστιο και θειικό ασβέστιο. 15. Ποια είναι η γνωστότερη διεργασία FGD και ποια τα κύρια στάδια της; Η γνωστότερη διεργασία FGD είναι η Wellman-Lord (W-L). Τα κύρια στάδια είναι: (1) προεπεξεργασία καπναερίου, (2) απορρόφηση SO 2 από διάλυμα θειώδους νατρίου, (3) επεξεργασία καθαρισμού υγρού, (4) αναγέννηση του θειώδους νατρίου. 16. Ποιοι είναι οι κύριοι μηχανισμού των NOx; Δώστε σύντομη περιγραφή. Θερμικό NO x : Σχηματίζονται από αντιδράσεις N 2 και Ο 2 του αέρα. Ο ρυθμός σχηματισμού τους είναι ευαίσθητος στη θερμοκρασία. Καύσιμο NO x : Σχηματίζονται από την καύση καυσίμων που περιέχουν οργανικό άζωτο και εξαρτώνται από τις τοπικές συνθήκες καύσης (συγκέντρωση Ο2 και μοντέλα ανάμιξης) και της περιεκτικότητας του καυσίμου σε άζωτο. 17. Ποιες είναι οι κυριότερες τεχνικές επεξεργασίας των οξειδίων του αζώτου; (1) Καταλυτική αναγωγή (εκλεκτική και μη εκλεκτική καταλυτική αναγωγή), (2) Ξηρή προσρόφηση, (3) Υγρή απορρόφηση. 18. Ποια είναι τα αέρια που χρησιμοποιούνται κυρίως ως αναγωγικά μέσα στην SCR και ποια η συνηθέστερη ενεργός φάση του καταλύτη; Αναγωγικά μέσα: NH 3, H 2, CO, H 2 S. Ενεργός φάση καταλύτη: Ευγενή μέταλλα (Ag, Pt, Pb) ή μείγμα οξειδίων τιτανίου και βαναδίου. 19. Να υπολογιστεί η σταθερά του k για το βενζόλιο στους 1000 ο F (Α= και Ε= 95,900 cal/mol). cal 95,900 mol E cal K ( ) 21 R RT molk 1.8R 1 k Ae e s

6 20. Να υπολογιστεί ο χρόνος που απαιτείται για την καταστροφή του 99.9% του βενζολίου στους 1000 ο F, 1200 ο F και 1400 ο F. Για n=1, C 1 A kt C ln AO e t CAO k CA Μπορούμε να ολοκληρώσουμε αυτή τη σχέση από t=0 στο t=1 Για τους 1000 ο F, 1 1 t ln s hr s Για τους 1200 ο F, t=49s Για τους 1400 ο F, t=0.2s