ΜΑΘΗΜΑ: Αντιρρυπαντική Τεχνολογία Αέριων Χημικών Ρύπων

ΜΑΘΗΜΑ: Αντιρρυπαντική Τεχνολογία Αέριων Χημικών Ρύπων ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Αν. Καθ. Δρ Μαρία Α. Γούλα ΤΜΗΜΑ: Μηχανικών Περιβάλλοντος & Μηχανικών Αντιρρύπανσης 1

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 2

ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Άσκηση 1... 4 Άσκηση 2... 4 Άσκηση... 4 Άσκηση 4... 5 Άσκηση 5... 12 Άσκηση 6... 12 Άσκηση 7... 12 Άσκηση 8... 1 Άσκηση 9... 14 Άσκηση 10... 15 Άσκηση 11... 15 Άσκηση 12... 16 Άσκηση 1... 18 Άσκηση 14... 19

Άσκηση 1 Εκφώνηση: Να υπολογίσετε το μοριακό βάρος (ΜΒ) του νιτροβενζολίου (C 6H 5O 2N). Ατομικά βάρη: C = 12, H = 1, O = 16, N = 14]. Σωστή Απάντηση Άσκησης 1: Υπολογίζεται το μοριακό βάρος: C6H5O2 N 612 51 216 14 12 Άσκηση 2 Εκφώνηση:Να υπολογίσετε τα γραμμομόρια C 6H 5O 2N που περιέχονται σε 50g της ουσίας αυτής. Απάντηση Άσκησης 2: Υπολογίζεται το μοριακό βάρος: C6H5O2 N 612 51 216 14 12 Υπολογίζεται τα γραμμομόρια: ( g) 50 g g mole 0.4065 B 12 Άσκηση Εκφώνηση: Στα απαέρια μιας βιομηχανικής μονάδας περιέχεται τολουόλιο σε ποσοστό 2.8%. Η παροχή των απαερίων είναι 2850 scfm. Να βρείτε την ωριαία εκπομπή τολουολίου σε gr. [Μοριακό βάρος τολουολίου = 92.14]. Απάντηση Άσκησης : Μετατρέπεται το ποσοστό (%) του τολουολίου σε ppm: 4

X 2.8 100 100 6 6 10 10 28, 000 ppm Υπολογίζεται τη συγκέντρωση του τολουολίου: C g 1000CppmB 24.45 C g 100028, 000 ppm92.14 μg 1 g g 105,518,200 105.5 24.45 10 μg 6 Υπολογίζεται την μαζική παροχή του τολουολίου: ft g 1 m 1 gr 60 gr 5.1 ft 0.0648 g 1 h h C 2850 105.5 7,884,51 m v Άσκηση 4 Εκφώνηση: Από βιομηχανική εγκατάσταση, προκύπτουν τρία αέρια ρεύματα με τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Ρεύμα εκπομπής Παροχή Θερμοκρασία ppm v #1 250 m /hr 175 o C 11,000 ppm v τολουόλιο #2 1610 m /hr 14 o C 18,500 ppm v μεθάνιο # 2200 m /hr 120 ο C 7000 ppm v τολουόλιο Τα ρεύματα ενώνονται προκειμένου να οδηγηθούν σε συσκευή καταστροφής των οργανικών ουσιών (μετακαυστήρα). Για λόγους ασφάλειας, οι συγκεντρώσεις των οργανικών ουσιών θα πρέπει να μην ξεπεράσουν το 25% του κατώτατου ορίου εκλεξιμότητας των (LL). Γι αυτό το λόγο προβλέφθηκε η ύπαρξη ενός ακόμα ρεύματος αέρα αραίωσης #4 του οποίου η θερμοκρασία είναι 25 ο C. Να υπολογιστεί η παροχή, η θερμοκρασία και η αισθητή θερμοκρασία του συνδυασμένου ρεύματος εκπομπής σε πραγματικές συνθήκες μετά την αραίωση, αφού πρώτα υπολογιστούν όλα τα απαραίτητα 5

στοιχεία των ρευμάτων της διεργασίας. Δίνονται: (1) Για το τολουόλιο το LL (ppm v) είναι 12,000 και η καθαρή θερμότητα καύσης 48,45.66 KJ/, (2) Για το μεθάνιο το LL (ppm v) είναι 50,000 και η καθαρή θερμότητα καύσης 59,17.42 KJ/, () Μοριακά βάρη: ΜW τολουολίου = 92, ΜW μεθανίου = 16. Απάντηση Άσκησης : Ρεύµα εκποµπής #1: Παροχή e1, a m 1 hr m 250 9.17 hr 60 Θερµοκρασία 1 175 o C 27 448 e Συγκέντρωση Y,1 11, 000 e ppm v KJ Θερµότητα καύσης he,1 48, 45.66 Αριθµός συστατικών στο ρεύµα n 1 Συγκέντρωση ασφάλειας για εκρηξιµότητα (τολουόλιο) 25 25% LL 12, 000 ppmv 000 ppmv 100 Ρεύµα εκποµπής #2: Παροχή e2, a m 1 hr m 1610 26.8 hr 60 O Θερµοκρασία T 2 14 C 27 416 K e Συγκέντρωση Y,2 18, 500 e ppm v KJ Θερµότητα καύσης he,2 59,17.42 Αριθµός συστατικών στο ρεύµα n 1 Συγκέντρωση ασφαλείας για εκρηξιµότητα 25 25% LL 50, 000 ppmv 12,500 ppm 100 v 6

Ρεύμα εκπομπής #: Παροχή e, a m 1 hr m 2200 6.67 hr 60 o Θερµοκρασία 120 C 27 9 e Συγκέντρωση Y, 7000 e ppm v KJ Θερµότητα καύσης he,1 48, 45.66 Αριθµός συστατικών στο ρεύµα n 1 Συγκέντρωση ασφάλειας για εκρηξιµότητα (τολουόλιο): 25 25% LL 12, 000 ppmv 000 ppmv 100 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΑΡΟΧΗΣ ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΑΕΡΙΟΥ Η παροχή e του συνδυασµένου ρεύµατος πριν την αραίωση θα είναι: 298 m 298 K 9.17 26.06 448 e 1 e 1, a T e1 K 298 m 298 K 26.8 19.22 T 416 K e2 e2, a e2 298 m 298 K 6.67 27.81 T 9 K e e, a e e e1 e2 e 26.06 19.22 27.81 7.1. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΕΩΝ 7

Μετατροπή μονάδων συγκέντρωσης από ppm σε g / : Ρεύµα εκποµπής #1: C 1000C W 100011, 00092 g 41,90,59 24.45 24.45 e ppm e1, Ρεύµα εκποµπής #2: C 1000C W 100018,500 16 g 12,106,9.5 24.45 24.45 e ppm e2, Ρεύµα εκποµπής #: C 1000C W 10007000 92 g 26,9, 468 24.45 24.45 e ppm e1, Από το ισοζύγιο μάζας τολουολίου και μεθανίου έχουμε: Τολουόλιο Ισοζύγιο μάζας (#1 ο & # ο ρεύμα εκπομπής): C el,. C C e1 e1, e e, e 26.06 41,90,59 g 27.81 26,9, 468 g m m 7.1 C g 24, 776,189.6 el,. C 1000 el,. ( gm / ) B C 24.45 ppm Cppm 24, 776,189.6 24.45 6584.5 1000 92 ppm Μεθάνιο Ισοζύγιο μάζας (#2 ο ρεύμα εκπομπής): C 19.22 12,106,9.5 g C m 7.1 e2 e2, el,. e 8

C g,18,089.5 el,. 1000B C Cel,. 24.45 ppm Cppm,18, 089.5 24.45 4864.2 ppm 100016 Στο σηµείο αυτό συγκρίνουμε τις συγκεντρώσεις (ppm) τολουολίου, μεθανίου και τολουολίου του πρώτου, του δεύτερου και του τρίτου ρεύματος αντίστοιχα στο συνδυασµένο ρεύµα εκπομπής που µόλις βρήκαμε, µε το όριο των 25% του L..L. (συγκέντρωση ασφάλειας εκρηξιµότητας). Ρεύμα εκπομπής #1 & # (τολουόλιο) = 6584.5 ppm Συγκέντρωση ασφάλειας για εκρηξιµότητα = 000 ppm Ρεύμα εκπομπής #2 (μεθάνιο) = 4864.2 ppm Συγκέντρωση ασφάλειας για εκρηξιµότητα (μεθάνιο) = 12,500 ppm Παρατηρούμε ότι το τολουόλιο υπερβαίνει το όριο εκρηξιμότητας και το μεθάνιο όχι. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Η περιεχόµενη θερμότητα για το κάθε ρεύµα εκποµπής χωριστά υπολογίζεται: Ρεύµα εκποµπής # 1: n 11, 000 KJ KJ h 0.01 y h 0.01 100 48, 45.66 52.8 e1, e1, i e1, i i1 1,000,000 Ρεύµα εκποµπής #2: n 18,500 KJ KJ h 0.01y h 0.01 10059,17.42 1097.4 e2, e1, i e1, i i1 1,000,000 Ρεύµα εκποµπής #: n 7000 KJ KJ h 0.01 y h 0.01 100 48, 45.66 9 e, e1, i e1, i i1 1,000,000 9

Συνδυασµένο ρεύµα εκποµπής: Η περιεχόµενη θερμότητα για το συνδυασμένo ρεύµα εκποµπής υπολογίζεται: m 26.06 19.22 0.01 0.01 KJ 100 52.8 KJ He yej hej 1001097.4 j1 7.1 7.1 27.81 KJ KJ 100 9 607.45 7.1 Το απαιτούµενο θερµικό περιεχόµενο ασφαλείας όπως ορίζεται από τις KJ εργαστηριακές σημειώσεις είναι H e,ασφ = 484.9, άρα απαιτείται αραίωση. ΕΛΑΧΙΣΤΉ AΠAITOYΜNH ΠΑΡΟΧΉ ΑΕΡΑ ΑΡΑΙΩΣΗΣ Η ελάχιστη απαιτoύµενη παροχή αέρα αραίωσης είναι: d KJ 607.45 he 1 e 1 7.1 18.47 KJ hd 484.9 όπου, h e = H e, h d = H e,ασφ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΑΡΟΧΗΣ ΑΕΡΙΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Η παροχή του αερίου ρεύµατος e,d μετά την αραίωση είναι: ed KJ 607.45 h e e 7.1 91.57 hd KJ 484.9 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΑΕΡΙΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ 10

Για τον υπολογισµό της θερµοκρασίας θα υπολογίσουµε την αισθητή θερµότητα του κάθε ρεύµατος χωριστά και στη συνέχεια του συνδυασμένου ρεύματος. Ρεύµα εκποµπής #1: 1.19186 Kj H T K K m K m K 1,19186 Kj 1 1 1 298 26.06 KJ s e e 448 298 4659 Ρεύµα εκποµπής #2: 1,19186 Kj H T K K m K m K 1,19186 Kj 2 2 2 298 19.22 KJ s e e 416 298 270.1 Ρεύµα εκπομπής #: 1,19186 Kj 298 27.81 KJ s e e 9 298 148.8 H T m k 1.19186 Kj m k Ρεύµα αέρα αραίωσης #4: 1.19186 Kj H T K K m K m K 1,19186 Kj 4 4 4 298 18.47 KJ s e e 298 298 0 Συνολική αισθητή θερµότητα συνδυασµένου ρεύµατος µετά την αραίωση: KJ KJ KJ KJ KJ Hs Hs 1 Hs2 Hs Hs4 4659 270.1 148.8 0 10,511 Η θερµοκρασία του συνδυασµένου ρεύµατος µετά την αραίωση: m K 1 KJ m K 1 e s 298 K 10,511 298 K 94. K 1,19186 Kj e 1.19186 Kj 91.57 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗΣ OΓΚΟΜTPIΚHΣ ΠΑΡΟΧΗΣ e, a e 94. T e K 91.57 121.16 m 298 298 K 11

Άσκηση 5 Εκφώνηση:Δώστε τον ορισμό της τάσης ατμών. Απάντηση Άσκησης 5: Η πίεση που ασκείται από τον ατμό μιας καθαρής ουσίας που βίσκεται σε ισορροπία με την επίπεδη υγρή επιφάνεια της ίδιας καθαρής ουσίας σε συγκεκριμένη θερμοκρασία. Άσκηση 6 Εκφώνηση:Υποθέστε ότι η συγκέντρωση του ΝΟ 2 στο εσωτερικό μιας κατοικίας με εστία μαγειρέματος με χρήση φυσικού αέριου είναι 150 μg/m. Υπολογίστε την ισοδύναμη συγκέντρωση σε ppm σε Κανονικές Συνθήκες (ΚΣ) θερμοκρασίας και πίεσης. Απάντηση Άσκησης 6: ΜΒ ΝΟ 2 = (216) 14 46 C g Cppm 1, 000 46 Cppm 1,000 W g gmole 150 RT m ( atm)( L) 0.08206 298 P ( gmole)( K) 1 atm gm / K C 0.0797 ppm ppm Άσκηση 7 Εκφώνηση:Δώστε τον ορισμό της τάσης ατμών. 12

Απάντηση Άσκησης 7: Η πίεση που ασκείται από τον ατμό μιας καθαρής ουσίας που βίσκεται σε ισορροπία με την επίπεδη υγρή επιφάνεια της ίδιας καθαρής ουσίας σε συγκεκριμένη θερμοκρασία. Άσκηση 8 Εκφώνηση: Υπολογίστε την απαιτούμενη θερμοκρασία με τη μέθοδο Cooper et al σε ένα ισοθερμοκρασιακό μετακαυστήρα εμβολικής ροής με χρόνο παραμονής 0.7 s για απόδοση καταστροφής του τολουολίου 99%. Δίνονται: W= 92, Ζ (συντελεστής ρυθμού συγκρούσεων) = 2.85 10 11, R = 0,08206 (atm L) / (gmole K) = 1.987 cal/(mol-k), μοριακό κλάσμα οξυγόνου στον μετακαυστήρα 20% και πίεση 1atm. Απάντηση Άσκησης 8: Υπολογίζεται την σταθερά ρυθμού k: k ln(1 ) r k r 1 e 1 e ln(1 ) k r k r ln(1 0.99) 1 k 6.58 s 0.7 s Υπολογίζεται την ενέργεια ενεργοποίησης: 0.00966 ( W ) 46.1 0.00966 (92) 46.1 45.221 kcal / mole Υπολογίζεται τον στερεοχημικό παράγοντα: 16 16 S 0.174 W 92 Υπολογίζεται τον προεκθετικό παράγοντα: 11 Z SyO P 2.8510 0.174 0.21 atm 2 A 12.0810 R ( atm)( L) 0.08206 ( gmole )( K ) Υπολογίζεται την θερμοκρασία: s 10 1 1

/ RT k / RT k k Ae e ln T A A RT k ln R A cal 45, 221 T mole 96 K 1 6.58 s cal ln 1.987 10 1 12.0810 s mole k Άσκηση 9 Εκφώνηση: Υπολογίστε την απόδοση καταστροφής του τολουολίου σε ένα ισοθερμοκρασιακό μετακαυστήρα εμβολικής ροής με χρόνο παραμονής 0.7 s, όταν η απαιτούμενη θερμοκρασία (υπολογισμένη με τη μέθοδο Cooper et al) είναι ίση με 961 Κ. Δίνονται: W= 92, Ζ (συντελεστής ρυθμού συγκρούσεων) = 2.85 10 11, R = 0,08206 (atm L) / (gmole K) = 1.987 cal/(mol K), μοριακό κλάσμα οξυγόνου στον μετακαυστήρα 20% και πίεση 1atm. Απάντηση Άσκησης 9: Υπολογισμός ενέργειας ενεργοποίησης: 0.00966 ( W ) 46.1 0.00966 (92) 46.1 45.221 kcal / mole Υπολογισμός στερεοχημικού παράγοντα: 16 16 S 0.174 W 92 Υπολογισμός προεκθετικού παράγοντα: 11 Z SyO P 2.8510 0.174 0.21 atm 2 A 12.0810 R ( atm)( L) 0.08206 ( gmole )( K ) s 10 1 Υπολογισμός σταθεράς ρυθμού k: cal 45,221 mole / RT / RT 10 1 cal 961 K1.987 molek 1 k k Ae e 12.0810 s e 6.27 s A 14

Υπολογισμός απόδοσης καταστροφής του τολουολίου: 1 k 6.27 s 0.7 s r 1 e 1 e 0.9876 ή 98.76% Άσκηση 10 Εκφώνηση: Υπολογίστε την παροχή μάζας του αέριου καυσίμου (CH 4) που απαιτείται σε μετακαυστήρα ο οποίος επεξεργάζεται 4500 acfm ρυπασμένου αέρα. Ο αέρας εισέρχεται στους 200 ο F και η επιθυμητή θερμοκρασία των καυσαερίων είναι 150 ο F. Το καύσιμο εισέρχεται στους 80 ο F όπως και ο αέρας του καυστήρα. Η κατώτερη θερμογόνος δύναμη του μεθανίου είναι ίση με 21,560 Btu/lb m. Υποθέστε 10% συνολική απώλεια θερμότητας και ότι ο μετακαυστήρας θα τροφοδοτηθεί με εξωτερικό αέρα σε αναλογία με το καύσιμο 5:1. Δίνονται: ρ g = 0.060 lb m/ft, h T = 28 Btu/ lb m, h TBA = h TG = 4.8 Btu/ lb m, h TPA =.6 Btu/ lb m, ΔΗ C,VOC = 0. Απάντηση Άσκησης 10: Υπολογίζεται την παροχή μάζας του ρυπασμένου αέρα: ft lbm lbm 4500 0.06 270 ft PA v έ Υπολογίζεται την παροχή μάζας του αερίου καυσίμου: G i PA VOC VOCi c (1 fl) RB 1hT ht PA ht ht c X i (1 fl) G BA G lbm Btu Btu 270 28.6 lbm lbm lbm 0.08 Btu Btu Btu 21,560 1 0.1 5 1 28 4.8 lbm lbm lbm Άσκηση 11 Εκφώνηση: Υπολογίστε την ογκομετρική παροχή του καυσαερίου όταν η παροχή μάζας του αέριου καυσίμου (CH 4) που απαιτείται σε μετακαυστήρα ο οποίος επεξεργάζεται 5500 acfm ρυπασμένου αέρα είναι ίση με 4 lb m/. Η θερμοκρασία 15

λειτουργίας του μετακαυστήρα είναι ίση με 920 Κ. Υποθέστε ότι ο μετακαυστήρας θα τροφοδοτηθεί με εξωτερικό αέρα σε αναλογία με το καύσιμο 15:1. Δίνονται: πυκνότητα του εισερχόμενου ρυπασμένου αέρα ίση με 0.060 lb m/ft, ΜΒ(καυσαερίων) = 2, R = 1.14 (atm ft ) / (lbmole K). Απάντηση Άσκησης 11: Υπολογισμός παροχής μάζας του ρυπασμένου αέρα: ft lbm lbm 5500 0.06 0 ft PA v έ Υπολογισμός μαζικής παροχής αέρα του καυστήρα: lbm lbm BA RB G 15 4 60 Υπολογισμός μαζικής παροχής του καυσαερίου: lbm lbm lbm lbm G PA BA 4 0 60 94 Υπολογισμός ογκομετρικής παροχής του καυσαερίου: lbm atm ft 94 1.14 920 K RT ft lbmol K 14,884 P( W ) lbm 1 atm2 lbmol Άσκηση 12 Εκφώνηση: Ένας τυποποιημένος θερμικός μετακαυστήρας πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για την απομάκρυνση τολουολίου από τα απαέρια ενός εργοστασίου. Οι διαστάσεις του μετακαυστήρα είναι L = m και D = 6.0 m. Η θερμοκρασία λειτουργίας του μετακαυστήρα είναι 1,500 ο F, η αναλογία τροφοδοσίας του αέρα προς το καύσιμο είναι 14:1 και ο χρόνος παραμονής του ρυπασμένου αέρα στο θάλαμο καύση είναι 0.5 sec. Ο αέρας περιβάλλοντος και το καύσιμο βρίσκονται σε θερμοκρασία 100 ο F και πίεση 1 atm. Το ρυπασμένο αέριο (ΡΑ) έχει θερμοκρασία 22 ο F. Να βρεθεί η ογκομετρική παροχή του ΡΑ που μπορεί να επεξεργαστεί ο μετακαυστήρας. Δίνονται: 16

ΜΒ καυσαερίων = 28, Για τον υπολογισμό της ενθαλπίας όλα τα αέρια λαμβάνονται ως καθαρός αέρας, Ο θερμικός μετακαυστήρας είναι ισοθερμοκρασιακός και η πίεση του καυσαερίου (στην έξοδο) είναι 1 atm, Η οξείδωση του καυσαερίου είναι μηδενική, Η κατώτατη θερμογόνος δύναμη του μεθανίου είναι 21,560 Btu/lb m. Απάντηση Άσκησης 12: Υπολογισμός γραμμικής ταχύτητας αερίου στον μετακαυστήρα: x 0.5 sec u= 6m/sec L u t r m = u Υπολογισμός ογκομετρικής παροχής καυσαερίου: D 4 u 6.0m 4 m.14 6 sec m 171.26 sec Υπολογισμός μαζικής παροχής καυσαερίου: T T 1.8 2 1,500 T 1.8 2 T 815.6 o C c c c R T P B m lt gmole K 171.26 1, 000 sec m g 1 lb lb 5, 720 118.4 sec 45.6 g sec atm l o 0.082 (815.6 C 27) g 1 atm 28 gmole Από το ισοζύγιο μάζας έχουμε: 14 15 G BA PA G G PA G PA G T( ) 1.8 2 22 1.8 2 450 O PA F Tc F, άρα από πίνακα Β7 (βιβλίου) η ενθαλπία του απαερίου= 94.4 Btu/lb 15 PA Από πίνακα Β2 (βιβλίου) η πυκνότητα του απαερίου είναι 0.045 lb/ft 17

Ενθαλπία καυσίμου Τ = 100 ο F 9.6 Btu/lb Ενθαλπία αέρα περιβάλλοντος Τ = 100 ο F 9.6 Btu/lb Ενθαλπία καυσαερίου Τ = 1,500 ο F 69 Btu/lb Υπολογισμός της μαζικής παροχής του ρυπασμένου αέρα: G PA ( ht hpa ) VOC ( H c ) VOC X i (1 fl ) ( h ) (1 f ) ( R 1)( h h ) c G L B T TBA lb Btu Btu 118.4 PA PA (69 94.4 ) 0 sec lb lb lb PA 89.8 15 Btu Btu Btu sec 21,560 (1 0.15) (14 1) (69 9.6 ) lb lb lb Υπολογισμός ογκομετρικής παροχής ρυπασμένου αέρα: lb 89.8 PA sec ft PA 2,065 lb 0.045 ft Άσκηση 1 Εκφώνηση: Σε μία βιομηχανική μονάδα τα απαέρια περιέχουν VOCs. Η παροχή του απαερίου είναι ίση με 8000 acfm και είναι στους 90 ο F. Η μαζική παροχή του καυσίμου είναι ίση με lb m/ και η αναλογία αέρα καυσίμου ίση με 15:1. Η θερμοκρασία λειτουργίας του μετακαυστήρα είναι ίση με 950 Κ και λειτουργεί σε πίεση 1 atm. Η γραμμική ταχύτητα του αερίου στο μετακαυστήρα είναι 20 ft/sec. Να βρεθούν οι διαστάσεις του μετακαυστήρα σε μέτρα (m). Δίνονται: ΜΒ(καυσαερίου)=2, χρόνος παραμονής του αερίου στο μετακαυστήρα 0.7 sec, πυκνότητα του αέρα ίση με 0.058 lb m/ft και R = 1.14 (atm ft ) / (lbmole K). Απάντηση Άσκησης 1: Υπολογισμός μαζικής παροχής του ρυπασμένου αέρα: 18

PA ft lbm lbm v έ 8000 0.058 464 ft Υπολογισμός μαζικής παροχής αέρα του καυστήρα: lbm lbm BA RB G 15 45 Υπολογισμός μαζικής παροχής του καυσαερίου: lbm lbm lbm lbm G PA BA 464 45 512 Υπολογισμός ογκομετρικής παροχής του καυσαερίου: lb atm ft o 512 1.14 950 K RT o ft 1 ft lbmol K 19,972.8 2.88 P( W ) lb 1 atm2 60 s s lbmol Υπολογισμός της διαμέτρου του θαλάμου αντίδρασης: ft 42.88 4 0.048 m D s 4.6 ft 1.4 m u ft.14 20 1 ft s Υπολογισμός του μήκους του θαλάμου αντίδρασης: ft 0.048 m L u r 20 0.7 s 4.27 m s 1 ft Άσκηση 14 Εκφώνηση: Σε μία βιομηχανική μονάδα μελετάται η εγκατάσταση ενός ισοθερμοκρασιακού μετακαυστήρα εμβολικής ροής με χρόνο παραμονής 0.5 sec για καταστροφή εξανίου. Η συγκέντρωση του ρύπου στην είσοδο του αντιδραστήρα είναι 2,000 ppm, με παροχή 4,500 acfm, σε θερμοκρασία 250 o F και πίεση 1 atm. Το όριο 19

εκπομπών εξανίου από την έξοδο του μετακαυστήρα είναι 10 ppm. Χρησιμοποιώντας την μέθοδο Cooper et al. να υπολογίσετε την απαιτούμενη θερμοκρασία καταστροφής του εξανίου. Υποθέτοντας ότι ο μετακαυστήρας θα τροφοδοτηθεί με εξωτερικό αέρα σε αναλογία με το καύσιμο 5:1 να υπολογιστούν οι διαστάσεις του μετακαυστήρα. Δίνονται: ΜΒ εξανίου = 86, ΔΗ C,VOC = 0, Κλασματική απώλεια θερμότητας 10 %, Η κατώτατη θερμογόνος δύναμη του μεθανίου είναι 21,560 Btu / lbm, Η πυκνότητα του μεθανίου ρ μεθ. = 0.655 kg /, ΜΒ CH4 = 16, Μοριακό κλάσμα οξυγόνου 20 % κ.ο., Η έξοδος των καυσαερίων είναι σε πίεση 1 atm, Το μοριακό βάρος των καυσαερίων είναι 28, Για τον υπολογισμό της ειδικής ενθαλπίας θεωρούμε όλα τα αέρια ως καθαρό αέρα, Ο αέρας του περιβάλλοντος και το αέριο καύσιμο είναι σε θερμοκρασία 80 ο F και πίεσης 1 atm. Απάντηση Άσκησης 14: Απόδοση καταστροφής Cin Cout 2, 000 ppm 10 ppm 0.995 ή 99.5 % C 2,000 ppm in Σταθερά ρυθμού k ln(1 ) 1 k r r r 1 k e e 1 e k ln(1 ) k r k ln(1 0.995) k k 10.6 s 0.5 1 r Ενέργεια ενεργοποίησης Ε 0.00966 ( W ) 46.1 0.00966 (86) 46.1 45.269 kcal / mole Στερεοχημικός παράγοντας S 16 16 S 0.186 W 86 Συντελεστής ρυθμού συγκρούσεων Ζ Εφόσον το εξάνιο κατατάσεται στα αλκάνια, ο συντελεστής ρυθμού συγκρούσεων υπολογίζεται από το σχήμα 11.5 σελ. 76 στο βιβλίο, άρα: 20

11 Z.1 10 Προεκθετικός παράγοντας 11 Z SyO P.110 0.186 0.21 atm 2 A 1.4 10 R ( atm)( L) 0.08206 ( gmole )( K ) s 11 1 Απαιτούμενη θερμοκρασία καταστροφής k k A A RT k ln R A / RT / RT k Ae e ln T T cal 45, 269 mole 1 10.6 s cal ln 1.987 11 1 1.410 s mole k 977.6 K Υπολογισμός ενθαλπιών Οι ειδικές ενθαλπίες υπολογίζονται από τον πίνακα Β.7, σελ. 746 του βιβλίου h h 80 o F TBA h h h h 9.6 0 9.6 h Btu 4.8 T T T T lbm h o o o 100 F 60 F 100 F TBA TBA ht BA o o o o 100 60 100 80 100 F 60 F 100 F 80 F h 977.6 o F T h o h o h o h 1000 F 900 F 1000 F T 24.1 211.4 24.1 ht Btu ht 229 T T T T 1000 900 1000 977.6 lbm o o o o 1000 F 900 F 1000 F 977.6 F h h 250 o F TPA h T PA Btu 45.7 lbm Υπολογισμός παροχών μάζας 21

PA ft lbm lbm 4,500 0.0558 251.1 250 F v ft lbm Btu Btu 251.1 229 45.7 PA ht ht VOCi (1 ) PA c X i f VOC L i lbm lbm lbm G 4.06 c (1 fl) RB 1 G ht ht Btu Btu Btu BA 21,560 1 0.1 5 1 229 4.8 lbm lbm lbm lbm lbm BA RB G 5 4.06 142.1 lbm lbm lbm lbm G PA BA 4.06 251.1 142.1 97.26 Ογκομετρική παροχή καυσαερίου T 977.6 o F TF 2 977.6 2 o TF Tc 1.8 2 Tc Tc Tc 525. C 1.8 1.8 o T 525. C 27.15 798.5 K K lbm atm ft 97.26 1.14 798.5 K RT ft lbmol K 14,886. P( W ) 1 atm28 Διάμετρος θαλάμου αντίδρασης Η μέση γραμμική ταχύτητα σε ολόκληρο το μήκος του σώματος της μονάδας θα πρέπει να είναι περίπου 10 20 ft/sec. Επιλέγουμε μια μέση γραμμική ταχύτητα 20 ft/sec. ft 414,886. 4 D.98 u ft 60 sec.1420 sec 1 ft Μήκος θαλάμου αντίδρασης ft L u r 20 0.5 sec 10 ft sec 22