ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ (ΣΤΕΦ) ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΣΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΣΗΣ Τ.Ε. ΤΕΛΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΙΟΥΝΙΟΣ, 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.
ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΤΑΝΟΗΣΗΣ ΘΕΩΡΙΑΣ (μονάδες 5) 1. Ποιες είναι οι μονάδες ρυθμών αντιδράσεων; 2. Ποιες από τις παρακάτω οργανικές ουσίες στην παρένθεση (Μεθάνιο, Αιθάνιο, HFC, Φορμαλδεΰδη) ΔΕΝ θεωρούνται VOC; 3. Τι ονομάζεται θερμοκρασία αυτανάφλεξης; 4. Σημειώστε τους παράγοντες που επηρεάζουν την καύση: 5. Ποια είναι τα μειονεκτήματα των μονάδων θερμικής οξείδωσης; 6. Δώστε τον ορισμό της προσρόφησης. 7. Περιγράψτε τη διεργασία της φυσικής προσρόφησης. 8. Περιγράψτε τη διεργασία της χημειορόφησης. 9. Δώστε δύο παραδείγματα άμορφων και δύο παραδείγματα κρυσταλλικών προσροφητικών μέσων. 10. Τι ονομάζεται «ενεργοποίηση» του άνθρακα; 11. Δώστε τον ορισμό της απορρόφησης. 12. Περιγράψτε εν συντομία τη διεργασία της απορρόφησης. 13. Περιγράψτε εν συντομία τα βήματα που απαιτούνται κατά το σχεδιασμό πύργου απορρόφησης. 14. Περιγράψτε τη διεργασία καθαρισμού με ασβεστόλιθο για τον έλεγχο των οξειδίων του θείου. 15. Ποια είναι η γνωστότερη διεργασία FGD και ποια τα κύρια στάδια της; 16. Ποιοι είναι οι κύριοι μηχανισμού των NOx; Δώστε σύντομη περιγραφή. 17. Ποιες είναι οι κυριότερες τεχνικές επεξεργασίας των οξειδίων του αζώτου; 18. Ποια είναι τα αέρια που χρησιμοποιούνται κυρίως ως αναγωγικά μέσα στην SCR και ποια η συνηθέστερη ενεργός φάση του καταλύτη; 19. Να υπολογιστεί η σταθερά του k για το βενζόλιο στους 1000 ο F (Α= 7.42 10 21 και Ε= 95,900 cal/mol). 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. Συνέχεια στην επόμενη σελίδα
ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΠΡΟΣ ΕΠΙΛΥΣΗ (μονάδες 5) Από βιομηχανική εγκατάσταση προκύπτουν δύο αέρια ρεύματα με τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Ρεύμα εκπομπής Παροχή Θερμοκρασία ppm v #1 1750 m 3 /hr 225 o C 12,500 ppm v τολουόλιο #2 2700 m 3 /hr 150 ο C 9200 ppm v τολουόλιο Τα ρεύματα ενώνονται προκειμένου να οδηγηθούν σε συσκευή ελέγχου των οργανικών ουσιών. Για λόγους ασφάλειας, οι συγκεντρώσεις των οργανικών ουσιών θα πρέπει να μην ξεπεράσουν το 25% του κατώτατου ορίου εκλεξιμότητας των (LEL). Γι αυτό το λόγο προβλέφθηκε η ύπαρξη ενός ακόμα ρεύματος αέρα αραίωσης #3 του οποίου η θερμοκρασία είναι 35 ο C. (Για το τολουόλιο το LEL (ppm v ) είναι 12,000 και η καθαρή θερμότητα καύσης 48,435.66 KJ/Nm 3, ΜW τολουολίου = 92g/gmol, ρ τολουολίου : 867 kg/m 3.) Δυνατότητα Α Τα ρεύματα οδηγούνται σε σύστημα προσρόφησης ενεργού άνθρακα σε σταθεροποιημένη κλίνη. Να υπολογίσετε τις διαστάσεις της κλίνης (Θεωρείστε ότι στην πράξη ο συντελεστής προσροφητικής ικανότητας του ενεργού άνθρακα είναι 35%. Πυκνότητα άνθρακα: 450 kg/m 3.) Δυνατότητα Β Τα ρεύματα οδηγούνται σε θερμικό μετακαυστήρα τον οποίο και θα πρέπει να διαστασιολογήσετε. Θεωρείστε ότι η αναλογία καυσίμου / αέρα 1:22 και η γραμμική ταχύτητα του αερίου στον θάλαμο μετάκαυσης 5 m/sec. Δεν υπάρχει θερμική οξείδωση των ρύπων μέσα στον μετακαυστήρα και ο συντελεστής θερμικής απώλειας είναι 15%.)
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 (600-1200 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.
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= 7.42 10 21 και Ε= 95,900 cal/mol). cal 95,900 mol E cal K 1.987 (1000460) 21 R RT molk 1.8R 1 k Ae 7.4210 e 0.00011s
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 62800 17.4 1 s hr 0.00011s 0.001 Για τους 1200 ο F, t=49s Για τους 1400 ο F, t=0.2s