Organisatie: 4 uur examentijd. Richtlijn: 1 tot 1,5 uur voor gesloten boek theorie, de resterende tijd voor open boek oefeningen.

Theorie (gesloten boek)

1. Deutsch-Anderson model (15 pt):
   • Bij welk type luchtzuiveringsinstallatie wordt de Deutsch-Anderson formule aangewend voor de dimensionering?
   • Formuleer de vergelijking. Leid ze stap voor stap af en definieer alle symbolen. Illustreer de geometrie en aannames met een duidelijke figuur.
   • Definieer de begrippen gas sneakage en re-entrainment. Wat is hun invloed op de afscheidingsgraad?
   • Leg uit op welke manier men bij het praktische ontwerp voor deze twee fenomenen kan corrigeren.
2. Varia: a. Verklaar waarom een hogere drukval over een natte gaswasser doorgaans resulteert in een hogere deeltjesverwijderingsefficiëntie. Welk belangrijk operationeel nadeel is hier onlosmakelijk mee verbonden? (4 pt) b. Wat is de Cunningham-slipcorrectiefactor ($C_c$) en in welk deeltjesgroottebereik is deze correctie noodzakelijk? (4 pt) c. Wat verstaat men onder ammonia slip bij SNCR? Leg het chemische mechanisme van SNCR uit inclusief reactievergelijkingen. Hoe kan deze slip in de industriële praktijk geminimaliseerd worden? (7 pt)

Oefeningen (open boek)

1. Cycloon en Mouwenfilter voor cementstof (20 pt):

   Gegeven de deeltjesgrootteverdeling van het ruwe cementstof ($\rho_p = 1{,}7\text{ g}/\text{cm}^3$):

   Deeltjesklasse ($\mu\text{m}$)	Massafractie ($m/m%$)
   0 – 10	$20%$ ($0{,}20$)
   10 – 60	$55%$ ($0{,}55$)
   > 60	$25%$ ($0{,}25$)

   Een afgasstroom van $10,400\text{ acfm}$ ($1\text{ atm}$, $T$, stofbelading $1{,}5\text{ g}/\text{m}^3$) moet ontstoft worden. Bedrijfsduur: $24\text{ h/dag}$, $300\text{ dagen/jaar}$. Elektriciteitsprijs: $0{,}19\ \text{€}/\text{kWh}$.

   • a. Ga na of met één conventionele Swift-cycloon met diameter $D = 1{,}5\text{ m}$ ($K = 14$) een afscheidingsrendement van minimaal $90%$ kan worden bereikt. Indien niet, hoeveel van deze cyclonen moeten in serie geplaatst worden?
   • b. Bereken de totale drukval van deze cycloonconfiguratie en de bijhorende jaarlijkse elektriciteitskost voor de ventilator.
   • c. Men overweegt als alternatief een mouwenfilter (keuze tussen shaker en pulse-jet). Bereken voor beide filtertypes het aantal benodigde mouwen, de configuratie van de compartimenten en de operationele kosten (oppervlakte per filtermouw bedraagt steeds $30\text{ ft}^2$).
   • d. Bereken specifiek voor de pulse-jet optie de jaarlijkse energiekost van het persluchtsysteem bij een werkdruk van $100\text{ psi}$ en een compressorrendement van $60%$.

2. Thermische oxidatie (Incinerator) (10 pt): Een afgasstroom met $440\text{ ppmv}$ tolueen ($T = 38^\circ\text{C}$) wordt behandeld in een naverbrander bij een verbrandingstemperatuur van $850^\circ\text{C}$. Als hulpbrandstof gebruikt men aardgas (methaan, $T = 20^\circ\text{C}$). Verbrandingslucht wordt aangezogen bij $15{,}6^\circ\text{C}$ met een lucht/brandstof-verhouding van $13\text{ kg lucht}/\text{kg methaan}$. Het globaal warmteverlies van de verbrandingskamer bedraagt $10%$ en de verbrandingsefficiëntie voor tolueen is $95%$.

   • Bereken het vereiste debiet aan aardgas in $\text{kg}/\text{min}$ en in $\text{m}^3/\text{min}$.
   • Hoe verandert dit aardgasverbruik indien men de vrijgekomen verbrandingswarmte van tolueen enerzijds en de thermische wandverliezen anderzijds zou verwaarlozen? Verklaar fysisch en staaf met numerieke berekeningen.

(Totale beschikbare examentijd: 4 uur)

Theorie (gesloten boek)

1. Deutsch-Anderson model (15 pt): a. Voor welke afvalgasbehandelingstechniek hanteert men de Deutsch-Anderson vergelijking bij het procesontwerp? b. Formuleer de Deutsch-Anderson vergelijking en geef de volledige afleiding. Definieer alle parameters met hun eenheden en voorzie een duidelijke schets. c. Definieer de begrippen sneakage en rapping re-entrainment. d. Zitten de fenomenen uit deelvraag c vervat in de klassieke afleiding van de vergelijking? Moet men hiervoor corrigeren bij het dimensioneren, en zo ja, hoe gebeurt dit?
2. Atmosferische inversie (6 pt): Leg uit wat een temperatuurinversie is. Teken een representatief verticaal temperatuurprofiel van de atmosfeer (duid de assen correct aan). Verklaar aan de hand van de figuur wat de gevolgen zijn voor de dispersie van polluenten wanneer de uitstoot onder de inversielaag plaatsvindt.
3. Venturiscrubber (3 pt): Bespreek de werking van een venturiscrubber. Maak een schets van het apparaat en duid aan voor welke verontreinigingen deze techniek ingezet wordt. Welke fysische afscheidingsmechanismen spelen de hoofdrol? (max. 15 regels)
4. Pulse-jet reiniging (3 pt): Wat verstaat men onder pulse jet cleaning bij doekenfilters? Leg het werkingsprincipe uit aan de hand van een schematische tekening. (max. 15 regels)
5. SNCR-technologie (3 pt): Bespreek het werkingsprincipe van selectieve niet-katalytische reductie (SNCR) voor $\text{NO}_x$-verwijdering. Formuleer de belangrijkste chemische reactievergelijkingen en vermeld het toepasselijke temperatuurvenster. (max. 15 regels)

Oefeningen (open boek)

1. Ammoniakslip & FGD interactie (4 pt): Een rookgasstroom van $1{,}3 \cdot 10^6\text{ scfm}$ ($20^\circ\text{C}$) verlaat een SCR-reactor met een ammoniakslip van $3\text{ ppmv}$.

   • Bereken de potentiële massa ammoniak die per dag naar de atmosfeer wordt geëmitteerd ($\text{kg}/\text{dag}$).
   • Indien na de SCR een natte kalksteen-FGD geïnstalleerd is, welke impact heeft deze wasser op de uiteindelijke ammoniakemissie? Verklaar chemisch.

2. Industriële case cementontstoffing (26 pt): Een cementbedrijf produceert een beladen luchtstroom ($1\text{ atm}$, $15{,}6^\circ\text{C}$, debiet $16,000\text{ acfm}$) afkomstig van de grondstofmalerij. De deeltjesdichtheid bedraagt $\rho_p = 1{,}59\text{ g}/\text{cm}^3$. De wettelijke emissie vereist een globale verwijderingsefficiëntie van minimaal $98%$. Het bedrijf draait continu ($24/24\text{ h}$) gedurende $300\text{ dagen/jaar}$. De elektriciteitskost is $0{,}19\ \text{€}/\text{kWh}$ en het ventilatorrendement is $60%$.

   Deeltjesgrootteverdeling van het ruwe cementstof: (Gegeven in een tabel met size ranges in $\mu\text{m}$ en bijhorende massapercentages $m%$).

   • Vraagstuk 1 (Cycloonselectie): Als voorontstoffing overweegt men Swift-cyclonen met een diameter van $1{,}75\text{ m}$. Men aarzelt tussen:
     • Optie A: één high-efficiency cycloon ($K = 15$)
     • Optie B: twee geschakelde high-throughput cyclonen in serie ($K = 12$) Bereken voor beide opties de totale efficiëntie en het jaarlijkse operationele energieverbruik gekoppeld aan de drukval. Formuleer een onderbouwd advies.
   • Vraagstuk 2 (ESP nageschakeld): Indien gekozen wordt voor optie A (één high-efficiency cycloon), installeert men daarna een droge ESP met 3 mechanische velden. De platen hebben een hoogte van $4{,}5\text{ m}$ en een aspectratio van $0{,}9$. De effectieve driftsnelheid bedraagt $w = 0{,}2\text{ ft}/\text{s}$ en de drukval over de ESP is $0{,}2\text{ in. } \text{H}_2\text{O}$. Bepaal de actuele plaatoppervlakte en de totale jaarlijkse elektriciteitskost (ventilator ESP + coronaontlading).
   • Vraagstuk 3 (Mouwenfilter alternatief): Als alternatief voor de ESP onderzoekt men een mouwenfilter met filterslangen van $30\text{ ft}^2$ per stuk. Men vergelijkt een mechanisch geschud filter (shaker-type) met een pulse-jet installatie. Bepaal voor beide types het benodigde aantal slangen en de compartimentering. Bereken voor de pulse-jet optie de jaarlijkse energiekost ($\text{€}/\text{jaar}$) voor de compressor ($\eta = 60%$), uitgaande van een persluchtdruk van $100\text{ psi}$ en een persluchtverbruik gelijk aan $0{,}7%$ van het totale procesgasdebiet.

Versie 1

Theorie:

1. Leid de grensdiameter $d_p$ af voor een cycloon waarbij theoretisch $100%$ verwijdering plaatsvindt. Hoe wordt deze grenswaarde praktisch vertaald naar ontwerpcurves?
2. Schets het verloop van de drukval ($\Delta P$) in functie van de tijd voor een reverse-air mouwenfilter en benoem alle deelperiodes (filtratietijd, reinigingstijd, drukval over zuiver doek, filterkoekweerstand).
3. Wat is het Dual Alkali proces? Geef de reactievergelijkingen en leg uit waarom dit proces minder onderhevig is aan verstopping en korstvorming (scaling) dan conventionele kalksteenwassing.
4. Bespreek de industriële case study van Alfascan (gelatineproductie): wat was het specifieke dispersieprobleem met de schouw en hoe werd dit opgelost?

Oefeningen: 5. Rekenopgave analoog aan Voorbeeld 13.1 uit het studiemateriaal. 6. Dimensionering van een elektrostatische precipitator (ESP) voorafgegaan door een batterij cyclonen. Bepaal het benodigde aantal platen en maak een raming van de operationele en energetische kosten.

Versie 2

Theorie:

1. Deutsch-Anderson vergelijking (15 pt): a. Voor welke zuiveringstechniek wordt deze vergelijking toegepast? b. Geef de wiskundige afleiding, verklaar alle gebruikte symbolen en maak een verhelderende schets. c. Wat betekenen de termen sneakage en rapping re-entrainment? d. Worden deze twee effecten impliciet verrekend in de standaard Deutsch-Anderson vergelijking? Dient hiervoor gecorrigeerd te worden, en zo ja, op welke wijze?
2. Rookgasontzwaveling (8 pt): Bespreek het kalksteenwasproces (limestone scrubbing) aan de hand van de chemische reacties. Waarom wordt dit toegepast en wat zijn de voornaamste nadelen ten opzichte van een dual alkali proces?
3. Meteorologie & Dispersie (5 pt): Wat verstaat men onder een temperatuurinversie in de troposfeer? Verduidelijk je antwoord met een grafiek van het temperatuurprofiel (benoem de assen expliciet) en bespreek de impact op de verspreiding van luchtverontreiniging.
4. Bedrijfsbezoek / Video ArcelorMittal (2 pt): Welk specifiek onderdeel van het staalproductieproces werd getoond in de video's? Geef de opeenvolgende stappen in hun rookgasreinigingsinstallatie.

Oefeningen: 5. ESP berekening steenkoolcentrale (20 pt): Een kolencentrale levert een elektrisch vermogen van $500\text{ MW}_e$ met een thermisch rendement van $37%$. Het asgehalte van de verstookte steenkool bedraagt $0{,}07%$.

• a. Bereken het actuele vereiste collectieoppervlak $A$ van de ESP en de jaarlijkse energiekost (ventilatorvermogen + corona power).
• b. Bereken de dagelijkse ammoniakemissie ($\text{kg}/\text{dag}$) ten gevolge van ammoniakslip uit de stroomopwaartse DeNOx-eenheid.
• c. Het rookgas wordt nabehandeld in een kalkwasinstallatie (FGD) die gevoed wordt met kalk bestaande uit $98%\ \text{CaO}$ en $2%$ inert materiaal. Bereken de dagelijkse massaproductie aan ontwaterd gips/slib (sludge).
• d. Indien de natte FGD niet geïnstalleerd zou zijn, welke invloed heeft dit dan op de uiteindelijke uitstoot van ammoniak naar de atmosfeer?

6. Mouwenfilter berekening (10 pt): Gegeven de filterparameters voor een compartimenten-mouwenfilter: doekweerstand $K_e$, koekweerstand $K_s$, maximale drukval $\Delta P_{\max}$, reinigingstijd $t_c$, stofbelading $L$, en het gasdebiet $Q$ bij $25^\circ\text{C}$ (omgerekend naar standaard cfm).
   • Bereken de filtratiesnelheid (air-to-cloth ratio), het vereiste filterdoekoppervlak per compartiment en de nuttige filtratietijd $t_f$.

Theorie:

1. Geef de volledige afleiding van de Deutsch-Anderson vergelijking voor elektrostatische stofafscheiding en ondersteun de afleiding met een duidelijke figuur en definitie van alle parameters.
2. Bespreek de drie gangbare regeneratiemethodes voor mouwenfilters (mechanisch schudden, reverse-air, pulse-jet) en vergelijk hun voor- en nadelen inzake doekbelasting, continubedrijf en persluchtverbruik.

Theorie & Oefeningen:

1. Cycloontechnologie: a. Bij welk type berekening/ontwerp wordt de Lapple-methode gehanteerd? b. Definieer de snijdiameter $d_{p50}$. c. Leid de formule voor $d_{p50}$ af uit de krachtenbalans op een roterend partikel.
2. Bespreek het limestone scrubbing proces voor rookgasontzwaveling. Geef alle relevante reactievergelijkingen en formuleer de nadelen (schaalvorming/scaling) ten opzichte van een dual alkali proces.
3. Verklaar de volgende vaktermen:
   • Reverse-air reiniging bij doekenfilters
   • Stack downwash bij schoorstenen
4. Procesvergelijking: Gegeven een processtroom die behandeld moet worden met een mouwenfilter, een natte scrubber en een cycloon. Bepaal de meest logische en robuuste volgorde van deze drie technieken en motiveer uitvoerig waarom.