IEK 205/3 - TEKNOLOGI KAWALAN PENCEMARAN UDARA

(1)

UNIVERSITI SAINS MALAYSIA Pepenksaan Semester Kedua Sidang Akademik 2002/2003

Februari 2003

Masa : 3 jam

Sila pastican bahawa kertas pepeniksaan ini mengandimgi EMPATBELAS (14) mukasurat yang bercetak sebelum anda memulakan pepenksaan ini.

Jawab EMPAT (4) soalan. Semua soalan mesti dijawab dalam Bahasa Malaysia.

Jawab samada TIGA (3) soalan dari BAHAGIAN A dan SATU (1) dari BAHAGIAN B ATAU

DUA (2) soalan dari BAHAGIAN A dan DUA (2) soalan dari BAHAGIAN B.

CORE Metadata, citation and similar papers at core.ac.uk

(2)

BAHAGIAN A

_2 [IEK 205!3)

1 . Arang batu yang digunakan di suatu loji kuasa mempunyai kandungan tenaga pada anggaran 25 kJ/g, kandungan karbon 60 %, sulfur 2 % dan bahan mineral tak terbakar yang digelar sebagai abu (ash) 10 %. Had emisi bahan pencemar udara yang dibenarkan di kawasan itu ialah 260 g S02 (130 g sulfur, S) dan 13 g bahan partdculat bagi setiapl0b kJ masukan haba ke ioji. 70 % abu makan membentuk abu terbang (fly ash) dan 30 % lagi keluar sebagai abu bawah (bottom ash). Jfca untuk loji ini 3 unit tenaga haba akan menjadikan 1 unit tenaga elektrclc maka: (a) Kim emisi S02 , parhladat clan karbon untuk setiap kilowattjam tenaga

elektrik yang terjana. (Andaikan semua karbon dalam arang batu akan terbebas ke udara).

(25 markah) Kira keefisienan sistem kawalan emisi sulfur untuk memenuhi had yang dibenarkan.

(25 markah) (c)

Kira keefisienan sistem kawalan emisi partikuiat untuk memenuhi had yang dibenarkan

(25 markah) (d)

Kira kepekatan S02 di kawasan perumahan yang berhampiran loji tersebut dalam unit ppm jika bacaan kepekatan S02 ialah 365 l~g/m3 pada suhu 25 °C dan tekananl atm.

(3)

Nlaklumat Tambahan

Berat Molekul S02 = 64, Berat Atom S = 32, 0 =16, C =12

Untuk menukar antara umtppm dengan mg/m3 guna persamaanbenkut: mg/m3 = ppmx berat molekul x 273.15 K x P (aim)

22 .414 T (K) 1 atm

Darabkan nilai dalam mg/m3 dengan 1000 untuk mendapatkan gg/m3

2. (a) Bermula dengan mengira jumiah jisim habuk yang terpindah ke satu titisan air yang jatuh semasa hujan, dalam ruang yang kepekatan habuk ialah c kg/m3, terbitkan suatu persamaan rekabentuk untuk satu scrubberaliran silang(cross,flowscrubber).

Keberkesanan scrubber ialah 90 peratus bagi partikel saiz 3_uuntuk titisan air bergaris pusat 400 h. Katakan suatu muncung sembur air diubahsuai supaya titisan air menjadi 200 _u sementara kadar aliran air tidak diubah maka kira keberkesanan baru scrubber itu.

Diberi Ns = p D2V/(18 pD~) 3 NS = nombor pemisahan p = ketumpatan partikel (2000 kg/m) D = diameter partikel

V = halaju tamatan titisan air (terminal velocity) w = kepkaan udara (1 .8 x 10' kg/ms)

Db = diameter titisan air (diameter ofbarrier) (liIiat Lampiran 1 dan 2 untukmaklumat tambahan)

[IEK 205/3]

(50 markah)

(4)

3. (a) Terbitkan persamaan untuk halaju tamatan suatu partikel, diameter D, yang mendak dalam udara menurut hukum Stoke.

4- [IEK 205/31

(25 markah) Terbitkan suatu persamaan untuk kecekapan pemendak graviti (gravity settlers) bagi afran laminar.

(25 markah) (c)

Terbitkan persamaan kecekapan sildon kemudian tunjukkan bagannana kamu boleh mengira garis pusat potongan,Dout(cut diameter).

(25 markah) (d)

Suatu siklon beroperasi pada keadaan garis pusat potongan, Dpt= 10 g..

Terdapat cadangan siklon yang rekabentuknya sama tetapi dimensmya separuh dari siklon sekarang. Jika kadar aliran isipadu, beban parhkel dan taburan saiz partikel dikekalkan maka kira nilai D.,,,t yang baru.

(25 markah) 4. (a) (i) _{Halaju purata gas sisa yang tiba ke permukaan penapis fabnk ialah} VS = 5 ft/min. Berapakah leas permukaan fabrdc yang diperlukan untuk suatu rumah beg bagi suatu loji kuasa arang batu 750 MW yang menghasilkan 1 .5 juta acfin gas sisa? (acfin = actual cubic feet per minute).

(ii) _{Jika penapisan ini dilakukan dengan fabrik. dalam bentuk beg} sihnder panjang 40 ft dan garispusat 1 ft, berapa begkah yang diperlukan?

(iii) _{Jelaskan secara ringkas perbezaan antara penapisan permukaan} (surfacefilter) dengan penapisan dalaman (depthfilter).

(50 markah) Ben gambaran nngkas kewujudan pencemar udara utama seperti CO, NOx, SOx, Pb, Os dan bahan partikulat (abu dan HC yang tak terbakar) melalui suatu contoh proses pembakaran yang mudah.

(50 markah) . .

(5)

.51-BARAGILAIN B

5. (a) Hurailcan 4 ciri utama yang pedu ada pads pelarut (solvent) yang digunakan dalam operasi serapan gas.

Z4 2 21: 78 16 14 10

(b) HmmAmn patezaan di antara scrapan fakaldan serapan kmua.

00 markah) (c) Rujuk kepada Rajah 1 .

A

5 [IEK 205f3l

(20 mamAzah)

Anggarkan jundah paun C02 yang dapat dijerap oleh 100 paun ayak molekul Davison 4A dazipada campuran gas keluaran pada 77*F dan 40psia yang men HOT plan ( berdasamr islipadu) C02.

Bampa pmatukkah dmlmda mwmap- terjerat ini dapat chydildlan oleh "rap pangs Immpau yang dilalukan pacla suhu 3920 nuhalhui penjerap sehingga Skamul sepeura C02 yang keluar dikurangkan kepada 1 .0 mmHg.

CARSM MOMIC P;d,s :URI HG

EYE 1 : KeseSbangpwan wap-pepejal

(10 amaardkaah) IXX; 3VF fit V I WS : 1 + . ~ I 1 ~ ~ ~ ' t

(6)

6. (a) Lakarkan bentuk plum yang dijangkakan diberi gTaf z melawan T seperti di Rajah 2(a) - 2(d). Beri sedfdt huraian mengapa plum berbentuk demikian. Gansan putus-putus ialah kadar Map adiabatik kering (dry

adiabatic lapse rate)

z z z 7 T T [IEK 205/3] (50 markah)

(7)

Z T T 7 Rajah 2 [IEK 205/3]

(b) Satu kilang melebur tembaga mempunyai paip tumpu (stack) dengan ketinggian 150m dan kenaikan plum sebanyak 75m. Ia mengeluarkan S02 pada kadar 1000 g/s. Anggarkan kepekatan aras bumi S02 daripada punca ini pada jarak 5km bawah angin (downwind) apabila kelajuan angin ialah 3 m/s dan kelas kestabilan ialah G. Lampiran 5 dan 6 dapat membantu dalam memperolehi jawapan.

(8)

LAMPIRAN

102

10

l0-2

lo -4

Theoretical screen mesh _N CD 0_to

O GO N .-. .. 00CO_C_{C C}_N_{~ N} _{.N.. O} O O O O O C0N p C Y?_N N N_to _{O 0 C} _SO O O a0 u3 00 O O 00 to ~" n V' NN OtOeTCONN ..+ I m ~r~r7rl _urr. rltrririfrir av.sri r Equivalent standard Tyler screen mesh

93

Ulm

~~~rmrunf~r"uun~a~irincmi~umSEMEMES MW A _~un"~zm

-dl , . WANH ____..__....___...:_ .__.:_...___.,...:._{;-...._._..._....} _o.rn MME _ ._.._. .. ._._ _{:,:_ :,. :_.... .. . .. ..._.:_...} ___ . .. .. ..,__ _{.. .._... ... ._. . . ..~._...".L.:..}

=="~un21~r",urA.._.r.ra A~A. .L"r u_n~~ur

A. .i1I111iIj~~ &A .1 .~1 . 1111111111 ~nr_rmrr.vmrr_r _r ri~o~i~rnr~~riruNONnNn"ru"BttR02 Ir /' /"/r/11 V,_._ra.._._u.~._AM..rvuuu. ril~r` ritrii _>emvnm_rusl .r..r._rr._ro_{_FL" p" I" r92W/Wi."""_.""}

-_GgtuHni.

; v v l rin i i1i11 I I I III I IIIII I I I ilf I I111f i I i III I 1111

1(1 -1 1 10 100 1000 10, 000

Particle diameter, p m FIGURE 8.7

Terminal settling velocities of spherical particles of different densities settling in air and water at 70°F under the influence of gravity. (From C. E. Lapple, et al., Fluid and Panicle Mechanics, University ofDelaware, Newark, 195 1, p. 292.) (Observe that the scale is 1, 1 .5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 5.. . .)

(9)

I+AMpIRAN 2: 0o C,) r°. C

v o

a o c9 ib oO --N w A a

m

'o m c o' 0 N CD

0

=s' N 0 N LV c N S co CD N O n yz

b

a < 0 O 9 Target efficiency, lt 0 [IEK 205/3]

o

s

A~_ o i 'I, 1P'6 00 _ 1 t1 I 1 - II

(10)

LAMPIRAN 3 Length: Mass: Force: Volume: CONVERSION FACTORS'

1 ft = 0.3048 m = 12 in. = mile/5280 = nautical mile/6076

Ian/3281 . .

1 m = 3.281 ft = 39.37 in. = km/ 1000 = 100 cm = 1000 mm = 106 microns = 106 ~tm = 109 nm = 101° A

1 lbm = 0.45359 kg = short ton/2000 = long ton/2240 = 16 oz (av.) = 14.58 oz (troy) = metric ton (tonne)/2204.63 = 7000 grains = slug/32.2

1 kg = 2.20461bm = 1000 g = (metric ton or tonne or Mg)/ 1000 1 lbf = 4.4482 N = 32.21bm - ft/s2 = 32.2 poundal = 0.4536 kgf

1 N = k,_ . m/s2 = 105 dyne = kgf/9.81 = 0.2248 lbf

1 ft3 = 0.02831 m3 = 28.31 liters = 7.48 U.S. gallons = 6.23 Imperial gallons = acre-ft/43 560

1 U.S. gallon = 231 M.3 = barrel (petroleum);42 = 4 U.S. quarts = 8 U.S. pints = 3.785 liters = 0.003785 m3 1 m' = 1000 liters = 35.29 ft3

Energy: .

i Btu = 1055 1 =1 .055 kw - s = 2.93 x 10-4 kwh = 252 cal = 777.97 ft - lbf = 3 .93 x 10-4 hp - h . 1J=N-m=W-s=volt -coulomb= 9.48 x l0-4 Btu

= 0.239 cal = 107 erg = 6.24 x_ 1018 electron volts

"These values are mostly rounded. There are several definitions for some of these quantities, e.g., the Btu and the calorie; these definitions differfrom each other by up to 0.2 percent. For the most accurate values see.theASTM Metric Practice Guide, ASTM Pub. E 380-93, Philadelphia, 1993.

(11)

LAMPIRAN 4

Power:

1 hp = 550 ft - lbf/s = 33 000 ft.- lbf/min = 2545 Btu/h = 0.746 kW 1 W = J/s = N - m/s = volt - ampere = 1 .34 x 10-3 hp = 0.239 cal/s

= 9.49 x 10-4 Btu/s Pressure:

1 atm = 101.3 kPa =1.013 bar = 14.696 lbf/in.2 = 33.89 ft of water = 29.92 inches of mercury = 1.033 kgf/cm2 = 10.33 m of water

. _{= 760 mm of mercury = 760 torr}

1 psi = atm/14.696 = 6.89 kPa = 0.0689 bar = 27.7 in. H2O = 51.7 torr 1 Pa = N/m2 = kg/m - s2 = 10-5 bar = 1.450 x 10- lbf/m.2

= 0.0075 torn = 0.0040 in.H20

1 bar-105 Pa = 0.987 atm =14.5 psia Psia, psig:

..' Psia means pounds per square inch, absolute. Psig means pounds per square inch, gauge, i.e., above orbelow the local atmospheric pressure.

Viscosity: 1 cp = 0.01 poise,= 0.01 g/cm - s = 0.001 kg/m, - s = 0.001 Pa - s = 6.7.2 x 10-_{4 lbmlfr - s = 2.421bm/ft - h = 2.09 x 10-5 lbf - s/f0} = 0.01 dyne - s/cm2 Kinemattic viscosity: . 1 es = 0-01 stoke =.0.01 cm=/s =10-6 m2/s = i -,P/(g/cm3) =1 .08 x-10-5. ft2/s = cp/(62.41bm/ft3) . ~Z.!VZ.:*atM: K =.°C + 273.15 =°R/1.8 ;~: °C +273-°C= _{(OF.- 32)/1.8} - °R'= °F+ 4-59.67 =1:8 KM- OF+460 °Y~=1.8°C + 32 Concentration (ppm):.. ° _ . ..

Common Units and--Values-for Problems.and:Examples: See inside backcover.

In the air pollution literRrure- and in-this book, ppm applied to a gas always means parts per million by volumeor by mol_These are.-Identical for an ideal gas, and practically identical.formestkasěs--o¬aii`polliition interest at 1 atm-pressure. Ppm applied to a liquid-or soiidmeans~parts petrmillion by mass.

For perfect gases at-.1 atm`an&25°C`1` ppm = (40.87 - molecular weight) ~tg/m3

(12)

~aaa~

i7 1 lo 5000 I4 - 12 -L!1 ! If) IkrwnwinJ distance._t .km Downwind distance;. .,- km Fl(;l:RE 6.7

Horizontal dispersion coellioent a, a:a W(1C(Itn of downwind distance from the aourec for various stability categories See Problem 6.16. (From Turner 171.)

1000 1 16 t NVOI IAFdNWA I//Et!

n~I,s~

--BiE " ~ .. .1 ~"rAt'"~ itttii 4 FIGURE 6.8 . .

VC rucaI dispersion ewflicient &, ;*, :unction of downwind distaree irntn themurce forvaritws cm)i:ity categories. See Problem 6.16. fFmm Tamer [71.?

_ rl

(13)

Lanpirai 6

3Tr3

'ABLE&i

Kt'.V U) stability categories

Bav

Surface wind Jncoming$War_radiation

-Vpmd (at if) W). _{Thin¬1~ overmst} _{Clear or} Strong Moderate RyW _{01 4} ₁₃_dond

ICHI ca,ll 0-2 'k _B A--B R C B WC C COD D . 19 &n.rve: rk-f, 7, 30 r)O%-Iw-rdd;Ctance. :~ km - 13

-Gmnd-kvell i-ulQ. dimtly

Under ft- elum.-ce--terlim as a

functionOfdf.%mwind dwam-e

fvm LItcwa.CC 34(3 C¬BCfttiC

jfmmlumer[71.) mixingheight.aNcy ir. Tnelem

[IEK 205/3] I !!! 1,! 1M K -MEEZZOM-E&I

FH

I, JI

(14)

Persamaan kepekatanplum yang mempunyai imej-cermm:

2 z 2

c = O exp-0.5 Y exp-0.5 z-H +exp-0 .5 z+H

2)zuaYUZ ₍ay ) aZ ₍ aZ ) 2 = 1 exp- 0.5 H O )raya` _{(cr. )} -14-for z=0,y=0 - 0000000 -[IEK 205/31