1

AKIM ŞEMALARI

Dr.Hasip Yeniova 1. Giriş 2. Akõm Şemalarõnõn Gösterilişi.

2.1 Blok diagramlar 2.2 Resim şeklinde gösterilen akõm şemalarõ 2.3 Akõş hõzlarõnõn gösterilişi 2.4 Akõm şemasõ üzerinde yer alan diğer veriler 2.5 Yerleşim planõ (Layout) 2.6 Verilerin kesinliği ve doğruluğu 2.7 Hesaplamalarda kullanõlan temeller 2.8 Kesikli prosesler 2.9 Yardõmcõ üniteler 2.10 Ekipmanlara kod ve ad verilmesi

Örnek akõm şemalarõ. Akrilonitril�in polimerizasyonu Nitrik asit üretim prosesi 3. Hesaplamalar

3.1 Temeller 3.2 Akõm şemasõ üzerinde yer alan çeşitli üniteler için kütle ve enerji denklikleri.

3.2.1 Şift konvertörü 3.2.2 Dikloretan üretimi 3.2.3 Nitrik asit üretimi

4. Bilgisayar Destekli Akõm Şemalarõ.

4.1 Tam ve yatõşkõn hal benzeşim (simulasyon) proğramlarõ. 4.2 Bilgi akõm diagramlarõ. 4.3 Örnek: Nitrobenzen�den anilin üretimi

5. Basit Kütle Denkliği Proğramlarõ

5.1 Fraksiyon katsayõlarõ kavramõ ve kütle denkliklerinin matriks formda gösterilmesi. 5.2 Örnek: İzopropil alkolden aseton üretimi.

6. Borulandõrma ve Enstrümantasyon (PNI)

ANKARA Eylül 2003

2

AKIM ŞEMALARI 1. GİRİŞ Akõm şemalarõ, proses tasarõmõnda anahtar döküman olarak adlandõrõlacak kadar önemli bir konudur. Akõm şemalarõ üzerinde tasarõmda yer alan ekipmanlar, akõm hatlarõ, akõmlarõn hõzlarõ, bileşimleri ekipmanlarõn işletme koşullarõ yer alõr. Hazõrlanan bir akõm şemasõ proje grubunda yer alan uzman tasarõmcõlarõn kullanõmõna sunulur. Uzman tasarõmcõlarõn yapacaklarõ işler arasõnda borulandõrma ve enstrümantasyon, ekipman tasarõmõ, yerleşim planõnõn hazõrlanmasõ gibi işler yer alõr. İşletme personeli de işletme kõlavuzlarõnõn hazõrlanmasõ ve işletme teknisyenlerinin eğitimi için gerekli dökümanlarõn hazõrlanmasõ amacõyla akõm şemalarõnõ kullanõrlar. Akõm şemalarõ, işletmeye alma çalõşmalarõ (start up) sõrasõnda prosesin işletme performansõnõn tasarõm değerleriyle kõyaslanmasõ amacõyla da kullanõlõr. Akõm şemalarõ, prosesde yer alan her bir ünite için ve tüm proses için yapõlan kütle ve enerji denklikleri temel alõnarak oluşturulur. Akõm şemalarõ üzerinde yer alan niceliklerin hesaplanmasõ, büyük ve kompleks tesisler için oldukça güç ve zaman alõcõdõr. Bu nedenle proses şemalarõ, günümüzde bilgisayar destekli olarak hazõrlanmaktadõr. Bilgisayar destekli olarak çalõşmanõn diğer bir üstünlüğü ise alternatif akõm şemalarõnõn oluşturulmasõ, en uygun prosesin seçimi ve en uygun proses koşullarõnõn saptanmasõnda getirdiği kolaylõklardõr. Akõm şemalarõnõn hazõrlanmasõnda yararlanõlan bazõ bilgisayar proğramlarõn adlarõ ve özellikleri ve basit bir akõm şemasõ hazõrlanmasõnda kullanõlan bir bilgisayar proğramõnõn detaylarõ (Massball) Sinnot, RK.1983, Chemical Engineering Design adlõ kaynakta verilmiştir. Bir prosesin tasarõmõnda, akõm şemasõnõn ortaya konulmasõndan sonraki adõm borulandõrma ve enstrümantasyon (P&I) şemasõnõn hazõrlanmasõdõr. Bu şema, MÜHENDİSLİK AKIM ŞEMASI veya MEKANİK AKIM ŞEMASI olarak da adlandõrõlõr. 2. AKIM ŞEMALARININ GÖSTERİLİŞİ Akõm şemasõ, prosesi tanõmlayan bir döküman olmasõ olmasõ nedeniyle açõk, anlaşõlõr, doğru ve tam olmalõdõr. Çeşitli tipte akõm şemalarõ vardõr. Bunlar hakkõnda kõsa bilgiler aşağõda verilmiştir. 2.1 Blok diağramlar Blok diagram en basit gösterim şeklidir. Çizimde yer alan her bir blok bir ekipmanõ veya prosesin belirli bir adõmõnõ simgeler. Bugüne değin okumuş olduğunuz birçok dersin içeriğinde karşõlaşmõş olduğunuz prosesler size blok diagramlarla gösterildi. Kare, dikdörtgen, daire gibi Şekillerden oluşan ve hatta bazõlarõnda akõmlarõn akõş hõzlarõnõn ve bileşimlerininde gösterildiği bu diagramlarõn mühendisler için pek fazla kullanõmõ ve yararõ yoktur. Bu diagramlar, ön raporlarõn hazõrlanmasõnda ve eğitim amacõyla kullanõlõr. 2.2 Resim Şeklinde gösterilen akõm Şemalarõ Ayrõntõlõ akõm şemalarõnda, ekipmanlar genelde belirli bir stile (tarza) uygun olarak çizilirler. Bu çizim tarzõ her nekadar ünlü karikatirüstümüz Bedri Koraman'õn çizim stiline benzesede kullanõlan semboller ve çizimler belirli standartlara uymalõdõr. İngiliz standartlarõndan BS 1553 (1977), Mühendislikte kullanõlan grafik sembollere ayrõlmõş olup bu kaynağõn 1.bölümünde borulandõrma sistemlerine yer verilmiştir. Bu standartdan seçilen bazõ semboller Ek-1 verilmiştir. Amerikan Ulusal Standartlar Enstitüsü (ANSI)'de akõm şemalarõnõn hazõrlanmasõnda kullanõlan bir semboller dizini hazõrlamõştõr.

3

2.3 Akõş hõzlarõnõn gösterilişi Her bir bileşenin akõş hõzõ, toplam akõş hõzlarõ ve akõmlarõn yüzde bileşimleri akõm şemalarõ üzerinde çeşitli Şekillerde gösterilebilir. En basit yöntem, Şekil-1 de akrilonitrilin polimerizasyon prosesi için gösterildiği gibi sadece önemli üniteleri göz önüne alarak akõm hatlarõ boyunca yerleştirilen bloklarõn içerisine verilerin yazõlmasõdõr. Daha iyi bir akõm şemasõ Şekil-2 de nitrik asit üretim prosesi için verilmiştir. Bu şemadan görülebileceği gibi her akõm hattõna bir numara verilerek akõmlarõn özellikleri şemanõn altõndaki çizelgeye yazõlmõştõr. Bu yöntem profesyonel tasarõmcõlar tarafõndan tercih edilir 2.4 Akõm Şemasõ üzerinde yer alan diğer veriler Akõm şemalarõ üzerine yazõlan diğer bilgiler müşterinin talebine ve tasarõmcõnõn pratiğine bağlõdõr. Şema üzerine yazõlan bilgileri iki grupta toplayabiliriz: Zorunlu bilgiler. 1. Akõmõn bileşimi; i) her bir bileşenin akõş hõzõ kg/st olarak veya ii) akõmõn ağõrlõkça yüzde bileşimi verilir. 2. Akõmõn toplam akõş hõzõ kg/st olarak verilir. 3. Akõmõn sõcaklõğõ oC olarak yazõlõr. 4. Nominal işletme basõncõ (istenilen işletme basõncõ) yazõlõr. Seçimli bilgiler 1. Molar yüzde bileşimler. 2. Akõmlarõn ortalama olarak fiziksel özellikleri, örneğin; i) yoğunluk, kg/m3 ii) viskozite, mNs/m2 3. Bir iki kelimeyle tanõmlanabilecek Şekilde akõmlara birer ad verilmesi. 4. Akõmlarõn entalpisi, kJ/st. Akõmlarõn fiziksel özelliklerinin, akõm şemasõnõn hazõrlanmasõndan sorumlu proses mühendisi tarafõndan hesaplanmasõ, ünite tasarõmlarõnõ yapan uzman tasarõmcõlara kolaylõk sağlar. Ayrõca tasarõm ekibinde yer alan tüm gruplar aynõ fiziksel özellikleri kullanmõş olur. 2.5 Yerleşim planõ (LAYOUT) Prosesde yer alan temel ekipmanlarõn akõm şemasõ üzerinde sõrasõyla gösterilmesidir. Bazen gerekli olduğunda, õsõ değiştirici pompa gibi yardõmcõ ekipmanlarda şema üzerinde sõrasõyla gösterilir. Amaç madde akõmõnõ gerçekteki şekline uygun olarak gösterebilmektir. Şema üzerinde, temel ekipmanlar gerçek büyüklüklerine kõyasla daha büyük bir orantõda, yardõmcõ ekipmanlar ise daha küçük bir orantõda gösterilirler. Fazla sayõda ünite içeren kompleks proseslerin akõm şemalarõ tek bir kağõda sõğdõrõlamadõğõ durumda biribirini izleyen birden fazla sayõda kağõt üzerine çizim yapõlõr. Akõm hatlarõ numaralandõrõlõr ve bir önceki sayfadan gelen veya bir sonraki sayfaya devam eden akõm hattõnõn numarasõ çift daire içinde gösterilir. Bu akõm hattõnõn hangi sayfadan geldiği veya hangi sayfaya devam ettiği çift dairenin altõna sayfa numarasõ yazõlarak belirtilir. Akõmlarõn özellikleri ve diğer bilgiler ekipman yerleşim planõnõn altõnda veya üzerinde yer alan çizelgede gösterilir. Bileşenlerin adlarõ çizelgenin sol başõndaki kolonda yer almalõ, akõmlarõn numaralarõ ise çizelgenin üst satõrõna sõrayla yazõlmalõdõr. İki akõm hattõnõn birleştiği bir noktadan sonra veya herhangibir üniteden çõkan akõmõn bileşiminin değişmediği durumlarda da bu akõm hatlarõnada yeni bir numara verilmesi ve akõm hattõyla ilgili bilgilerin tekrar yazõlmasõ gerekir. Unutmayõnõzki çizdiğiniz akõm şemasõnõn sizin için ne kadar açõk ve anlaşõlõr olmasõndan ziyade başka birisi için ne kadar açõk ve anlaşõlõr olduğu önemlidir.

4

5

6

7

2.6 Verilerin kesinliği ve doğruluğu Proses akõm şemalarõ üzerine yazõlan verilerin yüksek bir doğruluk derecesinde olmasõ gerekmez. Verileri virgülden sonra bir basamaklõ olarak yazmak yeterlidir. Eğer akõm veya bileşenlerden birisi için yazõlacak bir veri uyulmasõ gereken hassasiyet derecesinden çok küçükse bu verinin daha yüksek bir hassasiyet derecesinde yazõlmasõ gerekir. Çok daha küçük değerler ise 'eser' miktarda olarak yazõlõr. Sözü edilen bu çok küçük değer prosesi kõsõtlayan bir öneme sahipse 'ppm' olarak belirtilmelidir. Bazõ durumlarda eser miktardaki maddeler çok önemlidir. Örneğin; katalizör zehirlenmesine neden olan ve malzeme seçimini etkileyen maddeler söz konusu olduğunda bu maddelerin miktarlarõ belirtilmelidir. 2.7 Hesaplamalarda kullanõlan temeller

Akõm şemasõ üzerine yazõlan değerlerin hesaplanmasõnda kullanõlan temeller akõm şemasõ üzerinde belirtilmelidir. Bu temeller içerisinde; yõllõk işletme süresi, reaksiyon verimi ve fiziksel verimler, enerji denkliğinde kullanõlan ortam sõcaklõğõ, hesaplamalarda kullanõlan varsayõmlar yer alõr. 2.7 Kesikli prosesler Kesikli prosesler için hazõrlanan akõm şemalarõnda gösterilen değerler tek bir dolum (batch) için gerekli miktarlardõr. Eğer sözü edilen kesikli proses, sürekli bir prosesin bir parçasõ ise ona ait akõm şemasõ sürekli prosesin akõm şemasõ içerisinde gösterilir ve sõnõrlarõ belirtilir. Sürekli proseslerde kg/st olarak yazõlan miktarlar keskli proses için kg/dolum olarak yazõlõr. Örneğin sürekli bir polimerizasyon prosesi için gerekli katalizörün hazõrlanmasõ kesikli bir prosesdir. 2.9 Yardõmcõ üniteler Bir karõşõklõğa neden olmamasõ amacõyla yardõmcõ ünitelerden gelen veya yardõmcõ ünitelere giden akõm hatlarõ aynõ akõm şemasõ üzerinde gösterilir ve bu hatlarõn üzerine ne olduklarõ belirtilir. 2.10 Ekipmanlara kod ve ad verilmesi Akõm şemasõnda yer alan her ekipman bir ad ve kod numarasõ verilerek tanõmlanõr. Ekipmanõn tanõmõ, genellikle bir harf ve bir kaç basamaklõ sayõdan oluşur. Örneğin; R: Reaktör, H: Isõ değiştirici, C: Kolon 3. HESAPLAMALAR Kütle ve enerji denkliklerinden yararlanõlarak akõmlarõn miktar ve bileşimlerinin hesaplanmasõ ve bu değerlerin tasarõm denklemleri ve tasarõm kõsõtlamalarõyla birleştirilmesi sonucu akõm şemalarõnõn üzerine yazõlacak değerler elde edilir. Bu hesaplamalar sayõsal olarak veya bilgisayar yardõmõyla yapõlõr. Bu bölümde, hesaplamalarda geçen bazõ kavramlar vurgulandõktan sonra çeşitli ekipmanlarõn akõm şemalarõnõn hazõrlanmasõ için yapõlan sayõsal hesaplamalara örnekler verilmiştir. Daha önce de belirtildiği tasarõm çalõşmalarõnda dõş ve iç kõsõtlamalar olmak üzere iki tür tasarõm kõsõtlamalarõ vardõr. Bunlar; Dõş kõsõtlamalar: Tasarõmcõnõn kontrolunda olmayan kõsõtlamalardõr. i. Müşteri talebine göre belirlenen ürün spesifikasyonlarõ ii. Alevlenme limiti v.b. temel güvenlik konularõ iii. Hükümet tarafõndan saptanan atõk spesifikasyonlarõ bu tür kõsõtlamalara örnektir.

8

İç kõsõtlamalar: Prosese ve ekipmanlarõn fonksiyonlarõna bağlõ olan kõsõtlamalardõr. i. Proses stokiometrisi, dönüşüm oranõ ve verim ii. Kimyasal denge iii. Sõvõ-sõvõ ve gaz-sõvõ ayõrma işlemlerinde faz dengesi iv. Azeotrop karõşõmlar v. Enerji denkliğinde karşõlaşõlan kõsõtlamalar. Örneğin, flash damõtmada olduğu gibi enerji ve kütle denkliklerinin birbirini etkilemesi. vi. Ekipman tasarõmõnda karşõlaşõlan kõsõtlamalardõr. Kompleks proseslerin detay tasarõmõ yapõlmadan önce basit bir akõm şemasõ oluşturulur. Bu şema tasarõm ekibinde çalõşanlar arasõnda iletişimin kolay sağlanmasõ açõsõndan yararlõdõr. 3.1 TEMELLER 1. Zaman: Hiçbir tesis sürekli olarak işletilemez. Bakõm için gerekli önceden planlanmõş duruşlar

olmalõdõr. Ekipmanlarõn temizlenmesi, katalizörlerin yenilenmesi, kolon dolgu maddelerinin değiştirilmesi ve benzeri işler bakõm zamanlarõnda yapõlõr. Duruş sürelerinin sõklõğõ ve bu nedenle ortaya çõkan üretim kaybõ prosesin türüne bağlõdõr. Çoğu kimya ve petrokimya tesisinde yõllõk işletme süresi, bir yõlõn % 90-95 i arasõndadõr. Genellikle 8000 saat kabul edilir.

2. Ölçek faktörü: Akõm şemasõndaki hesaplamalarõ prosesde yer alan ekipman sõrasõna uyarak yapmak kolaylõk sağlar. Ham maddeden (girdi) son ürüne doğru bir yol izlenir. İstenilen üretim hõzõ girdi üzerinden değil ürün üzerinden verilir. Bu nedenle hesaplamalar için bir temel seçilmelidir. Örneğin, 100 kmol/st hammadde temel olarak alõnabilir. Bu durumda akõmlarõn gerçek değeri; her bir akõmõ, istenilen üretim hõzõ üzerinden hesaplanmõş ölçek faktörüyle çarparak elde edilir.

(mol)) miktarõürün dilen eldeiçin hammadde kmol 100ürünMol/st rüÖlçekfaktö =

3.2 AKIM ŞEMASINDA YER ALAN ÇEŞİTLİ ÜNİTELER İÇİN YAPILAN

HESAPLAMALAR Reaktörlerde ve denge kademelerinde, sabit akõmlarõn bileşimlerinin hesaplanmasõnda, enerji ve kütle denkliklerinin birlikte kullanõlmasõ için izlenen yöntemler bu bölümde örneklerle açõklanmõştõr. Örnek-1 Hidrojen gazõ üretim yöntemlerinden biri; petrol rafinerilerinde reforming ünitesinden çõkan gaz akõmõnõ shift konvertöründe su-gaz reaksiyonuna sokarak gazlar içerisindeki CO 'i hidrojene dönüştürmektir. olkJ/km41197∆HHCOOHCO o

298222 −=+⇔+ Bu örnekte; konvertöre giren gaz akõmõnõn bileşimi ve buhar/gaz oranõ bilindiği durumda konvetörü terkeden akõmõn bileşiminin hesaplanmasõ istenmektedir. Konvertörde, tepkime katalitik ortamda gerçekleştirilmekte ve çõkan akõmõn kimyasal dengeye ulaştõğõ kabul edilmektedir. Reforming ünitesinden çõkan gaz akõmõ içerisinde kuru gaz üzerinden mol olarak; %8,5 CO2 , %11 CO, %76,5 H2 bulunmaktadõr. Konvertöre giren akõmõn sõcaklõğõ 500o K olup konvertöre giren 1 mol CO başõna 3 mol H2O buharõ gönderilmektedir. Konvertörden çõkan akõmõn sõcaklõğõnõ ve bileşimini hesaplayõnõz.

9

2 1 500oK Temel: 100 kmol/st kuru gaz (girdi) Girdi akõmõndaki su buharõ = 3x11 = 33 kmol ; Karbonmonoksidin dönüşüm oranõ, C ise tepkimeye giren karbonmonoksid mol sayõsõ, tepkimenin stokiometrisi de göz önüne alõndõğõnda 11C dir. Aşağõda stokiometrik tablo ve bileşenlerin özgül õsõlarõ verilmiştir. Bileşen

Girdi akõmõ, Mol sayõsõ

Çõkan akõm Mol sayõsõ

A

Cpo b

kJ/kmol K c

d

CO2 8.5 8.5 + 11C 19.80 7.34 E-2 -5.6 E-5 17.15 E-9 CO 11.0 11(1-C) 30.87 -1.29 E-2 27.9 E-6 -12.72 E-9 H2O 33.0 33 � 11C 32.24 19.24 E-4 10.56 E-6 -13.60 E-9 H2 76.5 76.5+11C 27.14 9.29 E-3 -13.81 E-6 7.65 E-9 Konvertörden çõkan gaz akõmõnõn ideal olduğu ve termodinamik dengeye ulaştõğõ varsayõlmaktadõr. Ayrõca tepkimenin stokiometrisinden dolayõ denge sabiti üzerine basõncõn etkisi yoktur.

C)11(33C)(111C)11(76.5C)11(8.5K

PPPP

K p2HCO

2H2COp −−

++== (1)

Kp, aynõ zamanda sõcaklõğa bir sabittir. Çeşitli tepkimelerin sõcaklõğa bağlõ olarak denge sabitleri Değişik kaynaklardan yararlanarak bulunabilir. Örneğin tepkimenin serbest enerji değişimi , ∆G biliniyorsa, ∆G = -RTlnKp bağõntõsõndan yararlanarak hesaplanabilir. Veya termodinamik kitaplarõnda 1/T ; logKp şeklinde verilen nomogramlardan yararlanarak bulunabilir*. Bu örnekte, Technical Data on Fuel, Spiers adlõ kaynaktan CO2 + H2 = CO + H2O tepkimesi için sõcaklõğa bağlõ olarak verilen Kp değerleri kullanõlmõştõr. O nedenle; 1 nolu bağõntõ, ( 121 Kp - 121) C2 + ( 935 Kp + 484 ) C + ( 650 Kp � 363 ) = 0 şeklinde yazõlabilir. Tepkime egzoterm olduğu için adyabatik işletim tercih edilmiştir. Soğutma yapõlmayõp, dõğarõya olan õsõ kayõplarõ en aza indirilecektir. Konvertörden çõkan gazlarõn sõcaklõğõ da dönüşüm oranõna bağlõ olduğundan, konvertör çõkõş sõcaklõğõ denge bağõntõsõnõ ve adyabatik işletim için enerji denkliğini sağlamalõdõr. Bu amaçla aşağõda verilen çözüm algoritmasõ uygulanabilir. 1. Dönüşüm oranõ, C için bir varsayõm yapõlõr. 2. Bu dönüşüm oranõ için 1 nolu bağõntõdan Kp değeri hesaplanõr. 3. Kp = F(T) den (termodinamik bağõntõlar veya nomogramlardan) T çõkõş sõcaklõğõ bulunur. 4. Adyabatik işletim için enerji denkliğinden dõşarõya verilen Q õsõsõ hesaplanõr. 5. Q=0 olup olmadõğõ kontrol edilir. Hesaplamalara (iterasyona) Q=0 olana dek devam edilir. Bilgisayar kullanma imkanõnõz varsa aşağõda verilen basit enerji denkliği programõnõ kulanarak çözüm yapõnõz. Böyle bir imkana sahip değilseniz bile programõn algoritmasõnõ izleyerek ve hesap

10

makinesi kullanarak çözüme ulaşmağa çalõşõnõz. Sonuçlar: Dönüşüm Çõkan akõm Çõkan akõmõn bileşimi, Mol Aktarõlan Oranõ Kp.102 Sõcaklõğõ Isõ, Q C oK CO CO2 H2O H2 0.88 1.86 550 1.32 18.18 23.32 86.18 -175268 0.79 3.69 600 2.31 17.19 24.31 85.19 76462 0.68 6.61 650 3.52 15.98 25.52 83.98 337638 Referans sõcaklõk 298oK alõnmõştõr. Yapõlan üç iterasyondan sonra Q; T grafiği çizilerek, Q= 0 için T= 580oK bulunur. C 10 KISA ENERJİ DENKLİĞİ PROGRAMI C 20 SİSTEME VERİLEN veya SİSTEMDEN UZAKLAŞTIRILAN ISI MİKTARININ C 23 HESAPLANMASI

24 COMMON A(10),B(10),C(10),D(10) 25 WRITE(*,*)� � 26 WRITE(*,*)� ***** ENERJİ ******* � 27 WRITE(*,*)� Enerji Denkliği Programõ � 28 WRITE(*,*)� 29 WRITE(*,*) � AKIŞ HIZLARI KMOLl/ST, SICAKLIK�, K,

REFERANS SICAKLIK 298 K� 35 WRITE(*,*) 40 WRITE(*,*) �******BİLEŞEN SAYISINI GİRİNİZ*****� 50 READ(*,*) N1 60 WRITE(*,*) � ISI KAPASİTESİ VERİLER, A+BT+CT**2+DT**3� 70 DO 110 I=1,N1 80 WRITE(*,*) I,�.BİLEŞEN İÇİN A,B,C,D KATSAYILARINI YAZINIZ� 90 READ(*,*) A(I) , B (I) , C (I) , D (I)

100 WRITE(*,*)A(I) , B (I) , C (I) , D (I) 110 CONTINUE 120 H4=H5=H6=Q=0 130 WRITE(*,*)�*******SİSTEME GİREN AKIM SAYISINI YAZINIZ****** 140 READ(*,*) S1 150 DO 220 I=1,S1 155 WRITE(*,158) I 158 FORMAT(2X,I5, �BESLEME AKIMININ SICAKLIGINI VE BİLESEN

SAYISINI GIRINIZ�) 170 READ(*,*) T1,N2 180 CALL DUYISI(I,T1,N2,H4) 190 WRITE(*,*) �AKIMIN DUYULAN ISISI= � ,H4, �KJ/ST

C 200 BESLEME AKIMLARININ TOPLAM DUYULAN ISISI 210 H5=H5+H4 220 CONTINUE 230 WRITE(*,*) �*****URUN AKIMLARININ SAYISININ YAZINIZ***** 240 READ(*,*) S1 250 DO 320 I=1,S1 260 WRITE(*,*) I,�.URUN AKIMLARI ICIN AKIM SICAKLIGINI�,

�VE BILESEN SAYISINI GIRINIZ� 270 READ(*,*) T1,N2

11

280 CALL DUYISI(I,T1,N2,H4) 290 WRITE(*,*) �AKIMIN DUYULAN ISISI=� ,H4, �KJ/ST�

C 300 URUN AKIMLARININ TOPLAM DUYULAN ISISI 310 H6=H6+H4 320 CONTINUE 330 WRITE(*,*) � ******REAKSIYON VE FAZ DEGISIM SAYISINI GIRINIZ� 340 READ(*,*) N4 345 IF (N4.EQ.0) GOTO 440 350 WRITE(*,*) � 360 WRITE(*,*) �TEPKIME ISISI/DUYULAN ISI (KJ/MOL) VE DEGISIME�,

� UGRAYAN MIKTARI (MOL/ST) GIRINIZ� 365 WRITE(*,*) �SISTEMDE ACIGA CIKAN ISI POZITIF OLARAK ALINACAK� 366 WRITE(*,*) �ABSORBLANAN ISI NEGATIF� 370 DO 420 I=1,N4 380 WRITE(*,*) �BIR SONRAKI TEPKIME/FAZ DEGISIMI� 390 READ(*,*) R,F2 400 H7=F2*R 410 Q1=Q1+H7 420 CONTIUE

C 430 ISI DENKLIGI 440 Q=H6-H5-Q1 450 IF (Q.LT.0) GOTO 480 460 WRITE(*,*) �SISTEME VERILMESI GEREKEN ISI MIKTARI=� ,Q,�KJ/ST� 470 GOTO 490 480 WRITE(*,*) �SISTEMIN DISARIYA VERDIGI ISI MIKTARI=� ,-Q,�KJ/ST� 490 WRITE(*,*) �TEKRAR HESAPLAMA YAPMAK ISTERMISINIZ?�

�EVET ISE 1 HAYIR ISE 0 GIRINIZ 500 READ(*,*) P1 510 IF (P1.EQ.0) GOTO 530 520 GOTO 120 530 STOP 535 END

C ALT PROGRAM C 540 AKIMLARIN DUYULAN ISILARININ HESAPLANMASI

545 SUBROUTINE DUYISI (I, T1, N2, H4) 550 WRITE(*,*) �HER BIR BILEŞEN ICIN BILESEN NUMARASINI VE�

� AKIS HIZINI (KMOL/ST) GIRINIZ� 560 H4=0 570 DO 660 I1=1,N2 580 WRITE(*,*) �BIR SONRAKI BILESEN� 590 READ(*,*) J,F 600 WRITE(*,*) �BILESEN�,J,� AKIS HIZI� ,F

C 610 ISI KAPASITESI ESITLIGI 620 H1=A(J)*(T1-298)+B(J)*(T1**2-298**2)/2 630 H2=C(J)*(T1***3-298***3)/3+D(J)*(T1**4-298**4)/4 640 H3=F*(H1+H2) 650 H4=H4+H3 660 CONTINUE 670 RETURN 680 END

12

Örnek 2

Bu örnekte, kütle denkliği hesaplamalarõnda faz dengesi bağõntõlarõnõn (buhar-sõvõ) kullanõlmasõ amaçlanmõştõr.

Etilenin oksihidroklorinasyonu ile dikloroetan (EDC) üretiminde reaktörü terk eden ürün karõşõmõna seyreltik hidroklorik asit karõştõrõlarak reaksiyon durdurulur. Bu işleme QUENCH (söndürme), işlemin yapõldõğõ ekipmana ise QUENCH KULESI adõ verilir. Quench kulesinden çõkan gaz akõmõ bir yoğuşturucuya gönderilerek burada yoğunlaşmayan gaz akõmõ reaktöre devir ettirilir. Reaktör Quench kulesi Yoğuşturucu (Ürün)

4 bar basõnç altõnda işletilen yoğuşturucuya giren gaz akõmõnõn özellikleri aşağõda verilmiştir. Yoğuşturucuyu terk eden akõmlarõn bileşimlerini hesaplayõnõz. 1 1 3 2 EDC akõmõ bazõ organik safsõzlõklarõ ve eser miktarda HCl içermektedir. Inertler esas olarak N2, CO, O2 dir.

Çözüm : Bir yoğuşturucuda çõkõş akõmõnõn bileşimini hesaplamak için çõkõş sõcaklõğõnda gaz ve sõvõ akõmlarõnõn dengede olduğu varsayõlõr. Saf sõvõlarõn buhar basõnçlarõ Antoine eşitliğinden hesaplanarak Çizelge-1 de verilmiştir. Buhar basõnçlarõndan görüldüğü gibi EDC ve suyun buhar basõnçlarõ çok küçük olduğu için tamamen yoğuşacaklarõ ve etilenin buhar fazda kalacağõ söylenebilir. Bununla birlikte, etilenin yoğuşan EDC içinde çözünme eğilimi vardõr. İlk deneme olarak etilenin tamamõnõn gaz fazda olduğu yani EDC içinde hiç çözünmediği varsayõlarak yoğuşturucuyu terkeden akõmlardaki bileşenlerin akõş hõzlarõ mol/st olarak Çizelge-2 de verilmiştir.

Çizelge-1 Çizelge-2 Buhar basõnçlarõ Akõş hõzlarõ

Bileşen

35OC�de Pi

o, bar Mol

ağõrlõğõ Akõş hõzõ Kmol/st

EDC 0.16 99 64 Etilen 70.7 28 5.4 * H2O 0.055 18 61 İnert gazlar 32 208 *

* Yoğunlaşmayan ve gaz fazda kalan bileşenlerin toplam akõş hõzõ 5.4 + 208 = 213.4 mol/st

Gaz Girişi Geri dönen gazEDC 6350 kg/st Etilen 150 İnertler 6640 Su 1100 Sõcaklõk 95oC 35oC Kõsmi Yoğuşturucu

Kondensat

13

Yoğunlaşmayan bileşenler (etilen ve inertler) bağlantõ bileşeni olarak alõnõr. Gaz fazõn ideal olduğu ve yoğuşmuş olan EDC ve Suyun birbirleri ile karõşmadõğõ kabul edilir. (Yoğuşmayanlarõn kõsmi basõncõ) = Toplam basõnç - EDC�nin buhar basõncõ + Suyun buhar basõncõ = 4 - 0.16 - 0.055 = 3.79 bar

Buhar içindeki EDC�nin akõş hõzõ =EDC' nin buhar basõncõ

Yoğuşmayanlarõn kõsmi basõncõ (Yoğuşmayanlarõn akõş hõzõ)

= 016379..

213.4 = 9 kmol/st

Benzer şekilde buhar fazdaki suyun akõş hõzõ = 0 055379..

213.4 = 3.1 kmol/st

Bu hesaplamalarõn sonucu olarak gaz akõmõnõn bileşimi aşağõdaki çizelgede verilmiştir.

Kmol/st % mol kg/st EDC 9 4.0 891 H2O 3.1 1.4 56 Inertler 208 92.3 6640 C2H4 5.4 2.3 150

Etilenin çözünürlüğünün kontrol edilmesi:

Etilenin kõsmi basõncõ = (toplam basõnç).(mol kesri) = 4 2 3100

. = 0.092 bar

EDC ve C2H4�ün ideal çözelti olduğu varsayõlarak sõvõ içinde çözünmüş olan etilenin mol kesri Raoult Yasasõ�ndan hesaplanabilir

yX P

PAA A

O

= . yA = gaz faz mol kesri 2 3100

70 74

. .=

XA

XA = sõvõ faz mol kesri PA

O = doygun buhar basõncõ XA = 1.3 x 10-3

P = toplam basõnç Böylece sõvõdaki etilen miktarõ = (kmol EDC ) XA = (69 - 9) 1.3 10 -3 = 0.07 kmol/st Sonuçta gaz fazda kmol etilen = 5.4 - 0.07 = 5.33 kmol/st Bu, hesaplanan değerden biraz farklõdõr ve yoğuşmuş veya çözünmüş etilenin olmadõğõ başlangõç varsayõmõnõn geçerli olduğunu gösterir; özetle sõvõ fazdaki etilen eser miktardadõr.

14

Kütle denkliği sonuçlarõ.

Akõş hõzlarõ (kg/st) Akõm No 1 2 3 Bileşen

Kondenser beslemesi

Kondensat Geri dönen gaz

EDC 6350 5459 891 H2O 1100 1044 56 Etilen 150 Eser 150 Inertler 6640 - 6640 Toplam 14,240 6503 7737 Sõcaklõk OC 95 35 35 Basõnç Bar 4 4 4

Örnek .3 Bu örnekte, bileşen kütle dengesi hesaplamalarõnda sõvõ-sõvõ faz dengesinin kullanõlmasõ açõklanmõştõr. Örnek.2�de tanõmlanan kondenserden çõkan kondensat akõmõ, yoğuşmuş su ve dikloretanõ (EDC) ayõrmak için bir dekantöre beslenmektedir. Dekantör çõkõş akõmõnõn bileşimini hesaplayõnõz.

2 1 3 Çözüm : Dekantörü terk eden akõmlarõn dengede olduklarõnõ varsayalõm. 20 OC �de bileşenlerin çözünürlükleri EDC�nin su içindeki çözünürlüğü 0.86 kg /100 kg Suyun EDC içindeki çözünürlüğü 0.16 kg/ 100 kg Su fazõ içinde az miktarda çözünmüş HCl asitde bulunur fakat EDC�nin seyreltik HCl çözeltisi içindeki çözünürlüğü bilinmediği için EDC�nin su içerisinde çözünürlüğü kullanõlacaktõr. EDC ve Su içindeki çözünürlükleri küçük olduğundan, denklemleri kurarak ve çözerek bilinmeyen derişimleri hesaplamak yerine uygun bir yaklaşõm yapmak kolaylõk sağlar. Ilk yaklaşõm Organik fazõn akõş hõzõ = Dekantöre giren EDC akõş hõzõ ( Dekantöre giren EDC�nin tamamõnõn organik faza geçtiği varsayõlõyor )

Besleme EDC 5459 kg/st Su 11075 kg/st

Su fazõ

Organik faz

15

EDC içinde çözünmüş su miktarõ tkg/s8.7354591000.16 =×=

Dekantörü terkeden su miktarõ = 1075 � 8.73 = 1066.3 kg/st

Sõvõ faz içerisinde çözünmüş EDC miktarõ tkg/s9.20.86100

1066.3 =×=

Organik fazõn akõş hõzõ tekrar hesaplanõrsa = 5459 - 9.2 = 5449.8 kg/st Organik faz içerisindeki su miktarõ = (5449.8/100) x 0.16 = 8.72 kg/st Görüldüğü gibi sonuç ilk yaklaşõmdan çok farklõ değildir. Sonuçlar:

Akõm no 1 2 3 Bileşen Dekantöre Giren akõm Organik Faz Sulu Faz EDC 5459 5449.8 9.2 H2O 1075 8.7 1066.3 Toplam 6534 5458.5 1075.5

16

Örnek. 4 NİTRİK ASİT ÜRETİM PROSESİ Bu örnekte, çeşitli proses üniteleri içeren nitrik asit üretim prosesi için kütle ve enerji denkliklerinin kurulmasõ ve bilgisayar kullanõlmaksõzõn, hesap makinasõyla yapõlan çözümü açõklanmõştõr. Amaç; Susuz amonyaktan çõkarak yõlda 20 000 ton %100 saflõkta nitrik asit üretmek ve daha sonra bu asidi %50-60 sulu çözeltisi haline getirmektir. Proses için akõm şemasõnõn çizilmesi isteniyor (tabi ki kütle ve enerji denkliklerinin sonuçlarõnõ da içeren bir akõm şemasõ). Nitrik asit üretimi; esas olarak, amonyağõn oksidasyonuyla oluşan gazlar içerisindeki azot monokisidin suyla absorbe edilerek nitrik asite dönüştürülmesinden ibarettir. Kaynaklarda, nitrik asit üretimi için üç değişik proses önerilmktedir. Bunlar; 1. Atmosferik basõnçta oksidasyon ve absorbsiyon, 2. Yüksek basõnçta oksidasyon ve absorbsiyon (yaklaşõk 8 atm) 3. Atmosferik basõnçta oksidasyon ve yüksek basõnçta absorbsiyon. Bu çalõşmada 2 nolu alternatif yani yüksek basõnçta oksidayon ve absorbsiyon�un yapõldõğõ proses tercih edilmiştir. Başlangõç olarak, sadece prosesde yer alan ekipmanlarõ gösteren ve blok diagramlarla çizilmiş bir akõm şemasõ oluşturulur. Hava Hava Su Ürün NH3 ∼ % 60 HNO3

Buharlaştõrõcõ Reaktör Atõk õsõ kazanõ Yoğuşturucu Absorbsiyon kolonu Reaksiyonlar:

kJ/kmol 452435298o∆H Og2H 23 g2N

45 gNO

23 g3NH 3.Reaksiyon

kJ/kmol 776 316298o∆H Og2H 23 g2N

21 g2O

43 g3NH 2.Reaksiyon

kJ/kmol 334 226298o∆H Og2H 23 NOg g2O

45 g3NH 1.Reaksiyon

−=+→+

−=+→+

−=+→+

Kaynaklarda, reaktörde (oksidasyon kamarasõnda), Platin-Rodyum katalizör kullanõldõğõ taktirde seçimlilik yönünden 1 nolu reaksiyonun veriminin yüksek olduğu (yaklaşõk %95-96) belirtilmektedir. Çözüm: Akõm şemasõ için; literatürden yararlanarak, aşağõdaki veriler hesaplamalar için temel alõnmõştõr. 1. Yõllõk işletme süresi 8000 saat. 2. Prosesin verimi, amonyak üzerinden %94 3. Reaktörde verim %96 4. Üretilecek nitrik asidin derişimi ağõrlõkça %58 5. Atõk gazlar içerisinde hacõmca % 0,2 NO bulunmaktadõr.

17

Kütle denklikleri için temel olarak reaktöre giren amonyak = 100 kmol olarak alõnõr. Oksidasyon ünitesi:

NH3 1 3 4 Hava 2 1 nolu tepkimenin verimi %96 olduğuna göre; oluşan NO = 100 x (96/100) = 96 kmol gerekli oksijen = 96 x (5/4) = 120 kmol oluşan su = 96 x (3/2) = 144 kmol Girdideki amonyağõn %4 ü ise 2 nolu tepkimeyle azot oluşumu için tüketilmektedir. 1 mol azot oluşumu için 3/2 mol oksijen tüketilir. Oluşan azot miktarõ = 4/2 = 2 kmol Gerekli oksijen miktarõ = 2 x 3/2 = 3 kmol Oluşan su miktarõ = 3 x 2 = 6 kmol

Oluşan toplam su miktarõ = 144 + 6 = 150 kmol Stokiometrik oksijen miktarõ = 120 + 3 = 123 kmol

Oksidasyon ünitesine gönderilen girdi karõşõmõ içerisindeki amonyak derişimi %12 nin üzerinde olduğunda patlama tehlikesi olabilir. O nedenle karõşõm içerisindeki amonyak derişimi hacõmca %11 in üzerinde olmamalõdõr. Girdi içerisindeki fazla hava sayesinde 1 nolu tepkimeyle oluşan NO de NO2 ye yükseltgenir.

)4(mol/kj57120H)g(NOO21)g(NO o

29822 =∆→+

Girdideki amonyak derişim hacõmca %11 alõnõrsa, Girdideki hava miktarõ = 100 x (100/11) = 909 kmol Oksijen miktarõ = 909 x (21/100 = 191 kmol Azot miktarõ = 909 x (79/100) = 718 kmol

Tepkimeye girmeyen oksijen miktarõ = 191 � 123 = 68 kmol Ürün akõmõ içerisindeki azot miktarõ = 718 + 2 = 720 kmol Oksidasyon ünitesi için akõm şemasõ 1 NH3 2 hava 3 girdi 4 ürün kmol kg kmol kg kmol kg kmol kg NH3 100 1700 100 1700 0 NO 0 96 2880 H2O eser 150 2700

O2 191 6112 191 6112 68 2176

N2 718 20104 718 20104 720 20016 Toplam 100 1700 909 1009 27916 1034 27916

18

Yukarõdaki akõm şemasõ hazõrlanõrken; giren hava akõmõ içerisindeki su eser miktarda olduğu için ihmal edilmiştir. Aynõ şekilde ürün akõmõ içerisindeki NO2 miktarõ da çok az olduğu için ihmal edilmiştir. Atõk õsõ kazanõ ve yoğuşturucu için kütle denklikleri: Oksidasyon ünitesinden çõkan gazlarõn sõcaklõğõ, atõk õsõ kazanõ (WHB) ve yoğuşturucu ünitelerinden geçirilerek düşürülür. Atõk õsõ kazanõnda herhangi bir akõm ayrõlmasõ olmadõğõ için giren ve çõkan akõmõn bileşimleri ve toplam kütlesel akõş hõzlarõ biribirine eşittir. O nedenle WHB için kütle denkliği yapõlmasõna gerek yoktur. Ancak giren akõm içerisinde bulunan NO ortam sõcaklõğõ azaldõkça NO2 ye oksitlenir. Yoğuşturucudan çõkõncaya kadar oksidasyon tamamlanarak NO in tamamõ NO2 ye dönüşmüş olur. Yoğuşturucuya giren gaz akõmõ içerisindeki su da yoğunlaşarak ağõrlõkça %40-50 HNO3 içeren seyreltik nitrik asit çözeltisi oluşturur. Yoğuşturucu için kütle denkliği hesaplamalarõ aşağõda gösterilmiştir. 5 6 7 5 nolu akõmõn bileşimi, reaktörden çõkan 4 nolu akõmõn bileşimi ile aynõdõr. Yoğuşturucudan çõkan akõmõn sõcaklõğõ 40oC , soğutma suyunun maksium sõcaklõğõ 30oC ve üniteden çõkan sõvõ akõm ağõrlõkça %45 lik nitrik asit olsun. Yoğuşturucuyu terkeden gaz ve sõvõ akõmlarõnõn yoğuşturucu çõkõş sõcaklõğõnda dengede olduklarõnõ kabul ederek, yoğuşturucuyu terkeden gaz akõmõnõn bileşimini hesaplayabiliriz. 40oC de %45 nitrik asit içeren suyun buhar basõncõ 29mmHg dõr (Perry, Chemical Engineers Handbook, 5.baskõ, s.3-65). Yoğuşturucunun toplam basõncõ ise 8 atm olsun. Üniteden çõkan gaz akõmõ içerisindeki suyun mol kesri = Pi/P= 29 / (8x760) = 4,77x10-3

İlk yaklaşõm olarak, üniteye giren akõm içerisindeki suyun tamamõnõn yoğunlaştõğõnõ varsayarsak = 150 kmol = 2700 kg su yoğunlaşõr. NO2 , aşağõdaki tepkimeye göre suyla birleşerek %45 lik nitrikasit oluşturur.

)5(NOHNO2OHNO3 322 +→+ Hesaplamalarda kolaylõk sağlamak amacõyla yoğuşturucuyu terkeden sõvõ akõm (kondensat) içerisinde 100 kmol HNO3 olduğunu temel olarak kabul edelim. 5 nolu tepkimeye göre; 100 kmol HNO3 oluşmasõ için gerekli su miktarõ = 50 kmol = 900 kg 100 kmol HNO3 in kütlesi = 100 x 63 = 630 kg 630 kg asidi %45 lik olacak şekilde seyreltmek için

gerekli su miktarõ = (6300 x 55) / 45 = 7700 kg Seyreltik asit elde etmek için gerekli toplam su miktarõ = 900 + 7700 = 8600 kg Şimdi başlangõçtaki temele göre (girdide 100 kmol NH3) hesaplama yapalõm.

19

Oluşan HNO3 = (Girdideki her 100 kmol NH3 başõna oluşan su miktarõ) ( Oluşan 100 kmol HNO3 i %45 lik çözelti haline getirmek için gerekli su miktarõ) = 100 x (2700/8600) = 31,4 kmol 5 nolu tepkimeyle tüketilen NO2 miktarõ = 31,4 x (3/2) = 47,1 kmol Tepkimeye giren NO miktarõ = 31,4 x(1+2) = 15,7 kmol Tepkimeye giren su miktarõ = 15,7 kmol Yoğunlaşan, fakat NO2 ile tepkimeye girmemiş olan su miktarõ = 150 � 15,7 = 134,3 kmol Yoğuşturucudan çõkan gaz akõmõ içerisindeki NO miktarõ, yoğuşturucuya giren akõm içerisindeki NO ve NO2 miktarlarõ ile akõmõn yoğuşturucuda kalma süresine bağlõdõr. Çözümü basitleştirmek amacõyla bu ayrõntõlarõ göz ardõ ederek, yoğuşturucudan çõkan gaz akõmõ içerisindeki NO miktarõnõ, kondensat içerisinde absorplanarak HNO3 oluşturan NO2 miktarõna eşit alabiliriz.Bu nedenle Yoğuşturucudan çõkan gaz akõmõ içerisindeki NO miktarõ = 15,7 kmol Yoğuşturucudan çõkan gaz akõmõ içerisindeki tepkimeye girmemiş oksijen miktarõ, yoğuşturucuda azot oksitler ve oksijen için kütle denklikleri yapõlarak hesaplanõr. Azot oksitler için kütle denkliği: Üniteye giren toplam NO + NO2 miktarõ = 4 nolu akõmdaki NO miktarõ = 96 kmol Bunun 31,4 kmol ü HNO3 olarak üniteyi terkeder. Bu nedenle yoğuşturucudan çõkan gaz akõmõ içerisindeki toplam NO + NO2 miktarõ = 96 �31,4 = 64,6 kmol Bunun 15,7 kmol ünün NO olduğu varsayõlõrsa çõkan gaz akõmõ içerisindeki NO2 miktarõ = 64,6 � 15,7 = 48,9 kmol Oksijen için kütle denkliği; Tepkimeye girmemiş oksijen miktarõ x kmol olsun. Üniteden çõkan oksijen miktarõ = 6 nolu akõmdaki oksijen miktarõ + 4 nolu asit akõmõndaki oksijen miktarõ

++

++=

2OH

HNO23

xNO2

NO 232 = (171 + x ) kmol

++

++=

23,134

4,3123

x9,482

7,15 = (171 + x ) kmol

Üniteye giren oksijen miktarõ = 5 nolu akõmdaki oksijen miktarõ

=++=++= kmol191

2150

682

96OHO

2NO

22

Oksijen denkliği 191 = 171 + x Tepkimeye girmeden üniteyi terkeden oksjen miktarõ, x = 20 kmol Yoğuşturucuya giren akõm içerisindeki su buharõnõn ne kadarõnõn yoğunlaşõp ne kadarõnõn buhar fazda kaldõğõnõ hesaplayabilmek için; bir ön deneme olarak su buharõnõn tamamõnõn yoğunlaştõğõnõ varsayalõm.

20

Yoğuşturucuyu terkeden akõm içindeki su miktarõ = Suyun mol kesri x Toplam akõş hõzõ Bu akõmõn toplam akõş hõzõ (su buharõ hariç) = 804,6 kmol Suyun bu akõm içerisindeki mol kesri = 4,77x10-3 Su buharõ miktarõ = 4,77x10-3 x 804,6 = 3,8 kmol Yoğunlaşan su buharõ miktarõ = 134,3 � 3,8 = 130,5 kmol 6 nolu akõmdaki su miktarõ = 3,8 kmol = 68,4 kg 7 nolu akõmdaki su miktarõ = 134,3 � 3,8 130,5 kmol = 2349 kg 6 ve 7 nolu akõmlarõn akõş hõzlarõ kmol ve kg olarak aşağõdaki çizelgede özetlenmiştir.

Akõm no 6 (gaz akõmõ) 7 (asit akõmõ) Bileşen kmol kg kmol kg

NO 15,7 471 Eser NO2 48,9 2249,4 Eser

O2 20,0 640 -

N2 720 20160

HNO3 - - 31,4 1978,2

H2O 3,8 68,4 130,5 2349,0 Toplam 23588,4 4327,2

Çõkan akõmlar; 6 ve 7 nolu akõmlarõn toplam akõş hõzõ = 23588,4 + 4327,2 = 27915,6 kg Giren akõmõn toplam akõş hõzõ = 4 nolu akõmõn akõş hõzõ = 27915 kg Absorbsiyon ünitesi: Absorbsiyon ünitesinde; bu üniteye giren gaz akõmõ içerisindeki NO2 su ile absorblanarak, ağõrlõkça %60 lõk nitrikasit çözeltisi oluşturulur. Giren akõm içerisindeki oksijen miktarõ ise, NO yi NO2 ye yükseltgeyecek miktarda olmalõdõr. Oksidasyon tepkimesinin hõzõ ortamdaki oksijen derişimine bağlõdõr. Bu istenilenleri sağlayabilmek amacõyla, absorbsiyon ünitesini terkeden atõk gazlar (tail gas) içerisindeki oksijen miktarõnõ % 3 civarõnda tutmak gerekir. Atõk gazlar

6 nolu akõmõn bileşiminden yararlanarak; üniteye giren akõmdaki NO miktarõ = 15,7 kmol oksijen miktarõ = 20 kmol

21

Bu akõm içerisindeki NO/NO2 oranõnõn kesin olarak bilinmemesi gerekli oksijen miktarõnõn hesaplanmasõna etki etmez. Giren akõm içindeki azotmonoksidi NO2 ye okside etmek için gerekli oksijen miktarõ (4 nolu tepkimeden yararlanõlarak) = 15,7 / 2 = 7,85 kmol dür. Dolayõsõyla giren akõm içerisindeki serbest oksijen miktarõ = 20 � 7,85 = 12,15 kmol (4) ve (5) nolu tepkimelerin toplamõ absorbsiyon ünitesinde NO2 den HNO3 üretimi amacõyla kullanõlan tepkimeyi verir . Bu da (6) nolu tepkime olarak aşağõda gösterilmiştir.

)6(HNO4OOH2NO4 3222 →++

Bu tepkimeden yararlanarak, absorbsiyon ünitesinde NO i okistlemek için gerekli oksijen miktarõ hesaplanabilir. NO in oksidasyonu için gerekli oksijen miktarõ = 6 nolu akõmdaki (NO + NO2 )miktarõ x (1/4) = (48,9 + 15,7) x (1/4) = 16,15 kmol Giren hava akõmõ içerisinde 12,15 kmol oksijen olduğuna göre buna ilave olarak absorbsiyon ünitesine 16,15 � 12,15 = 4 kmol oksijen gönderilmelidir. Bu oksijen, ikincil hava akõmõ kullanõlarak gönderilir. Absorbsiyon ünitesine �y� mol ikincil hava akõmõ gönderilirse, bu akõm içerisinde 0,21y kmol oksijen olacaktõr. Bu oksijenin 4 kmol ü NO in oksidasyonu için tüketilecek ve atõk gazlar içerisindeki oksijen miktarõ = 0,21y � 4 kmol olacaktõr. Azot , absorbsiyon ünitesinde hiçbir değişime uğramayacağõ için; Atõk gazlar içerisindeki azot miktarõ; absorbsiyon ünitesine yoğuşturucudan gelen akõm içerisindeki azot miktarõ ile ikincil hava içerisindeki azot miktarlarõnõn toplamõna eşittir.

Atõk gazdaki azot miktarõ = 720 + 0,79y kmol Atõk gaz akõmõ içerisinde sadece oksijen ve azot bulunduğunu, diğer bilenşenlerin miktarõnõn ihmal edilecek kadar az olduğunu kabul edersek, bu akõm içerisindeki oksijen yüzdesi,

( )( ) ( )4y21,0y79,0720

1004y21,03O% 2 −++−== y = 141,6 kmol

Atõk gaz akõmõ içerisindeki oksijen miktarõ = 141,6 x 0,21 � 4 = 25,7 kmol Atõk gaz akõmõ içerisindeki azot miktarõ = 141,6 x 0,79 + 720 = 831,8 kmol Atõk gaz akõmõ içerisindeki NO miktarõnõn %0,2 olduğunu kabul edersek Atõk gaz akõmõ içerisindeki NO miktarõ = Toplam gaz akõş hõzõ x 0,002 = (831,8 + 25,7) x 0,002 = 1,7 kmol Absorbsiyon ünitesine gönderilen ikincil hava miktarõ, tüm azot oksitlerin bu ünitede absorblandõğõ varsayõmõna dayanõlarak yapõlmõştõ. Görüldüğü gibi bu akõm içerisinde 1,7 kmol de NO bulunmaktadõr. Bu koşullarda yapõlacak hesaplamalarõn sonucu atõk gaz akõmõ içerisindeki oksijen derişiminin çok fazla değişmesine neden olmasa bile kütle denklikleri, NO de göz önüne alarak tekraralanmalõdõr. Tepkimeye girmemiş oksijen miktarõ 4 ve 6 nolu tepkimelerden yararlanõlarak hesaplanõr. 1,7 kmol NO okside olmamõş ve absorblanmamõştõr. Buna göre, Atõk gaz akõmõ içerisindeki oksijen miktarõ = 25,7 kmol + 1,7 (1/4 + ½) = 27,0 kmol

22

Atõk gazlar, absorbsiyon kolonuna gönderilen su akõmõnõn kolona giriş sõcaklõğõnda su ile doygun hale geçeceklerdir. Su giriş sõcaklõğõ 25oC ise bu sõcaklõkta suyun kõsmi basõncõ = 0,032 atm dir. Absorbsiyon ünitesinin basõncõ takriben 8 atm olup

Suyun mol kesri = 0,032 / 8 = 4.10-3 Atõk gaz akõmõ içerisindeki su buharõ miktarõ = (831,8 + 25,7) x 4.10-3 = 3,4 kmol Absorplanan azot oksitlerin miktarõ = (48,9 +15,7) - 1,7 = 62,9 kmol = 3962,7 kg

6 nolu tepkimeden yararlanõlarak, gerekli stokiometrik su miktarõ = ( 24

9,62 ) = 31,5 kmol

Absorbsiyon ünitesinden çõkan asit akõmõnõn derişiminin ağõrlõkça %60 olmasõnõ istersek, seyreltme için gerekli su miktarõ = (3962,7 / 0,6) x 0,4 = 2641,8 kg = 146,8 kmol Gerekli toplam su miktarõ = 31,5 + 146,8 + 3,4 � 3,8 = 177,9 kmol Buraya kadar yapõlan hesaplamalarõn sonucu olarak 8, 9, 10, 11, 12 nolu akõmlarõn akõş hõzlarõ ve bileşimleri bir sonraki sayfadaki çizelgede özetlenmiştir. Yapõlan hesaplarõ kontrol etmek amacõyla;

(6) + (8) = (9) ve (9) + (11) = (10) + (12) olup olmadõğõnõ kontrol ediniz. Üretilen asit miktarõ:

Yoğuşturucudan gelen HNO3 = 31,4 kmol =1978,2 kg H2O = 130,5 kmol = 2349,0 kg Absorbsiyon ünitesinden gelen HNO3 = 62,9 kmol = 3962,7 kg H2O = 130,5 kmol = 2641,8 kg Toplam HNO3 = 1978,2 + 3962,7 = 5940,9 kg H2O = 2349,0 + 2641,8 = 4990,8 kg 10931,7 kg Asit karõşõmõnõn derişimi = (5940,9 / 10931,7) x100 = 54 %

23

8, 9, 10, 11, 12 nolu akõmlarõn özellikleri. Akõm İkincil Hava (8) Giren Akõm (9) Asit akõmõ (12) Atõk gaz (10)

Bileşen kmol kg kmol kg kmol kg kmol k

NO - - 15,7 471,0 - - 1,7 51NO2 - - 48,9 2249,4 Eser - - -

N2 29,7 950,4 49,7 1590,4 - - 27,0 86

O2 111,8 3130,4 831,8 23290,0 - - 831,8 2329

HNO3 - - - - 62,9 3962,7 - -

H2O eser - 3,8 68,4 146,8 2641,8 3,4 61Toplam 4080,8 27669,2 6604,5 2426

24

13 nolu asit akõmõnõn bileşimi; 13 Asit akõmõ kmol kg HNO3 94,3 5940,3

H2O 277,3 4990,8 Toplam 10931,7

Tüm proses verimi: Tüm proses için azot denkliğinden yararlanarak proses verimini hesaplayabiliriz. Üretilen HNO3 içerisindeki azot mol sayõsõ 94,3 / 2 Verim = = = 94,3 % Girdi NH3 içerisindeki azot mol sayõsõ 100 / 2 İstenilen üretim kapasitesi için ölçek büyütme: Üretim kapasitesinin 20000 t/yõl (%100 HNO3 ) olmasõ istenmekte ve yõllõk çalõşma süreside 8000 saat olduğuna göre kapasite 20000/8000 = 2500 kg/st dir. Yukarõda yapõlan hesaplamalar sonucu 100 kmol NH3 girdi olarak kullanõldõğõnda 5940,9 kg HNO3 üretilebileceğini saptamõştõk. Buna göre, Ölçek faktörü = (2500) / (5940,9) = 0,4208 Bu değeri yaklaşõk = 0,43 olarak alabiliriz. Yukarõdaki çielgelerde verilen tüm akõş hõzlarõ bu faktörle çarpõlarak istenilen kapasite için akõm şemasõ oluşturulur. Örneğin yoğuşturucudan çõkan 6 nolu akõm için değerler açşağõda verilmiştir.

Temel 100 kmol NH3 Ölçek Temel: 20000 t/yõl kg faktörü kg/st NO 471 202,5 NO2 2249,4 967,2

O2 640 x 0,43 = 275,2

N2 20160 8668,0

H2O 68,4 29,4 Toplam 23588,4

25

Nitrik asit prosesi için enerji denklikleri Temel: 1 saat Kompresör Kompresör gücü ve enerji gereksinimi hesabõ:

Hacimsel akõş hõzõ

Şekil 3.6 dan bu akõş hõzõ için Ep=%74 olan santrifüj kompresör kullanõlabilir.

Hava için γ = 1,4 alõnabilir Hava giriş sõcaklõğõ ortam sõcaklõğõnda olacaktõr T1 = 15 oC

T2 = 288×80,39 =648 K Bu değer oldukça yüksektir ve iç soğutmaya gereksinim olacaktõr. Kompresörleri ikiye böldüğümüzü ve her bölümde eşit iş olduğunu kabul edelim. İç soğutma gazõ çõkõş sõcaklõğõ 60 oC olsun ( ki bu sõcaklõk, 30 oC daki normal soğutma suyuna makul bir yaklaşõm verir). Eşit iş için her bölümde iç kademe basõncõ

Giriş akõş hõzõ, (akõm şemasõndan) =13027,7

29 3600kmol / s

×= 0 125,

Giriş koşullarõnda, 15 0,125 22,4 m / so 3C bar, = × × =1288273

2 95,

İş (kmol başõna) = z1T Rn

nPP

nn

12

1

1

11

−

−

−

Çõkõş sõcaklõğõ, T = T2 1

PP

m2

1

mEp

=−γ

γ1

nm

=−1

1m =

−×

=1 4 1

1 4 0 740 39

,, ,

,

n =−

=1

1 0 391 64

,,

= =PP

çõkõş

giriş8 2 83,

26

Toplam iş = 3072,9+3552,6=6625,5 kJ/kmol Saatte gerekli enerji = 1,12×3600 = 4032 MJ

Kompresör çõkõş sõcaklõğõ = 333(2,83)0,39 = 500 K = 230 oC Bu sõcaklõk reaktöre ön õsõtma yapmaya gerek duyulmayacak yeterlilikte yüksek olduğundan, besleme reaktöre doğrudan yapõlabilir. Amonyak Buharlaştõrõcõ Amonyak sõvõ olarak basõnç altõnda depolanacaktõr. 8 atm de doygunluk sõcaklõğõ 20 oC dõr. Beslemenin buharlaştõrõcõya ortam sõcaklõğõnda, 15 oC, yapõldõğõnõ kabul edelim. 8 bar da spesifik õsõ = 4,5 kJ/kgK 8 bar da gizli õsõ = 1186 kJ/kg Buharlaştõrõcõya giriş hõzõ = 731 kg/st Sõcaklõğõ 20 oC'a yükseltmek ve buharlaştõrmak için gerekli giriş õsõsõ = 731,0[ 4,5(20-15) + 1186 ] = 883413,5 kJ/st Isõ kayõplarõ için %10 fazlasõnõn eklenmesiyle = 1,1×883413,5 = 971754,9 kJ/st ≈972 MJ/st Karõşma noktasõ Cp hava = 1 kJ/kgK Cp amonyak buharõ = 2,2 kJ/kgK

( )Birinci bölümişi giriş 15 C, ,,

,, ,

,,o kJ / kmol= × × ×

−−

=−

1 288 8 3141 64

1 64 12 83 1 3072 9

1 64 11 64

( )İkinci bölümişi giriş 60 C, ,,

,, ,

,,o kJ / kmol= × × ×

−−

=−

1 333 8 3141 64

1 64 12 83 1 3552 6

1 64 11 64

Kompresör gücü =iş / mol mol / s

etkinlik kJ / s = 1.12 MW

×=

× ×=

6625 5 0 125 100 74

11193, ,

,

t3

Hava 11272,9 kg/st 230 oC

NH3 buharõ 731,0 kg/st 20 oC

27

Karõşma noktasõ etrafõnda enerji denkliği 11272,9×1(230 - t3 )+731,0×2,2(20 - t3) = 0 t3 = 204 oC Oksitleyici Adyabatik işlem olduğu kabul edilerek ENERGY1 programõnõn kullanõlmasyõla çõkõş sõcaklõğõ bulunabilir. Ya da sisyemde adyabatik durumda enerji denkliği yazõlõr ve bu denklem Matlab�da, fsolve Matlab komutu yardõmõyla çözülür. Enerji denkliğinde kullanõlacak veriler aşağõda verilmiştir. ∆Ho

r reaksiyon 1 = -226334 kJ/kmolNH3 ∆Ho

r reaksiyon 2 = -316776 kJ/kmolNH3 Bütün reaksiyon verimi kayõplarõna reaksiyon 2 nin neden olduğunu kabul edelim ve NH3 ün reaksiyon 1 ile reaksiyona girmiş olsun. NH3 'ün oksitleyiciye akõş hõzõ×reaktör verimi=731,0×0,96/17 =41,3 kmol/st Reaksiyon iki ile denge = 731,0×0,04 = 1,7 kmol/st Akõş ve õsõ kapasiteleri :

Cpo kJ/kmolK Akõm

Bileşenleri Besleme

(3) kmol/st

Ürün (4)

kmol/st a b c d

NH3 O2 N2 NO H2O Sõcaklõk, K

43 82,1 308

- -

477

- 29,2 309,6 41,3 64,5 T4

27,32 28,11 31,15 29,35 32,24

28,83E-3 -3,68E-6 -1,36E-2 -0,94E-3 19,24E-4

17,07E-6 17,46E-6 26,80E-6 9,75E-6 10,5E-6

-11,85E-9 -10,65E-9 -11,68E-9 -4,19E-9 -3,60E-9

T4 çõkõş sõcaklõğõnõn 1180 K = 907 oC olduğu bulundu. Atõk -õsõ Kazanõ(Waste-heat Boiler) NO nun ne kadarõnõn NO2 ye oksidasyonu kesin olarak tahmin edilemediğinden, sistem üzerinde kesin bir enerji dengesi kurmak mümkün değildir. Bunun yanõnda, üretilebilecek maksimum buhar miktarõ NO�nun tamamõnõn oksitlenmesiyle, minimum buhar miktarõ ise hiç oksitlenmemesiyle elde edilir. Fabrikalarda buhar basõncõ genellikle 11 bar civarõndadõr ve doygunluk sõcaklõğõ ise 184 oC dõr. Çõkõş gazlarõ ve buhar sõcaklõğõ arasõndaki farkõn 50 oC olduğunu varsayarsak, gazlarõn çõkş sõcaklõğõ 184+50= 234 oC (507 K) olacaktõr. Akõm şemasõndan, WHB'ye giren NO = 1236,4/30 = 41,3 kmol/st Giren O2 = 935,7/32 = kmol/st

28

NO' nun tamamõ, reaksiyon 4, oksitlenirse, WHB' yi terkeden O2 29,2 - (41,3/2) = 8,6 kmol/st ∆Ho

r = -51120 kJ/kmol, oksitlenmiş NO Eğer NO oksitlenmemiş ise çõkõş gazõnõn bileşimi giriş ile aynõ olacaktõr. Giriş gazõ, yukarõda verilen reaktör çõkõşõ ile aynõ bileşime sahiptir. NO oksitlenmiş ise akõm değişimi aşağõda verildiği gibi olacaktõr.

Cpo kJ/kmolK

kmol/st a b c d O2 NO2 Sõcaklõk, K

7,46 41,3 507

24,23

as above 4,84E-2

-20,81E-2

0,29E-9

ENERG1 programõnõn kullanõlmasõyla, buhara transfer edilen õsõ için aşağõdaki değerler hesaplanõr: NO oksitlenmemişse 9,88 GJ/st NO aksitlenmişse 12,29 GJ/st Buhar üretimi; besleme suyu sõcaklõğõ 20 oC alõnõrsa, 11 bar da doygun buharõn entalpisi = 2781 kJ/kg 20 oC suyun entalpis = 84 kJ/kg 1 kg buhar oluşturmak için õsõ = 2697 kJ

Soğutucu-yoğuşturucu Bu ünitede denklikte göz önüne alõnacak õsõ kaynaklarõ: 1. Duyulan õsõ: Giriş sõcaklõğõ 234 oC olan gazlarõnõn absorbsiyon giriş sõcaklõğõ olan 40 oC�a

soğutulmasõ. 2. Yoğuşmuş suyun gizli õsõsõ. 3. NO�nun NO2�ye egzotermik oksidasyonu. 4. Nitrik asidin egzotermeik oluşumu. 5. Oluşmuş nitrik asidin seyrelme õsõsõ, (%40,w/w). 6. Çõkõş gazlarõnõn ve asit akõmõnõn duyulan õsõsõ.

buhar üretimi =transfer edilen õsõ

kg başõna entalpi değişimi

minimum buhar üretimi =9880000

2697 kg / st= 3662

maksimum buhar üretimi =12290000

2697 kg / st= 4555

29

Her kaynağõn büyüklüğünü kõyaslamak için, her biri ayrõ ayrõ hesaplanacaktõr. Referans sõcaklõk : 25 oC 1. Gaz duyulan õsõsõ Gaz akõmõnõn giriş ve çõkõş akõmõndaki duyulan õsõlarõ ENERGY 1 programõ yardõmõyla ya da enerji denkliği denkliği elle yazõlõp Matlab yardõmõyla hesaplanabilir. Giriş akõmõnõn bileşimi ve õsõ kapasiteleri, yukarõda WBH ye giriş akõmõ için verilen değerlerle aynõdõr. Akõm şemasõndan çõkõş akõmõ:

Yoğuşturucu çõkõşõ (6) O2 N2 NO NO2 H2O Sõcaklõk 313 K

kmol/st 8,6

309,6 6,75 21,03 1,63

Giriş akõmõnõn duyulan õsõsõ(5) = 2,81 GJ/st Çõkõş akõmõnõn duyulan õsõsõ (6) = 0,15 GJ/st 2. Suyun yoğunlaşmasõ

Yoğunlaşmõş su = giren H2O- çõkan H2O = 1161 � 29 = 1131,6 kg/st Giriş sõcaklõğõnda suyun gizli õsõsõ, 230 oC = 1812 kJ/st

Buharõn giriş sõcaklõğõnda yoğuştuğu ve sonra referans sõcaklõğõna souğuduğu göz önüne

alõnarak; Yoğunlaşma õsõsõ = 1131,6×1812 = 2,05×106 kJ/st Kondensatõn duyulan õsõsõ= 1131,6×4,18(230 � 25) = 0,97×106 kJ/st Toplam, yoğuşma ve soğuma = 2,05×106 + 0,97×106 = 3,02 GJ/st

3. NO�nun oksidasyonu

Bütün oksidasyon, kondenser-soğutucusunda olursa en büyük õsõ yüklemesi olacaktõr ki bu da kondeser-soğutucusu tasarõmõ için en kötü koşullarõ verir.

Oksitlenmiş NO (mol) = mol (giren) � mol (çõkan) = 41,3 � 6,75 = 34,55 kmol/h Reaksiyon 4 de üretilen õsõ = 34,55×57120 = 1,97×106 kJ/st= 1,97 GJ/st 4. Nitrik asit oluşumu

Oluşan HNO3 (akõm şemasõndan) = 850,6/63 = 13,50 kmol/st

30

Sulu nitrik asit oluşumunu içiren değişik reaksiyonlarda entalpi değişimi aşağõdaki gibidir. 2NO2(g) N2O4 (g) ∆H = -57,32 kJ N2O4 (g) + H2O(l) + 1/2O2(g) 2HNO3(g) ∆H = 9,00 kJ HNO3(g) HNO3(l) ∆H = -39,48 kJ Yukarõdaki reaksiyonlarõn birleştirilmesinden Reaksiyon 8 2NO2(g) + H2O(l) 2HNO3(l) Toplam entalpi değişimi = -57,32 +9,00 + 2(-39,48)= -127,28 kJ Oluşan kmol HNO3(l) başõna üretilen õsõ = (127,28/2) ×103 = 63640 kJ Üretilen õsõ = 13,50×63640 = 0,86×106 kJ/st = 0,86 GJ/st Akõm şemasõ hazõrlanõrken N2O4 oluşumu ve bundan da HNO3 oluşumu bileşenlerin akõş hõzlarõnõ etkilemediğinden dikkate alõnmamõştõ. 5. HNO3�ün seyrelme õsõsõ

Seyrelme õsõsõ Perry�s Chem. Eng. Handbook�da, �5 th ed., p. 3.205 Fig 3,42� verilen entalpi-konsantrasyon diyagramlarõndan hesaplanõr. Bu diyagram için referans sõcaklõk 32 oF dõr . Diyagramdan: %100 lük HNO3 �ün entalpisi = 0 %45 lik HNO3 �ün entalpisi = -80 btu/lb çözelti %45 lük HNO3 �ün spesifik õsõsõ = 0,67 32 oF da seyrelme üzerine salõverilen õsõ = 80×(4,816/1,8) = 186 kJ/kg çözücü 25 oC� a tükseltmek için õsõ = 0,67(25 � 0) 4,186= 70,1 kJ/kg 25 oC da seyrelme õsõsõ = 186 � 70,1 = 115,9 kJ/kg çözücü %100 lük 1 kmol HNO3 ün seyrlemesiyle üretilen çözelti miktarõ = (63/45) ×100 = 140 kg 1 kom�ün seyrelmesiyle oluşan õsõ = 140×115,9 = 16226 kJ Toplam üretilen õsõ = 13,5×16226 = 219051 kJ/st = 0,22 GJ/st 6. Asidin duyulan õsõsõ

Asit çõkõş sõcaklõğõ 40 oC Asidin duyulan õsõsõ = 0,67× 4,186( 40 �25 ) ×1860,7 = 78278 kJ/st = 0,08 GJ/st

Isõ denkliği (GJ/st)

31

Soğutma suyuna transfer edilen õsõ = 2,81 + 6,07 � 0,15 � 0,08 = 8,65 GJ/st Hava soğutucu Absorbsiyon kolonu giriş sõcaklõğõnõ mümkün olduğu kadar küçük tutmak için, kompresörden ikincil hava absorbsiyon kolunu girişinde proses gaz akõmõ ile karõşmadan önce soğutulmalõdõr. Çõkõş sõcaklõğõnõ sogutucu kondenserden gelen gaz akõmõnõn sõcaklõğõ ile aynõ, 40 oC, alarak;

İkincil hava akõşõ, (akõm şemasõndan), 1754,8 kg/st Havanõn spesifik õsõsõ 1 kJ/kgK İkincil havadan uzaklaştõrõlan õsõ = 1754,8×1×(230-40) = 333412 kJ/st = 0.33 GJ/st

Absorber Absorbsiyon kolonunda õsõ kaynağõ, soğutucu-kondenser ile aynõ olacaktõr ve aynõ hesaplama metodu kullanõlõr. Soğutucu-kondenserden giriş gazda duyulan õsõ = 0,15 GJ/st İkincil havada duyulan õsõ = 1754,8×1(40-25) = 0,018 GJ/st Tail gazlarõnda duyulan õsõ (25 oC da ) = 0 Besleme suyunda duyulan õsõ (25 oC da ) = 0 Oksitlenmiş NO = (202,5-21,9)/30 = 6,02 kmol/st Üretilen õsõ = 6,02×57120 = 0,34 GJ/st Oluşan HNO3 = 1704/63 = 27,05 kmol/st Üretilen õsõ = 27,05×63640 = 1,72 GJ/st 25 oC da %60�a seyrelme õsõsõ = 27,05×14207 = 0,38 GJ/st Yoğuşmuş su = 29,4 � 26,3 = 3,1 kg/st 40 oC da gizli õsõ = 2405 kJ/st Referans sõcaklõğõnda duyulan õsõ = 4,18×(40 � 25) = 63 kJ/kg Salõverilen õsõ = 3,1(2405 + 63) = 7,6×10-3 GJ/st (İhmal edilebilir) Çõkan asitte duyulan õsõ = 0,64(40 � 25 ) = 0,11 GJ/st

Oksidasyo 1,97Kondenzasyon 3,02 HNO3 oluşumu 0,86 Seyreleme 0,22 Toplam 6,07

Soğutma suyuna õsõ

Sõvõ0,08

Gaz0,15

Gaz 2,81

32

Isõ denkliği Soğutma suyuna transfer edilen õsõ = 0,15 + 0,018 + 2,44 � 0,11 = 2,5 GJ/st Karõştõrõcõ Karõşmõş asit sõcaklõğõnõn hesaplanmasõ: Entalpi-konsantrasyon diyagramõ direk kullanõlmasõ için referans sõcaklõğõ 0 oC alalõm. Diyagramdan; %45 lik asidin entalpisi, 0 oC = -186 kJ/kg Spesifik õsõ = 0,67 kcal/kgoC %60 lik asidin entalpisi, 0 oC = -202 kJ/kg Spesifik õsõ = 0,64 kcal/kgoC %45 lik asidin entalpisi, 40 oC = -186 + 0,67(40-0)4,186 = -73,8 kJ/kg %60 lik asidin entalpisi, 40 oC = -202 + 0,67(40-0)4,186 = -94,8 kJ/kg

Entalpi-konsantrasyon diyagramõndan, karõşmõş asidin entalpisi (%54 lük) 0 oC da = -202 kJ/kg; spesifik õsõ = 0,65 kcal/kgoC Karõşmõş asidin duyulan õsõsõ = -86,5 � (-202) = 115,5 kJ/kg Ve karõşmõş asidin sõcaklõğõ = 115,5/(0,65x4,186) = 43 oC

Oksidasyon 0,34HNO3 1,72 Seyrelme 0,38 Kondenzasyon - 2,44

Su0,0

Soğutma suyuna õsõ

Tail gaz 0,0

Gaz 0,15

İkincil hava 0,018

Çõkan asit0,11

Asit karõşõmõnõn entalpisi =(-73,8 1860,7) + (-94,8 2840,0)

1860,7 + 2840,0 kJ / kg

× ×= −86 5,

33

4. BİLGİSAYAR DESTEKLİ AKIM ŞEMALARI Proses tasarõmõnda akõm şemalarõnõn hazõrlanmasõnda yararlanõlan bilgisayar proğramlarõ iki ana grupta toplanõr. 1. Güçlü hesaplama olanaklarõna sahip tam simulasyon proğramlarõ. 2. Basit kütle denkliği proğramlarõ. Simulasyon proğramlarõnõ kullanarak enerji ve kütle denkliklerinin birlikte çözümünü ve ekipmanlarõn ön tasarõmõnõ yapmak, dolayõsõyla, detaylõ ve gerçek bir akõm şemasõ hazõrlamak mümkündür. Bir proje çalõşmasõnõn başlangõcõnda tam simulasyon proğramõ kullanmak yerine basit madde denkliği proğramlarõ kullanõlmasõ tercih edilir. Böylece elle yapõlacak hesaplama çalõşmalarõ azaltõlarak çabuk ve ucuz bir Şekilde elementer bir akõm şemasõ ortaya konulabilir. 5. TAM VE YATIŞKIN HAL SİMULASYON PROĞRAMLARI Çeşitli firmalar tarafõndan, tasarõmõ yapõlmõş proseslerin yatõşkõn haldeki işletimini simule eden kompleks akõm şemasõ proğramlarõ hazõrlanmõştõr. Gelişmiş üniversitelerde proses tasarõm dersleri çerçevesinde de kullanõlan bu proğramlardan bazõlarõ: GEMCS, FLOWPACK, FLOWTRAN, CONCEPT, PROCESS, HYSIM, ASPEN dir. Tipik bir simulasyon proğramõnõn içeriği aşağõda şematik olarak gösterilmiştir. GİRDİ-VERİLER !! EKİPMAN ÖZELİKLERİ için ALT PROGRAMLAR A N A TERMODİNAMİK HESAPLAR Ç için ALT PROGRAMLAR A L I Ş İTERATİF YÖNTEMLER T için ALT PROGRAMLAR I R I ÇIKTILAR C FİZİKSEL ÖZELİKLER I için VERİ DOSYALARI EXE MALİYET HESAPLARI için VERİ DOSYALARI Tipik bir simulasyon proğramõnõn içeriği

34

Tüm bu simulasyon paketlerinin içeriği şu Şekilde özetlenebilir. 1. Ana çalõştõrõcõ proğram (executive program) �EXE� Akõm şemasõnõn hazõrlanmasõ için yapõlacak hesaplamalarõn izleneceği sõrayõ, alt programlardan bilgi alõnmasõ ve alt programlara bilgi aktarõlmasõ gibi işlemlerin organize elde edilmesine yarar. 2. Ekipman performans alt programlarõnõ içeren kütüphane (MODULES). Bunlar ekipmanlarõn simule edildiği programlar olup ekipmana giren akõmõn özelliklerine bağlõ olarak ekipmandan çõkan akõmõn özelliklerini hesaplar. 3. Fiziksel özellikleri içeren veri bankasõ. 4. Akõmlarõn entalpileri, buhar-sõvõ denge sabitleri gibi termodinamik özelliklerin hesaplanmasõ için kullanõlan alt programlar. 5. Maliyet hesaplamalarõ için gerekli veri bankasõ ve alt programlar. Akõm şemasõ hazõrlanmasõnda kullanõlan simulasyon programlarõnda kütle ve enerji denkliklerinin çözümü iterasyon yöntemleri kullanõlarak yapõlõr. İterasyon sõrasõnda uygun parametrelere belirli artõşlar verilerek geri döngüler yaplõlõr. İstenilen değere ulaşõlõnca döngüden çõkõlmõş olur. 5.1 BİLGİ AKIM DİAGRAMLARI Bilgisayara problemi tanõtmak için, temel işlemlerin ve akõm bağlantõlarõnõn sõrasõnõ gösteren elementer bir proses akõm diağramõ hazõrlanõr ve daha sonra bir bilgi akõm diagramõna dönüştürülür. Şekil 4-a 'da nitrobenzenin hidrojenasyonuyla anilin üretimi için bir proses akõm diağramõ, Şekil 4-b de ise bu proses için bilgi akõm diagramõ verilmiştir. Bu Şekilde yer alan her blok simulasyon proğramõndaki hesaplama modüllerinden birisine karşõlõk gelmektedir. Bileşim, sõcaklõk veya basõncõn değişime uğramadõğõ üniteler bilgi akõm diagramlarõna dahil edilmezler. Diğer taraftan bileşim, sõcaklõk veya basõnç değişimine neden olan her ünite ve her ünite parçasõ diagram içerisinde yer almalõdõr. Bu şemada bloklarõ birleştiren çizgi ve oklar bir alt proğramdan diğer bir alt proğrama bilgi akõmõnõ ve yönünü göstermektedir. Şekil-4.b deki bilgi akõm diagramõna, prosesde yer alan kompresör dahil edilmemiştir. Distilasyon modülü yoğuşturucu ve kazanõ da içermektedir.

35

36

6. KÜTLE DENKLİKLERİ�nin ÇÖZÜMÜ için KOLAY PROGRAMLAR Bir prosesin tasarõmõnõn veya geliştirilmesinin ilk aşamasõnda kaba ve yaklaşõk bir kütle denkliği istendiği durumda tam bir simulasyon programõnõn kullanõlmasõ gereksizdir. Sadece kütle denkliği hesaplamalarõ için basit programlar kullanõlarak akõm şemalarõnõn hazõrlanmasõ mümkün olur. Özellikle devir akõmõ içeren prosesler ve kütle denklikleri ve enerji denkliklerinin birlikte çözümünü gerektirmeyen tasarõm çalõşmalarõ için bu tip basit programlarõn kullanõlmasõ önerilir. Bu tür proğramlarõn en önemli özelliği kişisel bilgisayarlarda uygulanabilmesidir. 6.1 Basit bir kütle denkliği proğramõnõn hazõrlanmasõ: Bu bölümde, �Massball� adlõ bir kütle denklüşü proğramõnõn hazõrlanmasõ açõklanmõştõr. Proğramõnõn dökümünü Sinnot, RK.1983, Chemical Engineering Design adlõ kaynakta görebilirsiniz. Bu proğramõnõn hazõrlanmasõnda uygulanan yöntem; proses için kütle denkliğini tanõmlayan denklemler takõmõnõ �Fraksiyon Katsayõlarõ� kavramõna göre oluşturmaktõr. Fraksiyon Katsayõlarõ Kavramõ: Kimyasal proseslerde yer alan ünitelerin yani temel işlemlerin yapõldõğõ ekipmanlarõn çoğunda üniteye giren akõm bu ünite çõkõşõnda iki veya daha fazla akõma ayrõlõr. Örneğin; bir distilasyon kolonuna giren akõm kolon çõkõşõnda üst ve dip ürün olarak iki akõma ayrõlõr. Bir yoğuşturucuya giren akõm yoğuşturucu çõkõşõnda sõvõ ve gaz faz olmak üzere iki akõma ayrõlõr. O nedenle, bilgi akõm diagramõnda yer almõş olan bir temel işlemler ünitesinden çõkan akõmdaki herhangi bir bileşenin akõş hõzõ, bu bileşenin üniteye giren akõş hõzõnõn belirli bir kesri kadardõr. Bileşenin adõ geçen üniteye giriş akõş hõzõnõ bir katsayõ ile çarparak üniteden çõkõştaki akõş hõzõnõ bulmak mümkündür. Bu katsayõya Fraksiyon Katsayõsõ denir. Aşağõda, bilgi akõm diagramõndaki herhangi bir ünite için kütle denkliğinin oluşturulmasõnda kullanõlan simgeler gösterilmiştir. Toplam Bir sonraki üniteye (J) Bir önceki akõm i giden akõm üniteden temel işlem gelen akõm λik ünitesi αJikλik Sistem dõşõndan gi0k gelen akõm i,J : Ünite numaralarõ. λik : i ünitesine giren k bileşeninin toplam akõş hõzõ αJikλik : i ünitesinden çõkõp J ünitesine giden akõm içerisindeki k bileşeninin akõş hõzõnõn, I ünitesine giren akõmdaki k bileşeninin akõş hõzõna oranõ. Fraksiyon katsayõsõ. gi0k : i ünitesine sistem dõşõndan gelen akõm içerisindeki k bileşeninin akõş hõzõ Özet olarak üniteden çõkan bileşenin akõş hõzõ, üniteye giren akõş hõzõ ile fraksiyon katsayõsõnõn çarpõmõna eşittir. Fraksiyon katsayõsõ, ünitenin tasarõm özelliklerine ve üniteye giren akõmõn özelliklerine bağlõdõr.

37

Üç adet temel işlem ünitesi ve çeşitli devir akõmlarõ içeren bir proses için bilgi akõm diagramõ ve kütle denkliklerini oluşturmak için kullanõlan simgeler aşağõda verilmiştir. α13kλ3k α31kλ1k λ1k α21kλ1k λ2k α32kλ2k λ3k α12kλ2k g10k g30k 1 Nolu ünite için kütle denkliği: λ1k = g10k + α12kλ2k + α13kλ3k (1) 2 Nolu ünite için kütle denkliği: λ2k = α21kλ1k (2) 3 Nolu ünite için kütle denkliği: λ3k = g30k + α32kλ2k + α31kλ1k (3) Denklemler düzenlenerek matriks formda yazõlõrsa; λ1k - α12kλ2k - α13kλ3k = g10k - α21kλ1k + λ2k = 0 - α31kλ1k - α32kλ2k + λ3k = g30k 1 - α12k - α13k λ1k g10k - α21k 1 0 x λ2k = 0 - α31k - α32k 1 λ3k g30k

38

Örnek: İZOPROPİL ALKOL�den ASETON ÜRETİMİ C3H7OH (CH3)2O + H2 İzopropil alkol buharlaştõrõldõktan sonra reaktöre gönderilmekte ve katalitik dehidrojenasyon sonucu aseton oluşmaktadõr. Reaktörden çõkan gaz akõmõ (aseton, su, hidrojen, izopropil alkol) bir yoğuşturucuya gönderilerek akõm içerisindeki asetonun çoğu, su ve izopropil alkol yoğunlaştõrõlõr. Yoğuşturucuyu terkeden gaz akõmõ içerisinde az miktarda aseton ve izopropil alkol bulunduğundan bu akõm bir absorbsiyon kolonunda su ile yõkanmakta ve aseton ve alkol absorbe edilmektedir. Yõkayõcõnõn (absorbsiyon kolonu) altõndan alõnan akõm ve yoğuşturucudan alõnan sõvõ akõm (kondensat) birleştirilerek saf aseton elde etmek amacõyla destilasyon kolonuna gönderilir. Destilasyon kolonunun üstünden saf aseton alõnõr. Bu kolonun altõndan ise su ve izopropil alkol içeren akõm alõnarak ikinci bir destilasyon kolonuna gönderilir. 2 nolu distilasyon kolonunun üst akõmõ %91 alkol içeren azeotrop su-alkol karõşõmõdõr. Bu akõm reaktöre devir ettirilir. Reaktörde ZnO-Cu katalizör kullanõlmakta, tepkime 400-500 oC sõcaklõk ve 4.5bar basõnç altõnda yapõlmaktadõr. Prosesde aseton verimi %98 dir. İzopropil alkolün reaktörden her geçiş dönüşüm oranõ % 85-90 civarõndadõr. 1. Proses akõm şemasõnõ çiziniz. 2. Bilgi akõm şemasõnõ çiziniz. 3. Bileşenler için kütle denkliklerini kurarak matriks formda yazõnõz. 4. Prosesde mevcut bileşenler için ayrõk fraksiyon katsayõlarõnõ belirleyeniz ve herbir bileşen için

matriks formdaki kütle denkliklerini tekrar yazõnõz. Çözüm: Prosesin blok diagramlarla çizilen bir akõm şemasõ ve bilgi akõm diagramõ Şekil-5 de görülebilir. Bu proses için kütle denkliklerinin kurulmasõnda kullanõlan simgeler ise aşağõdaki şekilde verilmiştir. α21kλ1k α32kλ2k α43kλ3k α54kλ4k λ1k λ2k λ3k λ4k λ5k 1 11

g20k g30k α42kλ2k α15kλ5k g10k

39

1 Nolu ünite için kütle denkliği: λ1k = g10k + α15kλ5k (1) 2 Nolu ünite için kütle denkliği: λ2k = g20k + α21kλ1k (2) 3 Nolu ünite için kütle denkliği: λ3k = g30k + α32kλ2k (3) 4 Nolu ünite için kütle denkliği: λ4k = α42kλ2k + α43kλ3k (4) 5 Nolu ünite için kütle denkliği: λ5k = α54kλ4k (5) Denklemler düzenlenerek matriks formda yazõlõrsa; λ1k - α15kλ5k = g10k - α21kλ1k + λ2k = g20k - α32kλ2k + λ3k = g30k - α42kλ2k - α43kλ3k + λ4k = 0 - α54kλ4k + λ5k = 0 1 0 0 0 - α15k λ1k g10k - α21k 1 0 0 0 λ2k g20k 0 - α32k 1 0 0 x λ3k = g30k 0 - α42k - α43k 1 0 λ4k 0 0 0 0 - α54k 1 λ5k 0 Fraksiyon katsayõlarõnõn belirlenmesi: Bileşenler: k = 1-5 k=1 İzopropil alkol, k=2 Aseton, k= 3 Hidrojen, k= 4 Su Proses üniteleri: i, J 1= Reaktör, 2= Yoğuşturucu, 3=Yõkayõcõ 4= Birinci distilasyon kolonu, 5= İkinci distilasyon kolonu Tasarõmcõ, fraksiyon katsayõlarõnõ belirlemeden önce yapmõş olduğu proje çalõşmasõna özgün olarak bazõ proses ve ekipman spesifikasyonlarõnõ belirlemelidir. Bu değerler, tasarõmcõnõn istediği sonuçlara ulaşabilmesi için defalarca değiştirebileceği değerlerdir. Diğer adõyla tasarõm değişkenleridir. Örneğin, izopropil alkolden aseton üretim prosesinde tasarõm değişkenleri için başlangõç değerleri olarak aşağõdaki veriler göz önüne alõnmõştõr. 1. Reaktörden her geçişte izopropil alkol dönüşüm oranõ %90 dõr. 2. Yoğuşturucuda izopropil alkolün %90 nõ yoğuşmaktadõr. 3. Yõkayõcõda izopropil alkolün %99 u absorplanarak sõvõ faza geçmektedir. 4. Üretilen aseton içerisinde safsõzlõk olarak en fazla %1 oranõnda izopropil alkol bulunmasõna izin

verilmektedir. 5. Yoğuşturucuya giren akõmdaki asetonun en az %80 nin yoğunlaşmasõ istenmektedir. 6. Yõkayõcõda asetonun %99 u absorplanmalõdõr. 7. Suyun yoğuşturucuda %95 i yoğuşmaktadõr. 8. Yõkayõcõya giren suyun en fazla %1 i gaz faza sürüklenmektedir.

40

Bu saptamalara ilave olarak: Reaktöre giren akõmda bulunan aseton, su ve hidrojenin tepkimeye girmeden reaktörü terkettiği; Hidrojenin, yoğuşturucuda yoğuşmadõğõ, yõkayõcõda absorplanmadõğõ ve dolayõsõyla sürekli gaz fazda olduğu, distilasyon kolonuna gitme olasõlõğõ olsa bile kolonunu tepe ürününe geçeceği; İkinci distilasyon kolonunu terkeden ve rektöre devir ettirilen akõmõn %91 lik alkol-su azeotrop karõşõmõ olduğu tarafõmõzdan bilinen olgulardõr. α211 = 0,1 α421 = 0,9 α321 = 0,1 α431 = 0,99 α541 = 0,99 α151 = 0,91 α212 = 1 α422 = 0,8 α322 = 0,2 α432 = 0,99 α542 = 0,01 α152 = 0,01 α213 = 1 α323 = 1,0 α423 = 0 α433 = 0 α543 = 1 α153 = 1 α214 = 1 α424 = 0,95 α324 = 0,99 α544 = 0,99 α154 = 0,01 α152 = 0,01 Hesaplamalarda temel olarak: Girdi= 100 kmol/st izopropil alkol alõnõrsa g101 = 100 Reaktörde aseton verimi %98 olduğu için g202 = 98 Reaktörde hidrojen verimi de %98 dir. g203 = 98 Fraksiyon katsayõlarõ ve prosese dõşardan verilen akõmlarõn sayõsal değerleri aşağõdaki Çizelgede toplu olarak verilmiştir. α 1 2 3 4 21k -0,1 -1 -1 -1 32k -0,1 -0,2 -1 -0,05 42k -0,9 -0,8 0 -0,95 43k -0,99 -0,99 0 -0,99 54k -0,99 -0,01 -1 -0,99 15k -0,91 -0,01 -1 -0,05 g101 g202 g203 g304

Mol 100 98 98 * * Absorbsiyon kolonuna dõşardan gönderilen su miktarõ kolon tasarõmõna bağlõdõr. O nedenle Kolona gönderilen su miktarõ (kmol/st) = g304

41

Şekil.5 İzopropilalkol den aseton üretimi