Transcript Akım Şemaları Ders Notları (Prof. Dr. S. KARACAN)

AKIM ŞEMALARI
1. GİRİŞ
•Akim şemaları proses tasarımında anahtar döküman olarak
adlandırılacak kadar önemli bir konudur.
•Tasarımda yer alan ekipmanlar, akım hatları, akımların hızları,
bileşimleri ve ekipmanların işletme koşulları yer alır.
Akım şemaları, işletmeye alma çalışmaları(start up) sırasında prosesin
işletme performansının tasarım değeriyle kıyaslanması amacıyla da
kullanılır.
1
Akım şemaları, prosesde yer alan her bir ünite için ve tüm proses
için yapılan kütle ve enerji denklikleri temel alınarak oluşturulur.
Günümüzde akım şemaları bilgisayar destekli olarak hazırlanmaktadır.
Avantajı
-Alternatif akım şemalarının oluşturulması
-En uygun prosesin seçimi
-En uygun proses şartlarının saptanması
Bu ders kapasamında MATLAB ve CHAMCAD paket programından
yararlanılacaktır.
2
Temel reaksiyon
stokiyometrisi
Girdi-Çıktı Diyagramı
Prosesin başlangıç
koşulları
Genel Blok Diyagramı
Başlangıca göre
Madde dengesi
Blok Akım Diyagramı (BFD)
Madde ve enerji Dengeleri
Mekanik ve Ekipman
bilgileri
Mekanik ve Enstrümantasyon
bilgileri
Proses Akım Diyagramı (PFD)
Borulandırma ve
Enstrümantasyon (P&ID)
Şekil 1 Bir kimyasal prosesin akım diyagramının oluşumu3
2. AKIM ŞEMALARININ GÖSTERİLİŞİ
Çeşitli tipte akım şemaları vardır:
2.1 Blok Diyagramları:
En basit gösterim şeklidir. Çizimde yer alan her bir blok bir ekipmanı
veya prosesin belirli bir adımını simgeler.
Kare
daire
veya
diktörgen
şeklinde gösterilir.
Mühendisler için pek yararı yoktur, ön raporların hazırlanmasında
ve eğitim amacıyla kullanılır.
4
2.2. Blok Akım Diyagramları
Bu diyagram girdi çıktı akımlarının bir seri blok ile
birbirlerine bağlanarak oluşturulur. İşletme koşulları
(Sıcaklık ve basınç) ve problemde verilen geri döngü,
dönüşüm gibi diğer önemli bilgileri de içerir.
BAPD
BFD
BATD
5
Blok Akım Proses Diyagramları (BAPD)
Toluen
(10.000 kgh)
Hidrojen
820 kgh)
Reaktor
Dönüşüm
% 75 Toluen
Gaz Ayırıcısı
Gaz Karışımı
(2,610 kgh)
Benzen
(8.210 kgh)
Sıvı karışımı
Dis.
Kol.
Toluen
Reaksiyon: C7H8 + H2 = C6H6 + CH4
Şekil 2
6
Bir Blok Akım Proses Diyagramı Oluşturulurken;
1. İşletmeler bloklarla gösterilir.
2. Önemli akım yönleri oklarla belirtilir.
3. Mümkün olduğunca akımın yönü soldan sağa çizilmeli,
4. Hafif bileşen içeren akımlar (gazlar) yukarı doğru,
ağır bileşen içeren akımlar (sıvılar ve katılar)
aşağı doğru yönlendirilir.
5. Basitleştirilmiş madde dengesi kurulur.
7
Blok Akım Tesis Diyagramı
Şekil 3
8
2.2. Proses Akım Diyagramı (PFD)
PFD bir kimyasal prosesin tasarımı için gerekli KM veri kümesini içerir.
Ayrıntılı akım şemalarında, ekipmanlar genelde belirli bir stile (tarza)
uygun olarak çizilirler ve kullanılan semboller ve çizimler belirli
standartlara uymalıdır.
Proses Akım Diyagramı çizimi için kullanılan standart sembollerin
listesi (R.Turton,1998 )’da verilmiştir. Chemcad programinda kullanılan
Semboller bu temele dayanmaktadır
Amerikan Ulusal Standartlar Enstitüsü (ANSI)’de akım şemalarının
hazırlanmasında kullanılan bir semboller dizini hazırlanmıştır.
9
Bir PFD temel bilgileri sağlayacak şekilde
3 katagoride verilir.
1. Proses topolojisi
2. Akım Bilgileri
3. Ekipman Bilgileri
Örnek bir Benzen üretim prosesi için bunları sırasıyla
görelim.
2.2.1. Proses Topolojisi
Bu diyagram ,ekipmanların önemli parçalarının yerleşimini
ve ekipmanlar arasındaki proses akım bağlantılarını
gösterir.
Ekipman ve proses akımları arasındaki etkileşimin
yerleşkesi bir proses topolojisini gösterir.
10
Şekil 4. Toluenin hidro alkilasyonu ile benzen üretimi için
Proses AkımDiyagramı (PFD)
11
Şekil 4 diyagramında prosesin herbir önemli parçası bir
rakamla tanımlanarak gösterilmiştir. Diyagramın üzerinde
ekipmanların açıklamaları verilmiştir. Tablo 1’de proses
ekipmanların tanıtımı için harf kodu verilmiştir.
Tablo 1 Proses Ekipmanların tanımı için kullanılan harfler
XX: Ekipman sınıflanması için tanımlanmış bilgiler
C: Kompresör veya Türbin
E: Isı Değiştiricisi
H: Ateşli ısıtıcı
P: Pompa
R: Reaktör
T: Kule
TK: Depolama Tankı
V: Kap
Y: Tesisin tasarlanmış alanı
ZZ: Her bir ekipman sınıfının tasarım numarası
A/B: PFD’de yer almayan parelel üniteleri gösterir.12
Proses akımlarının tanıtımı için bir rehber niteliği de taşıyan gösterim
tablo 2’de verilmiştir. Örneğin E-102 ‘de yerleştirilmiş olan cw
simgelem E-102’ye giren soğutma suyunu göstermektedir.
Tablo 2. Yardımcı akım simgeleri
lps: Düşük Basınç Akımı: 3-5 barg (sat)
mps: Orta Basınç Akımı 10-15 barg (sat)
hps: Yüksek Basınç Akımı: 40-50 barg (sat)
htm: Isı Transfer Bölgesi (Organik): 400oC’ye kadar
cw: Soğutma suyu: 45oC’den daha az olup 30oC soğutma kulesinden
dönen
wr: Nehir suyu: 35oC daha az olup 25oC sıcaklıktaki nehirden gelen
rw: Soğutulmuş su: 15oC daha az olup 5oC sıcaklıktaki soğutulmuş su
rb: Soğutulmuş tuzlu su: 0 oC daha az olup -45oC sıcaklıkta dönen
cs: Kimyasal atık su
ss: Sıhhi atık su
el: Elektrikli ısıtıcı (220, 440, 660V)
ng: Dogal gaz
fg: Yakıt gazı
fo: Fuel oil
13
Akım diyagramında Ekipmanların sembolik olarak
gösterimi “Amarican Society of Mechanical Engineers
(ASME) [2] ‘e göre yapılmıştır.
Hangi sembol kullanılırsa kullanılsın her bir simge ile
gösterilen işletim tanımı nadiren bir problemde verilir.
Şekil 5’de proses diyagramlarında
gösterilen sembollerin bir listesi verilmiştir. Bu liste akım
proseslerinde (sıvı ve gaz) yaklaşık %90 üzerindekini
kapsamaktadır.
14
Sinnott, 1999, EK-A’da
Ayrıntılı olarak verilmiştir.
15
Şekil 5. Proses Akımdiyagramı oluşumu için Semboller
2.2.2. Akım Bilgileri
Şekil 4’deki proses akım diyagramında proses akımlarının gösterimi
açık olarak verilmiştir.
Sadece birkaç operatör içeren küçük diyagramlar için, Sıcaklıklar,
basınçlar bileşimler ve akış hızları gibi akım bilgileri akımın yanında
küçük bir kutucuk içerisinde verilebilir.
Polimer üretim prosesi için bu gösterim şekil 5’de verilmiştir.
Daha kompleks diyagramlar için bu gösterim pratik değildir.
Onun yerine ek bir akım bilgileri tablosu hazırlanır. Tablo 3’de
Akım bilgileri tablosunda nelerin verilmesine dair bir özet
verilmiştir.
16
AN
Su
500
2500
Su
5000
Toplam 5000
Toplam 3000
15 oC
60 oC
DM su
Buhar
40 oC
Depodan
15oC
60 oC
CW
60 oC
Kat.
5
Su
100
Toplam 105
RI
Katalizör
Hazırlama
unitesinden
Teçhizat anahtarı
RI Polimer reaktörü
HI Su ısıtıcısı
FI Vakum filtresi
AN
Su
Polimer
Tuzlar
Toplam
50
2600
450
5
7362
Su
AN
5
45
Polimer 2
Tuzlar 5
Toplam 7362
Kurutucuya
AN
5
Su
300
Polimer 448
Tuzlar eser
Toplam 753
Şekil 6 . Akım Diyagramı: Polimer üretimi
(Sinnot, 1999)
17
Tablo 3 Bir akım diyagramında gerekli bilgiler
Zorunlu Bilgiler
Akım no
Sıcaklık (oC)
Basınç (bar)
Buhar Kesri
Toplam Kütlesel Akış Hızı (kg/h)
Toplam Molar Akış Hızı (kmol/h)
Herbir Bileşenin Akış Hızı (kmol/h)
İsteğimize göre Bilgiler
Bileşen mol kesri
Bileşen kütle kesri
Herbir bileşenin akış hızı (kg/h)
Hacimsel akış hızları (m3/h)
Önemli fiziksel özellikler
- Yoğunluk -Viskozite -Diğerleri
Termodinamik Veriler
Isı kapasitesi, Akımların entalpileri,
Akım ismi
K-değerler
18
Tablo 4 Benzen üretim prosesi için (Tablo 3’e göre) Akımların özeti
19
20
Tüm proses için madde dengeleri ve diğer problemler kolaylıkla
analiz edilebilir.
Örnek verecek olursak, Benzen üretim prosesi için Şekil 4’de
toplam kütle dengesi çek edilebilir.
Örnek1
1 nolu Akım ( Beslenen toluen) ve 3 nolu akım (Beslenen hidrojen)
15 nolu çıkış akımı (üretilen benzen) ve 16 nolu akım (Yakıt gazları).
Aşağıdaki tablo bu akımları (103 kg/h ) katı kadar olacak şekilde
verilmiştir.
Girdiler:
Çıktılar
3 nolu akım: 0.82
1 nolu akım: 10.00
Toplam
: 10.82x103 kg/h
15 nolu akım: 8.21
16 nolu akım: 2.61
Toplam
: 10.82x103 kg/h
Girdiler = Çıktılar olduğundan madde dengesi sağlanmıştır.
21
22
Örnek 2. Aynı proses için toluenin benzene dönüşüm oranını bulunuz.
Dönüşüm oranı şu şekilde tanımlanabilir,
=(üretilen benzen) / (Toplam giren toluen)
Akım diyagramından R-101 (Reaktöre) giren akımlar 6 nolu (reaktör
beslemesi) ve 7 nolu akım (geri döngü quench gaz akımı), ve çıkış
akımı, 9 (reaktör çıkış akımı) ile gösterilmiştir.
Tablo 4’deki akım Bilgilerinden;
Toluen=144 (6 nolu akımdan)+0.04(7 nolu akımdan)=144.04 kmol/h
Üretilen Benzen: 116 (9 nolu akım)-7.6 (6 nolu akım)-0.37 (7 nolu ak
=108.03kmol/h
= 108.03/144.04 = 0.75
23
Üretilen benzeni şu şekilde de hesaplayabiliriz.
Üretilen benzen= Giren Toluen- Çıkan Toluen
= 144.04-36 (9 nolu akım)
=108.04
 = 108.04/144.04=0.75
24
2.2.3. Ekipman Bilgileri
PFD’nin son elemanı ekipman özetidir. Bu özet ekipmanların
maliyetini tahmin etmek ve ekipmanların detaylı tasarımı için
temel donatımları içerir.
Tablo 5’de Akışkanlarla ilgili proseslerde karşılaşılan çoğu ekipman
için ekipman özet bilgisi verilmiştir.
Tablo 6’da verilen bilgiler ise Benzen üretim prosesinin ekipman
özeti kısmını hazırlamada kullanılabilir.
25
Tablo 5. PFD için Ekipman Tanımları
Ekipman Tipi
Kuleler
Boyut, Basınç,Sıcaklık,Kademe tipi ve sayısı,Dolgu tipi ve yüksekliği,
Yapı malzemesi
Isı Değiştiriciler
Tipi: Gaz-Gaz,Gaz-Sıvı,Sıvı-Sıvı,Yoğunlaştırıcı,Buharlaştırıcı
Proces: Alan,her iki akım için Sıcaklık ve basınç
Kabuk ve tüp geçişli no
Yapı materyali: Tüpler ve Kabuk
Tanklar
Turton, Tanklar bölümüne bakınız
Reaktörler
Yükseklik,Çap,Basınç,Sıcaklık,Yapı malzemesi
Pompalar
Akım,Çıkış basıncı,Sıcaklık,DP,Şaft gücü,yapı malzemesi
Kompresörler
Gerçek giriş akış hızı,Sıcaklık,Basınç,Şaft gücü, yapı malzemesi
Isıtıcılar
Tipi,Tüp basıncı ve sıcaklığı,Yakıt,Yapı malzemesi
Diğerleri
Kritik bilgiler verilir
26
Tablo 6. Toluen Hidroalkilasyon PFD için Ekipman Özeti
(Turton p.21-22)
Isı Değiştiriciler
Tipi
Alan(m2)
İş(MJ/h)
E-101
FI.H.
36
15190
E-102
FI.H.
763
46660
E-103
MDP
11
1055
E-104
FI.H.
35
8335
E-105
MDP
12
1085
E-106
FI.H.
80
9045
225
654
160
26
24
6
Buhar Kısmı Yoğ. Yoğ.
316SS 316SS
CS
112
3
Yoğ.
CS
112
3
1
CS
185
11
Buhar
CS
258
40
42
3
Yoğ.
1
316SS 316SS
40
3
1
CS
40
3
1
CS
147
3
Buhar
CS
Kabuk
Sıcaklık(oC)
Basınç(bar)
Faz
MOC
Tüp
Sıcaklık(oC)
Basınç(bar)
Faz
MOC
90
3
1
CS
Değişik ekipman parametrelerinin nasıl tahmin edeceğimizi ve
27
seçeceğimizi ileriki bölümlerde göreceğiz.
2.3. Verilerin kesinliği ve doğruluğu
Verilerin virgülden sonra bir basamaklı olarak yazmak yeterlidir.
Hassaslık derecesine göre veriler verilmelidir.
Çok daha küçük değerler ise ‘eser’ miktarda olarak yazılır.
Prosesi kısıtlayan bir öneme sahip ise ‘ppm’ olarak belirtilir.
Bazı durumlarda eser miktardaki maddeler çok önemlidir.
Katalizör zehirlenmesine neden olan ve malzeme seçimini etkileyen
maddeler söz konusu olduğunda bu maddelerin miktarları
belirtilmelidir.
28
2.4 Hesaplamalarda kullanılan temeller
Akım şeması üzerine yazılan değerlerin hesaplanmasında kullanılan
temeller akım şeması üzerinde belirtilmelidir.
Bu temeller içerisinde;
-Yıllık işletme süresi,
-Reaksiyon verimi ve fiziksel verimler,
-Ortam sıcaklığı,
-Kullanılan varsayımlar yer almalıdır.
.
29
2.5 Kesikli prosesler
Kesikli prosesler için hazırlanan akım şemalarında gösterilen değerler
tek bir dolum (batch) için gerekli miktarlardır.
Sözü edilen kesikli proses, sürekli prosesin bir parçası ise ona ait akım
şeması sürekli akım şeması içerisinde gösterilir ve sınırları belirtilir.
Süreklide
(kg/st);
Kesiklide
(kg/dolum)
Sürekli bir polimerizasyon prosesi için gerekli katalizörün hazırlanması
kesikli bir prosesdir.
30
2.6 Yardımcı üniteler
Bir karışıklılığa neden olmaması amacıyla,
yardımcı ünitelerden gelen veya yardımcı ünitelerden giden
Akım hatları aynı akım şeması üzerinde gösterilir
ve ne oldukları belirtilir.
31
3. HESAPLAMALAR
Kütle ve enerji denkliklerinden akımların miktarları ve bileşimleri
hesaplanır ve akım şeması üzerine yazılır.
Tasarım çalışmalarında iki tür kısıtlama vardır.
I.
Dış kısıtlamalar: Tasarımcının kontrolunda değildir.
i. Müşteri talebine göre belirlenen ürün spesifikasyonları
ii. Alevlenme limiti v.b. temel güvenlik konuları
iii. Hükümet tarafından saptanan atık spesifikasyonları
II. İç Kısıtlamalar: Proses ve ekipmanların fonksiyonlarına bağlıdır.
i. Proses stokiyometrisi, dönüşüm oranı ve verim
ii. Kimyasal denge
iii. Sıvı-sıvı ve gaz-sıvı ayırma işlemlerinde faz dengesi
iv. Azeotrop karışımlar
v. Enerji denkliğinde karşılaşılan kısıtlamalar
32
vi. Ekipman tasarımında karşılaşılan kısıtlamalardır.
3.1. TEMELLER
1. Zaman: Ekipmanların temizlenmesi,
katalizörün yenilenmesi
kolon dolgu maddelerinin değiştirilmesi gibi
benzeri işler için bakım yapılır.
Çoğu kimya ve petro kimya tesisinde yıllık işletme süresi,
Bir yılın %90-95 i olup, genellikle 8000 saat kabul edilir.
33
2. Ölçek faktörü: Akım şemasındaki hesaplamaları prosesde yer
alan ekipman sırasına uyarak yapmak kolaylık sağlar.
Ham maddeden (girdi)
son ürüne
İstenilen üretim hızı girdi üzerinden değil ürün üzerinden verilir.
Bu nedenle bir temel seçilmelidir.
Örneğin, 100 kmol/st hammadde temel olarak alınabilir. Bu durumda
akımların gerçek değeri; her bir akımı, istenilen üretim hızı üzerinden
hesapalanmış ölçek faktörüyle çarparak elde edilir.
Mol/st ürün
Ölçekfaktörü=
100 kmol hammadde için elde edilen ürün miktarı (mol)
34
3.2. Akım şemasında Yer Alan Çeşitli Üniteler İçin
Yapılan Hesapalamalar
Reaktörde ve denge kademelerinde,
sabit akımların bileşimlerinin hesaplanmasında,
kütle ve enerji denkliklerinin birlikte kullanılması
için izlenen yöntemleri kapsar.
35
Örnek –1
Hidrojen gazı üretim yöntemlerinden biri; petrol rafinerilerinde reforming
ünitesinden çıkan gaz akımını shift konvertöründe su-gaz reaksiyonuna
sokarak gazlar içerisindeki CO’i hidrojene dönüştürmektir.
CO+H2O
CO2 +H2
H0298=-41197 kJ/kmol
Bu örnekte, konvertöre giren gaz akımının bileşimi ve buhar/gaz oranı
bilindiği durumda konvertörü terk eden akımın bileşiminin hesaplanması
İstenmektedir. Konvertörde, tepkime katalitik ortamda gerçekleştirilmekte
ve çıkan akımın kimyasal dengeye ulaştığı kabul edilmektedir.
Reforming ünitesinden çıkan gaz akımı içerisinde kuru gaz üzerinden
mol olarak; %8.5CO2, %11 CO, %76.5 H2 bulunmaktadır.
Konvertöre giren akımın sıcaklığı 500o K olup konvertöre giren 1 mol
CO başına 3 mol H2O buharı gönderilmektedir.
Konvertörden çıkan akımın sıcaklığını ve bileşimini hesaplayınız.
36
Çözüm:
2
1
500 K
Temel: 100 kmol/st kuru gaz (girdi)
Girdi akımındaki su buharı = 3x11 = 33 kmol;
Karbonmonoksidin dönüşüm oranı, C ise
tepkimeye giren karbonmonoksit mol sayısı,
tepkimenin stokiometrisi de
göz önüne alındığında 11C dir.
Aşağıda stokiometrik tablo ve bileşenlerin özgül ısıları verilmiştir
37
CO2
8.5
Çıkan
akım
Mol
sayısı
8.5 + 11C
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
Bileşen
Girdi
akımı,
Mol sayısı
Cpo kj/kmol K
A
b
c
d
19.80
7.34 E-2
-5.6 E-5
17.15 E-9
Konvertörden çıkan gaz akımının ideal olduğu ve termodinamik dengeye ulaştığı
varsayılmaktadır.
Ayrıca tepkimenin stokiometrisinden dolayı denge sabiti üzerine
basıncın etkisi yoktur.
38
Kp 
PCO 2 PH 2
PCO PH 2O
Kp 
( 8.5  11C )(76.5  11C )
11( 1  C )( 33  11C )
(1)
K , aynı zamanda sıcaklığa bağlı bir sabittir. Çeşitli tepkimelerin sıcaklığa bağlı olarak
p
denge sabitleri değişik kaynaklardan yararlanarak bulunabilir.
Örneğin tepkimenin serbest enerji değişimi G biliniyorsa,
G = -RTlnK bağıntısından yararlanarak hesaplanabilir.
p
Veya termodinamik kitaplarında 1/T ; logK şeklinde verilen nomogramlardan
p
yararlanarak bulunabilir.
Bu örnekte, Technical Data on Fuel, Spiers adlı kaynaktan
CO + H = CO + H O
2
2
2
tepkimesi için sıcaklığa bağlı olarak verilen K değerleri kullanılmıştır.
p
O nedenle; 1 nolu bağıntı,
(121 K – 121) C2 + (935 K + 484) C + (650 K – 363) = 0
p
p
p
şeklinde yazılabilir
39
Tepkime ekzoterm olduğu için adyabatik işletim tercih edilmiştir. Soğutma yapılmayıp,
dışarıya olan ısı kayıpları en aza indirilecektir. Konvertörden çıkan gazların sıcaklığı da
dönüşüm oranına bağlı olduğundan, konvertör çıkış sıcaklığı denge bağıntısını ve
adyabatik işletim için enerji denkliğini sağlamalıdır.
Bu amaçla aşağıda verilen çözüm algoritması uygulanabilir.
1. Dönüşüm oranı, C için bir varsayım yapılır.
2. Bu dönüşüm oranı için 1 nolu bağıntıdan K değeri hesaplanır.
p
3. K = F(T) den (termodinamik bağıntılar veya nomogramlardan) T çıkış sıcaklığı bulunur.
p
4. Adyabatik işletim için enerji denkliğinden dışarıya verilen Q ısısı hesaplanır.
5. Q=0 olup olmadığı kontrol edilir. Hesaplamalara (iterasyona) Q=0 olana dek devam
edilir.
40
Çözüm için bir bilgisayar programı yazarak basit enerji denkliğinin çözümü yapılabilir.
Veya algoritma izlenerek ve hesap makinesi kullanarak çözüme ulaşmaya çalışınız.
Sonuçlar:
Çıkan
akım
sıcaklığı
K
Çıkan akımın bileşimi, Mol
CO
CO2
H2O
H2
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
Dönüşüm
Oranı,
C
KP.102
0.88
Aktarılan Isı,
Q
Referans sıcaklık 298 K alınmıştır.
Yapılan üç iterasyondan sonra Q; T grafiği çizilerek , Q=0 için T=580 K bulunur.
41
Örnek 2:
Bu örnekte, kütle denkliği hesaplamalarında faz dengesi bağıntılarının (buhar-sıvı)
kullanılması amaçlanmıştır.
Etilenin oksihidroklorinasyonu ile dikloroctan (EDC) üretiminde reaktörü terk
eden ürün karışıma seyreltik hidroklorik asit karıştırılarak reaksiyon durdurulur.
Bu işleme QUENCH (söndürme), işlemin yapıldığı ekipmana ise QUENCH KULESİ
adı verilir. Quench kulesinden çıkan gaz akımı bir yoğuşturucuya gönderilerek burada
yoğunlaşmayan gaz akımı reaktöre devir ettirilir.
Reaktör
Quench kulesi
Yoğuşturucu
(Ürün) 42
4 bar basınç altında işletilen yoğuşturucuya giren gaz akımının
özellikleri aşağıda verilmiştir. Yoğuşturucuyu terk eden akımların
bileşimlerini hesaplayınız.
1
Gaz Girişi
EDC 6350 kg/st
Etilen 150
İnertler 6640
Su
1100
Sıcaklık 95oC
3
Geri dönen gaz
2
35 oC
Kondensat
Kısmi Yoğuşturucu
EDC akımı bazı organik safsızlıkları ve eser miktarda HCI içermektedir.
İnertler esas olarak N2 , CO, O2’dir.
43
ÇÖZÜM: Bir yoğuşturucuda çıkış akımının bileşimini hesaplamak için
çıkış sıcaklığında gaz ve sıvı akımlarının dengede olduğu varsayılır.
Saf sıvıların buhar basınçları Antonie eşitliğinden hesaplanarak
Çizelge-1 ‘de verilmişir.
Çizelge-2 ‘de yoğuşturucuyu terk eden akımdaki bileşenlerin akış
hızları verilmiştir.
Çizelge-1 Buhar Basınçları
Bileşen
35oC’de
Poi, bar
Çizelge-2 Akış Hızları
Mol
ağırlığı
Akış hızı
Kmol/st
EDC
0.16
99
64
Etilen
70.7
28
5.4 *
H2 O
0.055
18
61
32
208 *
İnert gazlar
44
*Yoğunlaşmayan ve gaz fazda kalan bileşenlerin toplam akış hızı:
5.4+208=213.4 mol/st
Yoğunlaşmayan bileşenler (etilen ve inertler) bağlantı bileşeni olarak
alınır. Gaz fazın ideal olduğu ve yoğuşmuş olan EDC ve suyun
birbirleri ile karışmadığı kabul edilir.
(Yoğunlaşmayanların kısmi basıncı)=Toplam basınç EDC’nin buhar basıncı + Suyun buhar basıncı
= 4-0.16-0.055 = 3.79 bar
EDC’nin buhar basıncı
Buhar içindeki =
(Yoğuşmayanların
EDC’nin akış
Yoğunlaşmayan kısmi basınç akış hızı
)
hızı
= (0.16/3.79)213.4=9 kmol/st
45
Benzer şekilde buhar fazdaki suyun akış hızı =( 0.055/3.79)213.4=3.1 kmol/st
Bu hesapalamaların sonucu olarak gaz akımının bileşimi aşağıdaki çizelgede
verilmiştir.
Bileşen
EDC
Kmol/st
% mol
Kg/st
9
4.0
891
Su
3.1
1.4
56
İnertler
208
92.3
6640
Etilen
5.4
2.3
150
46
Etilenin Çözünürlüğünün kontrol edilmesi:
Etilenin kısmi basıncı=(toplam basınç).(mol kesri)=4(2.3/100)=0.092 bar
EDC ve C2H4’ün ideal çözelti olduğu varsayılarak sıvı içinde çözünmüş
olan etilenin mol kesri Raoult Yasasından hesaplanabilir.
yA 
X A PAo
P

2.3 X A 70.7

100
4
X A  1.3 *10 3
Böylece sıvıdaki etilen miktarı=(kmol EDC)XA
=(64-9)1.3*10-3=0.07 kmol/s
Sonuçta gaz fazda kmol etilen=5.4-0.07=5.33 kmol/st
47
Bu değer, hesaplanan değerden biraz farklıdır ve yoğuşmuş veya çözünm
etilenin olmadığı başlangıç varsayımının geçerli olduğunu gösterir;
özetle sıvı fazdaki etilen eser miktardadır.
Kütle denkliği sonuçları.
Akım No
Bileşen
EDC
Su
Etilen
İnertler
Toplam
Sıcaklık oC
Basınç, Bar
1
Kondenser
beslemesi
Akış hızları (kg/st)
2
Kondensat
3
Geri dönen gaz
6350
5459
891
1100
1044
56
150
Eser
150
6640
6640
14,240
6503
7737
95
35
35
4
4
4
48
Örnek 3.
Bu örnekte, bileşen kütle dengesi hesaplamalarında sıvı-sıvı faz
dengesinin kullanılması açıklanmıştır. Örnek.2’de tanımlanan
kondenserden çıkan kondensat akımı, yoğuşmuş su ve dikoloretanı (EDC)
Ayırmak için bir dekantöre beslenmektedir. Dekantör çıkış akımının
bileşimini hesaplayınız.
2
1
Besleme
EDC 5459 kg/st
Su 1075 kg/st
3
49
Çözüm
Dekantörü terk eden akımların dengede olduklarını varsayılım. 20oC’de
bileşenlerin çözünürlükleri
EDC’nin su içindeki çözünürlüğü
0.86 kg/100 kg
Suyun EDC içindeki çözünürlüğü
0.16 kg/100 kg
Su fazı içinde az miktarda çözünmüş HCI asitte bulunur fakat EDC’nin
seyreltik HCI çözeltisi içindeki çözünürlüğü bilinmediği için EDC’nin
su içindeki çözünürlüğü kullanılacaktır.
EDC ve Su içindeki çözünürlükleri küçük olduğundan, denklemleri
kurarak ve çözerek bilinmeyen derişimleri hesaplamak yerine uygun
bir yaklaşım yapmak kolaylık sağlar.
50
İlk yaklaşım
Organik fazın akış hızı=Dekantöre giren EDC akış hızı
(Dekantöre giren EDC’nin tamamının organik faza geçtiği varsayılıyor)
EDC içinde çözünmüş su miktarı
= (0.16/100)*5459=8.73 kg/st
Dekantörü terk eden su miktarı
= 1075-8.73 = 1066.3 kg/st
Sıvı faz içerisinde çözünmüş EDC miktarı=(1066.3/100)*0.86=9.2 kg/st
Organik fazın akış hızı tekrar hesaplanırsa = 5459-9.2 = 5449.8 kg/st
Organik faz içerisindeki su miktarı = (5449.8/100)*0.16=8.72 kg/st
Görüldüğü gibi sonuç ilk yaklaşımdan çok farklı değildir.
51
Sonuçlar
Akım no
1
2
3
Bileşen
Dekantöre Giren akım
Organik Faz
Sulu Faz
EDC
5459
5449.8
9.2
H2O
1075
8.7
1066.3
Toplam
6534
5458.5
1075.5
52
Örnek 4
NİTRİK ASİT ÜRETİM PROSESİ
Bu örnekte çeşitli proses üniteleri içeren nitrik asit üretim prosesi için kütle ve
enerji denkliklerinin kurulması ve bilgisayar kullanılmaksızın hesap
makinesiyle yapılan çözümü açıklanmıştır.
Amaç; Susuz amonyaktan çıkarak yılda 20 000 ton %100 saflıkta nitrik asit üretmek
Ve daha sonra bu asidi %50-60 sulu çözeltisi haline getirmektir. Proses için akım
Şemasının çizilmesi isteniyor (tabi ki kütle ve enerji denkliklerinin sonuçlarını da
İçeren bir akım şeması).
Nitrik asit üretimi; esas olarak, amonyağın oksidasyonu ile oluşan gazlar
içerisindeki azot monoksidin suyla absorbe edilerek nitrik asite
dönüştürülmesinden ibarettir. Kaynaklarda, nitrik asit üretimi için üç değişik
proses önerilmektedir. Bunlar;
1. Atmosferik basınçta oksidasyon ve absorpsiyon,
2. Yüksek basınçta oksidasyon ve absorpsiyon (yaklaşık 8 atm)
3. Atmosferik basınçta oksidasyon ve yüksek basınçta absorpsiyon.
Bu çalışmada 2 nolu alternatif yani yüksek basınçta oksidasyon ve absorpsiyon’un
53
yapıldığı proses tercih edilmiştir.
Başlangıç olarak, sadece prosesde yer alan ekipmanları gösteren ve blok
diagramlara çizilmiş bir akım şeması oluşturulur.
Hava
Su
Hava
Ürün
NH3
~%60
HNO3
Buharlaştırıcı Reaktör
Atık ısı kazanı
Yoğuşturucu
Absorpsiyon
kolonu
54
4. BİLGİSAYAR DESTEKLİ AKIM ŞEMALARI
Proses tasarımında akım şemalarının hazırlanmasında yararlanılan
bilgisayar programları iki ana grupta toplanır.
1. Güçlü hesaplama olanaklarına sahip tam simulasyon programları
2. Basit kütle denkliği programları
Simulasyon programlarını kullanarak tüm prosesinin tasarımını
yapmak mümkündür.
Bir proje çalışmasının başlangıcında tam simulasyon programı
kullanmak yerine basit madde denkliği programları kullanılması
tercih edilir. Böylece çabuk ve ucuz bir şekilde elementer bir akım
şeması ortaya konulabilir.
55
5. TAM VE YATIŞKIN HAL SİMULASYON PROGRAMLARI
Çeşitli firmalar tarafından, tasarımı yapılmış proseslerin yatışkın
haldeki işletimini simule eden kompleks akım şeması programları
hazırlanmıştır.
Gelişmiş üniversitelerde proses tasarım dersleri
çerçevesinde de kullanılan bu programlardan bazıları;
GEMCS, FLOWPACK, FLOWTRAN, CONCEPT, PROCESS,
HYSIM, ASPEN, CHEMCAD dir.
Tipik bir simulasyon programının içeriği aşağıda şematik olarak
gösterilmiştir.
56
GİRDİ VERİLERİ
EKİPMAN ÖZELLİKLERİ
İÇİN ALTPROGRAMLAR
A
N
A
TERMODİNAMİK HESAPLAR
İÇİN ALT PROGRAMLAR
Ç
A
İTERATİF YÖNTEMLER
İÇİN ALT PROGRAMLAR
L
I
Ş
FİZİKSEL ÖZELLİKLER
İÇİN VERİ DOSYALARI
T
I
ÇIKTILAR
R
I
MALİYET HESAPLARI
İÇİN VERİ DOSYALARI
C
I
EXE
Tipik bir simulasyon
programının içeriği57
Tüm bu simülasyon paketlerinin içeriği şu şekilde özetlenebilir.
1. Ana çalıştırıcı programı (executive program) ‘EXE’
2. Ekipman performans altprogramlarını içeren kütüphane (MODULES)
3. Fiziksel özellikleri içeren veri bankası
4. Akımların entalpileri, buhar-sıvı denge sabitleri gibi termodinamik
özelliklerin hesaplanması için kullanılan altprogramlar.
5. Maliyet hesaplamaları için gerekli veri bankası ve altprogramlar.
58
6. KÜTLE DENKLİKLERİNİN ÇÖZÜMÜ için KOLAY PROGRAMLAR
Sadece kütle denkliği hesaplamaları için basit programlar kullanılarak
akım şemalarının hazırlanması mümkün olur .
Bu tür programlar kişisel bilgisayarlarda yapılabilir.
6.1. Basit bir kütle denkliği programının hazırlanması
Bu bölümde ‘Massball’ adlı bir kütle denkliği programının hazırlanması
açıklanmıştır ( Sinnot, RK, 1999, Chemical Eng. Design).
Proses için kütle denkliğini tanımlayan denklemler takımını
‘Fraksiyon Katsayıları’ kavramına göre oluşturmaktadır.
59
Fraksiyon Katsayıları Kavramı:
Kimyasal proseslerde yer alan ünitelerin yani temel işlemlerin yapıldığı
ekipmanların çoğunda üniteye giren akım kolon çıkışında üst ve dip
ürün olarak iki akıma ayrılır.
Örneğin bir damıtma kolonuna giren akım kolon çıkışında üst ve
dip ürün olarak ikiye ayrılır.
Bir yoğuşturucuya giren akım yoğuşturucu çıkışında sıvı ve gaz faz
olmak üzere iki akıma ayrılır.
O nedenle, Bilgi Akım diyagramında yer almış olan bir temel işlemler
ünitesinden çıkan akımdaki herhangi bir bileşenin akış hızı,
bu bileşenin üniteye giren akış hızının belirli bir kesri kadardır.
Bileşenin adı geçen üniteye giriş akış hızını bir katsayı ile çarparak
üniteden çıkıştaki akış hızını bulmak mümkündür.
60
Bu katsayıya Fraksiyon Katsayısı denir.
Kütle denkliğinin oluşturulmasında kullanılan simgelerin gösterimi
Bir önceki
Üniteden
Gelen akım
Toplam
akım
Sistem dışından
Gelen akım
i,J:
ik: .
Jik
giok:
ik
i.
Temel işlem
ünitesi
Bir sonraki üniteye (J)
Giden akım
Jik ik
giok
Ünite numaraları
i ünitesine giren k bileşeninin toplam akış hızı
: i ünitesinden çıkıp J ünitesine giden akım içerisindeki k
bileşeninin toplam akış hızına oranı. Fraksiyon katsayısı
i ünitesine sistem dışından gelen akım içerisindeki k
bileşeninin akış hızı
61
Özet olarak üniteden çıkan bileşenin akış hızı üniteye giren akış hızı
ile fraksiyon katsayısının çarpımına eşittir.
= Jik ik
Fraksiyon katsayısı, ünitenin tasarım özelliklerine ve üniteye giren
akımın özelliklerine bağlıdır.
Üç adet temel işlem ünitesi ve çeşitli devir akımları içeren bir proses
için bilgi akım diyagramı ve kütle denkliklerini oluşturmak için
kullanılan simgeler aşağıda verilmiştir.
62
13k 3k
31k 1k
1k
1
21k 1k
2k
2
32k 2k 3k
3
12k 2k
g10k
1 nolu ünite için kütle denkliği
2 Nolu ünite için kütle denkliği:
3 Nolu ünite için kütle denkliği:
g30k
11k  g 10k   12k 2k   13k 3k
2k   21k 1k
3k  g 30k   32k 2k   31k 1k
63
Denklemler düzenlenip matris formunda yazılabilir.
11k   12k 2k   13k 1k
 21k 1k   2k
 g 10k
0
  31k 1k   32k 2k  3k  g 30k
1

  21k
 
 31k
-  12k
1
-  32k
- 13k  1k   g10k 
 
  0

0
x

  2k  

    g

1
  3k   30k 
64
Örnek: İZOPROPİL ALKOL’den ASETON ÜRETİMİ
C3H7OH
(CH3)2O + H2
İzopropil alkol buharlaştırıldıktan sonra reaktöre gönderilmekte ve
katalitik dehidrojenasyon sonucu aseton oluşmaktadır. Reaktörden
çıkan gaz akımı (aseton, su ,hidrojen, izopropil alkol) bir yoğuşturucuya
gönderilerek akım içerisindeki asetonun çoğu, su ve izopropil alkol
yoğunlaştırılır. Yoğuşturucuyu terk eden gaz akımı içerisinde az miktarda
aseton ve izopropil alkol bulunduğundan bu akım bir absorbsiyon
kolonunda su ile yıkanmakta ve aseton ve alkol absorbe edilmektedir.
Yıkayıcının (absorbsiyon kolonu) altından alınan akım ve yoğruşturucudan
alınan sıvı akım (kondensat) birleştirilerek saf aseton elde etmek amacıyla
destilasyon kolonuna gönderilir. Destilasyon kolonunun üstünden saf
aseton alınır. Bu kolonun altından ise su ve izopropil alkol içeren akım
alınarak ikinci bir destilasyon kolonuna gönderilir. 2 nolu distilasyon
kolonunun üst akımı %91 alkol içeren azeotrop su-alkol karışımıdır.
65
Bu akım reaktöre devir ettirilir.
Reaktörde ZnO-Cu katalizör kullanılmakta, tepkime 400-500oC
sıcaklık ve 4.5 bar basınç altında yapılmaktadır. Prosesde
aseton verimi %98’dir. İzopropil alkolun reaktörden her geçiş
dönüşüm oranı %85-90 civarındadır.
1. Proses akım şemasını çiziniz.
2. Bilgi akım şemasını çiziniz.
3. Bileşenler için kütle denkliklerini kurarak matris formunda yazınız.
4. Prosesde mevcut bileşenler için ayrık fraksiyon katsayılarını
belirleyiniz ve her bir bileşen için matris formundaki kütle
denkliklerini tekrar yazınız.
66
Aseton+IPA
Aseton+IPA
+su
Sıyırıcı
Aseton+IPA
+su
Aseton
Su+IPA
Azetrop
su+IPA
Proses Akım Diyagramı
67
Çözüm:
Prosesin blok diyagramlarla çizilen bir akım şeması ve bilgi akım
diyagramı Şekil-5’te görülebilir. Bu proses için kütle denkliklerinin
kurulmasında kullanılan simgeler ise aşağıdaki şekilde verilmiştir.
1k
1
21k 1k
2k
32k 2k
2
54k 4k
43k 3k
3k 3
4k
4
5k
5
g30k
g20k
g10k
42k 2k
15k 5k
68
1 Nolu ünite için kütle denkliği:
2 Nolu ünite için kütle denkliği:
3 Nolu ünite için kütle denkliği:
4 Nolu ünite için kütle denkliği:
5 Nolu ünite için kütle denkliği:
1k  g10 k  15 k 5 k
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
2 k  g20 k   21k 1k
3k  g30 k  32 k 2 k
4 k  42 k 2k  43k 3k
5k  54 k 4 k
Denklemler düzenlenerek matris formda yazılırsa;
1k  15k 5k  g10k
2k  21k 1k  g20k
3k  32k 2k  g30k
4k  43k 3k  42k 2k  0
5k  54k 4k  0
69
 1
 
 21k
 0

 0
 0
0
0
0
1
  32 k
0
1
0
0
  42 k
  43 k
1
0
0
  54 k
  15 k   1k   g10 k 
0  2 k   g 20 k 
0   3 k    g 30 k 
   

0  4 k   0 
1  5 k   0 
Fraksiyon katsayılarının 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 = Yıkayıcı 4 = Birinci distilasyon kolonu,
5 = İkinci distilasyon kolonu
70
Tasarımcı, fraksiyon katsayılarını belirlemeden önce yapmış olduğu
proje çalışmasına özgün olarak bazı proses ve ekipman
spesifikasyonlarını belirlemelidir. Bu değerler, tasarımcının istediği
sonuçlara ulaşabilmesi için defalarca değiştirebileceği değerlerdir.
Diğer adıyla tasarım değişkenleridir.
Örneğin, izopropil alkolden aseton üretim prosesinde tasarım
değişkenleri için başlangıç değerleri olarak aşağıdaki veriler
göz önüne alınmıştır.
1. Reaktörden her geçişte izopropil alkol dönüşüm oranı %90’dır.
2. Yoğuşturucuda izopropil alkolün %90’ı yoğuşmaktadır.
3. Yıkayıcıda izopropil alkolün %99’u absorplanarak sıvı faza
geçmektedir.
71
4. Üretilen aseton içerisinde safsızlık olarak en fazla %1 oranında
izopropil alkol bulunmasına izin verilmektedir.
5. Yoğuşturucuya giren akımdaki asetonun en az %80’inin
yoğunlaşması istenmektedir.
6. Yıkayıcıda asetonun %99’u absorplanmalıdır.
7. Suyun yoğuşturucuda %95’i yoğuşmaktadır.
8. Yıkayıcıya giren suyun en fazla %1’i gaz faza sürüklenmektedir.
9. I.Distilasyon kolonunda asetonun %99’u üst ürün olarak alınsın
Bu sapmalara ilave olarak :
Reaktöre giren akımda bulunan aseton, su ve hidrojenin tepkimeye
girmeden reaktörü terk ettiği; Hidrojenin, yoğuşturucuda yoğuşmadığı,
yıkayıcıda absorplanmadığı ve dolayısıyla sürekli gaz fazda olduğu,
distilasyon kolonuna gitme olasılığı olsa bile kolonun tepe ürününe
geçeceği; İkinci distilasyon kolonunu terk eden ve reaktöre devir
ettirilen akımın %91’lik alkol-su azeotrop karışımı olduğu tarafımızdan
bilinen olgulardır.
72
Fraksiyon Katsayılar;
α
α
α
α
211
=0,1
α
=1

=1
α
=1
α
212
213
214
=0,9
α
=0,8
α
=0
α323=1
α433=0
α
=0,95
α
α
α
421
422
423
424
321
322
=0,1
α
=0,2
α
324
=0.05
431
=0,99
432
=0,99
434
=0.99
α
541
α
α
=0,99
542
151
=0,01
α
=0,0
α
=0,99
α
543
544
=0,91
152
=0,01
153
=1
154
=0,05
Hesaplamalarda temel olarak:
Girdi = 100 kmol/st izopropil alkol alınırsa
g101 = 100
Reaktörde aseton verimi %98 olduğu için
g202 = 98
Reaktörde hidrojen verimi de %98’dir.
g203 = 98
73
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
0,0
0.0
-0,99
15k
-0,91
0,0
0,0
-0,05
g101
g202
g203
g304
100
98
98
*
Mol
Fraksiyon katsayıları ve prosese
dışardan verilen akımların
sayısal değerleri Çizelgede
toplu olarak verilmiştir.
•Absorbsiyon kolonuna
dışardan gönderilen su
miktarı kolon tasarımına
bağlıdır. O nedenle kolona
gönderilen
su miktarı (kmol/st) =
g304=200 mol
74
7. Borulandırma ve Enstrumantasyon
(P&I: Piping and Instrumentation)
• 7.1. Giriş
• Proses akım–şemaları (flow–sheet), ekipmanların ve onların
büyük ara bağlantı parçalarının düzenlenmesini gösterir ve
proses doğasının bir tanımıdır.
75
• Borulandırma ve enstruman diyagramları (P&I
diagram: Piping and Instrument) ise, ekipmanların,
cihazların, borulandırmanın, vanaların, bağlantıların
ve onların düzenlenmesinin mühendislik detaylarını
gösterir ve sıkça mühendislik akım şemaları veya
mühendislik çizgi diyagramları olarak adlandırılır.
76
P&I Diyagramları, proses ekipmanlarını, borulandırmayı,
pompaları, enstrumanları, vanaları ve diğer bağlantıların
düzenlenmesini gösterir ve şunları içermesi gerekir:
1. Prosesin tüm ekipmanlarına bir ekipman numarası verilir.
Ekipmanın orantılı olarak düzgün bir şekilde çizilmesi gerekir.
2. Boruların tümüne ayrı bir hat numarası verilir. Boru ölçüleri ve
yapı malzemesinin gösterilmesi gerekir. Malzeme hat tanıtım
numarasını kısmi olarak içerebilir.
3. Tüm vanalara ayrı bir tanıtım numarası verilir. Tipi ve büyüklüğünün
gösterilmesi gerekir. Vana tipi, vana için kullanılan bir sembol veya
içerdiği vana numarası için kullanılan kod ile gösterilebilir.
77
4. Gözetleme camı, süzgeç ve buhar tuzakları gibi
borulandırma sisteminin iç hat parçaları olan yardımcı
bağlantılara ayrı bir tanıtım numarası verilir.
5. Pompalara uygun bir kod numarası verilir.
6. Tüm kontrol devrelerine ve enstrumanlarına ayrı bir
numara verilir.
P&ID prosesin akım şemasını andırır, fakat proses bilgileri gösterilmez.
Her iki diyagramda da aynı ekipman için aynı tanıtım numaralarının
kullanılması gerekir.
78
7.2. Semboller ve yerleşim (Symbols and layout)
• Ekipmanları, vanaları, enstrumanları ve kontrol devrelerini
göstermek için kullanılan semboller belirli bir tasarım
ofisinin deneyimine bağlıdır. Ekipman sembolleri
genellikle proses akım şemalarında kullanılanlardan daha
ayrıntılıdır .
• . Enstrumanlar, kontrol ediciler ve vanalar için standart
semboller İngiliz standartlarında (BS 1646) verilmiştir.
Austin (1979) İngiliz ve ayrıca Amerikan standart
sembollerinin (ANSI) anlaşılabilir bir özetini ve onların
bazı müteahhitlik firmaları tarafından kullanılan
örneklerini vermiştir.
79
7.3. Basit semboller
(BS 1646’dan alınmıştır).
• Kontrol vanası
Bu sembol tüm kontrol vana tiplerini; pnömatik ve elektrik motor
sürücülü vanaların her ikisini de ifade etmek için kullanılır.
Arıza modu
Açma arızası
Kapatma arızası
Olağan pozisyon
Ok yönü güç uygulayıcı arızasının vana üzerindeki konumunu gösterir.
80
Enstrumanlar ve kontrol ediciler
Yerel olarak konumlanmış
Yerel konumlanmış ifadesi,
kontrol edici ve yönlendiricinin
tesiste bulunan algılama cihazının
yerinin yerleştirilmesi anlamına gelir.
Ana panele konumlanmış
Ana panel ifadesi ise, kontrol
odasındaki bir panel üzerine
yerleştirilmesi anlamına gelir.
81
Enstruman tipi
•
Bununla bir yazısal kod ile kontrol edici cihazın bir devreyi ifade
etmesi gösterilir Örneğin, F = Akış hızı. Sonraki harfler ise fonksiyonu gösterir.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Ölç.
Özll.
İlk harf
Gösterg
e
(I)
Kayıt
(R)
Gös.
Topl.
(IS)
Kay.
Topl.
(RS)
Kontrol
(C)
Gös.
Kon.
(IC)
Kay.Ko
n.
(RC)
Gö.Ko.T
o
(ICS)
Ka.Ko.T
o
(RCS)
Akış hızı
F
FI
FR
FIS
FRS
FC
FIC
FRC
FICS
FRCS
Seviye
L
LI
LR
LC
LIC
LRC
Boyutlar
U
UI
UR
UC
UIC
URC
Basınç
P
PI
PR
PC
PIC
PRC
Kalite
Q
QI
QR
QC
QIC
QRC
Işınım
R
RI
RR
RIS
RRS
RC
RIC
RRC
RICS
RRCS
Hız
S
SI
SR
SIS
SRS
SC
SIC
SRC
SICS
SRCS
Sıcaklık
T
TI
TR
TC
TIC
TRC
Ağırlık
W
WI
WR
WC
WIC
WRC
Diğer
özll
X
XI
XR
XC
XIC
XRC
Farklı
özl
D
DI
DR
DC
DIC
DRC
Örneğin,
I = Belirtme
RC = kaydedici
kontrol edici
Tablo 7.1BS 1646 temelinde
yazısal kodlar (1979)
82
Tanıtıcı Yazıların Anlamları
İlk harf (X)
A
Analiz
B
Fırın alevi
C
İletkenlik
D
E
F
H
I
J
K
L
M
O
P
Q
R
S
T
V
W
Y
Z
Yoğunluk veya spesifik gravite
Voltaj
Akış hızı
El (Elle başlama)
Akım
Güç
Zaman veya zaman şedülü
Seviye
Nem veya nemlilik
Basınç veya vakum
Miktar veya olay
Radyoaktivite veya oran
Sürat veya frekans
Sıcaklık
Viskozite
Ağırlık
Pozisyon
XYY
İkinci veya üçüncü harf (Y)
Alarm
.
Kontrol
Eleman
Yüksek
Gösterge
Kontrol hali
Hafif veya düşük
Orta veya ara
Orifis
Nokta
Kayıt veya Yazma
Anahtar
Transmitter
Vana, durdurucu
Memba
Gecikme veya hesaplama
Sürücü
83
Hatlar
Enstruman bağlantı hatlarını ana proses hatlarından ayırt etmek
için farklı bir şekilde çizilmesi gerekir.
Nokta veya çizgi nokta normal olarak kullanılır.
FRC
Tipik bir kontrol devresi
1. Kapatma vanası
2. Kontrol vanası
84
Tablo 7.2 ’de verilen veriler tesis bilgileri dışındaki tüm mekaniksel
konuları içerir. Alışılmış olarak P&ID çiziminde kullanılanlar Tablo
7.3’de verilmiştir.
Tablo 7.2 Borulandırma ve Enstrumantasyon Diyagramı (P&ID) dışında kalanlar
İşletme koşulları, T, P
Akım akışları
Cihaz yerleşimleri
Boru yolları
a.Boru boyu
b.Boru bağlantıları
Destekler, yapılar, kurumlar
85
Tablo 7.3 Borulandırma ve Enstrumantasyon Diyagramlarının oluşturulması
Cihazlar için, içerdiği her parçanın gösterimi
Yedek birimler
Paralel birimler
Her birimin detay özetleri
Borulandırma için, içerdiği tüm hatların akış yönü, örnek bağlantılar ve özellikler
Büyüklük (kullanılan standart ölçü)
Şedül (kalınlık)
Yapı malzemesi
Yalıtım (kalınlık ve tip)
Cihazlar için, tanıtım
Göstergeler
Kaydediciler
Kontrol ediciler
Cihaz hatları gösterimi
86
Tesiste ölçülebilen tüm proses bilgileri, P&ID üzerinde bir daire işareti ile
gösterilir. Bu işaret, proses kontrol devrelerinde kullanılan ve kaydedilen
bilgileri içerir. Diyagram üzerindeki daireler proseste elde edilen bilgilerin
bulunduğu yeri ve alınan ölçümlerin tanıtımını ve nasıl bir bilgi temin
ettiğini gösterir. Tablo 7.4 ’de, enstrumantasyon ve kontrol ile ilgili
kullanılan tanıtıcı bilgiler özetlenmiştir.
Tablo 7.4. Borulandırma ve Enstrumantasyon Diyagramı (P&ID) ’nın tanıtımı
Cihazların Yerleşimi
Tesise yerleştirilen cihaz
Kontrol odasındaki panelin önüne yerleştirilen cihaz
Kontrol odasındaki panelin arkasına yerleştirilen cihaz
87
Cihaz Bağlantılarının Tanıtımı
Kapiler
Havalı (Pünomatik)
Elektriksel
Hemen hemen bütün kimyasal proses kontrol devrelerinde
Son kontrol elemanı vanadır.
88
7.4 Kontrol ve Enstrumantasyon (Alet Kullanımı)
• 7.4.1.Cihazlar
Cihazlar, tesis işletimi boyunca anahtar proses değişkenlerini izlemeyi
sağlar. Onlar, otomatik kontrol devrelerinde kurulabilir veya proses
işlemlerinin manuel izlenmesinde kullanılabilir.
Ayrıca, otomatik bilgisayarlı kontrol veri toplama sisteminin bir parçası
olabilir. Kritik proses değişkenlerini izleyen cihazlara, kritik ve
tehlikeli durumlarda operatöre haber vermek üzere bir alarm
bağlanacaktır.
Tercihan doğrudan ölçülmüş proses değişkenleri izlenir. Kolay
ölçülen bazı bağımsız değişkenleri ölçmek pratik olmadığından
yerinde izlenir.
89
7.4.2 Cihaz kullanımı ve Kontrol Amaçları
Enstrumantasyon ve kontrol şemasını saptarken , tasarımcının
birincil konusu:
Güvenli tesis işletimi:
-Proses değişkenlerini bilinen güvenli işletim sınırları içinde tutmak
-Oluşan tehlikeli durumları tespit etmek, alarm ve otomatik
kapatma sistemleri sağlamak.
-Tehlikeli işletim yöntemlerini önlemek için bağlantı ve
alarmlar kurmak
Üretim:
- Tasarım ürün çıktısını başarmak
90
Ürün kalitesi:
- Belirli kalite standardı içinde ürün bileşimini sağlamak
Maliyet:
- Diğer konulara eşit en düşük ürün maliyetinde işletmek
Bunlar ayrılmaz konular olup, birlikte düşünülmelidir
Ürün kalitesi, üretim hızı ve üretim maliyeti satış gereksinimlerine
bağımlıdır. Örneğin, yüksek maliyetle daha iyi kalitede ürün üretmek
en iyi strateji olabilir.
Tipik bir kimyasal proses tesisinde bu konular,
otomatik kontrol, manuel izleme ve laboratuar analizleri
ile başarılır.
91
7.4.3. Otomatik kontrol şemaları
• Büyük bir proje için, ayrıntılı tasarım ve otomatik kontrol
şemalarının spesifikasyonları özel kişiler tarafından yapılır.
Burada bir proses için, kontrol sistemlerinin belirlenmesinde
proses akım şemalarından geliştirilen, enstrumantasyon
ve kontrolün ilkel şemasının hazırlanmasıdır.
Bunlar ilkel enstrumantasyonun hazırlanmasında ve kontrol
şemalarında bir rehber olarak kullanılabilir.
92
Rehber kurallar
Aşağıdaki yöntem ilkel P&I Diyagramlarının çizilmesinde
kullanılır:
1. Yatışkın tesis işletimi için açıkça ihtiyaç duyulan kontrol
devrelerinin tanıtımı ve çizimi
(a) Seviye kontrolu
(b) Akış kontrolu
(c) Basınç kontrolu
(d) Sıcaklık kontrolu
93
2. Belli bir ürün kalitesinin elde edilmesinde kontroluna ihtiyaç duyulan anahtar
proses değişkenlerinin tanıtımı. Kontrol değişkeninin doğrudan ölçümü kullanılarak
kontrol devrelerini içeriği. Uygun bağımlı değişken seçimi.
3. Güvenli işletim için ilave kontrol devrelerinin içeriği ve tanıtımı, 1 ve 2.
Basamağı hemen hemen kapsamaz.
4. Tesis geliştirme ve aksaklıklar için operatörler tarafından tesis işletiminin
görüntülenmesinde ihtiyaç duyulan yardımcı cihazlarına karar verme ve gösterme.
5. Örnek noktalarının yerine karar verme.
6. Yerel veya kontrol odasındaki kaydediciler ve okuma noktalarının yer ihtiyacına
karar verme. Bu basamak 1 ve 4 arasında yapılır.
7. İhtiyaç duyulan bağlantılar ve alarma karar verme. Bu, basamak 3 ’te yapılır.
94
7.4.4. Tipik kontrol sistemleri
İki faz arasında (sıvı-buhar)
arayüzeyde mevcut herhangi bir
cihazla, gereken seviyede ortalama
arayüzey sağlanmalıdır.
- Seviye kontrolu
LC
Şekil’de bir kolonun tabanındaki
seviye kontrolu için tipik bir
düzenleme gösterilmiştir.
Pompa boşaltma hattı üzerinde bir
kontrol vanasının yer alması gerekir.
Şekil 7.4.1 Seviye kontrolu
95
Basınç kontrolu
Basınç kontorlu, buhar veya gaz kullanılan pek
çok sistem için gereklidir. Kontrol metodu,
prosesin doğasına bağımlıdır.
PC
Şekil 7.4.2.a. Doğrudan boşaltma ile basınç kontrolu
PC
Şekil 7.4.2.b. Yoğuşturucudan sonra yoğuşmayanların boşaltılması96
Akış Kontrolu
Akış kontrolu sağlamak için sabit hızda
çalışan ve yaklaşık sabit hacimde çıkış
basan bir kompresör veya pompa
bir yan geçiş (by-pass) kontrol
kullanılmalıdır.
FC
Şekil 7.4.3a. Emme-basma pompa için akış kontrolu
FC
FC
Şekil 7.4.b. Bir santrifüj compresör veya pompa için alternatif şema
97
Isı değiştiriciler
soğutma veya ısıtma ortamı akışının değişimi
ile sıcaklık kontrolu konusundaki en basit
düzenlemeyi gösterir.
Proses
TC
Şekil 7.5a. Bir akışkan akımının kontrolu
Eğer, alışveriş iki sabit akışlı proses
akımı arasında ise, by-pass kontrol
kullanılır.
Proses
TC
Şekil 7.5b. By-pass kontrol
98
Kaynatıcı ve buharlaştırıcı kontrolu
Buharlaştırıcılar için sıklıkla seviye kontrolu kullanılır.
Şekilde görüldüğü gibi akış kontrolu üzerindeki buharlaştırıcıya beslenen sıvı
akış hızı ve kontrol edici ısıtma yüzeyine gönderilen buharın
miktarını ayarlayarak seviye kontrol edilmektedir
FC
LC
Buhar
Besleme
Tuzak
Şekil 7.6 Buharlaştırıcı Kontrol
99
Damıtma Kolonu Kontrolu
Damıtma kolonu kontrolunun temel konusu, üst ve alt ürünün belirli bir bileşimini
ve yan akımlarda bozulanların etkisini düzelterek temin etmektir.
FC
TC
Besleme
TC
Buhar
Şekil 7.7a. Sıcaklık deseni kontrolu.
Bu düzenleme ile tepe ve dip sıcaklık kontrol edicileri arasında iç etkileşim100
olur
FC
FC
Oran
FC
LC
Oran
FC
Şekil 7.7.b. Bileşim kontrolu.
(Geri akma oranı bir oran kontrol edici veya bir bölücü kutu ile,
ve dip ürün besleme sabit bir akış oranı olarak kontrol edilmiştir)
101
Diferansiyel basınç kontrolu, düzenli yüklemede dolgulu işletimi temin etmek için
dolgulu yataklarda sıkça kullanılır (Bkz. Şekil 7.7.c). Kolon performansını ve
aksaklıkları izlemek için, ilave sıcaklık göstergesi veya kayıt noktaları içermesi gerekir.
ΔP
TC
ΔP
Şekil 7.7.c. Dolgulu kolon diferansiyel basınç kontrolu .
102
Reaktör Kontrolu
Reaktör kontrolunda kullanılan şema, prosese ve reaktörün
tipine bağımlıdır.
Eğer, güvenilir on-line analiz edici bulunuyor ve reaktör dinamiği
uygunsa, ürün bileşimi sürekli izlenebilir ve reaktör koşulları
ve besleme akışı istenen ürün bileşimi ve verimini sağlamak
için otomatik olarak kontrol edilir.
103
Reaktör sıcaklığı T
Soğutma akışkanı akış hızı
ayarlanarak kontrol edilir
FC
TC
FC
FC
Besleme
LC
Seviye kontrol
Soğutucu
akışkan
Basınç genellikle sabit tutulur
Şekil 7.8 Tipik bir geri karıştırmalı tank reaktörü kontrol şeması
104
5.9. Alarm ve güvenlik tuzakları, ve bağlantılar
Alarmlar, operatörlere ciddi potansiyel tehlikeleri ve proses koşullarındaki
sapmaları haber vermek için kullanılır.
Anahtar cihazlar, kontrol panelleri üzerindeki işitsel ve görsel alarmları
çalıştırma da düğmelere ve aktarıcılara bağlanır. Gecikme veya yanıtım
kaybı olduğu yerde operatörler ile tehlikeli durumun gelişmesinde
rehberlik eder.
Cihaz otomatik olarak tehlikeyi önlemek için, pompaların durdurulması,
vanaların kapatılması gibi güvenlik sistemini işletmek üzere bir yanıltma
sistemine bağlanır.
105
Bir otomatik önleme sisteminin temel bileşenleri şunlardır:
1.
Kontrol değişkenini izlemek için bir algılayıcı bulunan ve önset değeri
geçildiğinde bir çıktı sinyali sağlanması
2. Sinyali sürücüye iletmek için bir hat, genellikle, pünomatik veya elektriksel
aktarıcı içermesi
3. Gerekli eylemi gerçekleştrimek için bir sürücü, vanayı açmak veya kapamak,
motorun düğmesini kapatmak
106
Güvenli bir aktarıcı bir kontrol devresine Şekil 7.9a ’da gösterildiği gibi
yerleştirilebilir. Bu sistemde, yüksek sıcaklık alarmı pünomatik sürücü
üzerindeki havayı bırakarak bir selenoid vanayı çalıştırır ve yüksek sıcaklıkta
vana kapanır.
H
TA
TIC
Şekil 7.9a. Kontrol sisteminin bir parçası olarak aktarıcı
107
Sonuçta, güvenli sistem işletimi, kontrol cihazının güvenilirliğine bağımlıdır ve
potansiyel tehlikeli durumlar için Şekil 7.9.b ’de gösterildiği gibi belli bir
ayırma akatarıcı sistem daha pratiktir. İhtiyaç duyulan sistem işletimlerini
temin etmek üzere aktarıcı sistemin periyodik kontrolu için hazırlık yapılmalıdır.
H
TA
TIC
TA
H
Hava
Şekil 7.9.b. Durdurma aktarıcısının ayrılması
108