1

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.

2

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.

3

Girdi-Çıktı DiyagramıTemel reaksiyon stokiyometrisi

Genel Blok DiyagramıProsesin başlangıç koşulları

Blok Akım Diyagramı (BFD)Başlangıca göreMadde dengesi

Proses Akım Diyagramı (PFD)Madde ve enerji DengeleriMekanik ve Ekipman bilgileri

Borulandırma ve Enstrümantasyon (P&ID)

Mekanik ve Enstrümantasyon bilgileri

Şekil 1 Bir kimyasal prosesin akım diyagramının oluşumu

4

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.

5

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.

BFDBAPD BATD

2.2. Blok Akım Diyagramları

6

Blok Akım Proses Diyagramları (BAPD)

Toluen(10.000 kgh)

Hidrojen

820 kgh)

Reaktor Gaz AyırıcısıGaz Karışımı(2,610 kgh)

Dönüşüm% 75 Toluen Sıvı karışımı

Benzen(8.210 kgh)

Toluen

Reaksiyon: C7H8 + H2 = C6H6 + CH4

Şekil 2

Dis.Kol.

7

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.

Bir Blok Akım Proses Diyagramı Oluşturulurken;

8

Blok Akım Tesis Diyagramı

Şekil 3

9

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.

10

Bir PFD temel bilgileri sağlayacak şekilde 3 katagoride verilir.

1. Proses topolojisi2. Akım Bilgileri3. 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.

11

Şekil 4. Toluenin hidro alkilasyonu ile benzen üretimi için Proses AkımDiyagramı (PFD)

12

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.

XX: Ekipman sınıflanması için tanımlanmış bilgilerC: Kompresör veya TürbinE: Isı DeğiştiricisiH: Ateşli ısıtıcıP: PompaR: ReaktörT: KuleTK: Depolama TankıV: KapY: Tesisin tasarlanmış alanıZZ: Her bir ekipman sınıfının tasarım numarası A/B: PFD’de yer almayan parelel üniteleri gösterir.

Tablo 1 Proses Ekipmanların tanımı için kullanılan harfler

13

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.

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 dönenwr: Nehir suyu: 35oC daha az olup 25oC sıcaklıktaki nehirden gelenrw: Soğutulmuş su: 15oC daha az olup 5oC sıcaklıktaki soğutulmuş surb: Soğutulmuş tuzlu su: 0 oC daha az olup -45oC sıcaklıkta dönencs: Kimyasal atık su ss: Sıhhi atık su el: Elektrikli ısıtıcı (220, 440, 660V)ng: Dogal gazfg: Yakıt gazıfo: Fuel oil

Tablo 2. Yardımcı akım simgeleri

14

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.

15Şekil 5. Proses Akımdiyagramı oluşumu için Semboller

Sinnott, 1999, EK-A’da

Ayrıntılı olarak verilmiştir.

16

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.

17

AN 500

Su 2500

Toplam 3000

Depodan

Kat. 5

Su 100

Toplam 105 Katalizör

Hazırlama

unitesinden

RI

Su 5000

Toplam 5000

CW

BuharDM su

Kurutucuya

15oC40 oC

60 oC 15 oC

60 oC

60 oC

AN 50

Su 2600

Polimer 450

Tuzlar 5

Toplam 7362

Su 5

AN 45Polimer 2Tuzlar 5Toplam 7362

AN 5

Su 300

Polimer 448

Tuzlar eser

Toplam 753

Teçhizat anahtarı

RI Polimer reaktörü

HI Su ısıtıcısı

FI Vakum filtresi

Şekil 6 . Akım Diyagramı: Polimer üretimi(Sinnot, 1999)

18

Zorunlu Bilgiler Akım noSıcaklık (oC)Basınç (bar)Buhar KesriToplam Kütlesel Akış Hızı (kg/h)Toplam Molar Akış Hızı (kmol/h)Herbir Bileşenin Akış Hızı (kmol/h) İsteğimize göre BilgilerBileşen mol kesriBileşen kütle kesriHerbir bileşenin akış hızı (kg/h)Hacimsel akış hızları (m3/h)Önemli fiziksel özellikler - Yoğunluk -Viskozite -DiğerleriTermodinamik Veriler-       Isı kapasitesi,   Akımların entalpileri,    K-değerlerAkım ismi

Tablo 3 Bir akım diyagramında gerekli bilgiler

19

Tablo 4 Benzen üretim prosesi için (Tablo 3’e göre) Akımların özeti

20

21

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 15 nolu akım: 8.21 1 nolu akım: 10.00 16 nolu akım: 2.61

Toplam : 10.82x103 kg/h Toplam : 10.82x103 kg/h Girdiler = Çıktılar olduğundan madde dengesi sağlanmıştır.

22

23

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 akım) =108.03kmol/h

= 108.03/144.04 = 0.75 

24

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

25

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.

26

Ekipman Tipi

Turton, Tanklar bölümüne bakınızReaktörler

Yükseklik,Çap,Basınç,Sıcaklık,Yapı malzemesiPompalar

Isı Değiştiriciler

Boyut, Basınç,Sıcaklık,Kademe tipi ve sayısı,Dolgu tipi ve yüksekliği, Yapı malzemesi

Kuleler

Tanklar

Proces: Alan,her iki akım için Sıcaklık ve basınçKabuk ve tüp geçişli no

Yapı materyali: Tüpler ve Kabuk

Tipi: Gaz-Gaz,Gaz-Sıvı,Sıvı-Sıvı,Yoğunlaştırıcı,Buharlaştırıcı

Tipi,Tüp basıncı ve sıcaklığı,Yakıt,Yapı malzemesiDiğerleri

Kritik bilgiler verilir

Akım,Çıkış basıncı,Sıcaklık,DP,Şaft gücü,yapı malzemesiKompresörler

Gerçek giriş akış hızı,Sıcaklık,Basınç,Şaft gücü, yapı malzemesiIsıtıcılar

Tablo 5. PFD için Ekipman Tanımları

27

Tablo 6. Toluen Hidroalkilasyon PFD için Ekipman Özeti

Isı Değiştiriciler E-101 E-102 E-103 E-104 E-105 E-106Tipi FI.H. FI.H. MDP FI.H. MDP FI.H.

Alan(m2) 36 763 11 35 12 80İş(MJ/h) 15190 46660 1055 8335 1085 9045Kabuk

Sıcaklık(oC) 225 654 160 112 112 185Basınç(bar) 26 24 6 3 3 11

Faz Buhar Kısmı Yoğ. Yoğ. Yoğ. 1 BuharMOC 316SS 316SS CS CS CS CSTüp

Sıcaklık(oC) 258 40 90 40 40 147Basınç(bar) 42 3 3 3 3 3

Faz Yoğ. 1 1 1 1 BuharMOC 316SS 316SS CS CS CS CS

(Turton p.21-22)

Değişik ekipman parametrelerinin nasıl tahmin edeceğimizi ve seçeceğimizi ileriki bölümlerde göreceğiz.

28

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.

29

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.

.

30

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.

31

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.

32

3. HESAPLAMALAR

Kütle ve enerji denkliklerinden akımların miktarları ve bileşimlerihesaplanır 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 vi. Ekipman tasarımında karşılaşılan kısıtlamalardır.

33

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.

34

2. Ölçek faktörü: Akım şemasındaki hesaplamaları prosesde yer alan ekipman sırasına uyarak yapmak kolaylık sağlar. Ham maddeden (girdi) son ürüneİstenilen 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.

Ölçekfaktörü=Mol/st ürün

100 kmol hammadde için elde edilen ürün miktarı (mol)

35

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.

36

Örnek –1Hidrojen gazı üretim yöntemlerinden biri; petrol rafinerilerinde reforming ünitesinden çıkan gaz akımını shift konvertöründe su-gaz reaksiyonunasokarak 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.

37

Çözüm:

500 K

2

1

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

38

Bileşen Girdi akımı,Mol sayısı

Çıkan akımMol sayısı

Cpo kj/kmol K  A b c d

CO28.5 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 çıkan gaz akımının ideal olduğu ve termodinamik dengeye ulaştığı

varsayılmaktadır.

Ayrıca tepkimenin stokiometrisinden dolayı denge sabiti üzerine

basıncın etkisi yoktur.

39

2

22

HCO

HCOp PP

PPK )1(

)C1133)(C1(11)C115.76)(C115.8(K p

Kp

, aynı zamanda sıcaklığa bağlı bir sabittir. Çeşitli tepkimelerin sıcaklığa bağlı olarak

denge sabitleri değişik kaynaklardan yararlanarak bulunabilir.

Örneğin tepkimenin serbest enerji değişimi G biliniyorsa,

G = -RTlnKp

bağıntısından yararlanarak hesaplanabilir.

Veya termodinamik kitaplarında 1/T ; logKp

şeklinde verilen nomogramlardan

yararlanarak bulunabilir.

Bu örnekte, Technical Data on Fuel, Spiers adlı kaynaktan

CO2

+ H2

= CO + H2O

tepkimesi için sıcaklığa bağlı olarak verilen Kp

değerleri kullanılmıştır.

O nedenle; 1 nolu bağıntı,

(121 Kp

– 121) C2 + (935 Kp

+ 484) C + (650 Kp

– 363) = 0

şeklinde yazılabilir

O

40

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 Kp

değeri hesaplanır.

3. Kp= F(T) den (termodinamik bağıntılar veya nomogramlardan) T çıkış sıcaklığı bulunur.

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.

41

Çözüm için bir bilgisayar programı yazarak basit enerji denkliğinin çözümü yapılabilir.

Veya algoritma izlenerek ve hesap makinesi kullanarak çözüme ulaşmaya çalışınız.

Dönü-şüm Oranı,C

KP.102 Çıkan akım sıcaklığı K

Çıkan akımın bileşimi, Mol Aktarı-lan Isı, Q

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

Sonuçlar:

Referans sıcaklık 298 K alınmıştır.

Yapılan üç iterasyondan sonra Q; T grafiği çizilerek , Q=0 için T=580 K bulunur.

42

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 kulesiYoğuşturucu (Ürün)

43

4 bar basınç altında işletilen yoğuşturucuya giren gaz akımının özellikleri aşağıda verilmiştir. Yoğuşturucuyu terk eden akımların bileşimlerini hesaplayınız.

1

2

3Gaz GirişiEDC 6350 kg/stEtilen 150İnertler 6640Su 1100Sıcaklık 95oC

Geri dönen gaz

35 oCKondensat

Kısmi Yoğuşturucu

EDC akımı bazı organik safsızlıkları ve eser miktarda HCI içermektedir. İnertler esas olarak N2 , CO, O2’dir.

44

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 Çizelge-2 Akış Hızları

Bileşen 

35oC’dePo

i, bar

  Molağırlığı

Akış hızıKmol/st

EDC 0.16   99 64

Etilen 70.7   28 5.4 *

H2O 0.055   18 61

İnert gazlar     32 208 *

45

*Yoğunlaşmayan ve gaz fazda kalan bileşenlerin toplam akış hızı: 5.4+208=213.4 mol/stYoğunlaşmayan 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 basıncıBuhar içindeki = (YoğuşmayanlarınEDC’nin akış Yoğunlaşmayan kısmi basınç akış hızı ) hızı

= (0.16/3.79)213.4=9 kmol/st

46

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 

Kmol/st % mol Kg/st

EDC 9 4.0 891

Su 3.1 1.4 56

İnertler 208 92.3 6640

Etilen 5.4 2.3 150

47

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.

310*3.14

7.70100

3.2

A

AoAA

A

X

XPPX

y

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

48

Bu değer, hesaplanan değerden biraz farklıdır ve yoğuşmuş veya çözünmüş etilenin olmadığı başlangıç varsayımının geçerli olduğunu gösterir; özetle sıvı fazdaki etilen eser miktardadır.

Kütle denkliği sonuçları.

Akım No 1 2 3

BileşenKondenser beslemesi Kondensat Geri dönen gaz

EDC 6350 5459 891Su 1100 1044 56Etilen 150 Eser 150İnertler 6640 6640Toplam 14,240 6503 7737

Sıcaklık oC 95 35 35Basınç, Bar 4 4 4

Akış hızları (kg/st)

49

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.

1

2

3

BeslemeEDC 5459 kg/stSu 1075 kg/st

50

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.

51

İlk yaklaşımOrganik 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.

52

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

53

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 yapıldığı proses tercih edilmiştir.

54

Başlangıç olarak, sadece prosesde yer alan ekipmanları gösteren ve blok diagramlara çizilmiş bir akım şeması oluşturulur.

Ürün

~%60 HNO3

NH3

Buharlaştırıcı Reaktör Atık ısı kazanı Yoğuşturucu Absorpsiyon kolonu

Hava

HavaSu

55

4. BİLGİSAYAR DESTEKLİ AKIM ŞEMALARI

Proses tasarımında akım şemalarının hazırlanmasında yararlanılan bilgisayar programları iki ana grupta toplanır.

1. Güçlü hesaplama olanaklarına sahip tam simulasyon programları2. 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.

56

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.

57

A

N

A

Ç

A

L

I

Ş

T

I

R

I

C

I

EXE

EKİPMAN ÖZELLİKLERİ İÇİN ALTPROGRAMLAR

TERMODİNAMİK HESAPLARİÇİN ALT PROGRAMLAR

İTERATİF YÖNTEMLER İÇİN ALT PROGRAMLAR

FİZİKSEL ÖZELLİKLER İÇİN VERİ DOSYALARI

MALİYET HESAPLARI İÇİN VERİ DOSYALARI

GİRDİ VERİLERİ

ÇIKTILAR

Tipik bir simulasyon programının içeriği

58

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.

59

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.

60

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. Bu katsayıya Fraksiyon Katsayısı denir.

61

Kütle denkliğinin oluşturulmasında kullanılan simgelerin gösterimi

Bir öncekiÜniteden Gelen akım

i.Temel işlem

ünitesi

Bir sonraki üniteye (J)Giden akım

Toplamakım

giokSistem dışındanGelen akım

Jik ik ik

i,J: Ünite numaralarıik: . i ünitesine giren k bileşeninin toplam akış hızı Jik : i ünitesinden çıkıp J ünitesine giden akım içerisindeki k bileşeninin toplam akış hızına oranı. Fraksiyon katsayısıgiok: i ünitesine sistem dışından gelen akım içerisindeki k bileşeninin akış hızı

62

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.

63

g10k

21k 1k

31k 1k

13k 3k

32k 2k

12k 2k

1k 2k3k

g30k

1 nolu ünite için kütle denkliği kkk kkkg 3211 131210

2 Nolu ünite için kütle denkliği:

3 Nolu ünite için kütle denkliği:

kk k 12 21

kkk kkkg 123 313230

1 2 3

64

kk

k

kkk

g

g

kkk

kk

kkk

3031

2

101312

0

3k2321

121

1211

Denklemler düzenlenip matris formunda yazılabilir.

k

k

k

k

k

k

kg

gx

k

30

10

3

2

1

32k31

21

13k

01 - 0 1

- - 112

65

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. Bu akım reaktöre devir ettirilir.

66

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.

67

SıyırıcıSıyırıcı

Proses Akım Diyagramı

Aseton+IPA+su

Su+IPA

Aseton+IPA

Aseton+IPA +su

Azetrop su+IPA

İzopropil alkol

Aseton

68

 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

21k 1k

2k

32k 2k

3k

43k 3k

4k

54k 4k

5k

15k 5k

42k 2k

g30k

g20k

g10k

1 2 3 4 5

69

1 Nolu ünite için kütle denkliği: (1)2 Nolu ünite için kütle denkliği: (2)3 Nolu ünite için kütle denkliği: (3)4 Nolu ünite için kütle denkliği: (4)5 Nolu ünite için kütle denkliği: (5) 

k5k15k10k1 g

k1k21k20k2 g k2k32k30k3 g

k3k43k2k42k4

k4k54k5

Denklemler düzenlenerek matris formda yazılırsa;

  kkkk g105151

kkkk g201212

kkkk g302323 02423434 kkkkk

04545 kkk

70

00

ggg

100001000100001

0001

k30

k20

k10

k5

k4

k3

k2

k1

k54

k43k42

k32

k21

k15

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

71

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.

72

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.

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.

9. I.Distilasyon kolonunda asetonun %99’u üst ürün olarak alınsın

73

α211

=0,1 α421

=0,9 α321

=0,1 α431

=0,99 α541

=0,99 α151

=0,91

α212

=1 422

=0,8 α322

=0,2 α432

=0,99 α542

=0,01 α152

=0,01

α213

=1 α423

=0 α323=1 α433

=0 α543

=0,0 α153

=1

α214

=1 α424

=0,95 α324

=0.05 α434

=0.99 α544

=0,99 α154

=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

Fraksiyon Katsayılar;

74

Fraksiyon katsayıları ve prosese dışardan verilen akımların sayısal değerleri 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 0,0 0.0 -0,99

15k -0,91 0,0 0,0 -0,05

  g101 g202 g203 g304

Mol 100 98 98 *

•Absorbsiyon kolonuna dışardan gönderilen su miktarı kolon tasarımına bağlıdır. O nedenle kolonagönderilensu miktarı (kmol/st) = g304=200 mol

75

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.

76

• 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.

77

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.

78

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 numaralarınınkullanılması gerekir.

79

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.

80

7.3. Basit semboller

• 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.

(BS 1646’dan alınmıştır).

81

Enstrumanlar ve kontrol ediciler

Yerel olarak konumlanmış Ana panele konumlanmış

Yerel konumlanmış ifadesi, kontrol edici ve yönlendiricinin tesiste bulunan algılama cihazının yerinin yerleştirilmesi anlamına gelir.

Ana panel ifadesi ise, kontrol odasındaki bir panel üzerine yerleştirilmesi anlamına gelir.

82

Enstruman tipi

• Bununla bir yazısal kod ile kontrol edici cihazın bir devreyi ifade etmesi gösterilir

Tablo 7.1BS 1646 temelindeyazısal kodlar (1979)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Ölç. Özll.

İlk harf Gösterge

(I)

Kayıt(R)

Gös. Topl.(IS)

Kay. Topl.(RS)

Kontrol(C)

Gös. Kon.(IC)

Kay.Kon.

(RC)

Gö.Ko.To

(ICS)

Ka.Ko.To

(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, F = Akış hızı. Sonraki harfler ise fonksiyonu gösterir.

Örneğin, I = BelirtmeRC = kaydedici kontrol edici

83

Tanıtıcı Yazıların Anlamları XYY

İlk harf (X) İkinci veya üçüncü harf (Y) .A Analiz AlarmB Fırın alevi C İletkenlik Kontrol

D Yoğunluk veya spesifik gravite E Voltaj ElemanF Akış hızıH El (Elle başlama) YüksekI Akım GöstergeJ GüçK Zaman veya zaman şedülü Kontrol haliL Seviye Hafif veya düşükM Nem veya nemlilik Orta veya araO OrifisP Basınç veya vakum NoktaQ Miktar veya olayR Radyoaktivite veya oran Kayıt veya YazmaS Sürat veya frekans AnahtarT Sıcaklık TransmitterV Viskozite Vana, durdurucuW Ağırlık MembaY Gecikme veya hesaplamaZ Pozisyon Sürücü

84

Hatlar

Enstruman bağlantı hatlarını ana proses hatlarından ayırt etmek için farklı bir şekilde çizilmesi gerekir. Nokta veya çizgi nokta normal olarak kullanılır.

Tipik bir kontrol devresi

FRC

1. Kapatma vanası2. Kontrol vanası

85

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, PAkım akışlarıCihaz yerleşimleriBoru yollarıa.Boru boyub.Boru bağlantılarıDestekler, yapılar, kurumlar

86

Tablo 7.3 Borulandırma ve Enstrumantasyon Diyagramlarının oluşturulması Cihazlar için, içerdiği her parçanın gösterimiYedek birimlerParalel birimlerHer 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, tanıtımGöstergelerKaydedicilerKontrol edicilerCihaz hatları gösterimi

87

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

88

Cihaz Bağlantılarının Tanıtımı

Kapiler

Havalı (Pünomatik)

Elektriksel

Hemen hemen bütün kimyasal proses kontrol devrelerindeSon kontrol elemanı vanadır.

89

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.

90

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

91

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.

92

• Büyük bir proje için, ayrıntılı tasarım ve otomatik kontrol şemalarının spesifikasyonları özel kişiler tarafından yapılır.

7.4.3. Otomatik kontrol şemaları

Burada bir proses için, kontrol sistemlerinin belirlenmesindeproses akım şemalarından geliştirilen, enstrumantasyon ve kontrolün ilkel şemasının hazırlanmasıdır. Bunlar ilkel enstrumantasyonun hazırlanmasında ve kontrol şemalarında bir rehber olarak kullanılabilir.

93

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

94

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.

95

7.4.4. Tipik kontrol sistemleri

- Seviye kontrolu

LC

Şekil 7.4.1 Seviye kontrolu

İki faz arasında (sıvı-buhar) arayüzeyde mevcut herhangi bir cihazla, gereken seviyede ortalama arayüzey sağlanmalıdır.

Şekil’de bir kolonun tabanındaki seviye kontrolu için tipik bir düzenleme gösterilmiştir. Pompa boşaltma hattı üzerinde bir kontrol vanasının yer alması gerekir.

96

Basınç kontrolu

PC

Şekil 7.4.2.a. Doğrudan boşaltma ile basınç kontrolu

PC

Şekil 7.4.2.b. Yoğuşturucudan sonra yoğuşmayanların boşaltılması

Basınç kontorlu, buhar veya gaz kullanılan pek çok sistem için gereklidir. Kontrol metodu, prosesin doğasına bağımlıdır.

97

Akış Kontrolu

Şekil 7.4.b. Bir santrifüj compresör veya pompa için alternatif şema

Şekil 7.4.3a. Emme-basma pompa için akış kontrolu

Akış kontrolu sağlamak için sabit hızda çalışan ve yaklaşık sabit hacimde çıkış basan bir kompresör veya pompabir yan geçiş (by-pass) kontrol kullanılmalıdır.

FC

FC FC

98

Isı değiştiriciler

ProsesTC

Şekil 7.5a. Bir akışkan akımının kontrolu

Proses

Şekil 7.5b. By-pass kontrol

soğutma veya ısıtma ortamı akışının değişimi ile sıcaklık kontrolu konusundaki en basit düzenlemeyi gösterir.

Eğer, alışveriş iki sabit akışlı proses akımı arasında ise, by-pass kontrol kullanılır.

TC

99

Kaynatıcı ve buharlaştırıcı kontrolu

Besleme

FC LC

Buhar

Tuzak

Şekil 7.6 Buharlaştırıcı Kontrol

Buharlaştırıcılar için sıklıkla seviye kontrolu kullanılır.Şekilde görüldüğü gibi akış kontrolu üzerindeki buharlaştırıcıya beslenen sıvıakış hızı ve kontrol edici ısıtma yüzeyine gönderilen buharın miktarını ayarlayarak seviye kontrol edilmektedir

100

Damıtma Kolonu KontroluDamıtma kolonu kontrolunun temel konusu, üst ve alt ürünün belirli bir bileşimini ve yan akımlarda bozulanların etkisini düzelterek temin etmektir.

TC

TC

Şekil 7.7a. Sıcaklık deseni kontrolu.

Bu düzenleme ile tepe ve dip sıcaklık kontrol edicileri arasında iç etkileşim olur

Besleme

FC

Buhar

101

FC

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)

FC FC

Oran

LC

102

ΔPTC

Şekil 7.7.c. Dolgulu kolon diferansiyel basınç kontrolu .

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

103

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.

104

TCFC LC

FC

FC

Soğutucu akışkan

Besleme

Reaktör sıcaklığı T Soğutma akışkanı akış hızı ayarlanarak kontrol edilir

Şekil 7.8 Tipik bir geri karıştırmalı tank reaktörü kontrol şeması

Seviye kontrol

Basınç genellikle sabit tutulur

105

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.

106

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

107

TIC

TAH

Şekil 7.9a. Kontrol sisteminin bir parçası olarak aktarıcı

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.

108

TA

TIC

TAH

H

Şekil 7.9.b. Durdurma aktarıcısının ayrılması

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.

Hava