Hava Ayristirma Tesislerinde Oksijen Azot Argon Un Uretimi Ve Karisim Gazli Joule Thomson Dusuk Sicaklik Sogutucusu Producing Oxygen Nitrogen Argon in Air Separation Plants and Mixed

ii

İÇİNDEKİLER

Sayfa

SİMGE LİSTESİ ......................................................................................................................vii

KISALTMA LİSTESİ .............................................................................................................. iix

ŞEKİL LİSTESİ ......................................................................................................................... x

ÇİZELGE LİSTESİ ..................................................................................................................xii

ÖNSÖZ....................................................................................................................................xiii

ÖZET.......................................................................................................................................xiv

ABSTRACT ............................................................................................................................. xv

1. GİRİŞ....................................................................................................................... 1

1.1 Havanın Filitrasyonu ve Sıkıştırılması (Basınçlandırılması)................................... 2 1.2 Havanın Ön Soğutulması ......................................................................................... 2 1.3 Havanın Temizlenmesi ve Saflaştırılması ............................................................... 2 1.4 Havanın Soğutulması / Gaz Ürünlerin ve Atık Akışların Eşanjörde Isıtılması ....... 2 1.5 Kısmen Kondens Olmuş Havanın İstenilen Ürünleri Üretmek İçin Distile

Edilmesi ................................................................................................................... 3

2. HAVA AYRIŞTIRMA TEKNOLOJİSİ ................................................................. 5

3. DÜŞÜK OLMAYAN SICAKLIKTA HAVA AYRIŞTIRMA............................... 6

3.1 BSA Azot veya Oksijen Generatörü........................................................................ 6 3.2 VBSA Oksijen Üretimi............................................................................................ 7 3.3 Azot Membran Sistemi ............................................................................................ 8

4. DÜŞÜK SICAKLIKTA HAVA AYRIŞTIRMA .................................................... 9

4.1 Joule-Thomson Effect’ i .......................................................................................... 9 4.2 Dr. Carl von Linde Prensibi (Havanın Likitleştirilmesi Prosesi) .......................... 10 4.3 HAT’ ta Bulunan Ekipmanlar................................................................................ 12 4.4 Temel Proses Basamakları..................................................................................... 14 4.4.1 Havanın Filitrasyonu ve Sıkıştırılması (Basınçlandırılması)................................. 15 4.4.1.1 Turbo Hava Kompresörü ....................................................................................... 17

Kompresörün Çalışması ........................................................................................................... 18

Kapasite Kontrolü..................................................................................................................... 20

Atmosfer Valfi (Askanya) ........................................................................................................ 21

iii

Kompresör Eğrileri ve Sörç...................................................................................................... 21

Soğutucu Sıcaklıkları ve Soğutucudaki Kirlilik ....................................................................... 22

Soğutucuda Havadan Soğutma Suyuna Aktarılan Enerji ......................................................... 22

Değişen Soğutma Suyu Sıcaklığına Bağlı Olarak Değişen Enerji Tüketimi............................ 23

Turbo Hava Kompresörünün Verimliliği ................................................................................. 24

4.4.2 Havanın Ön Soğutulması ....................................................................................... 26 4.4.2.1 Evaporatif Soğutucu Enerji Dengesi ..................................................................... 29 4.4.3 Havanın Temizlenmesi ve Saflaştırılması ............................................................. 31 4.4.3.1 Sıcaklığa Bağlı Buhar İçeriği................................................................................. 31 4.4.3.2 Hava Basıncına Bağlı Buhar İçeriği ...................................................................... 32 4.4.3.3 Havanın Kurutulması ve Karbondioksitin Uzaklaştırılması.................................. 32 4.4.3.4 ME ......................................................................................................................... 33 4.4.3.5 Hidrokarbon Riski ................................................................................................. 33 4.4.3.6 ME Doyduğu Zaman Karbondioksiti tutamazsa (Karbondioksit Sisteme Kaçarsa) Oluşacak Riskler..................................................................................... 35 4.4.3.7 ME Tanklarının (Batarya) Çalışma Prensibi ......................................................... 35 4.4.3.8 ME’ nin Diğer Kurutucularla Kombinasyonu ....................................................... 35 4.4.3.9 Adsorpsiyon........................................................................................................... 37 4.4.3.10 KTB ....................................................................................................................... 42 4.4.3.11 Akış Hızı................................................................................................................ 42 4.4.3.12 Rejenerasyon ......................................................................................................... 42

Termal Rejenerasyon................................................................................................................ 42

4.4.3.13 Tutucu Yerleşim Dizaynı....................................................................................... 44 4.4.3.14 Kapasite ................................................................................................................. 45 4.4.3.15 Kirlilik ................................................................................................................... 45 4.4.3.16 Poroz Materyal İçerisinde Taşıma Mekanizmaları................................................ 46

Moleküler Difüzyon ................................................................................................................. 46

Porozite..................................................................................................................................... 46

Konvektif veya Darcy Akışı ..................................................................................................... 46

Kapilar (Kılcal) Difüzyon......................................................................................................... 47

4.4.4 Havanın Soğutulması............................................................................................. 48 4.4.4.1 Ana Isı Eşanjörü .................................................................................................... 49

Ana Isı Eşanjöründeki Akışın Dengelenmesi........................................................................... 49

Isı Eşanjöründeki Soğukluk Kaybı Hesabı............................................................................... 50

Yüksek Basınçta Spesifik Isı .................................................................................................... 50

iv

Balans ve Karşı Akışların Kontrolü ......................................................................................... 52

4.4.4.2 Genleşme Türbini .................................................................................................. 53

Buster – Türbin Çalışma Prensibi............................................................................................. 53

Labirentler, Boşluk Basıncı ve Sızdırmazlık Gazı ................................................................... 54

Genleşme Türbini Verimi......................................................................................................... 56

Busterin Soğukluk Üretiminin Ölçülmesi ................................................................................ 58

4.4.5 Havanın Distilasyonu ............................................................................................ 58 4.4.5.1 Normal Distilasyon Kolonu................................................................................... 58 4.4.5.2 Distilasyon Kolonu Tipleri (Dolgu Malzemesine Göre) ....................................... 59

Tepsili Kolonlar........................................................................................................................ 59

Tepsi Çeşitleri........................................................................................................................... 59 Çan Tipi Tepsili ........................................................................................................................ 60 Delikli Tepsi Tipi Kolon .......................................................................................................... 60 Farklı Tepsilerdeki Kompozisyon ............................................................................................ 61

Dolgulu Kolon Dolgu Tipleri ................................................................................................... 63

Yapısal Dolgulu Kolon............................................................................................................. 63 4.4.5.3 Tekil Kolonların Çalışma Prensibi ........................................................................ 69

Materyal Dengeleri ................................................................................................................... 70

LOX Alımının Kontrolü ........................................................................................................... 72

4.5 Linde’ nin İkili Kolonu.......................................................................................... 74 4.5.1 İkili Kolon Parçalarının Tanımlaması ................................................................... 74 4.5.2 LOX ve LIN Basıncına Bağlı Kaynama Noktası .................................................. 76 4.5.3 Kaynatıcı – Kondenser Çalışma Prensipleri .......................................................... 78 4.5.4 İkili Kolonun Kontrolü .......................................................................................... 79 4.5.5 Lachmann Çıkışı (Kirli Azot )............................................................................... 80 4.5.6 ABK’ daki Oksijen Safiyetinin Kontrolü .............................................................. 80 4.5.7 İkili Kolonun Çalışma Prensibi (Materyal Dengesi Kullanılarak) ........................ 82 4.5.8 İkili Kolon İçerisinde Materyal Dengesi ............................................................... 83 4.5.9 Ar Transfer Bölgesi ............................................................................................... 89 4.5.9.1 Kolonlardaki Karbonmonoksit ve Azotoksit ......................................................... 89 4.6 Ham Ar Kolonu ..................................................................................................... 90 4.6.1 Ham Ar Kolonunda Ar’ ın Saflaştırılması............................................................. 91 4.6.2 Ham Ar Kolonunun Kontrolü İçin Farklı Yollar................................................... 92 4.6.2.1 Ham Ar Kolonunun Kondenser Seviyesiyle Kontrolü .......................................... 92 4.6.2.2 Kondenser Evaporasyon Akışı İle Ham Ar Kolonunun Kontrol Edilmesi............ 94 4.6.3 Ham Ar Üretiminin Maksimizasyonu ................................................................... 96 4.6.4 Ham Ar Kolonunun Maksimizasyonu................................................................... 97 4.6.5 Oksijensiz Ar Veren Ham Ar Kolonu ................................................................... 98

v

4.7 Ar’ ın Kimyasal Saflaştırılması ........................................................................... 100 4.7.1 Hidrojen Beslemesi.............................................................................................. 101 4.7.2 Oksijensizleştirme – Kimyasal Reaktör .............................................................. 102 4.7.3 Kurutucular .......................................................................................................... 103 4.7.4 Hidrojen ve Kurutucusuz Kimyasal Saflaştırma ................................................. 103 4.8 Saf Ar Kolonu...................................................................................................... 104 4.8.1 Saf Ar Kolonunun Çalışması ............................................................................... 104 4.8.2 Saf Ar Kolonunun Kontrolü ................................................................................ 106 4.9 Kaynatıcı.............................................................................................................. 108 4.9.1 Ana Kaynatıcı ...................................................................................................... 108 4.9.2 Kaynatıcı Çeşitleri ............................................................................................... 108 4.9.2.1 Banyo Tipi Kaynatıcı........................................................................................... 108 4.9.2.2 Dökülen Film Tipi Kaynatıcı............................................................................... 109

Bir Dönüşlü Kaynatıcı ............................................................................................................ 111

Resirkülasyon Kaynatıcı......................................................................................................... 112

4.9.3 Ölü Son Kaynaması ............................................................................................. 114 4.9.4 Seviye Enstrümantasyonu.................................................................................... 114 4.9.5 Kirleticilerin Dekonsantrasyonu.......................................................................... 115 4.9.5.1 LOX Tutucuları ................................................................................................... 115 4.9.5.2 Pörç işlemi ........................................................................................................... 115 4.9.6 Karbondioksitin Uzaklaştırılmasının Önemi ....................................................... 116 4.9.7 Tıkanma ............................................................................................................... 116 4.9.8 Dizayn Hesaplamaları – Minimum Likit Akışı ................................................... 117 4.9.9 Dizayn Karakteristikleri – Akış Dağıtımı............................................................ 118 4.9.10 BAHX.................................................................................................................. 118 4.9.11 Kabuk – Tüp Isı Eşanjörü .................................................................................... 123 4.10 Hava Çevriminde Soğukluk Üretimi ve Dahili Sıkıştırma.................................. 124 4.10.1 Hava Çevrim Prosesinin Ana Hatları .................................................................. 124 4.10.2 Dahili Sıkıştırma.................................................................................................. 127 4.11 Tesis Kapasite (Yük) Değişimleri ....................................................................... 131 4.11.1 Banyo Tipi Kaynatıcılarda Yük Değişimi ........................................................... 131 4.11.2 Dökülen Film Tipi Kaynatıcılarda Yük Değişimi ............................................... 131 4.12 Tesis Duruşu ve Soğuk Bekletilmesi................................................................... 132 4.13 Tesisin Yeniden Startlanması .............................................................................. 133 4.14 Kısa Duruşun Ardından Devreye Alma............................................................... 134 4.15 Uzun Duruş Sonrası Soğuk Devreye Alma ......................................................... 134 4.16 Defrost ................................................................................................................. 135 4.16.1 Prosedür ............................................................................................................... 135 4.16.2 Defrost Sıklığı...................................................................................................... 135 4.17 Kontrolörler ......................................................................................................... 136 4.18 Likit Üretimi İçin Soğukluk Gereksinimi............................................................ 136 4.19 Normal Metreküp Cinsinden LOX Eşdeğeri ....................................................... 137

5. GÜÇ TÜKETİMLERİ ......................................................................................... 138

5.1 Birim Ürün Maliyeti ............................................................................................ 141

6. SOĞUTMA SUYU SİSTEMİ ............................................................................. 142

vi

7. DÜŞÜK SICAKLIK SOĞUTUCUSU................................................................ 144

7.1 Karışım Gazlı JT Düşük Sıcaklık Soğutucusu .................................................... 145 7.1.1 Mümkün Olan Gelişmeler ................................................................................... 147 7.1.2 Termodinamik Analiz.......................................................................................... 147 7.1.2.1 Simülasyonun Sonuçları ...................................................................................... 148 7.1.2.2 Sonuç Analizi ...................................................................................................... 149

Birinci Yüzey.......................................................................................................................... 151

İkinci Yüzey ........................................................................................................................... 151

Üçüncü Yüzey ........................................................................................................................ 151

Kırılma Hattı........................................................................................................................... 152

7.1.2.3 Optimizasyon Stratejisi........................................................................................ 152 7.1.3 Sistemin Değerlendirilmesi ................................................................................. 153 7.2 Karışım Gazlı-Ön Soğutmalı JT Düşük Sıcaklık Soğutucusu............................. 154 7.2.1.1 Proses Dizaynı ..................................................................................................... 155

Karışım Gaz Çevrimi.............................................................................................................. 157

Yağ Uzaklaştırma ................................................................................................................... 157

Ön Soğutma Çevrimi .............................................................................................................. 158

7.2.1.2 Sistemin Avantajları ............................................................................................ 158 7.2.1.3 Test Sonuçları ...................................................................................................... 159 7.2.1.4 Maliyet................................................................................................................. 159

8. SONUÇLAR........................................................................................................ 160

EKLER ................................................................................................................................... 163

Ek 1 Hava kirleticiler, özellikleri ve adsorpsiyonu ................................................................ 164 Ek 2 Basınç düşüş ölçümleri (Cryoton, Hollanda) ................................................................. 167 Ek 3 ME tank dizaynı ve rejenerasyon gaz eğrisi .................................................................. 168 Ek 4 Azot çevrimi................................................................................................................... 170 Ek 5 Havanın basınca bağlı olarak ısı içeriğinin değişimi ..................................................... 172 Ek 6 Azotun sıcaklıkla entropi değişimi................................................................................. 173 Ek 7 Ana kondenser (buharlaştırıcı)....................................................................................... 174

KAYNAKLAR....................................................................................................................... 175

İNTERNET KAYNAKLARI................................................................................................. 176

ÖZGEÇMİŞ............................................................................................................................ 177

vii

SİMGE LİSTESİ

c Derişiklik (kmol/m3) C Birim Ürün Maliyeti (kWh/Nm3) CF Carnot Fraksiyonu D Moleküler Difüzivite (İkili Yayılım Katsayısı) (m2/s) Deff,g Poroz Materyal İçerisindeki Gazın Difüzivitesi (m2/s) Di Tüp İç Çapı (m) F Akış (= debi, kg/h) g Yerçekimi İvmesi (m/s2) H Isı İçeriği (kJ/h) / Hidrolik Potansiyeli (m) hf Kanatçık Yüksekliği (m) J Kütlesel Akı (kg/m2s) Jv Volumetrik Akış (m3/m2s) k Geçirgenlik Üniteleri (m2) K Hidrolik İletkenlik (m/s) m Kütlesel Akış (kg/s) M Moleküler Ağırlık (kg/kmol) / Toplam Nem İçeriği MV Buhar Kütle Akış Değeri (kg/s) n Kompresör Kademe Sayısı Nf Birim Uzunluktaki Kanatçık Sayısı (1/m) Nm Modül Sayısı / BAHX Çekirdek Sayısı Np BAHX Başına Buharlaşan Akış İçin Tabaka Sayısı Nt Modül Başına Tüp Sayısı P Kompresörün Elektriksel Güç Tüketimi ph Yüksek Basınç pl Düşük Basınç q0 Spesifik Soğutma Kapasitesi Q0 Soğutma Gücü qprec Ön Soğutma Çevriminin Spesifik Soğutma Kapasitesi R Üniversal Gaz Sabiti (kJ/kmol0K) ReL Film Reynolds Sayısı s Akış Uzunluğu (m) Tamb Ortam Sıcaklığı T0 Soğuk Sıcaklık w Tabaka Genişliği (m) W Kompresör İzotermal İşi (kW) / Isı Transfer Yüzeyinin Akış Genişliği (Islak

çevre) (m) x Kütle Geçiş Mesafesi (m) Zi Karışım Gaz Kompozisyonu ε Porozite τ Eğrilik (Eğim) ρapp Görünür Yoğunluk (kg/m3) ρs Gerçek Yoğunluk (kg/m3) µ Dinamik viskozite (Ns/m2) µL Likit Viskozitesi (N.s/m2 ) ΓL Isı Transfer Yüzey Genişliği Başına Likit Akış Değeri (kg/m.s) ∆hl-h Yüksek ve Düşük Basınç Akışları Arasındaki Entalpi Farkı (JT)

viii

∆Tmin Isı Eşanjöründeki Minimum Sıcaklık Farkı ∆hT Yüksek ve Düşük Basınç Akışları Arasındaki Entalpi Farkı (Ön Soğutmalı JT)

ix

KISALTMA LİSTESİ

ABK Alçak Basınç Kolonu Ar Argon HAT Hava Ayrıştırma Tesisi HAÜ Hava Ayrıştırma Ünitesi BAHX Prinçle Lehimlenmiş Alüminyum Levha-Kanatçıklı Isı Eşanjörü DKHS Direkt Kontaklı Hava Soğutucu DKSS Direkt Kontaklı Su Soğutucu FIC Akış Kontrolörü GAN Gaz Azot GAr Gaz Argon GOX Gaz Oksijen HIC Manuel Kontrolör YB Yüksek Basınç IGV Giriş Kontrol Vanası JT Joule Thomson KC Zaman Saati LAr Likit Argon LIC Seviye İndikasyon Kontrolörü LIN Likit Azot LOX Likit Oksijen DB Düşük Basınç OB Orta Basınç ME Moleküler Elek KTB Kütle Transfer Bölgesi PDI Fark Basınç İndikatörü PI Basınç İndikatörü PIC Basınç İndikasyon Kontrolörü ppm Ağırlıkça Milyon Mertebesinde Miktar BSA Basınç Süpürmeli Adsorpsiyon QI Analizör RL Zengin Sıvı TI Sıcaklık İndikatörü TIC Sıcaklık İndikasyon Kontrolörü vpm Hacimce Milyon Mertebesinde Miktar VBSA Vakum Rejenerasyonlu Basınç Süpürmeli Adsorpsiyon YB Yüksek Basınç YBK Yüksek Basınç Kolonu

x

ŞEKİL LİSTESİ

Şekil 1.1 HAT proses bloklarına ait genel görünüş.................................................................... 1 Şekil 4.1 T-S diyagramı / Joule-Thomson.................................................................................. 9 Şekil 4.2 T-S Diyagramı / Türbin............................................................................................... 9 Şekil 4.3 Linde prensibi ile havanın likitleştirilmesi................................................................ 10 Şekil 4.4 Kaynama diyagramı .................................................................................................. 11 Şekil 4.5 Proses akış şeması. .................................................................................................... 14 Şekil 4.6 Turbo hava kompresörü kesiti................................................................................... 18 Şekil 4.7 Hava kompresörü kademe soğutucusu. ..................................................................... 19 Şekil 4.8 Duşlamalı soğutucu. .................................................................................................. 27 Şekil 4.9 Evaporatif soğutucu................................................................................................... 28 Şekil 4.10 Duşlamalı soğutucu-evaporatif soğutucu akış diyagramı ....................................... 30 Şekil 4.11 ME sistemi akış diyagramı. ..................................................................................... 36 Şekil 4.12 ME tankı bileşenleri. ............................................................................................... 37 Şekil 4.13 Kirleticilerin ME içerisinde tutulduğu bölgeler ...................................................... 38 Şekil 4.14 Zeolitin yapısal görünüşü ........................................................................................ 41 Şekil 4.15 Nem doluluğu. ......................................................................................................... 45 Şekil 4.16 Isı eşanjörü grubu .................................................................................................... 49 Şekil 4.17 Eşanjör üzerindeki balans akışı. .............................................................................. 50 Şekil 4.18 Eşanjör üzerindeki akışlar ve bu akışlara ait sıcaklıklar ......................................... 51 Şekil 4.19 Türbin-buster. .......................................................................................................... 53 Şekil 4.20 Türbin kanatçık (çark) tipleri. ................................................................................. 54 Şekil 4.21 Türbin sızdırmazlık gazı.......................................................................................... 55 Şekil 4.22 Sıcak ve soğuk türbin için T-S diyagramı. .............................................................. 57 Şekil 4.23 Çanlar ...................................................................................................................... 60 Şekil 4.24 Çan tipi tepsi............................................................................................................ 60 Şekil 4.25 Delikli tepsili kolon kesiti. ...................................................................................... 61 Şekil 4.26 Sabit basınçta sıcaklık-kompozisyon (T,X) diyagramı ........................................... 62 Şekil 4.27 Yapısal dolgu kesiti. ................................................................................................ 64 Şekil 4.28 Yapısal dolgulu kolon kesiti.................................................................................... 66 Şekil 4.29 Düşük likit oranlarında dolgu üzerindeki likit tabakası. ......................................... 68 Şekil 4.30 Yüksek likit oranlarında dolgu üzerindeki likit tabakası. ....................................... 68 Şekil 4.31 Tekil kolon. ............................................................................................................. 69 Şekil 4.32 Kolon içerisindeki oksijen ve azot kompozisyonu.................................................. 71 Şekil 4.33 Tekil kolonun çalışması........................................................................................... 73 Şekil 4.34 Linde’ nin ikili kolonu............................................................................................. 75 Şekil 4.35 Azot ve oksijen buhar basınçları. ............................................................................ 77 Şekil 4.36 Lachman çıkışlı ikili kolon...................................................................................... 81 Şekil 4.37 ABK materyal dengesi. ........................................................................................... 84 Şekil 4.38 İkili kolondaki iç akışlar.......................................................................................... 86 Şekil 4.39 YBK materyal dengesi. ........................................................................................... 88 Şekil 4.40 Ham Ar kolonlu ikili kolon. .................................................................................... 91 Şekil 4.41 Kondenser seviyesiyle kontrollü ham Ar kolonu. ................................................... 93 Şekil 4.42 Evaporasyon akışı kontrollü ham Ar kolonu........................................................... 95 Şekil 4.43 Oksijensiz Ar veren ham Ar kolonu........................................................................ 99 Şekil 4.44 Ar’ ın kimyasal saflaştırılması - Stenungsund / İsveç........................................... 101 Şekil 4.45 Saf Ar kolonu - Sundsvall / İsveç.......................................................................... 107 Şekil 4.46 BAHX tipi kaynatıcı.............................................................................................. 110

xi

Şekil 4.47 Kabuk ve tüp tipi kaynatıcı ................................................................................... 111 Şekil 4.48 Bir dönüşlü kaynatıcı ............................................................................................ 112 Şekil 4.49 Resirkülasyon reboiler / opsiyon-1........................................................................ 112 Şekil 4.50 Resirkülasyon reboiler / opsiyon-2........................................................................ 113 Şekil 4.51 Resirkülasyon kaynatıcı / opsiyon-3 ..................................................................... 114 Şekil 4.52 Akış dağıtım tekniği (1986) / dizayn-1. ................................................................ 119 Şekil 4.53 Akış dağıtım tekniği (1986) / dizayn-2. ................................................................ 121 Şekil 4.54 Akış dağıtım tekniği (1992) .................................................................................. 121 Şekil 4.55 Akış dağıtım cihazı (1991). ................................................................................... 122 Şekil 4.56 Akış dağıtım tekniği (1995) .................................................................................. 123 Şekil 4.57 Yüksek akışlı kabuk ve tüp tipi ana kondenser için akış dağıtım tekniği. ............ 124 Şekil 4.58 Dahili sıkıştırmalı genel hava çevrim prosesi ....................................................... 126 Şekil 4.59 OB LOX ve hava için sıcaklık-ısı diyagram ......................................................... 129 Şekil 4.60 Avesta tesisinde HE-22 için sıcaklık-ısı diyagramı .............................................. 129 Şekil 4.61 YB LOX ve hava için sıcaklık-ısı diyagramı ........................................................ 130 Şekil 4.62 Avesta tesisinde HE-21 için sıcaklık-ısı diyagramı .............................................. 130 Şekil 7.1 Rejeneratif düşük sıcaklık soğutucu tipleri ............................................................. 144 Şekil 7.2 Reküperatif düşük sıcaklık soğutucu tipleri ............................................................ 144 Şekil 7.3 JT azot ve karışım gaz çevrim grafikleri ................................................................. 145 Şekil 7.4 Technische Universitaet Dresden’ de geliştirilen prototip karışım gazlı JT düşük sıcaklık soğutucusu. ..................................................................................... 146 Şekil 7.5 Spesifik soğutma gücü diyagramı. .......................................................................... 148 Şekil 7.6 Spesifik soğutma gücü diyagramı. .......................................................................... 149 Şekil 7.7 Isı eşanjörü için sıcaklık-iş diyagramı..................................................................... 150 Şekil 7.8 Yüksek uçuculuktaki komponentlerin optimal konsantrasyonunun araştırılması için algoritma ..................................................................................... 153 Şekil 7.9 Karışım gazlı-ön soğutmalı JT düşük sıcaklık soğutucusu çevrimi ........................ 154 Şekil 7.10 Karışım gazlı-ön soğutmalı JT düşük sıcaklık soğutucusu sıcaklık-entalpi diyagramı ............................................................................................................... 155 Şekil 7.11 Krayostat iç kısmı.................................................................................................. 156 Şekil 7.12 Karışım gazlı-ön soğutmalı JT düşük sıcaklık soğutucusu akış diyagramı ......... 156 Şekil 7.13 Karışım gazlı-ön soğutmalı JT düşük sıcaklık soğutucusu soğutma kapasitesi .............................................................................................................. 159 Şekil Ek 3.1 ME tank dizaynı ................................................................................................. 168 Şekil Ek 3.2 MS rejenerasyon gaz eğrisi (Cryoss, Macaristan). ............................................ 169 Şekil Ek 4.1 Tek türbinli azot çevrimi (Malmö tesisi). .......................................................... 170 Şekil Ek 4.2 Çift türbinli azot çevrimi.................................................................................... 171 Şekil Ek 5.1 Hava için basınç-ısı içeriği diyagramı. .............................................................. 172 Şekil Ek 6.1 Azot için sıcaklık-entropi diyagramı ................................................................. 173 Şekil Ek 7.1 Ana kondenser (buharlaştırıcı) gaz ve likit akışları ........................................... 174

xii

ÇİZELGE LİSTESİ

Çizelge 1.1 Hava ayrıştırma tesislerinin tarihçesi ...................................................................... 3 Çizelge 4.1 HAT’ ta bulunan ekipmanlar................................................................................. 12 Çizelge 4.2 Havada bulunan saf maddeler ve özellikleri ......................................................... 15 Çizelge 4.3 Havada bulunan saf olmayan maddeler ve özellikleri........................................... 16 Çizelge 4.4 Farklı sıcaklıklardaki buhar içeriği........................................................................ 31 Çizelge 4.5 Tutucu karakteristikleri. ........................................................................................ 39 Çizelge 4.6 ME rejenerasyon süreleri. ..................................................................................... 44 Çizelge 4.7 Harici ve dahili sistemlerin karşılaştırılması. ...................................................... 128 Çizelge 4.8 LOX içerisindeki maksimum kirletici seviyeleri (kaynatıcı işletme basıncı 1,2 bar mutlak). ...................................................................................... 133 Çizelge 4.9 Tesisin bekleme sonrası hangi ME ile devreye gireceğinin tespiti. .................... 133 Çizelge 4.10 Ağırlık-hacim karşılaştırma............................................................................... 137 Çizelge 5.1 Ekipmanların güç tüketimleri ve toplam tüketim................................................ 140 Çizelge 5.2 Gaz modunda çalışılması halinde elde edilen üretim değerleri........................... 141 Çizelge Ek 1.1 Hava içerisindeki tıkayıcı, alevlenebilir ve korozif komponentler................ 164 Çizelge Ek 1.2 Hava kirleticilerin özellikleri ......................................................................... 165 Çizelge Ek 1.3 Hava kirleticilerin adsorpsiyonu.................................................................... 166 Çizelge Ek 2.1 Basınç düşüş ölçümleri (Cryoton, Hollanda)................................................. 167

xiii

ÖNSÖZ

Tez çalışmam boyunca bilgisi, yorumları ve anlayışlı yaklaşımı ile bana büyük yardımda bulunan tez danışmanım değerli hocam Doç.Dr. Ahmet KOYUN’ a saygılarımı ve teşekkürlerimi sunarım.

Ereğli Demir ve Çelik Fabrikaları, Yardımcı İşletmeler ve Çevre Yönetim Müdürlüğü’ nde görev yapan D.Selçuk ÖZEN’ e, özellikle de bilgi ve deneyimlerini benle paylaşmaktan çekinmeyen, her zaman öğrenmemi sağlayan değerli Başmühendisim Özcan YILDIZ’ a, teşekkürlerimi sunarım.

Hayatım boyunca varlıklarıyla bana yaşama gücü sağlayan, her konuda her şeyi karşılıksız sunan canım aileme sonsuz teşekkürlerimi sunarım.

xiv

ÖZET

Bu tezin hazırlanması ile, kaynağa ulaşılması oldukça zor sanayi kolunda akademik açıdan en azından anlaşılır düzeyde bir kaynak oluşturulması amaçlanmıştır.

Tezin 1. bölümünde düşük sıcaklıklarda hava ayrıştırma prosesinin temel blokları üzerinde kısaca durulmuştur. 2 bölümde hava ayrıştırma tesislerine genel bir bakış açısı ile deyinilmiş ve hava ayrıştırma türleri belirtilmiştir. 3. bölümde düşük olmayan sıcaklıklarda hava ayrıştırma konusuna deyinilmiş ve türleri belirtilmiştir. 4. bölümde düşük sıcaklıkta hava ayrıştırna konusuna giriş yapılarak, tüm proses blokları detaylı olarak incelenmiştir. 5. bölümde düşük sıcaklıkta hava ayrıştırma tesisindeki ekipmanların ve tüm tesisin toplam güç tüketimi hesaplanarak birim ürün maliyeti çıkartılmıştır. 6. bölümde tesisin soğutma suyu sistemi ile ilgili bilgi verilmiştir. Son bölümde ise karışım gazlı Joule-Thomson düşük sıcaklık soğutucusu hakkında izahat yapılmış, düşük sıcaklık uygulamaları ve diğer yeni teknolojik uygulamalarda kullanılması için temel bilgiler verilmiştir.

Anahtar kelimeler: Havanın distilasyonu, havanın likitleştirilmesi, hava ayrıştırma, hava ayrıştırma tesisi, düşük sıcaklık soğutucusu, düşük sıcaklıkta hava ayrıştırma, düşük sıcaklıkta oksijen üretimi, soğutucu.

xv

ABSTRACT

It is very difficult to find an academic technical document in industry. That’ s why this thesis is written.

In 1th section, the basis blocks of cryogenic air separation plant are explained. In 2nd section, the air separation plant is explained in general way and the types of air separation are determined. In 3rd section, the non-cryogenic air separation and it’ s types are explained. In 4th section, an introduction of cryogenic air separation is done and all the process blocks are explained detailly. In 5th section, the power consumption of all the equipments and the whole plans are calculated for cryogenic air separation plant. Finally the cost per product is calculated. In 6th section, some information about the cooling water system of the plant is given. In last section, the mixed gas Joule-Thomson cryocooler is explained and also some information is given for being used in low temperature applications and the other new technological applications.

Keywords: Air distillation, air liquefaction, air separation, air separation plant, cryocooler, cryogenic air separation, cryogenic oxygen producing, refrigerator.

1

1. GİRİŞ

Şekil 1.1 HAT proses bloklarına ait genel görünüş

2

1.1 Havanın Filitrasyonu ve Sıkıştırılması (Basınçlandırılması) Şekil 1.1’ de 1.Blok ile gösterilen bu aşamada atmosferden emilen hava filtreden geçirilerek

içerisindeki toz vb. kirletici partiküller tutulduktan sonra turbo hava kompresörü denilen

kademeli kompresörde prosesin ihtiyaç duyduğu basınca kadar sıkıştırılır.

1.2 Havanın Ön Soğutulması Şekil 1.1’ de 2.Blok ile gösterilen bu aşamada turbo hava kompresöründen 90-95 0C’ de çıkan

hava duşlamalı soğutucu adı verilen bir soğutma ünitesinde 5-15 0C’ ye kadar soğutulur (hava

şartlarına ve kompresör kapasitesine göre değişir). Duşlamalı soğutucuyu hava

kompresörünün son soğutucusu gibi düşünebiliriz. Bunun yanısıra evaporatif soğutucu adı

verilen bir soğutucu ile de duşlamalı soğutucudaki soğutmaya ilave bir soğukluk

sağlanmaktadır.

1.3 Havanın Temizlenmesi ve Saflaştırılması Şekil 1.1’ de 3.Blok ile gösterilen bu aşamada hava içerisinde kirlilik oluşturan su buharı

(nem), CO2 ve Hidrokarbonlar ME adı verilen tutucular içerisinde tutulurlar. Su ve CO2

sisteme kaçtığı taktirde soğukluk nedeniyle donarak kolonlara zarar verebilir.

1.4 Havanın Soğutulması / Gaz Ürünlerin ve Atık Akışların Eşanjörde Isıtılması Şekil 1.1’ de 4.Blok ile gösterilen bu aşamada havanın sıcaklığının ısı değişim ve soğutma

proseslerine yakın, çok düşük sıcaklıklara kadar soğutulması sağlanır. Isı eşanjörlerinde

proses havası, distilasyon kolonundan gelen ayrıştırılmış gazlar tarafından yoğuşma noktasına

kadar soğutulur. Yeterli kapasitede ısı eşanjörü kullanılırsa, içeri giren hava sistemi terk eden

soğuk gazların sıcaklığına kadar düşürülebilir. Aradaki sıcaklık farkı (∆T) ne kadar küçük

olursa eşanjörün verimi o oranda iyidir.

Soğuk gazlar ısı eşanjörüne gönderilirken, likit ürünler tanka gönderilir.

Düşük sıcaklıkta hava ayrıştırma tesisinde havanın distilasyonunun sağlandığı kolonlar, ısı

eşanjörleri ve kolonlar arasındaki ara bağlantı boruları çok düşük sıcaklıklarda düşük sıcaklık

akışkanlarıyla temas halinde olduğundan malzemesi paslanmaz çelik veya alüminyum

olmalıdır. Ayrıca ısı izolasyonunun çok iyi olması gerekir. Bunun için de bu ekipmanlar

soğuk kutu adı verilen çelik sacdan yapılmış bir bina içerisine yerleştirilir. Bina cidarı ile

ekipmanlar arasında kalan boşluklar perlit ve camyünü karışımından oluşan izolasyon

malzemesi ile doldurulur. Soğuk kutunun yüksekliği kolonların yüksekliği ile orantılıdır. Bazı

3

tesislerde ABK, YBK üzerinde bulunur. Bazı tesislerde ise yanyana gelecek şekilde

yerleştirilir. Buna bağlı olarak soğuk kutunun yüksekliği 12 metre ile 66 metre arasında

değişebilir. Soğuk kutu içerisindeki prosesler düşük sıcaklık prosesi olduğundan burada buhar

ve soğutma suyu kullanılmaz. Farklı ürünler veya iç akışlar kullanılır (kolonda kaynama ve

kondens işlemleri için, içeri giren havayı soğutmak için, likit ürünleri negatif derecelerde

tutabilmek için).

Eğer Oksijen veya Azot likit formda istenirse, ilave bir soğutma gerekmektedir. Pek çok

düşük sıcaklıkta HAT üretiminin bir kısmını likit olarak üretebilecek yeteneğe sahiptir. Daha

fazla miktarlarda likit gerekli ise ilave bir soğutma sistemi konulur. Buna likitleştirici adı

verilir ve çalışma akışkanı olarak Azot kullanır. Likitleştirici büyük miktarlardaki ürünlerin

depolama esnasındaki ısı kayıplarını önlemek için onları ortam sıcaklığının altında bir

sıcaklığa kadar soğutur. (www.airproducts.com)

1.5 Kısmen Kondens Olmuş Havanın İstenilen Ürünleri Üretmek İçin Distile Edilmesi Şekil 1.1’ de 5.Blok ile gösterilen bu aşamada sıvı hava distilasyon kolonlarında (YBK, ABK

ve Ar kolonları) Oksijen, Azot ve Argon’ a ayrıştırılır (-300 F / -185 0C).

Bu proses blokları Bölüm 4.4’ te detaylı olarak anlatılacaktır.

Çizelge 1.1 Hava ayrıştırma tesislerinin tarihçesi (www.linde-process-engineering.com)

YIL GERÇEKLEŞTİREN UYGULAMA

1895 Carl Von Linde Joule-Thomson Effect’ inden faydalanarak havanın

likitleştirilmesi.

1902 George Claude Genleşme makinasıyla havanın likitleştirilmesi.

1902 Linde İlk HAT.

1910 Linde İkili kolon prosesi.

1934 Linde Frankl Prosesi Rejeneratör prosesi.

1939 P.L.Kapitza Reaksiyon tipi genleşme türbinlerin gelişimi.

1954 Linde Tutucu kullanımı ile havanın saflaştırıldığı ilk HAT.

4

1965 Linde Dünyanın en büyük eğitim amaçlı HAT (760 t/d Oksijen)

1968 Linde ME tekniği.

1970 Linde Adsorptif hava saflaştırmasına sahip dünyanın ilk ve en

büyük tesisi (1370 t/d Oksijen, 3300 t/d Azot).

1978 Linde Dahili sıkıştırma prensibi ile çalışan dünyanın ilk ve en

büyük tonajlı tesisi (1200 t/d Oksijen, 100 bar, 1400 t/d

Azot).

1981 Linde Yükseltilmiş basınç proses çevrimi.

1989 Linde Avrupanın en büyük basınç süpürmeli adsorpsiyon (vakum

rejenerasyonlu) tesisi ile Oksijen üretimi.

1990 Linde Düşük sıcaklıkta saf Argon üretimi.

1991 Linde Dolgulu kolon kullanılan dünyanın en büyük HAT.

1995 Linde Amerika ‘da, en üst düzey teknoloji dahili sıkıştırma,

düşük sıcaklıkta saf Argon üretimi, dolgulu kolon ve

dökülen film tipi kondenser ile kurulan dünyanın en büyük

HAT.

1997 Linde Cantarell tesisi ile hava ayrıştırma tarihinde yeni bir

kilometre taşı oluştu. 4 adet Azot üretim tesisi ile günlük

40.000 mega ton Azot üretimi sağlanmıştır.

5

2. HAVA AYRIŞTIRMA TEKNOLOJİSİ

HAT, hammadde olarak hava ve elektriksel güç kullanarak Oksijen, Azot ve Argon üreten

ünitelerdir. Proses detaylarındaki üretimi amaçlanan ürünlerde ve tesisin kapasite oranlarında

değişiklikler olmakla birlikte, bütün HAT aşağıda belirtilen iki genel proses kategorisinden

birisine aittir:

• Düşük sıcaklık tesisleri,

• Düşük olmayan sıcaklık tesisleri.

Özel uygulamalarda en optimum endüstriyel gaz üretim sistemini seçmek için pek çok konu

hesaba katılmalıdır. Bu konular;

• İstenilen ürün sayısı (Azot, Oksijen, Azot+Oksijen+Argon),

• Gerekli ürün safiyetleri,

• Arzu edilen üretim miktarları,

• Gerekli ürün dağıtım basınçları,

• Günlük ve uzun dönemde oluşan talep değişiklikleri

• Enerji maliyetleridir.

Sonuç olarak, hava ayrıştırma tesisleri; kaynama sıcaklıkları farkından veya moleküler

ağırlıkları arasındaki fark, moleküler boyut ve diğer özelliklerden (membran ve tutucuların

kullanıldığı düşük olmayan sıcaklıkta ayırma) faydalanarak ürün üretir. (www.uigi.com)

6

3. DÜŞÜK OLMAYAN SICAKLIKTA HAVA AYRIŞTIRMA

Ayırma proseslerinin ortam sıcaklıklarına yakın sıcaklıkta, moleküler yapı, boyut ve kütle

gibi özelliklerin farklılıklarından faydalanarak, Oksijen ve Azotu gaz olarak üretir.

Yüksek safiyette ürün gerekli değilse ve gerekli üretim miktarları düşük seviyelerde ise düşük

olmayan sıcaklıkta hava ayrıştırma sistemi en uygun ve maliyet açısından en efektif seçimdir.

Bu proses diğer sistemlerdeki gibi kaynama sıcaklıkları farkından faydalanarak değil de

fiziksel özellikleri kullanarak üretim yapar. Bu tür sistemler iki kategoride toplanır:

• Adsorpsiyon prosesi. (Azot ve Oksijen üretiminde kullanılır)

• Membran difüzyon ayırma sistemi. (Gaz Azot üretiminde kullanılır)

Adsorpsiyon sistemleri konusunda iki değişik uygulama tarzı bulunmaktadır:

• BSA

• VBSA

BSA ve VBSA sistemleri; gazların özel olarak üretilmiş materyaller içerisindeki

adsorpsiyonları arasındaki farklılıkları kullanır. Bu materyaller istenilen ayrıştırmayı

yapabilecek özellikte üretilmektedir. Oksijen ve Azot üretimi için farklı tutucular kullanılır.

Fakat fiziksel görünümleri ve operasyon prensipleri birbirine benzemektedir.

Membran sistemleri; özel dizayn edilmiş polimer tüplerin cidarlarına doğru olan difüzyon

oranları arasındaki farktan faydalanarak ayrıştırma yapmaktadır. Örnek olarak, Oksijen ile

Azot veya Hidrojen ile CO2 arasındaki fark gibi. (www.uigi.com)

3.1 BSA Azot veya Oksijen Generatörü Bu teknoloji sıkıştırılmış havayı, içerisinde tutucu materyal bulunan çeşitli atmosferlerden

geçirerek Azot veya Oksijen üretir. Tutucular adsorpsiyon karakteristiklerine göre seçilirler.

Arzu edilen tutucu üretilen gazlara (Azot ve Oksijen) oranla, üretilmeyen molekülleri daha

fazla çekme etkisine sahip olmalıdır. Burada istenilen ürünler yatağa geçip oradan üretim

akışına katılırken, istenmeyen komponentler (ürünün safiyetini bozan materyaller) tutucu

tarafından tutulur.

BSA prosesi doğası gereği bir yığılma prosesidir. Dolayısıyla tutucu yatak periyodik olarak

desorpsiyon (temizlenme=bünyesinde tuttuğu materyallerden arınma) ihtiyacı duymaktadır.

Sonuç olarak BSA sistemi, operasyonun devamlılığının sağlanması açısından genellikle iki

adet tutucu tankından oluşmaktadır. Tanklardan bir tanesi adsorpsiyon işlemini

7

gerçekleştirirken, diğeri atmosferik basıncın altında bir basınç değerine (vakum) getirilerek

rejenerasyona tabi tutulur.

Azot BSA tankları, Oksijen ve diğer istenmeyen komponentleri uzaklaştırmak için

aktifleştirilmiş karbon ME malzemesi içermektedir. Azot üretildiği noktadan yaklaşık 6-8 atm

basınçta ve % 95-99,5 safiyette dağıtılır. Eğer daha yüksek safiyetler isteniyorsa,

Oksijensizleştirme ünitesi ilave edilebilir. Bu ünitede üretilen Azotun içerisindeki Oksijen ile

Hidrojen katalitik olarak karıştırılır. Sonuçta ortaya su çıkar. Bu su da soğutularak ve ilave

adsorpsiyonla uzaklaştırılır.

Oksijen BSA üniteleri, besleme havası içerisindeki su buharının büyük bir kısmını

uzaklaştırmak için alümina kullanır. Aynı anda Azot, CO2 , artık su buharı ve diğer gazları

adsorbe etmek için zeolit ME kullanılmaktadır. Oksijenin üniteden çıkış basıncı 1-3 atm

civarındadır. Oksijen safiyeti % 90-95 arasındadır. Oksijen safiyeti % 4,5-5’ lik Argon içeriği

nedeniyle sınırlandırılmıştır. (www.uigi.com)

3.2 VBSA Oksijen Üretimi Bu tür üniteler Oksijeni % 90-94 safiyette üretir. Safiyetsizliği oluşturan komponentler Argon

ve Azottur. Azot içeriği yaklaşık % 4,5-5 civarındadır.

Proses çevrimi, vakum blowerlarının desorpsiyon basıncını redüksiyona uğratmak amacıyla

kullanılmalarının dışında BSA ünitelerine benzemektedir. BSA ile karşılaştırıldığında daha

düşük desorpsiyon basıncı gerekli olan giriş basıncını redüksiyona uğratır. Sonuç olarak

VBSA sistemi Oksijeni bir kaç psig’ de (yaklaşık 0,2 atm) üretir. Daha yüksek Oksijen

dağıtım basıncını sağlamak için sisteme Oksijen booster kompresör veya blower ilave edilir.

Her iki tesis (BSA ve VBSA) dikkate alındığında VBSA sisteminin yatırım maliyeti daha

yüksektir, ancak enerji verimliliği aynı üretim akışı, basınç ve safiyet koşullarında daha

yüksektir.

VBSA ünitesi elek materyalinin vakum ile rejenerasyonunu sağlar. Bunun sonucu olarak ME

materyali daha yoğun olarak rejenere edilmiş olur. Bu tip sistemlerdeki ME materyali klasik

BSA sistemlerindekine oranla daha fazla seçici özelliktedir.

Sonuç olarak daha yüksek oranda kullanışlı Oksijen kurtarılabilir. Dolayısıyla daha az hava

işlenebilir. Eğer günlük arzu edilen üretim miktarı 20 tondan daha fazla ise VBSA sistemi

genellikle BSA ünitesine oranla daha uygun maliyetlidir. BSA sistemi günlük 60 ton Oksijen

8

üretimi söz konusu olduğunda en uygun maliyete sahip sistem olmaktadır. 60 tonun

üzerindeki üretim ihtiyaçları için düşük sıcaklıkta HAT en ideal olanıdır.

VBSA sisteminin spesifik gücü BSA Oksijen tesisine oranla 1/3 kadar daha düşüktür, fakat

düşük sıcaklıkta HAT’ ın spesifik gücüyle hemen hemen aynıdır. (www.uigi.com)

3.3 Azot Membran Sistemi Membran Azot generatörleri kabuk ve tüpten oluşan ısı eşanjörlerine (borulu eşanjör) benzer

tarzda dizayn edilmiş polimer tüp bandıl kullanır. Bu tarzda HAT’ ta temel prensip; gazların

polimer filmine doğru farklı yayılma oranlarına sahip olmasıdır.

Oksijen (su buharı ve CO2 içeren) hızlı gazlardan sayılmaktadır. Yavaş gazlar olan; Argon ve

Azottan daha çabuk tüp duvarlarına difüzyon sağlar.

Bu sistem kuru havanın, inert bir karışım olan Azot ve Argon ile düşük basınçta yayılan veya

Oksijen içerisinde zenginleştirilen artık gaz ürünlerinin oluşumunu sağlar. Azot ürünü

membran ünitesinden sıkıştırılmış hava besleme basıncına yakın bir basınçta çıkar.

Dolayısıyla uygulamalarda tamamlayıcı bir ürün sıkıştırması gerekli değildir.

Bu tür tesisler hızlı bir şekilde devreye alınabilir ve devreden çıkarılabilir.

Membran ayırma üniteleri standart ölçüde modüller halinde ve istenen Azot safiyet

değerlerinde üretimi sağlayacak tarzda yapılır. Giriş (besleme) havasının akış miktarı

arttırılırsa üretilecek Azot miktarı da artar. Fakat bunun sonucu olarak Azot safiyeti düşer.

Gerekli üretim kapasitesi (spesifik safiyet seviyelerinde) en büyük standart modül ölçüsünü

aştığı zaman daha küçük üniteler ana manifolda paralel olarak bağlanabilr.

Membran sistemi düşük miktarlardaki üretim taleplerini karşılamada en efektif çözümdür.

Daha yüksek kapasitelere ulaşmak için birden fazla küçük kapasiteli modül bir araya getirilir.

(www.uigi.com)

9

4. DÜŞÜK SICAKLIKTA HAVA AYRIŞTIRMA

4.1 Joule-Thomson Effect’ i İki İngiliz fizikçi olan Wiliam Thomson ve James Prescott Joule 1852’ de yaptıkları

deneylerde, basınç altında tutulan bir gazın sıcaklığı, genleşme valfinde adyabatik olarak

genleştirildiğinde düşer. Bu da soğukluk üretimi anlamına gelmektedir. İzoentalpik genleşme

deneyleri yapıldıktan sonra bu fenomen Joule-Thomson Effect adını almıştır. (Air Separation

Technique Course Information Document)

Genleştirici ile Likitleştirme: Gazın sıcaklığı, genleşme türbininde genişletildiğinde düşer. Bu

proses izentropik genişlemedir.

Şekil 4.1 T-S diyagramı / Joule-Thomson (Proposal for New Air Separation Plant)

Şekil 4.2 T-S Diyagramı / Türbin (Proposal for New Air Separation Plant)

10

4.2 Dr. Carl von Linde Prensibi (Havanın Likitleştirilmesi Prosesi) HAT, Linde Prensibini esas alır.

Linde prensibinde, Joule-Thomson Effect’ inden faydalanılarak sıvı hava üretimi gerçekleşir.

Sıvı hava distilasyon kolonları vasıtasıyla Oksijen ve Azot gazlarına ayrıştırılır.

Sıvı hava üretiminde soğukluk üretici olarak genleşme valfi ve genleşme türbini kullanılır.

(Air Separation Technique Course Information Document)

Şekil 4.3 Linde prensibi ile havanın likitleştirilmesi (Air Separation Technique Course Information Document)

Düşük sıcaklıkta HAT, HAÜ, Oksijen ünitesi, Oksijen generatörü, Azot ünitesi veya Azot

generatörü olarak adlandırılır.

Düşük sıcaklıkta hava ayrıştırma prosesleri ayırma ve ürün safiyetini sağlamak için kaynama

sıcaklıkları farkından faydalanır.

Düşük sıcaklık sistemleri likit ürünler üretebilen tek sistemlerdir. (www.uigi.com)

11

Şekil 4.4 Kaynama diyagramı. (Air Separation Plants Book)

12

4.3 HAT’ ta Bulunan Ekipmanlar

Çizelge 4.1 HAT’ ta bulunan ekipmanlar. (Air Separation Technique Course Information Document)

GRUP ADET EKİPMAN ADI SEMBOLİK ADI1 Turbo Hava Kompresörü C 1161 Kompresör 1 N2 Çevrim Kompresörü C 1461

Türbin 1 Genleşme Türbini X 3471

12 Son Soğutucu, Ara Soğutucu, Yağ

Soğutucu, Motor Soğutucu

E 1116, E 1117, E 1181,

E 1123, E1416, E 1417,

E 1418, E 1419, E 1421,

1 Duşlamalı Soğutucu E 2416

Soğutucu

1 Evaporatif Soğutucu E 2417

1 LIN-Ürün Ayırıcı D 3231

1 LOX-Transfer Tankı D 3234 Ayırıcı

1 Genleşme Türbini Çıkışı Likit Ayırıcı D 3432

3 Kompresör Hava Filtresi S 1146, S 1147, S 1148

1 Enstrüment Hava Filtresi S 8346

1 Su Kulesi Geri Dönüş Hattı Filtresi S 8446 Filtre

1 Metal Filtre S 8447

ME 2 ME A 2626 A/B

4 Ana Isı Eşanjörü E 3116 A/B/C/D

1 Booster Isı Eşanjörü E 3426

1 Soğutucu E 3316

1 Ana Kondenser (Buharlaştırıcı) E 3216

1 Ham Argon Kondenseri E 4116

1 Saf Argon Kondenseri E 4117

Isı Eşanjörü

1 Saf Argon Evaporatörü E 4119

1 Yüksek Basınç Kolonu T 3211

1 Alçak Basınç Kolonu T 3212

Distilasyon

Kolonu

2 Ham Argon Kolonu T4110, T 4111

13

1 Saf Argon Kolonu T4112

1 Rejenerasyon Gaz Isıtıcısı (Buharlı) E 2617 Isıtıcı 1 Rejenerasyon Gaz Isıtıcısı (Elektrikli) E 2618

P.K.S 1 Proses Kontrol Sistemi

2 LOX Pompası P 3568 A/B

2 LIN Back-up Pompası P 7366 A/B

1 LAr Pompası P 4566 Likit Pompası

2 LAr Ürün Pompası P 4569 A/B

2 Duşlamalı Soğutucu Su Pompası P 2466 A/B

2 Evaporatif Soğutucu Su Pompası P 2467 A/B Su Pompası

3 Su Soğutma Kulesi Su Pompası P 8466 A/B/C

1 GOX-Tampon Tankı D 7231

1 LIN / LAr Evaporatörü E 7916

2 LAr Tankı D 7310, D 7531

5 Susturucu N 1151, N 1153,

1 Su Soğutma Kulesi (3 Fanlı) E 8421 A/B/C

1 Buhar Ejektörü J 3956

Diğer Ekipmanlar

1 Su Hazırlama Ekipmanı

14

4.4 Temel Proses Basamakları Şekil 4.5’ te proses ana hatlarıyla sembolize edilmiştir.

Şekil 4.5 Proses akış şeması. (Air Separation Technique Course Information Document)

15

4.4.1 Havanın Filitrasyonu ve Sıkıştırılması (Basınçlandırılması) Hava farklı gazların karışımıdır. Bu gazlar ve spesifik özellikleri Çizelge 4.2’ de

verilmektedir.

Çizelge 4.2 Havada bulunan saf maddeler ve özellikleri. (Air Separation Technique Course Information Document)

Hacimce

Karışım (%)

Kaynama

Sıcaklığı (0C)

Gaz Yoğunluğu

(kg/m3)

Sıvı Yoğunluğu

(kg/l)

Azot 78,09 -195,8 1,249 0,812

Oksijen 20,95 -182,95 1,428 1,140

Argon 0,93 -185,7 1,783 1,400

Hidrojen 0,01 -252,74 0,0899 0,070

Neon 0,0018 -245,9 0,899 1,204

Helyum 0,00052 -268,88 0,178 0,125

Kripton 0,00011 -151,7 3,740 2,155

Xenon 0,0000086 -109,1 5,890 3,520

Bunlardan en önemli üç tanesi:

Azot, hacimce % 78, kimyasal sembolü N2

Oksijen, hacimce % 21, kimyasal sembolü O2

Argon, hacimce % 1, kimyasal sembolü Ar ‘ dur.

Hava içerisinde bulunan diğer bileşenler Çizelge 4.2’ de verilmektedir.

16

Çizelge 4.3 Havada bulunan saf olmayan maddeler ve özellikleri. (Air Separation Technique Course Information Document)

Hacimce

Karışım (%)

Kaynama

Sıcaklığı (0C)

Gaz Yoğunluğu

(kg/m3)

Sıvı Yoğunluğu

(kg/l)

Su 100 0,768 1,00

CO2 0,1-0,02

(ort. 0,033) -78,5 1,976 1,178

SOX 0,01 -10 (SO2) 2,926 1,46

NOX 0,0018 88,7 (NO2) 1,978 1,225

Hidrokarbonlar 0,00052

Asetilen (C2H2) 0,00011 -83,6 1,170 0,518

Metan (CH4) 0,0000086 -161,5 0,717 0,42

Bu bileşenlerin çoğu proses üzerinde olumsuz etki yapar, bu nedenle kirleticiler olarak

adlandırılırlar ve havadan uzaklaştırılmaları gerekmektedir. Bu kirleticiler taze hava içerisinde

bulunur. Çizelge 4.3’ de yer alan sülfür oksit ve azot oksitler yanma sonucu oluşan gazlar

olarak hava içerisinde bulunurlar.

Proseste kullanılacak olan atmosferik basınçtaki ve ortam sıcaklığındaki hava, hava emiş

bacası adı verilen, silindirik baca şeklindeki bir ekipman içerisinden geçerek, turbo kompresör

girişinde bulunan filitre odasına girer. Hava emiş bacasına girişte hava bir filitrasyona tabi

tutulur. Buradaki filitrasyon kaba filitrasyondur (büyük partiküllerin tutulduğu bölüm).

Toz proseste kesinlikle istenmeyen bir partiküldür ve kesinlikle havadan uzaklaştırılması

gerekir. Proses ekipmanlarında zamanla birikme yaparak direnç tabakası oluşturur ve

istenmeyen tıkanmalara sebebiyet verebilir.

Turbo hava kompresörünün dönen parçaları (rotor ve kanatçıklar) çok yüksek devirlerde

(1500 – 2000 rpm) döndüğünden üzerinden geçen hava akışının çok temiz olması gerekir. Toz

aşınmaları arttırır ve gaz kaçakları oluşur ki bu da kompresörün operasyonel verimliliğini

azaltır.

17

Hava filtreleri havanın içerisindeki toz partiküllerini tutar. En genel olarak ikiye ayrılabilir.

Birincisi akış filtreleri olarak adlandırılır ve büyük partikülleri tutmaya yarar. Diğer bir filtre

türü ise ince filtre olarak adlandırılır ve bunlar mikrometre (10-6 m) boyutundaki partikülleri

tutar.

Akış filtreleri rulo şeklindedir ve otomatik olarak kendini sarar. Bunlar işletmede rulo filtre

olarak adlandırılır. Bu filtrenin önündeki ve arkasındaki, yani giriş ve çıkış hava basınçları

ölçülerek aralarındaki fark (diferansiyel) basınç hesaplanır. Bu fark basıncın yükselmesine

göre filitrenin tıkanmaya başladığı anlaşılır ve filitre otomatik olarak sararak yeni ve temiz

filtrenin görev yapmasını sağlar.

İnce filitre, bir kasetin içerisine doldurulmuş, dokunmuş ağ şeklindeki malzemeden

oluşmaktadır. Bu tür filitreler işletmede kaset filitre olarak adlandırılır. Burada bir manometre

bulunmakta ve basınç düşüşü ölçülmektedir. Bu basınç düşüşü önceden belirlenmiş set

değerine geldiğinde (örneğin; 60 mmSS) kaset filitre yenisi ile değiştirilmelidir. Değiştirme

işlemi manuel olarak gerçekleştirilmektedir. Buradaki basınç düşüşü önemsiz büyüklükte gibi

görünse de turbo hava kompresörünün enerji tüketiminde büyük etkisi vardır. Aşağıda bir

filitre odası uygulaması verilmektedir. (Air Separation Technique Course Information

Document)

Ele alınan örnek tesiste, filitre odası 4 bölümden oluşmaktadır:

Birinci bölümde 2 adet rulo filitre bulunmaktadır. Bu filitrelerin girişi ile bir sonraki bölümün

girişi arasına bir manometre yerleştirilmiştir. Bu filitreler normal işletme şartlarında yaklaşık

1,5 ayda bir otomatik olarak sarmaktadır. Burası ilk geçiş alanı olduğundan diğerlerine oranla

daha çabuk kirlenmektedir.

İkinci bölüm birincinin aynısıdır. Burada da yine manometre ile fark basınç ölçülmektedir.

Üçüncü bölümde 20 adet kaset filitre bulunur. Bunlar daha küçük çaplı partikülleri tutma

özelliğine sahiptir. Bu filtreler yaklaşık 6 ayda bir değiştirilir.

Dördüncü bölümde kompresörden gelen gürültünün azaltılması amacıyla metal ekran

(susturucu) bulunmaktadır. (Operational Manual for No.5 Air Separation Plant)

4.4.1.1 Turbo Hava Kompresörü Günümüzdeki turbo hava kompresörleri radyal çok şaftlı kompresördür. Daha eski yıllarda

kullanılan kompresörler çok kademeli ancak tek radyal şaftlı dizayn edilmekteydi. Ancak bu

18

bakım konusunda ve arıza durumunda tüm şaftın komple sökülmesini gerektirdiğinden pek de

avantajlı değildi.

Burada ele alınacak kompresör 3 kademelidir. Kompresörün kademeleri dişli kutusu

(redüktör) üzerine monte edilmiştir. Elektrik motorundan gelen hareket ana dişliye

iletilmektedir. Ana dişli üzerinde birinci ve ikinci kademe fanlarını çeviren birinci pinyon

dişli ve üçüncü kademe fanlarını çeviren ikinci pinyon dişli bulunur. (Air Separation


Şekil 4.6 Turbo hava kompresörü kesiti. (Air Separation Plants Book)

Kompresörün Çalışması

Kompresör içerisinde, üzerinde çok sayıda bıçağın bulunduğu diskler yer almaktadır. Bunlara

çark adı verilmektedir. Çark kompresör içerisinde bir yuvaya oturur. Bu yuva spiral kabuk

şeklindedir.

Çark ve spiral yuvası çok büyük bir hassasiyetle üretilir. Aralarında mümkün olan en düşük

miktarda boşluk bırakılmıştır ve gerçekte birbirlerine teması bulunmamaktadır. Bu durum

19

yağlamayı gereksiz kılmakta, dolayısıyla hava yağsız olarak kalmaktadır.

Çark şaft üzerine monte edilmiştir ve bu şaft yataklanmıştır. Şaftla birlikte üzerindeki çark

çok yüksek devirlerde dönmektedir.

Gaz çarka aksiyal doğrultuda girer. Şaft ve çarkın yüksek devirlerde dönmesi nedeniyle gaz

rotasyon hareketine zorlanır. Yüksek rotasyon hızı nedeniyle gazın çark ile kabuk arasındaki

boşluktan geriye kaçması engellenir. Gaz çarktan spiral kabuğa radyal doğrultuda çıkar (İlk

kademenin spiral kabuğu en büyük olanıdır. Kademelerin numarası arttıkça boyutu küçülür.

En son kademe en küçük olanıdır). Gazın enerjisi sabit kalmak kaydıyla, kinetik enerjisi

hızdan yüksek basınca dönüşür (Bernoulli yasasına göre). Gaz şafttan dışarı doğru

kaçamayacaktır. Çünkü burada sızdırmazlık elemanı bulunmaktadır. Bu sızdırmazlık

elemanına labirent sızdırmazlık adı verilmektedir. Bu sızdırmazlık çok sayıda ince halka

plakadan oluşmaktadır. Bu halkalar şaft üzerinde ve duvarın içinde bulunmaktadır. Bunlar şaft

ve yatağa (duvara) aralarında çok küçük bir boşluk kalacak şekilde yerleştirilir.

Dönen ve sabit halkalar arasındaki küçük boşluk nedeniyle ufak kaçaklar oluşacaktır. Ancak

bu kaçaklar kontrol altında tutulabilir.

Tek çark basıncı yeterli düzeyde yükseltmez. Bu nedenle birkaç tane birden kullanılması

gerekir. Normalde 4 adet, bazen de 3 adet bulunur.

Her bir kademedeki sıkıştırmayla gazın gacmi küçülür. Sıkıştırmanın etkisiyle ısı yükselir ve

gazın sıcaklığı artar. Bir sonraki kademede efektif bir sıkıştırma yapılabilmesi için bu ısının

alınması gerekir. Bu nedenle her bir çarktan sonra bir adet soğutucu yerleştirilir. Bu

sağutuculara kademe soğutucuları adı verilir. Gaz, bu kademe soğutucularında su ile

soğutulur.

Şekil 4.7 Hava kompresörü kademe soğutucusu. (Oeltechnik Isı Eşanjörleri Seminer Notları)

20

Kompresöre giren atmosferik şartlardaki hava, birinci kademeye girer ve 1,1 kg/cm2 basınç ve

106 0C sıcaklıkta çıkarak ara kademe soğutucusuna girer. Buradan 21 0C’de çıkan hava ikinci

kademeye girer. Yaklaşık 2,2 kg/cm2 basınç ve 87 0C sıcaklıkta çıkan hava ikinci ara kademe

soğutucusundan geçtikten sonra üçüncü kademeye girer. Buradan yaklaşık 5-5,5 kg/cm2

basınç ve 90-95 0C sıcaklıkta çıkarak kompresörü terk eder. Buna karşılık soğutma suyu

kademe soğutucularına 20-25 0C sıcaklıkta ve 2,5-3 kg/cm2 basınçta girerken, çıkışta 27-30 0C

sıcaklığa ve 2,2-2,6 kg/cm2 basınca sahip olur.

Turbo hava kompresörünün enerji tüketimi doğrudan aşağıda verilen etkenlere bağlıdır:

• Akış = debi (Nm3/h)

• Her bir kademenin emiş sıcaklığı (0C)

• Basınç artışı Pçıkış / Pgiriş (bar / bar mutlak)

• Diğer tüm şartlar sabit kalmak kaydıyla hava akışında % 10’ luk bir artış sonucunda enerji

tüketimi de % 10 artar. (Air Separation Technique Course Information Document)

Kapasite Kontrolü

İlk çarkın girişinde bulunan IGV dönebilen bir vanadır. IGV, giren gaz akışının açısını dönen

çarka rağmen değiştirebilir. Çarktan gaza kinetik enerji aktarıldığından dolayı bu konu çok

önemlidir. Açı değiştiğinde, gazın hızı dönen çarka bağlı olarak değişir.

Normal işletmedeyken açı 00 dir. Çünkü gaz çark üzerine doğru hareket etmektedir. Eğer vana

dönecek olursa, giren gaz akışı çarkın dönüş yönü doğrultusunda akışa geçer ve gazın hızı

çark hızına düşer. Bu transfer olan kinetik enerji miktarını azaltır ve dolayısıyla akışı da

azaltır. IGV açısı pozitiftir ve giriş borusu üzerinde ölçekli olarak gösterilir. Normalde açıyı

+600 ye yükseltmek mümkündür. Bunun sonucunda akış % 60-65’ e düşer. Kompresörün

enerji tüketimi düşer, fakat bu düşüş verimin düştüğü ölçüde olmaz. Eğer IGV açısı yaklaşık

–150 ye kadar düşürülürse, akış bir dereceye kadar yükselebilir. Bu durumda gaz akışı, çarkın

dönmesine rağmen yönlendirilebilir. Bu, kinetik enerji miktarını arttırır ve gaz akışının artarak

yaklaşık % 110 olmasını sağlar. Bununla beraber enerji tüketimi de artar. Bazı tesislerde daha

basit tipte kontrol bulunur. Kontrol girişe konulan bir vanayla sağlanır. Bu vananın

kapatılmasıyla akış, bir dereceye kadar düşerken, basınç ve girişteki efektif hacim de azalır.

Bu yöntem ucuz olmasına rağmen daha düşük verimlilik sağlar. Basıncı atmakla, daha sonra

bu basıncı tekrar sağlamak için kompresörde enerji harcanmaktadır. (Air Separation


En iyi ve en pahalı kapasite kontrolü, kompresörün elektrik motoruna hız kontrolü takılarak

21

sağlanır. Bu yöntem kompresör verimini düşük hava akışlarında dahi korur.

Atmosfer Valfi (Askanya)

Turbo kompresörün çıkışında bulunan bu valf ile basınç ayarlaması yapılır. Kompresör

çıkışındaki basıncın set edilen değerde kalmasını sağlar. Bunu, basınç set değerinin üzerine

çıktığında açarak, altına indiğinde kapatarak sağlar. Modern sistemlerde bu işlem tamamen

otomatik olarak kendiliğinden gerçekleşmektedir. Eski tesislerde bu işlem manuel olarak

yapılmaktaydı.

Turbo hava kompresörü ilk çalıştırıldığında (tesis devreye alınırken) açma – kapama işlemleri

çok sık olarak gerçekleşmekte, tesis normal işletme şartlarına geldiğinde bu sıklık

azalmaktadır.

Kompresör Eğrileri ve Sörç

Kompresör akışı, prosesin tersten oluşturduğu basınca ve IGV’ nin açısına bağlıdır. Üreticiler

kompresörü test ederek, farklı basınçlar ve farklı IGV açıları için diyagram çizer.

Bu diyagramlarda yatay eksen hacimsel akışı, dikey eksen ise basınç oranını (Pçıkış / Pgiriş)

gösterir. Farklı IGV açıları (00, 200, 400, -100) için eğri çizilir. Eğriler benzer formdadır. Bu

nedenle geniş basınç oranında akış küçük olurken, düşük basınç oranında akış büyük olur.

Olayı daha iyi yorumlayabilmek için bir fan düşünelim. Bu fan bir borunun içerisine hava

üflemekte ve borunun en uç tarafında da bir vana bulunmaktadır. Vana tam açıkken, hava

akışı maksimum düzeyde, ancak boru içerisindeki basınç düşüktür. Kademeli olarak bu

vanayı kapatacak olursak, basınç yükselir fakat hava akışı düşer.

Sonuç olarak gelinen noktada şunu diyebiliriz: Karşı basınç çok fazla yükseldiğinde, fan daha

fazla zorlayamaz. Ardından hava kayıpları fan bıçaklarına temas eder ve akış anlık olarak

düşer. Şimdi basınç düşer ve hava tekrar boru içerisinde akışa geçer. Bu akış basıncın tekrar

çok yükselmesine kadar devam eder. Eğer bu durumda müdahale edilmezse bu proses tekrar

gerçekleşecek ve tüm fan ünitesi güçlü vibrasyon etkisiyle hasarlanacaktır. Bu olaya sörç adı

verilir.

Bu alan kompresör eğrisinde sörç alanı olarak tanımlanan bir alan ile gösterilir. (Air

Separation Technique Course Information Document)

Sörçten sakınmak için en basit yöntem akışı en kısa sürede arttırmak için atmosfer valfinin

açılmasıdır. Bu atmosfer deşarj hattına bağlıdır. Bu hat doğrudan atmosfere de olabilir,

22

kompresörün emiş hattına doğru da olabilir. Emiş hattına bağlanıyorsa buna baypas adı

verilir.

Bu olay otomatik olarak kontrol edilir ve sistemde bir FIC, PI ve hesaplama ünitesi bulunur.

Kompresör çıkışındaki akış ve basınç ölçülür. Hesaplama ünitesi diyagramın emniyetli

bölgesinde olup olmadığına karar verir. Eğer değilse akış kontrolörüne sinyal gönderilir ve

atmosfer valfi bu sinyale göre açılır.

Soğutucu Sıcaklıkları ve Soğutucudaki Kirlilik

Turbo kompresörün kademe soğutucularının bandıl borularının içerisinden soğutma suyu

geçerken, kabuk ile bandıl arasında kalan boş alandan hava geçer. Hava ile su birbirine zıt

yönde akarlar. Burada kontaksız bir ısı transferi gerçekleşir. Isı transfer alanı ve sıcaklık farkı,

verilen akış için ne kadarlık bir ısının transfer olacağını belirler.

Soğutma suyunun sıcaklığı, bir sonraki kademeye girecek gazın sıcaklığını belirler. Bu,

kompresördeki enerji tüketimi açısından önemlidir. Çünkü enerji tüketimi, kompresör kademe

girişindeki emiş sıcaklığına bağlıdır. (Air Separation Technique Course Information

Document)

Soğutucunun ne kadar verimli olduğunu belirlemek için çıkan gaz ile giren soğutma suyu

arasındaki sıcaklık farkı alınır. Eğer soğutma suyu sıcaklığı yükselirse, gazın çıkış sıcaklığı da

yükselir. Bu nedenle iki sıcaklık arasındaki fark alınarak soğutucunun fonksiyonu kontrol

edilir. Soğutma suyu akışının doğru set edilip edilmediğini kontrol amacıyla soğutucuya giren

suyun sıcaklık artışına bakılır. Bu değer üreticinin belirlediği sınırlar içerisinde olmalıdır.

Normalde bu 5-10 oC arasındadır. Eğer soğutma suyu miktarı çok az ise sıcaklık artışı fazla

olur. Eğer soğutma suyu debisi doğru set edildiyse soğutucunun kirlendiği; giren soğutma

suyu ile çıkan gaz sıcaklıkları arasındaki farkın yükselmesiyle anlaşılır (∆tsoğuk uç). Bu sıcaklık

farkı çok büyük değere ulaşırsa soğutucu temizlenmelidir.

Soğutucuda Havadan Soğutma Suyuna Aktarılan Enerji

Gaz endüstrisinde gaz akışları kg/h cinsinden ölçülemez. Nm3/h cinsinden ölçülebilir. Daha

sonra çevrim tablosu kullanılarak kg’ a dönüştürülebilir.

Havanın yoğunluğu 1,29 kg/Nm3’ tür.

Akış; F = 25330 kg/h olarak kabul edilsin.

Isı eşanjörü içerisinde basınç büyük oranda sabit kalır. Bu nedenle spesifik ısı olarak CP

23

kullanılacaktır.

Hava için CP = 1,0 kJ/kg0C

Su için CP = 4,2 kJ/kg0C

Aşağıda verilen eşitliği kullanarak entalpi farkı (ısı içeriği) hesaplanabilir.

TCFH phavahava ∆= .. (4.1)

( ) ( ) ( ) ( ) ( )hkJCCkgkJhkgHhava /22010001,23110./.0,1./25330 =°−°=

TCFH psusu ∆= .. (4.2)

)/(2303000)1724(.2,4.78700 hkJHsu =−=

Hava içerisindeki su buharının kondens olması hesaba katılmadığından arada fark oluşmuştur.

İşin gerçekleştiği süre içerisinde tüketilen enerji, güç olarak adlandırılır. Güç ile zamanın

çarpımı bize enerjiyi verecektir. 2300000 kJ/h’ lik değerin ne anlama geldiğini daha iyi

anlayabilmek için bunu kW’ a dönüştürebiliriz. (Air Separation Technique Course

Information Document)

1 kJ =1 kWs ve 1h = 3600 s’ dir.

Buna göre;

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) kWshhkWshshkWshkJ 639/./639/3600//2300000/2300000 ===

Değişen Soğutma Suyu Sıcaklığına Bağlı Olarak Değişen Enerji Tüketimi

Eğer soğutma suyu sıcaklığı yükselecek olursa; 2, 3 ve 4. kademelerin emiş sıcaklıkları da

yükselir. Bu da enerji tüketiminin artmasına neden olur. Bu, izoterm işletme verimlilik

denklemi kullanılarak hesaplanabilir (sabit akışta yükselen basınçta).

Burada basitleştirilmiş bir yöntemle hesap yapılabilir. Yeni enerji tüketimi dizayn değerinin

yerini alır. Bu, yeni soğutma suyu sıcaklığının dizaynı ile yaklaşık olarak aynı yola sahiptir.

(Dizayn) soğutma suyu sıcaklığı = 25 oC = 298 K

Yeni değer = 29 oC = 302 K

Yeni ve dizayn enerji tüketimleri arasındaki oran = 302 / 298 = 1,013 = % 101,3

24

Soğutma suyu sıcaklığındaki 4 oC’ lik bir artış, 4 kademeli bir kompresördeki elektrik

tüketimini % 1 arttırır. (Air Separation Technique Course Information Document)

Turbo Hava Kompresörünün Verimliliği

Verimlilik, giriş enerjisinin ne kadarının kullanıldığıdır. Kompresör için bu, şaft işinin ne

kadarlık kısmının gaz basıncını yükseltmek için kullanıldığıdır. Sıkıştırma ile sıcaklık

artmaktadır. Bu sıcaklık faydalanılamaz enerjidir. Bu nedenle ısı dışarı alınmalıdır.

Verimlilik kompresörün dizaynına, kaç tane çarkıı ve ara kademe soğutucusu olduğuna

bağlıdır.

4 kademeli bir kompresörün 4 çarkı ve 3 tane ara kademe soğutucusu vardır. Operasyon

verimliliği 3 kademeli ve 2 ara kademe soğutuculu kompresörden daha yüksektir.

Kayıplar için pek çok sebep vardır. Hareketli ve sabit makine parçaları arasındaki sürtünme,

hareketli gaz ve duvarlar arasındaki sürtünme. Ayrıca sıkıştırma ile gazın molekülleri daha

sıkı bir yapıya ulaştığından ve ortaya çıkan ısıdan dolayı moleküller arasında daha fazla

sürtünme meydana gelecektir.

Kompresör verimliliğinin hesaplanmasında pekçok yöntem vardır. Burada kullanılacak olan

yöntem AGA’ nın HAT ile ilgili yapmış olduğu teknik incelemede yer alan çalışmadır.

Burada hesaplanan izotermal verimliliktir. Eğer gaz çok sayıda çarkı ve ara kademe

soğutucusu bulunan bir kompresörde sabit sıcaklıkta sıkıştırılmışsa hesaplamalar enerji

tüketimini verecektir.

İzotermik sıkıştırma teorik olarak en iyi sıkıştırmadır. Diğer bir deyişle izotermik sıkıştırma

enerjisi, verilen basınç, sıcaklık ve akış değerleri için mümkün olan en düşük enerji

tüketimidir.

Emiş sıcaklığı, basınç, akış ve dağıtım basıncı not edilmiştir. Bunlar izotermik enerjiyi

hesaplamak için kullanılacaktır. kWh ölçerin kompresör için ölçmüş olduğu değer de not

edilmiştir. (Air Separation Technique Course Information Document)

Basınç: 1016 mbar

Hava sıcaklığı: 21 0C

Soğutma suyu sıcaklığı: 29 0C

25

Kompresör izotermal işini veren formül:

( ) ( ) ( )[ ]nnn PPTPPTPPTRMmW /ln.............../ln./ln.../ 1232121 ++++= (4.3)

Kütlesel akışı Nm3/h’ ten kg/s’ ye çevirmek için; hava yoğunluğuyla (1,29 kg/Nm3 ) veya

Azot yoğunluğuyla (1,25 kg/ Nm3 ) çarpıp, 3600 s/h’ e böleriz.

Verim, her bir kademeye ait izotermal işin toplamının veya tüm makine için T1.ln (Pçıkış / P1)

ifadesinin gerçek güç tüketimine bölünmesiyle elde edilir.

M = 57441 Nm3/h = 20,58 kg/s

T1 = 21 0C = 294 0K

T2 = 35 0C = 308 0K

T3 = 31 0C = 304 0K

T4 = 32 0C = 305 0K

P1 = 0 barg = 1,016 bara

P2 = 0,56 barg = 1,576 bara

P3 = 1,1 barg = 2,12 bara

P4 = 2,2 barg = 3,2 bara

Pçıkış = 5,34 barg = 6,356 bara

( ) ( ) ( )( )

kW

W

32792,3/356,6ln.305

12,2/2,3ln.304576,1/12,2ln.308016,1/576,1ln.294.314,8.96,28/58,20

=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ +++=

İzotermal iş = 3279 kW

Ölçülen güç = 4875 kW (motor verimi = % 97,2)

Şaft gücü = 4739 kW

Verim = izotermal iş / şaft gücü = % 69

Verimliliğin düştüğünü görebilmek için daha basit bir yöntem vardır. Yataklardaki artan

sürtünmeler sonucunda yatak sıcaklığı yükselir. Impeller üzerindeki aşınma neticesinde geriye

(emiş tarafına) doğru olan sıcak gaz kaçakları artar. Bunun sonucunda emiş sıcaklığı ve

26

dolayısıyla çıkış sıcaklığı da artar. Giriş ve çıkış sıcaklıkları arasındaki fark hesaplanarak, bu

fark değeri kompresörün ilk devreye alındığı zamanki değerle (aynı yükteki değer)

karşılaştırılırsa, herhangi bir bozulma olup olmadığını görmek mümkün olur. (Air Separation


4.4.2 Havanın Ön Soğutulması Proses havası ME tanklarına girmeden önce duşlamalı soğutucu içerisinde soğutulur. Bazı

tesislerde buna hava sukruberi de denilmektedir. Günümüzdeki tüm modern tesislerde

duşlamalı soğutucu kullanılmaktadır. Eski yıllarda HAT’ ta turbo hava kompresöründen çıkan

hava son soğutucu adı verilen bir eşanjörde soğutulmaktaydı.

Duşlamalı soğutucu içerisinde dolgu malzemesi ve ızgaralar bulunan 10-15 m yüksekliğinde

silindirik bir tanktır. İçerisindeki dolgu malzemesine raşing halkaları denilmektedir. Bunlar 70

mm çaplı plastik malzemelerdir ve duşlamalı soğutucu içerisine rastgele üst üste

doldurulmaktadır.

Duşlamalı soğutucuya soğutma suyu, orta noktasından girer. Ayrıca ekstra olarak evaporatif

soğutucuda soğutulmuş su da tankın üst kısmından giriş yapar.

Hava yukarıya doğru yükselirken, yukarıdan 2 ayrı noktadan dökülen su bloğuyla direkt

temasta bulunarak ısısını suya verir. Burada direkt bir temas söz konusu olduğundan bu

üniteye DKHS adı verilir. (Air Separation Technique Course Information Document)

Dolgu malzemeleri, su ile hava arasındaki ısı transfer yüzeyini arttırmak amacıyla

kullanılmaktadır (Distilasyon kolonlarındaki delikli tepsi ve yapısal dolgu malzemeleri de

aynı amaçla kullanılmaktadır).

Hava kompresörünün kapasitesi 107.000 Nm3/h olan bir tesisi göz önüne alacak olursak:

Havanın kompresörden çıkış sıcaklığı +74 0C’ dir. Hava, kompresörün ara kademe

soğutucularında soğutulmasına rağmen çıkışta yüksek bir sıcaklığa sahiptir. Soğutma

kulesinden gelen suyun debisi 103 m3/h ve sıcaklığı da +22 0C’ dir. Bu su duşlamalı

soğutucuya orta kısımdan girmektedir. Tepede bulunan kısımdan ise, evaporatif soğutucudan

gelen 45 m3/h debide ve +10 0C sıcaklıkta su girmektedir.

Duşlamalı soğutucu havayı +12 0C’ ye soğutacak şekilde ölçülendirilmiştir. Sonuç olarak

∆Tsoğuk = 2 0C dir. Duşlamalı soğutucuya ilave soğuk suyun sağlandığı evaporatif soğutucu da

duşlamalı soğutucu gibi içerisinde aynı tarzda dolgu malzemesinin bulunduğu 5-10 metre

27

yüksekliğinde, üstü atmosfere açık tanktır. (Air Separation Technique Course Information

Document)

Şekil 4.8 Duşlamalı soğutucu. (Operational Manual for No.5 Air Separation Plant)

28

Şekil 4.9 Evaporatif soğutucu. (Operational Manual for No.5 Air Separation Plant)

Evaporatif soğutucunun üst kısmından soğutma kulesinden gelen su girerken, alt noktadan ise

kuru GAN ve kirli (atık) Azot girer. Bu üniteye DKSS adı verilir. Soğutma kulesi gibi çalışan

Evaporatif soğutucuda su vaporize olur ve suyun ısısı alınır. Çünkü Azot son derece kurudur

ve çok miktarda su buharını adsorbe edebilir. Isıyı alan Azot tepede bulunan atmosfere açık

bacadan dışarı atılır.

Evaporatif soğutucuya üstten giren suyun sıcaklığı +22 0C, kuru (kirli) Azot’ un debisi 59.000

Nm3/h, sıcaklığı +25 0C. Azot’ un adsorbe edebileceği su buharı miktarı 1100 kg/h dir.

Su burada +10 0C’ ye kadar soğutulur. Bu sıcaklık giren Azot’ tan 15 0C daha soğuktur. (Air


29

4.4.2.1 Evaporatif Soğutucu Enerji Dengesi Çekilen ısı = suyun soğuması + GAN’ ın soğutması (Absorbe olan ısı) = Vaporizasyon

Vaporizasyon = 1100 (kg/h) . 2460 (kJ/kg) = 2706 MJ/h

Suyun soğuması = 45431 (kg/h) . (22-10) (0C) . 4,19 (kJ/kg0C) = 2284 MJ/h

GAN’ ın soğutması = 73976 (kg/h) . (25-20) (0C) . 1,04 (kJ/ kg0C) = 385 MJ/h

Çekilen ısı = 2284 + 385 = 2669 MJ/h

Fark = 37 MJ/h = % 1,6

GAN içerisindeki nem miktarı hesaplanabilir.

20 0C sıcaklıkta doymuş haldeki nem miktarı 17,3 g/m3’ tür.

Bu uygulama gerçek m3 üzerinden olduğundan;

59.000 . 293 / 273 = 63.516 m3/h dir.

Nem miktarı = 63.516 . 17,3 = 1097 kg/h dir. (Air Separation Technique Course Information

Document)

ME içerisine hava ile birlikte suyun taşınmasını önlemek amacıyla duşlamalı soğutucu

üzerinde (havanın çıkış noktasında) demister adı verilen bir ızgara bulunmaktadır. Hava ile

birlikte taşınan su buraya takılır ve geçemez.

ME tanklarına su geçişini engellemek amacıyla ayrıca elektronik otomasyon cihazları sisteme

adapte edilmiştir.

Kolona doğru basınç düşüşü, bir taşkın olup olmadığını gösterir. Bu sebepten burada bir PDI

bulunmaktadır. Su seviyesinde LIC bulunur. Seviyede risk teşkil edecek bir durum söz

konusu olduğunda alarm üretilir ve operasyonel tedbir alınır. Normalde seviyenin % 50-60’ ın

altında tutulmaması gerekir. Duşlamalı soğutucunun seviye göstergesinin kışın donmaması

için elektrikli ısıtıcı kullanılır. Seviye göstergesinin donması durumunda seviye doğru

okunamayacağından, aşırı dolması veya azalması söz konusu olabilir. Aşırı doluluk (örneğin

seviyenin % 100 ve daha fazla olması ) durumunda suyun ME tanklarına basınçlı havayla

birlikte basılması riski söz konusudur ki bu ME malzemesinin tamamen kullanılamaz hale

gelmesine neden olur. Böyle bir durumda tüm ME’ nin yenilenmesi gerekir.

30

Şekil 4.10 Duşlamalı soğutucu-evaporatif soğutucu akış diyagramı. (Air Separation Technique Course Information Document)

31

4.4.3 Havanın Temizlenmesi ve Saflaştırılması Bu aşamada, havanın içerisinde bulunan nem (su buharı), CO2 ve hidrokarbonların

uzaklaştırılması sağlanır.

Ürünün kalite spesifikasyonlarının sağlanması açısından bu içeriklerin uzaklaştırılması

gerekir. Proses düşük sıcaklıkta olduğundan proses havası içerisinde kesinlikle su buharı

bulunmamalıdır. Hava içerisinde 1 ppm kadar dahi nem bulunursa, bu nem çok yüksek

soğukluk sonucunda donarak buz parçası halini alacak, proses hatları ve ısı eşanjörlerinin

pasajlarında tıkanmalara sebep olacaktır. CO2 de aynı şekilde negatif sıcaklıklarda donarak

sistem açısından risk oluşturacaktır.

Atmosferik havanın içerisinde daima nem bulunur. Bu nemin miktarı havanın sıcaklığına ve

rüzgar gibi diğer koşullara bağlıdır.

4.4.3.1 Sıcaklığa Bağlı Buhar İçeriği Hava içerisindeki doymuş nem miktarı sıcaklığa bağlıdır. Çizelge 4.4’ de farklı

sıcaklıklardaki buhar miktarları ve o sıcaklıkta sahip olduğu basınç değerleri de yer

almaktadır.

Çizelge 4.4 Farklı sıcaklıklardaki buhar içeriği. (Air Separation Technique Course Information Document)

Sıcaklık (0C) Buhar İçeriği

(g/m3)

Buhar Basıncı

(mbar)

-10 2,3 2,9

0 4,8 6,1

5 6,8 8,7

10 9,3 12,3

20 17,1 23,4

30 30,3 42,4

40 51,0 123

100 598 1013

Çizelgeden görüldüğü gibi 100 0C’ de buhar basıncı 1,013 bar olup, bu da atmosferik basınca

eşittir. Su kaynatıldığında buhar içeriği çok artacaktır.

32

Sıcaklık 0 0C’ nin altında ise buhar kayıp olmaz. Buhar içeriği sıcaklıkla birlikte kademeli

olarak azalır. Hava neme doyduğu zaman, bağıl nemi % 100 olur.

Örnek:

Hava sıcaklığı 20 0C, nem oranı % 70 ise buhar içeriği;

0,7.17,1 = 11,9 g/m3

Hava soğutulduğu zaman bağıl nemi yükselir. Bu değer % 100’ e yaklaştığında hava nemi

taşıyamaz ve kondenzasyon olayı başlar. Çiğ noktasına ulaşılır. Örnekteki 11,9 g/m3 buhar

yaklaşık 14 0C’ de çiğ noktasına ulaşır. (Air Separation Technique Course Information

Document)

4.4.3.2 Hava Basıncına Bağlı Buhar İçeriği Doymuş haldeyken hava basıncının buhar içeriği üzerine bir etkisi bulunmamaktadır.

Hava kompresöründe hava atmosferik basınçtan yaklaşık 5 barg’ a kadar sıkıştırılmaktadır.

Eğer basınçlar mutlak basınca çevirilecek olursa; değerler 1 ve 6 bar (mutlak) olur. Buradan

yola çıkılarak, ideal gaz denkleminden faydalanmak suretiyle hacimsel oran çıkarabilir. Çıkış

hacmi giriş hacminin 1/6’ sı olacaktır. Buradan sonuçla çıkış hacmi içerisinde giriş hacminin

6 katı su bulunacaktır. Bu da demek oluyor ki çok fazla miktarda su kondens edilerek

atılacaktır.

Eğer havayı 20 0C ve % 70 bağıl nemde 5 barg’ a sıkıştırır ve ardından 20 0C’ ye soğutursak;

girişteki buhar içeriği 11,9 g/m3 olmak üzere, çıkıştaki hava sadece 17,1 / 6 = 2,85 g/m3 buhar

taşıyabilecektir.

Sonuçta 11,9 – 2,85 = 9,05 g/m3 kondens olarak uzaklaştırılmalıdır.

Eğer 20 0C ve % 100 bağıl nemde havayı aynı yolla sıkıştırırsak içeri daha fazla buhar (17,1

g/m3 ) girecektir. Fakat aynı miktarda buhar çıkabilecektir. Dolayısıyla daha fazla su kondens

olarak dışarı alınacaktır (17,1 – 2,85 = 14,25 g/m3 ). (Air Separation Technique Course


4.4.3.3 Havanın Kurutulması ve Karbondioksitin Uzaklaştırılması Eski tesislerde havanın kurutulması ve CO2’ nin uzaklaştırılması işlemi revex eşanjör adı

verilen ekipmanla sağlanmaktaydı. Bu eşanjörlerin pasajlarının girişinde havanın nemi,

33

çıkışında ise CO2 tutulmaktadır. Daha sonra tutulan bu nem ve CO2 (kristalize olmuş) pasaj

içerisine üflenen N2 ile süpürülerek dışarı atılmaktadır.

Günümüzde modern tesislerde, kurutma işi için ME, silikajel (SiO2), aktifleştirilmiş alumina

(Al2O3) adı verilen malzemeler kullanılmaktadır. Bunlardan en yaygın olarak kullanılanı ME’

dir.

Eğer Argon üretimi isteniyorsa veya Azot oranının Oksijene göre daha yüksek olması

isteniyorsa ME’ li sistem kullanılmalıdır. (Air Separation Technique Course Information

Document)

4.4.3.4 ME ME, doğal veya yapay olarak üretilen kristalimsi-alkali veya toprak alkali alüminyum silikat

minerallerinden oluşmaktadır ve bunlara zeolit adı verilmektedir. ME üç boyutlu ağ şeklinde

yapıya sahiptir. Moleküller arasında bulunan boşluklar eşit ölçülerdedir ve çevresel olarak 6

adet geçişi mümkün kılan boşluk şeklinde bulunur. Sodyum bileşiklerine ait kristalimsi yapı

aşağıdaki kimyasal formülle ifade edilebilir.

Na12 (AlO2)12 (SiO2)12

Bu zeolitler bünyelerindeki moleküler kristal yapıda büyük miktarlarda suyu

bağlayabilmektedir. Zeolit ısıtıldığında bünyesindeki su evapore olur. Silikat molekülleri

sıkıca bir araya getirilmiştir (aralarında bağ bulunmaktadır) ve zeolit üzerine eşit büyüklükte

gözenekler (delikler) açılmıştır. Bu gözenekler (porozite) sayesinde geniş bir iç yüzeye

sahiptir. ME 500-900 m2/g lık bir aktif iç yüzeye sahiptir. Su molekülleri zeolit üzerinde

bulunan bu deliklerin iç çeperlerine çok güçlü bir şekilde bağlanır. Bu olaya adsorpsiyon adı

verilir. (www.axens.net)

Özel moleküler yapısı ve üzerindeki delikler sayesinde ME’ ler diğer kirlilik kaynaklarını

(CO2, C2H2 ve diğer büyük hidrokarbonlar) tutabilir.

Zeolit kristallerden oluşan ME seramik materyal üzerine bağlanarak 5 mm çapında boncuk

taneleri oluşturulur. (A Contribution to Process Intensification, Chapter 6. Structured

Catalysts and Reactors)

4.4.3.5 Hidrokarbon Riski Hidrokarbonların büyük bir çoğunluğu ME’ de tamamen tutulur. Fakat eten ve propan kısmen

tutulurken, metan ve etan hiç tutulmaz. Bunların kaynama sıcaklıkları Oksijenin kaynama

34

sıcaklığından daha yüksektir, bu yüzden bunlar duşlanarak LOX-kaynatıcısına dökülecek,

oradan da tanka gidecektir. Etan, eten ve propan yüksek kaynama sıcaklıklarına sahip

olduğundan LOX içerisinde tamamen dibe çökecektir. LOX’ un kaynama sıcaklığına yakın

kaynama noktasına sahip metanın büyük bir kısmı LOX içerisinde dibe çökerken, bir kısmı da

GOX ile birlikte dışarı gidecektir.

Etan, eten ve propanın atmosferde bulunma miktarı değişkendir. Fakat metan için bu değer 1-

2 ppm olabilir. Diğerleri için 0,1 ppm’ den daha azdır (her biri için).

Bu hidrokarbonların LOX içerisindeki çözülebilirliği birkaç yüz ppm dir. Bu değer patlama

limitinin çok altındadır. Bu nedenle normalde çok küçük bir risk mevcuttur. Fakat

indirgenmiş LOX üretimi yükseltilmiş konsantrasyon anlamına gelmekte ve bu yüzden izin

verilebilir minimum üretim için yeni kurallar takip edilmelidir.

LOX’ un kuru kaynaması çok tehlikelidir ve bu durumda hidrokarbonların konsantrasyonları

çok yüksek değerlere ulaşır.

Bu durum kaynatıcıda, çok düşük seviyelerde çalışıyorsa meydana gelir. LOX kaynaması

durur ve hidrokarbonlar kalır. Kuru kaynama ayrıca kaynatıcı bloğunun pasajında kısmen

tıkanmaya neden olur. Tüm tesislerde iyi çalışan bir CO2 analizörü bulunmalıdır. Alarm limiti,

adsorpsiyon çevriminin sonunda 1 ppm CO2 olmalıdır. Olması gereken CO2’ yi 1 ppm in

altında tutmaktır. Analizörün tespit limitinin üzerindeki değerler ciddi risk içermektedir.

Buradan çıkabilecek sonuçlar;

• ME içerisinde bir hasar (darbe),

• ME içerisinde kaçak olma durumudur.

Asetilen atmosferde yaklaşık 0,1 ppm civarındadır ve özellikle tehlikelidir. 5 ppm’ in

üzerinde LOX içerisinde çözünemez. Bu değerin üzerinde kristal formunu (buz) alır ve çok

yüksek derecede patlayıcı özelliktedir. (www.eiga.org)

Azot oksit (N2O : gülme gazı), fazla yaygın olmayan tipteki LOX-kaynatıcıların (dökülen film

tipi) kullanıldığı tesislerde risk faktörü olarak görülmektedir. Atmosferde yaklaşık 0,35 ppm

oranında bulunur ve ME’ den büyük oranda tutulmadan geçer. Büyük bir GOX üretim

tesisinde, dökülen film tipi kaynatıcıda kristalize olarak kuru kaynamaya sebebiyet verebilir.


35

4.4.3.6 ME Doyduğu Zaman Karbondioksiti tutamazsa (Karbondioksit Sisteme Kaçarsa) Oluşacak Riskler

Kaçan CO2 donarak yumuşak kar tanelerine dönüşür (ana ısı eşanjörlerinin soğuk uçlarında).

Bunun etkisini yükselen sıcaklık farkı olarak gözlemleriz ve gaz akışlarını değiştirerek bunu

azaltamayız. Ayrıca yükselen basınç düşüşü de diğer bir etki olarak gözlemlenir.

CO2 yoluna devam ederek kolonun içerisine girecektir. Kaynama sıcaklığı yüksektir. RL

içerisinde yıkanır. Daha sonra ABK’ ya gönderilir ve oradan da aşağıda bulunan LOX-

kaynatıcısına dökülür. Kaynatıcı yüzeyinde tabaka halini alır. Bu bölgedeki ısı transferini

azaltarak kondenserin Azot tarafındaki basıncın yükselmesine neden olur. (Air Separation


4.4.3.7 ME Tanklarının (Batarya) Çalışma Prensibi ME taneleri silindirik bir tank içerisinde delikli tepsi üzerine yatak oluşturacak şekilde

konulur. Silindirik tank dizaynına bağlı olarak yatay veya dikey konumda yerleştirilebilir.

Proses havası tanka girerek ME içerisinden geçerken nemini ve kirleticileri yatakta bırakarak

tankı terk eder. ME içerisinde kalan bu kirlilikler daha sonra ısıtılmış kirli N2 üflenerek

(proses havasının akış yönüne ters yönde) uzaklaştırılır. Bu olaya rejenerasyon adı verilir.

Sistemde iki adet ME tankı ve çok sayıda vana bulunmaktadır.

Her bir tanka uygulanan operasyonlar aşağıda verilmektedir:

• Duşlamalı soğutucudan 5 bar basınçta ve 5-15 0C sıcaklıkta çıkan havanın adsorpsiyonu,

• Her iki tankın 5 bar basınçta paralel operasyonu,

• Adsorpsiyondaki tankın basınç düşüşü,

• Kirli N2 ile (0,2 bar’ da) ısıtma,

• +5 0C’ de kirli N2 ile soğutma,

• 5 bar’ da havayla basınçlandırma. (Operational Manual for No.5 Air Separation Plant)

4.4.3.8 ME’ nin Diğer Kurutucularla Kombinasyonu

ME su damlacıklarına karşı çok hassastır. Su tutulduğunda enerji serbest kalır ve su

damlacıkları geldiğinde sıcaklık artışı o kadar fazla olur ki ME boncukları yarılma tehlikesi

ile karşılaşır. Bu nedenle bazı ME tabakalarından önce (havanın geliş yönünde) alümina jel

tabakası yerleştirilir. Alümina jel asıl kurutucu görevini görmektedir. Alümina jelin avantajı,

bünyesine aldığı suyu uzaklaştırmak için daha az enerji gerekmesidir.

36

Kullanılacak alümina jel miktarı su miktarına bağlı olarak dizayn edilir. Kullanılacak ME

miktarı ise CO2 ve hidrokarbon miktarlarına bağlı olarak belirlenir.

(www.domnickhunter.com)

Şekil 4.11 ME sistemi akış diyagramı. (Air Separation Technique Course Information Document)

37

Şekil 4.12 ME tankı bileşenleri. (Operational Manual for No.4 Air Separation Plant)

4.4.3.9 Adsorpsiyon Adsorpsiyon, gaz veya buharın katı partiküller içerisinde komponentlerine ayrıştırılması

olarak ifade edilebilir. Katıların sahip olduğu poroz yapı ve geniş etki yüzeyi sayesinde gaz

karışımı içerisindeki düşük konsantrasyondaki nemin ayrılması sağlanır.

Adsorpsiyon maddesi aşağıdaki gereklilikleri yerine getirmelidir:

• Ayrıştırılacak komponentler için yüksek seçicilik,

• Doyumdan sonra desorpsiyon için yüksek hazırlık,

• Düşük konsantrasyonlarda yüksek adsorpsiyon kapasitesi,

• Sıcaklık değişimlerine karşı mekanik sağlamlık,

• Adsorpsiyon ve desorpsiyon boyunca gaz ve buhar geçirgenliği,

• Gazlar ve su buharına karşı kimyasal direnç. (www.sigmaaldrich.com)

Poroz tutucu kullanılarak gerçekleştirilen adsorpsiyon prosesi, üç kinetik kısımdan

oluşmaktadır:

• Maddenin sınır tabaka içerisinde transferi,

• Maddenin poroz sistem içerisinde tutulması için difüzyonu,

• Tutucunun iç yüzeyindeki sorpsiyon.

38

Katı adsorpsiyon maddesi yüzeyinde gerçekleşen fiziksel adsorpsiyon, diğer proseslerin de

eşlik etmesiyle gerçekleşir. Adsorpsiyon en genel sorpsiyon prosesi olarak dikkate alınır.

Tutucunun mikro gözenekleri içerisinde, yüksek basınçlarda buharın kapilar (kılcal)

kondenzasyonu gerçekleşir veya ayrıştırılan materyaller katı malzeme içerisine difüz eder.

Ayrıca gaz komponentler ile katı materyaller arasında kimyasal reaksiyon şeklinde bir

kimyasal adsorpsiyon oluşumu mümkündür. Fiziksel ve kimyasal adsorpsiyonlar, proseslerde

oluşan ısı fenomeni ile birbirinden ayrılır. (www.domnickhunter.com)

Şekil 4.13 Kirleticilerin ME içerisinde tutulduğu bölgeler. (Air Separation Technique Course Information Document)

39

Gaz karışımlardan düşük konsantrasyonlu buharların toplam ayırımı adsorpsiyon ile mümkün

olur. Yüksek konsantrasyonlarda adsorpsiyon genellikle pek ekonomik değildir. Gaz

miktarına bağlı olarak yüksek oranlarda tutucu materyali gerekmektedir. Bu da demek oluyor

ki, sık sık rejenerasyon gerekliliği söz konusudur. Adsorpsiyon ısısı tutucu içerisindeki

sıcaklığın 10-20 0C kadar artmasına neden olur. Bununla beraber sorptif miktardaki sıcaklık

bağımlılığı düşükse, adsorpsiyonla birlikte soğutma gerekmez. (www.domnickhunter.com)

Çizelge 4.5 Tutucu karakteristikleri. (www.domnickhunter.com)

Karakteristik Alüminyum Oksit Silikajel ME

Tane boyutu (mm) 2-9 2-8 1-6

Porozite (%) 50-60 50-65 45-60

Spesifik yüzey (m2/g) 100-400 300-800 500-900

Gözenek hacmi (ml/g) 0,3-0,5 0,4-1,0 0,5-1,1

Gözenek boyutu (Ä) 15-100 21-100 4-15

Spesifik ısı (kcal/kg0C) 0,21-0,25 0,22-0,25 0,19-0,31

Yığın hacmi (kg/m3) 600-900 450-800 600-900

Statik aktivite (kg/kg) 0,2-0,3 0,2-0,4 0,3-0,5

Adsorpsiyon sıcaklığı (0C) 0-30 5-40 5-50

Rejenerasyon sıcaklığı (0C) 170-320 140-250 190-320

Çizelge 4.5 teknik olarak kullanılan en önemli tutucuların karakteristiklerini göstermektedir.

Burada en önemli karakteristik yüksek spesifik yüzeydir. Tutucu içerisinde gaz hızı 0,1-0,6

m/s civarındadır. Alüminyum oksit, silikajel, ME ve aktif kömür teknik uygulama alanları

bakımından birbirinden ayrılır. Bunların mikro gözenek çapları 4-250 nm (4-250.10-9 m)

aralığındadır. (www.domnickhunter.com)

Alüminyum oksit, silikajel ve ME özellikle kutupsal bileşiklerin adsorpsiyonu için uygundur.

Havanın ve gazların kurutulmasında önemli ölçüde kullanılır. Daha önceden de bahsedildiği

gibi doğal veya yapay birer zeolit olan kristalimsi-alkali veya toprak-alkali alüminasilikatlar,

eğer alternatif şekilde kompleks yapısal komponent olarak düzenlenirse, SiO4 ve AlO4

40

tetrahidronları cubo-oktahidron şeklini alır. Bu cubo-oktahidron ağı üç boyutlu olarak

mümkün olan zeolit yapılarına çeşitlilik getirir. Bu, iyi tanımlanmış ve tarafsızca şekil

verilmiş mikro gözenek sistemlerinin kanallarla bağlanmasına neden olur. Bu durum,

geometrik ölçülere bağlı olarak moleküllere fiziksel delikler şeklinde etki edebilir. Aynı

zamanda moleküller ile heteropolar delik iç yüzeyleri arasında adsorptif etkiyle birlikte

etkileşim gerçekleşir. Yüksek oranda üniform ve sabit kesite sahip mikro kanalların çapı 0,3-1

nm (kinetik delik çapı) civarındadır. Bu durum moleküler ölçülere bağlı olarak karışımların

ayrıştırılmasını mümkün kılar. Örnek olarak dallanmış (bağ yapılı) veya dallandırılmış

hidrokarbonlar. (www.domnickhunter.com)

Tutucu parçaların içerisindeki gözenek sisteminde maddelerin taşınması için çeşitli

mekanizmalar bulunmaktadır. Bu kapsamda büyük gözenekler giriş gözenekleri olarak, küçük

çaplı olanlar ise adsorpsiyon gözenekleri olarak çalışır.

Büyük gözeneklerde çok tabakalı adsorpsiyon, mikro gözeneklerde gerçekleşen kapilar

kondenzasyonun ardından oluşur. Difüzyon boyunca maddenin taşınmasından farklı olarak,

likit kapilar olayla yer değiştirilir (tutulduğu yerden çıkarılır). Adsorpsiyon boyunca taşınan

madde, maddenin faz değişimi şeklinde yer alır. Örnek; tutulacak madde, gaz fazdan katı

madde yüzeyinde (faz sınırı) difüzyona uğrar. Madde geçişinin adsorpsiyon hızı sistem

doğasına bağlı olarak geniş limitler içerisinde değişir. Maddenin sıcaklık, basınç, moleküler

kütle değerleri ve tutucunun gözeneklilik oranı (porozite) madde geçiş hızını etkiler.

Adsorpsiyon maddesinin kapilar yapısı denge halini geciktirir.

Adsorpsiyon hızını etkileyen parametreler:

• Tutucu içindeki akış şartları,

• Akışkanın tutucu yüzeyine doğru, maddenin yer değiştirmesi,

• Tutulan maddenin tutucu içerisinde gözenek difüzyonu,

• Tutulan maddeye şekil verme hızı,

• Adsorpsiyon tabakasında tutulacak maddenin yüzey göçü.

Tutucunun etkinliği ve adsorpsiyon süresi, adsorpsiyonun teknik sırasına karar verir ve

adsorpsiyon gücünü karakterize eder. Tutucu maddenin etkinliği, adsorpsiyon kapasitesini

gösterir. Bu aynı zamanda tutucunun birim kütlesi başına tutulan madde miktarıdır (etkinlik ≡

tutucu dolum oranı). Buradaki etkinlik için iki ifade söz konusudur:

• Statik etkinlik

• Dinamik etkinlik

41

Statik etkinlik, ham gaz içerisindeki tutulacak madde içeriği ile tutucu maddenin dolum oranı

arasındaki tam denge halini ifade etmektedir. Statik etkinlik sıcaklık artışıyla azalır.

Adsorpsiyon / desorpsiyon çevrim sayısı statik etkinliği etkiler. Denge doluluğu ve

adsorpsiyon hızı tutucunun yaşlanmasıyla (ömrünü doldurması) azalır.

Dinamik etkinlik, hareket (akış) halindeki gazlara doğru olan adsorpsiyon davranışını

göstermektedir. Yüzey difüzyonu şeklinde gerçekleşen, maddenin tutucu gözenekleri

içerisindeki yer değiştirmesi (tutucunun yüzey gerilimi sınırları içerisinde kalmak kaydıyla)

denge halinin başlangıcını geciktirir. Bunun sonucunda sıcaklık göç dalgası boyunca, tutucu

tabakaya doğru olan adsorpsiyon ısısı yükselir. Denge hali tutucu dolum kapasitesini azaltıcı

yönde geliştirir. (www.domnickhunter.com)

Yüksek adsorpsiyon hızı; daha dar adsorpsiyon bölgesi anlamına gelir.

Şekil 4.14 Zeolitin yapısal görünüşü (www.domnickhunter.com)

Su içeriği kristalizasyon süresince boşlukları doldurur ve ardından ısıtma ile tutulan bu su

uzaklaştırılır. Boşluklar gözenek hacmine bağlı olarak farklı gazların adsorpsiyonunu

sağlayabilecek şekle dönüşür.

Sonuç olarak denilebilir ki; hava akışı içerisindeki suyun ayrıştırılması su molekülünün

kurutucu madde üzerindeki gözeneğin açıklığına ve bu açıklıktan geçebilmesine, ayrıca

zeolitin iç yapısında depolanmasına bağlıdır.

Su molekülü 2,8 Angström (0,28.10-9 m) lük kritik çapa sahiptir. Bu demek oluyor ki 2,8

Angstörm’ den daha büyük gözenek çapına sahip kurutucular içerisinde su molekülü

depolanabilir.

Yapı içerisindeki su moleküllerinin sayısı statik değer olarak 27 olabilir. Su miktarı doymuş

formdaki zeolitin toplam ağırlığının yaklaşık % 28,5’ ini oluşturacaktır. Bununla beraber

gözenek çapı 10 Angström (10-9 m) olan ME toplam ağırlığının (doymuş haldeki) % 35’ i

kadar su alabilir. (www.domnickhunter.com)

42

4.4.3.10 KTB Tutucu tankında hava akışı içerisindeki suyun ME’ ye geçişi KTB içinde yer alır. KTB tutucu

yatağının suyun hava akımından kurutucu maddeye aktarıldığı bölgesidir.

KTB’ nin genişliği, öncelikle akış hızının bir fonksiyonudur. Ayrıca kurutulacak maddenin

giriş çıkış konsantrasyonuna ve tipine bağlıdır.

Tutucu tankının girişinden çıkışına doğru doymanın yükselmesiyle birlikte KTB göç eder. Bir

kereye mahsus olmak üzere KTB’ nin üst sınırı tutucu yatağının sonuna ulaşır.

(www.domnickhunter.com)

4.4.3.11 Akış Hızı Kurutucu malzeme yatağına giren hava akımının hızının çok yüksek olması adsorpsiyon

süresince düşük kütle transfer performansına neden olur. Tutucu ölçülendirilirken, akış

hızının türbülans alanı içerisinde kalması konusu dikkate alınmalıdır. Laminar akış kanal

formasyonları boyunca yetersiz ayrılmaya sebep olabilir. Basınçlı hava ve gazlar için uygun

akış hızları 5-15 m/dk aralığındadır. (www.domnickhunter.com)

4.4.3.12 Rejenerasyon ME’ nin orijinal adsorpsiyon kapasitesi rejenerasyon veya reaktivasyon ile geri depolanır.

Çeşitli rejenerasyon prosesleri bulunmakta, ancak bunların tamamı temelde aynı prensiple

çalışmaktadır.

Termal Rejenerasyon

Rejenerasyon gazı olarak adlandırılan kirli N2 (ABK’ nın üst noktasından alınan) elektrikli

ısıtıcı veya buharlı ısıtıcıda ısıtılır. Tesislerde emniyet açısından her ikisi de bulunur. Prosesin

aksamadan devam edebilmesi için tesiste iki adet tank bulunmalı, birisi havayı temizlerken

diğeri rejenerasyona alınmalıdır. Bu sıcaklık bir sıcaklık kontrolörü tarafından kontrol

edilmekte, eğer çok yüksek bir değere ulaşırsa ısıtıcıyı devre dışı bırakmaktadır.

Kirli N2 akışı (rejenerasyon akışı) üreticinin belirlediği değerlerde kullanılmalıdır. Diğer

taraftan sıcaklık yeterli düzeyde olmazsa rejenereasyon yetersiz kalır. Normalde alarmlı bir

akışmetre bulunur. Çünkü akış çok düşük bir değerde olursa ısıtıcı aşırı ısınma (yetersiz ısı

transferi neticesinde) nedeniyle zarar görebilir.

Isı girişi boyunca ME, tutulan materyal gözeneklerden ayrılacak dereceye kadar ısıtılır.

43

ME düşük termal iletkenliğe sahip olduğundan, içeri giren sıcak gaz akımı tarafından dolaylı

olarak ısıtılması en iyi etkidir. Rejenerasyonun etkili şekilde gerçekleşmesi için ME yatağının

ısıtılması gereken sıcaklığa karar verirken en önemli noktalar; tutulan maddenin doğası ve

üretim safiyetidir. Rejenerasyon sıcaklığı pratikte 180-250 0C aralığında olmalıdır. Uygun

rejenerasyon için ısı izni aşağıdaki ısı miktarlarını içerir:

• Tutulan maddelerin ısıtılması ve evaporasyonu esnasında gereken ısı,

• Ekipmanın, boruların ve tutucunun ısı kapasitesi,

• Tutulan maddelerin desorpsiyon ısısı,

• Adsorpsiyon dolgusunun ısı kaybı. (www.domnickhunter.com)

Ayrıca adsorpsiyon yatağı yavaşça ısıtılmalıdır. Bu sayede rejenerasyon gazının sıcaklığı bir

saatlik veya daha fazla bir periyotta maksimum değerine ulaşır. Yavaş ısıtma sayesinde reaktif

moleküllerin düşük sıcaklıkta uzaklaştırılması sağlanır. Bu sayede karbonizasyon ve

polimerizasyon büyük oranda azalmış olur.

Isıtma işlemi, tüm suyun rejenerasyon gazıyla birlikte dışarı atıldığından emin oluncaya kadar

devam etmelidir. Eğer bu sıcaklık çıktı alınacak olursa, bu olayın olduğu anda grafikte bir

çentik oluşacağı görülecektir.

Asla unutulmamalıdır ki ME içerisinde daima bir miktar su kalır ve yavaşça artabilir. Bu

nedenle tesis durdurulduğunda mümkün olan maksimum sıcaklıkta iki saat kadar rejenerasyon

gazıyla rejenerasyon yapmak gerekebilir. Hava akış yönüne göre ME’ den önce alümina jel

bulunmayan ve bir kısmı pülverize olmuş (toz haline gelmiş) ME bulunan sistemde toz

halindeki ME kümeler halinde suyun yardımıyla pişirilebilir. Bu kümeler daha az gazın

geçmesine izin verir, bu nedenle rejenerasyon daha uzun sürer.

ME çevriminin tamamı 2-12 saatlik bir zaman diliminde geçer. Tankların adsorpsiyondan

rejenerasyona geçişi tamamen otomatik olarak gerçekleşir. Çevrim süreleri belirli sınırlar

içerisinde kalmak koşuluyla değiştirilebilir. Eğer ön soğutma azalırsa, bu gerekli olabilir. Bu

durum hava içerisindeki ve ME yatağındaki su miktarını yükseltir, bu nedenle çevrim süresi

azaltılmalıdır. Eğer bu yeterli gelmezse, hava akışı düşürülmelidir. Aksi taktirde CO2 soğuk

kutu içine gönderilir. Buradaki zorluk, daha kısa kurutma süresi, diğer tankın rejenerasyonu

için daha kısa süre bırakır. Eğer rejenerasyon makinası arızalanacak olursa ve alternatif cihaz

yoksa tüm tesis durdurulmak zorunda kalır. (Air Separation Technique Course Information

Document)

Çok hızlı basınç düşüşü veya basınç yükselmesi ME’ ye zarar verir (çalkalar). Tanecikler

44

birbirine çarparak ufalanır ve toz haline dönüşür. Sonuçta ME yatağının formu bozulur,

dengesiz bir dağılım oluşur. Bu da CO2’ nin tutulamama riskini doğurur. Bu yüzden

basamaklarda basınç redüksiyonu uygulanır. İlk olarak küçük çaplı boru ve valf, ardından

daha büyük çaplı boru ve valften geçirilir.

Yeni tesislerde fark basınç siviçi bulunur. Bu siviç eğer basınç farkı geçerli limitin üzerinde

ise büyük valflerin açmasına izin vermez.

Modern tesislerde ME yatağının işletme süresince düz kalmasını sağlayan bir mekanizma

bulunmaktadır.

ME içerisindeki basınç farkı ölçülebilir. Bu, havanın ME yatağına girdiği nokta ile çıktığı

nokta arasındaki fark basınçtır. ME içerisinde toz bulunduğu zaman bu fark büyüyecektir.

Termal rejenerasyona bağlı olarak, adsorpsiyon sistemini dizayn etmek için aşağıda verilen

bilgiler gerekmektedir:

• Termal adsorpsiyon prosesi ışığında tutulan / tutucu dengesi,

• Adsorpsiyon ve desorpsiyon kinetiği,

• Adsorpsiyonun kütle ve enerji gereksinimi,

• İzin verilebilir akış hızları ve basınç kayıpları,

• Tutucu tabakalarının ölçülendirilmesi. (www.domnickhunter.com)

Çizelge 4.6 ME rejenerasyon süreleri. (Operational Manual for No.5 Air Separation Plant)

Isıtma 75 dk

Soğutma 140 dk

Boşaltma 10 dk

Eşitleme 14 dk

Vanaların açık ve kapalı (birlikte) olduğu 5 dk

4.4.3.13 Tutucu Yerleşim Dizaynı Adsorpsiyon kurutucusunun dizaynını pek çok şart etkilemesine rağmen, kurutucu ölçüsü

belirlenmelidir. Kurutucunun boyutu özel uygulamaya bağlıdır. Boyutuna, içinden geçen gaz

maddesi, hacimsel akış, işletme basıncı, giriş sıcaklığı ve basıncı, çiğ noktası gibi etkenler

karar verir.

45

Gazın doğasından ayrı olarak, adsorpsiyon kurutucusunun boyutuna ilk karar verecek olan

kurutulacak gazın maksimum nem doluluğudur (doymuşluk). Maksimum nem doluluğuna, en

yüksek performans, en yüksek giriş sıcaklığı ve en düşük işletme basıncı karar verir. Aynı

mantıkla minimum nem doluluğuna ise en düşük performansı , en düşük giriş sıcaklığı ve en

yüksek işletme basıncı karar verir. Bu maksimum ve minimum nem doluluk durumları

arasında doluluk faktörü basınçla değişir.

Şekil 4.15 Nem doluluğu. (www.domnickhunter.com)

Minimum nem doluluğu, tutucunun boyutu üzerinde küçük bir etkiye sahip olmakla beraber,

mümkün olan maksimum adsorpsiyon zamanının sınırlandırılmasına karar verir.

Isı rejenerasyonlu adsorpsiyon kurutucularının hesaplamaları oldukça karmaşıktır. Çünkü ilk

olarak doluluk faktörü tespit edilmeli, ardından tüm ısı izininin fonksiyonu olarak

rejenerasyon enerjisi belirlenmelidir.

Yerleşim dizaynı üç basamağa ayrılabilir:

• Nem doluluk oranının belirlenmesi (çevrim başına),

• Tutucu tankının boyutlandırılması,

• Rejenerasyon enerjisinin tespit edilmesi. (www.domnickhunter.com)

4.4.3.14 Kapasite Sıcaklık artışıyla ME’ nin kullanılabilir kapasitesi fazla zarar görmez. Diğer kurutucu

malzemeler, yükselen işletme sıcaklıkları ile yüksek kapasite düşüşleri gösterir.

4.4.3.15 Kirlilik

Tesislerde söz konusu olan bir tehlike; kirleticilerin adsorpsiyon maddesi gözenekleri

içerisinde birikmesidir. Yüksek sıcaklıklardaki rejenerasyon boyunca, kirleticiler organik

46

moleküllerin çatlama (yarılma) veya polimerizasyonuna yol açar. (www.domnickhunter.com)

4.4.3.16 Poroz Materyal İçerisinde Taşıma Mekanizmaları • Moleküler difüzyon

• Konveksiyon (filtrasyonel veya Darcy akışı)

• Kapilar difüzyon

Moleküler Difüzyon

Poroz materyal içerisindeki su buharı, eğer gözenekler yeterli genişlikteyse, moleküler veya

Fick difüzyonu ile taşınır. Moleküler difüzyon Fick yasası ile tanımlanır: (Kütle Transferi

Ders Notları)

xcDJ∂∂

−= (4.4)

Bazı durumlarda yığın içerisindeki gazın moleküler difüzivitesi, poroz materyal içerisindeki

gazın moleküler difüzivitesi ile ilişkili olabilir. Bu ilişki ile ilgili olarak eğrilik ve porozite

kullanılır.

ετDD geff =, (4.5)

Burada hava ve su buharı karışımı ideal gaz olarak kabul edilebilir.

Porozite

s

app

ρρ

ε −= 1 (4.6)

Porozite üzerindeki nemin etkisi de hesaba katıldığında denklem aşağıdaki şekli alır: (Porous

Media Approach to Heat and Mass Transfer in Solid Foods)

s

app Mρ

ρε

)1(1

−−= (4.7)

Konvektif veya Darcy Akışı

Poroz materyal içerisinde likitin hareketi Darcy Yasası ile açıklanabilir:

47

sHKJ∂∂

−=ν (4.8)

K diğer bir ifadeyle; akışkanın poroz materyale doğru taşınmasını kolaylaştırma veya

geçirgenlik şeklinde tanımlanabilir.

µρgkK = (4.9)

ρ/µ oranı akışkanın sahip olduğu özelliklerin etkisini göstermektedir.

Buna göre Darcy Yasası aşağıdaki şekilde yazılabilir:

sPk

sHKJ

∂∂

−=∂∂

−=µ

ν (4.10)

Burada ifade yükseklik gradyeni yerine basınç gradyeni cinsinden yazılmıştır. (Fundamentals

of Heat and Mass Transfer)

Kapilar (Kılcal) Difüzyon

Kapilar akış, sıvı molekülleri ile katı moleküllerinin göreceli hareketleri arasındaki farktan

dolayı oluşur. Buna benzerlik taşıması açısından; örnek olarak küçük kesitli, açık bir tüp

içerisinde suyun yükselmesini verebiliriz.

Doymamış katıda kapilarite (kılcallık) likitin taşınması için ilk mod olabilir.

Doymamış katıda yerçekiminin etkisi ihmal edilebilir. Bazı durumlarda Darcy Yasası sadece

negatif potansiyele (h) sahip olur ve bunu aşağıdaki şekilde ifade edebiliriz:

shKJ likit ∂∂

−= ρ (4.11)

scD

sc

hcK

sc

chKJ likit ∂

∂−=

∂∂

∂∂

−=∂∂

∂∂

−=)(

*ρ (4.12)

likitcc ρ*=

Kapilar difüzivite:

48

)(*

hcKD

∂∂

= (4.13)

Difüzivite; taşınım katsayısı K ile diferansiyel kapasite ∂c′/∂h ’ ın oranı olarak tanımlanır.

(Porous Media Approach to Heat and Mass Transfer in Solid Foods)

4.4.4 Havanın Soğutulması Distilasyon kolonlarında üretilen soğuk gazlar ve atık akışlar, eşanjörlerin ön uçlarına

gönderilir. Bu soğuk gazlar ve atık akışlar, ME tankından çıkan proses havasını (kolona

girecek) soğuturken, kendileri ısınır. Bu ısı alışverişi soğutma prosesine katkı sağlayarak

enerji tüketimini azaltır.

Soğuk ekipmanlara ısı kaçağını ve giriş-çıkış gaz akışları arasında gerçekleşen ideal olmayan

ısı transferini engelleyebilmek için soğukluk, düşük sıcaklık basamaklarında üretilmelidir.


Hava ayrıştırma tesislerindeki soğutma çevrimi, prensip olarak evlerdeki ve otomobillerdeki

klima sistemlerine benzemektedir.

Bir veya daha fazla yüksek basınç akışı, (N2, atık gaz, feed gaz veya üretilen gaz) akışı

soğutacak basınca kadar düşürülür (genleşme). Soğutmayı ve tesisin enerji etkinliğini

maksimize etmek için basınç redüksiyonu (genleşme) bir türbin içerisinde gerçekleştirilir. Bu

ekipmanlara genleşme türbini adı verilir. Genleşme türbininde gaz akışının enerjisini

uzaklaştırmak, genleşme valfinde genleşmeden daha fazla ısı düşüşü sağlar.

Genleşme türbininde üretilen bu enerji bir proses kompresörünü, bir elektrik jeneratörünü

veya diğer bir enerji tüketen ekipmanı (yağ pompası, hava blower’ ı) çalıştırmak için

kullanılabilir. (Air Separation Technique Course Information Document)

49

4.4.4.1 Ana Isı Eşanjörü

Şekil 4.16 Isı eşanjörü grubu (Proposal for New Air Separation Plant)

Ana Isı Eşanjöründeki Akışın Dengelenmesi

Likit ürünler ürettiğinden, eşanjörden çıkan soğuk gazların miktarı giren havadan daha az

olacaktır. Bunun sonucunda hava çok fazla soğutulamayacak ve YBK’ ya çok sıcak

girecektir. Bu durum rektifikasyon prosesini çok olumsuz etkiler. Şöyle ki; YBK tepsilerinden

çok miktarda likit buharlaşır. Hava çiğ noktasına kadar soğutulmalıdır. Bu nedenle eşanjör

içerisinden diğer bir soğuk akış beslemesi yapılır. ABK’ nın tepesinden alınan soğuk N2 gazı

eşanjörden geçirilir. Bu akışa balans (denge) akışı adı verilir. Bu akış N2 çevriminde

kullanılır. Isı eşanjöründe balansı sağlayabilmek için akış likit üretimi ile aynı miktarda

olmalıdır. (Air Separation Technique Course Information Document)

50

Şekil 4.17 Eşanjör üzerindeki balans akışı. (Air Separation Technique Course Information Document)

Isı Eşanjöründeki Soğukluk Kaybı Hesabı

Ana ısı eşanjörünün sıcak ucunda, ısı değişim bölgesine bağlı olarak sıcaklık farkı bulunur.

Hava ayrıştırıcılarda 2-3 0C’ lik fark oluşturacak düzeyde yeterli yüzey alanı kullanılır. Bu

fark soğukluk kaybıdır. Soğuk gazlar atmosfere atılır ve bu soğukluktan faydalanılamaz. Daha

küçük sıcaklık farkları için daha geniş yüzeyler gerekir. Bu da tesisin yatırım maliyetini

arttırır. 3 0C’ lik normal bir sıcaklık farkı aşağıda hesaplanan değerdeki güce karşılık

gelmektedir:

10000 (kg/h) . 1,0 (kJ/kg0C) . 3 (0C) = 30000 (kJ/h) = 30000 / 3600 (kW) = 8,3 kW

Bu kabul edilebilir bir kayıptır. Fakat sıcaklık farkı 6 0C olursa kayıp 16,6 kW’ a yükselir. Bu,

üzerinde önemle durulması gereken bir konudur.

Yukarıda yapılan hesaplamalarda kullanılan ısı eşanjörü düşük basınçlı gazların çıkışı ve 5

bar’ lık havanın girişine uygundur. Dolayısıyla CP = 1,0 ‘dır.

Dahili sıkıştırma ve yüksek basınçlı hava şartlarında CP değeri çok büyük olur. (Air


Yüksek Basınçta Spesifik Isı

Ana ısı eşanjörü içerisinden 5 bar basınçta hava geçer. Bu hava 0,2 - 0,5 bar basınçtaki GOX,

GAN ve kirli GAN tarafından soğutulur.

GOX, GAN ve kirli GAN hepsi birlikte bir kompozisyon olarak havayla karşılaştırılabilir.

51

Hepsi birlikteyken aynı spesifik ısıya (1,0 kj/kgK) sahiptir.

Yüksek basınçlardaki hava alışılmamış özellik gösterir. Düşük sıcaklıklarda spesifik ısısı (CP)

yükselir. 5 bar’ daki havanın CP değeri -140 0C / -170 0C’ deki değerinden % 10-20 kadar

daha fazladır. Bu da demek oluyor ki, hava büyük miktarlarda enerji verme gerekliliğine sahip

olacaktır.

Hava düşük basınçlı ve düşük spesifik ısılı gazlarla karşılaşırsa, daha düşük soğutma

gerçekleşir. Bunu karşılamak için soğuk uçtaki balans akışı yükseltilir (CP’ nin büyük olduğu

nokta). Bu nedenle balans akışının bir kısmı eşanjörün orta noktasından uzaklaştırılmalıdır.

Bu uzaklaştırılan akışa karşı akış adı verilir. (Air Separation Technique Course Information

Document)

Şekil 4.18 Eşanjör üzerindeki akışlar ve bu akışlara ait sıcaklıklar. (Air Separation Technique Course Information Document)

N2 çevriminde, 50 bar basınçtaki N2 , 5 bar basınçtaki N2 tarafından ayrı bir ısı eşanjöründe

soğutulur. 5 bar basınçtaki N2 aynı basınçtaki havayla hemen hemen aynı spesifik ısıya

sahiptir.

5 bar’ daki N2 ile karşılaştırıldığında 50 bar’ da çok büyük bir değişim meydana gelir.

Soğutulduğunda gaz ile likit arasında, yoğunluğun dereceli olarak yükselmesi dışında net bir

farklılık oluşmaz. Bu durum 33 bar ve –147 0C’ den daha büyük değerlerde meydana gelir (33

52

bar ve –147 0C N2 için kritik basınç ve sıcaklık olarak adlandırılır). –147 0C’ den daha soğuk

olduğunda likit halini alır. (Operational Manual for No.5 Air Separation Plant)

Sonuç olarak ısı eşanjörünün soğuk ucunda spesifik ısı çok daha yüksek olacaktır.

Düşük basınçlardaki likitleşme, kaynama noktasında büyük miktarda ısı açığa çıkar. Buna

evaporasyon ısısı denir. Kritik basıncın üzerindeki basınçlarda karşılıklı ısı alış verişi olur,

fakat bu geniş bağıl sıcaklık aralığının üzerinde meydana gelir.

-80 0C’ de spesifik ısı % 30 daha fazladır.



-147 0C’ de bu değer maksimuma ulaşarak yüzde birkaç yüzlük bir fazlalığa sahip olur. (Air


Balans ve Karşı Akışların Kontrolü

Balans ve karşı akışlar üzerinde kontrol valfleri, akışmetreler ve termometreler bulunur.

Bunlar aşağıdaki şekilde kontrol edilir:

Karşı akış hava akışının yaklaşık olarak % 20-25’ i kadardır. Bunun miktarına karar verilirken

havanın çiğ noktasına kadar soğutulması dikkate alınır. Yeni tesislerde bu akış çoğu kez

kaçırılır ve havanın daha sıcak olmasına izin verilir, veya sıcak uçtaki ∆T’ nin daha büyük

olmasına izin verilir.

Balans akışı yaklaşık olarak likit üretimine eşit olmalıdır. Bilgi ve tecrübeler göstermiştir ki;

çok yüksek miktardaki balans akışı sonucunda sıcak uç çıkışındaki bütün gazlar daha soğuk

olacaktır (∆T yükselecektir). Diğer bir ifadeyle çıkan diğer gazlar (GOX, GAN ve Lachmann)

daha soğuk olacak ve soğukluk kaybedilecektir. Soğuk uç daha soğuk olmayacaktır. Hava çiğ

noktasında olacağından sıvı hava miktarı yükselecektir. Fakat sıcaklık sabit kalacaktır. Bu

durum tatmin edici bir durum değildir. Kolondaki yükselen hava miktarı azalacak ve reflux da

azalacaktır. Bunun sonucu olarak da daha az LIN tepeden alınacaktır.

Çok düşük miktarlardaki balans akışı, sıcak uçta küçük bir ∆T yaratırken, soğuk uçta daha

büyük bir ∆T oluşturur. Hava kolon prosesini bozacak kadar fazla soğutulmamış olur. (Air


53

4.4.4.2 Genleşme Türbini Bu türbinler soğukluk üretmek için kullanılır. Genleşen gaz türbin kanatçıklarına

(kompresördeki kanatçıkların tipinde çark) çarpar. Bu çarpmanın etkisiyle mekanik bir iş

oluşturulur. Bu mekanik iş türbin kanatçıklarının bağlı bulunduğu mile dönme hareketi olarak

aktarılır. Bu dönme başka şekillerde (kompresörde veya buster’ de gazın sıkıştırılması,

jeneratörde elektrik üretiminde) kullanılabilir. (Air Separation Technique Course Information

Document)

Buster – Türbin Çalışma Prensibi

Yüksek basınçlı gaz, türbinn nozülüne doğru girer. Burada basınç kinetik enerjiye

dönüştürülür. Bu nedenle hızı oldukça yükselir. Basınç yarı yarıya düşer. Gaz akışı aynı

doğrultudaki çark ile karşılaşır. Çarkın sahip olduğu çevresel hıza eşit hızda döner.

Şekil 4.19 Türbin-buster. (Air Separation Technique Course Information Document)

En yüksek verimlilik, çark hızının, gaz hızının % 65-75’ i olduğunda sağlanır. Gaz bıçaklar

arasından merkeze doğru gitmeye zorlanır ve basınç düşüşü ile tekrar geri dağıtılır. Geriye

hareket eden gaz akışı çarkı ilerletir. Gaz çıkıştan boru içerisine aksiyal olarak hareket eder.

Bir miktar likit üretebilen türbinler çark radyusundan açık olan bıçaklara sahiptir. Bu sayede

herhangi bir zorlama gerçekleşemez. Bu sayede damlacıklar bıçak yüzeyine sürtmemiş olur.

Nozüller arasındaki açıklığın değiştirilmesi, türbin kapasitesini kontrol eder. Hacimsel akışın

değiştirilebilmesine olanak sağlar. Burada bahsedilen hacim efektif hacimdir. Giriş basıncı ve

sıcaklığa bağlıdır. Eğer giriş basıncı artarsa, akış (Nm3/h) miktarı aynı nozül setinde

54

yükselecektir.

Türbindeki iş N2’ nin busterde basınçlandırılmasında kullanılır. Bu N2 eşanjörde

soğutulduktan sonra türbine gelir. (Air Separation Technique Course Information Document)

Buster tek kademeli, santrifüj tip kompresördür. Bu nedenle sörce karşı korunmalıdır.

Türbinin ürettiği iş kadar iş yapar. Sadece yatak sürtünmelerine giden kayıplar bu değerden

düşülür. Eğer bustere gelen akış çok düşükse, şaftın devri yükselecektir. Bu nedenle yüksek

hızlarda emniyetli olabilmek için, busterde hız siviçi bulunmalıdır.

Buster ve türbin aynı şaft üzerinde bulunduğundan sızdırmazlık ve balans gibi konularda pek

çok problem yaşanmaktadır.

Labirentler, Boşluk Basıncı ve Sızdırmazlık Gazı

Basınç düşüşünün yarısı türbin çarkı üzerinde gerçekleştiğinden, gazın dışarı kaçmaması için

sızdırmazlık sağlanmalıdır.

İki tip çark vardır:

• Açık tip çark

• Kapalı tip çark.

Şekil 4.20 Türbin kanatçık (çark) tipleri. (Air Separation Technique Course Information Document)

Kapalı tip çark labirentlere sahiptir. Bu labirentler karbon bir halka üzerine açılmıştır.

Açık olan tipteki çark üretilirken çok dikkatli olunmalıdır. Çark ile cidar arasındaki boşluğun

fazla olmaması gerekmektedir.

55

Akış arttığı zaman gazın çarka doğru ilerlemesi zorlaşır ve giriş nozüllerinden sonraki basınç

yükselir. Boşluk içerisinde, giriş ile çıkış arasında basınç düşüşü bulunur. Buna boşluk basıncı

adı verilir. Boşluk basıncının artması, boşluktaki kaçakları arttırır ve labirentlere binen yük de

artmış olur. Bu nedenle bu bölgedeki boşluk basıncı sürekli olarak ölçülerek takip edilir. (Air


Genleşme türbinleri çok düşük sıcaklıklarda çalışır. Türbinin soğukluk üreten makine aksamı

çok iyi izole edilmelidir. İzolasyon amacıyla perlit tozu doldurulur. Fakat türbinin şaft

yatakları sıcak yağla yağlandığından bu bölge soğuktan korunmalıdır.

Şekil 4.21 Türbin sızdırmazlık gazı. (Air Separation Technique Course Information Document)

Bu koruma işlemi, yağın yataktan çıkış tarafının aksi istikametinde şaft üzerinde bulunan

labirent sayesinde bu kısıma doğru olan yağ kaçaklarının önlenmesiyle sağlanmaktadır. Bu

labirent boşluklarında sızdırmazlık gazı bulunur. Sızdırmazlık gazı pozitif basınç oluşturarak

yağın proses tarafına kaçmasını engeller.

Genleşme türbininin girişindeki basınç, nozül öncesindeki basıncın yarısı kadardır. Gaz çark

arkasında şaft üzerindeki labirentlere doğru sızar. Soğuk gazın yatağa doğru ilerlemesini

önlemek için, soğuk gazın basıncından daha yüksek basınçta sızdırmazlık gazı verilir.

Sızdırmazlık gazı iki yoldan atmosfere atılır:

• Soğuk gaza doğru,

56

• Yağa doğru. (Air Separation Technique Course Information Document)

Genleşme Türbini Verimi

Verim; gerçek soğukluk üretiminin (ısı miktarındaki azalma), ideal soğukluk üretimine

bölünmesiyle elde edilir.

İdeal soğukluk üretimi sabit entropide (izentropik) genişlemedir. Bu nedenle verim izentropik

verim olarak adlandırılır.

Şekil 4.22’ de; soğuk türbindeki genleşmeyi temsil eden T1 ve sıcak türbindekini temsil eden

T2 çizgileri çizilmiştir. 1980’ lerin ortalarında ve daha eski dönemlerdeki tesislerde sıcak

türbin bulunmamakta, bunun yerine –40 0C’ lik soğutma makinası kullanılmaktaydı.

Giriş ve çıkış noktaları basınç ve sıcaklık değerleriyle birlikte işaretlenmiştir.

T2 için çıkış noktasını bulmak amacıyla, giriş noktasından aşağıya doğru (çıkış basıncı

çizgisine) dikme inilir. Bu nedenle entropi sabit kalmış olur.

T2 noktası için, entalpi (ısı içeriği) değeri okunabilir. Giriş noktası 7400 ve 7600 entalpi

çizgileri arasında, çıkış noktası 5000 – 5200 arasında ve ideal çıkış noktası ise 4800 – 5000

(kJ/kmol) aralığında bulunur. Cetvel yardımıyla entalpi değerleri bulunabilir. Buna göre;

giriş = 7575,

çıkış = 5110 ve

ideal çıkış = 4850 olur.

Gerçek soğukluk üretimi = 7575 – 5110 = 2465 ve

İdeal soğukluk üretimi = 7575 – 4850 = 2725 kJ/kmol.

(Not: 1 kmol N2 = 28 kg ). Buna göre;

izentropik verim = (7575 – 5110) / (7575 – 4850) . 100 = % 90 (12)

T1 soğuk türbini için verim hesabı yapmak mümkün değildir. Çünkü bu türbinde bir miktar

likit üretilmekte ve bu likit ölçülememektedir. Hesaplamak için tek yol, busterin çektiği işin

ne kadar olduğunu bulmaktır.

57

Şekil 4.22 Sıcak ve soğuk türbin için T-S diyagramı. (Air Separation Technique Course Information Document)

58

Busterin Soğukluk Üretiminin Ölçülmesi

Soğukluk üretiminin optimizasyonunu basitleştirmek amacıyla bir method geliştirilmiştir. Bu

method ile busterin çekmiş olduğu işin ne kadar olduğu hesaplanabilir. Buster, türbinin

üretmiş olduğu bütün işi alır. Sadece çok küçük bir miktar olan yatak sürtünme kayıpları

bustere aktarılmaz.

Buster tarafından alınan iş; akışın , gazın entalpi artışı (hçıkış – hgiriş) ile çarpılmasıdır.

Entalpi gazın basınç ve sıcaklığına bağlıdır.

Entalpi hesaplamasını basitleştirmek için, basınç ve sıcalığa bağlı basit (lineer) bir entalpi

eşitliği yazılarak hesaplanır. Bu değerler bilgisayar ortamında data tablolarına girilerek

hesaplatılabilir.

Buster işi = ( ) ( ) ( )( )kgkJhhNmkgdhNmF çııkıçııkı /././ 33 − (4.14)

Buradan birim olarak (kJ/h) elde edilir.

N2 yoğunluğu: d = 1,25 kg/ Nm3

Entalpi:

97,16.094,1.25,0 −+−= TPhgiriş (4.15)

42,19.094,1.144,0 −+−= TPhçııkış (4.16)

Bu eşitlikler bilgisayardaki data tabloları ile karşılaştırıldığında % 0,5’ ten daha düşük bir hata

verir. (Air Separation Technique Course Information Document)

Akış için giriş-çıkış basınçları ve giriş-çıkış sıcaklıkları açısından proses bilgisayarı ve

hesaplama denklemleri kullanılarak soğukluk üretimi online olarak hesaplanabilir.

Tüm bu hesaplamaların yapılabilmesi için sahadan ölçüm değerlerinin sinyaller halinde

proses bilgisayarına gelmesi ve eşitliklerin bilgisayara yüklenmesi gereklidir.

4.4.5 Havanın Distilasyonu

4.4.5.1 Normal Distilasyon Kolonu En geçerli distilasyon kolon tipinde bulunan ekipmanlar şunlardır:

• Kolonda yükselen buharı üretmek için dip kısımda kaynatıcı,

59

• Likit üretimi dışarı almak için dip kısımda bir çıkış,

• Buharın likitle yoğun temasını sağlamak amacıyla dolgu malzemesi,

• Merkezde ham ürün beslemesi,

• Gaz ürünün dışarı çıkması için tepede bir çıkış,

• Tepedeki gazı likitleştirmek için yoğuşturucu,

• Yükselen buharı duşlamak için yukarıdan dökülen likit (reflux),

• Tepeden likit veya gazın üretim olarak alınması. Bunlar distile olarak adlandırılır. (Air


4.4.5.2 Distilasyon Kolonu Tipleri (Dolgu Malzemesine Göre) HAT’ ta 2 tip kolon dolgusu kullanılmaktadır. En geçerli olanı delikli tepsi tipidir. Son

yıllarda yapısal dolgu tipi yaygın olarak kullanılmaya başlandı. Yapısal dolgu yalnız olarak

kullanılabileceği gibi delikli tepsi ile birlikte de kullanılmaktadır. Örneğin modern tesislerde,

ABK yapısal dolguya sahipken, YBK’ da delikli tepsi kullanılmaktadır.

GOX’ un üretildiği revexli sistemin daha eski tiplerinde, nadiren çan tipi tepsili

uygulamasının kullanıldığı görülmektedir.

Tepsili Kolonlar

Tepsi Çeşitleri

Aşağıda verilen tepsi çeşitleri, Finepac firmasının önermiş olduğu tiplerdir.

• Delikli tepsi

• Sabitlenmiş valf tepsileri

• Harektli (dalgalı) valf tepsileri

• Çan tipi tepsili

• Cartridge tepsileri

Tepsi dizaynında en çok dikkat edilmesi gereken parametreler aşağıda belirtilmektedir:

• Aktif alan (veya çan yüzeyi),

• Dökülme yüzey alanı,

• Açık alan (veya delik alanı),

• Tepsi boşluğu (hatvesi),

• Dökülme yüzey açıklığı,

• Çıkış seti yüksekliği,

60

• Akış yolu uzunluğu,

• Akış yollarının adedi.

Bu parametreler kolon operasyonlarında son derece önemlidir. Bunlardan en yaygın

kullanıma sahip olanı delikli tepsi tipidir. (www.finepac.com)

Çan Tipi Tepsili

Şekil 4.23 ve Şekil 4.24’ de Finepac Structures Pvt. Ltd.’ nin üretmiş olduğu çan örnekleri

görülmektedir.

Şekil 4.23 Çanlar (www.finepac.com)

Şekil 4.24 Çan tipi tepsi (www.finepac.com)

Delikli Tepsi Tipi Kolon

Delikli tepsiler üzerinde çok miktarda küçük deliklerin bulunduğu metal disklerdir. Yukarıya

doğru hareket eden gaz, bu deliklerin içerisinden geçerek, yukarıdan dökülen sıvının yolunu

deliklerin bulunduğu noktalarda keser. Likit, tepsi üzerinden süzülerek yan tarafta bulunan

61

borular (kanallar) içerisinden akarak bir alttaki tepsinin likit cebine gelir. Aynı işlem sırasıyla

alttaki tepsilerde de tekrarlanır.

Tepsi üzerinde bulunan delikler, aşağıdan yükselen gazın küçük baloncuklara ayrılmasını

sağlar. Bu sayede gazla likit arasındaki temas yüzeyi arttırılmış olur.

Bu tip tepsili kolonlarda, likiti kaldırabilmek için yeterli miktarda gaz (buhar) bulunması

gerekir. Eğer gaz miktarı yeterli düzeyde olmazsa, likit tepsinin deliklerinden geçerek aşağıya

dökülecek ve dolayısıyla distilasyon prosesi uzun süre sağlıklı olarak çalışamayacaktır. (Air


Şekil 4.25 Delikli tepsili kolon kesiti. (Air Separation Technique Course Information Document)

Farklı Tepsilerdeki Kompozisyon

Şekil 4.26’ da y ekseni sıcaklığı (T), x ekseni de O2 – N2 karışım kompozisyonunu

göstermektedir. Burada 2 adet eğri tanımlanmıştır:

Çiğ noktası eğrisi; her bir gaz karışımının yoğuşmaya başladığı sıcaklık değerlerini gösterir.

Kaynama noktası eğrisi; her bir likit karışımının kaynamaya başladığı sıcaklık değerlerini

62

gösterir.

Her bir eğrinin bitiş noktası sırasıyla saf O2 ve saf N2’ yi göstermektedir. Bu noktalarda çiğ

noktası ve kaynama noktaları aynıdır.

Şekil 4.26 Sabit basınçta sıcaklık-kompozisyon (T,X) diyagramı. (Air Separation Technique Course Information Document)

O2 için –183 0C ve N2 için –196 0C (bu değerler atmosferik basınçta ölçülmüştür). Kolon

içerisinde basınç atmosferik basınçtan yüksek bir değere kadar çıkmaktadır. Dolayısıyla

sıcaklıklar da bir miktar daha yüksek olmaktadır. Kaynamanın bulunduğu bölge olan tabanda

sıcaklık daha yüksektir. Sıcaklık her bir tepsi yukarı çıktıkça düşmektedir. Her bir tepside

likitle karışan gazı aynı kompozisyonda düşünebiliriz. Örnek olarak % 40 O2 alalım.

Diyagramda bir a-a noktalı çizgisi tanımlanmaktadır. Likit, kaynama eğrisi üzerinde bulunan

B noktasında kaynar. B’ den çizilen yatayın eğriyi kestiği noktada sıcaklığı okuyabiliriz. Bu

sıcaklık çiğ noktası eğrisi üzerindeki A noktasıdır. Gaz çiğ noktasındadır. Çünkü kaynayarak

aşağıya doğru inen likitten gelmektedir. Bu, tepside kaynayan likitten daha sıcaktır ve yoğun

karışımla birlikte C noktasına gelmektedir. Soğutulan ve kısmen kondens olan gaz, bir

kompozisyona sahip olacaktır. Bu kompozisyonun karşılığı çiğ noktası eğrisi üzerinde

63

bulunan D noktasıdır. Sıcaklığı yükseltilen ve kısmen buharlaşan likit, kaynama noktası eğrisi

üzerinde tanımlı E noktası konumuna gelir. Bu noktada gaz, likitin içereceğinden daha az O2

içerecektir. C noktasının a-a doğrusuyla kesiştiği nokta, likitin gaza oranını göstermektedir.

Eğer gaz miktarı fazla ise, C noktası çiğ noktası eğrisine doğru kayacaktır. Çiğ noktası

eğrisine doğru yaklaştıkça O2 içeriği azalırken, N2 içeriği artacaktır.

Likit aşağıya doğru inerken, gazın temizleyicisi gibi davranarak, O2’ yi yıkayarak aşağıya

taşır. Gaz ise likitin sıyırıcısı gibi davranarak, N2’ yi yukarıya sürükler.

Kolondaki gaz ve likit oranları saflaştırmada çok önemli bir yer teşkil etmektedir. Gaza göre

likit oranı arttıkça daha saf bir gaz, tersi durumda ise daha saf likit oluşacaktır.

Tepsi sayısı ürün safiyetini (saflaştırma) etkileyen önemli bir kriterdir. Daha fazla tepsi daha

yüksek safiyet sağlar.

Pratikte yukarıdan gelen reflux oranının büyüklüğüne bağlı olarak gaz içerisindeki O2 miktarı

likittekinden daha azdır. Dolayısıyla diyagramdaki hesaplamalar biraz daha kolplex hale

gelmektedir. Mevcut bir sistemdeki tepsi sayısı değiştirilemez, dolayısıyla prosesin en iyi

şekilde işletilebilmesi için çok iyi öğrenilmesi gerekmektedir. (Air Separation Technique

Course Information Document)

Dolgulu Kolon Dolgu Tipleri

Distilasyon kolonlarında dolgu malzemesi olarak pek çok dolgu tipi kullanılmaktadır. Bu

dolguları 2 ana kategoriye ayırmak mümkündür:

• Rastgele dolgu

• Yapısal dolgu

Dolgu geometrisi onun veriminin göstergesidir. Genellikle büyük boş alan ve büyük yüzey

alanı dolgu verimine pozitif etki yapmaktadır.

Rastgele dolgu geometrisi, likitin dolgu parçalarına uygun olarak ortak şekilde toplanmasını

sağlayacak bir alan olması gerekmemektedir. (www.finepac.com)

Yapısal Dolgulu Kolon

Dolgu blokları Şekil 4.27’ de görüldüğü şekilde; oluklu plakaların birbirine puntalanması

veya kaynatılması ile oluşturulmaktadır. Oluklar doğrultuları aynı yöne olacak şekilde

yerleştirilir, bir plakanın oluk yönü, bir sonrakinin oluk yönü ile X sembolü oluşturacak

şekilde yerleştirilir. Bu plakalar bükülmüş malzemelerdir (genellikle metal).

64

Yapısal dolgu sisteminin kullanılmasına karar verilirken dikkat edilmesi gereken konu,

sistemin basıncı değil, buhar yoğunluğu ve likit yoğunluğudur. Yapısal dolgu seçimini 3 kriter

kontrol etmektedir:

• Likit kapasitesi,

• Buhar yoğunluğu,

• Likit - buhar yoğunluk oranı.

Distilasyon sistemleri için, buhar yoğunluğu ve likit-buhar yoğunluk oranı birbiriyle

bağlantılıdır. Düşük buhar yoğunluğu, yapısal dolguda diğer sistemlere oranla daha yüksek

performans anlamına gelmektedir. Yani düşük buhar yoğunluğunda yapısal dolgu uygundur.

Yüksek buhar yoğunluğunda tepsiler veya rastgele dolgu daha iyi performans sağlamaktadır.

Hidrokarbon sistemlerinde buhar yoğunluğu ve likit-buhar yoğunluk oranı için seçim kriteri

aşağıdakilerdir:

• Buhar yoğunluğu 24 kg/m3’ ten az,

• Likit-buhar yoğunluk oranı 18’ den büyük.

Hidrokarbon sistemleri için, sistem basıncı 165 psia ‘nın (1,140 kpa, 10 barg) altında ise, bu

tip uygulamalarda yapısal dolgu sınırlandırılmalıdır. The Distillation Group, Inc. Yapısal

dolgu için hidrokarbon sisteminin 115 psia’ nın (690 kpa, 7 barg) üstünde olmasını tavsiye

etmektedir.

Likit yoğunluğu sistem basıncından bağımsızsa, yani bütün basınçlarda yüksek kalabiliyorsa,

yapısal dolgu sistemi kullanışlı olmaktadır. (www.finepac.com)

Şekil 4.27 Yapısal dolgu kesiti. (www.finepac.com)

65

Likit dolgu yüzeyinden aşağıya doğru akarken, buhar dolgu kanallarına doğru yükselir.

İşletme tecrübeleri göstermektedir ki; yüksek ve düşük buhar yoğunluklarında yükselen

buhar, likiti likit akışına ters yönde iter. Likit filmi üzerindeki, plaka yüzeyine doğru etki eden

kinetik enerji ve momentum önem taşımaktadır.

Likitin geri itilmesi dolgu verimine açıkça zarar vermektedir. Ağır likit geri itilerek daha hafif

olan likitle karışmaktadır. Ayrıca likitin geri itilmesi efektif kapasiteyi düşürerek, dolgu

yüzeyindeki likit filmini daha ince yapmaktadır.

Yüksek likit kapasiteleri, yapısal dolgu üzerindeki likit filmini kalınlaştırarak, buhar akışının

gerçekleşeceği açık alanı azaltır. Bu durum buhar hızını azaltır. Yüksek buhar hızları, geri

itme sonucu oluşan karışımları daha iyi duruma getirmektedir.

Yapısal dolgu herhangi bir yüksek basınç servisine ( > 165 psia, 1,140 kpa, 10 barg)

kurulmadan önce sistem test edilmeli ve uygun ölçüde test kolonu tespit edilmelidir. Uygun

test kolonu minimum 12 adet 30 cm çapında ve tercihen 18 adet 45 cm çapında yapısal

dolgudan oluşmalıdır. (www.finepac.com)

Yapısal dolgulu kolonun önemli karakteristikleri aşağıda verilmektedir:

• Büyük kütle transfer yüzey alanı,

• Kısa kolonlarla yüksek verimlilik sağlanması,

• Düzenli yapı,

• Likitin kanala dökülmesinin olmaması,

• Likitin yeniden dağıtılma sıklığının az olması,

• Yüksek hidrolik kapasitelerde yatak içinde hareket olmaması, bundan dolayı dolgu

materyalinin bozulmaya uğramaması,

• Dolgu yatağında büyük boş hacim bulunması,

• Basınç düşüşünün çok az olması sebebiyle (delikli tepsiye oranla) vakum distilasyon

sistemleri için uygun olması,

• Rastgele dolgu ve tepsiliye göre yüksek buhar kapasitesi,

• Likitin yukarıya doğru kaldırılmasının az oluşu,

• Basınç düşüşünün az olması,

• Rastgele dolgu ve tepsiliye göre ihmal edilebilir oranda köpük oluşumu.

66

Şekil 4.28 Yapısal dolgulu kolon kesiti. (Air Separation Plants Book)

67

Yüksek verimliliği sayesinde daha düşük yüksekliklerdeki kolonlarda daha iyi ayrıştırmaya

olanak sağlamaktadır.

Likitin kaldırılmasının azlığı ve basınç düşüşünün az oluşu, yatağın ön kısmını daha düşük

taban sıcaklıklara geçirir. Bu durum hassas ürünlerin ısı düşüş şansını azaltır. Ayrıca ısı

kapasite ihtiyacını düşürür ve daha küçük kaynatıcı ile enerji tasarrufu sağlanmış olur.

(www.finepac.com)

Mevcut rastgele dolgu veya tepsili kolonların yapısal dolgu ile değiştirilmesi sonucunda

aşağıdaki avantajlar elde edilebilir:

• Mevcut kolon yüksekliğinde daha nazari kademeler oluşturulabilir. Daha iyi ayrıştırma ve

daha düşük reflux oranları sağlanmaktadır.

• Daha düşük reflux oranları ve basınç düşüşünün az olması ile önemli ölçüde enerji

tasarrufu sağlanır.

• Rastgele dolgulunun yerine kullanılmasıyla kapasitenin % 50’ den % 70 mertebesine

yükselmesi sağlanabilir.

Dolgu verimi pek çok faktöre bağlıdır. Başta sistem olmak üzere, likitin ıslatma karakterine,

mutlak ve rölatitif buhar ve likit kapasitelerine bağlıdır. Eğer uygun olmayan buhar ve likit

dağıtımı gerçekleşirse, tüm dolguların performansı düşük olur ve dolgu tipleri arasındaki

farklar değerlendirme dışında kalır. (www.finepac.com)

Yapısal dolguların farklı koşullarda nasıl davrandıklarını anlamak için öncelikle birbirine

yakın ölçülerdeki dolguların nasıl farklı verim değerlerine sahip olabildiğini anlamak gerekir.

Dolgu, buhar temas yüzeyinin maksimize edilmesi için likitin yayıcı vasıtasıyla yayılması

esasına göre çalışır. Kıvrım yüksekliği artarak dolgu yüzey hacmini doldurur. Bu, likit

filminin yayılarak daha geniş bir alanda, daha ince bir film tabakası oluşturmasını sağlar

(kıvrımın daha küçük olduğu dolgularda verim daha yüksektir).

Dolgu ölçülerindeki farklılık, dolgu geometrisi ve makro yapısını belirlemektedir. Yapısal

dolgu ayrıca dolgu yüzeyinin davranışı veya mikro yapısına göre de farklılık göstermektedir.

Farklı dolgular farklı yüzey davranışına sahiptir. Çukur, kertik, fırıldak, çıkıntı, oluk, delikler

ve daha bir çok mekanik yapı kullanılmaktadır. Yüzey davranışları mümkün olan pek çok

konuyu sağlamaya çalışmaktadır. Bunlar:

• Likit dolgu filmi içerisindeki türbülansı arttırmak,

• Kullanılabilir yüzey alanını arttırmak,

68

• Dolgunun farklı kısımları arasındaki karışımı ilerletmek.

Yüzey davranışının etkileri düşük likit oranlarında genellikle yükselmektedir. Düşük likit

oranlarında, likit davranışının şeklini alacak tarzda hareket eder. Bu hareket tarzı Şekil 4.29’

da görülmektedir. (www.finepac.com)

Şekil 4.29 Düşük likit oranlarında dolgu üzerindeki likit tabakası. (www.finepac.com)

Yüksek likit oranları (kapasitesi), yüzey davranışının sağlamış olduğu faydayı azaltır. Bu

davranışa ait görünüm Şekil 4.30’ da görülmektedir.

Şekil 4.30 Yüksek likit oranlarında dolgu üzerindeki likit tabakası. (www.finepac.com)

69

4.4.5.3 Tekil Kolonların Çalışma Prensibi Sıvı havanın, kaynama sıcaklığında ayrıştırılacağını düşünelim. Bir an için Ar’ ın olmadığını

farz edelim. Bu durumda O2 ve N2’ den oluşan bir karışımımız olduğunu söyleyebiliriz. N2’

nin kaynama sıcaklığı en yüksek olduğundan (-196 0C), buhar olarak yukarı yükselecektir ve

O2 de likit olarak aşağıya dökülecektir. Kaynama ve likitleşmenin nasıl taşındığını da göz

önüne almazsak, sonuçta tekil kolonun çalışma prensibini ortaya koymuş oluruz.

Şekil 4.31 Tekil kolon. (Air Separation Technique Course Information Document)

70

Hava kolonun alt kısmından içeri likit olarak girer.

Aşağıya doğru her bir tepsi indikçe O2 oranı artar. Kolonun altında bulunan kaynatıcıda saf

likit O2’ yi görürüz. Buradan O2 saf olarak dışarı alınır. Kaynatıcıda GOX üretilir ve kolonun

üst kısımlarına doğru yükselir. Bu esnada her bir üst tepside N2 içeriği artmaktadır.

Kaynatıcının içerisindeki LOX’ un en üst noktasında aniden saf GOX uzaklaşır. Uzaklaşan bu

saf GOX hava beslemesinin içine karışır. Gerçekte karışım havayla aynıdır.

Her bir tepsi yukarı çıktıkça N2 içeriği artar ve en üstte saf GAN’ ı buluruz. Bu N2’ nin bir

kısmı kondens olarak kolonun içine dökülür (reflux), diğer kısmı ise LIN üretimi olarak

dışarıya alınır. (Air Separation Technique Course Information Document)

Materyal Dengeleri

Kolondaki proses kesilmeksizin sürekli olarak devam etmektedir. Burada temel şart “prosese

giren mutlaka çıkmalıdır” ilkesidir. Çünkü depolamak için uygun yer bulunmamaktadır.

İçeri giren hava miktarı = ( O2 + N2 ) çıkışı

Havanın içerisinde bulunandan daha fazla O2’ yi elde etmek kesinlikle mümkün değildir.

(İçeri giren hava miktarı) . 0,21 = O2 çıkışı (0,21: havadaki O2 içeriği)

(İçeri giren hava miktarı) . 0,78 = N2 çıkışı (0,78: havadaki N2 içeriği)

Burada tanımlanan akışlar Nm3/h cinsindendir.

Eğer bir üründen çok fazla alırsak ne olur?

Kolonun kararlı çalıştığını ve saf O2’ nin dipte, saf N2’ nin da üst tarafta bulunduğunu

düşünelim. İki ürünün kompozisyonu arasında kademeli bir değişim söz konusu olacaktır.

Bunu Şekil 4.32’ de açıkça görebilmekteyiz.

Analiz cihazını QI = Kalite (analiz) indikatörü ile ifade edecek olursak; QI-1 saf O2 için, QI-

2 merkezin üzerindeki karışım için ve QI-3 de saf N2 için kullanılmak üzere; tüm analizler O2

konsantrasyonunu farklı ölçü derecelerinde (% veya ppm) gösterir.

Safiyet ile konsantrasyon arasındaki farklılığa dikkat etmek gerekir. QI-1’ deki O2

konsantrasyonu yükseldiğinde bunun anlamı LOX safiyetinin yükselmesidir. Fakat QI-3’ deki

O2 konsantrasyonu yükseldiğinde LIN safiyeti azalmaktadır.

Eğer çok az miktarda N2 ürünü alırsak, kolonun tepesinde daha fazla N2 akümüle olacaktır.

71

Şekil 4.32 Kolon içerisindeki oksijen ve azot kompozisyonu. (Air Separation Technique Course Information Document)

72

Çünkü aşağıdan sürekli olarak hava beslemesi ile birlikte yükselen buhar mevcut olacaktır. Bu

N2 akümülasyonu büyür ve O2’ yi aşağıya doğru bastırır. N2 safiyeti daha iyi olur, bunu da

QI-3’ deki düşüş olarak görebiliriz. Bu basınç aşağıya doğru ilerleyerek kolonun O2 kısmına

inerek buradan dışarıya çıkar. Bunun sonucu olarak çıkacak anlam şudur: Eğer N2 tepeden

çıkamazsa, O2 ile birlikte çıkmayı deneyecektir. Bundan dolayı O2 safiyeti kötüleşecektir.

Bunu da QI-1’ deki düşüş olarak görebiliriz. Eğer bu durum çok ilerlerse O2 safiyetini

koruyabilmek için çok geç kalınmış olunur. Bu nedenle kolonda yukarıdan aşağıya doğru

tepsi sayısı kadar analizör sisteme entegre edilmiştir (QI-2). Bu gaz içeriğindeki herhangi bir

değişime karşı, kolon tepesinde olduğundan daha erken fark edecek şekilde bir hassasiyete

sahiptir. Bu anlatılan durumun tam tersini, yani materyal dengesinin izin verdiği miktardan

daha fazla N2 üretimini dışarı aldığımızı düşünelim. Bunun sonucu olarak tüm kolondaki O2

konsantrasyonu yükselecektir. Kolona havanın içerisinde giren N2 , bu yer değiştirmeyi

sağlayacak kadar yeterli olmayacaktır. Bunun sonucu olarak O2 kolonda yükselmeye

başlayacak ve N2 safiyeti kötüleşecektir (QI-3 yükselmesi). Bununla beraber dipteki O2

safiyeti iyileşecektir (QI-1 yükselmesi). (Air Separation Technique Course Information

Document)

LOX Alımının Kontrolü

Burada likit hava ile beslenen ve likit ürünler üreten bir kolon ele alınacaktır. Dip kısımdan

alınan üretim (LOX), içeriye giren likit havanın içindeki miktar kadar olmalıdır. Eğer tepeden

doğru üretimi (LIN) alırsak, dipten de doğru üretim (LOX) miktarı kaynatıcıya gidecektir.

Eğer yanlış miktarda LOX’ u dışarı alırsak, kaynatıcıdaki seviye ya yükselecek ya da

azalacaktır. (Air Separation Technique Course Information Document)

Çok düşük seviyelerin anlamı; ısı ekipmanlarının likit tarafından tam olarak kapatılmadığıdır.

Bunun sonucu olarak da ekipmanlardaki kaynama olayı azalacak ve distilasyon prosesi

kötüleşecektir. Çok yüksek seviyelerin anlamı ise LOX’ un yükselerek ilk tepsinin üzerine

çıkması ve saflaştırma prosesinin yok edilmesidir. Buradan çıkacak sonuç; likit seviyesini

tanımlanmış sınırlar arasında koruyacak miktarda LOX’ un dışarı alınmasıdır. Bu nedenle

LOX çıkışına LIC adı verilen otomatik bir kontrolörün konulması gerekir. LIC bir ölçüm

ünitesine sahiptir ve likit seviyesini ölçer. Ayrıca burada bir hesaplama ünitesi bulunmaktadır.

Bu ünite istenilen seviye ile mevcut seviye arasındaki farkı hesaplar. Bu fark kontrol ünitesine

gönderilir, buradan LOX çıkış kontrol valfine bir sinyal üretilerek açma ya da kapama

yaptırılır. Bu sayede istenilen ve mevcut seviyeler arasındaki fark önceden belirlenen

yüzdeden daha az olacaktır.

73

Şekil 4.33 Tekil kolonun çalışması. (Air Separation Technique Course Information Document)

74

4.5 Linde’ nin İkili Kolonu

4.5.1 İkili Kolon Parçalarının Tanımlaması Neredeyse bütün HAT’ lar iki kolonun kombinasyonundan oluşmaktadır. Bu fikir Linde

firmasının kurucusu Dr.Carl von Linde’ ye aittir.

Alttaki kısım; üst kısmında kondenserin, alt kısmında da hava beslemesinin bulunduğu yarı

tekil kolondur. Üstteki kısım; kondensersiz, kaynatıcılı tekil kolondur. Alt kolondaki

kondenser üst kolonun kaynatıcısı gibi çalışır.

Bu tip kondenser eski tesislerde kullanılmaktadır.

Hava alt kolonun dip kısmından çiğ noktası sıcaklığının üzerinde bir sıcaklıkta girer. Buhar

kolon içerisinde yükselir ve kondenserde reflux formuna dönüşür. Hava bu kolona likit

formda giremez, çünkü bu kolonda buharı oluşturmak için gerekli kaynatıcı

bulunmamaktadır.

Kolonun üst kısmında O2’ ye göre daha düşük kaynama sıcaklığına sahip olan saf N2

bulunmaktadır. Dipteki üretim saf olmayacaktır. Bununla beraber besleme havasıyla

karşılaştırıldığında O2 tepedeki N2 üretimi kadar zengindir. (Air Separation Technique Course


Dipteki RL olarak bilinen ürün yaklaşık % 35-40 O2 içerir. RL ayrıca üst kolonun orta

kısımlarında besleme yapılarak ayrıştırma verimi arttırılır.

Üst kolonda kondenser bulunmamaktadır, fakat reflux alt kolonun en üst noktasındaki saf

üründen alınmaktadır. Kolonun dip kısmında kaynatıcı bulunmaktadır. Alt kolondaki N2’ nin

kondens olmasıyla bu kaynatıcı ısıtılır. Ayrıca üst kolonda distilasyon gerçekleşir, kolonun

dip kısmında saf O2’ yi elde ederiz.

Likit üretimi dışarı alabilmek için, soğukluk (bir miktar likit) sağlanmalıdır. Bu soğukluk alt

kolonun üst kısmından GAN’ ın dışarı alınmasıyla sağlanır ki buna “çevrim” adı verilir. (Air


75

Şekil 4.34 Linde’ nin ikili kolonu. (Air Separation Technique Course Information Document)

76

4.5.2 LOX ve LIN Basıncına Bağlı Kaynama Noktası İkili kolonun çalışması için LOX kaynamalı ve GAN kondens olmalıdır (LIN’ e

dönüşmelidir).

Atmosferik basınçta LIN (-196 0C), LOX’ dan (-183 0C) daha soğukken bu işlem

gerçekleşmeyecektir. Daha soğuk bir şeyle bir başka nesneyi ısıtamayız. Bunu sağlayabilmek

için N2’ nin basıncı yükseltilmelidir.

Şekil 4.35’ te O2 ve N2 için buhar basınç eğrileri görülmektedir. Düşey eksen 0 ile 7,5 bar

(mutlak) arasında basıncı göstermektedir.

Diyagramlarda 0 bar (mutlak) = vakum ve 1 bar =deniz seviyesindeki atmosferik basınçtır.

Fakat HAT’ ta, daima üst basınç kullanılır. (Air Separation Technique Course Information

Document)

Karşılaştırma açısından;

0 bar =1 bar (mutlak) =atmosferik basınç ve

1 bar =2 bar (mutlak)

Pratik nedenlerden dolayı bu şekilde kullanılmaktadır. Üst basınçları ölçen basınç

göstergelerini imal etmek daha kolay olur.

Yatay eksen 76 K’ den 116 K’ e kadar olan sıcaklık aralığını göstermektedir. Diyagramdaki

eğriler basınç ve sıcaklık arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Genellikle bu eğriler buhar basınç

eğrileri olarak bilinirler.

Üst kolondaki LOX basıncı yaklaşık 0,5 barg =1,5 bar dır ki bu atmosferik basınçtan daha

yüksektir. Diyagram üzerinde bu basınç değerinden LOX eğrisine doğru bir çizgi çekilir,

kesiştiği noktadaki sıcaklık değeri 94 K = - 179 0C olarak okunur. (Air Separation Technique


77

Şekil 4.35 Azot ve oksijen buhar basınçları. (Air Separation Technique Course Information Document)

Çoğu kez LIN’ den LOX’ a ısı transferinin gerçekleşebilmesi için 2,5 0C lik bir sıcaklık farkı

gerekmektedir. Bu nedenle LIN sıcaklığı 94+2,5 = 96,5 K olmalıdır. Şimdi LIN’ in 96,5 K

sıcaklığındaki basıncını bulmak için, bu sıcaklıktan LIN eğrisine olan çizgiyi takip ederek

kesiştiği noktadan basınç eksenine çizilen dikme yardımıyla basınç değerinin 6,0 bar (mutlak)

= 5,0 barg olduğu görülür. Dolayısıyla alt kolonun bu basınç değerinde çalışması

gerekmektedir. Bu basınç nedeniyle alttaki kolon YBK, üstteki kolon ise ABK olarak

adlandırılır.

78

LOX’ un kaynaması sırasında, kondens olarak LIN’ e dönüşen GAN’ dan ısı alınır. Eğer

kaynama noktasındaki likitin basıncı düşerse, ısı temin etmeden kaynamaya başlar. Bu

fenomen çok yaygındır ve flaş olarak adlandırılır.

Kalan likitten ısı alınırsa ve sıcaklık buhar basınç eğrisinin belirttiği değere gelinceye kadar

düşürülürse kaynama durur. Bu soğutma makinasındaki soğukluk üretiminin temelidir. (Air


4.5.3 Kaynatıcı – Kondenser Çalışma Prensipleri YBK’ nın basıncının istenilen basınçta kalmasını sağlamak için ne yapmak gerekmektedir?

Bu sorunun cevabı için öncellikle kondenserin nasıl çalıştığını irdelemek gerekir. Isıyı sıcak

olandan soğuk olana transfer eden bir tür ısı eşanjörüdür.

Kondenserin kapasitesini belirleyen etkenler aşağıda verilmektedir:

Kondenserin kondens yüzeyi ile ilgili olarak; yüzey daha büyük olursa daha fazla ısı transfer

olur.

LOX ve LIN tarafları arasındaki sıcaklık farkı: Daha büyük sıcaklık farkı (∆T) varsa daha

fazla ısı transferi olur.

Havayı YBK’ ya itersek ve dışarıya hiçbir şekilde gaz kaçmamasını sağlarsak gazın tamamı

kondens olacaktır.

Tesisteki kondenser yüzeyi belirlidir ve değiştirilemez. Tek değiştirebileceğimiz sıcaklık

farkıdır. ABK’ nın alt kısmındaki O2 belirli basınçta kaynar ve dolayısıyla sıcaklıkta belirlidir.

YBK’ nın üst kısmında bulunan gazın kondens sıcaklığı tek değiştirilebilecek parametredir.

Eğer YBK hava beslemesini arttırırsak daha fazla miktarda N2 kondens olmalıdır.

Kondenserin kondens kapasitesi bu büyük miktarı karşılamaya yeterli değilse, gaz kondens

olamaz ve basınç yükselir. Daha yüksek basınç, daha yüksek kondens sıcaklığı anlamına gelir

ve kondenserin kondens kapasitesi tüm N2’ yi kondens etmeye yetecek seviyeye gelene kadar

∆T sıcaklık farkı yükselir. Böylece sorunun cevabı bulunmuş olmaktadır. YBK basıncını

istenilen değerde tutmak için hiçbir şey yapmaya gerek yok. Basınç otomatik olarak doğru

değerde kalır ve bütün N2 kondens olur. Bu basıncı değiştirmeye çalışmamıza gerek yoktur.

Böylece üzerinde düşünülmesi gereken değerlerden bir tanesi elenmiş olur. (Air Separation


79

4.5.4 İkili Kolonun Kontrolü YBK’ nın üst kısmında kondens olmuş LIN’ i biriktirmek için bir depo bulunmaktadır. Bu

depodan LIN’ in bir kısmı ABK’ ya reflux olarak kullanılmak amacıyla, bir kısmı da LIN

üretimi olarak kolon dışına alınır. Depo dışına alınmayan LIN üst köşeye doğru hareket eder

ve YBK’ya reflux olur. YBK basıncı ABK’ dan yüksek olduğundan LIN kolaylıkla yukarı

doğru itilir.

Son yıllarda depolama uygulaması yer almaktadır. İsveç’ de yapılan bu uygulamada ekstra

yüksek kolonlar bulunmaktadır. Bu tip kolonlarda likiti ABK’ ya basmak için basınçlı soğuk

gaz kullanılmaktadır.

YBK’ daki reflux çok miktarda O2’ nin oluşmasını sağlar ve kolonun dibinde yaklaşık % 37

O2 içeren RL oluşur. Bu, LIC tarafından kontrol edilen bir valften dışarı alınır.

Malzeme dengesini aşağıdaki şekilde gösterebiliriz:

İçeri giren hava = LIN + RL

LIN çıkışı ve hava beslemesi sabit olacak, sadece RL kalacaktır. Bu nedenle RL kendi

seviyesi ile kontrol edilecektir. Bunun anlamı LIN çıkışı yükseltilirse, RL miktarı azalacaktır.

Tekil kolon konusunda da bahsedildiği gibi LIN safiyeti reflux oranına bağlıdır. Kolonun alt

kısmında kaynatıcı bulunmamakta ve içeri giren tüm hava gaz formundadır. LIN safiyeti

sadece alt kolondan dışarıya ne kadar alındığına bağlıdır. Burada büyük geri çekilme diye

adlandırılan bir olayın açıklanması gerekmektedir.

Doğru uygulama; LIN safiyeti 3 ppm O2’ yi (QI-2) aşmayacak şekilde dışarı almaktır. LIN

üretime alındıktan sonra ABK’ nın üzerinden mümkün olduğunca çok reflux beslemesi

yapılmalıdır.

Eski tesislerde çoğunlukla iki reflux bulunmaktadır. Birisi saf diğeri kirli reflux’ tır. Bazen

sadece kirli reflux bulunur. Bu sistemde kirli reflux tepeden birkaç tepsi aşağıdan alınarak

ABK’ ya Lachmann çıkışından gönderilir. Dahili sıkıştırmalı ve büyük hava akışının

bulunduğu yeni tesislerde bu reflux mevcuttur.

YBK’ nın üst kısmındaki O2 içeriğindeki değişimleri gözlemlemek zor olmaktadır. Pek çok

tesiste, kolonların alt kısmında ekstra analiz noktası (QI-1) bulunmaktadır. Bu analiz

noktalarındaki değerlere bakarak ön uyarılar yapılabilir. Örneğin; O2 içeriği çok yükselirse bu

durum, tepedeki safiyeti farkedilmeden önleyebilir.

80

ABK’ daki maksimum reflux miktarı ile mümkün olduğunca çok miktarda O2 yıkanır ve

dipten LOX ve GOX olarak alınabilir. (Air Separation Technique Course Information

Document)

4.5.5 Lachmann Çıkışı (Kirli Azot ) ABK’ nın temel problemi reflux eksikliğidir. GAN’ ı tepeden almak mümkün değildir. Bu N2

reflux ile aynı safiyete sahiptir (3 ppm O2 ). Saf GAN, LIN’ in elde edildiği likitleştiricide

kullanılabilir.

Tepedeki gaz miktarını arttırmak için reflux eksikliğinin giderilmesi gerekir. Bu, RL

beslemesi ile tepe noktası arasındaki bir bölgeden gazın dışarı alınmasıyla sağlanır. Buna

Lachmann çıkışı adı verilir. Bu çıkıştan ne kadar çok kirli N2 dışarı alınırsa tepedeki GAN’ ın

gerekli safiyetini sağlamak için yeterli reflux elde edilmiş olacaktır.

Lachmann gaz noktasında bir O2 analizörü (QI-5) kullanılarak tepenin altındaki noktada O2

içeriğindeki herhangi bir değişimin uyarısını almış oluruz. Ayrıca YBK’ nın en üst noktasında

da saf GAN bulunmaktadır. Ancak bu dışarıya saf GAN ürünü olarak alınacak kadar iyi

değildir. Buradan GAN alınırsa, kondensere giden GAN miktarında ve sonuç olarak da ABK

ve YBK’ da reflux için uygun LIN miktarında düşme olacaktır. (Air Separation Technique


4.5.6 ABK’ daki Oksijen Safiyetinin Kontrolü LOX, LIC kullanılarak ABK’ nın dip kısmından alınır. LOX seviyesinin en üst noktasının

üzerinden GOX alınır.

Eğer reflux’ ın maksimum değerde olması sağlanırsa, O2’ nin kolonun üst kısımlarında en iyi

şekilde duşlanması sağlanmış olur.

LOX safiyeti, alt kısımdaki reflux durumundan etkilenir. Reflux akışı, RL ile tepeden yapılan

reflux miktarlarının toplamına eşittir. Bunların her ikisi de YBK’ dan beslenmektedir ve

toplamları, LIN üretimi hariç hava beslemesine eşittir.

ABK’ nın alt kısımlarındaki reflux akışı ABK’ ya olan reflux’ daki değişimlerden etkilenmez.

Sadece LIN üretiminden etkilenir.

LOX safiyetine etki edebilmek için reflux durumuna müdahale edilmelidir. Bu aynı zamanda

buhar miktarını da etkileyebilir. Buhar miktarı, hava miktarına bağlı GAN kondensine

bağlıdır. Bunda bir değişiklik olmayacağından, yalnızca GOX çıkışı değişecektir. Buna bağlı

81

olarak buhar miktarı değişecek ve sonuçta O2 safiyeti değişmiş olacaktır. (Air Separation


Şekil 4.36 Lachman çıkışlı ikili kolon. (Air Separation Technique Course Information Document)

82

Likitle karşılaşan buhar miktarı fazla olursa likit fakirleşir. Buhar likitteki N2 kirliliğini

süpürüp alır.

Yüksek safiyette O2 almak için büyük miktarda yükselen buhar gerekmektedir. Yükselen O2

bir yerlerden dışarı çıkmalıdır. Bu çıkışı Lachmann’ dan yapacaktır. Buradaki O2 kayıptır.

Diğer taraftan safiyet düşerse, GOX’ un dışarı alımı yükselecektir. Bu GOX’ un yükselişi

genellikle kayıptır, çünkü bu sadece GOX tüketimi için boru hattı varsa burada kullanılır. Bu

nedenle safiyet tesisin spesifikasyonuna uygun olarak set edilmelidir. Normalde bu değer %

99,6 GOX ve % 99,7 LOX tur. (Air Separation Technique Course Information Document)

YBK’ daki reflux miktarını arttırmak, en üst kısımdan saf soğuk GAN beslemesiyle

mümkündür. Bu GAN kondensere doğru yükselir ve LIN reflux’ ı elde edilir. Bu sayede daha

fazla LOX kaynaması sağlanır.

4.5.7 İkili Kolonun Çalışma Prensibi (Materyal Dengesi Kullanılarak) Temel ilke “prosese giren çıkmalıdır” olduğundan, eğer hava akışını ve tüm ürünleri ölçecek

olursak, ürünlerin toplamının hava akışına eşit olduğunu görürüz. Bir an için Ar’ ı ihmal

edelim. Bu durumda toplam akış ve O2 akışı için sırasıyla iki materyal dengesi hesaplanabilir.

O2 dengesi için bütün akışlardaki O2 içeriğinin bilinmesi gerekir. Havada % 21 O2 , LOX’ da

% 99,7 , GOX’ da % 99,6 , LIN’ de ve GAN’ da yaklaşık 1 ppm ve kirli N2’ de 50 ppm - %

0,3 aralığındadır.

Pratikte LIN ve GAN içindeki ppm mertebesindeki O2 ihmal edilebilir. Ayrıca 50 ppm’ lik O2

içeriği ihmal edilebilir.

Toplam denge: Hava = LOX + GOX + LIN + GAN + kirli N2 (Nm3/h)

Oksijen dengesi: 0,21 . Hava = 0,997 . LOX + 0,996 . GOX + 0,003 . kirli N2

Toplam balans ayrıca soğukluk üretimi için yapılan N2 çevriminden olan gaz kaçaklarını da

içermelidir.

Materyal dengesi hesaplanırken aşağıdaki yöntem kullanılır:

Proses tankının etrafına bir çember çizilir. Sadece bu çemberden geçen akışlar hesaba katılır.

Tamamıyla bu çemberin içinde veya dışında bulunan akışlar dahil edilmeyecektir.

Örnek olarak YBK ele alınacak olursa; burada hava girişi ile LIN ve RL çıkışı bulunmaktadır.

Bir an için N2 çevrimindeki N2 kayıplarını ve GAN beslemesindeki N2 kayıplarını ihmal

83

edelim.

Hava akışı sabittir. LIN akışı manuel valf vasıtasıyla değiştirilebilir. Fakat RL seviye

kontrolörü tarafından kontrol edilir. Bu, LIN’ den sonra dışarıya alınan RL miktarını belirler.

Eğer LIN çıkışını arttırırsak, RL miktarı düşecektir.

Toplam denge: Hava = LIN + RL (Nm3/h)

Oksijen dengesi: 0,21 . Hava = LIN / 1.000.000 + X . RL

X : RL içerisindeki O2 içeriğidir ve normalde % 35-40 civarındadır. Denklemi hesaplamaya

gerek olmadığı açıkça görülmektedir. Bütün O2 , RL içerisinde dışarı çıkar. LIN içerisindeki 1

ppm’ lik miktar pratik olarak bir anlam ifade etmemektedir. Bununla beraber, eğer O2

analizini (X) biliyorsak, LIN’ i ve RL’ yi hesaplayabiliriz. (Air Separation Technique Course


Birinci eşitlikten görüldüğü gibi, hava beslemesi sabit kalmak koşuluyla, LIN’ i arttırırsak RL

düşecektir.

İkinci eşitlikte yer alan RL azaldığında X artmalıdır (havanın içindeki O2 içeriği değişmemek

kaydıyla).

4.5.8 İkili Kolon İçerisinde Materyal Dengesi Şekil 4.38’ deki 1 noktası, YBK’ nın dip kısmındaki gazın materyal dengesine aittir.

Giren hava = yükselen hava

İçeri giren hava çiğ noktasından daha sıcaktır. Bu nedenle kolon içerisinde yükselmesi

gereken gaz konumundadır. Yukarıdan dökülen reflux ile aralarında sürekli bir değişim söz

konusudur. Fakat gazın kondens olan kısmı, buharlaşan likite çok yakındır. Bu sebepten iki

akış birbirini dengeler. İçeri giren hava pratik olarak yükselen havaya eşittir.

Yükselen havanın N2 içeriği, yükseldikçe kademeli olarak artar. Bu artış kolonun en üst

noktasında saf N2 oluncaya kadar devam eder (yükselen GAN). Bu artış % 78’ den % 100’ e

kadardır. Bu nedenle yükselen GAN, giren havaya eşittir. Bu GAN, kondensere giderek

kondens LIN’ e dönüşür.

Materyal dengesi : yükselen GAN = kondens LIN

ABK’ da reflux olarak kullanılan LIN dökülerek aşağıdaki açık bir kap içerisinde toplanır ve

84

LIN üretimi alınır (LIN-ABK). Üretim olarak dışarı alınmayan kısmı kabın üst kenarından

taşarak YBK’ ya reflux oluşturur (reflux-YBK). Kaptaki materyal dengesi aşağıdaki şekilde 2

noktası ile gösterilmektedir.

Kondens LIN = (LIN – ABK) + (reflux – YBK)

Şekil 4.37 ABK materyal dengesi. (Air Separation Plants Book)

85

Kondens LIN, giren havaya bağlıdır, yükselen GAN ve yükselen havayla bu değişmez.

Bundan dolayı, eğer LIN-ABK artarsa reflux-YBK azalır. Azalan reflux-YBK düşük LIN

safiyeti verir. Eğer çok saf LIN varsa, LIN-ABK, safiyet dolum için tanımlanan safiyete

yaklaşana kadar artacaktır (genellikle 1 ppm O2 ). Bu methodu kullanarak ABK için en uygun

reflux’ ı besleyebiliriz.

LIN-ABK kolonun en tepe noktasında bulunan kap içerisine gider. Eş zamanlı olarak YBK’

dan da aynı işlem gerçekleşir. Bu method kullanılarak, reflux valfteki genleşmeden sonra

mümkün olan en büyük miktarda gaz elde edilir. Bu gaz ayrılarak GAN olarak kolonun en üst

noktasına gider. Tesislerde ayırıcı (reflux’ ın genleşmeye uğradığı ve GAN’ ın LIN’ den

ayrıldığı ekipman) bulunur.

Kap için materyal dengesi Şekil 4.38’ de 3 nolu nokta ile belirtilmiştir.

LIN-ABK = LIN-ürün + reflux-ABK

LIN-ürün artarsa, yani daha fazla LIN üretimini dışarı alırsak, reflux-ABK azalır. Diğer bir

deyişle LIN-ürün reflux’ tan çalar. Bunu takiben O2 kaybı olarak adlandırılan Lachmann

gazındaki O2 içeriği artar.

ABK’ nın ortalarında bir bölgede RL kolona giriş yapar. RL, reflux-ABK ile karşılaşır. Bu

karışım akışı ABK’ nın alt kısımlarında reflux’ a dönüşür. Bu bölgede O2 saflaştığından, buna

reflux-O2 adı verilir. Bu karışım için materyal dengesi Şekil 4.38’ de 4 nolu nokta ile

gösterilmektedir.

Reflux-ABK + RL = reflux-O2

Tüm bu akışlar YBK’ dan gelmektedir ve toplamları içeri giren havaya eşittir. Tek farklılık

LIN-ürün’ ün, LIN-ABK’ dan alınıyor olmasıdır. Eğer LIN-ürün değişmezse, ABK’ nın alt

kısımlarındaki reflux da değişmez. (Air Separation Technique Course Information Document)

Materyal dengesine bağlı olarak aşağıdaki eşitlikler yazılabilir:

Hava-giriş = (LIN-ABK) + (RL) (Şekil 4.39)

LIN-ABK = (LIN-ürün) + (reflux-ABK) (Şekil 4.38). Buradan da;

Hava-giriş = (LIN-ürün) + (reflux-ABK) +(RL)

86

Şekil 4.38 İkili kolondaki iç akışlar. (Air Separation Technique Course Information Document)

87

(reflux-ABK) + (RL) = (reflux-O2 ) yerine yazılırsa, sonuç olarak

Hava-giriş = (LIN-ürün) + (reflux-O2 )

Hava giriş ve LIN-ürün değişmezse, reflux-O2 de değişmez. Bundan çıkacak sonuç ise şöyle

ifade edilebilir: O2 safiyetini kontrol etmenin tek yolu, kaynatıcıdan ne kadar GOX

yükseldiğinin kontrolüdür (kaynayan GOX). Kaynayan GOX miktarı kondens olan GAN

miktarına bağlıdır.

Dışarı alınan GOX için materyal dengesi 5 nolu nokta (Şekil 4.38) ile gösterilmektedir.

Kaynayan GOX = GOX + yükselen GOX

Eğer dışarı alınan GOX miktarını azaltırsak, yükselen GOX miktarı artacaktır. Bu GOX

yukarıya doğru yükselerek kirli N2’ ye karışarak kayıp olarak dışarı atılacaktır. Bu method

bütün kolondaki O2 içeriğini arttırır ve LOX üretimi safiyeti artar. Ancak maliyet açısından

O2’ nin kaybı söz konusudur.

Kolonda yükselen GOX, tepedeki çıkış noktasında kirli N2 kompozisyonunu elde edebilmek

için dereceli olarak içerisindeki N2 miktarını arttırır. Yükselen N2 bu çıkışa doğru olan akıştır

ve yükselen GAN ise üstteki akıştır. Bu çıkış için materyal dengesi Şekil 4.38’ de 6 nolu

nokta ile tanımlanmıştır.

Yükselen N2 = (kirli N2 ) + (yükselen GAN)

Yükselen GAN, GAN-ürün olarak dışarı alınır ve kontrol edilebilir. Eğer GAN-ürün

arttırılırsa, buna bağlı olarak yükselen GAN da artacaktır ve sonuçta kirli N2 miktarı

azalacaktır (yükselen N2 sabit kalır). Yükselen GAN’ daki artış ve reflux’ ın da değişmemesi

ile yükselen GAN içindeki O2 içeriği artacaktır. GAN safiyeti için doğru set değeri genellikle

1 ppm O2 dir. (Air Separation Technique Course Information Document)

Sonuç olarak denilebilir ki; artan GAN-ürün miktarı, O2 içeriğini arttırır ve kirli N2 akışını

azaltır.

88

Şekil 4.39 YBK materyal dengesi. (Air Separation Technique Course Information Document)

89

4.5.9 Ar Transfer Bölgesi Ar üretimi için, içerisinde yüksek oranda Ar bulunan gaz ABK’ dan yanda bulunan kolona

alınır. Bu kolonda O2 ve Ar ayrılır. Bu ikisini birbirinden ayırmak zordur. Bu nedenle kolon

içerisinde pek çok delikli tepsi ve büyük reflux oranları gerekmektedir.

N2 , O2 ve Ar’ dan daha soğuk olduğundan, gaz içindeki N2’ nin tamamına yakını kolonun

tepesine gider.

Yan kolon, besleme gazı (ABK’ dan çekilen O2 , N2 ve Ar karışımı) içerisinde yaklaşık %

0,1’ lik N2 içeriğini kullanabilir. Bu nedenle besleme gazının çıkış noktası bu N2 içeriğinin

elde edilebileceği kısma yerleştirilir. Bu yaklaşık olarak ABK’ nın 35. tepsisine karşılık gelir.

Bu bölge Ar transfer, Ar bölgesi veya bulut olarak adlandırılır. Burada O2 içeriği % 90 ve Ar

içeriği de yaklaşık %10 civarındadır. Buradan da, bunları ayırabilmek için çok sayıda tepsinin

gerekli olduğu sonucu çıkmaktadır. Tüm ABK’ larda 110’ un üzerinde tepsi bulunabilir.

YBK’ da ise 50-60 tepsi bulunur. (Air Separation Technique Course Information Document)

4.5.9.1 Kolonlardaki Karbonmonoksit ve Azotoksit CO istenmeyen bir bileşiktir. CO, karbon ve hidrokarbonların tamamlanmamış yanması (taşıt

motorlarında) sonucu ortaya çıkar. Atmosferde 0,1 - 0,2 ppm civarında bulunur.

CO, ME’ lere doğru ilerler. Kaynama sıcaklığı –191,5 0C’ dir. Bu değer N2’ ninkinden 4,5 0C

sıcak ve Ar’ ınkinden 5,5 0C daha soğuktur. Bu nedenle kirli GAN ile birlikte, havadaki

konsantrasyonunun yaklaşık iki katına yakın oranda dışarı çıkma eğilimindedir. ABK’ nın

tepesinden GAN ile birlikte, yaklaşık olarak havadaki konsantrasyonunda kolonu terk eder.

Önemsenmeyecek derecede az bir miktarı da aşağıdaki Ar transfer bölgesine giderek yan

kolona geçiş yapar. Yan kolondaki büyük reflux oranına bağlı olarak, kolonun tepesindeki

ham Ar’ ın içerisinde ölçülebilir miktarda (0,1 ppm) bulunabilir. CO’ nun hiçbir kısmı

aşağıda bulunan LOX’ a doğru hareket etmez. (Air Separation Technique Course Information

Document)

N2O, atmosferde 0,35 ppm mertebesinde bulunur. Proses açısından risk teşkil eden bir

bileşendir. ME’ den büyük oranda geçer. Kaynama noktası – 88 0C’ dir. LOX’ un içerisine

duşlanır. Eğer büyük oranda LOX zenginliği söz konusu ise (büyük GOX üretimlerinde),

LOX içerisindeki N2O konsantrasyonu oldukça yükselir. Bu ayrıca dökülen film tipi

kaynatıcılar için güvenlik açısından risk teşkil etmektedir.

90

4.6 Ham Ar Kolonu Ham Ar kolonu kondenserli bir kolondur, ancak kaynatıcı bulunmaz. Bu nedenle gazı dipten

almalıdır. Bu gaz Ar transfer bölgesinden gelir ve yaklaşık % 90 O2 , % 9,9 Ar ve % 0,1 N2

içerir. Yüksek O2 içeriği ve O2 ile Ar’ ın ayrıştırılma zorluğundan dolayı çok sayıda tepsiye ve

büyük reflux oranına (reflux akışı / ham Ar akışı) ihtiyaç vardır.

50-60 adet tepsi bulunur ve reflux oranı da 30-40 (ham Ar üretiminin 30-40 katı kadar kolon

reflux’ ı) kadardır. % 2 O2 içeren ham Ar, kolonun tepesinden alınır. Ham Ar kolonunun

altından ABK’ nın Ar transfer bölgesine reflux yapılır.

Kondenser, RL’ yi soğutucu araç olarak kullanır. RL genleşmeden sonra, kondens olan ham

Ar’ dan daha soğuk olur. RL’ nin buharlaşan kısmı ABK’ ya besleme olarak gönderilir.

Havanın ME’ te temizlenmesine rağmen, bazı hidrokarbonlar kaçar ve RL içerisinde C2H2 ve

CO2 görülebilir. Eğer RL’ nin tamamı buharlaştırılsaydı bu, kondenser içerisinde akümüle

olurdu. Kondenserden buharlaşan RL, kondenserden gaz hattına çekilen küçük bir likit

hattıyla yüklenir. Bu bir valf vasıtasıyla sağlanır. Bu valf hiçbir zaman tam olarak kapanmaz

(üzerinde küçük çaplı delikler bulunur). Bu methodla sürekli olarak bir miktar likit

kondenserden alınarak, hidrokarbonlar bununla pörç edilir. Bu vanaya likitin akış yönüne

bağlı olarak bir TI yerleştirilir ve bununla gerçekten vanadan likitin geçip geçmediği görülür.

Ham Ar kolonundan dolayı, ABK’ da göreceli olarak büyük değişim oluşur. Ar transfer

bölgesinden büyük miktarlarda gaz çekilir ve RL’ nin yarıya yakını kondens için kullanılır.

Bu, azalan miktarlardaki gazın Ar transfer bölgesine yükselmesini ve azalan RL’ nin ilave

edilmesine yol açar. Bu nedenle Ar transfer ve RL beslemesi arasında kalan kısımda bütün

likit ve gaz akışları azalır. Bunu kompanze etmek için daha fazla tepsi kullanılır. Kolonun en

önemli kısmı olan tepe ve dip kısımları gerçekte etkilenmemiş olur.

Evapore olan RL, ABK’ ya likitten daha alçak noktada ve aynı kompozisyonda besleme

olarak gönderilir. Konsantrasyonların benzer olduğu her yerde bu besleme ilave edilmelidir.

Bu şu anlama gelir; RL % 35 O2 içeren likitin bulunduğu tepsi üzerine eklenirken, evapore

olan kısmı % 35 O2 içeren gazın bulunduğu tepsinin üzerine eklenir. (Air Separation


91

Şekil 4.40 Ham Ar kolonlu ikili kolon. (Air Separation Technique Course Information Document)

4.6.1 Ham Ar Kolonunda Ar’ ın Saflaştırılması Ar’ un saflaştırılmasında geleneksel method; Ar transfer bölgesinden çekilen gazın yan

kolonda saflaştırılmasıdır. Yan kolona bu yüzden ham Ar kolonu adı verilir ve burada % 2 O2

92

ve % 1 N2 olacak şekilde Ar’ ın içerisindeki O2 içeriği azaltılır. Kalan O2 ise kimyasal

saflaştırma ile uzaklaştırılır. N2 ise saf Ar kolonunda uzaklaştırılır. O2’ nin tamamının ham Ar

kolonunda alınmasının nedeni, çok fazla tepsiye ihtiyaç duyulmasıdır ki bu büyük oranda

basınç düşüşüne sebep olacaktır. Yapısal dolgu ile düşük basınç kaybı sağlanmaktadır.

Yapısal dolgu kullanılarak, teorik olarak delikli tepside elde edilecek tepsi sayısına karşılık

dolgu tabakası miktarı ile kimyasal saflaştırmaya gerek kalmaksızın safiyet sağlanabilir. Bu

aynı zamanda işletme ve bakım açısından büyük avantaj sağlamaktadır (kimyasal sistemin

pek çok ekipman ve boru hattı içermesi açısından). (Air Separation Technique Course


4.6.2 Ham Ar Kolonunun Kontrolü İçin Farklı Yollar Kondenser seviyesi (LIC), RL’ yi (kondensere ilave edilen) kontrol eder. Ne kadarlık miktarın

kondens olması gerektiğinin kontrolü için pek çok yol vardır. 1970’ lerde kullanılan methodla

seviye kontrol edilmekte ve ABK’ ya bağımsız olarak giden evaporasyona izin verilmektedir.

1980’ lerde kontrolü sağlamak için valf kullanılmaktaydı. Bu valf, kondenserden evapore olan

miktardaki akış (FIC) tarafından kontrol edilmektedir. Bu yolla kondenzasyon çok fazla

değişebilir. Kondenzasyon ile verilen ısı evaporasyonla geri alınır. Kondenser seviyesi sabit

kalır. Son yıllarda yapısal dolgu kullanımı ile farklı bir yöntem geliştirildi. Dolgular üzerinde

oluşan basınç düşüşü evaporasyon miktarıyla (PDIC) kontrol edilir. (Air Separation


4.6.2.1 Ham Ar Kolonunun Kondenser Seviyesiyle Kontrolü

RL, kondenserde ABK basıncına kadar genişler, bu yüzden sıcaklık sabit kalır ve O2 içeriğine

bağlı olarak kondens olan Ar’ dan 5-6 0C daha soğuk olur. Isı eşanjöründe transfer olan ısı

miktarı ∆T ve yüzey alanına bağlıdır. Burada ∆T sabittir. Alan, kondenserdeki likit seviyesi

boyunca değiştirilebilir. Bunun anlamı, likit seviyesini değiştirmekle ısı transferi de değişecek

ve dolayısıyla kondenzasyon ve evaporasyon da değişmiş olacaktır.

Kondenserin gazı Ar transfer bölgesinden çekmesiyle ABK’ dan ham Ar kolonuna doğru bir

basınç düşüşü oluşur. Bu basınç düşüşü gaz akışıyla orantılıdır. Bu nedenle kolonun üzerine

PDI yerleştirilir. bu ölçüm kontrol için çok önemlidir. Kolondaki reflux oranı değişiminin ne

şekilde olduğuna dair bilgi verir. Kolondaki reflux oranı ham Ar üretimi tarafından bölünür.

Gaz akışı, materyal dengesine uygun olarak ham Ar üretimi ve likit akışlarının toplamına

denktir.

93

Şekil 4.41 Kondenser seviyesiyle kontrollü ham Ar kolonu. (Air Separation Technique Course Information Document)

Değişmeyen ham Ar çekişiyle yükselen kondenzasyon (FIC ile kontrol edilir) ile tüm gaz

akışı ve likit akışı yükselir. Ayrıca reflux oranı da yükselir ve ham Ar daha saf hale gelir.

Aynı zamanda kolon içerisinde daha fazla yıkanmış likit bulunacaktır. Alternatif olarak ham

Ar akışını düşürerek daha saf ham Ar elde edilebilir. Böylece reflux oranı da daha büyük olur.

94

Örnek uygulama:

Ham Ar kolonunda 60 adet tepsi bulunmakta ve 100 Nm3/h’ lik dizayn üretimini elde

edebilmek için reflux oranı 30’ dur. Dizayn üretimi % 2 O2 içermektedir. Ar transfer

bölgesinde % 90 O2 bulunmaktadır.

Likit akışı = 30 . 100 = 3000 Nm3/h

Gaz akışı = 3000 + 100 = 3100 Nm3/h (Gaz akışı = ham Ar + likit akışı)

Kondenzasyon arttırılırsa likit akışı = 3100 Nm3/h ve

Reflux oranı = 3100 / 100 = 31

Gaz akışı = 3100 + 100 = 3200 Nm3/h olur.

Eğer ham Ar üretimini orijinal kondenzasyon ile 97 Nm3/h’ e düşürürsek,

Reflux oranı = 3000 / 97 = 30,9

Gaz akışı = 97 + 3000 = 3097 Nm3/h olur.

Reflux oranları pratik olarak aynı olduğundan dolayı tüm değişimler O2 içeriğindeki aynı

azalmayı verir. (Air Separation Technique Course Information Document)

4.6.2.2 Kondenser Evaporasyon Akışı İle Ham Ar Kolonunun Kontrol Edilmesi Günümüzde en geçerli olan kontrol şekli budur. Evaporasyon akışı ölçülebildiği ve kontrol

edilebildiği (FIC) için daha iyidir. Burada daha açık bir şekilde görülebilmektedir (kolonun

üzerinde bulunan tepsiler arasındaki fark basıncı görmekten daha açıktır).

Evaporasyon akışı direkt olarak kondenzasyon akışına uymaktadır. Bu nedenle reflux oranının

direk kontrolüdür. Bu tipteki kontrol kullanılarak seviye sabit tutulabilir.

Akış seti yükseltildiğinde, N2 duyusu oluşur, fakat akış artmaz. Daha sonra akış seti geri

alınmalıdır. Alternatif olarak Ar transferdeki O2 içeriği yükseltilebilir. Diğer bir deyişle akış

yükseltilirse ve kararlı olursa, ardından ham Ar akışı arttırılabilir (eğer safiyet iyileşmişse).

Bu tip kontrol için kullanılacak ekipman daha pahalıdır. Ekipmanda ilave bir orifis plakası ile

birlikte FIC gerekmektedir. Bu, kolon üzerindeki basınç düşüşü ile (PDIC) birlikte

evaporasyon akışının kontrolüdür. Akış ölçümü değerlerini kaydeder.

Basınç düşüşü küçük bir değerde ise (yaklaşık 40 mbar), kaliteli kontrolöre ihtiyaç duyulur.

95

Şekil 4.42 Evaporasyon akışı kontrollü ham Ar kolonu. (Air Separation Technique Course Information Document)

N2 duyusu, PDIC seti yükseltildiğinde ve PDIC yükseltilmediğinde meydana gelir.

Büyük miktarlarda LIN’ in dışarı alınabileceği türde tesislerde, evapore edilmiş RL borusu

96

bölünür. Bir kısmı ABK’ daki akış kontrol valfine doğru gider. Diğeri kirli N2 HIC’ a gider.

Maksimum LIN durumunda, ABK’ da reflux çok az miktarda olur. Bu durumda evapore

edilmiş RL’ nin ABK’ ya gönderilen miktarının düşürülmesiyle kaybedilecek Ar miktarından

daha fazlası kirli N2’ nin içerisinde kaybedilir. (Air Separation Technique Course Information

Document)

4.6.3 Ham Ar Üretiminin Maksimizasyonu Ar, HAT’ ta üretilen ürünler içerisinde en pahalısı (ürün birim maliyeti en yüksek)

olduğundan mümkün olduğunca çok üretilmesi (çekilmesi) amaçlanmaktadır. Bu, Ar

içerisinde çok fazla N2 kalana kadar kondensin arttırılmasıyla denenebilir. Fakat öncelikle

double kolonun kararlı çalışması ve doğru kompozisyona sahip olması gerekir. Kirli N2

içerisindeki Ar kaybını azaltmak için YBK’ nın ABK’ ya mümkün olan maksimum reflux’ ı

sağlaması gerekir. YBK’ dan reflux çıkışı, O2 içeriği belirli safiyete yaklaşmaya başlayıncaya

kadar (örneğin 1 ppm O2 : Kolonun alt kısmındaki analiz noktasında görülebilir)

arttırılmalıdır. Ar konsantrasyonu belirli ise limitlendirilebilir ve ölçülebilir.

Burada bir besleme kompresörünün doğru akış miktarını sağlamasıyla mümkün olan

maksimum reflux elde edilebilir.

Kolonun tepesinden alınan GAN tesisin konstrüksiyon ve dizayn hesaplarına uygun miktarda

alınmalıdır.

En tepe kısmın rektifikasyon kapasitesini mümkün olan en yüksek şekilde kullanmak için ve

bu sebeple kirli N2’ nin O2 ve Ar kayıplarını azaltmak açısından bu basamak çok önemlidir.

Daha fazla GAN’ ın anlamı; materyal dengesine uygun daha az kirli N2 akışıdır. Kirli N2

içindeki O2 akışı yükselir, fakat akış azalır. Bununla birlikte O2 akışı (O2 akışı = % O2 . kirli

N2 akışı) düşer.

Belirli safiyete kadar GAN akışı yükseltilmelidir (örneğin, 1 ppm O2 safiyetine ulaşıldığında).

Eğer YBK, besleme kompresörü kullanılarak besleniyorsa, bu önemli bir noktadır ve eğer

tepedeki GAN kirliyse LIN safiyeti yanlış olacaktır. Mümkün olan limitasyonla, kirli N2 akışı

çok az olmamalıdır.Aksi taktirde ME’ nin rejenerasyonu için yeterli olmaz. (Air Separation


Sonuç olarak Ar transfer, doğru O2 içeriği için uygun seçilmelidir. Bu, GOX çıkışı için

konulan valf tarafından kontrol edilir. Bu durum ABK’ nın tamamının kompozisyonunu

97

etkiler. Ar transfer içerisindeki O2 içeriği, artan GOX çıkışına doğru azaldığında, Ar ve N2

kolon içerisinde aşağıya doğru ilerler ve transfer bölgesinde artar. Bunun sonucunda dipte

bulunan LOX içerisinde kirletici miktarı çok artar diğer taraftan tepedeki tüm GAN ve kirli

N2 daha saf olur. Kirli N2 ile birlikte daha az O2 ve Ar kaybı olur. Ar transferdeki O2 içeriği

artarsa, Ar ve N2 kolon içerisinde yukarılara tırmanır ve transfer bölgesinde azalır. Tepedeki

O2 içeriği arttığında daha fazla O2 ve Ar kaybolduğunda (kirli N2 ile birlikte), dipteki LOX

safiyeti daha iyi olur. (Air Separation Technique Course Information Document)

Ar transferi doğru seçildiğinde (set edildiğinde), dipte doğru O2 safiyeti sağlanabilir (% 99,7).

Normalde Ar transferde % 90 O2 , % 9,9 Ar ve % 0,1 N2’ dir. Eğer burada çok fazla N2

olursa, transferdeki daha yüksek O2 içeriği ile birlikte test edilebilir. Bu konsantrasyonda N2’

nin sürekli analizi için bir aparat bulunmamaktadır. Bu yüzden farklı O2 konsantrasyonları

(ham Ar kolonunun başa çıkabileceği değerler) ile birlikte test edilmelidir.

4.6.4 Ham Ar Kolonunun Maksimizasyonu Mümkün olan en fazla ham Ar’ ı saflaştırabilmek için kondenzasyon mümkün olduğunca

arttırılmalıdır. Kolon içerisindeki gaz akışı arttığı zaman, PDI yükselir. Kolona daha fazla gaz

emilir, içeriye kondens olması çok zor olan daha fazla N2 girer.

RL yaklaşık olarak –186 0C’ de (0,45 barg) kaynar.

Ar –184 0C’ de (0,3 barg) kaynar.

N2 –194 0C’ de (0,3 barg) kaynar.

Bunun da anlamı RL, Ar’ ın 2 0C altında, fakat N2’ nin 8 0C üzerinde kaynar. Bu nedenle N2’

nin kondens olmasını sağlayamaz. Ham Ar kolonuna giren N2’ nin tamamına yakını tepedeki

gaz çıkışından ham Ar ile birlikte çıkmalıdır.

Aşağıda örnek bir uygulama verilmektedir:

Ar transferde % 0,03 N2 ve 3100 Nm3/h’ lik gaz yükselmesi ile;

0,03 / 100 . 3100 = 1 Nm3/h N2

100 Nm3/h’ lik ham Ar ile N2 içeriği = 1 / 100 = % 1 olur.

Eğer transferde % 0,3 N2 var ise kolondaki yükselme;

0,3 / 100 . 3100 = 9,3 Nm3/h ve ham Ar içindeki N2 içeriği % 9,3 olur.

98

Sıcaklık azalmalarından dolayı, bu kondenser için zor olacaktır.

Kabaca hesapla;

0,093 . (-194) + 0,907 . (-184) = -184,9 0C

RL –186 0C olduğundan, ∆T 2 0C’ den 1 0C’ ye düşecek ve sonuçta ısı transferi % 45

oranında azalacaktır (0,9 / 2 . 100)

Bu durumda kondenzasyon ve PDI azalır. Bu kararsız bir durumdur. Reflux oranını 31’ e

yükseltmek için kondenzasyon arttırılacak olunursa reflux 3100 olur ve gaz akışı da 3200

olur. Ardından N2 akışı 0,3 / 100 . 3200 = 9,6 Nm3/h olur ve N2 içeriği hala yüksektir.

Tüp kondenser içeriğinde çok fazla N2 bulunacaktır ve bu N2’ nin tamamı ham Ar ile birlikte

dışarı çıkamaz. Borular ağzına kadar N2 ile dolar. Bu ısı eşanjör alanını tıkar, kondenzasyon

azalır, gaz akışı düşer ve kolon damlamaya (sızmaya) başlar. Sonuç olarak gaz akışı o kadar

azalır ki kolon çöker ve yaklaşık 6 saat süren bire süreci tekrar yeni baştan başlatmak gerekir.

Blok kondenserli kolon ve daha yeni tesisler çok hassas değildir. N2 blok kondenseri tamamen

dolduramaz. Fakat işletilmesini kötüleştirir. Bu N2 duyusu (sezgisi) olarak adlandırılır. Eğer

kondenserde basınç yükselmesinden sonra PDI batarsa, seviyenin düşürülmesi gerekir. Bu

yöntem kondenzasyonu ve N2 emişini düşürür. PDI’ yı düşürür ve tepedeki basınç yükselir,

böylece N2 kolondan dışarı atılabilir. Alternatif olarak Ar transferin O2 içeriği arttırılmalıdır.

Özetle daha fazla ham Ar elde etmek için kondenser seviyesi bir dereceye kadar

yükseltilmelidir. Kolondaki basınç düşüşü sıkı bir denetleme ile korunur. Yükselmeli ve uzun

süre kararlı halde kalmalıdır. Bu durumda ham Ar safiyeti iyileşecek ve ham Ar akış valfi

(FIC) biraz daha fazla açılabilecektir. Bu durumda daha fazla ürün çıkmalıdır. Eğer çıkmazsa

ham Ar basıncı (PI) çok düşer. Eğer kolonda çok fazla basınç düşüşü varsa bu gerçekleşebilir.

Eğer daha fazla ham Ar varsa ve kolon kararlıysa, N2 duyusuna ulaşılana kadar kondenser

seviyesi arttırılmalıdır. Bu noktada bütün işletme değerleri kaydedilir ve güvenli duruma geri

dönülür. Ar transferdeki diğer konsantrasyonlar için bu prosedür tekrarlanır. (Air Separation


4.6.5 Oksijensiz Ar Veren Ham Ar Kolonu

O2’ siz (1 ppm’ den daha az O2 içeriği) Ar sağlamak için, ham Ar kolonu içerisinde çok fazla

sayıda tepsiye (yaklaşık 200 kadar) ihtiyaç vardır. Delikli tepsi kullanımıyla basınç düşüşü

çok fazla olur. Yapısal dolgu ile ∆P ≅ 40 mbar olur ve daha yüksek yatırım maliyetine karşılık

99

kimyasal saflaştırma gerekmediğinden diğer sistemle rekabet edebilir. (Air Separation


Şekil 4.43 Oksijensiz Ar veren ham Ar kolonu. (Air Separation Technique Course Information Document)

Geleneksel kolonda 60 tepsi bulunmakta ve Ar safiyeti sadece % 98 olmaktadır. Buna karşılık

∆P ≅ 150 mbar’ dır.

100

Kimyasal saflaştırma ünitesinde çok sayıda ekipman (kompresör, saflaştırıcı, son soğutucu,

kurutucular ve bu kurutucuların rejenerasyonu, enstrümantasyon vb.) bulunmaktadır. Bu

sistemde bunların hiçbirisi bulunmadığından işletme ve bakım yönünden büyük bir avantaj

sağlamaktadır.

Ayrıca ilave olarak saflaştırıcıda Ar içerisindeki O2’ yi uzaklaştırmak için kullanılan H2 de

gerekmektedir.

Teorik olarak kolonda çok sayıda tepsiye gereksinim olmasına karşılık, yapısal dolgu ile yan

yana gelen iki kolona bölmek gerekmektedir. İkinci kolonun tepesinde içerisinde RL bulunan

bir kondenser yer alır. Buradan O2’ siz Ar elde edilir. Burası birinci kolondan gelen gaz ile

beslenir. Birinci kolon ise ikinci kolonun altından alınıp pompa ile basılan reflux ile beslenir.


Bu kolon parçalarına çok büyük hacimlerde likit akışı (940 Nm3/h LAr) olur. Bunu başlatmak

çok uzun zaman alır (1-2 gün). Çünkü çok sayıda Ar molekülü ABK’ dan çekilmeli ve ham

Ar kolonunda doğru bir konsantrasyon profili oluşturulmalıdır.

4.7 Ar’ ın Kimyasal Saflaştırılması Yaklaşık % 2 O2 içeren ham Ar kimyasal saflaştırmada saflaştırılır. Bu işlem, kimyasal

reaktör içerisine H2 ilavesi ile, O2’ yi H2 ile yakarak (reaksiyona sokarak) sonuçta su buharı

oluşur. Bu su, kurutucu içerisinde uzaklaştırılır. O2’ siz Ar üretebilen ham Ar kolonu bulunan

tesiste kimyasal saflaştırma kullanılmaz. (Air Separation Technique Course Information

Document)

Ham Ar soğuktur ve ısıtılması gerekir. Bu ısıtma işlemi ısı eşanjöründe sıcak O2’ siz Ar ile

sağlanır. Basınç çok düşüktür, bu yüzden ham Ar’ ı saflaştırma ekipmanına göndermek için

kompresör gereklidir.

101

Şekil 4.44 Ar’ ın kimyasal saflaştırılması - Stenungsund / İsveç. (Air Separation Technique Course Information Document)

4.7.1 Hidrojen Beslemesi Proseste kullanılan O2’ nin iki katı H2 kullanılır. Bu kimyasal formülde de açıkça

görülmektedir:

Yeterli miktarda H2 bulunduğundan emin olmak için, tüm O2 uzaklaştırılacak, artık H2 ilave

H2 + ½ O2 H2O

102

edilecek, kimyasal reaktör sonrası H2 içeriği % 1 olacaktır. Bu, H2 beslemesi üzerinde bulunan

QIC kullanılarak analiz ve kontrol edilebilir.

H2 tüketim miktarının hesaplanması:

% 2,5 O2 içeren 100 Nm3/h’ lik ham Ar’ ı ele alalım.

Bunun anlamı; O2 akışı = 0,025 . 100 = 2,5 Nm3/h

H2 tüketimi = 2 . 2,5 = 5 Nm3/h olacaktır.

Reaktörden sonraki H2 artığı, ham Ar kolonunun bir kısmında normal olarak ayrıştırılır ve

ham Ar içinde tekrar kullanılır. H2 kompresörden önce veya sonra eklenir. Tesis dururken,

saflaştırma ekipmanlarına H2 kaçağından sakınmak için H2 borusu üzerinde sadece bir kesme

valfi bulunması yeterli değildir. Ayrıca atmosfere açılan küçük bir valf daha bulunmaktadır.


Kompresör normalde 4-5 bar’ lık basınca sahiptir. Bu basınç değeri Ar’ ı ekipmana

gönderebilmek için gerekli basınçtan daha fazladır. Bunun nedeni kurutucudan önce Ar

içerisindeki su içeriğini azaltmaktır. Kompresör kapasitesi, emiş tarafındaki valfin PIC

kontrolü ile ayarlanır. Ayrıca basma tarafındaki gazın, emiş tarafına by-pass edilmesiyle de bu

kontrol sağlanabilir.

4.7.2 Oksijensizleştirme – Kimyasal Reaktör Kimyasal reaktör “oksijensizleştirici” olarak adlandırılır. H2 ile O2 arasındaki reaksiyonun

başlayabilmesi için yüksek sıcaklık gerekmektedir. Bu amaçla reaktör içerisinde katalizör

kullanılmaktadır. Bu katalizör reaksiyonun oda sıcaklığında başlamasına olanak sağlar. Küçük

boncuk şeklindeki tanelerin yüzeyinin çok pahalı ve asil metal (paladyum) ile kaplanması

sonucu elde edilmektedir. Bu nedenle katalizör işletmede paladyum kaplı katalizör olarak

adlandırılır. Katalizör, kimyasal reaksiyonu kendisi tükenmeksizin başlatır.

Kimyasal reaksiyon büyük miktarda ısı açığa çıkarır. Bu ısı gazın sıcaklığını yükseltir. Eğer

reaktör iyi izole edilmişse her bir O2 yüzdesi için sıcaklık 230 0C olur. (Air Separation


Gaz kurutucuya gitmeden önce ısı uzaklaştrılmalıdır. Oksijensizleştiriciyi aşırı ısınmaya karşı

korumak amacıyla bir sıcaklık siviçi bulunur. Bazen de kompresörün emişine olan O2’ siz Ar’

ın TIC’ ı bulunur. Bunun anlamı O2 içeriği azalacak, bunun sonucunda da oksijensizleştirici

sıcaklığı azalacaktır.

103

Oksijensizleştirici O2 içeriğini kolaylıkla 1 ppm’ in altına düşürebilir. Bunun yanında Ar

içerisinde yaklaşık % 1 N2 , % 1 H2 ve % 4-6 su buharı bulunur. Mümkün olduğunca fazla

suyu uzaklaştırmak için gaz soğutulur. (Air Separation Technique Course Information

Document)

İlk olarak bir hava soğutucu bulunur. Bu soğutucu, kanatçıklı tüp – bandıl tipi soğutucudur.

Bazen soğutmayı iyileştirmek için fan konulabilir. Ayrıca bir de su soğutucusu bulunur.

Bunun su beslemesi, su soğutma sisteminden gelir. Son olarak +5 0C’ ye kadar soğutma

yapabilen bir amonyaklı soğutucu bulunur. Amonyaklı soğutucu su içeriğini azaltmak için

kullanılır. Bu sayede kurutucuların rejenerasyon enerjisi düşürülebilir.

4.7.3 Kurutucular Kurutucular ME içerir. ME’ nin çalışma prensibi, havanın kurutulması ve CO2’ nin

uzaklaştırılması konusunda anlatıldı. Yalnız burada farklı olarak CO2 adsorpsiyonu yoktur.

Bunlar kuru Ar veya GAN ile rejenerasyona tabi tutulur. Ar kullanılmasının bir avantajı

vardır. Ar, kompresörün emiş tarafına geri besleme olarak gönderilebilir. Fakat bir dezavantaj

olarak, bu çevrim ile bazı kirleticiler (CH4) ortaya çıkabilir. Bu zamanla akümüle olur ve çok

yüksek konsantrasyona ulaşır. GAN kullanımı ile bu akümülasyondan sakınılabilir.

Dezavantajı ise Ar ile pörç esnasındaki kayıplardır. Eğer pörç işlemi tam anlamıyla

yapılmazsa, ham Ar kolonunda çok fazla N2 bulunacaktır. Bu da kolonu alt üst eder.

4.7.4 Hidrojen ve Kurutucusuz Kimyasal Saflaştırma Yapısal dolgulu ham Ar kolonu ikiye bölünmeksizin tek parça halinde kullanılır. % 0,1’ in

altında (1000 ppm) O2 içeren ham Ar verebilir. Düşük miktardaki O2 içeriğinin anlamı;

metalik formda nikelli kimyasal reaktör kullanımının mümkün olmasıdır. Ham Ar, geri

besleme yapılan O2’ siz Ar ile ısıtılır ve reaktöre girer.

Boncukların yüzeyi nikel ile kaplanır. Nikel kendi kendine tükenerek nikel oksit formunu alır.

Ancak burada bu olay gerçekleşmez. Rejenerasyon, içerisinde birkaç yüzdelik H2 bulunan

sıcak N2 ile yapılır. Bu metalik nikeli oksitten geri yaratır. Suya form vererek atmosfere atar.

Bu nedenle kurutmaya gerek yoktur. Nikelin pörcü kuru GAN ile oda sıcaklığında yapılır.

Kolon dolgusu yapısal dolgu olduğundan basınç düşüşü azdır ve kimyasal saflaştırma için

büyük basınç (yaklaşık 0,3 bar) ayrılmıştır. Bu sebepten kompresör gerekmemektedir. O2’ siz

Ar ısı eşanjörüne girer, burada çiğ noktasına soğutulur ve H2 ayırıcı gerekmeyen saf Ar

kolonuna girer. (Air Separation Technique Course Information Document)

104

4.8 Saf Ar Kolonu Kimyasal saflaştırma (temizleme) sonrası kuru O2’ siz Ar’ a son işlem olarak içerisindeki N2

ve H2’ nin uzaklaştırılması uygulanır. N2’ yi Ar’ dan ayırmak, O2’ yi Ar’ dan ayırma ile

kıyaslandığında daha kolaydır. Sıcaklık farklarından dolayı H2’ yi ayırmak çok kolaydır.

Ayrıştırma , tesisteki tek normal distilasyon kolonu olan saf Ar kolonunda gerçekleşir. Bunun

anlamı, kolonun hem kaynatıcı hem de kondenserin tamamını içermesi ve beslemenin ortadan

yapılmasıdır. (Air Separation Technique Course Information Document)

4.8.1 Saf Ar Kolonunun Çalışması İçerisinde H2 ve N2 bulunan soğuk Ar gazı dipteki kaynatıcıya giderek oradaki saf LAr’ ı

kaynatarak kendisi kondens olur. Gazın basıncı LAr’ ın basıncından yüksek olduğundan bu

mümkündür. Kaynatıcı çoğunlukla tüp tipidir ve kirli Ar gazı tüpler içerisinde yükselerek

kondens olur. H2 burada ayrıştırılır. H2 kondens olamazken, N2’ nin çok az bir kısmı kondens

olur. H2 yükselerek tepeden çıkar ve ısı eşanjörüne gider. Ardından ham Ar içerisinde

kompresöre gider. Soğuk kutu içerisinde oluşabilecek herhangi bir H2 kaçağına karşın boru

daha büyük çaplı bir boru içerisinde çalışır. Orta kısmına manometre bağlanmıştır. Bu sayede

olası bir kaçak durumunda uyarı sinyali alınır. Diğer tesislerde ise soğuk kutu izolasyonu

içerisine verilen (pozitif basınç oluşturan) gaz üzerine bir H2 dedektörü yerleştirilir.

Bazı tesislerde kaynatıcıda sadece kirli Ar’ ın kondenzasyonu gerçekleşir. H2’ nin

ayrıştırılması kolon dışında bulunan bir ayırıcı içerisinde olur. Kimyasal saflaştırmanın

bulunmadığı tesislerde H2 ayrıştırılması gerekli değildir.

Kondens olmuş Ar gazı seviye valfi yoluyla kolonun merkezine gider ve oradan aşağıya

doğru hareket ederek, dipten kaynayarak yükselen gazla karşılaşır. Bu sayede rektifikasyon

elde edilmiş olur. Kaynamayı arttırmak için ilave bir kaynatıcı bulunur. Burada YBK’ dan

alınan GAN kullanılır. Sahip olduğu basınç nedeniyle LAr’ ı kaynatmak için yeterli sıcaklığa

sahiptir. Bu GAN kondens olarak LIN’ e dönüşür ve HIC yoluyla basıncın düşük olduğu

kondensere gönderilir. Orada düşük basıncından dolayı Ar’ ı kondens edebilir. Bu LIN yeterli

değildir. YBK’ dan daha fazlası LIC üzerinden ilave edilmelidir. (Air Separation Technique


Saf Ar kolonunun asıl amacı; dipte saf LAr’ ı elde etmektir. Bu nedenle kolonun alt kısmına

büyük özen gösterilir. Dip kısımda N2 içeriği yaklaşık 1000 ppm’ den 1 ppm’ e düşer. LAr

üretiminin 2,5-3 katı kadar geniş miktardaki buhar (kaynatıcıdan gelen) ile birlikte bu

105

gereklidir. Eğer bu içerik çok fazla düşerse, LAr içerisinde fazla N2 olacağından emin

olabiliriz. Bu yüzden buhar miktarının ölçümü olan kolon üzerindeki basınç farkı (PDI)

önemlidir.

YBK’ dan LIN ve GAN’ ın alınması reflux kaybıdır. Bu nedenle en yeni tesislerde RL

kullanılır. Kondens olabilmek için RL’ nin basıncı mümkün olduğunca düşük olmalı ve kalan

gazın Ar içeriği yaklaşık % 75 ‘e yükseltilmeli veya kolon basıncı bir dereceye kadar

arttırılmalıdır.

Buhar tepeye yükselir ve N2 içeriği artar. Hemen hemen tüm kondenzasyonlar ve geri

dönüşler reflux şeklindedir. Kondens olan LIN ile hemen hemen aynı basınca sahip saf N2’ yi

tepede elde etmek zordur. Bu nedenle burada küçük bir sıcaklık farkı oluşacaktır. Normalde

tepe N2’ nin içerisinde % 15-25 Ar bulunur. Bu dışarı çıkmaktadır ve buna artık gaz

denilmektedir. Bu büyük bir kayıp gibi görünebilir. Ancak ham Ar içerisindeki N2 içeriği % 1

olduğunda bu gerçekleşir. Materyal dengesine bağlı olarak 100 Nm3/h’ lik ham Ar’ a karşılık,

1 Nm3/h N2 olur.

Eğer tepe N2’ si içerisindeki Ar içeriği % 25 ise, N2 içeriği % 75’ tir.

Artık gaz akışı X olsun,

0,75 . X = 1 Nm3/h ise X = 1,33 Nm3/h

Ar akışı = 0,25 . 1,33 = 0,33 Nm3/h

Eğer Ar içeriği % 50 ise kayıp Ar 1 Nm3/h’ ye yükselir.

Diğer yandan eğer ham Ar içerisindeki N2 içeriği artarsa, saf Ar kolonundaki Ar kaybı artar.

Eğer N2 içeriği = % 2 ise N2 akışı = 2 Nm3/h olacaktır.

Tepede % 25’ lik Ar ile birlikte, artık gaz akışı = 2 / 0,75 = 2,66 Nm3/h ve

Ar kaybı = 0,25 . 2,66 = 0,66 Nm3/h olur.

Eğer kolon içerisine O2 alırsak, aşağıya doğru dökülerek kaynatıcıya gelir ve LAr’ ı kirletir.

O2 , Ar’ dan daha sıcak kaynama noktasına sahip olduğundan, LAr içerisinden kaynayamaz,

tahliye edilmesi gerekir. (Air Separation Technique Course Information Document)

106

4.8.2 Saf Ar Kolonunun Kontrolü Artık gaz valfi kolonun tepesindeki Ar konsantrasyonunu kontrol eder. Çok fazla artık gaz

akışı sonucunda Ar içeriği yükselir. Ar içeriği azaldığında, kondenserdeki kondenzasyon

sıcaklığı ve ∆T düşer. Dolayısıyla ısı transferi de azalır. Bunun sonucunda kondenzasyon

azalacak, buna karşılık basınç yükselecektir. Bu basınç yükselmesi artık gaz valfini daha fazla

açmak için bir sinyal olarak kullanılabilir. Doğru kontrol için, seviye sabit olmalıdır (değişen

seviye, değişen alan ve değişen ısı transferi anlamına gelmektedir). Aynı sebepten dolayı,

kaynayan LIN’ in sıcaklığı değişmemelidir. Bazı tesislerde buna çözüm olarak; kaynatılan

LIN üzerine bir PIC konulmuştur. Daha yeni tesislerde kaynama üst kolondan kirli N2’ ye

gider.

Artık gaz valfinin basınç kontrolü tam anlamıyla kesin değildir. Çok fazla atmosfer yapılması

ile Ar kaybı olurken, çok az yapılmasıyla da kirli LAr oluşur (materyal dengesine göre N2

kolonun içerisinde aşağıya zorlanır).

Bu tesiste kolon basıncı LIN beslemesini kontrol ederken, kondenser seviyesi de artık gaz

valfini kontrol etmektedir. Tüm bu kontroller (PIC ve LIC) tamamen otomatiktir.

Tepedeki N2 konsantrasyonu artarken, kondenzasyon azalır ve basınç yükselmek ister.

Ardından PIC, LIN beslemesini arttırır. Fakat kondenzasyon azaldığından beri, seviye

yükselmek ister. Ardından LIC artık gaz valfini açar ve daha fazla gaz dışarı çıkar. Böylece

kolon tepesindeki N2 azalır, kondenzasyon artar ve LIN seviyesi yükselmez.

Basınçlı GAN üzerindeki HIC, dipteki LAr’ ın safiyetinin doğru olmasını sağlamak için

kullanılır. N2 konsantrasyonu < 1 ppm olana kadar HIC artar. Bu kaynamayı arttırır ve kolon

içerisindeki basınç yükselmek ister. Ardından PIC kondenserin LIN beslemesini yükseltir.

Tepedeki N2 konsantrasyonuna bağlı olarak, LIC yukarıdakine uygun olarak çalışmaya başlar.

Kondenser neredeyse hiç seviye olmaksızın çalışır. Bunun anlamı, LIN kondenser üzerinde

ani hamle yapar ve seviye oluşturmadan önce kaynayarak dışarı dökülür. Bu sebepten

kondenserlerin tamamı LIN’ in 0,2 bar’ daki kaynama sıcaklığı olan – 194 0C’ de olmaz. Bir

miktar sıcak olur, bu sayede Ar buzu oluşumu riskinden korunulmuş olur. Saf Ar için bu

değer – 189 0C’ dir. Fakat N2 ile olan karışımlarda risk daha düşüktür. % 80 Ar ve % 20 N2

içeren karışım – 196 0C’ de Ar buzu formunu alır. (Air Separation Technique Course


107

Şekil 4.45 Saf Ar kolonu - Sundsvall / İsveç. (Air Separation Technique Course Information Document)

108

4.9 Kaynatıcı

4.9.1 Ana Kaynatıcı YBK ile ABK arasında bulunur. Entegre bir ısı eşanjörüdür. Eş zamanlı olarak düşük basınçlı

likiti buharlaştırırken, yüksek basınçlı akışkanı kondens eder. Bu yolla bir kolon için reflux

üretirken diğeri için kaynatır.

4.9.2 Kaynatıcı Çeşitleri Günümüzde HAT’ tın dizaynırları kaynatıcılar için pek çok teknoloji önermektedir. Bunlar

temelde 2 grupta toplanabilir:

• Banyo Tipi Kaynatıcı

• Dökülen Film Tipi Kaynatıcı. (Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers

In The Air Separation Industry)

4.9.2.1 Banyo Tipi Kaynatıcı Banyo tipi teriminin anlamı; likit içerisine daldırılmış olarak çalışan bir eşanjördür. Buradaki

likit banyosunda bulunan likit % 70’ den fazla O2 içeriğine sahiptir. Bu, ana kaynatıcıları (iç

veya dış) ve O2 üretim kaynatıcılarını içerebilir. Farklı banyo tipi kaynatıcıların operasyon

prensipleri birbirine yakındır. Bu operasyonun açıklamasını basitleştirmek için, ana kondenser

banyo tipi kaynatıcı örnek olarak kullanılır.

YBK’ nın GAN’ ın kondens olmasına karşılık açık pasajlar içerisinde bulunan O2 buharlaşır.

Kaynatıcının alt kısmında likit fazda bulunan O2 , çekirdekten yukarıya doğru ilerledikçe

(pasaj içerisinde) buharlaşır. Yoğunluk farkının etkisi (karter kısmında bulunan likitin

yoğunluğu, eşanjörün pasajları içerisinde bulunan 2 fazlı karışımın yoğunluğundan daha

fazladır.) yukarıya doğru bir O2 akışı üretir (termosifon etkisi).

Kaynatıcı karterinin yukarıya doğru uzanan ve tepesi açık olan pasajlarında, yukarıya doğru

iki fazlı karışım hareketi olurken, önemli miktarda buharlaşmamış likit banyoya geri dökülür.

Bu olaya likit resirkülasyonu adı verilir.

LOX içerisinde çözünmüş hidrokarbonlar pasajlara girer, burada ilerledikçe yoğunluğu artar

(O2’ nin yükselen kısmı buharlaştıkça).

Eğer resirkülasyon akış hızı yüksekse, pasajlardaki hidrokarbon konsantrasyonu sınırlı kalır.

Bu durumda da pasajlarda tehlikeli akümülasyonlar olasılık dışıdır. Diğer taraftan, eğer

resirkülasyon akış hızı düşürülürse veya tamamen sıfırlanırsa, pasajlardaki lokal hidrokarbon

109

konsantrasyonu önemli ölçüde yükselir. Resirkülasyonun tamamen ortadan kaldırılmasıyla

ikinci olarak; hidrokarbon RL fazı ayrılabilir veya katı hidrokarbon depozitleri kaynatıcı

pasajlarında birikebilir. Akümülasyon veya hidrokarbonların pasajlarda depozit oluşturması,

kaynatıcı karter likitinin analiziyle veya diğer methodlarla tespit edilemez. Bu tipteki

kaynatıcıların emniyetli olarak işletilebilmesi için gerekli minimum batma derecesi, kullanılan

ısı eşanjörü tipinin bir fonksiyonudur. İşletme güvenliğini sağlamak için, kaynatıcı karter likit

derinliği tesisin üreticisi tarafından belirlenen spesifik seviyede korunmalıdır. Eğer bu seviye

değeri bilinmiyorsa, kaynatıcı full batma konumunda (banyodaki likit seviyesinin, kaynatıcı

karterinin en üst noktasına kadar ulaştığı seviye olan % 100 batması) işletilir. % 100’ lük

batmadan daha yüksek seviyelerde, işletme durumu ilave bir emniyet sınırı verir. Aşırı yüksek

likit seviyesi, distilasyon kolonunun alt kısmında bulunan iç komponentlerin (distribütör,

tepsiler, dolgu) mekanik hasara uğramasına neden olabilir. (Developments In Falling Film

Type (Downflow) Reboilers In The Air Separation Industry)

4.9.2.2 Dökülen Film Tipi Kaynatıcı

Bu kaynatıcılarda likit buharlaşmak için pasajların içerisinde, tepeden çekirdeğin dibine doğru

akar. Akış yerçekiminin etkisiyle üretilir ve çekirdek pasajlarının tepesinde bulunan giriş

distribütörü vasıtasıyla dağıtılır. Bu tip kaynatıcı HAT’ ta bazen ana ve yardımcı

buharlaştırıcılar için kullanılır. Bu tip kaynatıcıya örnek olarak ana kaynatıcı anlatılacaktır.

Ana kondenser / kaynatıcı 2 türlü dizayn edilir:

• Prinçle lehimlenmiş alüminyum levha-kanatçıklı ısı eşanjörleri (BAHX) şeklinde.

• Alüminyum kabuk ve tüp ısı eşanjörleri şeklinde.

BAHX’ ta oluklu kanatçıklar, sandöviç şeklinde üst üste dizilmiştir. Bunlar levhalarla

birbirinden ayrı gruplar oluşturacak şekilde gruplanmıştır. Oluklu kanatçıkların üst üste

paketlenmesi ile her bir ünite başına düşen yüzey alanı büyütülmüş olmaktadır. Bunlar küçük

hidrolik çaplı pasajlar içerisinde son bulmaktadır.

Tüplerin dışında bulunan uzunlamasına oluklar ile kondenzasyon için bir gelişme

sağlanmıştır. Tüplerin içinde bulunan poroz yüzey ile de kaynama açısından bir gelişme

kaydedilmiştir.

Kabuk ve tüp sistemi, BAHX’ a oranla daha az yüzey alanına sahip olmasına karşılık (ünite

hacmi başına), çiftli olarak geliştirilmiş tüp tipi 300 kW/m3K’ lik bir transfer değerine

ulaşmaktadır. BAHX’ ta bu değer 250 kW/m3K’ dir. (Developments In Falling Film Type

110

(Downflow) Reboilers In The Air Separation Industry)

Bu üniteler dikey yönelimde termosifon modunda veya dökülen film modunda çalışır.

Dökülen film modunda işletme durumunda, N2 ve O2 akışları arasında daha küçük sıcaklık

farkları oluşur.

Şekil 4.46 BAHX tipi kaynatıcı. (Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers In The Air Separation Industry)

LOX kaynatıcının üst kısmında bulunan distribütöre verilir. Likit, yerçekiminin etkisiyle O2

pasajlarının içerisinden aşağıya doğru akar. Buharlaşmış O2 artık likit boyunca, üreticinin

belirlediği spesifik minimum hızda veya bu hızın üzerinde bir değerde eşanjörün dibinden

akar. YBK ‘dan gelen GAN, N2 pasajlarında kondens olur. O2 pasaj içerisinde buharlaşırken,

LOX içerisindeki hidrokarbon konsantrasyonu gittikçe yükselir. Çekirdek pasajlarının dip

kısmından akan yeterli miktardaki artık LOX, pasajlardaki LOX içerisindeki maksimum

hidrokarbon içeriğinin tehlikeli seviyelere ulaşmasını engeller. Bu nedenle bu artık likitin

kontrolü gereklidir.

111

Şekil 4.47 Kabuk ve tüp tipi kaynatıcı. (Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers In The Air Separation Industry)

Dökülen film tipi kaynatıcının 2 farklı konfigürasyonu bulunmaktadır:

• Bir dönüşlü kaynatıcı

• Resirkülasyon kaynatıcı

Her iki sistemde de distribütör sistemindeki gerekli likit seviyesinin korunması

gerekmektedir. Dökülen film kaynatıcı sisteminde distribütöre olan besleme akışına bir filtre

konulması tavsiye edilir. Filitre ızgarası, kaynatıcı çekirdeği ve distribütör sistemi

geometrisine uygun spesifikasyonda olmalıdır. (Developments In Falling Film Type

(Downflow) Reboilers In The Air Separation Industry)

Bir Dönüşlü Kaynatıcı

Bu tip kaynatıcı çekirdekleri direk olarak ABK’ nın tepsileri ve dolgularınden alınan reflux ile

beslenir. Bu nedenle kaynatıcıya gelen akış, kolon içerisinde gerçekleşen ayrıştırmanın bir

fonksiyonudur (likitin buhara kütle akış oranı : L/V). Bu oran kolonun en alt dolgusu veya

tepsisi altındaki orandır. Likit içerisinde, soğuk kutuya giren temizlenmiş havanın değerlerine

112

yakın düzeyde kirlilik konsantrasyonları bulunur.

Şekil 4.48 Bir dönüşlü kaynatıcı. (Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers In The Air Separation Industry)

Resirkülasyon Kaynatıcı

Resirkülasyon kaynatıcı çekirdekleri, aşağıda verilen likit düzenlemeleri kullanılarak beslenir:

LOX (ABK’ nın karterinden gelerek, henüz bir dönüşlü üzerinden geçmiş olan) ile beslenir.

Şekil 4.49 Resirkülasyon reboiler / opsiyon-1 (Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers In The Air Separation Industry)

113

Bu tip çekirdekler içerisindeki kirletici konsantrasyonları bir dönüşlüdekinden daha yüksektir.

Bu sistemde yer alan resirkülasyon pompası, kaynatıcı çekirdeğine olan akışı kontrol eder. Bu

akış değerinin kontrolü, buharlaştırıcı çekirdeğine emniyetli bir likit temini sağlar. Pompa

tarafından sağlanan bu akış değeri, daima tesis dizaynırının belirlediği nominal değerde

korunmalıdır. Hatta azalan tesis operasyon kapasitesinde dahi korunmalıdır.

Düşük akışa ulaşılması durumunda, pompa uyarı alarmını harekete geçirmelidir. Bu durumda

pompanın operasyonu tekrar başlatılabilir veya çalıştırılabilirse yedek bekleyen pompa

devreye alınır. Eğer düşük akış alarmı 60 saniye sonunda halen devam ediyorsa ünite

durdurulmalıdır.

Dolgu / tepsilerden gelen direkt reflux ile kolon karterinden resirküle olan likitin

kombinasyonu ile beslenebilir. (Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers In

The Air Separation Industry)

Şekil 4.50 Resirkülasyon reboiler / opsiyon-2 (Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers In The Air Separation Industry)

Dolgu / tepsilerden gelen direkt reflux, dökülen film ana kondenseri baypas geçerek ABK’

nın karterinde birikir. Bu likit, resirkülasyon likiti boyunca kaynatıcıya doğru sirküle eder.

114

Şekil 4.51 Resirkülasyon kaynatıcı / opsiyon-3. (Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers In The Air Separation Industry)

3 resirkülasyon tipinde de likiti karterden kaynatıcıya sirküle ettirmek için resirkülasyon

pompası gerekir.

Bir dönüşlüde, resirkülasyonda olduğu gibi buharlaşmış O2 eşanjör çekirdeğinin dibinden

artık likit ile birlikte akar. Artık likitin miktarı minimum miktarda veya üzerinde bir değerde

korunur. (Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers In The Air Separation

Industry)

4.9.3 Ölü Son Kaynaması Termosifon kaynatıcılarda blokajlardan dolayı ortaya çıkan durum; kaynatıcı kanalları

içerisindeki likit akışının kısıtlanmasıdır. Bu suretle sıvının flaşing olayıyla kirliliklerin

uzaklaştırılması azalır. Bu aynı zamanda çömlek kaynaması olarak da bilinir. Bu fenomen

ayrıca çukurların içerisinde ve oksijence zengin likitin yakalandığı ve ısı kaçağı ile

buharlaştığı boru kısımlarında ortaya çıkabilir. (Safe Operation of Reboilers/Condensers In

Air Separation Units)

4.9.4 Seviye Enstrümantasyonu Ölü son kaynaması veya kuru kaynamayı önlemek için kaynatıcı seviyesi ve akışın kontrol

edilmesi önemlidir. Bu yüzden uygun işletme seviye ve akış indikatörleri seçilmeli ve

115

bunların alarm / kendiliğinden duruş set değerlerinin doğruluğundan emin olunmalı ve

düzenli aralıklarla kaydedilmelidir. (Safe Operation of Reboilers/Condensers In Air

Separation Units)

4.9.5 Kirleticilerin Dekonsantrasyonu Ön saflaştırma (temizleme) sisteminin tipine bakmaksızın, bazı hafif hidrokarbonların ve

diğer potansiyel kirleticilerin seviyesi distilasyon kolonuna ulaşır ve ABK’ nın karter

kısmında birikme eğilimi gösterir. Bu komponentlerin akümüle olması işletmeyi tehlikeye

atacağından sakınılması gereken bir durumdur. Sadece CH4 hidrokarbonu, GOX üretim

akışının buhar fazı içerisinde, yeterli düzeyde buharlaşarak ayrılır. Diğer hidrokarbonlar likit

fazı içerisinden uzaklaştırılmalıdır. LOX içerisindeki diğer kirleticilerin emniyetli seviyede

kalmasını korumak amacıyla iki method bulunmaktadır:

• LOX tutucularıi

• Pörç işlemi. (Safe Operation of Reboilers/Condensers In Air Separation Units)

4.9.5.1 LOX Tutucuları

LOX tutucuları, LOX akışı içerisindeki bazı kirleticileri uzaklaştırarak akışın tekrar ABK

karterine dönmesini sağlar. Tek veya çift olarak konulur. Bir tanesi adsorpsiyonu

gerçekleştirirken diğeri rejenerasyona alınır. Böylece sistem durdurulmadan veya kirleticilerin

sisteme kaçmasına izin verilmeksizin sürekli temizlik sağlanmış olur. (Safe Operation of

Reboilers/Condensers In Air Separation Units)

4.9.5.2 Pörç işlemi Yukarı akımla kaçan hidrokarbonlar, yüksek konsantrasyonlara akümüle olamaz (üretimin

büyük oranı LOX olan tesislerde veya O2’ nin ABK’ dan likit olarak aşağıya döküldüğü, likit

pompasıyla eşanjöre basılarak gazlaştırılıp sisteme basıldığı tesislerde).

Bununla beraber, sadece GOX üreten (kolondan direkt olarak alınan üretim) veya çok az

miktarda likit üreten tesislerde, bilinçli olarak ölçülebilir oranda likitin kaynatıcının

karterinden alınması gerekir. Bu işlem hafif hidrokarbonların (C2H4, C3H8 ve C2H6), N2O ve

CO2’ nin kabul edilebilir sınırlardaki konsantrasyonlarda sınırlandırılması için gerçekleştirilir.

Giriş havasının % 0,1-0,2’ sinin sürekli olarak (pörç oranı olarak) pörç edilmesi

gerekmektedir. Küçük tesislerde (sürekli pörcün pratik olmadığı) bu değere eşdeğer pörç

işlemi her 8 saatte bir tekrarlanmalıdır. (Safe Operation of Reboilers/Condensers In Air

Separation Units)

116

4.9.6 Karbondioksitin Uzaklaştırılmasının Önemi HAT’ tın hidrokarbonlara karşı emniyetli durumunu korumak için en önemli işlem ön

saflaştırma sistemidir. Bir tesiste ya ön-son saflaştırma veya revex eşanjör / rejeneratör

kullanılır. Bunların kullanılmasıyla CO2’ nin sisteme girmesi engellenir. CO2 düşük

çözünürlüğü nedeniyle kaynatıcı pasajlarını tıkayabilir ve lokal olarak ölü son kaynaması

veya kuru kaynamaya sebep olabilir.

Bazı hava kirleticiler, özellikle propan, etilen ve nitrooksit ME’ de kısmen tutulur. Fakat CO2

adsorpsiyonu ile birlikte kurtulurlar (serbest kalırlar). Eğer CO2’ nin ME yatağının en son

noktasına geçişine izin verilecek olunursa bu desorpsiyona uğrayarak sisteme kaçar. Bu

sebepten dolayı adsorpsiyon çevriminin en son noktasında CO2’ nin tespit edilebilir sınırlarda

olmasına kesinlikle izin verilmemelidir. Böyle bir durumla karşılaşıldığında işletme

manueline başvurularak bazı adsorpsiyon parametrelerine ait değerler değiştirilmelidir

(reaktivasyon sıcaklığı, akış, zaman saati).

ME tankının çıkışındaki CO2 konsantrasyonunun monitöre edilmesi gerekir. Burada yüksek

CO2 miktarı alarmı (set değeri 1 ppm/v) bulunmalıdır. Gerektiğinde operatör diğer ME tankını

devreye almalıdır. CO2 konsantrasyonu 10 ppm/v değerine ulaştığında veya tutucu devreye

girmediğinde sistem durdurulmalıdır.

Çevrim sonundaki düşük fakat sürekli CO2 kaçışları, önemli ölçüde büyük kaçaklar kadar

tehlikelidir. Bunun gerçekleşmesi bize diğer kirleticilerin (C2H2, diğer hidrokarbonlar ve nem)

tutucu yatağını baypas geçtiğini gösterir. Eğer bu CO2’ nin sürekli kaçışı 0,2-0,5 ppm/v

değerine ulaşırsa (analizörün tespit kapasitesine bağlı olarak) tesisin imalatçısına

dönülmelidir. (Safe Operation of Reboilers/Condensers In Air Separation Units)

4.9.7 Tıkanma Kaynatıcı kanallarının blokaja uğramasıdır. Bu blokaja neden olan yabancı partiküller

(silikajel veya perlit) veya atmosferik kirleticilerin katılaşmasıyla oluşan yapılardır (CO2 veya

N2O). Kaynatıcı içerisindeki hidrokarbonlara bağlı olarak oluşan vakalar 3 sınıfta kategorize

edilebilir. Ağırlık (yerçekimi), büyük patlamalar, sınırlı patlamalar ve iç kaçaklardır. LOX

kaynatıcısı içerisindeki herhangi bir hidrokarbon akümülasyonunu önlemek kesinlikle

gereklidir. Patlamaların kaynakları araştırıldığında aşağıdaki sebepler bulunmuştur:

• Kaynatıcı pasajlarında akümüle olan alevlenebilir hava kirleticilerin kendiliğinden

ateşlenmesi ve yanması.

117

• Kaynatıcı eşanjörlerinin yapıldığı malzeme olan alüminyum materyalinin büyük parçasının

yükseltgenmiş ateşleme ve yanması.

• LOX’ un flaş buharlaşması.

• Düşük sıcaklık distilasyon kolonunun ve soğuk kutunun kasasının patlayıcı şekilde

kırılması (yarılması). (Safe Operation of Reboilers/Condensers In Air Separation Units)

İç kaçaklar genellikle kaynatıcı ısı eşanjöründe görülen minör patlamalara bağlıdır. Soğuk

kutu dışından görülemez. Bu daha sonradan açığa çıkan, distilasyon kolonlarının zayıf

çalışması ile anlaşılır ve kaynatıcının tamir edilmesini gerektirir.

4.9.8 Dizayn Hesaplamaları – Minimum Likit Akışı Kaynatıcı ısı transfer pasajlarındaki minimum likit akış değeri ile ilgili aşağıda bazı

spesifikasyonlar verilmektedir:

• Likit filminin bozulması (kopması) engellenerek, ısı transfer yüzey alanının efektif olarak,

zorlanmış konveksiyon buharlaştırıcı veya kaynama ısı transferine yardımcı olması

sağlanır. Islanmamış bölgeler, buharlaşan akışa gerçekleşen ısı transferine olan efektif

etkisini kaybeder.

• Buharlaşmamış LOX içerisindeki maksimum kirlilik içeriğinin (özellikle hidrokarbon

bağlantılı) tehlikeli seviyelere ulaşmadığından emin olunmalıdır. O2 ısı transfer

pasajlarında ilerledikçe LOX içerisindeki hidrokarbon konsantrasyonu yükselir.

• Kaynama yüzeylerinde yeterli ve uygun ıslanmayı sağlayarak kirlenme (katı depozitleri,

N2O ve CO2 kirlilikleri) minimize edilir.

Kirlenme ayrıca, likit içerisindeki kirletici konsantrasyonu, bunların çözünürlük sınırlarının

altında korunarak da minimize edilebilir. (Developments In Falling Film Type (Downflow)

Reboilers In The Air Separation Industry)

Yukarıdaki spesifikasyonlarda da bahsedildiği üzere; spesifik likit akış değeri, yeterli ve

uygun ıslanmayı sağlayacak şekilde kaynama yüzeyi üzerinde kararlı bir likit filmi

oluşturmalıdır. Bu değer yüzeyde filmin kopmamasını sağlayacak minimum değerin üzerinde

olmalıdır. Bu aynı zamanda kaynatıcı geometrisinin bir fonksiyonudur (özellikle ısı transfer

yüzey alanı ve sonuçta oluşan akış çevresidir).

Aşağıda minimum likit akış değerini önceden belirlemek ve film akımının kopmasını

engellemek için eşitlikler tanımlanmıştır. Film Reynolds sayısının ünite genişliği başına akış

değeri ile bağıntısı aşağıdaki şekilde verilmiştir:

118

LLL µ/.4Re Γ= (4.17)

Likit filminin kopması bir yüzey fenomenidir ve bu yüzden yüzey gerilimi ve kontak açısı,

minimum film Reynolds sayısının açıklamasında önemli rol oynamaktadır.

Alternatif olarak minimum likit akış değeri, yeterli ve uygun ıslanmayı sağlamak amacıyla,

kaynama pasajlarının çıkışındaki boyutsuz bir oran olan L/V (likit-buhar kütle akış değeri

oranı) ile de ifade edilebilir.

Likit-buhar kütle akış oranı (L/V), ReL ve W arasındaki ilişki aşağıda verilmektedir:

VLL MWWL .4/..Re/ µ= (4.18)

Kabuk-tüp modül grubu için:

imt DNNW ... Π= (4.19)

BAHX modül çekirdek grubu için:

{ }[ ]ffmp hNwNNW .1..2.. += (4.20)

Kanatçıksız BAHX’ ta (=0). (Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers In

The Air Separation Industry)

4.9.9 Dizayn Karakteristikleri – Akış Dağıtımı

Ana kondenser / kaynatıcıların geliştirilmesinde en kritik element belki de akış dağıtımıdır.

Isı eşanjörünün termal performansını garanti altına almak için her bir tüp veya plaka-kanatçık

pasajına doğru olan likit akışı gereklidir. Ayrıca her bir pasaj için gerekli olan minimum likit

akışını da sağlamalıdır. Dağıtım yapılmadığı taktirde bazı tüp / pasajlar fazla miktarda likit

taşırken, bazıları kuru kalabilir. Dağıtım ayrıca tüp içerisinde veya plaka-kanatçık pasajı

içerisinde üniform bir likit dağılımı sağlaması açısından da gereklidir.

Dağıtım uygulama örnekleri aşağıda verilmektedir:

4.9.10 BAHX Akış distribütörünün kullanım amacı: Levha-kanatçıklı ısı eşanjörünün her bir tabakasının

genişliğini boydan boya geçecek olan likitin iyi (üniform) dağılımını sağlamaktır. Akışkan, ısı

eşanjörüne tek fazlı bir madde olarak girer. Levha-kanatçıklı pasajlarda buharlaşma meydana

gelir. Genellikle, tek fazlı akışkan ısı eşanjörünün sonuna veya yanlarına ilave edilmiş

119

kollektörler vasıtasıyla eşanjöre alınır ve uzaklaştırılır. Bu kollektörler çekirdeğin girişini

veya tamamını (genişlik ve uzunluk olarak) kapatabilir. Ana kondenser / kayntıcıda giriş

genellikle açık bir tanktır. Alternatif olarak kubbe kollektör olabilir. (Developments In Falling

Film Type (Downflow) Reboilers In The Air Separation Industry)

İlk olarak akışkan, giriş kollektör tankına ulaşır. Bu akışkanın tüm akış alanlarına dağıtılması

gerekir. Bu aşağıdaki metodlardan birisiyle sağlanır:

• Doğrusal tüpler

• Distribütör kanatçık kullanımı

• İki metodun kombinasyonu

Şekil 4.52 Akış dağıtım tekniği (1986) / dizayn-1. (Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers In The Air Separation Industry)

120

Dökülen film ana kondenser olarak kullanılmak amacıyla bu tip bir levha-kanatçık

konfigürasyonu oluşturulmuştur. LOX, levha-kanatçık pasajlarında iki kademede dağıtılır. İlk

kademe, likitin levha-kanatçık pasajı boyunca baştan başa pürüzlü olarak ön dağıtımını içerir.

Bunun için Şekil 4.52’ de görülen yapıyı kullanır. Burada ön dağıtım plakaları üzerinde

bulunan O2 pasajları LOX haznesi olarak kullanılır. LOX, pasajlara plakalar üzerine delinmiş

deliklerden geçerek girer. LOX, bu yolla ön dağıtım yapılarak, dolgu plakalarının bulunduğu

bölgeye ulaşır. Bu dolgu plakalar, O2 pasajı boyunca ince bir dağıtım sağlar. O2 ile N2

arasındaki ısı değişimi, LOX pasajı boyunca dolgu plakalara doğru başlar.

Bu sisteme alternatif olarak, tepeden çekilen GOX’ a bir yer bulmak için aşağıda anlatılan

dağıtım mekanizması adapte edilir. Burada N2 giriş noktası üzerindeki N2 pasajları LOX için

hazne olarak kullanılır. (Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers In The

Air Separation Industry)

LOX, tepesi kapalı olan O2 pasajlarına, ayırıcı bölüm plakaları üzerinde bulunan deliklerden

(yan tarafta) girer. Her bir O2 pasajının içinden dolgu plakalar çıkartılmıştır. LOX jetleri

deliklerden akarak karşıda duran parça plakalara çarpar ve yayılır. Boşluk ve çap öyle seçilir

ki, parabolik şekilli levhalar bu nedenle sürekli levhalara termal değişim bölgesinin biraz

üzerinde katılır. O2’ nin ince dağıtımı parça plakalar tarafından yapılırken, delikler tarafından

hala ön dağıtımdadır. Yayılmayı geliştirmek için parça plakalar yatay olarak yerleştirilmiştir.

Bu sistem Şekil 4.53’ de görülmektedir.

Şekil 4.54’ de görülen akış dağıtımı iki kademede meydana gelmektedir. Ön dağıtım

kademesi; birden fazla delikli doğrusal tüpün O2 pasajları boyunca yerleştirilmesiyle oluşur.

Her bir O2 pasajı için üç adet dikey doğrusal tüp tabakası bulunur. Doğrusal tüpler karşı

sonlarda bulunan kollektörlerden meydana gelir. İnce dağıtım dolgu kanatçıklarına doğru

oluşur.

121

Şekil 4.53 Akış dağıtım tekniği (1986) / dizayn-2. (Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers In The Air Separation Industry)

Şekil 4.54 Akış dağıtım tekniği (1992). (Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers In The Air Separation Industry)

122

Dolgu kanatçık sistemi, bu kanatçıkların akış yönüne zıt yönde bir akışa imkan vermeyecek

şekilde dizayn edilmiştir. Bu nedenle ısı eşanjörü işletmedeyken dolgu kanatçığını işgal eden

likit filmi, dolgu kanatçığının boş alanının en az % 25-50’ sini işgal eder. Dolgu kanatçık

bölgesinde O2 , N2 ile ısı alışverişinde bulunmaz.

Diğer bir dağıtım uygulaması Şekil 4.55’ de görülmektedir. Likit, parça plakalar üzerine

püskürtülür. Yüzeyin gözenekli olmasından dolayı LOX üniform bir şekilde yayılır.

Şekil 4.55 Akış dağıtım cihazı (1991). (Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers In The Air Separation Industry)

Plaka-kanatçık tabakalar için dağıtım teknikleri araştırılmış, çeşitli iki kademeli likit dağıtım

teknikleri test edilmiştir.

İlk kademe, doğrusal tüpler, bölünmüş plakalar içerisinde dairesel orifisler (yandan giriş),

bölünmüş plakalar içerisindeki (yandan giriş) ve düşük yüzdede (% 5-10) sıralı delikler

açılmış dolgu kanatçıkları içerir.

İkinci kademe dağıtım, aşağıda belirtilen tekniklerden birisi kullanılarak elde edilir:

• Dolgu kanatçık,

• Örgü şeklinde dokunmuş yüzey,

• Testere dişli ana kanatçıklar.

Dolgu kanatçıklı iki kademeli dağıtım en iyi performansı verir. İlk dağıtım kademesi % 5

delikli dolgu kanatçık ve ikinci kademe ise % 25 delikli dolgu kanatçığa doğru elde edilir. Bu

uygulama ayrıca tercih edilen delik desenini (üniform dağıtımı sağlamak için)

sağlayabilmektedir. Şekil 4.56’ da bu tarz bir uygulama örneği görülmektedir.

123

Şekil 4.56 Akış dağıtım tekniği (1995). (Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers In The Air Separation Industry)

LOX, iki kademe akış dağıtım cihazının bulunduğu kondens (N2) tabakasının tepesine doğru

giriş yapar. Kondenzasyon ve buharlaşma akışlarını ayıran sızdırmazlık çubuğu ile iyi

dağıtılan likitin yönü, buharlaşma (O2) tabakalarına doğru değiştirilir. Dağıtımın kalitesi

buharlaşma tabakaları içine yerleştirilmiş köprü kanatçıklar yardımıyla korunur.

(Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers In The Air Separation Industry)

4.9.11 Kabuk – Tüp Isı Eşanjörü

Tipik olarak ısı eşanjörüne giren likit, tüp bandıl üzerinde birikir (küçük bir likit haznesi

şeklinde). Distribütör likit havuzu ile bireysel tüpler arasında bağlantı gibi çalışır. Haznedeki

gravitasyonel basma yüksekliği, akışın distribütöre doğru sürülmesini sağlayacak gücü

oluşturur. Distribütöre doğru olan akış değeri dağıtım cihazını kapatan likitin derinliği

tarafından yönetilir. (Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers In The Air

Separation Industry)

Akış dağıtım cihazları 3 tipte gruplandırılır:

124

• Su setleri (bentler),

• Dairesel veya halka şeklinde orifisler,

• Çember şeklinde sınırlayıcılar.

Şekil 4.57 Yüksek akışlı kabuk ve tüp tipi ana kondenser için akış dağıtım tekniği. (Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers In The Air Separation Industry)

Şekil 4.57’ de yan orifislerin veya deliklerin bulunduğu akış dağıtım sistemi görülmektedir.

Bu orifisler yüzeysel delinmiştir. Akış, tüpe yüzeysel girer ve tüp duvarına bağlı akışa ve

tüpün tüm yüzeyinin ıslanmasına yardımcı olur. Tüp yüzeyinin yeterli ve uygun düzeyde

ıslanması, minimum likit akış değerinin korunmasıyla sağlanır. (Developments In Falling

Film Type (Downflow) Reboilers In The Air Separation Industry)

4.10 Hava Çevriminde Soğukluk Üretimi ve Dahili Sıkıştırma Eğer GOX üretimi likit üretiminden daha büyük ise hava çevrim prosesi bir dereceye kadar

N2 çevrimden daha ekonomiktir.

4.10.1 Hava Çevrim Prosesinin Ana Hatları Bu proseste ayrıştırma için 5 bar basınçta hava sağlayan bir hava kompresörü bulunur. Bunun

ardından ilave bir kompresör gelir. Bu kompresör, türbinde soğukluk üretimi için gerekli

basınca kadar sıkıştırmayı sağlar. Yeni N2 çevrimde soğuk ve sıcak türbin bulunur. Havayı

ayrıştırmak için soğutmak ve soğukluk üretimi için bir ana ısı eşanjörü sisteme ilave

125

edilmiştir.

Eğer likit üretimi, GOX üretimi kadar büyük ise soğukluk üretimi için kompresörde daha

fazla havaya ihtiyaç olacaktır. Bu, havanın ayrıştırma için gerekli olmayan kısmının

kompresörün emiş kısmına geri gönderilmesiyle sağlanır. Bu hava çevrimi olarak adlandırılır.

Eğer GOX üretimi, likit üretiminden daha fazlaysa hava çevrimine gerek duyulmaz, hatta

kompresörden daha düşük hava akışı geçer. Bu şekilde havanın basıncı 5 bar’ da muhafaza

edilir. Hava kompresörden direk ana hava eşanjörünün pasajına girer. Bu proses hava çevrimi

olarak adlandırılır.

Soğukluk üretimi için kompresöre isim vermek biraz problem olur. Eğer hava çevrimi için

kullanılıyorsa, çevrim kompresörü olarak adlandırılır. Eğer değilse genellikle yüksek basınç

kompresörü veya hava busteri olarak adlandırılır.

Sadece GOX veya sadece likit üretimi mümkün değildir. Birisindeki kapasite değişimi

diğerini de etkiler. Üretilen GOX’ u , O2 kompresörleri vasıtasıyla kullanılacak yere basmak

(harici sıkıştırma) yerine, LOX, LOX pompası vasıtasıyla ana ısı eşanjörüne basılır. Bu

prosese dahili sıkıştırma adı verilir. (Air Separation Technique Course Information

Document)

126

Şekil 4.58 Dahili sıkıştırmalı genel hava çevrim prosesi. (Air Separation Technique Course Information Document)

127

4.10.2 Dahili Sıkıştırma Tüketiciye gaz ürünü ulaştırmanın geleneksel yöntemi, ana ısı eşanjöründen düşük basınçlı

gazı alıp kompresörle basmak ve boru hattıyla taşımaktır. Son yıllardaki gelişmelerle

kompresörün yerini likit pompası almıştır. Pompa likiti uygun basınçta basar ve ısı

eşanjöründe buharlaşmasını sağlar. Gaz tüketiciye ısı eşanjöründen çıkarak gider. Buradaki

buharlaşma buhar basınç eğrisine uygun basınca bağlı sıcaklıkta gerçekleşir. Ayrıca

buharlaşmanın gerçekleşmesi için yeterli sıcaklıkta bir karşı gaz akışı gereklidir. Bu gaz

soğukluk üretimi için çevrimde likite dönüştürülecek olan yüksek basınçlı gazdır (hava veya

N2 ). Akış, soğukluğu tutabilmek edebilmek için yükselmelidir. Buna dahili sıkıştırma adı

verilir. (Air Separation Technique Course Information Document)

GOX’ un basılması yerine, daha fazla yüksek basınçlı hava ve LOX basılır. Bu dahili

sıkıştırmanın büyük bir avantajıdır. Kompresörün kapasitesini yükseltmek, ilave bir tane daha

almaktan çok daha düşük maliyetlidir. Pompa LOX’ u depolama tankından alır, bu yüzden

geri dönüş sistemi entegre edilebilir. Harici sıkıştırmada geri dönüş için ayrı bir pompa

bulunmaktadır. Ayrıca GOX kompresörleri çok pahalı ekipmanlardır ve çok yüksek düzeyde

emniyet tedbirleri alınması gerekmektedir.

Elektriksel güç tüketimi harici sıkıştırmaya oranla biraz daha yüksektir. Bu sistemin büyük bir

dezavantajı bulunmaktadır. Yüksek basınç kompresörü, yüksek basınçlı GOX için

çalışmalıdır, bu nedenle minimum kapasitesi belirli bir likit üretimi vereceğinden, istenmese

dahi vereceği likiti almak zorunda kalınır.

Prosesi, yüksek basınçlı GOX (veya yüksek basınçlı GAN) olmadan çalıştıramayız. Likit

üretimi ile büyük bir bağlantı bulunduğundan, ısı eşanjöründeki dengeler büyük oranda

değişir. (Air Separation Technique Course Information Document)

Yüksek basınçlı GOX ve likit üretimi birbirine bağlıdır. Bu yüzden birini yükseltip diğerini

düşürmek mümkün değildir. Sonuç olarak tesisin esnekliği az olacaktır.

Çizelge 4.7’ de harici ve dahili sıkıştırma karşılaştırılması görülmektedir.

Yüksek basınçlı GOX akışındaki varyasyonlar, hava ayrıştırma prosesinde bozulmalara sebep

olacağından, sakınılmalıdır.

128

Çizelge 4.7 Harici ve dahili sistemlerin karşılaştırılması. (Air Separation Plants Book)

Harici Sıkıştırma Dahili Sıkıştırma

Yatırım Maliyeti Yüksek Düşük

Güç Tüketimi Düşük Kabul Edilebilir

Kullanılabilirliği Kabul Edilebilir Yüksek

Max. Oksijen Basıncı 70 bar 200 bar

Bakım ve Yedek Parça Pahalı Makul

Esneklik Kabul Edilebilir Yüksek

Yük (kapasite) Seviyesi Küçük Yüksek

Avesta tesisinde, GOX HE-21 ısı eşanjöründe 36 bar basınca kadar (yüksek basınçlı GOX)

basınçlandırılır. HE-22 eşanjöründe 11 bar’ a kadar (orta basınçlı GOX) basınçlandırılır. HE-

22 eşanjöründe ayrıca yüksek basınçlı GAN ve GAR da basınçlandırılır. Sistemde ana hava

46 bar basınçtadır. Bu hava yüksek basınçlı LOX’ u 29 bar’ da buharlaştırır. 29 bar basınçtaki

hava ise orta basınçlı LOX’ u buharlaştırır.

Eğrilerin yatay parçaları (Şekil 4.60’ daki b) kaynamayı gösterir. –151 0C’ de, 11 bar basınçlı

O2 ve –147 0C’ de, 29 bar basınçlı hava arasındaki sıcaklık farkı ∆T = 4 0C’ dir. Eğer bu fark

daha az olsaydı ısı transferi daha kötü olurdu ve GOX çok soğuk olurdu. Eğer O2 basıncı

artarsa veya hava basıncı daha düşük olursa ∆T daha küçük olur. Basınçtaki değişimler çok

dikkatli bir şekilde hesaba katılmalıdır.

∆T = 0 olursa yatay parçalar birlikte hareket eder ve ölü bölge ortaya çıkar. Ardından o

kısmında ısı transferi duracak ve GOX soğuyacaktır.

Eğer çok az hava kullanılacak olursa eğri Şekil 4.59’ daki a şeklini alacaktır. Diyagramdan da

görüldüğü üzere sıcaklık çizgileri –151 0C’ de kesişir. Bu tamamen teorik bir fenomendir.

Gerçekte bu oluşmaz, çünkü geçiş yapmadan önce daha sıcak havadır ve ∆T sıcaklık

farkından dolayı ısı verir. Bu ∆T sıcaklık farkı sıfıra düştüğünde, ısı transferi durur, hava daha

fazla soğuyamaz, O2’ den daha soğuk olamaz. Daha büyük ölü bölge oluşur ve GOX yetersiz

derecede ısıtılır ve çıkışta çok daha soğuk olur. (Air Separation Technique Course


129

Şekil 4.59 OB LOX ve hava için sıcaklık-ısı diyagramı. (Air Separation Technique Course Information Document)

Şekil 4.60 Avesta tesisinde HE-22 için sıcaklık-ısı diyagramı. (Air Separation Technique Course Information Document)

130

Şekil 4.61 YB LOX ve hava için sıcaklık-ısı diyagramı. (Air Separation Technique Course Information Document)

Şekil 4.62 Avesta tesisinde HE-21 için sıcaklık-ısı diyagramı. (Air Separation Technique Course Information Document)

131

Eğer uygun miktarda hava kullanılırsa, eğri Şekil 4.62’ deki b şeklini alır. Geçiş bölgesi sıkı

bölge halini alır ve ∆T en küçük değere sahip olur. Bu sıcaklık havanın –165 0C’ nin altına

soğutulmasını engeller. Bu hava, bir valfte YBK basıncına genişler ve uygun sıcaklık elde

edilir. Fakat daha sıcak olması durumunda daha fazla gaz olacaktır ve bu noktada kolon düşük

oranda gaz ve büyük oranda likit oluşturacaktır. Avesta tesisindeki yüksek basınçlı GOX

dahili sıkıştırması havanın kritik basıncının (37,7 bar) üzerindeki yüksek basınçta meydana

gelir. Bu nedenle sıcaklık eğrisi farklı olacaktır.

Burada havanın kondens olması için yatay bir kısım yoktur, çünkü süperkritik gaz kondens

olmaz. Eğrinin meyilli kısmı şaşılacak ölçüde değişir ve spesifik ısı kritik sıcaklığa (-141 0C)

yakın bir değere yükselir.

Şekil 4.61’ deki a ve Şekil 4.62’ deki b’ de görüldüğü üzere hava akışındaki değişim sıkı

bölgeyi ve geçiş bölgesini etkiler. Burada hava –150 0C’ ye kadar dahi soğutulamaz.

Isı eşanjörünü bütün büyük veya küçük ∆T’ ler olmaksızın çalıştırabilmek için çeşitli akışlara

başvurulur ve bu bağlantıda türbinler kullanılır. Bu başvurulan akışlar, sıkılıkların

önlenebildiği ve aşırı ∆T’ lerin dengelendiği (-127 0C’ nin üzerinde) bölgededir. Bunlar ayrıca

yüksek basınçlı havanın düşük sıcaklıklardaki spesifik ısı farklılıklarını da dengeler. (Air


4.11 Tesis Kapasite (Yük) Değişimleri Kapasite yükseltme veya düşürme çok zorunlu olmadıkça ME’ lerin basınç değişimi veya

eşitleme zamanında yapılmamalıdır. ME soğutmada iken yapılması emniyetlidir.

4.11.1 Banyo Tipi Kaynatıcılarda Yük Değişimi

Tesis kapasitesinin düşürülmesiyle, genellikle kaynatıcı likit seviyesi yükselir. Kapasite

arttırıldığında ise seviye azalır. Kapasite artış hızına bağlı olarak karter likit seviyesi ve

sonuçta da resirkülasyon miktarı çok hızlı bir şekilde düşebilir. Bu tip kaynatıcılarda batma

seviyesindeki izin verilebilir düşüş tesis dizaynırı tarafından verilmelidir. Eğer verilen bir

değer yoksa maksimum 60 dakikalık periyotta normal işletme batma seviyesinin % 30 altında

kullanılmalıdır. (Safe Operation of Reboilers/Condensers In Air Separation Units)

4.11.2 Dökülen Film Tipi Kaynatıcılarda Yük Değişimi

Normal operasyonda resirkülasyon miktarı korunmalıdır. Distribütör içerisindeki seviye izin

verilen minimum seviyenin altına düşmemelidir. Kolondaki likit haznesinin kontrol altında

132

tutulması gerekir. Resirkülasyon pompalarının emiş filtrelerinin tıkanma ihtimaline karşı

(CO2 buzu ile tıkanma ve diğer kirleticiler) özel bir hassasiyet gösterilmelidir. (Safe Operation

of Reboilers/Condensers In Air Separation Units)

4.12 Tesis Duruşu ve Soğuk Bekletilmesi Tesis duruşunun ardından dolgulardaki veya tepsiler üzerindeki likitler kolonun alt

noktalarına hareket eder. Bu durumda kaynatıcılardaki seviye, seviye indikatörlerinin % 100’

lük göstergesinin üzerinde olur. Bu likit genellikle tesisi en kısa sürede tekrar startlamak için

korunur. Bu mod “soğuk bekleme” olarak adlandırılır.

Bir veya iki günlük soğuk bekleyişlerde, bekleme süresince LOX tutuculara olan

resirkülasyonun devam etmesi gerekir.

Soğuk beklemeyi emniyetli olarak uzatabilmek için aşağıdaki uygulamalar takip edilmelidir:

• Resirkülasyon pompalarının giriş ve çıkış valfleri kapatılır. Pompalar ve emiş filtreleri

tahliye edilir.

• LOX tutucuları tahliye edilir ve ardından rejenerasyona alınır.

Soğuk kutu içerisine doğru olan ısı kaçağından dolayı oluşacak buharlaşma neticesinde

kaynatıcılardaki likit seviyesi normal işletme değerinin altına inecektir. Eğer likit seviyesi

normal seviyenin yarısına düşecek olursa, LOX veya LIN emzirmesi (ilavesi) yapılır veya

tesisteki tüm likitler tahliye edilir.

Enjeksiyon (emzirme) yapılacağı zaman O2 yerine N2 kullanılması daha makuldür. LOX

kullanıldığı taktirde sisteme ekstra hidrokarbonların ilave edileceğinin farkında olunulmalıdır.

Soğuk bekleyiş süresince hidrokarbon analizörü ile ölçülen hidrokarbon miktarı monitöre

edilmelidir.

Kısmen adsorpsiyonda, adsorpsiyonun derecesi dizayn ve işletme parametrelerine bağlıdır.

Kirletici seviyeleri Çizelge 4.8’ deki değerlere ulaşacak olursa tüm likitler tahliye edilmelidir.

Revex / rejeneratör bulunan tesislerde tüm likitlerin boşaltılmasından sonra tesisin tamamıyla

ısıtılması tavsiye edilir. Eğer bu yapılmazsa tesis tekrar startlandığında kolon içerisine doğru

çok büyük miktarlarda CO2 göçü meydana gelir. (Safe Operation of Reboilers/Condensers In

Air Separation Units)

133

Çizelge 4.8 LOX içerisindeki maksimum kirletici seviyeleri (kaynatıcı işletme basıncı 1,2 bar mutlak). (Safe Operation of Reboilers/Condensers In Air Separation Units)

Komponent Maksimum İzin Verilebilir

Konsantrasyon CH4 500

C2H2 0,5

C2H4 200

C2H6 250

C3H6 35

C3H8 100

C4 Hidrokarbonları 5

CO2 4 *

N2O 100 *

4.13 Tesisin Yeniden Startlanması Tesisin tipine ve dizaynına bağlı olarak sistemin tekrar startlanması için yeterli likitin olup

olmadığından emin olunamazsa karar vermek zorlaşır. Uygun prosedür aşağıda açıklanacak

olan iki uygulamanın kombinasyonu şeklinde olacaktır. Eğer kaynatıcının yeterli düzeyde

likite sahip olmadığı devreye alma süresince belli olursa kalan sıvının pörç işlemi gerekebilir.

(Safe Operation of Reboilers/Condensers In Air Separation Units)

Çizelge 4.9 Tesisin bekleme sonrası hangi ME ile devreye gireceğinin tespiti. (Operational Manual for No.4 Air Separation Plant)

ME çalışma süresi, toplam

ME çalışma süresinin

Bekleme süresi ME’ lerin durumu

1/4’ ünden az ise 12 saatten az ise Aynı ME ile devreye girilir.

1/3’ ünden az ise 10 saatten az ise Aynı ME ile devreye girilir.

1/2’ sinden az ise 8 saatten az ise Aynı ME ile devreye girilir.

1/2’ sinden fazla ise Rejenere edilmiş temiz ME

ile devreye girilir.

* Bu değerler sadece banyo tipi kaynatıcılar için geçerlidir. İşletme basıncı atmosferik değerin üzerinde olduğundan CO2 için çözünürlük sınırı bu konsantrasyon değerine ulaşmaz. Dökülen film tipi kaynatıcılarda bu değerler genellikle daha düşüktür.

134

4.14 Kısa Duruşun Ardından Devreye Alma 8 saatlik duruş periyodunda, tesisin çalıştırılması boyunca kaynatıcılardaki seviyenin

korunması için tesiste yeterli miktarda likit bulunacaktır.

Banyo tipi kaynatıcılarda likit seviyesi kontrol altında tutulmalı ve en az normal batma

değerinin % 80’ ine sahip olmalıdır. Batma seviyesi normal işletme değerine mümkün olan en

kısa sürede ulaştırılmalıdır. Bu aşamada eğer mümkünse likit emzirmesi tavsiye edilir. Batma

seviyesinin geçici olarak % 50’ ye düşmesine kısa süreliğine izin verilebilir.

Eğer likit emzirmesi uygulanamıyorsa diğer proses basamakları (proses havasının azaltılması)

hesaba katılmalıdır.

Dökülen film tipi kaynatıcılarda çekirdek distribütördeki seviyenin, resirkülasyon pompa

akışıyla kontrol edilmesi gerekir. Pompa akışını korumak için haznede yeterli miktarda likit

bulunduğundan emin olunmalıdır. Bu seviyeyi korumak için YBK’ ya hava girişinin kontrol

edilmesi gerekir. (Safe Operation of Reboilers/Condensers In Air Separation Units)

4.15 Uzun Duruş Sonrası Soğuk Devreye Alma Eğer kaynatıcı içerisindeki likit seviyesi, normal işletme değerinin % 50’ sinin altına inerse

startlama öncesi kaynatıcılardaki likitlerin tahliye edilmesi gerekir. Bu seviyede az likit

içerisinde hidrokarbonlar zenginleşmiş olabilir. Ayrıca N2O oranı da zenginleşebilir. Bununla

birlikte CO2 , kaynatıcı çekirdek pasajlarında depozitler oluşumuna sebep olabilir.

Batma seviyesinin önemli ölçüde düşük olduğu durumlarda sistemin çalıştırılması esnasında,

öncelikle bu seviyenin yeniden oluşturulması gerekmektedir. Ardından O2 safiyeti elde

edilmesi düşünülebilir. Banyodaki yüksek O2 safiyeti daha büyük potansiyel tehlike anlamına

gelmektedir.

Devreye alma süresince GOX akışı mümkün olduğunca yüksek seviyede korunmalı ve sadece

bir kereliğine kaynatıcı likit seviyesi oluştururken safiyeti kontrol etmek için akış azaltılır.

LOX ve RL tutucularının rejenerasyonunun yapılması sağlanmalıdır. Kaynatıcının karteri

içerisinde üretilen ilk likit tahliye edilmelidir (normal işletme seviyesinin yaklaşık % 20-30 ‘u

kadardır).

Devreye alma boyunca yaşanan düşük likit seviyelerinin üstesinden gelmek için yardımcı likit

sistemi kullanılır. Kısa duruş sonrası devreye alma kısmında bahsedildiği gibi LIN tercih

edilir. Eğer doğru tedbirler alınırsa LOX da kullanılabilir. (Safe Operation of

135

Reboilers/Condensers In Air Separation Units)

4.16 Defrost Tedbirler alınmasına rağmen, HAT’ ta kirleticiler (hidrokarbonlar, CO2 , N2O) tesis

işletmedeyken tesis içerisine girebilmektedir. Bu nedenle tesisin belirli aralıklarla defrost

edilmesi (ısıtılması) gerekmektedir.

Ana kaynatıcı, tesiste bu tür hidrokarbonların yoğunlukla akümüle olduğu ekipman

olduğundan bunun defrostuna ayrı bir özen gösterilmelidir.

4.16.1 Prosedür Defrostun en önemli basamakları aşağıda sıralanmıştır:

• Bütün likitler tahliye edilir.

• Tur sırası belirlenmelidir. Turlar bu sıraya göre defrost edilecektir.

• Akış tüm kısımlara ulaştırılmalıdır.

• Uygun bir izolasyon sağlanmamışsa eksik defrosttan sakınılmalıdır. Tecrübeler

göstermektedir ki; kirliliklerin ve depozitlerin bir kısımdan diğer bir kısıma kaldırılma riski

söz konusudur.

• Tüm defrost çıkışlarından akış geldiğinden emin olunmalıdır.

• Tüm enstrüment hatları, defrost prosesinin son bulduğu noktaya doğru açılmalıdır.

• Eğer işletme manueli defrost ile ilgili spesifik bir bilgi vermiyorsa, tüm defrost çıkış

sıcaklıkları yaklaşık + 20 0C oluncaya kadar devam ettirilmeli, bu sıcaklığa ulaşıldıktan

sonra en az 2 saat daha bu şekilde devam edilerek tamamlanmalıdır. Ardından defrost

çıkışlarından nem analizi alınmalıdır. Bunun yapılmasındaki amaç defrostun başarılı bir

şekilde tamamlandığından emin olmaktır. Çiğ noktası – 40 ile – 60 0C arasında bir değere

ulaştığında defrost turu tamamlanmış olur. (Safe Operation of Reboilers/Condensers In Air

Separation Units)

4.16.2 Defrost Sıklığı Defrost sıklığı; tesis dizaynına, proses çevrimine ve yerleşimine bağlıdır. İşletme manuelinde

farklı bir değer verilmemişse tesis her 3 yılda bir defrost edilmelidir.

Defrost aralığı işletme tecrübeleriyle uzatılabilir. Fakat aşağıda verilen anormal durumlar

gözlendiğinde kısaltılmalıdır:

• Düşük sıcaklık ekipmanlarında (eşanjörler, distilasyon tepsileri) anormal basınç düşüşleri.

136

• Giriş havasında çok yüksek hidrokarbon seviyelerinin bulunması.

• Revex eşanjörlerde, rejeneratörlerde veya ön-son saflaştırma sistemlerinde sık sık yaşanan

siviç problemleri.

• Ön-son saflaştırma sisteminden tekrarlanan minör CO2 kaçışlarının olması.

• Çevresel şartlarda tesis dizaynındakine göre değişiklik oluşması.

• Plansız (ani) duruşlar (enerji darbeleri nedeniyle devreden çıkmalar).

Ayrıca tesiste gerçekleştirilen büyük bir bakımın ardından defrost düşünülmelidir.

4.17 Kontrolörler HIC: Manuel indikasyon kontrolörüdür. Ne kadarlık bir yüzdede açık olduğunu gösteren

manuel bir valftir. Çoğunlukla ABK refluxı için kullanılır veya eski tesislerde tanka giden

LIN hattında kullanılır.

FIC: Akış indikasyon kontrolörüdür. Sıklıkla soğuk kutuya giren hava hattında kullanılır.

Soğuk kutudan çıkan GAN hattında kullanılır. Ayrıca büyük kompresörlerde manometre ile

entegre olarak, sörç koruması olarak kullanılır.

PIC: Basınç indikasyon kontrolörüdür. ABK üstünden çıkan kirli N2 hattında kullanılır.

TIC: Sıcaklık indikasyon kontrolörüdür (termostat). ME rejenerasyon gazının elektrikli

ısıtıcısında kullanılır.

QIC: Kalite indikasyon kontrolörüdür. Ar bölgesini analiz ederek ve GOX valfini kontrol

ederek, GOX safiyetini kontrol etmede kullanılır.

LIC: Seviye indikasyon kontrolörüdür. Kolonların, kondenserlerin ve likit separatörlerinin

diplerindeki likit seviyelerini kontrol için kullanılır.

KC: Zaman saatidir. ME şişelerinin değişim periyotlarını ve valflerin açılma kapanma

zamanlarını kontrol eder. Ayrıca eski tip tesislerdeki revex eşanjörlerinin değişme

periyotlarını kontrol etmede kullanılmaktadır. (Safe Operation of Reboilers/Condensers In Air

Separation Units)

4.18 Likit Üretimi İçin Soğukluk Gereksinimi Vasserman tablolarını kullanarak, +20 0C ve 1 bar’ daki saf gazlardan likit üretmek için ne

kadarlık bir ısının uzaklaştırılmasının (soğukluk üretimi) gerektiği hesaplanabilir. Bu,

kaynama noktasına soğutma entalpisini ve kondens ısısını içermektedir. (Air Separation

137


LOX: 569 kJ/Nm3

LIN: 529 kJ/Nm3

LAr: 479 kJ/Nm3

Bu, maksimum LIN halindeki Nm3/h’ lik üretimin neden maksimum LOX halindeki

üretimden fazla olduğunu açıklamaktadır.

4.19 Normal Metreküp Cinsinden LOX Eşdeğeri Farklı LOX, LIN ve LAr miktarlarındaki üretimleri karşılaştırabilmek için (soğukluk

üretimleri aynı olmak üzere) LOX eşdeğeri kullanılır. Bu işlem LIN ve LAr miktarlarının

LOX bazında soğukluk gereksinimi açısından yeniden hesaplanmasıdır.

1 Nm3 LIN ; 529 / 569 = 0,93 Nm3 LOX’ a karşılık gelmektedir.

1 Nm3 LIN = 0,93 Nm3 LOX eşdeğeri

1 Nm3 LAr = 0,84 Nm3 LOX eşdeğeri

Bazı gaz şirketleri LIN’ e referans olarak kullanmaktadır.

Buna göre; 1 Nm3 LOX = 1,08 Nm3 LIN eşdeğeridir. (Air Separation Technique Course


Çizelge 4.10 Ağırlık-hacim karşılaştırma. (www.sciencedirect.com)

Sıvı Gaz lt kg m3 kg

Sıvı Halde Gaz Halde

1,00 1,14 1,00 1,43 -183 0C 0 0C Oksijen 0,88 1,00 0,70 1,00

Oksijen 760 mmHg 760 mmHg

1,00 0,81 1,00 1,25 -196 0C 0 0C Azot 1,23 1,00 0,80 1,00

Azot 760 mmHg 760 mmHg

1,00 1,40 1,00 1,78 -186 0C 0 0C Argon 0,71 1,00 0,56 1,00

Argon 760 mmHg 760 mmHg

138

5. GÜÇ TÜKETİMLERİ

Hava Kompresörü:

Voltaj: 13,2 kV

Akım: 311 A

Güç Faktörü: 0,765

FaktörüGüçAkimVoltajGüç ...3= (5.1)

kWGüç 4,5439765,0.311.2,13.3 ==

Hava Kompresörü Yağ Tankı Egzost Fanı:

Güç: 0,4 kW (fanın elektrik motor etiketinden alınmıştır.)

Hava Kompresörü Susturucu Fanı:

Güç: 3 kW (fanın elektrik motor etiketinden alınmıştır.)

N2 Çevrim Kompresörü:

Güç = 5000 kW (kompresörün etiketinden alınmıştır.)

N2 Çevrim Kompresörü Yağ Tankı Egzost Fanı:

Güç: 0,4 kW (fanın elektrik motor etiketinden alınmıştır.)

N2 Çevrim Kompresörü Susturucu Fanı:

Güç: 3 kW (fanın elektrik motor etiketinden alınmıştır.)

Genleşme Türbini Yağ Pompası:

Güç: 3,7 kW (pompanın etiketinden alınmıştır.)

Su Soğutma Kulesi Fanları:

Voltaj: 373,2 V

Akım: 88 A (1 nolu fan)

81,7 A (2 nolu fan)

139


FaktörüGüçAkimVoltajGüç ...3=

( )fannolukWGüç 13,53937,0.88.3732,0.3 ==

( )fannolukWGüç 25,49937,0.7,81.3732,0.3 ==

Su Soğutma Kulesi Su Pompaları:

Voltaj: 373,2 V

Akım: 135,7 A (1 nolu pompa)

136,1 A (2 nolu pompa)



( )pompanolukWGüç 14,7586,0.7,135.3732,0.3 ==

( )pompanolukWGüç 26,7586,0.1,136.3732,0.3 ==

Duşlamalı Soğutucu Su Pompası:

Voltaj: 367,7 V

Akım: 17,1 A



kWGüç 1,1093,0.1,17.3677,0.3 ==

Evaporatif Soğutucu Su Pompası:

Voltaj: 367,7 V

Akım: 28 A


140


kWGüç 9,14835,0.28.3677,0.3 ==

LOX Pompaları:

Güç: 37 kW (1 nolu pompanın etiketinden alınmıştır.)

Güç: 12 kW (2 nolu pompanın trafodaki çektiği akıma bakılarak hesaplanmıştır.)

Pompalardan bir tanesi yükte, diğeri yüksüz olarak çalışmaktadır. Yüksüz çalışmasının nedeni

diğeri devreden çıktığında acil olarak devreye alınabilmesi için soğuk olarak bekletilmesidir.

Ham Ar Pompası:

Güç: 8,3 kW ( pompanın etiketinden alınmıştır.)

LAr Pompası:

Güç: 2,2 kW ( pompanın etiketinden alınmıştır.)

ME Elektrikli Rejenerasyon Isıtıcısı:

Güç: 109,8 kW (ısıtıcının etiketinden alınmıştır.)

Çizelge 5.1 Ekipmanların güç tüketimleri ve toplam tüketim

EKİPMAN GÜÇ TÜKETİMİ

(kW)

Hava Kompresörü 5439,4

Hava Kompresörü Yağ Tankı Egzost Fanı 0,4

Hava Kompresörü Susturucu Fanı 3

N2 Çevrim Kompresörü 5000

N2 Çevrim Kompresörü Yağ Tankı Egzost Fanı 0,4

N2 Çevrim Kompresörü Susturucu Fanı 3

Genleşme Türbini Yağ Pompası 3,7

53,3 Su Soğutma Kulesi Fanları 49,5

141

75,4 Su Soğutma Kulesi Su Pompaları 75,6

Duşlamalı Soğutucu Su Pompası 10,1

Evaporatif Soğutucu Su Pompası 14,9

37 LOX Pompaları 12

Ham Ar Pompası 8,3

LAr Pompası 2,2

ME Elektrikli Rejenerasyon Isıtıcısı 109,8

TOPLAM 10898

5.1 Birim Ürün Maliyeti

Çizelge 5.2 Gaz modunda çalışılması halinde elde edilen üretim değerleri. (Operational Manual for No.5 Air Separation Plant)

ÜRÜN ÜRETİM (AKIŞ)

GOX 12500 Nm3/h

GAN 12500 Nm3/h

LAr 413 Nm3/h

( )LArGANGOXüketimiToplamGüçTC ++= / (5.2)

( ) hNmkWC /4131250012500/10898 3++=

3/428,0 NmkWhC = (Performance Test Procedure of No.4 Air Separation Plant)

142

6. SOĞUTMA SUYU SİSTEMİ

Kirlenmiş soğutucular, endüstriyel proseslerde sürekli problem yaratır. Pahalı olduğundan

dolayı soğutucu akışkan olarak temiz su çok nadiren kullanılır. Bazı tesislerde direk nehir

suyu kullanılırken, bazılarında da kapalı sistem sirkülasyon (resirkülasyon) suyu kullanılır.

Pek çok tesiste sirkülasyon soğutma suyu sistemi kullanılır. Burada su atmosferle direk

temasta bulunarak soğutulur. Bu nedenle açık soğutma suyu sistemi diye adlandırılır.

Soğutma suyu soğutucular ve soğutma kulesi arasında sirküle eder. Isı soğutuculardan suya

alınır ve bu ısı soğutma kulesinde suyun buharlaşması ile verilir. Su ile hava arasında daha iyi

bir temas sağlamak (yüzey alanını büyütmek) için soğutma kulesi içerisinde ahşap çubuklar

veya daha sık olarak plastik dolgu malzemeleri kullanılır.

İkili kolon içerisinde bulunan kaynatıcının çalışmasında buharlaşma için ısı gerekmektedir.

Soğutma kulesinde de benzer şekilde buharlaşma için ısı gereklidir. Suyun az bir kısmı, ısıyı

kalan sudan alarak buharlaşırr. Isısını veren su soğur. Buharlaşan su, taze su beslemesiyle yer

değiştirir. Eğer su beslemesi taze su ile yapılıyorsa bu, suyun içerisinde daima az miktarda tuz

ve Ca bulunur. Sirkülasyon sistemine sürekli olarak taze su takviyesi neticesinde tuz ve Ca

içeriği yükselecektir. Öyle bir değere gelecektir ki, bunu buharlaşan suyla kaybetmek

mümkün olmayacaktır. Bu yüzden bu birikmeyi önlemek ve hatta dış ortamdan gelen pislik,

toz gibi maddelerin de uzaklaştırılmasını sağlamak amacıyla sirkülasyon suyunun bir kısmı

dışarıya deşarj edilir. Bu deşarj akışmetre vasıtasıyla ölçülerek kontrol altında tutulur. Kireç

oluşumunu önlemek ve borularda ve soğutuculardaki korozyonu engellemek amacıyla suya

kimyasal dozajlaması yapılır.

Asidik içeriği (pH) dengede tutulmalıdır. Çok fazla asit verilirse (pH < 7) korozyona ve çok

fazla alkaliniteye sebep olur. pH > 7 olacak şekilde az dozajlama yapılırsa kireç oluşumu

gözlenir. Havayla birlikte çok çeşitli bakteriler gelir. Bu bakteriler sıcak suda yaşayabilir ve

üreyebilir. Ayrıca bunlar kireç ve yosun oluşumuna sebep olurlar. Bakterilere karşı suya

belirli periyotlarda zehir ilave edilir.

Kimyasal ve asit dozajlamasının yapıldığı bölüme kimyasal ünite adı verilir. Bu ünitede asit

ve inhibitör dozaj pompaları ile birlikte iyotronik cihazı ve pH-metre bulunur. Dozaj

pompaları kuleye asit ve inhibitör basar. Bunlar diyaframlı pompalardır. pH-metre kuledeki

suyun pH değerini online olarak ölçmekte ve set değerlerinin dışına çıktığında asit pompasına

sinyal göndererek devreye girmesini veya devreden çıkmasını sağlar. İyotronik cihazı ise

suyun inhibitör yüzdesini mg/l olarak ölçerek set değerlerinde kalması için inhibitör

143

pompasına sinyal göndererek devreye sokar veya devreden çıkarır.

Ayrıca kuledeki suyun iletkenliği de ölçülmekte ve istenilen sınırlarda kalmasının sağlanması

için bir deşarj vanası ölçüm cihazından kumanda edilmekte, iletkenlik değerine göre açma /

kapama yaptırılmaktadır.

144

7. DÜŞÜK SICAKLIK SOĞUTUCUSU

Düşük sıcaklık soğutucuları temelde 2 grupta toplanabilir:

• Rejeneratif (dalgalı = salınımlı akış) çevrimli düşük sıcaklık soğutucusu

• Reküperatif (kararlı akış) çevrimli düşük sıcaklık soğutucusu. (Handbook of High-

Temperature Superconductor Electronics, Chapter 12. Cryocoolers and high-Tc devices)

Şekil 7.1 Rejeneratif düşük sıcaklık soğutucu tipleri. (Refrigeration and Cryogenics)

Şekil 7.2 Reküperatif düşük sıcaklık soğutucu tipleri. (Refrigeration and Cryogenics)

145

7.1 Karışım Gazlı JT Düşük Sıcaklık Soğutucusu Bu tip düşük sıcaklık soğutucularında iş akışkanı kararlı bir şekilde tek yönde, düşük veya

yüksek basınç hatlarında akar. Ana çevrim ekipmanları; kompresör, ısı eşanjörü, genleşme

valfi ve evaporatördür.

Saf soğutuculu klasik JT çevriminde, gaz kompresörden çıkar ve karşı akışlı ısı eşanjörüne

girer. Gaz eşanjörde geri dönen düşük basınçlı gaz ile soğutulur. Kısılma valfinde yüksek

basınçlı gaz genleşerek likit alanına dökülür. Likit de enerji adsorpsiyonu ile evapore olur.

Buhar ısı eşenjöründe ısıtılır ve tekrar basınçlandırılır. (Application of Further Development

of A Mixed Gas Joule Thomson Refrigerator)

Klasik sistemle karşılaştırıldığında karışım gaz çevrimli JT sistemi, neredeyse tamamıyla

buhar-likit bölgesinde gerçekleşir. Yüksek basınç akışı içerisinde ilk likit hemen hemen ortam

sıcaklığında görülür. Yüksek basınç akışı ısı eşanjöründe soğutulur ve kayan sıcaklıklarda

kondens olur. Bu sayede soğutucu akışkan kısılma valfine girmeden önce tamamıyla likit

fazdadır. Evaporatörde soğutucu akışkan sadece kısmi evaporasyona uğrar. Düşük basınç

akışı ısı eşanjörü içerisinde, sürekli artan sıcaklıkta kaynamaya devam eder.

Şekil 7.3 JT azot ve karışım gaz çevrim grafikleri. (Application of Further Development of A Mixed Gas Joule Thomson Refrigerator)

Gaz karışımı, normal kaynama sıcaklığı 320 K’ in altında olan gazların kombinasyonundan

oluşmaktadır. N2, hidrokarbonlar ve halojen türevleri, inert gazlar ve diğer kimyasal maddeler

kullanılabilir.

Gazın çıkış basıncı genellikle Pyüksek= 15-20 bar, emiş basıncı ise Pdüşük= 1-3 bar civarındadır.

146

Düşük yatırım maliyetli, yağlamalı, hermetik (hava geçirmez) kompresör kullanılabilir. Bu tip

kompresörlerin ilk bakım öncesi ömrü 20.000 saattir. Mekanik olarak hareket eden diğer bir

bileşen gerekmediğinden soğutucu yüksek güvenilirlik özelliğine sahiptir. Yağlamalı

kompresör kullanılmasının bir dezavantajı; yüksek basınç akışları içerisinde yağın kirletici

özelliğinin oluşmasıdır. Sonuçta bu soğuk kutu içerisinde bir engel oluşturabilmektedir. Bu

nedenle kompresör çıkışında, yüksek basınç hattında yağ ayırıcısı bulunması gerekir.

(Application of Further Development of A Mixed Gas Joule Thomson Refrigerator)

Uygulama örneği:

Technische Universitaet Dresden tarafından, 77 K’ de 2 kW soğutma gücüne sahip karışım

soğutuculu JT düşük sıcaklık soğutucusu prototipi geliştirilmiştir.

Soğuk kutu, 160 mm çapında ve yaklaşık olarak 300 mm uzunluğunda bir krayostat’ dan

oluşmaktadır.

Şekil 7.4 Technische Universitaet Dresden’ de geliştirilen prototip karışım gazlı JT düşük sıcaklık soğutucusu. (Application of Further Development of A Mixed Gas Joule Thomson

Refrigerator)

Üst kısmında basınç hatları ve elektrik beslemeleri için bağlantı flanşları bulunmaktadır.

Çoğul tüplü ısı eşanjörü kullanılmıştır. Hava şartlandırma sistemine ait yağlamalı tip

147

kompresör kullanılmıştır. Bu cihazın elektriksel güç tüketimi yaklaşık 0,4 kW kadardır.

Basınç hatları naylondan yapılmıştır. Bu sayede kompresör ve soğuk kutu elektriksel olarak

ayırılmış olmaktadır. Ayrıca mekanik vibrasyonlar büyük ölçüde azaltılmış olmaktadır.


7.1.1 Mümkün Olan Gelişmeler Uygun soğutucu dizaynı ile arzu edilen parametrelere ulaşılabilir. Araştırmalar göstermektedir

ki; karışım gazlı JT düşük sıcaklık soğutucusu optimizasyon için önemli bir potansiyele

sahiptir. Önemli ölçüdeki teknik kayıplar, kompresör ünitesi ve ısı eşanjöründeki gelişmeler

ile azaltılabilir. Yüksek ve düşük basınç gibi çalışma parametreleri üzerindeki ayarlamalar ile

önemli iyileştirmeler sağlanabilir. En büyük optimizasyon potansiyeli gaz karışım

kompozisyonuna bağlıdır. Burada optimizasyon ile anlatılmak istenen; karışım

kompozisyonunun optimum olması, gerekli soğutma sıcaklığı için optimum yüksek ve düşük

basınçlara karar vermek ve bahsedilen diğer parametreler açısından da optimuma ulaşmaktır.

Tüm sistemin verimliliğinin maksimal düzeye ulaşması için parametrelerin set edilmesidir.

Matematiksel olarak aşağıdaki şekilde ifade edilebilir:

),,,,,(. 0min0

00ilhamb

amb ZppTTTCFTTT

PQCF ∆=

−= (7.1)

Eğer 5 bileşenli bir karışım kullanılırsa Zi 4 bağımsız parametre içermektedir:

• Karışım katı fazda değildir,

• Karışım kompozisyonu çevrim içerisinde değişmez,

• İzolasyondan veya ısı kondüksiyonundan dolayı ısı yüklemesi olmaz,

• Isı eşanjöründe basınç kaybı oluşmaz. (Application of Further Development of A Mixed

Gas Joule Thomson Refrigerator)

7.1.2 Termodinamik Analiz

Sistemin termodinamiksel davranışını daha iyi anlayabilmek için bir dizi hesaplamalar

yapılmış ve giriş parametrelerinin set değerleri için çevrimin spesifik soğutma gücü

hesaplanmıştır. Komponentlerin konsantrasyonları üzerinde değişik varyasyonlar denenmiş ve

verim değikliklerine karar verilmiştir. Bu sonuçlardan yola çıkılarak sistematik bir anlayış

geliştirilmiştir. Hesaplamalar Azot, Metan, Etan, Propan ve Bütan karışımı için yapılmıştır.

Bu hesaplamalarda yazılım olarak PROVISION kullanılmıştır. (Application of Further

Development of A Mixed Gas Joule Thomson Refrigerator)

148

7.1.2.1 Simülasyonun Sonuçları Karışım kompozisyonunun sistematik varyasyonları ve çevrimin nümerik hesaplamaları ile

ilgili aşağıdaki bağıntılar bulunmuştur:

• Karışım kompozisyonu, verimlilik üzerinde baskın bir etkiye sahiptir.

• Üç boyutlu bir diyagramda; yatay eksende yüksek uçuculukta bileşenlerin konsantrasyonu,

dikey eksende ise soğutma gücü olacak şekilde yerleştirildiğinde, üç yüzeyli asimetrik bir

piramit elde edilmiştir. Yanal yüzeylerin meyilleri farklıdır. İki düşük uçuculuktaki

komponent sabit korunur.

Azot ve metan konsantrasyonları arasındaki optimal bağıntı, varsayılan şartlar ( ph=18 bar,

pl=1 bar, T0=80 K) için aşağıdaki şekilde ifade edilebilir:

%962,17.3659,124

molZZ NCH −= (7.2)

Şekil 7.5 Spesifik soğutma gücü diyagramı. (Application of Further Development of A Mixed


Yatay eksende düşük uçuculukta bileşenlerin konsantrasyonu, dikey eksende ise soğutma

gücü olacak şekilde üç boyutlu diyagram elde edilecek olursa; üç yüzeyli asimetrik piramit

formu oluşur. Bu durumda %20,101043 8

molZZ HCHC =≈ değerleri elde edilir. Şekilin bir

tarafı doğrusal bir çizgi boyunca kırılmaya uğrayacaktır.

149

CF’ nin değişimi karışım bileşenlerinin lineer fonksiyonu olarak tanımlanabilir. Bunun

dışında termodinamik davranışlar tarafından oluşturulan herhangi bir etken yoktur.


Şekil 7.6 Spesifik soğutma gücü diyagramı. (Application of Further Development of A Mixed


7.1.2.2 Sonuç Analizi Yukarıda tanımlanan gözlemleri anlayabilmek amacıyla, ısı eşanjörü için sıcaklık-iş (T-q)

diyagramı dikkate alınmalıdır (Şekil 7.7).

Üç uygun nokta ( )270,120,80 KTKTKT ≈≈≈ alınabilir. Bu üç noktanın varlığının

sebebi, fazların termodinamik davranışında bulunabilir.

T-q diyagramındaki (Şekil 7.7) ilk kırılım, ilk likit faza uygun gelmektedir. Düşük

150

uçuculuktaki komponentlerin kondenzasyonu KT 270≈ civarında başlar. İkinci kritik

kırılım, ikinci likit fazın likitleşmesiyle bağlantılıdır. İkinci kritik kırılım, karışım gazlı JT

soğutma çevriminin tanımlanması açısından büyük önem taşımaktadır. (Application of

Further Development of A Mixed Gas Joule Thomson Refrigerator)

Şekil 7.7 Isı eşanjörü için sıcaklık-iş diyagramı. (Application of Further Development of A

Mixed Gas Joule Thomson Refrigerator)

JT prosesinin spesifik soğutma gücü, eşanjörün herbir noktasındaki yüksek ve düşük basınç

akışları arasındaki entalpi farkı ile verilir:

hlhq −∆=0 (7.3)

Daralma noktası, reküperatörün üç kritik noktasından birisinde görülebilir:

• Sıcak uçta,

• Soğuk uçta,

• İkinci likit fazın, yüksek basınç akışı içerisinde kondens olmaya başladığı nokta (yarılma

noktası).

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

∆

∆

∆

=∆soğoğuk

yarıarılma

sııcaku

T

T

T

T

min

.min

min

min min

Bu bağlantı, Şekil 7.5’ deki piramidin yanal yüzeylerini anlamak amacıyla uygulanabilir:

151

Birinci Yüzey

Karışım kompozisyonları, yumuşak bir eğri oluşturan ısı eşanjörünün sıcak ucuna uygun gelir

(Şekil 7.5’ te arka kısım). Meyil, karışım içerisindeki düşük uçuculuktaki komponentlerin

konsantrasyonuna uygun gelir. (Application of Further Development of A Mixed Gas Joule

Thomson Refrigerator)

Yüzey 1:

{ } ucsichlhqq .)1(

00max −∆== (7.4)

),(),( min)1(

0 ambhambl TphTTphq −∆−= (7.5)

Spesifik soğutma gücü, düşük uçuculuktaki komponentlerin konsantrasyonunun lineer

fonksiyonu olarak tanımlanabilir:

i

n

ii katsayıZsabitq .

31

)1(0 ∑

=

+≈ (7.6)

İkinci Yüzey

Eşanjörün soğuk ucunda daralma noktasına sebep olan karışım kompozisyonları, çok iyi

şekilde ıslanan yüzey yaratır (Şekil 7.5’ te sol kısım).

Yüzey 2:

{ } uçsoğhlhqq .)2(

00max −∆== (7.7)

Buradaki spesifik soğutma gücü, tamamıyla yüksek uçuculuktaki komponentin (azot)

konsantrasyonuna bağlıdır. (Application of Further Development of A Mixed Gas Joule


211)2(

0 . sabitkatsayıZq +≈ (7.8)

Üçüncü Yüzey

Eşanjörün orta kısmındaki daralma noktasının yerini tutan diğer karışım kompozisyonları

ıslak yüzey sunar (Şekil 7.5’ te ön kısım).

Yüzey 3:

{ } nokyrlhlhqq .)3(

00max −∆== (7.9)

152

Buradaki spesifik soğutma gücü, ikinci yüksek uçuculuktaki komponentin (metan)

konsantrasyonuna bağlıdır. (Application of Further Development of A Mixed Gas Joule


Bu sebepten dolayı; yüzey 2 ve yüzey 3, azot konsantrasyonu (Z1) ve metan

konsantrasyonuna (Z2) uygun gelmektedir. Bu yüzeylerin kesişimi doğrusal bir hattır:

BZAZ NCH −=24

. (7.10)

322)3(

0 . sabitkatsayıZq +≈ (7.11)

Kırılma Hattı

Düzlemin kırılma noktası (Şekil 7.6 ön kısım), ortam sıcaklığında yüksek basınç akışının faz

değişimine uygun gelmektedir. Bu hattın üzerindeki karışımlar, düşük uçuculuktaki

komponentlerin yüksek konsantrasyonuna sahiptir. Soğutucu, eşanjörün sıcak ucunda kısmen

likitleşmiştir. Bu noktada ulaşılacak spesifik soğutma gücü, ortam sıcaklığındaki gaz

karışımlarından yaklaşık iki kat daha iyidir.

7.1.2.3 Optimizasyon Stratejisi Yukarıda tanımlanan bilgiler doğrultusunda bir optimizasyon stratejisi geliştirilmiştir.

Yalnızca düşük uçuculuktaki komponentlerin konsatrasyonunun iki boyutlu alanında global

maksimuma karar verilmiştir.

sonilk ZZZ 555 .........= ve sonilk ZZZ 444 .........=

Bu yolla optimizasyon prosedürü oldukça kolaylaşır ve kısa sürede gerçekleştirilebilir. Bu

işlem; her bir çift için ),( 54 ZZ yüksek uçuculuktaki komponentlerin (mümkün olanların

tamamının yerine) optimal konsantrasyonlarına bakılarak yapılır. Bu optimal

konsantrasyonların araştırılması, efektif ve hızlı bir algoritma (Şekil 7.8) ile realize edilebilir.

Optimizasyona, yüksek uçuculuktaki komponentlerin, iddia edilen üç adet konsantrasyonları

için ısı eşanjörünün kritik noktalarındaki entalpi farkları hesaplanarak başlanır. Hesaplanmış

datalar plan denklemi ile enterpolasyona tabi tutulur. Üç yüzeyin kesişimi şeklinde bir

optimum tanımlanır. Sonuçta hata bulunabilir, çünkü yüzeyler çift yüzey gibi farzedilir.

Sonuç aynı algoritma ile düzeltilmelidir. Bu method, komponent konsantrasyonlarının tüm

alanında, hızlı maksimum aramaya izin verir. (Application of Further Development of A

Mixed Gas Joule Thomson Refrigerator)

153

Şekil 7.8 Yüksek uçuculuktaki komponentlerin optimal konsantrasyonunun araştırılması için algoritma. (Application of Further Development of A Mixed Gas Joule Thomson

Refrigerator)

7.1.3 Sistemin Değerlendirilmesi Karışım gazlı JT düşük sıcaklık soğutucusu, süper hassas komponentlerin soğutulması için

belirgin avantajlar sunmaktadır. Cihazın konstrüksiyonu basit ve kompakttır.

Yapılan hesaplamalar göstermektedir ki; düşük uçuculuktaki komponentlerin (propan veya

bütan) artan konsantrasyonlarından oluşan karışım, termodinamiksel açıdan tercih edilebilir.

Bununla beraber bu karışımların kullanılması iki problem doğurur:

• Düşük sıcaklıklardaki katı gaz formasyonu ve soğuk kutu içerisinde engel oluşumu

mümkündür.

154

• İki fazlı akışkanın, kompresörden soğuk kutuya taşınmasıyla lokal karışım kompozisyonu

değişebilir. (Application of Further Development of A Mixed Gas Joule Thomson

Refrigerator)

Donanımın uygun olarak ayarlanmasıyla, bu problemler prensip olarak aşılabilir.

7.2 Karışım Gazlı-Ön Soğutmalı JT Düşük Sıcaklık Soğutucusu Karışım gazlı JT düşük sıcaklık soğutucusu pek çok avantaja sahip olmasına karşılık, sistemin

önemli bir dezavantajı; relatif düşük termodinamik verimliliğe sahip olmasıdır. Sisteme bir ön

soğutma kademesi ilave edilerek verimde iyileştirme sağlanabilir.

Şekil 7.9 Karışım gazlı-ön soğutmalı JT düşük sıcaklık soğutucusu çevrimi. (Application of Further Development of A Mixed Gas Joule Thomson Refrigerator)

Karışım gazlı JT düşük sıcaklık soğutucusunun soğutma kapasitesine, ısı eşanjörü içerisinde

bulunan daralma noktasındaki düşük ve yüksek basınç akışları arasındaki fark karar verir.

Optimum karışımlar için daralma noktası sıcak uca yerleştirilir. Daralma noktası entalpi farkı

sıcaklığa bağlıdır. 240 K’ deki değeri, 300 K’ dekinin yaklaşık 1,5-2 katı kadar büyüktür.

Sonuç olarak soğutucunun soğutma kapasitesi 1,5-2 katı kadardır. Bu etkiden faydalanmak

için ortam sıcaklığı, yaklaşık 240 K’ in altına düşürülmelidir. Bu amaçla ilave bir soğuk

kaynak (ön soğutma kademesi) kullanılabilir.

Çevrim; kompresör, Şekil 7.9’ daki üç akışlı ısı eşanjörü ve klasik JT kademesini içerir.

Yüksek basınç akışı, JT kademesine girmeden önce ilave bir soğuk akış tarafından ön

155

soğutucuda soğutulur. JT kademesinden sonra gelen düşük basınç akışının soğutma kapasitesi

de bu ısı eşanjöründe kullanılır. (Application of Further Development of A Mixed Gas Joule


Şekil 7.10 Karışım gazlı-ön soğutmalı JT düşük sıcaklık soğutucusu sıcaklık-entalpi diyagramı. (Application of Further Development of A Mixed Gas Joule Thomson

Refrigerator)

7.2.1.1 Proses Dizaynı

Technische Universitaet Dresden’ de karışım gazlı- ön soğutma kademeli JT düşük sıcaklık

soğutucusu geliştirilmiştir (Şekil 7.12). Sistem iki ayrı modülden oluşmaktadır:

• Kompresör ünitesi,

• Krayostat.

Bu iki modül birbirine gaz hatlarıyla bağlıdır. Kompresör ünitesi iki kompresörden

oluşmaktadır. Karışım gaz kompresörü tek kademeli, yağlamalı, pistonlu (güç tüketimi

yaklaşık 1 kW) tiptir. Kompresörün son soğutucusu ve yağ ayrıştırma ünitesi bulunmaktadır.

R507 kompresörü daha küçük, hermetik bir kompresördür. Bu kompresörün ön soğutma

çevrimi için kondenseri bulunmaktadır.

156

Şekil 7.11 Krayostat iç kısmı (Application of Further Development of A Mixed Gas Joule Thomson Refrigerator)

Şekil 7.12 Karışım gazlı-ön soğutmalı JT düşük sıcaklık soğutucusu akış diyagramı. (Application of Further Development of A Mixed Gas Joule Thomson Refrigerator)

157

Çoğul tüplü ısı eşanjörü kullanılmıştır. Yüksek basınç hattı için 8 adet 4 mm çaplı bakır tüp

kullanılmış ve bu tüpler 16 mm çaplı tüplerin içine yerleştirilmiştir. 120 mm ve 180 mm

çaplarında içiçe iki ayrı spiral oluşturulmuştur. Düşük basınç akışı geniş tüpler içerisinde

hareket eder. (Application of Further Development of A Mixed Gas Joule Thomson

Refrigerator)

Şekil 7.12’ de görülen sistem iki ayrı çevrim içermektedir:

• Karışım gaz çevrimi,

• Ön soğutma çevrimi.

Karışım Gaz Çevrimi

Karışım gazı ana kompresörden yüksek basınçta çıkar. Ardından son soğutucu ve yağ

ayrıştırma ünitesine gider. Ayrıştırılan yağ ana kompresöre geri döner.

Şekil 7.9’ da görülen 3 akışlı eşanjör yerine, 2 ayrı karşı akışlı ısı eşanjörü kullanılır. İlk ısı

eşanjöründe yüksek basınç akışı, JT kademesinden gelen düşük basınçlı akış tarafından

soğutulur. Daha ileri bir ön soğutma, ön soğutma çevriminden gelen soğuk akış tarafından

ikinci ısı eşanjöründe gerçekleştirilir. Ardından yüksek basınç akışı, gerekli sıcaklıkta

soğutma gücünü üretmek için JT kademesine girer. Karışım olarak Azot, Metan, Etan ve

Propan kullanılır. (Application of Further Development of A Mixed Gas Joule Thomson

Refrigerator)

Yağ Uzaklaştırma

Yağlamalı kompresör kullanılmasının dezavantajı, yüksek basınç akışı içerisinde yağ

kirliliğinin oluşmasıdır. Eğer karışım içerisindeki yağ kirliliği uygun miktarları geçerse, düşük

sıcaklıklarda soğuk kutu içerisinde engellere sebep olacaktır. Bu sebeple kompresör

çıkışındaki yüksek basınçlı gaza yağ ayrıştırma gerekmektedir. Klasik filtre sistemleri tüm

şartlarda gerekli karışım safiyetini garanti edemeyebilir. Bunun üstesinden gelmek için

yüksek basınçlı akış oda sıcaklığının altına soğutularak buharlı yağ kondens edilir. Bunu

gerçekleştirmek için yağ filtresinin girişinden önce ilave bir ısı eşanjörü (yağ kondenseri)

konulur. Yüksek basınçlı gaz yaklaşık 0 0C’ ye kadar soğutulur, buharlı yağ kondens olur ve

klasik yağ filtresi ile soğutucudan uzaklaştırılır. Bu şekilde gerekli soğutucu safiyeti

sağlanmış olur. (Application of Further Development of A Mixed Gas Joule Thomson

Refrigerator)

158

Ön Soğutma Çevrimi

Ön soğutma çevriminde soğutucu akışkan olarak R507 kullanılmaktadır. Ön soğutma çevrimi

iki fonksiyona sahiptir:

• Yüksek basınç akışının ön soğutulması,

• Buharlı yağın kondens edilmesi için yağ içeren yüksek basınç akışının soğutulması.

Ön soğutma için basit bir kısılma çevrimi kullanılır. Soğutucu akışkan yüksek kompresörden

basınçta çıkar ve kondenserde ortam sıcaklığında likitleşir. Likit soğutucu ilk kısılma valfinde

genleştirilir. Soğuk akışkan ön soğutucu yoluyla kompresöre geri döner. Likit soğutucunun

geri kalanı ikinci kısılma valfinde genleşir ve ilave bir soğukluk üretilir. Bu yağ

kondenserinde kullanılır ve kompresöre geri gönderilir.

Çevrimin spesifik soğutma kapasitesi aşağıda verildiği gibidir:

prect qhq +∆=0 (7.12)

yüksek basınçlı karışım soğutucu akışkanı, ortam sıcaklığında tamamıyla gazdır. Bu yüzden

∆HT kısmen küçüktür. Bu değer büyük ölçüde q0’ dan küçüktür. Sonuç olarak ön soğutma

çevriminin soğutma kapasitesi, yaklaşık olarak ana çevrimin soğutma kapasitesine eşit

olacaktır.

0qqprec ≈ (7.13)

235-245 K sıcaklık aralığında kullanılan ön soğutmalı düşük sıcaklık soğutucularında güç

tüketimi, nümerik olarak ön soğutma çevriminin soğutma kapasitesine eşittir ve karışım gaz

kompresörlerinin güç tüketiminden yaklaşık 10 kat daha küçüktür.

Bu küçük ilave enerji yatırımı termodinamik açıdan faydalıdır, çünkü karışım gaz düşük

sıcaklık soğutucularının soğutma kapasitesi 1,5-2 kat kadar yükselir. (Application of Further

Development of A Mixed Gas Joule Thomson Refrigerator)

7.2.1.2 Sistemin Avantajları Ön soğutma dizaynı ilave avantajlar getirmektedir. Soğutucu karışımı sadece dört bileşenden

oluşur: Yüksek kaynama noktasına sahip Bütan’ a daha uzun süre gerek yoktur. Propan gibi

bileşenlerin yüzdesi daha düşük olabilir. Bu sayede karışım kompozisyonu daha kolay kontrol

edilebilir. Bu yolla bileşenlerin düşük sıcaklıklarda katılaşması daha iyi önlenebilir.


159

7.2.1.3 Test Sonuçları Sistem 1998 yılında Technische Universitaet Dresden’ de yaklaşık 400 saatlik bir süre

çalıştırılarak test edilmiştir.

Sistemin soğutma kapasitesi karışımın kompozisyonuna bağlıdır. Optimum karışım

kompozisyonu ile 100 K’ de yaklaşık 100 W’ lık bir soğutma kapasitesi elde edilmiştir (Şekil

7.13). sistemin enerji tüketimi yaklaşık 1,1 kW kadardır. Aynı karışımla minimum soğutma

sıcaklığı olarak 83 K değerine ulaşılmıştır. (Application of Further Development of A Mixed


Şekil 7.13 Karışım gazlı-ön soğutmalı JT düşük sıcaklık soğutucusu soğutma kapasitesi. (Application of Further Development of A Mixed Gas Joule Thomson Refrigerator)

7.2.1.4 Maliyet

Soğutma kademesinin ilave edilmesi sistem maliyetinde önemli bir yükselme yaratmaz,

çünkü ilave edilen tüm komponentler düşük yatırım maliyetlidir. Ön soğutma kademesi olarak

kullanılan kompresör-kondenser ünitesinin yatırım maliyeti 200 $’ dan daha azdır.

160

8. SONUÇLAR

Hammadde olarak atmosfer havasını tez içerisinde anlatılan proseslerden geçirerek sonuçta

sınai gazları (Oksijen, Azot ve Argon) üreten düşük sıcaklıkta hava ayrıştırma tesisleri aynı

zamanda likit ürün üretebilen tek sistemdir. Büyük kapasitelerde ve yüksek safiyetlerde

ürünlerin elde edilmesinde düşük sıcaklıkta HAT kullanılır.

Üretilen ürünler çok geniş bir kullanım sahasına sahiptir. Düşük miktarlardaki kullanımlarda

ürünler gaz halde yüksek basınçlı tüplere (130-280 bar) doldurulur. Bu gaz ürünler direkt

prosesten alınabildiği gibi likit ürünlerin gazlaştırılmasıyla da elde edilebilmektedir. Daha

büyük miktarlarda ve değişken tüketimlerin karşılanmasında en efektif çözüm, tüketicinin

(demir çelik tesisleri; çelikhane, yüksek fırın, sıcak ve soğuk haddehaneler vb.) yakınına

HAT’ tın kurulması ve boru hatlarıyla gazların taşınmasıdır.

Birim ürün üretimi için 0,35-0,50 kWh/Nm3 güç tüketimi ile Oksijen, Azot ve Argon elde

edilebilmektedir. Hava ayrıştırma teknolojisinin bir dezavantajı; düşük sıcaklık

ekipmanlarının pahalı oluşu ve üreticisinin az oluşundan dolayı tesislerin yatırım

maliyetlerinin yüksek oluşudur. Günümüzde modern bir hava ayrıştırma tesisinin kurulum

maliyeti 20-25 Milyon $ arasında değişmektedir. Düşük sıcaklıkta HAT’ tın ekonomik ömrü,

sürekli olarak çalışması halinde ortalama 15-20 yıl arasında değişmektedir.

Bu çalışmada HAT’ taki bölümler tek tek incelenirken uygulanan teknolojinin kuvvetli ve

zayıf yönleri üzerine odaklanılmıştır.

Tesisin yatırım maliyetinin geri dönüş süresine ilişkin hesaplamalar aşağıda verilmektedir:

Yıllık 97.920.000 Nm3 O2 üretimi için;

Elektrik tüketimi 37.598.400 kWh’ tir. Entegre demir-çelik fabrikasında elektriğin birim fiyatı

0,118 YTL/kWh olmak üzere;

Elektrik maliyeti = 37.598.400 * 0,118 = 4.436.611 YTL’ dir.

Servis suyu tüketimi 90.000 m3’ tür. Servis suyunun birim fiyatı 0,08 YTL/m3 olmak üzere;

Su maliyeti = 90.000 * 0,08 = 7.200 YTL’ dir.

GOX’ un m3 fiyatı demir çelik fabrikasında 0,1 YTL olarak hesaplanmıştır. Buna göre;

O2 getirisi = 97.920.000 * 0,1 = 9.792.000 YTL’ dir.

161

O2 üretiminden kaynaklanan Net getiri = 9.792.000 – (4.436.611 + 7.200) = 5.348.189 YTL

olarak elde edilir.

Yıllık 102.960.000 Nm3 N2 üretimi için;

Elektrik tüketimi 37.584.000 kWh’ tir.

Elektrik maliyeti = 37.584.000 * 0,118 = 4.434.912 YTL’ dir.

Servis suyu tüketimi 121.500 m3’ tür.


GAN’ ın m3 fiyatı demir çelik fabrikasında 0,05 YTL olarak hesaplanmıştır. Buna göre;

N2 getirisi = 102.960.000 * 0,05 = 5.148.000 YTL’ dir.

N2 üretiminden kaynaklanan Net getiri = 5.148.000 – (4.434.912 + 9.720) = 703.368 YTL

olarak elde edilir.

Yıllık 2.736.000 Nm3 Ar üretimi için;

Elektrik tüketimi 8.352.000 kWh’ tir.

Elektrik maliyeti = 8.352.000 * 0,118 = 985.536 YTL’ dir.

Servis suyu tüketimi 13.500 m3’ tür.


GAr’ ın m3 fiyatı demir çelik fabrikasında 0,4 YTL olarak hesaplanmıştır. Buna göre;

Ar getirisi = 2.736.000 * 0,4 = 1.094.400 YTL’ dir.

Ar üretiminden kaynaklanan Net getiri = 1.094.400 – (985.536 + 1.080) = 107.784 YTL

olarak elde edilir.

Tesiste proses gereği kullanılan yıllık buhar tüketimi 2.400 ton’ dur. Kuvvet santralinde

üretilen buharın birim fiyatı 35 YTL/ton olmak üzere;

Buhar maliyeti = 2.400 * 35 = 84.000 YTL’ dir.

Tesiste 6 adet personelin çalıştığı düşünüldüğünde, çalışanlara ödenen ücretler de tesisin

giderleri içerisinde yer aldığından hesaba katılmaktadır. Buna göre;

162

Personelin aylık ortalama ücreti 2.500 YTL olarak düşünülecek olursa,

Toplam ücret = 2.500 * 6 * 12 = 180.000 YTL olur.

O2, N2 ve Ar üretimi yapan tesisin;

Yıllık net getirisi = 5.348.189 + 703.368 + 107.784 = 6.159.341 YTL’ dir.

Giderler hesaba katıldığı taktirde;

Yıllık net kar = 6.159.341 – (84.000 + 180.000) = 5.895.341 YTL olarak bulunur.

Tesisin ilk yatırım maliyeti yaklaşık 20 Milyon Dolar (30.000.000 YTL) olmak üzere;

Tesisin kendisini amorti etme süresi = 30.000.000 / 5.895.341 ≅ 5,1 yıl (5 Nolu HAT Aylık

Üretim Raporları). Bu anlamda bu ölçekte üretim değerlerine sahip bir tesis yatırım maliyetini

5 yıl gibi kısa bir sürede geri kazandırmakta, bu noktadan sonra yaklaşık 10 yıl kadar kar

getirmektedir.

Eğer üretilen ürünler (özellikle likit olarak) dış müşterilere satılacak olursa bu getiri çok daha

büyük rakamlara ulaşacaktır. Dış müşteriler; jeolojik faaliyetler, inşaat faaliyetleri, bilimsel

çalışmalar, kaynak teknolojileri, tıbbi uygulamalar, denizcilikle ilgili konularda olmak üzere

çok geniş bir sahaya sahiptir.

Tesis ekonomik özelliğe sahip olmasının yanısıra, işletilmesi oldukça zor ve risklidir. Zor

olması prosesin karmaşıklığından ve yaşanan problemler karşısında tecrübe gerektirmesinden

dolayıdır. Tesiste üretilen proses basamakları (özellikle kolon prosesleri) düşük sıcaklıklarda

gerçekleştiğinden materyal uyumsuzluğu ekipmanlardaki olası problemler veya operasyonel

hatalar son derece tehlikeli sonuçlar doğurabilir. Gaz ürünlerin (özellikle GOX) yüksek basınç

ve akış hızlarına sahip olması nedeniyle vana operasyonlarının hızlı yapılması veya

kompresörlerdeki maniplasyonlarda oluşabilecek operasyonel hatalar neticesinde alevli

yanmalar oluşabilir.

Üretim değerleri ve tesisin durumunu belirten indikasyonların (sıcaklık, basınç) sürekli olarak

anlık takip edilmesi gerekmektedir. Tesiste oluşabilecek mekanik, elektrik veya elektronik

arızalarda arızaya anında müdahale edilmesi gerekmektedir. Çünkü entegre demir çelik

endüstrisinde üretim yapan bir tesis tüm üretim hatlarını (yüksek fırın, çelikhane, sıcak

haddehane, soğuk haddehane) doğrudan beslediğinden tesisin duruşu tüm fabrikanın duruşu

anlamına gelmektedir ki; bunun zararı çok büyük rakamlara ulaşır.

163

EKLER

Ek 1 Hava kirleticiler, özellikleri ve adsorpsiyonu Ek 2 Basınç düşüş ölçümleri (Cryoton, Hollanda) Ek 3 ME tank dizaynı ve rejenerasyon gaz eğrisi Ek 4 Azot çevrimi Ek 5 Havanın basınca bağlı olarak ısı içeriğinin değişimi Ek 6 Azotun sıcaklıkla entropi değişimi Ek 7 Ana kondenser (buharlaştırıcı)

164

Ek 1 Hava kirleticiler, özellikleri ve adsorpsiyonu

Çizelge Ek 1.1 Hava içerisindeki tıkayıcı, alevlenebilir ve korozif komponentler. (Safe Operation of Reboilers/Condensers In Air Separation Units)

Tıkayıcı

Komponentler

Alevlenebilir veya

Reaktif Komponentler

Korozif Komponentler

Nem (H2O) Metan (CH4) Sülfür Dioksit (SO2)

Karbondioksit (CO2) Asetilen (C2H2) Sülfür Trioksit (SO3)

Nitrooksit (N2O) Etilen (C2H4) Hidrojen Sülfit (H2S)

Etan (C2H6) Klor (Cl2)

Propilen (C3H6) Hidroklorik Asit (HCl)

Propan (C3H8) Amonyak (NH3)

Diğer Hidrokarbonlar Diğer Sülfür Bileşikleri

Azot Oksitler (NOX)

Ozon (O3)

165

Çizelge Ek 1.2 Hava kirleticilerin özellikleri. (Safe Operation of Reboilers/Condensers In Air Separation Units)

Çözünürlük

(ppm/v)

(90,2 K, 1,013

bar (mutlak) O2

içerisinde).

K değeri

(90,2 K,

1,013 bar

(mutlak) O2

içerisinde).

Alt

alevlenebilirlik

sınırı (%)

(293 K, 1,013 bar

(mutlak) hava

içerisinde).

Kondens

olmuş fazı

Yoğunluk

(90,2 K, 1,013

bar (mutlak)

LOX’ e göre)

C2H2 4-6 2.10-2 2,5 katı 0,64

CO2 4-5 10-3 alevlenmez katı 1,4

C3H6 3600-6700 3.10-6 2,1 sıvı

N2O 140-160 5.10-4 alevlenmez katı 1,4

C2H4 13000-30000 2.10-3 2,7 katı 0,66

C3H8 9800 3.10-7 2,1 sıvı

CH4 karıştırılabilir 0,3 5 İkinci likit

faza

dönüşemez

İkinci likit faza

dönüşemez

C2H6 128000-250000 2.10-4 3 sıvı

K değeri sıcaklık ve basınçla önemli ölçüde değişir. Bu değer 1 üzerinden değerlendirilir.

Çözünürlük, doymuş sıvı içerisinde,yüksek sıcaklık ve basınçlarda daha büyük değer alır.

166

Çizelge Ek 1.3 Hava kirleticilerin adsorpsiyonu. (Safe Operation of Reboilers/Condensers In Air Separation Units)

Tutulamayanlar Kısmen

Tutulanlar

Tutulanlar

Alümina

(Ön son saflaştırma)

CH4

C2H4

C2H6

C3H6

C3H8

NO (Nitrik Oksit)

nC4H10 (n-Bütan)

CO2

N2O

C2H2

O3

H2O

(Azot Oksitler)

NO2

N2O3

ME

(Ön son saflaştırma)

CH4

C2H6

NO

C2H4

C3H8

N2O

CO2

C2H2

C3H6

O3

Silikajel

Zengin sıvı tutucuları

Buhar fazı tutucuları

CH4

C2H6

CO2

C2H4

C3H6

C2H2

O3

Kısmen adsorpsiyonda, adsorpsiyonun derecesi dizayn ve işletme parametrelerine bağlıdır.

167

Ek 2 Basınç düşüş ölçümleri (Cryoton, Hollanda)

Çizelge Ek 2.1 Basınç düşüş ölçümleri (Cryoton, Hollanda). (Air Separation Technique Course Information Document)

TAG Numarası Basınç (bar) Emiş Filtresi U-tüp 8 mmSS Hava kompresörü çıkışı PI-0228 5,18 Duşlamalı soğutucu girişi PI-2401 5,16 ME öncesi 5,03 1. ME çıkışı 4,98 2. ME girişi 4,97 2. ME çıkışı 4,95 Soğuk kutu girişi PI-5810 5,03 YBK dip kısmı PI-3201 4,94 1. ME diferansiyel basıncı 0,044 2. ME diferansiyel basıncı 0,048 Kolon Ölçümleri YBK dip kısmı PI-3201 4,94 YBK diferansiyel basıncı PDI-3202 0,12 ABK dip kısmı PI-3211 0,56 ABK diferansiyel basıncı PDI-3212 0,24 Ham Ar PDI-401 0,212 Ürün Ölçümleri GOX (kolondan çıkan) PI-3211 0,56 GOX (ısı eşanjörü sonrası) PI-5820 0,58 GAN (kolondan çıkan) PDI-3212 0,24 GAN (ısı eşanjörü sonrası) PI-5835 0,26 Kirli N2 (ısı eşanjörü sonrası) PI-5880 0,28 Kirli N2 (ME öncesi) PI-2632 0,08

168

Ek 3 ME tank dizaynı ve rejenerasyon gaz eğrisi

Şekil Ek 3.1 ME tank dizaynı. (Air Separation Plants Book)

169

Şekil Ek 3.2 MS rejenerasyon gaz eğrisi (Cryoss, Macaristan). (Air Separation Plants Book)

170

Ek 4 Azot çevrimi

Şekil Ek 4.1 Tek türbinli Azot çevrimi (Malmö tesisi). (Air Separation Technique Course Information Document)

171

Şekil Ek 4.2 Çift türbinli Azot çevrimi. (Air Separation Technique Course Information Document)

172

Ek 5 Havanın basınca bağlı olarak ısı içeriğinin değişimi

Şekil Ek 5.1 Hava için basınç-ısı içeriği diyagramı. (Air Separation Technique Course Information Document)

173

Ek 6 Azotun sıcaklıkla entropi değişimi

Şekil Ek 6.1 Azot için sıcaklık-entropi diyagramı. (Air Separation Technique Course Information Document)

174

Ek 7 Ana kondenser (buharlaştırıcı)

Şekil Ek 7.1 Ana kondenser (buharlaştırıcı) gaz ve likit akışları. (Air Separation Plants Book)

175

KAYNAKLAR

Alexeev A., Haberstroh Ch. and Quack H., (1998), “ Application of Further Development of A Mixed Gas Joule Thomson Refrigerator”, Technische Universitaet Dresden, Lehrstuhl für Kaelte-und Kryotechnik.

A. Moulijn Jacob, Kapteijn Freek, (2004) and Stankiewicz Andrzej, “A Contribution to Process Intensification, Chapter 6. Structured Catalysts and Reactors”.

Barron R.F., (2000), “Refrigeration and Cryogenics”, The Engineering Handbook, CRC Press LLC.

Datta A.K. and Zhang J., (2001), “Porous Media Approach to Heat and Mass Transfer in Solid Foods.”

European Industrial Gases Association, (1999), “Safe Operation of Reboilers/Condensers In Air Separation Units” Avenue Des Arts, Brussels.

HITACHI, (1998), “Proposal for New Air Separation Plant.”

Incropera Frank P., Dewitt David P., (1996), “Fundamentals of Heat and Mass Transfer.”

Yıldız S., (2006), “Kütle Transferi Ders Notları”, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul.

Leber K.Peter, (2005), “Oeltechnik Isı Eşanjörleri Seminer Notları.”

Linde, (1996), “Operational Manual for No.5 Air Separation Plant”, Ereğli Demir ve Çelik Fabrikaları T.A.Ş.

Linde, (2002), “Air Separation Plants Book.”

Linde, (2002), “Air Separation Technique Course Information Document.”

Shah R.K., Ishizuka M., Rudy T.M. and Wadekar V.V., (2005), “Developments In Falling Film Type (Downflow) Reboilers In The Air Separation Industry”, Proceedings of Fifth International Conference on Enhanced, Compact and Ultra-Compact Heat Exchangers: Science, Engineering and Technology, Hoboken, NJ, USA.

Nippon Sanso CO., (1992), “Operational Manual for No.4 Air Separation Plant”, Ereğli Demir ve Çelik Fabrikaları T.A.Ş.

Nippon Sanso CO., (1993), “Performance Test Procedure of No.4 Air Separation Plant”, Ereğli Demir ve Çelik Fabrikaları T.A.Ş.

Radebaugh Ray, (2003), “Handbook of High-Temperature Superconductor Electronics, Chapter 12. Cryocoolers and high-Tc devices”, National Institue of Standards and Technology, Boulder, Colorado, U.S.A.

Oksijen ve Asetilen Fabrikaları İşletme Başmühendisliği, (2006), “5 Nolu HAT Aylık Üretim Raporları”, Ereğli Demir ve Çelik Fabrikaları T.A.Ş.

176

İNTERNET KAYNAKLARI

www.airproducts.com

www.axens.net

www.domnickhunter.com

www.eiga.org

www.finepac.com

www.linde-process-engineering.com

www.sciencedirect.com

www.sigmaaldrich.com

www.uigi.com

177

ÖZGEÇMİŞ

Doğum tarihi 15.05.1979 Doğum yeri Tokat Lise 1994-1997 Küçükyalı Kadir Has Lisesi. Lisans 1997-2001 Yıldız Teknik Üniversitesi Makina Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Enerji Programı Yüksek Lisans 2004-2006 Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Müh. Anabilim Dalı, Isı Proses Programı. Çalıştığı kurumlar

2002-2003 Friterm Termik Cihazlar San. ve Tic. A.Ş.’ de Sevkiyat Sorumlusu

2004-2005 Ereğli Demir ve Çelik Fabrikaları TAŞ. Oksijen ve Asetilen Fabrikaları İşletme Başmühendisliği’ nde İşletme Mühendisi

2005-2006 Ereğli Demir ve Çelik Fabrikaları TAŞ. Yardımcı İşletmeler Bakım Başmühendisliği’ nde Mekanik Bakım Mühendisi olarak çalışmaya devam ediyor.

Documents

Hava Ayristirma Tesislerinde Oksijen Azot Argon Un Uretimi Ve Karisim Gazli Joule Thomson Dusuk Sicaklik Sogutucusu Producing Oxygen Nitrogen Argon in Air Separation Plants and Mixed