Upload
others
View
29
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
KYM 415 PROSES TASARIMI I
Proses Akım Şemaları
(PFD)
Borulandırma ve Entrümantasyon Diyagramları
(P&ID)
Prof. Dr. Ali Karaduman
Ankara Üniversitesi , Mühendislik Fakültesi
Kimya Mühendisliği Bölümü, 06100 Tandoğan ANKARA
2014
2
Bu bilgileri sağlamak için ne tip proses birimleri
kullanılacağı, bu birimlerin nasıl birbirine bağlanacağı,
hangi sıcaklık ve basınç değerlerinin, akış hızlarının
kullanılacağı bazı kabuller yapmak zorundayız. Bu işlem
oldukça zordur, çünkü aynı amaca ulaşmak için bir çok
alternatif mevcuttur.
GİRİŞ
Tasarım problemleri az tanımlıdır ve tasarım problemlerinin
tek bir çözümü yoktur. Genelde tasarım da gerekli bilgilerin
çok az bir kısmı mevcuttur. Proses tasarımı yaratıcılık ister
ve gerçekte bir sanattır. Örnek olarak bir kimya
mühendisinin bir kimyasal için yeni bir katalizör
geliştirdiğini düşünelim ve bunu bir ticari bir prosese
dönüştürmek isteyelim. Önce reaksiyon şartları hakkında
bilgi, sonra hammadde ve satılabilirliği hakkında bilgi
edinebiliriz. Tasarım için gerekli diğer bilgilerin tümünü
kendimiz bir şekilde elde etmek zorundayız.
3
AKIM ŞEMALARI
Akim şemaları proses tasarımında anahtar döküman olarak
adlandırılacak kadar önemli bir konudur. Proseste yer alan
ekipmanların yerleşimini ve birbirleriyle bağlantılarını, akım
hatlarını, akımların hızlarını, bileşimlerini ve ekipmanların işletme
koşullarını gösterir
• Akım şemaları, işletmeye alma çalışmaları(start up) sırasında
prosesin işletme performansının tasarım değeriyle
kıyaslanması amacıyla da kullanılır.
• İşletme kılavuzlarının (operating manual) hazırlanması ve işletme
teknisyenleri eğitimi için dökümanların hazırlanmasında kullanılır.
Akım Şemalarının Kullanım Amaçları
• Uzman tasarım gruplarının tasarımlarına temel teşkil eder
4
Akım şemaları, prosesde yer alan her bir ünite için ve tüm proses için yapılan kütle ve
enerji denklikleri temel alınarak oluşturulur.
Avantajı
-Alternatif akım şemalarının oluşturulması
-En uygun prosesin seçimi
-En uygun proses şartlarının saptanması
Bu ders kapsamında aşağıdaki paket programından yararlanılacaktır
MATLAB
CHEMCAD
.
Günümüzde akım şemaları bilgisayar destekli olarak
hazırlanmaktadır.
Prof. Dr. Ali Karaduman
5
Girdi-Çıktı Diyagramı
Temel reaksiyon
stokiyometrisi
Genel Blok Akım Diyagramı
Prosesin başlangıç
koşulları ve kütle denkliği
Proses Akım Diyagramı
(PFD)
Madde ve enerji Dengeleri
Mekanik ve Ekipman
bilgileri
Borulandırma ve
Enstrümantasyon Diyagramı (P&ID)
Mekanik ve
Enstrümantasyon
bilgileri
Bir Kimyasal Prosesin Akım Şemasının Oluşum Aşamaları
6
Akım Şemalarının Gösterimleri
Çeşitli tipte akım şemaları olmakla birlikte
•Blok diyagram gösterimi
•Resim şeklinde gösterim
olmak üzere iki tip çok kullanılır.
•Blok diyagram gösterimi: Blok
diyagramlar en basit gösterim şeklidir ve çok
çeşitli yerlerde kullanılır. Çoğunlukla ön
raporların hazırlanmasında ve eğitim
amacıyla kullanılır. Bu çizimde yer alan her
bir blok bir ekipmanı veya prosesin belirli
bir adımını simgeler.
•Resim şeklinde gösterim: Bu akım
şemalarında prosesin reaktör, destilasyon
kolonu, ısı değiştirici, bağlantı elemanları
vb. gibi birimlerim standard sembollerle
gösterilir.
Kare
Daire
Diktörgen
Reaktör
Isı değiştirici
Vana
Prof. Dr. Ali Karaduman
7
Bu diyagram girdi çıktı akımlarının bir seri blok ile
birbirlerine bağlanarak oluşturulur. Bu diyagramlar,
bir tesis, bir proses, bir ünitenin işletme koşulları
(sıcaklık ve basınç) ve problemde verilen geri döngü,
dönüşüm gibi diğer önemli bilgileri de içerir.
Blok Akım Diyagramları
1. İşletmeler bloklarla gösterilir.
2. Önemli akım yönleri oklarla belirtilir.
3. Mümkün olduğunca akımın yönü soldan sağa çizilmeli,
4. Hafif bileşen içeren akımlar (gazlar) yukarı doğru, ağır bileşen
içeren akımlar (sıvılar ve katılar) aşağı doğru yönlendirilir.
5. Basitleştirilmiş madde dengesi kurulur
Bir Blok Akım Proses Diyagramı Oluşturulurken;
Blok Akım Diyagramları : Örnek 1
Toluen
(10.000 kg/st)
Hidrojen
820 kg/st)
Reaktor Gaz Ayırıcısı
Gaz Karışımı
(2,610 kg/st)
Dönüşüm
% 75 Toluen Sıvı karışımı
Benzen
(8.210 kg/st)
Toluen
Reaksiyon: C7H8 + H2Katalizör C6H6 + CH4
Dis. Kol.
9
Blok Akım Diyagramları : Örnek 2
10
Blok Akım Diyagramları : Örnek 3
11
Blok Akım Diyagramları : Örnek 4 Prof. Dr. Ali Karaduman
12
Proses Akım Diyagramı (PFD)
Proses akım diyagramları (Process Flow Diagram, PFD) resim
şeklinde gösterim ile verilir ve standart semboller şeklindedir. PFD, bir
kimyasal prosesin tasarımı için gerekli veri kümesini içerir.
Ayrıntılı akım şemalarında, ekipmanlar genelde belirli bir stile (tarza)
uygun olarak çizilirler ve kullanılan semboller ve çizimler belirli
standartlara uymalıdır.
Amerikan Ulusal Standartlar Enstitüsü (ANSI)’de akım şemalarının
hazırlanmasında kullanılan bir semboller dizini hazırlanmıştır. Ayrıca, aşağıdaki
standartlarda vardır.
– İngiliz Standartları (BS 1553, 1977)
– Alman Standartları (DIN 28004, 1988)
– ISO 10628
Proses Akım Diyagramı çizimi için kullanılan standart
sembollerin listesi (R.Turton, 1998 )’da verilmiştir. Chemcad
programinda kullanılan Semboller bu temele dayanmaktadır
Prof. Dr. Ali Karaduman
13
ZORUNLU BİLGİLER Akım no Sıcaklık (oC) Basınç (bar) Buhar Kesri Toplam Kütlesel Akış Hızı (kg/st) Toplam Molar Akış Hızı (kmol/st) Herbir Bileşenin Akış Hızı (kmol/st)
İSTEĞE BAĞLI BİLGİLER
Bileşen mol kesri Bileşen kütle kesri Herbir bileşenin akış hızı (kg/st) Hacimsel akış hızları (m3/st) Önemli fiziksel özellikler - Yoğunluk -Viskozite -Diğerleri Termodinamik Veriler Isı kapasitesi, Akımların entalpileri, K-değerler Akım ismi
Bir Akım Diyagramında Gerekli Bilgiler
Proses Akım Diyagramı Oluşturma Sembolleri
Not: Semboller, Sinnott (1999) EK-A’da ayrıntılı olarak verilmiştir
15
Proses akım diyagramlarında, her bir bileşenin akış hızı, toplam akış hızları akımların yüzde bileşimleri akım şemaları üzerinde çeşitli şekillerde gösterilebilir.
Proses Akış Diyagramlarında Bilgilerin Gösterimi
Basit Gösterim
Proses akım diyagramında proses akımlarının gösterimi açık olarak verilmiştir. Sadece birkaç operatör içeren küçük diyagramlar için, Sıcaklıklar, basınçlar bileşimler ve akış hızları gibi akım bilgileri akımın yanında küçük bir kutucuk içerisinde verilebilir. Polimer üretim prosesi için bu gösterim aşağıda verilmiştir.
16
Daha kompleks diyagramlar için blok gösterim pratik değildir. Onun yerine resimli çizim ve ek bir akım bilgileri tablosu hazırlanır. Akım bilgileri tablosunda nelerin verilmesine dair bir özet verilmiştir.
Proses Akış Diyagramlarında Bilgilerin Gösterimi
17
Proses Akış Diyagramlarında Bilgilerin Gösterimi
Toluenin hidroalkilasyonu ile benzen üretimi için Proses Akım Diyagramı
18
Proses akım diyagramında prosesin herbir önemli parçası bir rakamla tanımlanarak gösterilmiştir. Diyagramın üzerinde ekipmanların açıklamaları verilmiştir. Aşağıda da proses ekipmanlarının tanıtımı için harf kodu verilmiştir.
XX : Ekipman sınıflanması için tanımlanmış bilgiler C : Kompresör veya Türbin E : Isı Değiştiricisi H : Ateşli ısıtıcı P : Pompa R : Reaktör T : Kule TK: Depolama Tankı V : Kap Y : Tesisin tasarlanmış alanı ZZ: Her bir ekipman sınıfının tasarım numarası A/B: PFD’de yer almayan parelel üniteleri gösterir
Proses Ekipmanların tanımı için kullanılan harfler
19
Proses akımlarının tanıtımı için bir rehber niteliği de taşıyan gösterim Aşağıda verilmiştir. Örneğin E-102 ‘de yerleştirilmiş olan cw simgelem E-102’ye giren soğutma suyunu göstermektedir.
lps : Düşük Basınç Akımı: 3-5 barg (sat) mps : Orta Basınç Akımı 10-15 barg (sat) hps : Yüksek Basınç Akımı: 40-50 barg (sat) htm : Isı Transfer Bölgesi (Organik): 400oC’ye kadar cw : Soğutma suyu: 45oC’den daha az olup 30oC soğutma kulesinden dönen wr : Nehir suyu: 35oC daha az olup 25oC sıcaklıktaki nehirden gelen rw : Soğutulmuş su: 15oC daha az olup 5oC sıcaklıktaki su rb : Soğutulmuş tuzlu su: 0 oC daha az olup -45oC sıcaklıkta dönen cs : Kimyasal atık su ss : Sıhhi atık su el : Elektrikli ısıtıcı (220, 440, 660V) ng : Dogal gaz fg : Yakıt gazı fo : Fuel oil
Yardımcı akım simgeleri
20
Benzen üretim prosesi için Akımların özeti
21
Tüm proses için madde dengeleri ve diğer problemler kolaylıkla analiz edilebilir. Örnek verecek olursak, Benzen üretim prosesi için toplam kütle dengesi kontrol edilebilir. 1 nolu Akım ( Beslenen toluen) ve 3 nolu akım (Beslenen hidrojen) 15 nolu çıkış akımı (üretilen benzen) ve 16 nolu akım (Yakıt gazları). Aşağıdaki tablo bu akımları (103 kg/st ) katı kadar olacak şekilde verilmiştir. Girdiler: Çıktılar: 3 nolu akım: 0.82 15 nolu akım: 8.21 1 nolu akım: 10.00 16 nolu akım: 2.61 Toplam : 10.82x103 kg/st Toplam : 10.82x103 kg/st
Girdiler = Çıktılar olduğundan madde dengesi sağlanmıştır.
Örnek 5
22
10.82x103 kg/st 10.82x103 kg/st
23
Aynı proses için toluenin benzene dönüşüm oranını bulunuz Dönüşüm oranı, =(üretilen benzen) / (Toplam giren toluen) Akım diyagramından R-101 (Reaktöre) giren akımlar 6 nolu (reaktör beslemesi) ve 7 nolu akım (geri döngü quench gaz akımı), ve çıkış akımı, 9 (reaktör çıkış akımı) ile gösterilmiştir. Tablo daki akım Bilgilerinden; Toluen=144 (6 nolu akımdan)+0.04(7 nolu akımdan)=144.04 kmol/h Üretilen Benzen: 116 (9 nolu akım)-7.6 (6 nolu akım)-0.37 (7 nolu akım) =108.03kmol/st
= 108.03/144.04 = 0.75
Örnek 6
Üretilen benzeni şu şekilde de hesaplayabiliriz Üretilen benzen= Giren Toluen- Çıkan Toluen = 144.04-36 (9 nolu akım) =108.04
= 108.04/144.04=0.75
24
Benzen Üretimi = 15 hattaki benzen+16. hattaki benzen
= 105.2+2.85
= 108.05
Prof. Dr. Ali Karaduman
25
2. DERS
• Prosesde, ekipmanın yerleşimi, proses akımları arasındaki etkileşim açısından önem arz etmektedir.
• Bu plan, proseste yer alan temel ekipmanların akım
şeması üzerinde sırasıyla yerleşimini ve ekipmanlar
arasındaki proses akım bağlantılarını gösterir. • Amaç, madde akımını gerçektekine uygun göstermektir.
• Temel ekipmanlar mümkün olduğunca gerçek
büyüklükleriyle orantılı olarak gösterilmelidir.
Proses Yerleşim Planı (Process Layout)
Ekipman Özeti
Bu özet, proses akım diyagramı ekipmanlarının maliyetini tahmin etmek ve ekipmanların detaylı tasarımı için temel bilgileri içermelidir.
Toluen hidroalkilasyon PFD için ekipman özeti
Ekipman Tipi
Turton, Tanklar bölümüne bakınız
ReaktörlerYükseklik,Çap,Basınç,Sıcaklık,Yapı malzemesi
Pompalar
Isı Değiştiriciler
Boyut, Basınç,Sıcaklık,Kademe tipi ve sayısı,Dolgu tipi ve yüksekliği,
Yapı malzemesi
Kuleler
Tanklar
Proces: Alan,her iki akım için Sıcaklık ve basınç
Kabuk ve tüp geçişli no
Yapı materyali: Tüpler ve Kabuk
Tipi: Gaz-Gaz,Gaz-Sıvı,Sıvı-Sıvı,Yoğunlaştırıcı,Buharlaştırıcı
Tipi,Tüp basıncı ve sıcaklığı,Yakıt,Yapı malzemesi
DiğerleriKritik bilgiler verilir
Akım,Çıkış basıncı,Sıcaklık,DP,Şaft gücü,yapı malzemesi
KompresörlerGerçek giriş akış hızı,Sıcaklık,Basınç,Şaft gücü, yapı malzemesi
Isıtıcılar
Isı Değiştiriciler E-101 E-102 E-103 E-104 E-105 E-106
Tipi FI.H. FI.H. MDP FI.H. MDP FI.H.
Alan(m2) 36 763 11 35 12 80
İş(MJ/h) 15190 46660 1055 8335 1085 9045
Kabuk
Sıcaklık(oC) 225 654 160 112 112 185
Basınç(bar) 26 24 6 3 3 11
Faz Buhar Kısmı Yoğ. Yoğ. Yoğ. 1 Buhar
MOC 316SS 316SS CS CS CS CS
Tüp
Sıcaklık(oC) 258 40 90 40 40 147
Basınç(bar) 42 3 3 3 3 3
Faz Yoğ. 1 1 1 1 Buhar
MOC 316SS 316SS CS CS CS CS
(Turton sayfa 21-22)
Prof. Dr. Ali Karaduman
28
Verilerin Kesinliği ve Doğruluğu
• Verilerin virgülden sonra bir basamaklı olarak yazılması yeterlidir.
• Hassaslık derecesine göre veriler verilmelidir. • Çok daha küçük değerler ise ‘eser’ miktarda olarak
yazılır. • Bazı durumlarda eser miktardaki maddeler çok
önemlidir. Prosesi kısıtlayan bir öneme sahip ise ‘ppm’ olarak belirtilir.
Örnek olarak, katalizör zehirlenmesine neden olan ve malzeme seçimini etkileyen maddeler söz konusu olduğunda bu maddelerin miktarları belirtilmelidir.
Kesikli prosesler
Kesikli prosesler için hazırlanan akım şemalarında gösterilen değerler tek bir dolum (batch) için gerekli miktarlardır.
Sözü edilen kesikli proses, sürekli prosesin bir parçası ise ona ait akım şeması sürekli akım şeması içerisinde gösterilir ve sınırları belirtilir. Süreklide (kg/st) Kesiklide (kg/dolum)
Sürekli bir polimerizasyon prosesi için gerekli katalizörün hazırlanması kesikli bir prosestir.
30
Yardımcı Üniteler ve Kodlama
Bir karışıklığa neden olmaması amacıyla, yardımcı
ünitelerden gelen veya yardımcı ünitelerden giden
akım hatları aynı akım şeması üzerinde gösterilir ve
ne oldukları belirtilir.
• Her ekipman bir ad ve kod numarası ile tanımlanır • Genelde bir harf ve birkaç basamaklı sayıdır Örneğin; R101, H205, C311
Ekipmanların Kodlanması ve Adlandırılması
31
Hesaplamalar
Kütle ve enerji denkliklerinden akımların miktarları ve bileşimleri
hesaplanır ve akım şeması üzerine yazılır.
Tasarım çalışmalarında iki tür kısıtlama vardır.
Dış kısıtlamalar: Tasarımcının kontrolünde değildir. Müşteri talebine göre belirlenen ürün spesifikasyonları
Alevlenme limiti vb.. temel güvenlik konuları
Hükümet tarafından saptanan atık spesifikasyonları
İç Kısıtlamalar: Proses ve ekipmanların fonksiyonlarına bağlıdır. Proses stokiyometrisi, dönüşüm oranı ve verim
Kimyasal denge
Sıvı-sıvı ve gaz-sıvı ayırma işlemlerinde faz dengesi
Azeotrop karışımlar
Enerji denkliğinde karşılaşılan kısıtlamalar
Ekipman tasarımında karşılaşılan kısıtlamalardır.
32
Hesaplamalarda Kullanılan Temeller
Bu temeller içerisinde;
Yıllık işletme süresi,
Reaksiyon verimi ve fiziksel verimler,
Ortam sıcaklığı,
Kullanılan varsayımlar yer almalıdır.
Farklı durumlar için farklı akım şemaları oluşturulmalıdır.
Akım şeması üzerine yazılan değerlerin hesaplanmasında
kullanılan temeller akım şeması üzerinde belirtilmelidir.
33
Zaman:
Tesisleri hiç durmadan SÜREKLİ işletmek mümkün değildir.
• Ekipmanların temizlenmesi,
• Katalizörün yenilenmesi
• Kolon dolgu maddelerinin değiştirilmesi gibi
benzeri işler için önceden planlanmış duruşlar olur.
Çoğu kimya ve petrokimya tesisinde yıllık işletme süresi,
Bir yılın %90-95 i olup, genellikle 8000 saat kabul edilir.
Prof. Dr. Ali Karaduman
34
• Akım şemasındaki hesaplamaları prosesde yer alan ekipman
sırasına uyarak yapmak kolaylık sağlar.
• İstenilen üretim hızı girdi üzerinden değil ürün üzerinden
verilir.
• Bu nedenle bir TEMEL seçilmelidir. Örneğin, 100 kmol/st
hammadde temel olarak alınabilir.
• Bu durumda akımların gerçek değerleri, her bir akımı, istenilen
üretim hızı üzerinden hesapalanmış ölçek faktörüyle çarparak
elde edilir.
Ölçek faktörü:
35
Proses Akım Şemaları Üniteleri İçin Yapılan Hesapalamalar
Proses akım şemasında yer alan çeşitli üniteleri sabit akımların
bileşimlerinin hesaplanması için yapılan hesapalamalar, reaktörde
ve denge kademelerinde, kütle ve enerji denkliklerinin birlikte
kullanılması için izlenen yöntemleri kapsar.
Reaktörlerde
• verim ve dönüşüm belirlenir (literatürden) • tersinir tepkime için denge dönüşümü – reaktör işletim sıcaklık
ve basıncı için – hesaplanır Denge kademelerinde (Absorpsiyon, Damıtma, Ekstraksiyon)
• çıkış akımlarının hızı kademeleri terkeden akımların dengede olduğu varsayımı ile hesaplanır
Sabit akımların bileşimlerinin hesaplanmasında • iç ve dış kısıtlamalar tarafından akımların akış hızı ya da
bileşimleri belirlenebilir Kütle ve enerji korunum denklemlerinin birlikte kullanılması
• sıcaklık belirli ise aktarılacak ısı hesaplanır
36
Hidrojen gazı üretim yöntemlerinden biri, petrol rafinerilerinde
reforming ünitesinden çıkan gaz akımını shift reaktöründe su-gaz
reaksiyonuna sokarak hidrojence zengin gaz elde etmektir.
CO + H2O CO2 + H2 H0298= - 41197 kJ/kmol
Bu örnekte, reaktöre giren gaz akımının bileşimi ve buhar/gaz
oranı bilindiği durumda, reaktörü terk eden akımın bileşiminin
hesaplanması istenmektedir. Reaktörde, tepkime katalitik ortamda
gerçekleştirilmekte ve çıkan akımın kimyasal dengeye ulaştığı
kabul edilmektedir. Reforming ünitesinden çıkan gaz akımı
içerisinde kuru gaz üzerinden mol olarak; %8.5CO2, %11 CO,
%76.5 H2 bulunmaktadır. Reaktöre giren akımın sıcaklığı 500 K
olup reaktöre giren 1 mol CO başına 3 mol H2O buharı
gönderilmektedir. Reaktörden çıkan akımın sıcaklığını ve
bileşimini hesaplayınız.
Örnek 7 Prof. Dr. Ali Karaduman
37
Çözüm
Karbonmonoksidin dönüşüm oranı, C ise tepkimeye giren karbonmonoksit mol
sayısı, tepkimenin stokiyometrisi de göz önüne alındığında 11C dir. Aşağıda
stokiyometrik tablo ve bileşenlerin özgül ısıları verilmiştir
TEMEL: 100 kmol/st kuru gaz (girdi)
Girdi akımındaki su buharı = 3x11 = 33 kmol;
Reaktörden çıkan gaz akımının ideal olduğu ve termodinamik dengeye ulaştığı varsayılmaktadır.
Ayrıca, tepkimenin stokiometrisinden dolayı denge sabiti üzerine basıncın etkisi yoktur.
2
22
HCO
HCO
pPP
PPK )1(
)C1133)(C1(11
)C115.76)(C115.8(K p
Kp, aynı zamanda sıcaklığa bağlı bir sabittir. Çeşitli tepkimelerin sıcaklığa bağlı olarak
denge sabitleri değişik kaynaklardan yararlanarak bulunabilir. Örneğin tepkimenin
serbest enerji değişimi G biliniyorsa, G = -RT lnKp bağıntısından yararlanarak
hesaplanabilir. Veya termodinamik kitaplarında 1/T ; logKp şeklinde verilen
nomogramlardan yararlanarak bulunabilir.
Bu örnekte, Technical Data on Fuel, Spiers adlı kaynaktan
CO2 + H
2 = CO + H
2O
tepkimesi için sıcaklığa bağlı olarak verilen Kp değerleri kullanılmıştır.
O nedenle; 1 nolu bağıntı,
(121 Kp – 121) C2 + (935 Kp + 484) C + (650 Kp – 363) = 0
şeklinde yazılabilir
Prof. Dr. Ali Karaduman
39
Tepkime ekzoterm olduğu için adyabatik işletim tercih edilmiştir.
Soğutma yapılmayıp, dışarıya olan ısı kayıpları en aza indirilecektir.
Reaktörden çıkan gazların sıcaklığı da dönüşüm oranına bağlı
olduğundan, reaktör çıkış sıcaklığı denge bağıntısını ve adyabatik işletim
için enerji denkliğini sağlamalıdır.
Bu amaçla aşağıda verilen çözüm algoritması uygulanabilir.
1. Dönüşüm oranı, C için bir varsayım yapılır.
2. Bu dönüşüm oranı için 1 nolu bağıntıdan Kp değeri hesaplanır.
3. Kp= F(T) den (termodinamik bağıntılar veya nomogramlardan) T çıkış sıcaklığı
bulunur.
4. Adyabatik işletim için enerji denkliğinden dışarıya verilen Q ısısı hesaplanır.
5. Q=0 olup olmadığı kontrol edilir. Hesaplamalara (iterasyona) Q=0 olana dek
devam edilir.
40
Çözüm için bir bilgisayar programı yazarak basit enerji denkliğinin çözümü yapılabilir.
Veya algoritma izlenerek ve hesap makinesi kullanarak çözüme ulaşılır.
Dönü-
şüm
Oranı,
C
KP.102
Çıkan
akım
sıcaklığ
ı K
Çıkan akımın bileşimi, Mol
Aktarı-
lan Isı,
Q
CO
CO2
H2O
H2
0.88
1.86
550
1.32
18.18
23.32
86.18
-175268
0.79
3.69
600
2.31
17.19
24.31
85.19
76462
0.68
6.61
650
3.52
15.98
25.52
83.98
337638
Sonuçlar :
Referans sıcaklık 298 K alınmıştır.
Yapılan üç iterasyondan sonra Q; T grafiği çizilerek , Q=0 için T=580 K bulunur.
Örnek 8
Bu örnekte, kütle denkliği hesaplamalarında faz dengesi bağıntılarının
(buhar-sıvı) kullanılması amaçlanmıştır.
Etilenin oksihidroklorinasyonu ile dikloroktan (EDC) üretiminde
reaktörü terk eden ürün karışıma seyreltik hidroklorik asit karıştırılarak
reaksiyon durdurulur. Bu işleme QUENCH (söndürme), işlemin
yapıldığı ekipmana ise QUENCH KULESİ adı verilir. Quench
kulesinden çıkan gaz akımı bir yoğuşturucuya gönderilerek burada
yoğunlaşmayan gaz akımı reaktöre devir ettirilir.
Reaktör Quench kulesi Yoğuşturucu
(Ürün)
42
4 bar basınç altında işletilen yoğuşturucuya giren gaz akımının özellikleri aşağıda
verilmiştir. Yoğuşturucuyu terk eden akımların bileşimlerini hesaplayınız.
1
2
3
Gaz Girişi
EDC 6350 kg/st
Etilen 150
İnertler 6640
Su 1100
Sıcaklık 95oC
Geri dönen gaz
35 oC
Kondensat Kısmi Yoğuşturucu
EDC akımı bazı organik safsızlıkları ve eser miktarda HCI
içermektedir. İnertler esas olarak N2 , CO, O2’dir.
43
Bir yoğuşturucuda çıkış akımının bileşimini hesaplamak için çıkış sıcaklığında
gaz ve sıvı akımlarının dengede olduğu varsayılır. Saf sıvıların buhar basınçları
Antonie eşitliğinden hesaplanarak Çizelge-1 ‘de verilmişir. Çizelge-2 ‘de
yoğuşturucuyu terk eden akımdaki bileşenlerin akış hızları verilmiştir.
Çizelge-1 Buhar Basınçları Çizelge-2 Akış Hızları
Bileşen
35oC’de
Poi, bar
Mol
ağırlığı
Akış hızı
Kmol/st
EDC
0.16
99
64
Etilen
70.7
28
5.4 *
H2O
0.055
18
61
İnert gazlar
32
208 *
Çözüm
44
Yoğunlaşmayan ve gaz fazda kalan bileşenlerin toplam akış hızı:
5.4+208=213.4 mol/st
Yoğunlaşmayan bileşenler (etilen ve inertler) bağlantı bileşeni olarak
alınır. Gaz fazın ideal olduğu ve yoğuşmuş olan EDC ve suyun
birbirleri ile karışmadığı kabul edilir.
(Yoğunlaşmayanların kısmi basıncı) = Toplam basınç -
EDC’nin buhar basıncı + Suyun buhar basıncı
= 4-0.16-0.055 = 3.79 bar
EDC’nin buhar basıncı
Buhar içindeki = (Yoğuşmayanların
EDC’nin akış Yoğunlaşmayanların kısmi basıncı akış hızı )
hızı
= (0.16/3.79)213.4
= 9 kmol/st
45
Benzer şekilde buhar fazdaki suyun akış hızı =( 0.055/3.79)213.4=3.1 kmol/st
Bu hesapalamaların sonucu olarak gaz akımının bileşimi aşağıdaki çizelgede
verilmiştir.
Etilenin Çözünürlüğünün kontrol edilmesi:
Etilenin kısmi basıncı=(toplam basınç).(mol kesri)=4(2.3/100)=0.092 bar
EDC ve C2H4’ün ideal çözelti olduğu varsayılarak sıvı içinde çözünmüş olan
etilenin mol kesri Raoult Yasasından hesaplanabilir.
310*3.1
4
7.70
100
3.2
A
AoAA
A
X
X
P
PXy
Böylece sıvıdaki etilen miktarı = (kmol EDC)XA
= (64-9)1.3*10-3=0.07 kmol/st
Sonuçta gaz fazda kmol etilen = 5.4-0.07 = 5.33 kmol/st
47
Bu değer, hesaplanan değerden biraz farklıdır ve yoğuşmuş veya
çözünmüş etilenin olmadığı başlangıç varsayımının geçerli
olduğunu gösterir; özetle sıvı fazdaki etilen eser miktardadır.
Kütle denkliği sonuçları.
Akım No 1 2 3
Bileşen
Kondenser
beslemesi Kondensat Geri dönen gazEDC 6350 5459 891
Su 1100 1044 56
Etilen 150 Eser 150
İnertler 6640 6640
Toplam 14.240 6503 7737
Sıcaklık oC 95 35 35
Basınç, Bar 4 4 4
Akış hızları (kg/st)
Prof. Dr. Ali Karaduman
48
Örnek 9
Bu örnekte, bileşen kütle dengesi hesaplamalarında sıvı-sıvı faz
dengesinin kullanılması açıklanmıştır. Örnek.8’de tanımlanan
kondenserden çıkan kondensat akımı, yoğuşmuş su ve EDC
ayırmak için bir dekantöre beslenmektedir. Dekantör çıkış
akımının bileşimini hesaplayınız.
1
2
3
Besleme
EDC 5459 kg/st
Su 1075 kg/st
49
Çözüm
Dekantörü terk eden akımların dengede olduklarını varsayılım.
20oC’de bileşenlerin çözünürlükleri
Su fazı içinde az miktarda çözünmüş HCI asitte bulunur, fakat
EDC’nin seyreltik HCI çözeltisi içindeki çözünürlüğü bilinmediği
için EDC’nin su içindeki çözünürlüğü kullanılacaktır.
EDC ve Su içindeki çözünürlükleri küçük olduğundan, denklemleri
kurarak ve çözerek bilinmeyen derişimleri hesaplamak yerine
uygun bir yaklaşım yapmak kolaylık sağlar.
50
İlk yaklaşım: Organik fazın akış hızı=Dekantöre giren EDC akış hızı
(Dekantöre giren EDC’nin tamamının organik faza geçtiği varsayılıyor)
EDC içinde çözünmüş su miktarı = (0.16/100)*5459=8.73 kg/st
Dekantörü terk eden su miktarı = 1075-8.73 = 1066.3 kg/st
Sıvı faz içerisinde çözünmüş EDC miktarı=(1066.3/100)*0.86=9.2 kg/st
Organik fazın akış hızı tekrar hesaplanırsa = 5459-9.2 = 5449.8 kg/st
Organik faz içerisindeki su miktarı = (5449.8/100)*0.16=8.72 kg/st
Görüldüğü gibi sonuç ilk yaklaşımdan çok farklı değildir.
Sonuçlar
51
3. DERS
Örnek 10: Nitrik Asit Üretim Prosesi
Bu örnekte, çeşitli proses üniteleri içeren nitrik asit üretim prosesi için kütle ve
enerji denkliklerinin kurulması ve bilgisayar kullanılmaksızın hesap makinesiyle
yapılan çözümü açıklanmıştır.
Amaç; Susuz amonyaktan çıkarak yılda 20 000 ton %100 saflıkta nitrik asit
üretmek ve daha sonra bu asidi %50-60 sulu çözeltisi haline getirmektir. Proses
için akım şemasının çizilmesi isteniyor (tabi ki kütle ve enerji denkliklerinin
sonuçlarını da içeren bir akım şeması).
Nitrik asit üretimi; esas olarak, amonyağın oksidasyonu ile oluşan gazlar
içerisindeki azot monoksidin suyla absorbe edilerek nitrik asite
önüştürülmesinden ibarettir. Kaynaklarda, nitrik asit üretimi için üç değişik
proses önerilmektedir. Bunlar;
1. Atmosferik basınçta oksidasyon ve absorpsiyon
2. Yüksek basınçta oksidasyon ve absorpsiyon (yaklaşık 8 atm)
3. Atmosferik basınçta oksidasyon ve yüksek basınçta absorpsiyon
Bu çalışmada 2 nolu alternatif yani yüksek basınçta oksidasyon ve
absorpsiyon’un yapıldığı proses tercih edilmiştir.
53
Başlangıç olarak, sadece prosesde yer alan ekipmanları gösteren ve blok
diagramlara çizilmiş bir akım şeması oluşturulur.
Ürün
~%60
HNO3
NH3
Buharlaştırıcı Reaktör Atık ısı kazanı Yoğuşturucu Absorpsiyon kolonu
Hava
Hava Su
Kaynaklarda, reaktörde, Pt-Rodyum katalizör kullanıldığı takdirde seçimlilik yönünden 1 nolu reaksiyonun veriminin yaklaşık %95-96 olduğu belirtilmektedir.
54
Bilgisayar Destekli Akım Şemaları
Proses tasarımında akım şemalarının hazırlanmasında yararlanılan
bilgisayar programları iki ana grupta toplanır.
• Güçlü hesaplama olanaklarına sahip tam benzetim (simülasyon)
programları
Eşanlı (Simultaneous /Equation oriented) benzetim programları
• Basit kütle denkliği programları
Ardıl- birimsel (Sequential Modular) benzetim programları
Benzetim programlarını kullanarak tüm prosesinin tasarımını
yapmak mümkündür.
Bir proje çalışmasının başlangıcında tam benzetim programı
kullanmak yerine basit madde denkliği programları kullanılması
tercih edilir. Böylece çabuk ve ucuz bir şekilde elementer bir akım
şeması ortaya konulabilir.
55
Proses Benzetim (Simülasyon) Programları
Çeşitli firmalar tarafından geliştirilmiş Proses benzetim
programları, prosesleri benzetmek (simüle etmek) ve akım
şeması için kullanılmaktadır. Bunlardan bazıları :
Ayrıca, üniversitelerde proses tasarım dersleri çerçevesinde de
benzetim ve akım şeması programları kullanılmaktadır.
Örnekler: CHEMCAD, GEMCS, FLOWPACK, FLOWTRAN,
CONCEPT, PROCESS, HYSIM ve ASPEN gibi.
A
N
A
Ç
A
L
I
Ş
T
I
R
I
C
I
EXE
Ekipman Özellikleri
İçin Altprogramlar
Termodinamik Hesaplar
İçin Alt Programlar
İteratif Yöntemler
İçin Alt Programlar
Fiziksel Özellikler
İçin Veri Dosyaları
Maliyet Hesapları
İçin Veri Dosyaları
GİRDİ VERİLERİ
ÇIKTILAR
Tipik Bir Benzetim (Simülasyon) Programının İçeriği
57
1. Ana çalıştırıcı programı (executive program) ‘EXE’
2. Ekipman performans alt programlarını içeren kütüphane (MODULES)
3. Fiziksel özellikleri içeren veri bankası
4. Akımların entalpileri, buhar-sıvı denge sabitleri gibi termodinamik
özelliklerin hesaplanması için kullanılan altprogramlar
5. Maliyet hesaplamaları için gerekli veri bankası ve alt programlar.
Proses akım diyagramlarının oluşturulmasında kullanılan programlarda
kütle ve enerji denkliklerinin çözümü, iterasyon yöntemleri kullanılarak
yapılır. İterasyon sırasında uygun parametrelere belirli artışlar verilerek geri
döngüler yapılır. İstenilen değere ulaşılınca döngüden çıkılmış olur.
Tüm bu proses benzetim paket programlarının içerikler
temel olarak şu şekilde özetlenebilir.
58
• Bilgisayara problemi tanıtmak için, temel işlemlerin ve akım bağlantılarının sırasını gösteren elementer bir proses akış diyagramı hazırlanır ve daha sonra bir bilgi akış diyagramına dönüştürülür.
• Bilgi akış diyagramında yer alan her bir blok benzetim
programındaki hesaplama modüllerinden birine karşılık gelir.
• Bileşim, sıcaklık, veya basıncın değişime uğramadığı
üniteler bilgi akış diyagramlarına dahil edilmezler. Diğer taraftan bileşim, sıcaklık veya basınç değişimine neden olan her ünite ve her ünite parçası diyagram içerisinde yer almalıdır.
• Bu diyagramda blokları birleştiren çizgi ve oklar bir alt programlardan diğer bir alt programa bilgi akımını ve yönünü göstermektedir.
Bilgi Akış Diyagramları Prof. Dr. Ali Karaduman
59
Nitrobenzenin hidrojenasyonuyla anilin üretim prosesi akım diyagramı
Proses Akım Diyagramı
Bilgi Akım Diyagramı
Örnek Prof. Dr. Ali Karaduman
60
Fraksiyon Katsayıları Kavramı ve Kolay Çözümler
Kimyasal proseslerde yer alan ünitelerin yani temel işlemlerin yapıldığı
ekipmanların çoğunda üniteye giren akım kolon çıkışında üst ve dip ürün olarak
iki akıma ayrılır. Örnek:
• Damıtma kolonuna giren akım kolon çıkışında üst ve dip ürün olarak ikiye
ayrılır.
• Bir yoğuşturucuya giren akım yoğuşturucu çıkışında sıvı ve gaz faz olmak
üzere iki akıma ayrılır.
O nedenle, Bilgi Akım diyagramında yer almış olan bir temel işlemler
ünitesinden çıkan akımdaki herhangi bir bileşenin akış hızı, bu bileşenin üniteye
giren akış hızının belirli bir kesri kadardır.
Bileşenin adı geçen üniteye giriş akış hızını bir katsayı ile çarparak üniteden
çıkıştaki akış hızını bulmak mümkündür.
Bu katsayıya FRAKSİYON KATSAYISI denir.
Bir prosesin tasarımının veya geliştirilmesinin ilk aşamasında kaba ve yaklaşık
bir kütle denkliği hesaplamaları için basit programlar kullanarak akım
diyadramlarını oluşturmak olasıdır.Özellikle devir akımı içeren prosesler ve
kütle denklikleri ve enerji denkliklerinin birlikte çözümünü gerektirmeyen
tasarım çalışmaları için bu tip basit programların kullanılması önerilir. Bu tür
programların en önemli özelliği kişisel bilgisayarlarda uygulanabilmesidir.
61
Kütle denkliğinin oluşturulmasında kullanılan simgelerin gösterimi
i,j : Ünite numaraları
ik . : i ünitesine giren k bileşeninin toplam akış hızı
jik : i ünitesinden çıkıp j ünitesine giden akım içerisindeki k
bileşeninin toplam akış hızına oranı. Fraksiyon katsayısı
giok : i ünitesine sistem dışından gelen akım içerisindeki k
bileşeninin akış hızı
Prof. Dr. Ali Karaduman
62
Bir üniteden çıkan bileşenin akış hızı üniteye giriş akış hızı ile
fraksiyon katsayısının çarpımına eşittir. Yani, i ünitesinden çıkan ve j
ünitesine giden k bileşenin akış hızı (jk), üniteye giriş akış hızı (ik)
ile fraksiyon katsayısının (jik)çarpımına eşittir.
Üç adet temel işlem ünitesi ve çeşitli devir akımları içeren bir
proses için bilgi akım diyagramı ve kütle denkliklerini oluşturmak
için kullanılan simgeler aşağıda verilmiştir.
Fraksiyon katsayısı, ünitenin tasarım özelliklerine ve üniteye giren
akımın özelliklerine bağlıdır.
1 Nolu ünite için kütle denkliği:
kkk kkkg 321 131210
2 Nolu ünite için kütle denkliği:
3 Nolu ünite için kütle denkliği:
kk k 12 21
kkk kkkg 123 313230
64
kk
k
kkk
g
g
kkk
kk
kkk
3031
2
101312
0
3k2321
121
1211
Denklemler düzenlenip matris formunda yazılabilir
k
k
k
k
k
k
k
g
g
x
k
30
10
3
2
1
32k31
21
13k
0
1 -
0 1
- - 112
Her bir bileşen (k) için bu denklem takımı yazılır. Bazı ünitelerin çıkış akımında
giriş akımında yer almayan bileşenler bulunabilir. Bu bileşen sanki üniteye
dışarıdan giriyormuş gibi gösterilir.
GENEL : n tane ünite için denklemler düzenlenip matris formunda genel bir eşiklikler
yazılabilir
1. Proses akım şemasını çiziniz.
2. Bilgi akım şemasını çiziniz.
3. Bileşenler için kütle denkliklerini kurarak matris formunda yazınız.
4. Proseste mevcut bileşenler için ayrık fraksiyon katsayılarını belirleyiniz ve her bir
bileşen için matris formundaki kütle denkliklerini tekrar yazınız. 65
Örnek 11 : İzopropil Alkol’den Aseton Üretimi
C3H7OH (CH3)2O + H2
İzopropil alkol buharlaştırıldıktan sonra reaktöre gönderilmekte ve katalitik
dehidrojenasyon sonucu aseton oluşmaktadır. Reaktörden çıkan gaz akımı (aseton, su
,hidrojen, izopropil alkol) bir yoğuşturucuya gönderilerek akım içerisindeki asetonun
çoğu, su ve izopropil alkol yoğunlaştırılır. Yoğuşturucuyu terk eden gaz akımı içerisinde
az miktarda aseton ve izopropil alkol bulunduğundan bu akım bir absorbsiyon kolonunda
su ile yıkanmakta ve aseton ve alkol absorbe edilmektedir. Yıkayıcının (absorbsiyon
kolonu) altından alınan akım ve yoğruşturucudan alınan sıvı akım (kondensat)
birleştirilerek saf aseton elde etmek amacıyla destilasyon kolonuna gönderilir. Destilasyon
kolonunun üstünden saf aseton alınır. Bu kolonun altından ise su ve izopropil alkol içeren
akım alınarak ikinci bir destilasyon kolonuna gönderilir. 2 nolu distilasyon kolonunun üst
akımı %91 alkol içeren azeotrop su-alkol karışımıdır. Bu akım reaktöre devir ettirilir.
Reaktörde ZnO-Cu katalizör kullanılmakta, tepkime 400-500 oC sıcaklık ve 4.5 bar
basınç altında yapılmaktadır. Prosesde aseton verimi %98’dir. İzopropil alkolun
reaktörden her geçiş dönüşüm oranı %85-90 civarındadır.
66 Proses Akım Diyagramı
Bilgi Akış Diyagramı
Çözüm
İzopropil alkolden aseton üretim Proses akım diyagramı ve bilgi akım
diyagramı aşağıdaki gibidir. Bu proses için kütle denkliklerinin kurulmasında
kullanılan simgeler ise aşağıdaki şekilde verilmiştir.
Proses Akım Diyagramı
Prof. Dr. Ali Karaduman
67
1 2 3 4 5
68
Denklemler düzenlenerek matris formda yazılırsa
Fraksiyon
katsayılarının
belirlenmesi:
Tasarımcı, fraksiyon katsayılarını belirlemeden önce yapmış olduğu proje çalışmasına
özgün olarak bazı proses ve ekipman spesifikasyonlarını belirlemelidir. Bu değerler,
tasarımcının istediği sonuçlara ulaşabilmesi için defalarca değiştirebileceği değerlerdir.
Diğer adıyla tasarım değişkenleridir.
İzopropil alkolden aseton üretim prosesinde tasarım değişkenleri için başlangıç değerleri
olarak aşağıdaki veriler göz önüne alınmıştır.
1. Reaktörden her geçişte izopropil alkol dönüşüm oranı %90’dır.
2. Yoğuşturucuda izopropil alkolün %90’ı yoğuşmaktadır.
3. Yıkayıcıda izopropil alkolün %99’u absorplanarak sıvı faza geçmektedir.
4. Üretilen aseton içerisinde safsızlık olarak en fazla %1 oranında izopropil alkol
bulunmasına izin verilmektedir.
5. Yoğuşturucuya giren akımdaki asetonun en az %80’inin yoğunlaşması istenmektedir.
6. Yıkayıcıda asetonun %99’u absorplanmalıdır.
7. Suyun yoğuşturucuda %95’i yoğuşmaktadır.
8. Yıkayıcıya giren suyun en fazla %1’i gaz faza sürüklenmektedir
9. I.Distilasyon kolonunda asetonun %99’u üst ürün olarak alınsın
70
9.
71
Fraksiyon Katsayılar;
Fraksiyon katsayıları ve prosese
dışardan verilen akımların
sayısal değerleri aşağıda toplu
olarak verilmiştir.
* Absorbsiyon kolonuna dışardan gönderilen su miktarı kolon tasarımına bağlıdır. O
nedenle kolona gönderilen su miktarı (kmol/st) = g304=200 mol alınmıştır.
Prof. Dr. Ali Karaduman
72
1. Her bir bileşen (k) için her bir ünitedeki fraksiyon katsayıları ve taze besleme akımları belirlenir.
2. Her bir bileşen (k) için fraksiyon katsayıları matris formunda yazılarak denklem takımı çözümünden ilgili bileşenin her üniteye giriş akış hızı hesaplanır.
3. Hesaplanan değerler tasarım kısıtlamaları sağlanana kadar fraksiyon katsayıları ve taze besleme akımları değiştirilerek tekrar hesaplanır.
İzlenecek Yol
73
4. DERS
74
Borulandırma ve
Enstrümantasyon
Diyagramları
(P&ID)
75
Borulandırma ve Enstrümantasyon Diyagramları
Borulandırma ve enstrüman diyagramları (P&I diagram: Piping and
Instrumentation) proses tasarımının son basamağıdır ve tesisin
inşasında bir rehber olarak hizmet verir.
Proses akım diyagramları, ekipmanların ve onların büyük ara bağlantı
parçalarının düzenlenmesini gösterir.
Borulandırma ve enstrüman diyagramları ise, ekipmanların,
cihazların, borulandırmanın, vanaların, bağlantıların ve onların
düzenlenmesinin mühendislik detaylarını gösterir ve MÜHENDİSLİK
AKIM ŞEMALARI veya MÜHENDİSLİK ÇİZGİ DİYAGRAMLARI
olarak da adlandırılır.
76
Örnek
P&I Diyagramlarının İçeriği
EKİPMAN
Yedek birimler
Paralel birimler
Her birimin detay özetleri
BORULANDIRMA
Büyüklük (kullanılan standart ölçü)
Şedül (kalınlık)
Yapı malzemesi
Yalıtım (kalınlık ve tip) CİHAZLAR
Göstergeler
Kaydediciler
Kontrol ediciler
Cihaz hatları gösterimi
Borulandırma ve Enstrumantasyon Diyagramlarında BULUNANLAR
Borulandırma ve Enstrumantasyon Diyagramlarında BULUNMAYANLAR
İşletme koşulları, T, P
Akım akış değerleri
Cihaz yerleşimleri
Boru yolları
a. Boru boyu
b. Boru bağlantıları
Destekler, yapılar, kurumlar
Semboller ve yerleşim (Symbols and layout)
• Ekipmanları, vanaları, enstrumanları ve kontrol devrelerini göstermek için kullanılan semboller belirli bir tasarım ofisinin deneyimine bağlıdır. Ekipman sembolleri genellikle proses akım şemalarında kullanılanlardan daha ayrıntılıdır .
• Vanalar, kontrol vanaları, pompalar, reaktörler, çeşitli kaplar ve ayırma kolonları gibi ekipmanlar için uluslararası (ISA) ve bazı devletler için ulusal (İngiliz standartları (BS 1646, . Austin 1979 ve Amerikan ANSI) standart semboller geliştirilmiştir.
80
81
Örnek
82
Tanıtıcı Yazılar : Ekipmanları
Ünite ve ekipman kodlamaları 101 numaradan başlar, akış hatlarına göre aynı hat
üzerindeki üniteler 101, 102, 103, 104..... olarak devam eder. Farklı hatta geçildiğinde
kodlama kademesi 100 birim arttırılarak 201, 202, 203.... olarak devam eder,
Pompalar: P-101, P-102, P-103, P-201, P-301.... olarak kodlanır.
Reaktörler : R-101, R-102, R-103, R201, R301…. olarak kodlanır. R-101 : 100 birimde veya hattındaki 1. reaktör
T-905 : 900 biriminde veya hattındaki 5. kule P-301 A/B : 300 biriminde 1. Pompa artı yedekli
Genel Format : XX-YZZ A/B/…
XX : Ekipmanın 1 veya 2 harf ile gösterimi
Y : 1 veya 2 digit birim numarası (1-99)
ZZ : Birimdeki ekipman numarası (1-99)
A/B/… yedek malzemenin varlığını gösterir.
P- Pompa (Pump)
E- Isı değiştirici ( Heat Exchanger)
H- Yakıtlı ısıtıcı (Fired Heater)
V- Kap (Vessel)
R- Reaktör (Reactor)
T- Kule (Tower)
TK- Depolama tankı (Storage Tank)
C- Kompresör veya Türbin (Compressor or Turbine)
Prof. Dr. Ali Karaduman
83
Tesiste ölçülebilen tüm proses bilgileri, P&ID üzerinde bir daire işareti ile gösterilir. Bu işaret, proses kontrol devrelerinde kullanılan ve kaydedilen bilgileri içerir. Diyagram üzerindeki daireler proseste elde edilen bilgilerin bulunduğu yeri ve alınan ölçümlerin tanıtımını ve nasıl bir bilgi temin ettiğini gösterir.
XYZ
Tanıtıcı Yazılar : Cihazlar
P&I diyagramlarının çiziminde prosesin tasarımını ve proses kontrolünü iyi bilen uzman kişiler görev alırlar.
Proses için, kontrol sistemlerinin belirlenmesinde proses
akım şemaları önemlidir. Proses kontrol sistemlerine göre
de enstrümantasyonun hazırlanması gerekir.
84
Tanıtıcı Yazılar : Cihazlar Prof. Dr. Ali Karaduman
Not: 1. A, alarm için eklenir ve alarmın üst değeri H, alt değeri L ile simgelenir
2. Farkı göstermek için D kullanılır. Örnek: PD basınç farkını gösterir.
3. İkinci harfte F olursa oranı gösterir. Örnek: FFC akış oranı kontrolu demektir.
Cihaz çeşitleri
86
Hatlar Prof. Dr. Ali Karaduman
87
P&I Diyagramlarının Oluşturulması Prof. Dr. Ali Karaduman
Örnek
Cihaz Kullanımı
89
Cihazlar, tesis işletimi boyunca proses değişkenlerini
izlemeyi sağlarlar. Onlarla, otomatik kontrol devreleri
kurulabilir veya proses işlemlerinin izlenmesinde
kullanılabilir. Ayrıca, otomatik bilgisayarlı kontrol veri
toplama sisteminin bir parçası olabilir. Kritik proses
değişkenlerini izleyen cihazlara, kritik ve tehlikeli
durumlarda operatöre haber vermek üzere bir ALARM
bağlanabilir.
Tercihan doğrudan ölçülebilen proses değişkenleri
izlenir. Kolay ölçülemeyen bazı proses değişkenleri
yerine ölçülebilenlerden dolaylı olarak izlenir.
Cihaz kullanımı ve Kontrol Amaçları Enstrumantasyon ve kontrol şemasını saptarken,
tasarımcının birincil konusu:
Güvenli tesis işletimi:
Proses değişkenlerini bilinen güvenli işletim sınırları içinde tutmak
Oluşan tehlikeli durumları tespit etmek, alarm ve otomatik kapatma
sistemleri sağlamak.
Tehlikeli işletim yöntemlerini önlemek için bağlantı ve alarmlar
kurmak
Üretim : Tasarım ürün çıktısını başarmak
Ürün kalitesi : Belirli kalite standardı içinde ürün bileşimini sağlamak
Maliyet : Diğer konulara eşit en düşük ürün maliyetinde işletmek
Tipik bir kimyasal proses tesisinde bu konular, otomatik kontrol,
manuel izleme ve laboratuar analizleri ile başarılır.
91
5. DERS
P&I Diyagramlarında Otomatik kontrol devreleri
Kontrol edici: P, PID, fuzzy kontrol ve bilgisayar kontrol rutinleri vb.
Son kontrol elemanı : Hemen hemen bütün kimyasal proses kontrol devrelerinde son
kontrol elemanı vanadır. Ayrıca, triyak ve DC motor da olabilir.
Proses : Reaktör, destilasyon kolonu buharlaştırıcı, sıcak su tankı vb..
Sensör : Kontak termometre, rezistans termometre, ısıl çift, basınç sensörleri, akış
ölçerler vs…
Set noktası : Prosesin tutulmak istenilen değeri (Sıcaklık 350 °C de sabit gibi)
Kontrollü değişken : Sensörün ölçtüğü değişken (Sıcaklık, basınç vs…)
Seviye kontrolü Akış kontrolü Basınç kontrolü Sıcaklık kontrolü Hız kontrolü
Prof. Dr. Ali Karaduman
93
Proses Kontrol devresinin oluşturulması
Örnek otomatik kontrol devreleri
- Seviye kontrolü
LC
Kolonun tabanındaki seviye kontrolü için tipik bir düzenleme gösterilmiştir. Pompa boşaltma hattı üzerinde bir kontrol vanasının yer alması gerekir.
Basınç kontrolü
PC
Doğrudan boşaltma ile basınç kontrolu
PC
Yoğuşturucudan sonra yoğuşmayanların boşaltılması
Basınç kontorlü, buhar veya gaz kullanılan pek çok sistem için gereklidir. Kontrol metodu, prosesin doğasına bağımlıdır.
Akış Kontrolü
Bir santrifüj compresör veya pompa için alternatif şema
Emme-basma pompa için akış kontrolu
Akış kontrolu sağlamak için sabit hızda
çalışan ve yaklaşık sabit hacimde çıkış yapan
bir kompresör veya pompada bir yan geçiş
(by-pass) kontrolü kullanılmalıdır.
FC
FC FC
Sıcaklık kontrolü
Proses
TC
Bir akışkan akımının kontrolu
Proses
By-pass kontrol
Eğer, alışveriş iki sabit akışlı
proses akımı arasında ise, by-
pass kontrol kullanılır. TC
Soğutma veya ısıtma ortamı akışının
değişimi ile sıcaklık kontrolu konusundaki
en basit düzenlemeyi gösterir.
Kaynatıcı ve buharlaştırıcı kontrolü
Besleme
FC LC
Buhar
Tuzak
Buharlaştırıcı Kontrol
Buharlaştırıcılar için sıklıkla seviye kontrolü kullanılır. Şekilde
görüldüğü gibi akış kontrolü üzerindeki buharlaştırıcıya beslenen
sıvı akış hızı ve kontrol edici ısıtma yüzeyine gönderilen buharın
miktarını ayarlayarak seviye kontrol edilmektedir
Damıtma Kolonu Kontrolü
Damıtma kolonu kontrolünün temel konusu, üst ve alt ürünün
belirli bir bileşimini ve yan akımlarda bozulanların etkisini
düzelterek temin etmektir.
TC
TC
Sıcaklık deseni kontrolu.
Bu düzenleme ile tepe ve dip sıcaklık kontrol edicileri arasında iç etkileşim olur
Besleme
FC
Buhar
100
Örnek
Reaktör Kontrolü
101
Reaktör kontrolünde kullanılan şema, prosese ve reaktörün tipine bağımlıdır.
Eğer, güvenilir ‘on-line’ analiz edici bulunuyor ve reaktör dinamiği uygunsa,
ürün bileşimi sürekli izlenebilir ve reaktör koşulları ve besleme akışı istenen
ürün bileşimi ve verimini sağlamak için otomatik olarak kontrol edilebilir.
Örnek
Örnek
104
Örnek
105
Örnek
106
Örnek
107
Örnek
Prof. Dr. Ali Karaduman
108
Örnek
109
Örnek
Elektrik diyagramları
111
112 NOT: Slaytlar, KYM 415 Proses Tasarımı I dersi kapsamında hazırlanmıştır. Dersin
dışında izinsiz kullanmayınız. Prof. Dr. Ali Karaduman