ESOGÜ MÜHENDĠSLĠK-MĠMARLIK FAKÜLTESĠ KĠMYA MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ FABRĠKA TASARIMI DERSĠ (A ve C) ANA TASARIM PROJE KONUSU ETĠLEN OKSĠT ÜRETĠMĠ

Transkript

1 ETĠLEN OKSĠT ÜRETĠMĠ ESOGÜ MÜHENDĠSLĠK-MĠMARLIK FAKÜLTESĠ KĠMYA MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ FABRĠKA TASARIMI DERSĠ (A ve C) ANA TASARIM PROJE KONUSU Etilen oksit etilen glikol (antifrizin temel maddesi) yapımında kullanılan bir kimyasal maddedir. Aynı zamanda polietilen oksit ve deterjan katkı maddesi dahil pek çok uygulaması olan hem düşük hem de yüksek molekül ağırlıklı polimerlerin yapımında kullanılır. Etilen oksit reaktifliği nedeniyle tepken olarak pekçok alanda kullanılır. Bununla birlikte reaktifliği, patlama tehlikesi ve zehirliliği yüzünden genellikle üretim tesisinden nakledilmesi yerine yakındaki bir tüketiciye direkt olarak pompalanır. Süreç Etilen beslemesi (komşu tesislerden boru hattı ile) geri dönen etilenle karıştırılır ve sıkıştırılmış, kurutulmuş ve ısıtılmış hava ile karıştırılır, sonra birinci reaktöre beslenir. Tepkime egzotermiktir ve reaktör ceketinde orta basınçta buhar oluşur. İstenen ürünün seçiciliğini artırmak için reaktörde dönüşüm düşük tutulur. Reaktörden ayrılan akım soğutulur, sıkıştırılır ve yıkayıcıya gönderilerek, etilen oksit su ile soğrulur. Yıkayıcıdan ayrılan buhar ısıtılır, kısılır ve ikinci reaktöre gönderilir, bunu ikinci bir soğutma, sıkıştırma ve yıkama serisi izler. Tepkimeye girmeyen buhar akımının bir kısmı uzaklaştırılır, geri kalan tepkimeye girmeyen etileni kazanmak için geri döndürülür. Birleştirilen sulu ürün akımları karıştırılır, soğutulur, kısılır ve istenen ürünü elde etmek için damıtılır. Gerekli saflık ağırlıkça % 99,5 etilen oksittir. Tepkime Kinetiği İlgili tepkimeler aşağıda verildiği gibidir. C 2 H 4 + 5O 2 C 2 H 4 O C 2 H 4 + 3O 2 2CO 2 + 2H 2 O C 2 H 4 O + 2,5 O 2 2CO H 2 O Kinetik ifadeler sırasıyla r 1 196, exp( 2400 / RT ) petilen exp( / RT ) p etilen r exp( 6400 / RT ) p exp( / RT ) p etilen etilen 42768exp( 6200 / RT ) p r exp( / RT 2 etilenoksit 2 ) petilenoksi t

2 Tepkime hızlarının birimleri mol /m 3.s dir. Basınç birimi bar dır. Aktivasyon enerjisi cal/mol birimindedir. Bu tepkime için inert destek üzerinde gümüş katalizör kullanılır. Destek yığın yoğunluğu 1250 kg/m 3 ve boşluk kesri 4 olan 7,5 mm çapında küreler içerir. Chemcad Simülasyonu için Entalpi: SRK K değerleri:psrk modelini ve absorplayıcılar için de UNIFAC modelini kullanın. Aşağıdaki basamakları göz önüne alarak yılda 8592 saat çalışacak etilen oksit üretim sürecini tasarlayınız. 1) Fizibilite Araştırması 2) Akış Şemalarının Oluşturulması 3) Kütle ve Enerji Denkliğinin Kurulması 3) Aygıtların Tasarımı 4) Aygıtların Şartnamelerinin Hazırlanması 5) Güvenlik ve Çevresel Açıdan Değerlendirmeler 6) Maliyet Hesaplamaları 7) Sonuçlar ve Öneriler Yaptığınız hesaplamaları yazılım kullanarak elde ettiğiniz sonuçlarla karşılaştırınız. Doç.Dr. Neşe Öztürk Yrd.Doç.Dr.T.Ennil Köse Araş.Gör. Şefika Ulusoy

3 BENZENDEN MALEĠK ANHĠDRĠT ÜRETĠMĠ ESOGÜ MÜHENDĠSLĠK-MĠMARLIK FAKÜLTESĠ KĠMYA MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ FABRĠKA TASARIMI DERSĠ (B ve D) ANA TASARIM PROJE KONUSU Günümüzde maleik anhidrit akışkan yatak reaktörlerde izobüten den üretilir. Ancak, alternatif bir yöntem; tüplerde katalizör ve kabuk içinde sirküle ettirilen soğutma ortamlı kabuk-tüp reaktörler kullanılarak benzen den üretimdir. Süreç Benzen buharlaştırılır, sıkıştırılmış hava ile karıştırılır ve sonra ısıtıcıda ısıtılır, dolgulu yatak reaktöre gönderilir. Reaktörde aşağıdaki tepkimeler oluşur: 1. C 6 H 6 + 4,5O 2 C 4 H 2 O 3 + 2CO 2 + H 2 O Benzen maleik anhidrit 2. C 6 H 6 + 7,5O 2 6CO 2 + 3H 2 O Benzen 3. C 4 H 2 O 3 + 3O 2 4CO 2 + H 2 O maleik anhidrit 4. C 6 H 6 +1,5O 2 C 6 H 4 O 2 + 2H 2 O Benzen kinon Bütün tepkimeler yüksek derecede ekzotermiktir. Bu nedenle reaktöre giren hava/benzen oranı çok yüksek tutulur. Havada hacimce % 1,5 benzen içeren besleme reaktöre beslenir. Soğutma, eriyik tuzun (sodyum nitrür ve sodyum nitrat karışımı) reaktör kabuğu içinde katalizör ve reaktif gazları içeren tüpler arasında dolaştırılması ile sağlanır. Bu eriyik tuz reaktörden ayrıldıktan sonra tekrar gönderilmeden önce iki tane ısı değiştiricide soğutulur. Reaktörden çıkan tepkime karışımı (maleik anhidrit, kinon, az miktarda tepkimeye girmeyen benzen ve yanma ürünleri) soğutulur ve bir kazan ve yoğuşturucu içeren bir absorpsiyon kolonuna gönderilir. Bu kolonda buhar beslemesi, geri gönderilen ağır organik çözücü (dibütil fitalat) ile temas ettirilir. Bu çözücü maleik anhidrit, kinon ve az miktarda suyu absorplar. Absorpsiyon kolonunun altından ayrılan çözüdeki su maleik anhidrit ile tepkimeye girerek maleik asiti oluşturur (Maleik asit, maleik anhidritten alınarak, arıtılmalıdır).absorpsiyon kolonunun üstünden gaz karımı alınır. Absorpsiyon kolonunun altından alınan alt ürün ayırma kolonuna gönderilir. Burada dibütil fitalat alt ürün olarak kazanılır ve absorpsiyon kolonuna geri gönderilir. Az miktarda olmak üzere taze çözücü, kayıplar dikkate alınarak absorpsiyon kolonuna verilir. Üst akım arıtılmak üzere kinon kolonuna gönderilir.

4 Tepkime Kinetiği İlgili tepkimeler 1, 2, 3, 4 tepkimeleri ile yukarıda ve tepkime kinetikleri sırasıyla aşağıda verilir: r 1 = 7, exp( / RT) C benzen r 2 = 6, exp( / RT) C benzen r 3 = 2, exp( / RT) C maleik anhidrit r 4 = exp( / RT) C benzen Tepkime hızları, r i, kgmol/m 3 (reaktör).s, aktivasyon enerjisi kcal/kmol, k i, m 3 (gaz)/ m 3 (reaktör)s ve derişim kgmol/m 3 (gaz) birimlerindedir. Katalizör, bir inert destek üzerinde vanadyum oksit ve molibden oksit karışımından oluşur. Tipik tepkime başlangıç sıcaklıklığı o C aralığıdır. Katalizör 3,2 m uzunluğunda ve 25 mm çaplı tüpler içerisine yerleştirilir. Katalizör pelletinin çapı 5 mm dir. Katalizörün sinterleşmeden maruz kalabileceği sıcaklık 650 o C dir. Dolgulu reaktör maliyeti, kabuk-tüp ısı değiştirici temel alınarak hesaplanmalıdır. Chemcad Simülasyonu Chemcad ile akış şeması oluşturulurken; absorpsiyon kolonundan sonra yoğuşmayan eser miktarların bir bileşenli ayırıcı kullanılarak giderildiği dikkate alınır. Absorpsiyon kolonu, rigorous tower simulator kullanılarak benzetilir. Dibütil fitalat kolonu, Shorcut column module kullanılarak benzetilir. İdeal buhar basıncı K-value seçeneği ve gizli ısı entalpisi seçeneği kullanılır. Reaktör, eriyik tuz akımlı dolgulu yatak kinetik reaktörü paralel akımlı olarak benzetilir. Aşağıdaki basamakları göz önüne alarak yılda 8040 saat çalışan ve % 98,25 saflıkta maleik anhidrit (safsızlıklar: kinon ve maleik asit) üreten süreci tasarlayınız. Prof.Dr. Mine Özdemir Yrd.Doç.Dr. Uğur Selengil Araş.Gör. Derya Özcan

5 Ġġ-ZAMAN LĠSTESĠ 12 Mart 2011: Fizibilite Araştırması- Akış Şemalarının Oluşturulması 26 Mart 2011: Kütle ve Enerji Denkliğinin Kurulması 2 Nisan 2011: Aygıtların Tasarımı 16 Nisan 2011: Aygıtların Şartnamelerinin Hazırlanması 24 Nisan 2011: Ara rapor ve Sunum 30 Nisan 2011: Güvenlik ve Çevresel Açıdan Değerlendirmeler 14 Mayıs 2011: Maliyet Hesaplamaları 15 Mayıs 2011: Sonuçlar ve Öneriler Mayıs 2011: Son rapor ve Sunum

6 PROJE ÇALIġMASINDA YARARLANILABĠLECEK TEMEL KAYNAKLAR 1. Peters, M.S., Timmerhaus, K.D., West, R.E., Plant Design and Economics for Chemical Engineers, 5th ed., McGraw-Hill, New York, Sinnot, R., Towler G., Chemical Engineering Design Elsevier, 5th edition, Butterworth -Heinemann, Turton R., Bailie, R.C., W.B.Whiting, Shaeiwitz, J.A.,Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes, 3th ed. Prentice hall, Perry, R.H., Green, D.W., Perry s Chemical Engineers Handbook, 7th ed., Mc-Graw Hill, New York, Uldrich, G.D., A Guide to Chemical Engineering Process Design and Economics, John Wiley and Sons, New York, McCabe, W. L., Smith, J. C., Harriot, J. C., Unit Operations of Chemical Engineering, 5th edition., McGraw Hill, New York, Levenspiel, O. Chemical Reaction Engineering, John Wiley, New York, Smith, J. M. Chemical Engineering Kinetics, McGraw-Hill, London, Cooper, A. R. and Jeffreys, G.V., Chemical Kinetics and Reactor Design, Birmingham, U.K, Fogler, H. S., Elements of Chemical Reaction Engineering, Prentice-Hall International Inc., Pickett, D.J, Electrochemical Reactor Design, 2nd ed. Amsterdam, Elsevier Scientific Publishing, Incropera, F. P., DeWitt, D. P. (Çeviri: Bir gurup) Isı ve Kütle Geçişinin Temelleri, dördüncü basımdan çeviri, Literatür, İstanbul, Kern, D.Q., Process Heat Transfer, New York, Kumar, A., Chemical process synthesis and engineering design, New Delhi, Tata Mc Graw Hill, İnel, O., Aşkın, A., Kimya Mühendisliğinde Kütle ve Enerji Denklikleri, Osmangazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü, Yayın No:53, Himmelblau, D., M., Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering, 4th Ed., Prentice-Hall, Inc., Felder, R. M., Rousseau, R. W., Elementary Principles of Chemical Processes, 3rd ed., John Wiley & Sons, New York, 2000.

7 18. Sarıkaya, Y., Fizikokimya, 7. baskı, Gazi Kitabevi, Ankara, Gündüz, T., Kantitatif Analiz Ders Kitabı, 4. Baskı, Bilge Yayıncılık, Çengel, Y., Boles, M.A. (çeviri : T. Derbentli) Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik, Literatür Yayıncılık, İstanbul, Sarıkaya, Y., Mühendislık Termodinamiği, Gazi Kitapevi, Ankara, Smith, J. M., Introduction to chemical engineering thermodynamics, Boston, McGraw-Gill, Gürüz, K., Kimya Mühendisliği Termodinamiği, Ankara Üniv. Yay., Ankara, Bird, R. B., Stewart, W. E., and Lightfoot, E. N., Transport Phenomena, 2nd edition, John Wiley, New York, (Bu kitabın çevirisi de bulunmaktadır.) 25. Peker, S., Helvacı, Ş. Ş., Akışkanlar Mekaniği: Kavramlar, Problemler, Uygulamalar, Literatür Yayıncılık, İstanbul, Uysal, B. Z., Akışkanlar Mekaniği, Alp Yayınları, Çataltaş, İ., Kimya Mühendisliğine Giriş, 2 Cilt, İnkılap ve Aka Kitapevleri Koll. Şti., İstanbul, Uysal, B. Z., Kütle Transferi: Esasları ve Uygulamaları, Gazi Üniv. MMF Yayını, Ankara, R. C. Atkins, F. A. Carey, Organic Chemistry: A Brief Course, Second Edition, McGraw-Hill Companies, Inc., R. W. Griffin, Jr., Modern Organic Chemistry, McGraw-Hill, G. Okay, Organik Kimya 1,2, Biltav Yayınları, Ankara, R. J. Fessenden, J. S. Fessenden, Çeviri Editörü, Tahsin Uyar, Organik Kimya, Güneş Kitabevi, Franks, Sons, R.G.E., Modelling and Simulation in Chemical Engineering, John Wiley Inc., Ingham J., Dunn, I.J., Heinzle, E., Snape, J.B., Chemical Engineering Dynamics, Wiley-VCH, Ayyub, B.M., McGuen, RH.,Numerical Methods for Engineers, Prentice-HaII Inc., Akai, T.J., Applied Numerical Methods for Engineers, John Wiley Sons, Inc., Coughanowr, D. R., Koppel, L. B., Process Systems Analysis and Control, McGraw-Hill Book Com

8 38. Seborg, D. E., Edgar, T. F., Mellichamp, D. A., Process Dynamics and Control, Wiley Series in Chem. Eng., Luyben, W. L., Process Modelling Simulation and Control for Chemical Engineering, McGraw-Hill, Kermen, O., Fabrika Tasarımcılığında Kimya Mühendisliği, Romen matbaası, İstanbul, Tigrel, A., Kimya Mühendisliği Ekonomisi, Petkim Petrokimya A.Ş., Kahya, E., Mühendislik Ekonomisi, OGÜ Müh. Mim. Fak., Eskişehir, Kara, S., Yıldırım, M.E., Tuncel, M., Kıvanç, M., Tamer, Ü., Özdemir, A., Kaytakoğlu, S., Ergun, B., Döğeroğlu, T., Var, F., Uygan., N., Tezcan, Ü., Lüle, M., Çevre Sağlığı, (Ed: N. Varcan), Anadolu Üniversitesi, Açık Öğretim Fakültesi Yayınları, Dizdar, E., İş Güvenliği, Murathan Yayınevi, Trabzon, Yiğit, A., İş güvenliği ve İşçi Sağlığı, Aktüel Yayınları, İstanbul, Crowl, D.A. and Louvar, J.F., Chemical Process Safety Fundamentals with Applications, Prentice Hall, Karpuzcu, M., Çevre Kirlenmesi ve Kontrolü, Dördüncü baskı, İstanbul, Tavare, N.S., Industrial crystallization : process simulation analysis and design, New York Milenum Press, Biegler, L.T., Systematic methods of chemical process design, Upper Saddle River, New jersey, Prentice Hall, Dimian A.C., Integrated design and simulation of chemical processes, Amsterdam, Elsevier, Marlin T.E., Process control : designing processes and control systems for dynamic perfomance, 2nd ed., Boston, Mc Graw Hill, Seider, W.D., Seader, J.D., Lewin, D.R., Product and Process Design Principles, 2nd ed., Wiley, New York, Hyman, B., Fundamentals of Engineering Design, Prentice Hall, New Jersey, Ulrich, K.T., Eppinger, S.D., Product Design and Development, 2nd ed., McGraw-Hill, New York, Dym, C.L., Little, P., Engineering Design: A Project Based Introduction, 2nd ed., Wiley, New York, 2004.

9 56. Dominick, P.G., Demel, J.T., Lawbaugh, W.M., Freuler, R.J., Kinzel, G.L., Fromm, E., Tools and Tactics of Design, John Wiley, New York, Sinnott, R.K., An Introduction to Chemical Engineering Design, Pergamon Press, Oxford, Rudd, D.F., Powers, G.J., Siirola, J.J., Process Synthesis, Prentice Hall, New Jersey, Douglas, J.M., Conceptual Design for Chemical Processes, McGraw-Hill, New York, Resnick, W., Process Analysis and Design for Chemical Processes, McGraw- Hill, New York, Bröckel, U., Meier, W., Wagner, G. (eds.), Product Design and Engineering, 2 vols., Wiley-VCH Verlag, Weinheim, Baktır, E., Toker, I. (ed.), Mühendislikte Tasarım, ODTÜ Mezunları Dernegi Yayınları, Ankara, Kirk-Othmer encyclopedia of chemical technology, 2nd ed. New York : John Wiley & Sons, 1967.