T.C. YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BİR HAM PETROL DESTİLASYON ÜNİTESİNİN KULLANILABİLİR ENERJİ VE TERMOEKONOMİK ANALİZİ

Transkript

1 T.C. YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BİR HAM PETROL DESTİLASYON ÜNİTESİNİN KULLANILABİLİR ENERJİ VE TERMOEKONOMİK ANALİZİ ÖMER FARUK DİLMAÇ DOKTORA TEZİ KİMYA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI KİMYA MÜHENDİSLİĞİ PROGRAMI DANIŞMAN PROF. DR. ESEN BOLAT İSTANBUL, 2011

2 T.C. YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BİR HAM PETROL DESTİLASYON ÜNİTESİNİN KULLANILABİLİR ENERJİ VE TERMOEKONOMİK ANALİZİ ÖMER FARUK DİLMAÇ DOKTORA TEZİ KİMYA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI KİMYA MÜHENDİSLİĞİ PROGRAMI DANIŞMAN PROF. DR. ESEN BOLAT İSTANBUL, 2011

3

4 Bu çalışma, Yıldız Tknik Ünivrsitsi Bilimsl Araştırma Projlri Koordinatörlüğü nün YTÜ BAPK numaralı projsi il dstklnmiştir.

5 ÖNSÖZ Tz çalışmam sürsin bana yardımı, dstk v n önmlisi örnk olan, bilgi v trübsiyl bni yönlndirn saygıdğr hoam Pro.Dr. Esn BOLAT a tşkkür tmyi bir borç bilir; minnttarlığımı mslk hayatımda kndisinin ytiştirdiği bir öğrniy yakışır biçimd davranaağıma söz vrrk göstrmk istrim. Çalışmalarım sırasında hr türlü katkı v yardımı göstrn ikini tz danışmanım v dğrli hoam Yrd. Doç.Dr. Smra ÖZKAN a çok tşkkür drim. Tz çalışmam sürsin dstk v önrilrini ksik tmyn tz izlm komitsindki dğrli hoalarım Pro.Dr. Salih DİNÇER v Pro.Dr. Ayşgül ERSOY MERİÇBOYU na tşkkürlrimi sunarım. Çalışmama dğrli katkıları olan hoam Pro.Dr. İbrahim Dinçr v Erasmus öğrnisi olarak bni kabul dn Pro.Dr. Gorg Tsatsaronis, dstklrindn dolayı Pro.Dr. Ahmt YARTAŞI v Doç.Dr. Fatma KARACA ya v ğitim hayatım boyuna mği gçn tüm öğrtmnlrim çok tşkkür drim. Ayrıa, bana hr zaman dstk olan dğrli arkadaşlarım Dr. Mhmt Slçuk MERT, Dr. Korkut AÇIKALIN, Yük. Kimya Müh. İsmail KAPUDERE, Yılmaz YILMAZKAYA il Ömr Aki YAZICIOĞLU na v diğr tüm arkadaşlarıma tşkkürlrimi sunarım. Ham ptrol dstilasyon ünitsi il ilgili bilgilrin v vrilrin sağlanmasında yardımı olan tüm TÜPRAŞ İzmit Rainrisi ytkililrin v özllikl pross mühndislri İlksn ÖNBİLGİN, Erhan OĞUŞ v Uuk Fhmi SAYIN a tşkkürlrimi sunarım. Burada yr vrmdiğim v çalışmalarım sırasında yardımları dokunan diğr arkadaşlarıma v Yıldız Tknik Ünivrsitsi Kimya Mühndisliği Bölümü öğrtim üysi v yardımılarına çok tşkkür drim. Hayatım boyuna maddi manvi dstklrini hr an hissttiğim AİLEME, bana vrdiklri mk için, sonsuz tşkkürlrimi sunarım. Ayrıa, göstrmiş olduğu özn, sabır v dstk için müstakbl şim Nsib ORT a tşkkürlrimi sunarım. Bu çalışmayı, rahmtli annannm Vsil EREL v hayatımın hr anında yanımda olan, hr türlü dakârlığı göstrn anım annm Rsmi Gül DİLMAÇ il babam Mhmt Ali DİLMAÇ a itha diyorum. Haziran, 2011 Ömr Faruk DİLMAÇ

6 İÇİNDEKİLER v Saya SİMGE LİSTESİ...viii KISALTMA LİSTESİ... x ŞEKİL LİSTESİ... xi ÇİZELGE LİSTESİ...xiii ÖZET...xv ABSTRACT...xvi BÖLÜM 1 GİRİŞ Litratür Özti Tzin Amaı Hipotz... 4 BÖLÜM 2 EKSERJİ Eksrji Kavramı Eksrji Türlri İş Eksrjisi Isı Eksrjisi Atalt Eksrjisi Fiziksl Eksrji Kimyasal Eksrji Kimyasal Eksrji Hsaplamaları Gazların v Gaz Karışımlarının Standart Kimyasal Eksrji Hsaplamaları Yakıtların Kimyasal Eksrji Hsaplamaları Ham Ptrol Karışımlarının Kimyasal Eksrji Hsaplamaları İdal Çözltinin Karışma Etkisi v İdal Çözlti Olmamanın Etkisi.. 14

7 2.4 Isıl Sistmlrd Enrji v Eksrji Dnkliklri Kapalı Sistmlrd Kütl v Enrji Dnkliklri Açık Sistmlrd Kütl v Enrji Dnkliklri Kapalı Sistmlrd Eksrji Dnkliği Açık Sistmlrd Eksrji Dnkliği Trmodinamik Vrimlilik Eksrjik Vrimlilik v Eksrji Tahribi Ürün Eksrji Tmlind v Eksrji Tahribi Tmlind Eksrji Dnkliklri Eksrji Prormans Kritrlri Trmokonomik Analiz Trmokonomik Analiz Yöntmi Eksrji Maliyti Eksrji Tahribi Maliyti Trmokonomik Dnkliklrin Oluşturulması Kimyasal v Fiziksl Eksrji Maliytlndirmsi Trmokonomik Prormans Kritrlri BÖLÜM 3 PETROL v RAFİNASYONU Ptrolün Fiziksl v Kimyasal Özlliklri Yoğunluk, Özgül Ağırlık v API Drsi Viskozit Ham Ptrol v Ksirlrinin Analizi Ptrol Rainasyonu Dstilasyon Dönüşüm Prosslri Arıtma Prosslri Harmanlama Dstk Prosslri Ham Ptrol Ürünlri Rainri Tiplri BÖLÜM 4 HAM PETROL DESTİLASYON ÜNİTESİNİN TANITILMASI Ham Ptrol Dstilasyonu TÜPRAŞ İzmit Rainrisi TÜPRAŞ İzmit Rainrisi Ham Ptrol Dstilasyon Ünitsi BÖLÜM 5 DESTİLASYON ÜNİTESİNİN BENZETİMİ, İLGİLİ BULGULAR VE TARTIŞMA Bnztim Programının Çalıştırılması Ham Ptrol Dstilasyon Ünitsinin Bnztimi Tml Bnztim Sonuçlarının Karşılaştırılması vi

8 BÖLÜM 6 MODEL DENKLİKLERİN OLUŞTURULMASI, EKSERJİ ANALİZİ HESAPLAMALARI, İLGİLİ BULGULAR VE TARTIŞMA Dstilasyon Kolonlarına İlişkin Hsaplamalar DK 1 Dstilasyon Kolonu DK 2 Dstilasyon kolonu DK 3 Dstilasyon Kolonu DK 4 Dstilasyon kolonu Isıtma Fırınlarına İlişkin Hsaplamalar Isı Dğiştiriilr İlişkin Hsaplamalar Eksrji Analizi Bulgularının Karşılaştırılması BÖLÜM 7 PARAMETRİK ÇALIŞMALAR, EKSERJİ ANALİZİ HESAPLAMALARI, İLGİLİ BULGULAR VE TARTIŞMA DK 1 Dstilasyon Kolonu Basınının Etkisi DK 1 Dstilasyon Kolonu Gri Akış Dbisinin Etkisi DK 1 Dstilasyon Kolonu Ağır Dizl Gri Döngü Dbisinin Etkisi BÖLÜM 8 TERMOEKONOMİK ANALİZ HESAPLAMALARI, İLGİLİ BULGULAR VE TARTIŞMA F 1, F 2 v F 3 Isıtma Fırınlarına İlişkin Trmokonomik Analiz DK 1 Dstilasyon Kolonuna İlişkin Trmokonomik Analiz DK 2 Dstilasyon Kolonuna İlişkin Trmokonomik Analiz BÖLÜM 9 SONUÇLAR VE ÖNERİLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ vii

9 SİMGE LİSTESİ Eksrji birim maliyti ($/GJ) Kimyasal ksrji birim maliyti ($/GJ) Fiziksl ksrji birim maliyti ($/GJ) C Eksrji maliyti ($/h) Özgül yasal ksrji (kj/kg) Özgül iziksl ksrji (kj/kg) Standart yasal ksrji (kj/kmol) Ξ Eksrji (MW) Ξ A Atılan ksrji (MW) Ξ Fiziksl ksrji (MW) Ξ k Kintik ksrji (MW) Ξ Kayıp ksrji, ksrji kaybı (MW) K Ξ Kimyasal ksrji (MW) Ξ p Potansiyl ksrji (MW) Ξ T Tahrip diln ksrji, ksrji tahribi (MW) Ξ ü Ürün ksrji (MW) Ξ y Yakıt ksrji (MW) E Enrji (MW) k Eksrgokonomik aktör G Gibss srbst nrjisi (kj/kmol) G Gliştirm potansiyli (MW) pot g Yrçi ivmsi (m 2 /s) h Özgül ntalpi (kj/kg) h Çvr şartlarında özgül ntalpi (kj/kg) o H Entalpi (MW) H o Çvr şartlarında ntalpi (MW) m Dbi (kg/s) m Girn madd dbisi (kg/s) m g ç Çıkan madd dbisi (kg/s) P Basınç (kpa) viii

10 P O Çvr şartlarında basınç (kpa) Q Isı (MW) Q H Alınan ısı (MW) Q L Vriln ısı (MW) r k Bağıl maliyt arkı R Gaz sabiti (kj/kmol K) S Özgül ntropi (kj/kg k) S Çvr şartlarında özgül ntropi (kj/kg k) o S ür Ürtiln ntropi, ntropi ürtimi (kj/kg K) T Sıaklık (K) T Çvr şartlarında sıaklık (K) o U İç nrji (kj) v Hız (m/s) V Haim (m 3 ) W İş (kj) x Mol ksri z Yüksklik (m) Z k k Ekipmanının sviylndirilmiş toplam maliyti CI Z k k Ekipmanının sviylndirilmiş ilk yatırım maliyti Z k Ekipmanının sviylndirilmiş işltm v bakım maliyti OMC k ε η γ β Eksrji vrimi Enrji vrimi Aktivit katsayısı Kimyasal ksrji düzltm aktörü ix

11 KISALTMA LİSTESİ AD AID API ASTM CCR DK E SB F FCC FG FO GS HHV HS HSRN HVGO IDA KERO KH LAD LCO LPG LS LSRN LVGO PA TBP Ağır Dizl Alt Isıl Dğr Amrian Ptrolum Institut Amrian Soity or Tsting and Matrials Katalitik Rorming Dstilasyon Kolonu Isı dğiştirii Su Buharı Dbisi (kg/h) Isıtma Fırını Akışkan Katalitik Parçalama Rainri Gazı Ful Oil Gaz Yağı Sıyırma Kolonu Üst Isıl Dğr Ağır Dizl Sıyırma Kolonu Ağır Nata Ağır Vakum Gaz Yağı Isı Dğiştirii Ağı Gaz Yağı Kontrol Hami Hai Dizl Hai Döngü Yağı Sıvı Ptrol Gazı Hai Dizl Sıyırma Kolonu Hai Nata Hai Vakum Gaz Yağı Gri Döngü Grçk Kaynama Noktası x

12 ŞEKİL LİSTESİ Saya Şkil 2.1 Isıyı iş dönüştürn Carnot ısı makinası çvrimi... 8 Şkil 2.2 Bir yakıtın yasal ksrjisini ölçm prossi [23] Şkil 2.3 Kapalı v açık sistmin şmatik görünümü Şkil 2.4 Eksrgokonominin diğr mühndislik alanları il tkilşimi [52] Şkil 3.1 Ham ptrol dstilasyon prossi blok akım şması [60] Şkil 3.2 Koklaştırma prossi blok akış şması [60] Şkil 3.3 Viskozit düşürm prossi blok akış şması [60] Şkil 3.4 Akışkan katalitik parçalama blok akış şması [60] Şkil 3.5 Hidrojn il parçalama blok akış şması [60] Şkil 3.6 Katalitik rorming v izomrizasyon prosslri blok akış şması [60] Şkil 3.7 TÜPRAŞ Batman rainrisi gnl akış şması Şkil 3.8 TÜPRAŞ Kırıkkal rainrisi gnl akış şması Şkil 3.9 TÜPRAŞ İzmir rainrisi gnl akış şması Şkil 3.10 Rainri tiplrin gör ham ptroldn ld diln ürünlrin Karşılaştırılması Şkil 4.1 Atmosrik dstilasyon sistmi Şkil 4.2 TÜPRAŞ İzmit rainrisi blok akış şması Şkil 4.3 TÜPRAŞ İzmit rainrisi ham ptrol dstilasyon ünitsi akış şması Şkil 5.1 PRO/II il bnztim modlini oluşturma şması Şkil 5.2 PRO/II bnztim programı açılış kranı Şkil 5.3 PRO/II bnztim programı birim sistmi v trmodinamik sistm mnülri Şkil 5.4 PRO/II bnztim programı örnk akış şması çizimi Şkil 5.5 Kimyasal bilşimi bilinn akımlar için tanımlama pnrsi Şkil 5.6 Ptrol akımları için tanımlama pnrsi Şkil 5.7 PRO/II bnztim programı ısı dğiştirii vri girişi pnrsi Şkil 5.8 PRO/II bnztim programı dstilasyon kolonu vri girişi pnrsi Şkil 5.9 PRO/II programı bnztim çalışması sonrası kran görüntüsü Şkil 5.10 Ham ptrollrin bnztim programından alınan TBP graiklri Şkil 5.11 Ham ptrol dstilasyon ünitsi bnztim modli pross akış diyagramı Şkil 5.12 Dstilasyon kolonlarının tpsi sıaklığı dğrlri; (a) DK 1 v (b) DK Şkil 5.13 Ptrol ürünlrin ilişkin ASTM D86 dstilasyon ğrilri Şkil 5.14 Ham ptrol dstilasyon ürün dbilrinin karşılaştırılması Şkil 6.1 DK 1 dstilasyon kolonunun akış şması xi

13 Şkil 6.2 DK 2 dstilasyon kolonu akış şması Şkil 6.3 DK 3 dstilasyon kolonunun akış şması Şkil 6.4 DK 4 dstilasyon kolonunun akış şması Şkil 6.5 F 1 ısıtma ırınının akış şması Şkil 6.6 E 3 ısı dğiştiriisi akış şması Şkil 6.7 Pross ihazlarının ksrji vrimlri Şkil 6.8 Pross ihazlarının ksrji tahribi dğrlri Şkil 6.9 Pross ihazlarına ilişkin ksrji tahribi dağılımı Şkil 6.10 Pross ihazları gliştirm potansiyllrinin karşılaştırılması Şkil 7.1 DK 1 kolonu basınının dstilasyon kolonlarının nrji vrimin tkisi Şkil 7.2 DK 1 kolonu basınının dstilasyon kolonlarının ksrji vrimin tkisi Şkil 7.3 DK 1 kolonu basınının dstilasyon kolonlarının ksrji tahribin tkisi Şkil 7.4 DK 1 kolonu basınının dstilasyon kolonlarının gliştirm potansiylin tkisi Şkil 7.5 DK 1 kolonu basınının ısı dğiştiriilrin ksrji vrimin tkisi Şkil 7.6 DK 1 kolonu basınının ısı dğiştiriilrin ksrji tahribin tkisi Şkil 7.7 DK 1 kolonu basınının ısı dğiştiriilrin gliştirm potansiylin tkisi. 102 Şkil 7.8 Şkil 7.9 DK 1 kolonu gri akış dbisinin dstilasyon kolonlarının nrji vrimin tkisi DK 1 kolonu gri akış dbisinin dstilasyon kolonlarının ksrji vrimin tkisi Şkil 7.10 DK 1 kolonu gri akış dbisinin dstilasyon kolonlarının ksrji tahribi üzrindki tkisi Şkil 7.11 DK 1 kolonu gri akış dbisinin dstilasyon kolonlarının gliştirm potansiylin tkisi Şkil 7.12 DK 1 kolonu gri akış dbisinin ısı dğiştiriilrin ksrji vrimin tkisi. 105 Şkil 7.13 DK 1 kolonu gri akış dbisinin ısı dğiştiriilrin ksrji tahribin tkisi. 106 Şkil 7.14 DK 1 kolonu gri akış dbisinin ısı dğiştiriilrin gliştirm potansiylin tkisi Şkil 7.15 DK 1 kolonu gri döngü dbisinin dstilasyon kolonlarının nrji vrimin tkisi Şkil 7.16 DK 1 kolonu gri döngü dbisinin dstilasyon kolonlarının ksrji vrimin tkisi Şkil 7.17 DK 1 kolonu gri döngü dbisinin dstilasyon kolonlarının ksrji tahribin tkisi Şkil 7.18 DK 1 kolonu gri döngü dbisinin dstilasyon kolonlarının gliştirm potansiylin tkisi Şkil 7.19 DK 1 kolonu gri döngü dbisinin ısı dğiştiriilrin ksrji vrimin tkisi Şkil 7.20 DK 1 kolonu gri döngü dbisinin ısı dğiştiriilrin ksrji tahribin tkisi Şkil 7.21 DK 1 kolonu gri döngü dbisinin ısı dğiştiriilrin gliştirm potansiylin tkisi xii

14 ÇİZELGE LİSTESİ Saya Çizlg 1.1 Rainri prosslrinin tahmini nrji kullanımı [9]... 2 Çizlg 2.1 Eksrji türlri [20]... 7 Çizlg 2.2 Farklı organik gruplar için β dğrlri [5] Çizlg 2.3 Yatışkın hald bazı pross ihazları için ksrji bağıntıları [29] Çizlg 2.4 Bazı pross birimlri için trmokonomi bağıntıları [29] Çizlg 3.1 Ham ptrolün gnl lmntl bilşimi [57] Çizlg 3.2 API drlrin gör sınılandırma [57] Çizlg 3.3 Bazı ptrollr ait özgül ağırlık v API drlri [57] Çizlg 3.4 Viskozit, yoğunluk v API drsinin hai ptrol, ağır ptrol v bitüm için dğr aralıkları [57]. 36 Çizlg 3.5 Dünya ptrol ürünlri talbinin (%) yıllara gör dağılımı [60], [61] Çizlg 3.6 Rainri ürünlrinin karbon sayısı v kaynama noktası dğrlri [57] Çizlg 4.1 Tipik ham ptrol ksirlri kaynama aralıkları [65] Çizlg 5.1 Ptrol rainri prosslri için kullanılan trmodinamik yöntmlr [68]. 59 Çizlg 5.2 Ham ptrol akımını oluşturan ptrollrin TBP dstilasyon özlliklri Çizlg 5.3 Atmosrik dstilasyon kolonu bslm akımının özlliklri Çizlg 5.4 Bnztim modlindki dstilasyon kolonlarının özlliklri Çizlg 5.5 Bnztim modlindki ısı dğiştiriilrin özlliklri Çizlg 6.1 DK 1 dstilasyon kolonunun akım özlliklri Çizlg 6.2 DK 1 dstilasyon kolonuna ilişkin ksrji analizi bulguları Çizlg 6.3 DK 2 dstilasyon kolonunun akım özlliklri Çizlg 6.4 DK 2 dstilasyon kolonuna ilişkin ksrji analizi bulguları Çizlg 6.5 DK 3 dstilasyon kolonunun akım özlliklri Çizlg 6.6 DK 3 dstilasyon kolonuna ilişkin ksrji analizi bulguları Çizlg 6.7 DK 4 dstilasyon kolonunun akım özlliklri Çizlg 6.8 DK 4 dstilasyon kolonuna ilişkin ksrji analizi bulguları Çizlg 6.9 Havanın bilşimi Çizlg 6.10 F 1 ısıtma ırınının akım özlliklri Çizlg 6.11 F 2 ısıtma ırınının akım özlliklri Çizlg 6.12 F 3 ısıtma ırınının akım özlliklri Çizlg 6.13 F 1, F 2 v F 3 ısıtma ırınlarına ilişkin ksrji analizi bulguları Çizlg 6.14 E 1, E 2 v E 3 ısı dğiştiriilrinin akım özlliklri Çizlg 6.15 E 4, E 5 v E 6 ısı dğiştiriilrinin akım özlliklri Çizlg 6.16 E 7, E 8 v E 9 ısı dğiştiriilrinin akım özlliklri Çizlg 6.17 E 10, E 11 v E 12 ısı dğiştiriilrinin akım özlliklri xiii

15 Çizlg 6.18 E 13 ısı dğiştiriisinin akım özlliklri Çizlg 6.19 Isı dğiştiriilrin ilişkin ksrji analizi bulguları Çizlg 7.1 Paramtrik çalışma ksrji analizi bulguları Çizlg 8.1 Ham ptrolün v yakıtların yasal ksrji birim maliytlri Çizlg 8.2 F 1 ısıtma ırını trmokonomik analiz bulguları Çizlg 8.3 F 2 ısıtma ırını trmokonomik analiz bulguları Çizlg 8.4 F 3 ısıtma ırını trmokonomik analiz bulguları Çizlg 8.5 DK 1 dstilasyon kolonu trmokonomik analiz bulguları Çizlg 8.6 DK 2 dstilasyon kolonu trmokonomik analiz bulguları xiv

16 ÖZET BİR HAM PETROL DESTİLASYON ÜNİTESİNİN KULLANILABİLİR ENERJİ VE TERMOEKONOMİK ANALİZİ Ömr Faruk DİLMAÇ Kimya Mühndisliği Anabilim Dalı Doktora Tzi Tz Danışmanı: Pro. Dr. Esn BOLAT Eş Danışman: Yrd. Doç. Dr. Smra ÖZKAN Birçok yasal prosst nrji kullanımının çok önmli bir yri vardır. Çşitli maddlrin dğişim uğratıldığı bu tür prosslrd, nrji maliyti toplam ürtim maliytinin önmli bir kısmını kapsar. Bu maliytin minimum düzyd tutulması, prosslrin trmokonomik analizlri yapılarak iyilştirilmlri il sağlanabilir. Ptrol rainrilrind gnllikl nrjinin yoğun olarak kullanıldığı prosslr yr alır. Bu prosslrd nrji tüktimi v nrji kayıpları azladır. Ptrol rainrilrind ısıl nrjinin büyük bir kısmı rainrinin ilk ünitsi olan ham ptrol dstilasyon ünitsind kullanılır. Bu durumda, dstilasyon ünitlrinin trmokonomik analizlri yapılarak iyilştirilmlri, nrji tasarruu v dolayısıyla maliyti düşürm açısından büyük önm taşımaktadır. Bu çalışmada, SimSi Pro/II 8.2 pross bnztim programı yardımıyla, TÜPRAŞ İzmit rainrisindki bir ham ptrol dstilasyon ünitsinin nrji, ksrji v trmokonomik analizlri yapılmıştır. Ayrıa, çalışma şartlarının ksrji vrimi üzrindki tkilri inlnmiştir. Anahtar Klimlr: Trmokonomik analiz, ksrji analizi, ham ptrol dstilasyonu, pross simülasyonu. YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ xv

17 ABSTRACT EXERGETIC AND THERMOECONOMIC ANALYSES OF A CRUDE OIL DISTILLATION UNIT Ömr Faruk DİLMAÇ Chmial Enginring Dpartmnt PhD. Thsis Advisor: Pro. Dr. Esn BOLAT Co Advisor: Assit. Pro. Dr. Smra ÖZKAN Enrgy usag is a signiiant aspt o many hmial prosss. For ths typs o prosss whr various matrials undrgo substantial transormations, nrgy ost rprsnts an important part o th ovrall prodution ost. Maintaining th ost o nrgy at its minimum lvl may b nsurd by onduting thrmoonomi analysis. Ptrolum rinris ar nrgy intnsiv prosss. Enrgy onsumption and nrgy losss ar xssiv in ths prosss. Most o thrmal nrgy usd in ptrolum rinris is onsumd in rud oil distillation units. Thror, onduting th thrmoonomi analysis o distillation units and thus improving thir prorman, is o utmost importan to nsur nrgy saving and rlatd ost minimization. In this thsis, th thrmoonomi analyss o a rud oil distillation unit o TÜPRAŞ İzmit rinry wr don basd on mass, nrgy and xrgy balans with th aid o SimSi Pro/II 8.2 pross simulation sotwar. Also, th ts o varying th oprating onditions on xrgy iiny wr invstigatd. Ky words: Thrmoonomi analysis, xrgy analysis, rud oil distillation, pross simulation. xvi YILDIZ TECHNICAL UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCE

18 BÖLÜM 1 GİRİŞ 1.1 Litratür Özti Enrji tasarruu amaıyla prosslrd yapılan iyilştirmlr, gnllikl prossin daha önki nrji kullanımının bir oranı olarak, nrji tüktimindki azalmaya gör dğrlndirilir. Anak, prosslrin nrji kullanımı trmodinamiğin birini yasasına gör dğrlndirildiğind, nrji kullanımının prossin idal vya optimum prormansına gör n kadar vrimli olduğu v prosstn ld diln aydalı nrjinin pross vriln toplam nrjiy oranının n kadar yüksk olduğu hakkında hrhangi bir bilgi vrmz [1]. Dolayısıyla, nrji tasarruunun önm kazanmasıyla ndüstriyl prosslrd v diğr nrji grktirn oprasyonlarda nrji vrimliliğinin arttırılması için yapılması grkn trmodinamik analizlrd, trmodinamiğin birini yasası il birlikt ikini yasasının da kullanılması grkmktdir [1 8]. Tasarım aşamasında olan v/vya var olan bir sistmin sad nrji analizinin yapılması ytrli görülmmkt, kullanılabilir nrji (ksrji) analizinin d yapılması grkmktdir. Eksrji analizi yapılarak tasarlanan bir sistmin yatırım v işltm maliytlri hakkındaki bilgilr is konomik analiz sonuunda ld dilmktdir. Anak, sistmin ksrji analizi v konomik analizi sonuunda, ürünlrin maliyti v bu maliytin düşürülbilmsi için yapılaak iyilştirilmlr hakkında ytrli bilgilr ld dilmmktdir. Bu ndnl, nrjinin ürün olarak ürtildiği v/vya yoğun olarak kullanıldığı sistmlrd, ksrji analizi yanı sıra bu analiz il ilişkilndirilmiş olan trmokonomik analizin yapılması grkmktdir. 1

19 Çvr kısıtları arttıkça v konomik durumlar dğiştikç, osil yakıtların daha az zararlı misyon oluşturaak şkild ürtilmlri grkmktdir. Yüksk kalitli ptrol ürünlrinin ürtimi için daha azla nrji haranması grkmktdir. Aynı kısıtlar sanayi için d gçrli olduğundan, prosslr daha az nrji kullanımı yönün itilmktdir. Dolayısıyla, ndüstriyl prosslr minimum nrji kullanımını sağlayaak tasarımlara ihtiyaç vardır. Ptrol rainrilri büyük miktarlarda nrji v güç kullanan prosslrdir. Ptrol rainrilrindki prosslrd tüktiln nrji miktarları Çizlg 1.1 d vrilmktdir. Çizlg 1.1 Rainri prosslrinin tahmini nrji kullanımı [9] PROSES Özgül Enrji Kullanımı (x10 3 kj/varil) Ortalama Özgül Enrji Kullanımı (x10 3 kj/varil) Kapasit (x10 6 varil/gün) Enrji Kullanımı (MW) Atmosrik Dstilasyon , ,5 Vakum Dstilasyonu , ,2 FCC , ,7 Hidrojn il Parçalama , ,4 Gikmli Koklaştırma , ,7 Akışkan Koklaştırma ,07 224,2 Katalitik Rorming , ,1 Alkilasyon Sülürik Asit , ,8 Hidrolorik Asit , ,4 Kükürt Gidrm , ,4 Etr Ürtimi ,10 542,0 Madni Yağ Ürtimi , ,6 Hidrojn Ürtimi , ,8 Enrji kullanımının n yoğun olduğu prosslrdn biri ham ptrol dstilasyon prossidir. Dolayısıyla, ham ptrol dstilasyonuna ilişkin optimizasyon çalışmaları gidrk önm kazanmaktadır. Bir sistmin trmodinamik açıdan optimizasyonunun yapılabilmsi için önlikl trmodinamik analizinin yapılması grkmktdir. Ülkmizdki nrji tüktiminin üçt birinin yr aldığı sanayi sktöründ nrji v ksrji analizlrinin yapılması büyük önm taşımaktadır. Enrji ürtiminin v tüktiminin oldukça azla olduğu ptrol rainasyonu, önlikli olarak inlnmsi grkn prosslri kapsar. 2

20 1984 yılında TÜPRAŞ İzmit rainrisind yapılan bir ksrji analizi çalışmasında, ham ptrol dstilasyon ünitsinin ksrji analizi yapılmış v ksrji vrimi bütün ünit için %5,9 olarak bulunmuştur [2], [10], [11] yılında Mksika da yapılan bir ksrji analizi çalışmasında [12], ksrji vrimi ham ptrol atmosrik dstilasyon kolonu için %86, ısıtma ırını için is %38 olarak bulunmuştur. Ayrıa yapılan optimizasyon çalışması sonuunda, atmosrik kolonda %2 kadar ksrji vrimi artışı sağlanmıştır yılında Hollanda da yapılan bir çalışmada [13], atmosrik dstilasyon v vakum kolonlarının ksrji vrimlri sırasıyla %27 v %37,3; ısıtma ırının ksrji vrimi is %54,1 olarak bulunmuştur. Ham ptrol dstilasyon ünitsinin ksrji vrimi %5,2 olarak saptanmıştır yılında Suudi Arabistan da yapılan bir çalışmada [14], atmosrik dstilasyon kolonunun ksrji vrimi %46,1, ısıtma sistminin ksrji vrimi %50,3, bütün ünitnin vrimi is %14 olarak bulunmuştur yılında Mksika da bir ham ptrol dstilasyon sistminin trmokonomik analizi il ilgili yapılan çalışma [15] sonuunda, sistmin ürtim maliyti 28,87 U$/s olarak bulunmuştur. Sistmdki toplam ksrji kaybı 110 MW olarak bulunmuştur. En yüksk ksrji kaybı maliyti ısıtma ırınlarında v dstilasyon kolonlarında saptanmıştır. Trmokonomik analiz konusunda litratürd yapılan çalışmalar gnllikl lktrik nrjisi ürtn tsislr üzrind yapılmış, sistmlrin büyüklüklrin gör v kullanılan prosslr gör arklı sonuçlar ld dilmiştir [16], [17]. 1.2 Tzin Amaı Bu tz çalışmasında, TÜPRAŞ İzmit Rainrisi ham ptrol dstilasyon ünitsinin SimSi Pro/II 8.2 pross simülasyon programı yardımıyla grçk çalışma şartlarındaki bnztiminin yapılması v ld diln vrilr tmlind kurulaak kütl, nrji v ksrji dnkliklri kullanılarak trmokonomik analizinin yapılması amaçlanmaktadır. Eld diln bulgular tmlind, n uygun iyilştirm paramtrlri v sistmin ksrjik vrimliliği üzrindki tkilri blirlnktir. 3

21 1.3 Hipotz Bu çalışmada, dstilasyon prosslrininin ksrji v trmokonomik analizi, ürün v yakıt ksrji yaklaşımı tmlind yapılaaktır. Pross ihazlarının nrji v ksrji vrimlri, ksrji tahribi v gliştirm potansiyli dğrlri saptanaak çşitli paramtrik çalışmalar yapılaaktır. Eld diln ürünlrin ksrji birim maliytlri blirlnktir. 4

22 BÖLÜM 2 EKSERJİ Enrjiyi, dönüşümünü v madd il tkilşimini inlyn bir bilim dalı olan trmodinamikt tkilşimlr v dönüşümlr bir dizi yasa il düznlnir. Trmodinamiğin birini yasası, nrjinin korunumu il ilgilidir v nrji ürtilmz, yok dilmz v tüm grçk prosslrd miktarı sabit kalır şklinddir. Trmodinamiğin ikini yasası is gnl olarak nrjinin tahribi il ilgilidir; tüm grçk prosslrd nrji tahrip olur v bu yüzdn kalitsi azalır. Bir ortamda bütün diğr nrji türlrin dönüştürülbiln nrjiy kullanılabilir nrji ya da ksrji adı vrilir. Mühndislikt, ksrji nrjinin kalitsini iad dr. Bir prosst kullanılan, kayıp diln v/vya yok diln bu özlliktir. Trmodinamiğin birini yasasına gör, ENERJİ = EKSERJİ ANERJİ Yararlı nrji Trmodinamiğin ikini yasasına gör is, EKSERJİ Yararsız nrji ANERJİ nrji korunumu nrji miktarı sabit kalır ksrji tahribi nrji kalitsi azalır Bir prossin ksrji analizind, nrjinin biri yararlı diğri yararsız iki kısımdan oluştuğu kabul dilir. Böyl, hrhangi bir nrji türünün n kadarının iş yaradığının bilinbilmsi için, ksrjisinin tanımlanması grkir [18]. 2.1 Eksrji Kavramı Eksrji kavramının tarihsl glişimi, 1824 d Carnot un v 1875 d Gibbs'in trmodinamiğin ikini yasası üzrindki çalışmaları il başlamıştır [19]. Eksrji 5

23 kavramına ilk olarak 1889 da doğrudan atıta bulunan Gouy, ksrji tanımını nrgi utilisabl (kullanılabilir nrji) yani sabit v blli dış şartlarda blirlnmiş bir haldn diğr hal gçrkn ld diln maksimum iş şklind yapmıştır d Stodola aynı kavram için ri thnish nrgi (srbst tknik nrji) trimini kullanmıştır. Bu iki bilim adamının n önmli katkısı, günümüzd Gouy Stodola tormi olarak bilinn bir pross içindki ksrji tahribatı (ya da trsinmz ksrji kayıpları) çvr sıaklığı il ntropi ürtiminin çarpımına şittir tormini gliştirmlridir. Rant, 1956'da ilk olarak ksrji trimini kullanmıştır. Bu trim, aynı kavram için kullanılan diğr trimlrdn arklı olarak, uluslararası bir kabul görmüştür. Bu yüzyılın başlarında, Jougut, Lwiss v Randall, DBaur, Darrius, Knan, Lrbrgh v Glansdor gibi bilim adamlarının trmodinamiğin v ksrji kavramının glişimin büyük katkıları olmuştur. 1935'd Bosnjakovi, ksrji kavramını sistmlrin trmodinamik analizlrind uygulamaya başlamıştır [20]. Bir sistmdn maksimum işin ld dbilmsi için, sistmin hal dğişimi sonunda ölü hal d yani çvrsi il trmodinamik dngd olması grkir. Buna bağlı olarak, ksrji, bir sistmin trsinir bir hal dğişimi il ilk halindn çvrnin bulunduğu hal glirkn yapabilği iş olarak da tanımlanabilir. Hrhangi bir haldki sistmin ksrjisi çvr şartlarına bağlıdır. Bu bakımdan ksrji, sad sistmin dğil sistm çvr ilişkisinin d bir özlliğidir [21]. Sistm hr zaman çvrsi il birlikt dğrlndirilmlidir. Bu ndnl, sistmin bulunduğu çvrnin d iyi tanınması grkir. Çvrnin özlliklrini sıaklığı, basını v yasal bilşimi oluşturur. Fiziksl çvr oldukça karmaşıktır v bu vrilrin bilinmsi kolay dğildir. Bu ndnl, bir sistmin ksrjisi hsaplanırkn çvrnin tanımlanması yapılır. Çok büyük olan çvrnin sıaklığı (T o ) v basını (P o ) homojndir v gnl olarak sırasıyla, 25 o C v 1 atm dir. Çvrnin yasal bilşimi sabit dğildir v ksrji hsaplama yöntmlrin gör arklılıklar göstrir. Örnğin, Szargut un ksrji hsaplama yöntmin gör çvr, dünyadaki atmosr, hidrosr v litosrd bol miktarda bulunan v birbirlriyl dngd olan maddlrin bilşimindn oluşan bir sistmdir [5]. 6

24 2.2 Eksrji Türlri İki türd ksrji tanımlanır: biri, madd il taşınmaz v nrji aktarımı il ilgilidir; diğri is, maddnin içind bulunan v madd il taşınan nrji il ilgilidir. Birini türdki ksrji, yani nrji aktarımı ksrjisi (Ξ a ), bir transr onksiyonudur v iki şkilddir: iş ksrjisi (Ξ iş ) v ısı ksrjisi (Ξ ısı ). İkini türdki ksrji, yani madd ksrjisi (Ξ m ), bir hal onksiyonudur v iki kısımdan oluşur: kintik v potansiyl konumla ilgili ksrjilrdn oluşan v maddnin sad miktarına bağlı olan atalt ksrjisi (Ξ a ); iziksl v yasal ksrjilrdn oluşan v maddnin, sıaklığına, basınına türün v bilşimin bağlı olan maddsl ksrji (Ξ m ). Çizlg 2.1 d ksrji (Ξ) türlri vrilmktdir. Çizlg 2.1 Eksrji türlri [20] Enrji Aktarımı Eksrjisi (Ξ a ) İş Eksrjisi Ξ iş = W Isı Eksrjisi Ξ ısı = Q (1 T 0 /T) Madd Eksrjisi (Ξ m ) Atalt Eksrji Ξ a =Ξ k Ξ p Kintik Eksrji Ξ k = 1/2 (v 2 v 2 o ) Potansiyl Eksrji Ξ p = g (z z o ) Maddsl ksrji Ξ m = Ξ Ξ Fiziksl Eksrji Ξ = (H H o ) T o (S S o ) ] sabit x Kimyasal Eksrji Ξ = (H H o ) T o (S S o ) ] sabit v, z, T, P İş Eksrjisi İş kolaya diğr bir nrji türün dönüştürülbildiğin gör, işin tamamı ksrjisin şittir. Dolayısıyla, Ξ iş = W (2.1) Isı Eksrjisi Bir ısı makinası (Şkil 2.1), T sıaklığında bir ısı kaynağından Q kadar ısı alır, W kadar iş yapar v T 0 sıaklığındaki çvry Q 0 kadar ısı vrir. Bosnjakovi'in tanımına gör, bu 7

25 pross trsinir çvrim olduğunda, ld diln W iş miktarı Q ısısının ksrjisin şit olur [18]. T=T Q W Şkil 2.1 Isıyı iş dönüştürn Carnot ısı makinası çvrimi Ξ ısı = W= Q ( 1 T o / T ) (2.2) Özlliklri arklı olan iki madd (m 1 v m 2 ) arasındaki ısı aktarımının analizind ısı ksrjisi kullanılır. Q 0 T=T Atalt Eksrjisi Atalt ksrjisi (Ξ a ), kintik ksrji (Ξ k ) il potansiyl ksrjidn (Ξ p ) oluşur: Ξ k = 1/2 (v 2 v o 2 ) Ξ p = g (z z o ) (2.3) (2.4) Fiziksl Eksrji Fiziksl ksrji, çvr il yasal dngd olan bir sistm bulunduğu sıaklık v basınç şartlarından çvr il aynı sıaklık v basınç şartlarına, yani trmodinamik dngy gliny kadar ld dilbilk maksimum iş olarak tanımlanır. Trmodinamik bir sistmin iziksl ksrjisi (2.5) şitliği il vrilir [22]. Ξ = U U ) P (V V ) T (S S ) (2.5) ( Burada, U, V v S, sırasıyla sistmin iç nrjisini, hamini v ntropisini göstrir. T 0 v P 0 is çvr koşullarındaki sıaklık v basınçtır. Hrhangi bir madd akımının iziksl ksrjisi (2.6) şitliğindn hsaplanır. Ξ = H H ) T (S S ) (2.6) (

26 Burada, H v H 0 sırasıyla, akımın bulunduğu şartlardaki ntalpi hızı v rrans çvr şartlarındaki (T 0, P 0 ) ntalpi hızıdır Kimyasal Eksrji Kimyasal ksrji, çvr il aynı hız, konum, sıaklık v basınç dğrlrin sahip olan bir sistm çvr il yasal dngy gliny kadar ld dilbilk maksimum iş olarak tanımlanır. Ξ ( (2.7) = H H0) T0 (S S0) sabit v,z, T,P Buradaki dnglnm prossi, izotrmal v izobarik yasal raksiyonların grçklştiği bir prosstir. Dolayısıyla, hm sistmin hm d çvrnin yasal bilşim bilgilrinin bilinmsi önmlidir. Çvrnin yasal bilşimi çok arklılıklar göstrmsin rağmn, doğal çvryi olabildiğin yansıtan, standart bir bilşimd rrans maddlrdn oluştuğu v homojn olduğu kabul diln bir standart çvr tanımlanır [5]. Standart çvr kndi içrisind dngddir. Örnğin, bir sanayi sitsind çvry atılan karbondioksit gazının çvrnin karbondioksit gazı bilşimini dğiştirmdiği kabul dilir. Çvryi oluşturan rrans bilşnlr, n gnl hali il, atmosrdki gaz madd türlri, hidrosrdki çözünmüş madd türlri v litosrdki katı madd türlri olarak blirlnir. Elmntlrin T 0 (25 o C) v P 0 (1 atm) standart çvr koşullarındaki yasal ksrji dğrlri standart yasal ksrji dğrlri olarak tanımlanır. Rrans maddlr kullanılarak hsaplanmış bu dğrlr tablolar halind litratürd bulunmaktadır [5], [6]. Bu tablolar bir sistmin yasal ksrjisinin hsaplanmasında büyük kolaylıklar sağlar. Bununla brabr, yasal ksrjinin hsaplanması arklı yöntmlrl d yapılabilir. Bu arklı yöntmlrd çvrnin arklı bilşnlrdn oluştuğu kabul dilir. Bu ndnl, standart yasal ksrji dğrlri hsaplama yöntmlrin gör arklılıklar göstrbilir. Hsaplamaları doğru yapmak için, sçiln bir yöntm uygulanırkn, o yöntmd kabul diln çvr modli kullanılmalıdır [5], [23]. Sistm bilşnlrinin tanımlanan çvrd var olup olmamaları yanısıra, idal karışım olmamanın tkilrini v karışmaya tkilrini hsaba katan hsaplama yöntmlri d 9

27 gliştirilmiştir. Bu yöntmlrl sunulan modllr, ntalpi v ntropi dğrlri, Gibbs srbst nrji dğrlri, alt ya da üst ısıl dğrlr gibi arklı vrilrl hsaplama yapma olanağı da vrir. Yapılan çalışmalar, hp daha azla lmntin, bilşiğin ya da karışımın yasal ksrji dğrlrin ulaşmayı hdlr. 2.3 Kimyasal Eksrji Hsaplamaları Sussman yaptığı bir çalışmada [24], ksrji il Gibbs srbst nrjisi ilişkilndirilmiştir. Gibbs srbst nrjisi şöyl iad dilir: ΔG = ΔH Δ(TS) (2.8) Gibbs srbst nrjisi şitliği izotrmal pross için yazılırsa v bu izotrmal sıaklık çvr sıaklığı olursa, Gibbs srbst nrjisi dğişimi ksrji dğişimini vrir. ΔΞ = ΔG = ΔH T0ΔS (2.9) Kimyasal raksiyonların grçklştiği prosslrin ksrji analizind, standart yasal ksrjidn söz dilir. Maddlrin yasal ksrjilrinin v yasal raksiyonlu prosslrin yasal ksrji dğişiminin hsabında, 1 atm basınç v 25 o C sıaklıktaki çvr koşullarında H 2 O (sıvı), CO 2(gaz) gibi yanma ürünlrinin, sa maddlrin v onların birlşmiş hallrinin bulunduğu bir standart çvr tanımlanır. Bu durumda, hrhangi bir sa maddnin çvr il dnglndiği bir pross, yanma raksiyonunun grçklştiği bir işlm olur. Bu yanma raksiyonu tmlind, sa maddnin standart yasal ksrjisi şöyl hsaplanabilir: 0 0 y 0 Ξ 0 = G xg (C H O ) (CO2) G (H2O) (2.10) x y z 2 Burada, Ξ sa maddnin yasal ksrjisi; G 0 (C H O ) standart Gibbs srbst oluşum 0 x y z nrjisidir. Rivro v arkadaşlarının yaptıkları bir çalışmada [25], sıaklığın 40 C il 50 C arasında dğiştiği çvr şartlarında, C 1 C 8 karbon sayılı hidrokarbonların yasal ksrji dğrlri inlnmiştir. Sonuç olarak, çvr sıaklığının yasal ksrji dğrlri üzrind önmli tkilrinin olmadığı, standart çvr koşullarındaki dğrlr il hsap yapılabilği blirtilmiştir. 10

28 2.3.1 Gazların v Gaz Karışımlarının Standart Kimyasal Eksrji Hsaplamaları Rrans madd türlrindn oluşan bir gaz karışımının yasal ksrji hsabı, aynı yaklaşımla yapılabilir. Karışımdaki i gazı, T 0 standart sıaklıkta v karışımdaki y i P 0 kısmi basınında pross girr; T 0 standart sıaklıkta v rrans çvr modlindki y 0i P 0 kısmi basınında prosstn çıkar. Bu durumda, rrans madd türü olan gazlardan oluşan gaz karışımının yasal ksrji dğri (2.11) şitliği il hsaplanır. y0i = R T0 yiln (2.11) y i Rrans madd türü gazların dışında kalan gazlardan oluşan bir gaz karışımının yasal ksrjisi (2.12) şitliği kullanılarak hsaplanır. Bu şitlik, bilşimi bilinn gaz yakıtlara da uygulanabilir. = 0 yi i R T0 yilny (2.12) i Yakıtların Kimyasal Eksrji Hsaplamaları Bjan v arkadaşlarının bir çalışmasında [23], rrans madd türü olmayan yakıtlar için, rrans raksiyonun bir yanma raksiyonu olduğu bir pross (Şkil 2.2) üzrindn yasal ksrji hsabı yapılmıştır. Bu prosst, C a H b şklind göstriln bir yakıt v T 0 standart sıaklığında v P 0 standart basınında oksijn karışmadan pross girr, yanma raksiyonu grçklşir v ürün olarak rrans madd türlri oluşur. W KH C a H b O 2 Trsinir, izobarik v izotrmal yanma sistmi CO 2 H 2 O Q KH Sistm sınırı (T 0, P 0 ) Şkil 2.2 Bir yakıtın yasal ksrjisini ölçm prossi [23]. Yanma prossinin ksrji dnkliği yazıldığında, yakıtın üst ısıl dğrinin d bulunduğu (2.13) şitliğindn, standart yasal ksrji dğri hsaplanır. 11

29 y a = UID T0 S 0 CO 2 b 2 y b a S 4 0 H O 2 O b a 4 2 as 0 O 2 CO 2 b S 2 H O 2 (2.13) Burada, UID yakıtın üst ısıl dğri, S y yakıtın ntropisidir. Ya da Gibbs srbst nrji dğri il, (2.14) şitliği il hsaplanır. b b = 0 b 0 b 0 y Gy a GO ag 2 CO G 2 H2O a CO2 a H2O O (2.14) Burada, G y yakıtın Gibbs srbst nrjisidir. Eşitlik (2.14) tn yola çıkılarak, yakıtlar dışında rrans madd türü olmayan maddlr için standart yasal ksrji dğrlri (2.15) şitliği il hsaplanır. 0 0 ( ng nç ) g 0 = ΔG (2.15) ç Bilşimlri biliniyorsa, bazı sıvı yakıtlar il gaz yakıtların yasal ksrjilri, standart yasal ksrji tablolarından yararlanılarak hsaplanabilir. Farklı bir hsaplama yöntmi olarak grup katkı yöntmi, basit yasal grupların yasal ntalpiy v ksrjiy tkilrini içrir. Bu yöntm, maddlrin yasal yapıları bilindiğind kullanışlıdır. Anak, bazı yakıtlar yapıları oldukça karmaşık olan çok bilşnli çözltilr ya da, karışımlar halinddirlr Ham Ptrol Karışımlarının Kimyasal Eksrji Hsaplamaları Ptrol türvi sıvı yakıtların yasal bilşimlri tam olarak bilinmdiğindn, yasal ksrjilri bilşnlrin standart yasal ksrjilri kullanılarak hsaplanamaz. Sıvı v katı yakıtlar için, yasal ksrji il ısıl dğrlri arasında Rant ın önrdiği (2.16) şitliği il vriln sabit bir oran olduğu blirtilmktdir [5]. y β = ID (2.16) Farklı organik maddlr inlndiğind, bu oranın yakıtın yasal bilşimindn tkilndiği görülmüştür. Karbon il hidrojn arasındaki bağ oluşumunun ntropiy 12

30 tkisin oranla, karbonun oksijn, azot v kükürt il yaptığı bağların tkisinin ihmal dilbilği saptanmıştır. Szargut v Styrylska bu oranın H/C, O/C, N/C v S/C atomik oranları il ilişkisini göstrn istatistiksl bir yöntm önrmişlrdir [26]. Bu istatistiksl yöntml, arklı organik madd grupları için β dğrlri ld dilmiştir. Eşitliklr, Çizlg 2.2 d vrilmktdir. β dğrlrinin çvr koşullarından tkilnmdiği kabul dilmktdir. MADDE Gaz Hidrokarbonlar Sıvı Hidrokarbonlar Sıvı C, H, O Bilşiklri Sıvı Tknik Yakıt (ptrol ürünlri) Çizlg 2.2 Farklı organik gruplar için β dğrlri [5]. EŞİTLİK H 1 β = 1,0334 0,0183 0,0694 C H β = 1,0406 0,0144 C H O β = 1,0374 0,0159 0,0567 C C zh zo z z = 2 H 2 S 2 β 1,0401 0,1728 0,0432 0, ,0628 zc zc zc zc N C Ptrol v ptrol ürünlrinin (Psödo bilşnlr) yasal ksrji dğrlri Szargut un önrmiş olduğu şkild, lmntl bilşim il ısıl dğrinin bir onksiyonu olarak ld dilbilir. Szargut un önrmiş olduğu şitliktki küçük dğişiklik il, hr psödo bilşnin standart yasal ksrjisi (2.23) şitliği il hsaplanabilir [27]. 0 0 = AIDiβi psödo zj (2.23) j Burada, psödo bilşnin standart yasal ksrjisi, AID i psödo bilşnin alt 0 psödo ısıl dğri, β i is C, H 2, O 2, S v N 2 kütl ksirlrinin bir onksiyonu olarak yasal ksrji düzltm aktörüdür; z j psödo bilşnd bulunan mtallrin (F, Ni, V,) v suyun kütlsl ksirlri, 0 j psödo bilşnd bulunan mtallrin (F, Ni, V,) v suyun standart yasal ksrji dğrlridir. β i düzltm aktörü şitlik (2.24) il vrilir. z z z z z = (2.24) H O S H N βi 1, , , , ,0628 0,0428 zc zc z C zc zc 13

31 Psödo bilşnin yasal ksrji düzltm aktörünün 1,068 il 1,075 arasında dğiştiği v bu ndnl bazı uygulamalarda psödo bilşnlrin alt ısıl dğrlrinin yasal ksrji dğrlrinin kstirimind kullanılabilği blirtilmiştir. Ayrıa, psödobilşnlr ulaşılamıyorsa, yasal ksrjinin ham ptrol karışımının yığın AID v yığın lmntl bilşim dğrlri il hsaplanabilği blirtilmiştir. Bu varsayım il yapılan hsaplamalarda hatanın %0,69 dğrind olduğu saptanmıştır [27]. Govin v arkadaşları [28], ptrol türvlrin v yakıt karışımlarına ait yasal ksrjilrini, üst ısıl dğrlri il atomik bilşim dğrlri kullanılarak hsaplandığı bir yöntm önrmişlrdir. Bu yöntm gör, yasal ksrji (2.25) şitliği il hsaplanır. Ξ = ΔH T0ΔS (2.25) Eğr sad üst ısıl dğri biliniyorsa, yakıtın ksrji dğri Rant şitliği il hsaplanır: Ξ = 0,975ΔH yanma (2.26) Üst ısıl dğr, osil yakıtların yasal ksrjisi hsabında önmli drd katkı sağlar. Bir osil yakıtın molar yasal ksrjisi ( y ) üst ısıl dğr yardımı il hsaplanabilir. Sıvı yakıtların yasal ksrjilri il üst ısıl dğrlri arasındaki oran, şitlik (2.27) d vrilmktdir [29]. Szargut v arkadaşları [5] t sıvı ptrol türvi yakıtlar için yasal ksrji dğrinin daima alt ısıl dğrindn büyük olduğunu blirtmişlrdir. 0,95 0,985 gaz yakıtlar (CH 4 v H 2 hariç) y 0,98 1 sıvı yakıtlar (2.27) UID 1,00 1,04 katı yakıtlar Ham ptrol il ptrol ksirlrinin üst ısıl dğrlri (2.28) şitliği il Btu/lb birimind hsaplanabilir [30]. * 2 3 = ΔH,60 = ,6G 0,316G 0,0014G (2.28) UID Burada, Δ * H,60, ptrol ksirlrinin üst ısıl dğrini, G is API gravitsini göstrmktdir İdal Çözltinin Karışma Etkisi v İdal Çözlti Olmamanın Etkisi Bilşimi bilinn bir sıvı çözltinin standart yasal ksrjisi (2.29) şitliği il hsaplanır: 14

32 = 0 xi RT i 0 xilnxia (2.29) i Burada, x i i bilşninin ksri, a i i bilşninin aktivit katsayısıdır. Ham ptrol akımının yasal ksrjisi, ham ptrol akımında blirlnn bilşnlrin tablolardan ld dilmiş standart yasal ksrji dğrlri il psödo bilşnlrin hsaplanmış standart yasal ksrji dğrlrinin toplamı (şitliğin sağ taraındaki birini trim) v karışma ksrjisinin toplamı (şitliğin sağ taraındaki ikini trim) gibi iki kısımdan oluşan şitlik (2.29) il hsaplanır [27]. Rivro v arkadaşları yaptıkları bir çalışmada [27], aktivit katsayısının yasal ksrji üzrindki tkisini inlmişlrdir. Bu çalışmada, AspnPlus pross simulasyon programı il hsaplanan aktivit katsayısı tmlind hsap diln yasal ksrji dğri il karışımın idal olduğu kabul dilip aktivit katsayısı 1 şit alınarak hsap diln yasal ksrji dğri arasında çok yüksk olmayan %0,0052 lik bir hata dğrinin oluştuğu blirlnmiştir. İdal çözltinin karışma tkisini inlmk için yapılan başka bir çalışmada [28], bilşimi bilinn Ostashkovithi v Rthitza Byaz Rusya ptrollri il çalışılmıştır. İdal çözlti varsayımı yapılarak, idal çözlti karışma trimi hsaplanmış v yasal ksrjiy tkisinin % 0,11±0,02 olduğu saptanmıştır. Hidrokarbon karışımlarında çözltinin idal olmamasının yasal ksrjiy tkisini inlmk için, bir modl karışım oluşturulmuştur. Yapılan hsaplamalar sonuunda, idal olmamanın yasal ksrjiy tkisinin % 0,07 dğrind olduğu görülmüştür. 2.4 Isıl Sistmlrd Enrji v Eksrji Dnkliklri Enrji analizi, kütl dnkliklri v diğr torik ilişkilr il kullanıldığında çalışabilir bir tasarımın yapılmasında yardımı olur. Tüm kabul dilbilir tasarımlar, birim maliytinin minimiz dildiği optimum tasarımlardır. Optimum bir tasarım, ksrji analizi yardımı il yapılabilir. Eksrji analizi, nrji analizini tamamlamaya yönliktir v onun yrini almaz. Eksrji analizinin doğru bir şkild yapılabilmsi için inlnk olan sistmlrin iyi tanımlanması, sistm sınırlarının ilgili pross uygun olarak blirlnmsi v sistm için yazılaak dnkliklrin doğru olması grkir. 15

33 Trmodinamik yoldan inlnmk istnn bir bölg olan sistm, sistm sınırı adı vriln bir yüzy il, çvrsindn ksin olarak ayrılır. Trmodinamik analizd sistmlr, blirli bir kütlnin vya blirli bir bölgnin analiz sas alınmasına gör, kapalı vya açık olarak nitlndirilir (Şkil 2.3). Kapalı Sistm Enrji Q v/vya W Madd Enrji Q v/vya W Açık Sistm Madd Şkil 2.3 Kapalı v açık sistmin şmatik görünümü Kapalı Sistmlrd Kütl v Enrji Dnkliklri Kapalı sistmlr ya da kontrol kütllri (KK) sınırlarından madd (kütl) gçişi olmayan sistmlrdir. Kapalı sistmlr kütl girişi vya çıkışı olmadığından kütl dnkliğindn bahsdilmz. Kapalı sistmlrd nrji, ısı v/vya iş şklind sistm sınırlarından aktarılabilir. Trmodinamiğin birini yasasına gör, bir sistmin ilk v son hali arasındaki nrji dğişikliği (2.30) şitliği il iad dilir. 2 E = Q W E 1 (2.30) Burada, sistmin nrji dğişimi makroskopik nrji türlri (kintik nrji, potansiyl nrji v iç nrji) şklind yazılabilir: Δ KE ΔPE ΔU = Q W (2.31) Kapalı sistmlr için nrji dnkliği şu şkild iad dilir. Birim zamanda KK dki nrji miktarındaki dğişim = Birim zamanda KK n ısı olarak girn nt nrji miktarı _ Birim zamanda KK dn iş olarak çıkan nt nrji miktarı Kapalı sistm için nrji dnkliği (2.32) şitliği şklind yazılabilir. de dke dpe du = = Q W (2.32) dt dt dt dt 16

34 2.4.2 Açık Sistmlrd Kütl v Enrji Dnkliklri Açık sistmlr ya da kontrol haimlri (KH) sınırlarından madd akışı v ısı v/vya iş şklind nrji aktarımı olan sistmlrdir. Yatışkın sistmlrd kütlnin korunumu Yatışkın sistmlrd sürkli bir akış söz konusudur, birikm olmaz v kontrol haminin hrhangi bir noktasındaki akışın özlliklri zamana gör dğişmz. Açık sistmlr için kontrol hamindki kütl biriinin zamanla dğişimi, kontrol hamin girn v kontrol hamindn çıkan kütl akımları arasındaki arka şittir v (2.33) şitliği il iad dilir. dm dt KH = mg g m (2.33) ç ç Zamanla kütl dğişimi olmayaağından, yatışkın sistmlr için kütlnin korunumu aşağıdaki şkild yazılır: g m = g m ç ç (2.34) Yatışkın sistmlrd nrjinin korunumu Açık sistmdki nrji miktarının zamanla dğişimi kontrol hamin girn v kontrol hamindn çıkan nrji akımları arasındaki arka şittir. Kontrol hamin nrji, iş, kintik, potansiyl vya ısı olarak girbilir vya çıkabilir. Birim zamanda KH dki nrjinin dğişim hızı = Birim zamanda KH d ısı v iş olarak aktarılan nrji Birim zamanda KH n kütl il girn toplam nrji _ Birim zamanda KH dn kütl il çıkan toplam nrji Bir başka iadyl, de dt KH 2 2 vg vç = Q KH W KH m g hg gzg m ç hç gzç (2.35) g 2 ç 2 17

35 de Yatışkın hald ( KH = 0 ) açık sistmlr için, şitlik (2.35) aşağıdaki şkild yazılır. dt 2 2 vg vç Q = KH m g hg gzg W KH m ç hç gzç (2.36) g 2 ç Kapalı Sistmlrd Eksrji Dnkliği Kapalı bir sistmd, sistm il çvr arasındaki ısı v iş aktarımından kaynaklanan toplam ksrji dğişimi Ξ Ξ ) aşağıdaki şitlik il iad dilir. sis,2 sis,1 q w ( sis,2 sis, 1 Ξ Ξ = Ξ Ξ Ξ (2.37) T Isı aktarımı il aktarılan ksrji (2.38) şitliği il vrilir. 2 T Ξ o q = 1 δq T 1 s (2.38) İş aktarımı il aktarılan ksrji (2.39) şitliği il iad dilir. w 0 ( V V ) Ξ = W P (2.39) 2 1 Sistmdki trsinmzliklrdn dolayı tahrip olan ksrji is, Ξ T = T S 0 ür 0 (2.40) şklind iad dilir. Bu şitliklr (2.37) şitliğin yrlştirilrk, kapalı bir sistm için ksrji dnkliği ld dilir. 2 T o ( Ξ 2 Ξ 1) = 1 δq [ W Po (V2 V 1) ] ToS ür T (2.41) 1 s Eksrji Dğişimi Eksrji Aktarımı Eksrji Tahribi Kapalı sistmlr için ksrji hız dnkliği (2.42) şitliği il vrilmktdir. d Ξ = dt j T 1 Tj dv Q j W P0 T o ür (2.42) dt 0 S 18

36 2.4.4 Açık Sistmlrd Eksrji Dnkliği Açık sistmlr için ksrji dnkliği (2.43) şitliği il iad dilir. dξ dt KH = j To 1 Q j W T k KH dv Po dt KH g m g g ç m ç ç T. S o ür (2.43) Ξ q,j Ξ W Ξ g Ξ ç Ξ T Burada, Ξ g v Ξ ç sırasıyla, sistm girn v sistmdn çıkan akımların toplam (iziksl v yasal) ksrji aktarım hızlarıdır; Q j trimi T j sıaklığında sistm sınırından ısı aktarım hızı, W KH iş olarak nrji aktarım hızıdır. Yatışkın sistmlr için, dξ KH /dt = 0 v dv KH / dt = 0 olaağından, şitlik (2.43) aşağıdaki gibi yazılır: 0 = Ξ W Ξ Ξ Ξ (2.44) q,j KH g ç T 2.5 Trmodinamik Vrimlilik Trmodinamik vrimlilik, ısı makinlrinin ya da ısıl pross sistmlrinin prormansı hakkında dğrlndirm yapılmasını sağlayan bir paramtrdir. Mühndislik sistmlrind (ısı makinlri vs.) gnllikl birini yasaya gör tanımlanmış trmodinamik vrimlilik iadlri yaygın olarak kullanılmaktadır. Enrji analizlrind kullanılan nrji vrimliliği (η) (birini yasa vrimi) iadsi gnl olarak, bir sistmdn ld diln nrjinin sistm vriln nrjiy oranı şklind tanımlanır. Q Q ç ç ç,i ç η = = (2.45) g W ΣH W ΣH g g,i ΣE ΣE g Anak, yazılı kaynaklarda bnzr pross sistmlri için arklı trmodinamik vrimlilik dğri tanımlarına rastlanmaktadır [4]. Bu arklılık, analizi yapılan prosslrin sistm sınırlarının arklı şkillrd blirlnmiş olmasından v pross sistmlri il kipmanların trmodinamik vrimliliklrinin hsaplanmasında kullanılan şitliklrin arklı olmasından kaynaklanır. Bir prossin trmodinamik vrimliliği dğrlndirilirkn, sistm sınırları v trmodinamik vrimlilik şitliği prossin işlvin uygun bir şkild blirlnmlidir. 19

37 2.5.1 Eksrjik Vrimlilik v Eksrji Tahribi Birini yasa vrimi mühndislik sistmlrinin dğrlndirilmsind tk başına bir ölçü dğildir. Bir sistmin iş ürtiminin aynı şartlarda maksimum iş ürtbilm potansiyli il karşılaştırılması da bir paramtr olarak dğrlndirilbilir. Bu paramtr ksrjik vrimlilik (ε) (ikini yasa vrimi) olarak tanımlanır. Dolayısıyla, ksrjik vrimliliği tanımlamadaki amaç, sistmin trsinir hal dğişimlrin hangi ölçüd yaklaştığını blirtmktir. Sad iş ürtn vya iş grktirn sistmlrin yanında, hal dğişimlrini d kapsayaak şkild gnl bir ksrjik vrimliliğin tanımlanması önmlidir. Anak üzrind görüş birliği sağlanmış gnl bir vrimlilik tanımı yoktur. Eksrjik vrimlilik, bir tsist yatışkın hald çalışan v ksrji trimlri il açıklanabiln kullanışlı bir çıktı ürtn hrhangi bir pross vya tsis bilşni için tanımlanan gnl bir prormans kritridir. Eksrjik vrimlilik, sistmdn çıkan toplam ksrji aktarım hızının sistm girn toplam ksrji aktarım hızına oranıdır [4], [6]. Ξ ε = Ξ ç g (2.46) Bir prossin vya bir işlmin trmodinamik vrimliliği, onun sas amaına v o amaın grçklşmsind kayıp diln nrjiy bağlıdır. Amaç uygulamadan uygulamaya dğişir. Örnğin, sürkli çalışan adyabatik bir türbinin sas amaı iş ürtmktir. Öt yandan, raktörlr, ayırıılar (dstilasyon v/vya kstraksiyon, kolonları vs.), ısı dğiştiriilr v pompalar içrn yasal prosslrin sas amaı sistm sınırlarından girn v çıkan akımların toplam ksrjilrini arttırmak ya da azaltmaktır [1], [31]. Isıl sistmlrin trmodinamik analiz sonuçları dğrlndirilirkn kullanılan diğr bir paramtr, sistmdki trsinmzliklrin miktarını vrn ksrji tahribi vya kayıp iş trimidir. Sürtünm, karışma, yasal tplr, sonlu sıaklık arkı araılığı il ısı gçişi, srbst gnişlm gibi trsinmzliklr daima ntropi ürtir v ntropi ürtn hrhangi bir olay ksrjiyi yok dr. Eksrji tahribi grçk hal dğişimi için poziti bir nilik taşır, trsinir hal dğişimi için is sıırdır. Eksrji analizi, arklı sistmlrin vya aynı amaç için çalışan arklı boyutlardaki sistmlrin karşılaştırılmaları ksrji tahribi trimi tmlind doğru bir şkild 20

38 yapılabilir. Isıl bir sistmdn çıkan ksrji il kayıp diln ksrjinin toplamı, hr zaman sistm girn ksrjiy şit olmalıdır. Ξ g = Ξ ç Ξ K (2.47) Sistmlrd kayıp diln ksrjinin miktarı (2.48) şitliği il hsaplanır. Ξ K = Ξ T Ξ A (2.48) Toplam kayıp ksrji ( Ξ ), sistm içindki trsinmzliklrdn (ntropi ürtimi) K kaynaklanan tahrip diln ksrji ( Ξ ) v ksrjik dğri olan atık madd akımları il T ısının çvry vrilmsi il atılan ksrji ( Ξ ) dn oluşur. Sistmdn dışarı atılan ksrji A miktarı sıır is, trsinmzliklrdn kaynaklanan ksrji tahribi, sistm girn toplam ksrji il sistmdn çıkan toplam ksrji arasındaki arktan bulunabilir. Ξ = ΣΞ ΣΞ = T S (2.49) T g ç 0 ür Ürün Eksrji Tmlind v Eksrji Tahribi Tmlind Eksrji Dnkliklri Isıl sistmlrin prormans dğrlndirmsind v tasarım optimizasyonunda, sistmin hr bir kipmanı için uygun bir ksrji vrimliliği tanımlamasına ihtiyaç vardır. Yöntm I gör bu tanımlama, hr bir kipmanın özlliğin bağlı olarak oluşturulan ürün ksrji tmlli ksrji dnkliği iadlrin gör yapılır. Burada, ürün ksrji, kipman taraından ürtilmsi istnn ksrji; yakıt is bunu ürtirkn haranan ksrji düşünülrk tanımlanır [23], [29]. Yatışkın hald çalışan bazı pross ihazları için ksrji bağıntıları Çizlg 2.3 d vrilmktdir. Bir k kipmanı v tüm sistm için, ksrji dnkliklri sırasıyla aşağıda vrilmktdir: Ξ = Ξ Ξ Ξ (2.50) y,k y ü,k ü A,k A T,k Σ Ξ = ΣΞ ΣΞ ΣΞ (2.51) T Burada y, ü, A, v T alt indislri sırasıyla yakıt, ürün, atılan v tahrip için kullanılmaktadır. 21

39 Çizlg 2.3 Yatışkın hald bazı pross ihazları için ksrji bağıntıları [29] Pross Cihazı Şmatik Görünüm Ürün Eksrjisi, Ξ ü Yakıt Eksrjisi, Ξ y Dstilasyon Ξ 2 Ξ 3 Ξ 4 Ξ Ξ m ( ) 1 m ( ) ( Ξ 8 m ( Ξ ) m ( ) ) Sıak akım 3 Isı Dğiştirii 2 2 Ξ 2 Ξ 1 4 Soğuk akım 1 Ξ 3 Ξ 4 Oksitlyii Gazlaştırıı ya da 2 Yanma Odası 1 Ξ 3 Ξ 1 Ξ 3 2 Yakıt 1 Baa gazı 3 Yakıt Kazan Su Buharı Ξ Ξ ) ( Ξ ) Ξ Ξ ) ( Ξ ) 2 Hava 4 Kül 5 Su 6 7 Soğuk 8 Sıak ( Ξ7 ( Ξ4 1 > (j 2,3,4,5) v, >,, < j 1 = Isı dğiştiriinin kullanım amaı soğuk akımı ısıtmaktır. 22

40 Toplam atılan ksrji, baa gazı v su buharı gibi çşitli akımlar il sistmdn dışarı atılan toplam ksrjiyi; toplam tahrip diln ksrji is sistm sınırları içrisind trsinmzliklrin oluşması v sıaklık arkından dolayı ısının çvry aktarılması ndniyl tahrip diln toplam ksrjiyi iad tmktdir. Yöntm II y gör yapılan dstilasyon kolonlarının ksrji analizi, ksrji tahribi v minimum ayırma işi kavramlarına dayanmaktadır. Bu yöntm, kaynatıı v yoğuşturuusu bulunan dstilasyon kolonları için uygundur [32 36]. Minimumum ayırma işi, dstilasyon kolonundan ld diln ürünlrin toplam ksrjilri il kolona girn bslm akımlarının toplam ksrjilri arasındaki arktır. Eksrji vrimi, minimum ayırma işi dğrinin gnl ksrji dnkliği kurularak ld diln ksrji tahribi il minimum ayırma işinin toplam dğrin oranı olarak tanımlanır Eksrji Prormans Kritrlri Sistmlrdki vrimliliğin göstrgsi olan prormans drsi doğrudan nrji girdisini tkilr. Bundan dolayı, nrji sistmlri için çşitli prormans kritrlri gliştirilmiş v sistmlrin prormans drlri bu kritrlr gör dğrlndirilmiştir. Isıl sistmlrin ksrji analizi il birlikt, çşitli araştırmaılar taraından trmodinamiğin ikini yasasına dayanan yni prormans kritrlri gliştirilmiştir. Bunlar, ksrjik vrimlilik, ksrji tahribi oranı v gliştirm potansiylidir [5]. Eksrjik vrimlilik (2.46) şitliği tmlind, bir kipmanın ksrji vrimliliği (ε k ) ürün ksrjinin yakıt ksrjiy oranı şklind tanımlanır. ε Ξü,k Ξ T,k k = = 1 Ξ y,k Ξ y,k (2.52) Gliştirm potansiyli Gliştirm potansiyli, bir sistmin iyilştirilmsinin n miktarda v n kadar kolay yapılabilğinin bir ölçüsüdür v Rivro ya gör üç kısımdan oluşur: sistmin 23