Damıtma kolonu tasarımı: Dolgulu kolon tasarım modellerinin karşılaştırılması

Transkript

1 Journal of th Faculty of Enginring and Architctur of azi Univrsity : (7) Damıtma kolonu tasarımı: Dolgulu kolon tasarım modllrinin karşılaştırılması Aynur Şnol * İstanbul Ünivrsitsi, Mühndislik Fakültsi, Kimya Mühndisliği Bölümü,, Avcılar, İstanbul, Türkiy Ö N E Ç I K A N A R Damıtma kolonu tasarımı Dolgulu kolon tasarımına ilişkin fiziksl ölçütlr Dolgulu kolon tasarım modllrinin istatistik analizi Makal Bilgilri Tarama Makalsi liş:..5 Kabul:.5.7 DOI:.7/gazimmfd.76 Anahtar Klimlr: Damıtma kolonu, tasarım, dolgulu kolon, modllm ÖZET Şkil v dış yüzy alanı itibarı il farklı kütl iltimi tkinliğin sahip çşitli gomtrik yapıdaki raflar (tpsilr) v dolgu maddlri ayırma aracı olarak damıtma kolonlarında kullanılmaktadır. Uygun bir damıtma kolonu sçimin dönük stratjik tasarım tknlri gniş litratür vri topluluğu çrçvsind irdlnmiş v ilgili tmas araçlarının işltm özlliklri karşılaştırılmıştır. Tasarım uygulamalarında tanımlanması grkn n blirlyici tknlr is fazlararası kütl transfr alanı, ayırma tkinliği, basınç düşmsi v buhar kapasitsidir. Bu tml tasarım nicliklri ışığında, tpsili trtibatlar il glişigüzl yrlştirilmiş v düzgün istiflnmiş dolgulara ilişkin gnl tasarım modllri tartışılmıştır. nllikl, dğrlndirm kapsamına girn dolgulu kolon tasarım modllri film vya pntrasyon torisin dayanır. Bu bağlamda, dolgulu kolon tasarımına ilişkin n çok kullanılan modllrin hsapsal tahminlri karşılaştırılmıştır. Burada konulan ana hdf is, dolgulu kolon tasarım modllrinin güvnirlilik sviylrinin tanımlanmasıdır. Bu gnl amaçlı tasarım yaklaşımları ilgili tablolarda göstrilmiştir. Dsign of a distillation column: Comparison of packd column dsign modls H I H I H T S Dsign of a distillation column Physical critria for dsigning a packd column Statistical analysis of packd column dsign modls Articl Info Rviw Articl Rcivd:..5 Accptd:.5.7 DOI:.7/gazimmfd.76 Kywords: Distillation column, dsign, packd column, modling ABSTRACT Various gomtrically constructd packings and plats ar commonly usd as sparating tools in distillation columns sinc thy possss diffrnt mass transfr fficincy du to thir shap and surfac proprtis. Th stratgic dsign factors rquird for th slction of a propr distillation column hav bn analyzd on th basis of a larg litratur data bank and th oprating proprtis of rlvant contacting tools hav bn compard. In th dsign practic, th mass transfr intrfacial ara, th fficincy, th prssur drop and th vapor capacity ar th most promising factors that nd to b charactrizd. In viw of ths dsign factors, th common dsign modls covring plat dvics, and random and structurd packings hav bn discussd. Th valuatd packd column dsign modls ar gnrally dpndnt on th film or pntration thory. In this rgard, th prdictiv prformancs of th most usful modls for th packd column dsign hav bn compard. Hr, th main goal is placd on th dscription of th confidnc lvls of packd column dsign modls. Ths common dsign approachs ar prsntd in th rlvant tabls. * Sorumlu Yazar/Corrsponding Author: asnol@istanbul.du.tr / Tl:

2 Şnol / Journal of th Faculty of Enginring and Architctur of azi Univrsity : (7) İRİŞ (INTRODUCTION) ünümüz kimya tknolojisind n çok kullanılan v n önmli trmik ayırma işlmlrindn biri damıtmadır. Damıtma işlminin itici gücü is ayrılması grkn karışımdaki bilşnlrin uçuculuklarının birbirindn farklı olmasına dayanır []. Ayırım için grkli nrjinin diğr birçok işlmlr kıyasla n dolaysız şkli il kullanılması, ayrılması istnn bilşnlrin kaynama noktaları arasında farklılıklar olduğu sürc, n konomik ayırma işlmi olarak pk çok kr damıtmayı grktirir []. Kadmli ayırma işlmi için tasarımlanan damıtma cihazları, Raoult kanunu uyarınca normal homojnli sıvı karışımları, özl azotropik karışımları vya yakın kaynama noktalı bilşnlrdn oluşan karışımların saflaştırılması bakımından diğr tçhizat türlrin trcih dilir []. Bu son iki uygulamada damıtma işlminin yüksk kütl iltim hızları il sürdürülbilir olması için sıvı karışımına yardımcı ayırma ajanı olarak tuz vya iyonik sıvıların katılımına ihtiyaç vardır. Bundan başka, azotropik bilşimlr basıncın fonksiyonu olduğundan basıncın artması il y-x dng diyagramındaki minimum azotropik (mümtaz) nokta aşağı doğru kayar; böylc, sri bağlı olan kolonlardan biri normal basınç vya düşük basınçta diğri daha yüksk basınçta çalıştırmak surtiyl azotrop oluşturan bilşnlri birbirindn ayırmak mümkün olur v düşük basınçta çalışan kolon altından zor uçucu bilşn, yüksk basınçlı kolon altından da kolay uçucu bilşn alınır []. Faz dng münasbtlrin dğişik difüzyon mkanizmaları il kontrol diln kütl transfr hızlarına dayanarak, sıvı karışımlarını ayırmak için dolgulu, raflı, püskürtmli, karıştırmalı v ıslak-duvar kolon tiplri kullanılmaktadır [5]. Kadmli damıtma cihazlarının tasarımında gnllikl iki hdf konulmaktadır: ) fazlar arasında gniş bir tmas yüzyi il ısı v madd alışvrişi için diğr lht şartlar sağlamaktır, ) aşırı kolon basınç düşmsi olmadan kararlı oprasyon koşulları altında optimum karışım miktarlarını işlm sokmaktır [6]. Ayırma tkinliği bakımından raflı kolonlarda, hrbir tpsi lmanı idal bir dng drişimi basamağını tmsil tmktdir. Dolgu yatağı boyunca sıvı il buhar arasında sürkli tmas olanağı sağlayan dolgulu kolonlar is difransiyl kolonlar olarak tasarımlanmaktadır [7]. Sürkli tmas ortamında fazlar arasındaki ısı v kütl alışvrişi özl yapıdaki dolgu maddlrinin yüzyind grçklşmktdir. Ayırma tkinliği, kapasit, maliyt vs. gibi ölçütlr dayalı olarak damıtma kolonları karşılaştırıldığında, ikili sistm yapısını göztmksizin şdğr oprasyon şartları için ft çapındaki kampanalı v in çapındaki sübaplı tpsili kolonların Raschig halkası, Brl yri vya Intalox yri il donatılmış dolgulu kolonlara kıyasla yaklaşık %5-% oranında daha yüksk kapasit v daha gniş buhar yükü çalışma aralığı (çalışma snkliliği vya flksibilit) srgildiklri görülmüştür [7]. Dolgulu kolonlar is vakumu grktirn uygulamalarda tkin olmaktadır [8]. Intalox yri v yni tip iç v dış dolgu yüzylri boyunca çok yönlü sıvı-buhar tmas olanağı sağlayan dolgu yapıları is, diğr dolgulara kıyasla daha üstün ayırma tkinliği srgilmkt olup yaklaşık %- % kadar daha küçük HETP (torik tpsiy şdğr dolgu tabakası yükskliği) dğrlri vrmktdir [9]. Bnzr buhar yüklm faktörü (F = u,5 ) tmlin gör yapılan karşılaştırmalarda is, %85-%9 boğulma oranı bölgsi için tpsili kolonlara ilişkin HETP nin dolgulu kolonlarınkin oranla yaklaşık kat daha büyük olduğu v gniş bir buhar yükü çalışma aralığında oldukça sabit kaldığı görülmüştür [7]. Dolgulu kolonlar, köpük yapma ğilimi göstrn yakın kaynama noktalı karışımların vya ısıya duyarlı korozif v viskoz maddlrin saflaştırılması bakımından tpsili kolonlara trcih dilir []. Dolgu maddsi daha az sıvı tutunması v daha küçük basınç düşüşü sağladığı için vakum uygulamalarında tpsilr trcih dilir. Kanallaşma sorunları yüzündn çapı, m dn büyük kolonlarda dolguların kullanılmaması tavsiy dilir. Buna karşılık, pratikç çapı 6 cm dn daha küçük olan kolonlar dolgu maddli olarak sçilmlidir. Zira küçük çaplı raflı kolonların yapımı zordur [].. DAMITMA KOONU TASARIM ÖÇÜTERİ (DESIN CRITERIA FOR A DISTIATION COUMN) Bolls v Fair [6] ndüstriyl ölçkli uygun bir damıtma sistmini tasarımlayabilmk için algoritmalarca blirlnmsi grkn 7 tml tasarım büyüklüğünü öngörmktdir: ) buhar akış hızı (normal v boğulma şartlarında) ) sıvı akış hızı ) kolondaki basınç drclnmsi ) tmas sistminin ayırma tkinliği (HETP) 5) birim tchizat hacmi başına maliyt 6) tmas sistminin işlmsl snkliliği/flksibilitsi (flksibilitsi yüksk olan sistmlrd HETP gniş bir buhar yükü aralığında dğişmmktdir) 7) tasarım yöntminin güvnirliliği. Bazı hallrd ısı iltimi grçlri, korozyon tknlri, ikili sistmin ısıya karşı duyarlılığı gibi tknlri d karşılaşılan münfrit şartlara bağlı olarak dğrlndirilir. Bu ölçütlr uyarınca Wagnr vd. [9] tarafından yapılan karşılaştırmada is, yüksk tkinliğ sahip dolgu iç v dış yüzy bölglrind akış olanakları sağlayan yni tip modrn dolgu maddlrinin diğr dolgulara kıyasla yaklaşık %6- %8 oranında daha randımanlı çalıştıkları görülmüştür. Dünyada n modrn gomtrik yapıdaki tpsilr v dolgu maddlri v bunlara ait tasarım algoritmaları Koch-litsch uluslararası imalatçı kuruluş tarafından gliştirilmktdir. Kapasit v tkinlik dışında tmas sistminin sçimini blirlyn başka önmli unsur da tsis masraflarıdır. Fiyat büyük ölçüd malzmnin sçimin bağlıdır. Bu durumda, dolgu faktörü F p = a p /ε dğrin bağlı olarak farklı dolgu malzmlri için Eckrt ın [] tklif ttiği Ekonomi Faktörü (E c = F p,5 $/ft dolgu) fiziksl ölçüt olarak kullanılabilir. Ptrokimya ndüstrisind blli bir ayırmanın maliytini düşürbilmk için başta sübaplı, kampanalı (fanuslu) v dlikli tpsilr olmak üzr dğişik tpsi türlri kullanılmaktadır []. Raflı kolonlarda buhar v sıvı arasındaki tmas alanını arttırabilmk v sistmi dngd tutabilmk için tpsilrin yanı sıra yardımcı lmanlara da ihtiyaç vardır. Bunlar akma boruları, giriş-çıkış stlri v sıçrama ngllridir. Dlikli vya kampanalı tpsilrd dlik vya kampana çapı küçüldükç ayırma tkinliği arttmakta v normal işltmd çalışılan buhar hızı aralığı gnişlmktdir. 66

3 Şnol / Journal of th Faculty of Enginring and Architctur of azi Univrsity : (7) Ancak, kalın lvhalara küçük dliklrin vya kampanaların yrlştirilmsind d tknik zorluklar mvcuttur. Dliklrin vya kampanaların düznlnmsi iki türlü olur: ya kar (squar pitch) ya da üçgn (triangular pitch) yrlşim düzni kullanılır []. Pratikt gnllikl üçgn yöntmi uygulanmaktadır. İki dliğin vya kampananın mrkzlri arasındaki msaf dlik vya kampana çapının il 5 katı arasında dğişir. Dliklrin vya kampanaların srbst alan yüzdsi is, kolon ksit alanının %5-%5 i kadardır. Endüstriyl dlikli tpsilrd dlik çapları il 5 mm arasında dğişbilir; fakat n yaygın sçiln dlik çapları - 9 mm arasındadır []. Paslanmaz çlik vya bakır malzmsindn imal diln tpsi lvhalarının kalınlığı gnllikl dlik vya kampana çapının / si il / ü arasında sınırlıdır. Toplama stlri (vya giriş-çıkış stlri, inlt-outlt wirs) is tpsi üzrind blli bir sıvı yükskliğini tmin dn yardımcı tpsi trtibatlarıdır. Tpsid tutulan sıvının dinamik yükskliği, buharın tpsiy giriş noktasının (dlikli vya sübaplı tpsinin yüzyi ya da kampanadaki yarığın tpsi) üzrindki sıvı yükskliğin şdğrdir []. Uygulanan vakum vya normal işltm şartlarına gör st yükskliklri il cm arasında dğişbilir []. Tpsili tmas sistmlrind, sıvı karışımı aşırı sıçrama vya köpüklnmnin olduğu bir özllikt is çıkış sti yanında sıçrama ngllri (splash baffls) bulundurmak yaygın bir uygulamadır []. Tpsilr arasıdaki msafnin (T s ) küçük kolonlarda cm, ticari kolonlarda 6 cm v büyük vakum kolonlarında da cm boyutunda olması tavsiy dilir []. Sıvı akışının bir tpsidn bir alt tpsiy iltilmsini sağlayan akma boruları (downcomrs) tkli vya çoklu dairsl dmt şklind tasarımlanırlar []. Akma borusunun kapasitsi (m akan sıvı/zaman boru ksit alanı), köpüklnmnin olduğu sistmlr için 6-9 cm/s civarında tutulur, köpüklnmnin olmadığı sistmlr için is 8 cm/s y kadar yüksltilir. Akma borusunun alt ucunun bir alttaki tpsiy olan msafsi 6-,5 mm olarak tutulur; fakat akışa fazla dirnç göstrrk taşmaya ndn olmaması için d bu msafnin,5 mm dn daha az olmaması tavsiy dilir []. Esasn aynı tkinliği sürdürdüğünd kampanalı v sübaplı tpsilrdn daha yüksk kapasitli olmalarına rağmn, dlikli tpsilrin tasarımlandıkları işltm şartlarından daha düşük buhar hızları il çalışılması pratikç uygun dğildir [5]. Tpsili damıtma kolonlarının n büyük kusuru is tasarımlandıkları buhar hızının altında çalıştırıldıkları takdird boşalma (dumping) vya ağlama (wping) olarak tabir diln, sıvının tpsi boşluk alanından srbstç aşağıya akması olayının cryan tmsidir []. Boşalma, tpsidki sıvı hidrostatik basıncı, bu sıvıyı tpsid tutan buhar basıncına şit olduğu zaman mydana glir. Ağlama is, buharın dlik vya kampana çıkışında yarattığı vakum ndniyl, bir kısım sıvının buhar yolunu takip drk alt tpsiy sızması il başlar. Tpsi vriminin düşmsin yol açan bu iki olayın önlnbilmsi için (i) dlik vya kampana çapının küçük tutulması, (ii) tpsi kalınlığının arttırılması, (iii) blli bir tpsi düznin ilişkin minimum buhar kütlsl hızının (V m ) tasarımlanması grkmktdir []. Tpsili damıtma sistmin ilişkin diğr önmli işltm paramtrsi d işltm koşullarında boğulma mydana gtirn maksimum (boğulma) buhar hızıdır (U f ). Pratikt, bu fiziksl kısıtlamaların yarattığı tkilri karşılayabilmk için optimum bir tpsili kolon tasarımını grktirir [6]. Tipik bir dlikli vya kampanalı tpsili kolon tasarımında uygulanan hsapsal işlmlr ana hatlarıyla Kistr [] v Chopy [] tarafından vrilmiştir: i) Normal dlikli tpsili kolonlarda dliklrin toplam alanı kolon ksit alanının %8-%5 i kadar sçilir, dlik çapları (d ho ) is - mm alınır, dliklr arasındaki msaf t ho = (,5 )d ho (mm) dnklmi il hsaplanır; ii) Akma boruları il toplama stlrinin alanları kolon ksit alanının % u kadardır; iii) Dliklrin toplam açıklık oranı ψ ho =,9(d ho /t ho ) dnklmi il hsaplanır, akma v toplama stlrinin alanları da dikkat alınırsa tpsinin toplam açıklık oranı ψ t =,8ψ ho bulunur; iv) Bir tpsidki dlik sayısı n ho = ((d ho ) E /d ho ) şitliği il hsaplanır, (d ho ) E dliklrin hpsin ait şdğr çaptır; v) Buhar yüklm F- faktörü F = u V V,5 dnklmi il hsaplanır, burada u V (m/s) buhar yüzysl hızı, V (kg/m ) buhar yoğunluğudur (Almanca kaynaklara gör F nin hsabı için F =,5 - T s / /d ho /5 yaklaşımı kullanılabilr, T s (mm) raflar arasındaki msafdir); vi) Kolondaki buhar hızı u V,k = F[( V )/ V ],5 m/s olarak hsaplanır, v V sıvı v buhar yoğunluklarıdır; vii) Dliklrdki buhar hızının hsabı için u V,ho = / V,5 şitliği kullanılabilir; viii) Akma stindki sıvının akış hızı kütl dnkliğindn türtilmiş olan u,d = M /(A ) şitliği il hsaplanabilir, kolondaki sıvı miktarı = r D out şitliği il hsaplanır, r rflüks oranı, D out dstilat miktarı, M sıvı karışımının ortalama molkül ağırlığı, A akma stinin ksit alanı A,A k, A k kolon ksit alanıdır; ix) Bu vrilrdn harktl kolonlardaki maksimum buhar hızı (boğulma hızı) U f v minimum buhar kütlsl dbisi V m hsaplanır, V m = ( u V,ho /M ){C d k [M /(u,d )],5 /}, C = 5,7 katsayı, d k (m) kolon çapıdır, U f = C(σ/), [( V )/ V ],5, C katsayısının dğri [] nolu kaynaktan bulunur, σ sıvı faz yüzy grilimidir. Raflı kolonların mühndislik tasarımı %6 boğulma oranına gör yapılır []. Diğr bir dğiml, tpsi türü v modl güvnirliliğin ilişkin mniyt katsayılarının katılımıyla,6u f buhar hızı için kolon çapı d k hsaplanır. Yukarıda vriln tasarım şitliklrinin büyük bir kısmı kampanalı tpsili kolonlar için d gçrlidir. İstisnai durumlar için kampanalara özl olarak uyarlanan tasarım şitliklri kullanılır: i) F faktörü için F =,5(T s d kam ) / /d kam / dnklmi kullanılabilir. T s (mm) tpsilr arasındaki msaf, d kam (mm) kampana çapıdır ii) Tpsidki toplam kampana sayısı n kam = [(d k /6d kam ) + ] + şitliği il hsaplanabilir d k (m) kolon çapı, d kam (mm) kampana çapıdır. Bundan başka tpsid mydana gln basınç düşmsi, tmas sistminin maliyti v işlmsl snkliliği/flksibilitsi, tasarım yöntminin güvnirliliği vs gibi tknlrin d algoritmalarca blirlnmsi grkmktdir. Diğr raflı kolon türlrin ilişkin hsap yöntmlri is Kislr [], Sadr v Hnly [], Chopy [], Xu vd. [], arcia v Fair [], Domingus vd. [5], Norilr vd. [6], v Taylor [7] isimli kaynaklarda vrilmiştir. Dolgulu kolonlarda dolgu yüzyind sağlanan sürkli gazsıvı tması çşitli kampanalı, dlikli vya sübaplı tpsilr aracılıyla ksikli, tsirli kadmlr halind d 66

4 Şnol / Journal of th Faculty of Enginring and Architctur of azi Univrsity : (7) grçklştirilbilir. Hrbir tpsid dngy ulaşıldığı kabul dilrk, Raoult kanunu uyarınca saflaştırmak için grkli olan torik tpsi sayısı y/( y) = αx/( x) bağıntısından türtilir []. Burada α bağıl uçuculuk, x v y is bilşnin sıvı v buhar fazındaki mol ksirlridir. Ancak pratikt idal dngy ulaşmanın mümkün olmadığı için bulunan torik tpsi sayısı pratik gçrliliği olan ortalama bir tpsi randıman katsayısı (toplam tkinlik faktörü) E il bölünrk grçk dng durumları sayısına gçilir (E = N torik /N grçk ). Tpsiy ilişkin birysl ayırma tkinliği is Murphr tkinlik faktörü il blirlnir, E M = (y A ç - y Ag )/(y A * - y Ag ); burada, y A g v y A ç tpsi girişi v çıkışındaki A bilşnin buhar fazı mol ksirlri, y A * is dngdki A bilşnin mol ksridir []. Ancak, kolon boyunca kütl aktarım dirnçlri v dolayısıyla, Murph tkinliği d tpsidn tpsiy önmli dğr dğişiklri göstrmktdir. Bu bağlamda, optimum bir E M dğrini tasarımlayabilmk için buhar v sıvı akış hızları, toplama sti yükskliği, dlik vya kampana çapı, tpsid sıvının izldiği yol, sıvı fazın yüzy grilimi v tpsinin toplam açıklık oranı gibi tknlrin algoritmalarca blirlnmsini grktirir. arcia v Fair [] is, raftaki sıvıbuhar disprsiyonunun konumu itibarıyla üç farklı hidrodinamik rjiml gliştiği varsayımdan harktl, film köknli kolon tkinliği modllri gliştirmiştir. nllikl, büyük ticari kolonların mühndislik tasarımına dönük toplam tkinlik faktörü E =,6 (%6) olarak alınmaktadır []. Ancak, pratik uygulamalarda başka bir E dğri d sçilbilir. Zira, tpsi özlliğin özgün E dğri dğişkn olmakla birlikt, blli bir ayırma v sistm için güvnilir bir tkinlik dğri d torik yoldan tahmin tmk oldukça zordur []. Bu bağlamda, Domingus vd. [5], tpsidki fazların akış düznin gör çapraz akışlı sübaplı v zıt/çift yön akışlı raflı (dualflow tray) kolonların toplam tkinliklrin ilişkin dnysl vrilr il film köknli torik modl sonuçları karşılaştırmıştır. Şkil d görüldüğü gibi, sübaplı tpsiy ilişkin dört ayrı modlin öngördüğü toplam kolon tkinliği dğrlri arasında büyük farklılıklar gözlmlnmktdir ki bu durum modl güvnirliliği açısından tasarım hatalarına yol açmaktadır [5]. Buna karşılık, raflı kolondaki hidrodinamik akış rjimin bakılmaksızın torik yaklaşımların öngördüğü optimum E dğri d yaklaşık olarak %6 dır [6]. Söz konusu modllrin uygulama alanlarını sınırlayan başlıca unsurlar is tpsi yapısı, işlm tabi tutulan sıvı karışımının fiziksl özlliklri, tpsidki sıvı akımının izldiği yol v çalışma rjimin ilişkin kütl, momntum v nrji dnkliklridir [7]. Bütün bu tknlr uyarınca, Norilr vd. [6] nin gliştirdiği akışkan dinamiği modli aracılıyla dlikli tpsili bir kolonun nokta v toplam tkinliklri il bilşn v tmpratür profillrini torik olarak tahmin tmk hasıl olmuştur. Bu modl, diğr yaklaşımlara oranla dnysl tpsi tkinliği ölçümlrin daha yakın sonuçlar vrmktdir. Bütün bu bilgilr ışığında, modl mniyt faktörlrini d kullanarak tpsili kolon tasarımı yapılmalıdır. ünümüzün mvcut glişm düzyind, ticari damıtma kolonlarının mühndislik tasarımı film vya pntrasyon torisin dayalı gnl amaçlı algoritmalar vasıtasıyla grçklşmktdir. nllikl, sistm tknlri, akış şartları il ilgili tknlr v fiziksl tknlr olarak tml tasarım ölçütü çrçvsind damıtma kolonlarının randımanları v işltm özlliklri karşılaştırılmaktadır []. Sonuç olarak, blirli özlliklr sahip bir damıtma düznğini tasarımlayabilmk için çok.5 Chan-Fair Domingus arcia-fair arcia. Toplam Kolon Etkinliği.75.5 Şkil. Sübaplı tpsili kolona ilişkin dğişik tasarım modllrinin öngördüğü toplam tkinlik dğrlrinin karşılaştırılması [5] (Comparison of th total fficincy valus prdictd by diffrnt dsign modls rlativ to a valv tray column [5]) Kolon Boğulma Faktörü

5 Şnol / Journal of th Faculty of Enginring and Architctur of azi Univrsity : (7) sayıda dğişknin bağıl tkilrinin istatistik analizi grkmktdir (Tablo ). Tablo dki vrilr ışığında n uygun kolon tipinin sçimi için sistm, akış v maliyt ölçütlri olmak üzr çok dğişknli dğrlndirmyi kapsayan optimum tknlr matrisinin oluşturulmasına dayanır. nl olarak, tpsili kolonların tasarımı v bakımı Etkn a I. Sistm Etknlri Kolon çapı: < m m > m Isıya duyarlı sistm Kirltici-tıkayıcı sistm Korozif sistm Viskoz sistm İçtn soğutmalı sistm Köpük yapan sistm Yakın kaynayan sistm Süspansiyon sistmi Çalışma basıncı: < kpa -, kpa >, kpa II. Akış Etknlri Yüksk flksibilit Küçük basınç düşmsi Düşük sıvı dbilri Yan akımlar olanakları Sıvı tutunması Yüksk kapasit III. Fiziksl Etknlr Bakım Düşük maliyt Tasarım kolaylığı Tablo. Damıtma kolonlarına ilişkin işltm özlliklrinin karşılaştırılması [] (Comparison of th oprating proprtis of th distillation columns []) Raflı kolon Dlikli / Sübaplı tpsi yüksk kolay c Kampanalı tpsi yüksk kolay c Çift yön/zıt akışlı tpsi yüksk kolay c Dolgulu kolon lişigüzl yrlştirilmiş dolgular b küçük zor Örgü tipi istiflnmiş dogular küçük a ayırma ünitsinin kullanılması uygun dğildir, düşük randımanlı ayırma ünitsi, gnld uygulanabilir ayırma ünitsi, n uygun sçnk. b Optimum akış hızı için tasarımlanır. c Raflı kolonlarda adam dliklri açılabilir. Tablo. Damıtma kolonlarında kullanılan tmas sistmlrinin randımanları [9] (Prformanc of th contacting systms usd in th distillation columns [9]) zor Etkn a Buhar kapasitsi Sıvı kapasitsi Etkinlik (Z/N p ) b Flksibilit Basınç düşmsi Düşük maliyt Kirltici sistmlr için kapasit Tasarım kolaylığı Kampanalı tpsi 5 Dlikli tpsi 5 Sübaplı tpsi 5 Çift yön akışlı tpsi lişigüzl yrlştirilmiş dolgu 5 () c 5 () () () () () Düzgün istiflnmiş dolgu () () a 5 mükmml, çok iyi, iyi, orta, kötü. b Np grçk tpsi sayısı, Z dolgu yükskliği. c Parantz içindki dğrlr yüksk boşluk ksrin (ε) sahip dolgular için gçrlidir. 665

6 Şnol / Journal of th Faculty of Enginring and Architctur of azi Univrsity : (7) kolay, işlmsl kskliliği (flksibilitsi) gniş v kapasitsi d yüksk olduğundan ptrokimya tsislrind ayırma işlmi için tpsili damıtma araçları trcih dilir []. Daha düşük kapasitli vakum uygulamalarında is dolgu maddsi küçük basınç düşüşü sağladığı için tpsilr trcih dilir [7]. Fakat bakımı zor olduğu için sınai ölçkt dolgulu kolonlara rağbt düşüktür. Raktif dstilasyon uygulamalarına dönük düşük trmal dayanıklılıktaki maddlrin saflaştırılmasında kullanılan buhar-sıvı-sıvı üç vrli dolgulu damıtma kolonlarının yaklaşık %-% oranında ayırma tkinliği kaybına uğradıkları görülmüştür [8]. Chn vd. [8] gör tkinlik kaybına sbbiyt vrn başlıca unsurlar, kararsız haldki ikinci sıvı faz akışında mydana gln fazlararası yüzy alanı azalması v kütl transfr hızlarının düşük olmasıdır. Damıtma kolonları için gliştiriln Bolls v Fair ın [6] tasarım yöntmi uyarınca, buhar v sıvı kapasitlri, ayırma tkinliği, basınç düşüşü, çalışma snkliliği (flksibilit) v tçhizat maliyti ölçütlrinin blirlnmsi grkmktdir. Bu olçütlrdn sinlnrk, standart v özl yapıdaki tpsilr il glişigüzl yrlştirilmiş v düzgün istiflnmiş (örgü tipi) dolguların prformanslarına dönük daha gniş kapsamlı bir karşılaştırma ualito vd. [9] tarafından yapılmıştır (Tablo ). niş bir dğişknlr matrisi yapısına sahip gnllştirilmiş tasarım algoritması nitliğindki bu son çalışma Txas Ünivrsitsi Ayırma Prosslri Araştırma Programı (Sparation Rsarch Program at th Univrsity of Txas in Austin) çrçvsind grçklştirilmiştir. Tablo dki damıtma kolonuna ilişkin tasarım ölçütlrinin istatistik sonuçları uyarınca, tıkanma problmi v konomi faktörü hariç, düzgün istiflnmiş dolgulu kolonlar diğrlrin kıyasla daha yüksk tkinlik v kapasit v daha düşük kolon basınç düşüşü özlliklrin sahiptir. Taylor [7] is, tmas sistminin tkinlik, kapasit v flksibilit özlliklrinin yanı sıra sçiln tasarım yöntminin güvnirliliğinin d önmli tkn olduğunu ilri sürmktdir. Ayrıca, ticari biyodizl ürtim tsislrind yr alan damıtma kolonlarının randımanlarını iyilştirmk v işltm maliytlrini asgariy düşürmk için kolon kompozit-ntalpi ğrilri il ksrji kaybı profillrinin simülasyonu v trmodinamik analizi grkmktdir []. Nitkim, Nguyn v Dmirl in [] simülasyon yöntmi uyarınca, bslm karışımının sıcaklığında v sıvının rflüks oranında yapılan dğişikliklrl toplam ksrji kayıpları %7 nisptind azaltılmıştır.. DOUU KOON TASARIMINA İİŞKİN FİZİKSE ÖÇÜTER (PHYSICA CRITERIA FOR DESININ A PACKED COUMN) Dolgulu damıtma kolonlarında muhtlif tip v boyutta dolgu maddlri kullanılmakla birlikt vrim v ayırma tkinliği açısından normal bir işltmd gniş buhar-sıvı tmas alanı, küçük sıvı tutunması v gniş buhar hızı çalışma aralığı sağlayabiln dolgu profillrinin gnllikl trcih dildiği bilinmktdir []. Ayrıca, dolgulu kolonun optimum çalışma sahasının algoritmalarca tanımlanabilmsi önmlidir []. Bolls v Fair [6] optimum buhar yükünü boğulma 666 hızının %7-%8 i şklind tklif tmktdir. Bu bağlamda, glişigüzl doldurulmuş v kafs şklind istiflnmiş dolgulu kolonların mühndislik tasarımı, tkinlik v kapasit tknlrinin d yr aldığı gniş dğişknlr matrisinin irdlnmsini grktirir []. Dolgu ayırma tkinliği v kolon kapasitsi is dolgunun gomtrisi v düznlnmsinin, sıvı v buhar akış hızlarının, kolon basınç düşmsinin, iki akışkanın fiziksl özlliklri il kütl iltimi dirnçlrinin bir fonksiyonudur []. Bu bilgilr yardımıyla kolon çapı (d k ) v dolgu yükskliği (Z) fiziksl kul tasarımı olarak bulunur. Bolls v Fair ın [6] öngördüğü kolon tasarımı basamakları kronolojik olarak şu şkild uygulanır:. Dolgu maddsi sçimi. Amaca yönlik olarak uygun bir dolgu maddsi sçilir;. Kolon kapasitsi (kolon çapı, d k ) tayini. Uygulanması amaçlanan işltm şartlarına gör algoritmalarca maksimum buhar hızı (boğulma hızı) hsaplanır. Bu vrilrdn harktl kolon çapı blirlnir;. HETP tayini. Sçiln kütl transfr modlin gör HETP v grkli dng durumları sayısı (torik tpsi sayısı, N p ) tayin dilir;. Kolon basınç düşmsi hsabı. Tasarımlanan optimum buhar yükü dğrin bağlı olarak algoritmalarca basınç düşmsi paramtrsi hsaplanır. Dolgulu kolonların ayırma tkisi, torik bir tpsi tkinliğin şdğr olan dolgu maddsi yükskliği şklind ifad dilir v umumiytl, bu dolgu yükskliği için şdğr yüksklik vya HETP trimi kullanılır. HETP nin düşük olması istnir. Fakat bir mtr dolgu maddsi yükskliğin isabt dn torik tpsi sayısı kolon boyunca dğişik olabildiği gibi, işlm sokulan sistmin fiziksl özlliklrin v buhar hızına da tabidir. nllikl, bir dolgulu kolonun tkinliği üzrin tsir dn çok sayıda dğişknlrdn tasarım uygulamaları için üç unsur önm kazanır: a) sistmin fiziksl özlliklri, b) dolgu maddsinin gomtrisi v boyutları, c) buhar hızı [5]. Bundan başka, Kistr [] kolon çapının ayırma tkinliğin katkısını hsaplamak için şu yaklaşımı önrmktdir, HETP = HETP [ +,7log(d k /d k )], burada d k v d k kolon çaplarıdır. Dolgulu kolonun ayırma tkinliği il bu dğişknlr arasındaki ilişkilr oldukça karmaşık olmakla birlikt dğişknlr matrisin k olarak sıvı v buhar fazları kütl iltim dirnçlri il algoritmalarca ihtiyaç duyulan bazı varsayımların da dahil dilmsi grklidir [7]. Bu alanda atılacak n önmli adım is, optimum çalışma şartlarını analitik yoldan tanımlayabilck yaklaşımların gliştirilmsidir [6]... Sistmin Fiziksl Özlliklri (Physical Proprtis of th Systm) Viskozit, difüzyon sabitlri, yoğunluk v yüzy grilim gibi sistm özlliklrinin tkilri boyutsuz sayılar şklind göstrilmy çalışılmış is d bunların sistmatik analizi yapılmamıştır. Ancak viskozit v difüzyon katsayıları damıtma snasında çok az dğişir [6]. Buna karşılık yüzy griliminin özllikl tancik tşkkülünd rolü büyüktür. Bu ndnl, Zuidrwg v Harmns [7] ikili sistmlri pozitif, ngatif v nötral olarak yüzy grilimlrin gör sınıflandırmıştır. Eğr kolay uçucu bilşn (k.u.) düşük yüzy grilimli is sistm pozitif; yüksk yüzy grilimli is

7 Şnol / Journal of th Faculty of Enginring and Architctur of azi Univrsity : (7) sistm ngatif v yüzy grilim bilşim tabi dğil is sistm nötral olarak kabul dilmktdir. Bir kolonda tkinlik, pozitif sistmlrd daha büyüktür v bu sistmlrin bilşnlrin ayrılmaları daha kolaydır. Zuidrwg v Harmns [7], pozitif v ngatif sistm davranışlarını sıvı film akışında mydana gln yüzy grilim drclnmsi il açıklamaktadır. Farklı sıvı film akışlarına ilişkin yüzy grilim drclnmsi Şkil d göstrilmiştir. Pozitif sistmlrd (Şkil ), k.u. bilşnin buharlaşması sonucu kolon boyunca k.u. bilşn bakımından fakirlşn yüksk yüzy grilimli inc sıvı film bölglri oluşmaktadır. Bu bölglrin yüzy grilimi, traftaki kalın film tabakalarınınkin oranla daha büyük olacaktır. Bu drclnmnin sonucu olarak, sistmin toplam yüzy-nrji dngsizliğini indirgyck biçimd kalın film bölgsindn inc film bölgsin doğru doğal bir sıvı akışı grçklşcktir. Bu da film akışını kararlı kılar v d gniş bir ıslak yüzy alanı sağlar. Ngatif sistmlrd is, sıvı film akışına karşı koyan trs yöndki bir yüzy grilim drclnmsi tkili olmaktadır (Şkil ). Pozitif davranan bir ikili sistmin bilşnlrin ayrılması daha kolay olur. Buna karşılık sıvı tutunması yüksktir v daha düşük sıvı akış hızlarında çalışılmaktadır. Bu davranışa örnk olarak Norman ın [8] ıslak duvar tipi bir kolonda minimum azotrop tşkil dn n-propanol/su sistmi il alınan ıslanma drcsi sonuçları göstrilbilir. Ayırma sürçlrin ilişkin yüzy grilim drclnmsinin fiziksl tkilri kapsamlı olarak Brg [9] tarafından irdlnmiştir... Dolgu Maddsinin omtrik Özlliklri (omtrical Charactristics of th Packing) Dolgu maddsinin gomtrisi HETP tayinind n büyük tkndir v çapı blli bir kolonda aynı zamanda maksimum buhar yükünü d blirlr. Ancak, gniş içrikli dnysl vri topluluğu çrçvsind, farklı dolgu gomtrilri, sistmlri v kolon işltm koşullarına matmatiksl olarak cvap vrbilck gnl amaçlı tasarım algoritmasına litratürd rastlanmamaktadır. Bunun ndni is, çok sayıda dğişknin bağımsız olarak analizini rasyonl bir algoritma içrisind birlştirmnin matmatiksl açıdan çok zor oluşudur [9]. Dolgulu bir kolonda kütl iltiminin n yüksk düzyd grçklşbilmsi v bunun yol açtığı basınç düşüşünün az olması için üç çşit dolgu maddsi kullanılır: kırılmış dolgular, şkillndirilmiş dolgu malzmlri v ızgaralar. Ayrıca, kolona yrlştirm düznin gör d glişigüzl yrlştirilmiş v düzgün istiflnmiş dolgu maddlri olarak iki gniş sınıfa ayrılırlar. nld glişigüzl yrlştirm düznin ilişkin dolguların özgül yüzylri daha büyüktür. Ayırma tkinliklri d yüksktir. Kafs vya örgü şklind istiflnmiş dolgu tiplri is kolona bir bütün olarak yrlştirilir v çoğunlukla daha düşük basınç düşüşü v akışkanların daha büyük buhar dbilrini daha pahalı bir tsisat aracılıyla sağlayabilir. Sramik, dövm vya haddlnmiş mtallr, cam, plastik vs. gibi malzmlrdn ürtilbiln dolgu maddlrindn gnllikl dört özlliğin uygun olması istnir [6]: a) dolgu özgül yüzyi a p, b) boşluk ksri ε, c) sıvı tutunması h, d) malzm v maliyt. Normal bir işltmd bütün bu istklrin hpsini karşılamak mümkün dğildir. Bunların bağıl önmlri karşılaşılan münfrit durumlara bağlı olarak algoritmalarca dğrlndirilir []. İyi bir dolgu maddsi, düzgün olarak kolona doldurulabiln v aşırı sıvı tutunması v basınç düşüşü olmadan tkin buharsıvı tması v yüksk buhar dbilrini sağlamak üzr yüzy alanı il srbst (boşluk) hacminin uyumlu olduğu dolgu maddsidir []... Dolgulu Kolonda Sıvı Tutunması (iquid Hold-up in a Packd Column) Dolgulu kolonlarda tmas tkinliğini azaltan n önmli ndnlrdn birisi kanallaşma olayıdır. Dolgu maddsinin büyüklük vya sıklığındaki dğişikliklr fazların kanallar oluşturmasına bağlı olarak muhtmln tkinlik kaybına ndn olabilir. Buhar-sıvı sistmlrind iki tür kanallaşma aynı anda mydana glbilir, yrl v kaba kanallaşma. Kanallaşma yrl olduğunda, aşağı akan sıvı bütün ksit Şkil. Sıvı film akışında oluşan yüzy grilim drclnmsi a) pozitif sistm b) ngatif sistm Y sıvı yüzy grilimi x ku k.u. bilşnin mol ksri (Th surfac tnsion gradint occurring in th liquid film flow a) positiv systm b) ngativ systm Y liquid phas surfac tnsion x ku mol fraction of mor volatil componnt) 667

8 Şnol / Journal of th Faculty of Enginring and Architctur of azi Univrsity : (7) alanına dağıtılır fakat dolgu yüzyinin bir kısmı ıslanmaz. Sıvı v buhar akışları kolon boyunca farklı bölglrd yoğunlaştığında kaba kanallaşma mydana glir. Vidwans v Sharma [], halkalı dolgular üzrind boyama yöntmi il ölçüln ıslanma drcsinin kolon çprlrind daha fazla olduğunu göstrmiştir. Bu bağlamda, glişigüzl partikül dağılımına sahip bir sistmin toplam yüzyinin minimum dğrin, yani bir kürnin tmsil ttiği şkl yönlm ğilimind olduğundan, dolgu maddsi kolon çprlrinin hmn yakınında kolon içrisin oranla daha uyumlu oturma özlliğini srgilmktdir. Yrçkimi tkisi il aşağıya doğru akan sıvı doğal olarak n az dirnçli yoldan gçm ğilimind olduğu için duvarlara doğru yoğunlaşacaktır. Kanallaşma yalnız duvar boyunca dğil, dolgu içrisind d oluşabilck düşük dirnçli yollarda grçklşmktdir. Bu alanda yapılan araştırmalar, kaba kanallaşma ğiliminin kolon çapı v dolgu yükskliği il orantılı arttığını v istiflnmiş bir dolgulu yatakta glişigüzl düznin kıyasla daha fazla olduğunu göstrmiştir [7]. unn [], rastgl yrlştirilmiş dolgulu kolonlara ilişkin sıvı dağılımının diky v yatay ksnlri boyunca aynı düzn v yoğunlukla gliştiği v bunun yol açtığı sıvı faz hız drclnmsinin izotropik (şdğr) nitlikt olduğunu ilri sürmktdir. Hriki ksnl simtrik dağılıma ilişkin sıvı faz hız drclnmsi is aşağıdaki kısmi difransiyl Eş. il hsaplanmaktadır []. D s r k 668 u u r = r r k z k k Burada, D s sıvı yayılma faktörü, u diky ksnli sıvı akış hızı, r k kolon yarı çapıdır. Sonuç olarak, kolon cidar bölgsindki dolguların diziliş düzni itibarıyla daha düzgün olduğundan, sıvının o bölgy doğru yönlmsi kolaylaşır. Nitkim unn v Al-Saffar [], dnysl olarak diky v yatay ksnli sıvı faz hız dağılımının anizotropik (şdğr olmayan) yapıda olduğunu bulmuş v bu ksnl dağılımı modllyn aşağıdaki difransiyl dnklmi (Eş. ) gliştirmiştir. P K = k rs P K as + r () z r r k k rk Burada, K as diky sıvı yayılma faktörü, K rs yatay sıvı yayılma faktörü, u as = -K as ( P/ z) diky ksnli sıvı akış hızı, u rs = -K rs ( P/ r k ) yatay ksnli sıvı akış hızı, P dağıtıcı lvha il oprasyon noktası arasındaki sıvının potansiyl farkıdır. Bu yaklaşım, glişigüzl yrlştirilmiş dolgu düznğindki grçk sıvı dağılımına daha yakın sonuçlar vrmktdir. Kouri v Sohlo [], dolgulu bir kolona ait iki ksnli sıvı hız profillrinin dolgu yatağı boyunca farklı boyutta gliştiğini bulmuştur. Pizzo vd. [5] is, glişigüzl yrlştirilmiş dolgulu kolonlara ilişkin sıvı dağılımını kantitatif olarak tanımlayabilmk için global tkinlik v disprsiyon tkinliği isimli iki dağılım faktörünü önrmktdir. Bunlardan global tkinlik (Ef ), kolon buyunca yüksklikl dğişn sıvı dağılımının kantitatif () ölçüsüdür, disprsiyon tkinliği (Ef D ) is yrl sıvı yayılma drcsini blirlyn tkndir (Eş. ). = ( α ') % ; Ef D ( ) % Ef = ξ () Burada, α v ξ sıvıya ait düzltm paramtrlri olup, sırasıyla, normallştirm gnliği katsayısı v disprsiyon katsayısıdır. Kanallaşmanın yaratacağı tmas tkinliği kaybını karşılamak için dolgu yükskliğinin kolon çapına (Z/d k ) oranının 7 v daha büyük olması durumunda sıvı dağıtıcı plaka sistminin kullanılması tavsiy dilir [6]. Çapı, m dn büyük olan kolonlar için is hr 5-8 kolon çapı yükskliğindki aralıklarla vya maksimum hr ft başına birr sıvı dağıtıcı plakanın konulması önrilmktdir [6]. Ayrıca büyük çaplı (d k ft) kolonlarda hrbir ft kolon ksit alanı için n az noktadan sıvı bslnmsinin grktiği blirtilmktdir [7]. Shariat v Kunsh in [7] gliştirdiği yni tüp şklindki sıvı dağıtıcı plaka sistmi (tubd drip pan, TBP) saysind, Pall halkası dolgu malzmsin tkabül dn ayırma tkinliği - kadm arttırılmıştır. Buna bnzr tkinlik artışı sonuçları, TBP dağıtıcı plaka sistminin kullanıldığı örgü tipi dolgulu kolonlarda da alınmıştır [8]. Dağıtıcı plaka kullanımına sas rfrans tşkil dn büyüklük is kolon çapı/dolgu çapı (d k /d p ) oranıdır [6]. Dolgu maddlrinin boyutları bnzr, şkillri simtrik v kolon çapının dolgu çapına oranı 8/ vya daha büyük olduğunda kanallaşmanın tkisi minimuma düşr. Çapların oranı / olması halind dolgu maddsi kolon çprlrin sıkıca uyar v maksimum tkinlik sağlanır. Ancak bu oranın Raschig halkaları için (/) i, yrlr için (9/) i v içtn akışlı yni modrn halkalar için d (5/) i aşmaması tavsiy dilir [6].. DOUU KOON TASARIM MODEERİ (PACKED COUMN DESIN MODES).. lişigüzl Yrlştirilmiş Dolgulu Kolonlara İlişkin Kütl İltimi Tasarım Modllri (Mass Transfr Dsign Modls for Randomly Packd Columns) Bu bölümd, glişigüzl yrlştirilmiş v düzgün istiflnmiş dolgu maddsi gomtrilri için gliştiriln tasarım modllri dğrlndirilcktir. Modl prformansı büyük ölçüd tasarım algoritmasının başarı oranını blirlr. Torik dolgulu kolon tasarım modllrinin öngördüğü dğrlrinin doğruluk mrtbsi uygulanan münfrit sistm v işltm koşullarına tabidir. Dolayısıyla, modl yapısına ilişkin açıklayıcı bilgilr ihtiyaç vardır. İki önmli tasarım büyüklüğü olarak kullanılan fazlararası tkin yüzy alanı (a ) v HETP (vya gaz fazı transfr birimi yükskliği, H O ) kavramları kütl iltim mkanizmasının tmlini oluşturmaktadır. a nin boyutu m /m olup, birim tçhizat hacmi başına glişn tkin kütl iltim alanı olarak tasarımlanır. Pntrasyon v yüzy ynilnm torilrin dayanan çşitli tasarım modllri kütl iltim mkanizmasının daha grçkçi fiziksl tarifini sağlayabilir

9 Şnol / Journal of th Faculty of Enginring and Architctur of azi Univrsity : (7) []. Fakat günümüzün mvcut glişm düzyind bunlar iki film kütl iltim bağıntılarının gçrliliğini önmli ölçüd tkilmmiştir. Bu dğrlndirmnin pk gçrli olmadığı istisnai bir durum gnl akı şitliğindki difüzyon katsayısı triminin ksponnt dğri il ilgilidir. İki film torisin gör, gnl akı şitliğindki D nin ksponnti dir. Buna mukabil, pntrasyon torisi / lik dğri öngörmktdir. Oysa uygulanabiln iki film kütl iltim katsayısı bağıntıları, özllikl, mvcut çalışmada kullanılan Onda v Shulman [9] modllri bu iki torinin öngördüğü difüzyon sınırları arasında yr alan bir diffüzivit tkinliğin bağımlılık göstrmktdir. Şöyl ki, gaz tarafı için D nin ksponnti / dir; sıvı faz film dirnci için d / lik bir ksponnt söz konusudur [7]. Burada, dğrlndirm kapsamına girn iki film v pntrasyon modllri aracılığı il birysl kütl iltim katsayıları v HETP nin hsaplanması amaçlanmaktadır. Tasarım hsaplamalarında iki dğişik işlm uygulanmaktadır. İlk uygulama tarzı, tmli hacimsl kütl iltim katsayısı, yani birysl kütl iltim katsayıları (k v k ) v fazlararası tkin yüzy alanı (a ) nın brabrc hsaplanmasına dayanır. Bu yöntm matmatiksl açıdan uygun düştüğü için Cornll in Monsanto modli [6] yakın gçmiş kadar rağbtt idi. Diğr bir yaklaşım is, kütl iltim katsayılarının v tkin yüzy alanının birbirindn bağımsız olarak analizin dayanır. Bu araştırmanın başlıca gaysi, modl tasarım dnklmlrind yr alan sıvı faz birysl iltim birimi yükskliği (H ), gaz fazı birysl iltim birimi yükskliği (H ), gaz tarafı toplam iltim birimi yükskliği (H O ) v dng-işltm hatları ğimlr oranı (λ) büyüklüklrinin hsaplanması il ilgili gnl bir problmin çözümün yarayabilck uygun bir algoritmanın gliştirilmsidir. Başka bir ifad il, H, H, H O v λ büyüklüklrinin hsaplanması sistmin fizikokimyasal özlliklri cinsindn boyutsuz sayılar il ifad diln k, k, v a nicliklrinin bulunmasına bağlıdır. Kolon boyunca glişn yoğunluk v sıcaklık drclnmlrin karşılık fazlararası yüzy alanı da orantılı olarak dğiştiğindn optimum a dğrinin algoritmalarca blirlnmsi grkmktdir. nllikl tasarım hataları a nicliğinin dnysl olarak başarılı bir şkild blirlnmmsindn kaynaklanmaktadır. Kütl iltimi için lvrişli olan fazlararası yüzy alanı işlm tipindn tipin önmli dğr dğişiklri göstrmktdir. Bu hususta araştırıcıların görüş ayrılıkları önmli bir handikap tşkil drk tasarım uygulamalarında başarısızlığa yol açmaktadır. Yatışkın haldki bir sistmd artan tmas alanı il orantılı olarak kütl iltim hızları da artacağından, % tkinliğ tkabül dn idal dngy ulaşmanın olanağı da doğar. Pntrasyon v film torilrin bağlı olarak yapılan öncki araştırmalar dolgunun dış (a p ) vya ıslak (a w ) yüzy alanı il fazlararası tkin yüzy alanı (a ) nicliklrinin birbirindn farklı fiziksl büyüklüklr olduğunu göstrmiştir []. İlk önc, absorpsiyon sistmlri dikkat alınarak fazlararası kütl iltim alanı için ıslatılmış dolgu yüzy alanı a w kavramı kullanılmıştır [9]. Bu sasa dayalı tasarım modllri absorpsiyon sistmlri için iyi ntic vrmktdir. Ancak damıtma sistmind bnzr uyarlamalar daima hatalara sbbiyt vrmiştir []. Bravo v Fair [] v Snol [], inclnn dnl sistm vrilri ışığında a dğrinin a w dn farklı olduğunu tspit tmişlrdir. Dolgulu damıtma kolonlarına ilişkin kütl aktarımının karmaşık fiziksl görünümü yüzündn kütl iltim dirnçlri il a nin dnysl ölçümü umumiytl başarısız olmaktadır. Islatılmış dolgu yüzyinin yanı sıra, sıvı film akışında mydana gln ani sıvı dalgalanmaları v sıçramaları, sıvıda çözünn gaz kabarcıkları, srbst düşn sıvı damlacıkları, gaz fazı tarafından sürüklnn sıvı partiküllri vs. gibi akış şartlarındaki düznsizliklrin yarattığı k bir kütl iltim alanını da hsaba katmak grkir []. Kolon boyunca glişn kütl iltim hızları da kuramsal olarak kütl iltim katsayıları, tkin fazlararası yüzy alanı, sıvının yüzy grilim drclnmsi v dinamik tutunması il yayınım katsayılarından yararlanarak bulunabilir [9]. Ancak, a nin analitik sonucu vya dnysl ölçümü il ilgili karşılaşılan zorluklar yüzündn litratürd yayınlanan tasarım sonuçları ksriytl k v a nicliklrinin toplam tkisini vrn hacimsl kütl iltim katsayısı (k a ) ya gör düznlnmiştir [6]. Algoritmalarca optimal çözümü sağlayacak n uygun yaklaşım is birysl kütl iltim katsayılarının v fazlararası tkin yüzy alanının birbirindn bağımsız olarak yorumlanmasıdır []. Nitkim Onda vd. [9] v Yoshida v Koyanagi [], damıtma il absorpsiyon sistmlrini l aldıklarında bnzr işltm koşulları (dolgu özgül yüzy alanı a p, kolon çapı d k, buhar yüklm faktörü F v.s.) için a nin işlm tipin gör dğiştiğini tspit tmişlrdir. Özllikl, damıtmada a nin absorpsiyon sistmlrin oranla daha büyük olması önmli ölçüd sıvı faz yüzy grilimindn kaynaklandığı ilri sürülmktdir. Bu alanda yapılan çalışmalardan Bravo v Fair ın [] a modli sınai ölçktki damıtma kolonları v dolgu tiplri için özl olarak gliştirilmiş olan orijinal bir yaklaşımdır. Ancak, bu modl önmli bir tasarım problmini d brabrind gtirir. Şöyl ki, Bravo-Fair modlind yalın olarak yr alan σ yüzy grilim dğişknin,5 lik ksponnt artışı, Fi kapilr film sayısındaki total yüzy grilim tkinliğin yaklaşık olarak şdğrdir. Ayrıca, tklif diln modl ancak yüklm noktası civarı v bunun altında kalan %-%8 Fl (boğulma oranı) sahasını iyi tanımlamaktadır. Modlin boğulma bölgsini d tanımlayabilmsi bakımından yni bir dğişkn vya boyutsuz sayının modl klnmsiyl daha başarılı bir tasarım modlinin ld dilcği düşünülmktdir. Bu bağlamda, bütün buhar hızı çalışma bölgsi için gçrli olan Snol un [] kütl iltim modli aracılıyla optimum çalışma sahasını analitik olarak tanımlamak mümkündür. Tasarım mniytini sağlamak için modl güvnirliliği il ilişkili istatistik tasarım faktörlri d modl dğrlri il birlikt kullanılmalıdır []. Taranan kaynaklarda, gnllikl iki film v pntrasyon torilrin dayalı k ; k, a v HETP tasarım şitliklri yr almaktadır. Etkin bir modl güvnirlilik analizi için yüzy ynilnm v film-yüzy ynilnm torilrindn türtiln bağıntılar bu dğrlndirmnin kapsamına girmmktdir. 669

10 Şnol / Journal of th Faculty of Enginring and Architctur of azi Univrsity : (7) Kütl aktarım hızlarındaki görcli dğişimlri tanımlayabiln iki tml tasarım algoritması uygulanmaktadır: ) k v a nicliklrinin brabrc hsaplandığı hacimsl kütl iltim katsayısı k a ya dayanır. ) k v a nicliklrinin birbirindn bağımsız olarak analizin dayanır. Birinci hsap yöntmind yr alan kütl aktarım dnklmlri basit ifadlr indirgnbilir, fakat karşılıklı tkim yüzündn k v a nin tkilri görünmybilir. Burada inclnn tasarım modllri ikinci tür yaklaşıma bağlı modllrdir. Böyllikl, k v a nicliklrinin birbirindn bağımsız olarak yorumlanabilmsi hasıl olmuştur. Optimal çözüm varabilmsi için d iki çşit özl problmin çözülmsi grkmktdir. Bunlar, işlm tipin gör n uygun birysl kütl iltim katsayısı bağıntılarının sçilmsi v fazlararası tkin yüzy alanı modlinin gliştirilmsi problmi il damıtmada söz konusu dng hattının linrlştirilmsi problmidir. Başka bir dğiml, kolonun toplam tkinlik (HETP) dğrinin hsaplanması, k, k v a nicliklrinin bulunmasına bağlıdır. Buna istinadn Snol [], a = f(%fl) v HETP = f(%fl) fonksiyonlarının türv açılımlarından harktl dolgulu bir kolonun optimum çalışma sahasını analitik olarak tanımlayabilck modl dnklmlrini gliştirmiştir. Dolgu özgül yüzy alanı a p tmlin kurulan hsap yöntmlrinin öngördüğü film dirnçlri sağlıklı yakınsanmış dğrlr olmayıp önmli tasarım hatalarına yol açmaktadır. Burada, k v a nin birbirindn bağımsız olarak yorumlanabilmsi için pratikç tasarım kolaylığı sağlayabiln n gçrli tasarım şitliklri l alınmıştır (Tablo ). Diğr önmli tasarım nicliği is kolonda tutulan sıvı miktarıdır. Sıvı tutunması, hrhangi bir zaman dilimind cihaza vriln sıvının bir kısmı dolguların üzrind sıvaşmış hald harktsiz kalan sıvı v film akışını tmin dn harkt halind sıvı (dinamik hold up) olmak üzr kolon içind tutulan (alıkonulan) toplam sıvı miktarıdır. Dinamik sıvı tutunması, cihazın optimum vriml çalışabilmsi için minimum bir madd birikimi sağlamaktadır. Dinamik sıvı tutunması h, kütl iltim katsayısı k v fazlararası tkin yüzy alanı a nicliklri il ilgili olarak litratürd yr alan n başarılı torik modllr Tablo t vrilmiştir. İki film torisind hm sıvı, hm d gaz tarafı film dirnçlrinin baskın olduğu varsayımdan harktl, transfr birimi yükskliği H O = H + λh v HETP nicliklri için tml tasarım dnklmi olarak Eş. gliştirilmiştir [6]. lnλ lnλ HETP = H ( ) O = H + λh () λ λ Burada, λ = m/( m / m ) dng-işltm hatları ğimlr oranı, m dng ğrisi ğimi, m v m (kmol/s) sıvı v gaz molar akış hızları, H = /(k a ) v H = /(k a PM ) sıvı v gaz tarafı birysl iltim birimi yükskliklri (m), P işltm basıncı (Pa), M gaz fazı mol ağırlığı, sıvı yoğunluğu (kg/m ), v sıvı v gaz fazları kütlsl akış dbilri 67 (kg/m s), k v k sıvı v gaz tarafı birysl kütl iltim katsayılarıdır (kmol/m s atm). H O trimi is, bir dolgulu kontrol lmanındaki film dirnçlrinin kütl iltimin karşı toplam tkilrini blirtir. Sçiln yöntmin optimal çözüm varabilmsi için d H, H v λ tasarım büyüklüklri il fonksiyonl ilişkisi olan k, k v a nicliklrinin algoritmalarca boyutsuz sayılar aracılıyla mniytli bir şkild hsaplanmasına dayanır []. Wagnr vd. [9], iki film tasarım modllrinin yrin, yni tip modrn dolgular için gliştiriln Higbi nın pntrasyon torisin dayalı k, k, a v HETP tasarım şitliklrini önrmktdir (Tablo ). Snol [] is, tml tasarım büyüklüklrinin türvsl dğişimlrini analiz dbilmk için optimum a, HETP, d k v buhar hızı çalışma sahasını analitik olarak tanımlayabiln fazlararası yüzy alanı (a ) v boğulma hızı ( f ) modllrini tklif tmiştir. Bu yni tasarım yaklaşımı uyarınca, dolgulu bir damıtma kolonunun optimum çalışma sahasına tkabül dn a, HETP, d k v buhar hızı büyüklüklrini istatistiksl olarak tanımlamak mümkündür. Wagnr vd. [9] gör, a v HETP y ilişkin modllrin yapısında, kolon hidrodinamiğin dayalı basınç düşmsi v sıvı tutunması dğişknlrinin d yr alması grkmktdir. Modl güvnirliliği açısından, ikili sistmin fiziksl özlliklrin v dolgu boyutuna bağlı olarak tasarım modllri çok farklı v şaşırtıcı sonuçlar vrmktdir []. Bu bağlamda, inclnn modllrdn absorpsiyon sistmlri için Onda [9] yaklaşımları, damıtma sistmlri için Bravo-Fair [], Snol [] v Billt [7] modllri, modrn dolgu maddsi yapıları için Wagnr [9] modli v Hanly in basınç düşüşü [] v kütl transfri [] bağıntıları v n glişmiş yapıdaki dolguların kullanıldığı üç vrli buhar-sıvı-sıvı damıtma uygulamaları için d Chn [8] yaklaşımları n güvnilir sonuçlar vrmktdir. Çalışmada dğrlndiriln modllrdn film torisi köknli tasarım yaklaşımlarının bnzri pntrasyon mnsuplu olanlarınkin kıyasla daha başarılı sonuçlar vrdiği aşikardır. Mutlak vya nispi hata tmlin dayalı modl güvnirliliği analizind, modlin tkinlik kazandığı mniyt aralığının alt sınırı sıfır ya da ngatif bir dğr olarak kabullnir. Diğr bir analiz yöntmi is log oranı objktif fonksiyonu sasına dayalıdır []. Kararlı hal kütl iltim modllrinin hsapsal tahminlri Şkil v Şkil t vrilmiştir. Şkil t HETP = f(%fl) fonksiyonl dğişimin bağlı olarak dnysl tkinlik vrilri il torik modl sonuçları karşılaştırılmıştır. Dny düznği [] nolu kaynakta vrilmiştir (dolgu maddsi çapı d p = 6,5 mm, dolgu özgül yüzy alanı a p = 7, m /m, kolon iç çapı d k = 9 cm, kolon boşluk ksri ε =,55 m /m, dolgu yatağı yükskliği Z =,89 m, triklortiln/n-hptan sistmi). % boğulma oranı (%Fl) kolondaki grçk buhar hızı dğrinin aynı çalışma koşullarında boğulma mydana gtirn maksimum buhar hızına oranıdır. Şkil tki kütl iltim modllrinin öngördüğü torik HETP sonuçları karşılaştırıldığında, %5- %8 boğulma oranı bölgsi uyarınca Bravo-Fair v Wagnr modllrinin Onda v Shulman [9] modllrin oranla algoritmalarca daha yakınsanmış tahminlrl hdftki dnysl vrilri tmsil ttiklri görülür.

11 Şnol / Journal of th Faculty of Enginring and Architctur of azi Univrsity : (7) Tablo. lişigüzl yrlştirilmiş dolgulu kolonlara ilişkin tkinlik (HETP), fazlararası kütl iltim alanı (a ) v sıvı tutunması (h ) tasarım modllri (Th fficincy (HETP), intrfacial mass transfr ara (a ) and hold-up (h ) dsign modls for randomly packd columns) Modl Adı v Kaynak Eşitlik. Ayırma tkinliği (HETP) tasarım şitliklri HETP = lnλ λ H = lnλ λ H + λh Film modli [6] [ ( )] [ ( ) ]( ) O,5 Pntrasyon modli [9] HETP = [ π ( ε h ) u D ] + [ h D M (( ε h ) D M ) ]. Fazlararası tkin yüzy alanı (a ) bağıntıları Yoshida-Koyanagi [] a µ = W πd µ Onda vd. [9],,5, a a = xp, R Fr W ( σ σ ) w p 5,5,5 { } χ a,75 ( ) Puranik-Voglpohl [5],,, 8 ( ) a a, 5 w p = R W σ σ Bravo-Fair [],5, ' ( )( ), 9 a ap =, 98 σ Z Ca R Wagnr vd. [9] a [( ) ( )] / a = ε + h ε α p d Hanly vd. [] a a = ( f ) a [ xp( ψ ' W )], Brito vd. [6] a ap =, 65R bk p c Snol [] c ' c c c a a = c [( σ σ ) ( Fl) ] ( Fi ) ( Ca R ) ( W R ) ( σ σ ) 5 p l h % A. Sıvı faz kütl iltim katsayısı (k ) bağıntıları Shulman vd. [7],5 k = 5, D a 6( ε ) 6 ε u a µ [ µ D ], 5 p p Onda vd. [9] ( ) [ ( )] ( ) ( ) / /,5 k =, µ g u a µ Sc a d, 5 c [ ][ ( ) ( )] ( ) Zch-Mrsmann [8],5 6 k = C( gd σ ) ( u ) ( ( ) /, 5 p gd p 6D πd p Shi-Mrsmann [9],5,9,,,8,5,, k [ ( )] ( ) ( ) / =,9 6D,9cos πd p u g ε σ θ ap µ Schults [5] 6,5 k = C( g µ ) ( ( )) ( ) / a D ε u / p ap.5 Billt [5] / k = C( g µ ) / ( D ( ε )) µ Hanly vd. [] a / / k d D = A R Sc Wagnr vd. [9] k = [ φ D u ( πh )], 5 χ B. az fazı kütl iltim katsayısı (k ) bağıntıları w c [ ] [ ] ( ) Shulman vd. [7] ',6 / k ( ( )) [ ],m RT D =,95 d p µ ε µ D Onda vd. [9],7 ( ( ))( ( ) ( ) ( ) / k = 5, Dap RT apµ Sc apd p Zch-Mrsmann [8] k = C[ ( ε + ) ]( [ ) ( )] /, ε ε Du µ d p Hughmark [5] ( ) [ ( ) ] / + k = u a f / k +,5a f / p s T p s + k ( ){ [ ( ) ] / ( ) T =,97 Sc ap tan,6,9sc ap tan 5,5, 9Sc Billt [5],5,5,75 k = C a ( ε ) D ε h u a µ / Hanly vd. [] a,8 / RTk d D = A R Sc [ ]} / [ ][ ( ) ][ ( )] ( ) p p Sc Wagnr vd. [9] k = [ φ D u ( π ( ε h ) )], 5 χ. Dinamik sıvı tutunması (h ) modllri,,,,7 Otak-Okada [5] h =,8Fr R ( R ); h = 8,Fr R (, R ) Buchanan [5] ( ) / ( ) / 6 h =, Fi +, Fr 8 Bmr-Kalis [56] / h ( ) / =, ap µ R Hanly vd. [] h = f + a ( f ) [ ( )] / xp ψ ' W / [ µ ( )] / bk p bk d gε Stichlmair vd. [] /,65 h =,555 a µ ( gε ) + [ P Z g ] { [ ] } { ( ) } p p p c 67

12 Şnol / Journal of th Faculty of Enginring and Architctur of azi Univrsity : (7) Snol [] Onda [9] 9 Bravo-Fair [] Shulman [7] 6 Wagnr [9] HETP (dnysl) P g (dnysl) 6 7 HETP (cm) 8 P (kpa/m) g %Fl = (/ f) Şkil. lişigüzl yrlştirilmiş dolgulu damıtma kolonu için ld diln dnysl HETP vrilrinin modl dğrlri il karşılaştırılması P g dnysl kolon basınç düşmsidir [] (Comparison of th xprimntal HETP data with th modl stimats obtaind for a randomly packd distillation column P g is th xprimntal column prssur drop []) a (m /m ) 9 6 d p 9, mm 6,5 mm,8 mm sistm I sistm II sistm III dnysl Snol [] Bravo-Fair [] Onda [9] 6 8 %Fl = (/ f ) Şkil. Etkin yüzy alanı a nin boğulma oranı %Fl il dğişimi - Triklortiln/n-hptan I mtilsiklohkzan/tolün II v bnzn/tolün III sistmlri v üç farklı boyuttaki dolgu maddlri için torik v dnysl a sonuçlarının karşılaştırılması [] (Variation of th ffctiv intrfacial ara a with th flooding ratio %Fl - Comparison of th obsrvd a with stimats for th systms trichlorothyln/n-hptan I mthylcyclohxan/tolun II and bnzn/tolun III and thr packings of diffrnt sizs []) 67