Proses Tekniği 6.HAFTA 6.HAFTA BUHARLAŞTIRICILAR YRD.DOÇ.DR. NEZAKET PARLAK
Kaynama Kaynama Mekanizmaları: Kaynamakta olan bir sıvıya ısı aktarımı, buharlaştırma ve damıtmanın olduğu petrol işleme, kimyasal reaksiyonlardaki sıcaklık kontrolü, sıvı gıdaların buharlaştırılması gibi birçok işlemlerde çok önemlidir. Kaynamakta olan sıvı, genellikle kaynama için ısı sağlayan tüpler, dikey veya yatay levhalara sahip olan bir kap içine konulur. Isıtma yüzeyleri elektriksel olarak ısıtılabileceği gibi, ısıtılan yüzeyin diğer tarafında sıcak veya yoğunlaşan bir akışkanla da ısıtılabilir.
Kaynama Kaynamakta olan bir sıvıya ısı aktarım sürecinde buharlaşma gerçekleşir. Isıtılan yüzeyde buhar kabarcıkları oluşur ve sıvı içinden yükselir. Buhar sıvı seviyesinin üzerinde birikir ve buradan dışarı çekilir. Kaynamada sıvının sıcaklığı, cihaz içindeki basınçta bu sıvının kaynama noktasıdır.
Kaynama 100 de kaynayan su içine bir tel daldırıldığında; Isı akısı (W/m 2 ): q/a Sıcaklık farkı (K): T = T w 373,2 Burada T w telin sıcaklığıdır. Isı taşınım katsayısı (W/m 2 K) : h Önce düşük T lerde, sonra yüksek T lerde, q/a ve h değerleri ölçülerek deney yapılır. Elde edilen değerler ile bir grafik çizilir.
Kaynama Kaynama kompleks bir olaydır. A: Doğal taşınım B: Çekirdek kaynama C: Geçiş kaynaması D: Film kaynama
Örnek: Ceketli bir kazandan ısı aktarımı
Buharlaştırma Kaynamakta olan bir sıvıya ısı aktarımı, proses endüstrisinde oldukça sık görülen ve buharlaştırma genel adı verilen bir süreçtir. Buharlaştırmada, kaynamakta olan bir sıvıdan oluşan buhar uzaklaştırılır ve geriye daha derişik bir çözelti kalır. Buharlaştırma aynı zamanda sulu bir çözeltiden suyun uzaklaştırma işlemidir ve ayırma prosesi olarak ta adlandırılabilir. Buharlaştırma; şeker, sodyum klorür, sodyum hidroksit, gliserol, tutkal, süt, portakala suyu gibi proseslerde derişikleştirme için kullanılmaktadır.
Buharlaştırmada proses faktörleri Sıvıdaki derişim Çözünürlük Maddelerin ısıya karşı hassasiyetleri Köpüklenme veya kabarma Basınç ve sıcaklık Kabuk birikimi ve yapı malzemeleri
Buharlaştırmada donanım tipleri ve işlem yöntemleri
Buharlaştırmada donanım tipleri ve işlem yöntemleri Açık kaynatma kabı; sıvının kaynatıldığı bir kaptan ibarettir. Isı enerjisi bir ceket içerisinde veya sıvı içine daldırılan serpantin içinde su buharının yoğuşturulması ile sağlanabilir.
Buharlaştırmada donanım tipleri ve işlem yöntemleri Yatay borulu doğal dolaşımlı buharlaştırıcı; buhar yatay borulardan girer, ısısını derişikleştirilmek istenen sıvıya aktarır ve terk eder. Sıvı çözelti kaynar, buharı ayrılarak tepeden terk eder. Ucuzdur. Viskoz olmayan ve kabuk oluşturmayan sıvılara uygundur. Dolaşımı zayıftır, sürekli çalıştırılırlar.
Buharlaştırmada donanım tipleri ve işlem yöntemleri Dikey borulu doğal dolaşımlı buharlaştırıcı; sıvı borular içinde yükselir, merkezdeki aralıktan aşağıya doğru akar. Viskoz olmayan sıvılara uygundur. Şeker, tuz ve kostik soda endüstrisinde yaygındır.
Buharlaştırmada donanım tipleri ve işlem yöntemleri Uzun borulu dikey tip buharlaştırıcı; su buharı tarafında ısı aktarım hızı yüksek olduğundan sıvı hızı da yüksektir. Sıvı borulardan bir defa geçer, temas süresi düşüktür. Genellikle yoğun süt üretiminde kullanılır.
Buharlaştırmada donanım tipleri ve işlem yöntemleri Zorlanmış dolaşım tipi buharlaştırıcı; dikey borulu tipteki buharlaştırıcılara çıkış derişik hattı ile besleme hattı arasına pompalı bir boru bağlantısı ilave edilmiştir. Viskoz sıvılara için kullanılır.
Buharlaştırmada donanım tipleri ve işlem yöntemleri Düşen film tipi buharlaştırıcı; dikey borulu tipteki buharlaştırıcılara çıkış derişik hattı ile besleme hattı arasına pompalı bir boru bağlantısı ilave edilmiştir. Viskoz sıvılar için uygundur. Meyve suyu üretiminde kullanılır.
Evaporatör: Buharlaştırıcılar Evaporatörler içerisinde sıvının kaynadığı, buharlaştığı cihazlardır.
Isı transfer katsayıları
Evaporatör yardımcıları Yoğunlaştırıcılar Vakum pompaları Kondensat uzaklaştırıcıları (Kapanlar,pompalar) Çözelti damlacıklarını tutan cihazlar Köpük tutucular
Tek tesirli evaporatörler F= besleme akımı (Feed) L= Yoğuşmuş derişik çözelti (Liquid) V= Buharlaşan kütle akımı (Vapor) Toplam Kütle Dengesi F=L+V Çözünen komponent dengesi F.x F =L. x L +V.y Kayıplar ihmal edildiğinde enerji korunumu ifadesi [Seyreltik çözeltideki ısı]+[su buharındaki ısı]=[derişik çözeltideki ısı] +[Çözücü buhardaki ısı]+[yoğunlaşmış buhardaki ısı]+[isı kayıpları] [F. h F ]+[m S.H s ]=[V H] +[L.H L ]+[m S.h s ] Buharlaştırıcıda harcanan ısı enerjisinin tümü: Q= m S (H s -h s ) Gerekli ısıtma yüzeyi alanı Q=U.A T
Sakıncalar Yapılan hesaplamalarda: Besleme akımının sıcaklığının etkisi, yoğunlaşan su buharının yoğuşma sıcaklığının altında olması gibi etkiler ihmal edilir. Çözüm: Çok soğuk besleme akımı kullanılması durumunda bir ön ısıtıcı ile kaynama sıcaklığına kadar yükseltilebilir. Kaynama noktasının yükselmesi : endüstride kullanılan çözeltilerin bir çoğunda derişikleştirilecek çözeltilerin termal özellikleri, suyun termal özelliklerine yakındır. Bu değerler su tablosundan alınabilir. Fakat çoğu zaman çözeltilerin derişik olması sebebi ile çözeltiye ait özgül ısı, gizli ısı, kaynama sıcaklığı gibi değerler suyun değerlerinden farklı olur.
DUHRİNG KAİDESİ Kaynama noktası sıcaklığının yükselişi bilinen bir kanunla hesaplanamaz. Bu kaideye göre; çözeltinin kaynama sıcaklığı aynı basınçtaki suyun kaynama sıcaklığına karşılık gelecek şekilde grafik kağıdına yerleştirilirse, çözeltinin her konsantrasyonu için düz bir doğru meydana gelir. Sodyum hidroksit çözeltisi ile su DUHRİNG diyagramında; 25,6 kpa basınçta %30 NaOH çözeltisinin kaynama sıcaklığını bulalım. Su 25,6 kpa basınçta 65,6 C de sıcaklıkta kaynıyor. Bu sıcaklık değerinden %30 yüzdesi doğrultusuna düz çıkılarak, kesiştiği yerden yine düz bir çizgi ile NaOH çözeltisinin kaynama sıcaklığı 79,5 C bulunur. Buna göre kaynama sıcaklığı yükselişi 79,5-65,6=13,9 C
DUHRİNG KAİDESİ
Sıcaklık artışı BU NEDEN ÖNEMLİ? Çünkü bu yükselme eveparatörün çalışma koşullarını belirler. Örneğin atm basıncı altındaki %50 lik NaOH çözeltisinda yaklaşık 45 C sıcaklık artışı olur. Bu da çözeltiyi kaynatacak su buharının basıncını değiştirir.
Entalpi-Konsantrasyon diyagramları Sıcaklık yükselmesi çözeltiye ait termodinamik özellikleri değiştirir. Aynı zamanda bazı çözeltiler su içerisinde çözündüğünde bir miktar ısı açığa çıkabilir. Entalpi-konsantrasyon diyagramında iki bileşenli bir sistem için verilen entalpi değerleri bulunur.
Entalpi-Konsantrasyon diyagramı NaOH
Örnek-Tek tesirli evaparatör Bir evaparatör 4536 kg/h debisindeki %20 lik NaOH çözeltisini, 60 C deki su içerisinde %50 katı konsantrasyonunda bir ürün elde etmek için kullanılıyor. Doymuş buharın basıncı 172,4 kpa ve buhar bölümündeki basınç 11,7 kpa dır. Toplam ısı transfer katsayısını 1560 W/m 2 K dir. Kullanılan buhar miktarını, ısıtma yüzeyini hesaplayınız.
Çözüm Verilenler: F=4536 kg/h ve F=L+V F.xF=L.xL 4536.(%20)=L.(%50) L=1814 kg/h F=L+V V=2722 kg/h Önce suyun kaynama noktası doymuş tablodan 11,7 kpa için 48,9 C bulunur. Sonra DUHRİNG diyagramından %50 NaOH kaynama sıcaklığı 89,5 C bulunur. Sıcaklık yükselmesi 89,5-48,9=40,6 C. Entalpi-Konsantrasyon diyagramından 60 C de %20 NaOH için h F =214 kj/kg 89,5 C de %50 NaOH için h L =505 kj/kg 11,7 kpa ve 89,5 C deki su için kızgın buhar tablosundan Hv=2667 kj/kg bulunur. 172,4 kpa daki doymuş buhar buharlaşma ısısı λ=hs-hs=2214 kj/kg
Çözüm Enerji dengesi F.h F +m s.h s =L.h L +V.H V +m s.h S 4536.214+m s.(2214)=1814.505+2722.2667 m s =3255 kg buhar/h Q= m S (H s -h s )= m S.λ=3255.2214.(1/3600) Q=2002 kw Q=U.A. T 2002.1000=1560.A.(115,6-89,5) A=49,2 m 2
Çok tesirli buharlaştırma Ön beslemeli üç tesirli evaparatörler
Çok tesirli buharlaştırma Masraf Sabit masraflar Buhar masrafı Su masrafı İşçilik Optimum tesir X Evaporatör sayısı
Çok tesirli buharlaştırma Eş yönlü besleme: İlk tesirde basınç en fazla. Atm basıncında kaynamadığı sürece pompaya ihtiyaç yok. Besleme sıcak ise eş yönlü besleme daha avantajlıdır. Zıt akımla besleme: Basınç ve kaynama nokta 3.tesirde en düşük olduğundan pompaya ihtiyaç vardır. Kaynama noktası en düşük tesire besleme yapıldığından buhar tasarrufu vardır. Viskozite artıyorsa zıt akımla besleme daha avantajlıdır.
Çok tesirli buharlaştırma
Örnek- Üç tesirli buharlaştırıcılar