TOA45 ÇOK KADEMELİ TAŞKIN YATAKLARDA MİNİMUM TAŞKINLAŞMA HIZININ BELİRLENMESİ B. Algül, T. Algül, Ö. M. Doğan, B. Z. Uysal Gazi Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü ve Temiz Enerji Araştırma ve Uygulama Merkezi (TEMENAR) Maltepe 06570 ANKARA e-posta: mdogan@gazi.edu.tr, bzuysal@gazi.edu.tr ÖZET Bu çalışmada, pleksiglas malzemeden yapılmış çok kademeli, dikdörtgen kesitli taşkın yatak kullanılmıştır ve gaz girişinin dikdörtgen kesitli nozul ile sağlandığı beş kademeli taşkın yatakta minimum taşkınlaşma hızının değişimi incelenmiştir. Deneylerde yatak malzemesi olarak 2 mm çapında ve 1219 kg/m 3 yoğunluğunda kuş yemi kullanılmıştır. Değişik nozul aralıklarında (5 ve 10 mm) ve değişik yatak yüksekliklerinde (40, 50, 60, 70 ve 80 mm) kuş yemi için her kademede minimum taşkınlaşma hızları (U ms ) belirlenmiştir. Minimum taşkınlaşma hızının yatak yüksekliği ve nozul aralığı ile değişimi tespit edilmiş ve deneysel korelasyonlar geliştirilmiştir. Anahtar Kelimeler : Taşkın Yatak, Çok Kademeli Taşkın Yatak, Minimum Taşkınlaşma Hızı 1.GİRİŞ Taşkın yataklar düzensiz şekilli ve iri boyutlu katı partiküllerin akışkanlaştırılmasında kullanılmakta ve merkezi bölgedeki gaz jetinin akışı ile tüm yatağın hareket etmesi sağlanmaktadır (1-3). Katı partiküllerin özellikle eksenel yöndeki döngü hareketi sonucunda yatak içinde çok iyi bir karışım oluşmaktadır. Gaz katı reaksiyonları, kurutma, partiküllerin karışımı, tabletlerin kaplanması ve granülasyon gibi uygulama alanlarında kullanılmaktadır. Bilhassa tahıl ürünlerini kurutmakta çok etkili olduğu belirlenmiştir. Katı partiküllerin akışkanlar gibi kolay işlenebilmeleri ve katı partiküllerin akışkanlaştırılması doğrultusunda akışkan yataklara alternatif olarak gelişen taşkın yataklar, katıların kurutulması, gaz temizlenmesi, ısıya duyarlı katıların kurutulması, kömür ve atık materyalin yanması ve gazlaştırılması gibi alanlarda tercih edilmektedir. Taşkın yatak geometrisinde giriş nozulu doğrudan kolona bağlı olup, akışkan yataklarda görülen dağıtıcı elek kullanılmamaktadır. Partikül-gaz arasında temas gazın jet akışı ile yoğun faz bölgesinde olmaktadır. Partikül karışımı taşkın yataklarda sabit eksenel jet ile olurken karışım sirkülasyon şeklindedir. Akışkan yataklarda ise gelişigüzel ve kompleks kabarcıkların neden olduğu partikül akış yapısı vardır. Oldukça düzensiz boyutlardaki katı partiküllerin akışkanlaştırılmasında taşkın yatak tercih edilirken, akışkan yataklar küçük partiküllerin kolay işlenebilmelerinde avantajlı hale gelir. Taşkın yataklarda kolonun tam ortasında jet akışlı gazın oluşturduğu oluk bölgesine sürüklenen partiküller yatağın üst kısmında fıskiye misali anüler bölgeye tekrar düşerler ve yüksek gaz hızı sebebiyle anüler bölgede katı sirkülasyonu ile olan şiddetli karışım partiküllerin aşınarak ufalanmasına neden olur (4-5). Bu küçük partiküller de sürüklenerek taşkın yatağın dışarısına taşınır.
Bu çalışmada, pleksiglas malzemeden yapılmış çok kademeli, dikdörtgen kesitli taşkın yatak kullanılmıştır. Gaz girişinin dikdörtgen kesitli nozul ile sağlandığı 5 kademeden oluşan taşkın yatakta minimum taşkınlaşma hızının yatak yüksekliği (H) ve nozul aralığı (w) ile değişimi incelenmiştir. Kuş yemi için korelasyon elde edilmiştir. 2. DENEYSEL Özellikle kurutma amacıyla kullanılabilecek çok kademeli taşkın yataklarda önemli bir parametre olan minimum taşkınlaşma hızının belirlenmesi amacıyla yapılan bu çalışmada, 165 cm uzunluğunda, 5 kademeden oluşan ve pleksiglas malzemeden yapılmış bir taşkın yatak sistemi kullanılmıştır(şekil 1). Şekil 1 den görüldüğü gibi 5 ayrı taşkın yatak birarada olacak şekilde yerleştirmiştir. Kademeler arası mesafe 30 cm olup, kademelerden katıların aşağıya düşmesini önlemek amacıyla basınç kaybının düşük olduğu bir elek takılmıştır. Her kademeye hava girişini sağlayan L tipi bir bağlantı yapılmıştır. Her bir L tipi bağlantının kolona giriş yerindeki açıklığı 1 cm dir (6). Şekil 1. Deney Düzeneği Deneysel çalışmalarda, iki farklı dikdörtgen kesitli nozul aralığında (5 mm, 10 mm) artan ve azalan gaz hızı ile basınç kaybının değişimi izlenmiş ve akış hızına karşılık basınç kaybı verileri toplanmıştır. Gaz girişinin dikdörtgen kesitli nozul ile sağlandığı beş kademeli kolonda her bir kademede aynı olacak şekilde 40 mm, 50 mm, 60 mm, 70 mm, 80 mm lik yatak yüksekliğindeki değişim incelenmiştir. Yatak malzemesi olarak 2 mm çapında ve 1220
kg/m 3 yoğunluktaki kuş yemi kullanılmıştır. Deneysel çalışmalarda gaz olarak kullanılan havanın akış hızı 0 1 m/s aralığında değiştirilmiştir. Elde edilen veriler ışığında Şekil 2 deki grafikler çizilmiştir ve buradan minimum taşkınlaşma hızları (U ms ) her bir yatak yüksekliği ve nozul aralığı için belirlenmiştir. 1,4 1,2 Basınç Kaybı,kPa 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 artan 1 azalan 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Boş Kolon Hava Akış Hızı,m/s Şekil 2. Boş Kolon Hava Akış Hızına Karşı Basınç Kaybı Değişimi 3. TARTIŞMA VE YORUM Kurutucu olarak kullanılmak istenen ve etkisini arttırmak amacıyla 5 kademeli olarak tasarlanan bir taşkın yatakta yatak yüksekliğinin ve nozul aralığının minimum taşkınlaşma hızı üzerine etkileri araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar aşağıda verilmiştir. Şekil 2 ye benzer çizilen grafiklerden okunan minimum taşkınlaşma hızı (U ms ) değerleri değişik yatak yükseklikleri için aşağıdaki Çizelge 1 ve 2 de verilmiştir. Çizelge 1 nozul aralığı 5 mm olanlar için, Çizelge 2 ise nozul aralığı 10 mm olanlar içindir. Bu çizelgelerdeki minimum taşkınlaşma hızı değerleri incelendiğinde, her kademedeki U ms değerlerinin birbirlerine çok yakın olduğu görülmüştür. Bu durum da beklenen bir sonuçtur. Bunun yanı sıra her kademedeki yatak yüksekliğinin artmasıyla minimum taşkınlaşma hızını arttırmasına rağmen önemli derecede bir artışa neden olmadığı görülmüştür. Çizelge 1. Nozul aralığı 5 mm olan 5 kademeli taşkın yatakta minimum taşkınlaşma hızları Kademe 40 mm 50 mm 60 mm 70 mm 80 mm Sayısı 1 0,605 0,621 0,645 0,661 0,672 2 0,61 0,62 0,643 0,662 0,670 3 0,599 0,622 0,641 0,659 0,668 4 0,602 0,625 0,638 0,66 0,670 5 0,608 0,619 0,64 0,663 0,671 Çizelge 2. Nozul aralığı 10 mm olan 5 kademeli taşkın yatakta minimum taşkınlaşma hızları
Kademe 40 mm 50 mm 60 mm 70 mm 80 mm Sayısı 1 0,882 0,91 0,92 0,94 0,951 2 0,88 0,905 0,921 0,945 0,952 3 0,881 0,90 0,923 0,948 0,953 4 0,883 0,9105 0,925 0,939 0,95 5 0,88 0,907 0,924 0,938 0,949 Yukarıda verilen çizelgelerdeki değerler kullanılarak Şekil 3 ve 4 teki grafikler çizilmiştir. Bu şekillerde yatak yüksekliğinin iki farklı nozul aralığı için minimum taşkınlaşma hızı üzerindeki etkisi görülmektedir. Şekil 3, 5 mm lik nozul aralığı sonuçlarını, Şekil 4 te 10 mm lik nozul aralığının sonuçlarını göstermektedir. Bu şekillerden de görüldüğü gibi her kademedeki minimum taşkınlaşma hızları birbirlerine çok yakındır. Ums,m/s 0,68 0,67 0,66 0,65 0,64 0,63 0,62 0,61 0,6 kademe 1 kademe 2 kademe 3 kademe 4 kademe 5 0,59 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 H,mm Şekil 3. 5 mm nozul aralığı için yatak yüksekliğinin minimum taşkınlaşma hızı üzerine etkisi Ayrıca minimum taşkınlaşma hızının yatak yüksekliği ve nozul aralığına bağlılığını ifade eden denklem tanımlanmaya çalışılmıştır. Bu amaçla elde edilen bütün değerler kullanılarak aşağıdaki ifade geliştirilmiştir. Bu ifade incelendiğinde daha önceden de belirtildiği gibi yatak yüksekliğinin büyük bir etkisinin olmadığı sonucu doğrulanmıştır. Minimum taşkınlaşma hızının yatak yüksekliği ve nozul aralığı ile doğru orantılı olduğu ve nozul aralığının yatak yüksekliğinden daha etkili bir parametre olduğu görülmüştür. U =14,57H w ms 0,13 0,52
1 Ums,m/s 0,98 0,96 0,94 0,92 0,9 0,88 0,86 0,84 0,82 kademe 1 kademe 2 kademe 3 kademe 4 kademe 5 0,8 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 H,mm Şekil 3. 10 mm nozul aralığı için yatak yüksekliğinin minimum taşkınlaşma hızı üzerine etkisi Çok kademeli taşkın yataklarda en büyük basınç kaybı en alt kademe olan 1. kademede görülmüştür. Yukarı doğru kolonda çıkıldıkça her kademede bu basınç kaybının daha da azaldığı gözlenmiştir. Bu da kademelerin birbirleriyle olan etkileşimlerinden kaynaklanmıştır. Bu kademeler arası etkileşimler Şekil 1 de açıkça görülmektedir. Katı partiküller aynı zamanda üst bölmeden alt bölmeye ve oradan da çıkışa doğru bir hareket içindedir. 4. SONUÇLAR. Çok kademeli taşkın yataklarda minimum taşkınlaşma hızı üzerine yatak yüksekliğinin ve nozul aralığının etkisi araştırılmıştır. Yatak malzemesi olarak kuş yemi kullanılmıştır. Yatak yüksekliği ve nozul aralığı arttıkça minimum taşkınlaşma hızının arttığı görülmüştür. Bu artışın yatak yüksekliği için az nozul aralığı için daha fazla olduğu belirlenmiştir. Kuş yemi için ayrıca elde edilen verileri kullanarak yatak yüksekliği ve nozul aralığına bağlayan bir korelasyon geliştirilmiştir. 5. TEŞEKKÜR Bu çalışma, Gazi Üniversitesi 06/2006-21 nolu Bilimsel Araştırma Projesi ve DPT 2003K120470-33 nolu projeler tarafında desteklenmiştir. Katkılarından dolayı Gazi Üniversitesi Rektörlüğü ve Devlet Planlama Teşkilatı na teşekkür ederiz. 6.KAYNAKLAR
[1] Mathur, K.B., Epstein, N., Spouted Beds Acamedic Pres, New York, 1974. [2] Rocha, S.C.S., Lima, A.C.C., Bean drying in fixed, spouted and spout-fluid bed, Drying Techonology., 16:1881-1901(1998). [3] Anabtawi, M.Z., Uysal, B.Z., Jumah, R.Y., Flow characteristics in rectangular spoutfluid bed, Powder Tecnol., 69,205-211,1992. [4] Doğan, Ö.M., Uysal, B.Z., Grace, J.R., Hyrodynamics studies in half slot-rectangular spouted bed column, Chem. Eng. Comm., 191:566-579(2004). [5] Doğan, Ö.M., Freitas, L.A.P., Lim, J.C., Grace, J.R. and Luo, B., Hyrodynamics and stability of slot-rectangular spouted beds, Part I: Thin Bed, Chem. Eng. Comm., 181:225-242 ( 2000). [6] Algül, B., Çok kademeli taşkın yatağın hidrodinamiği, Y.Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, 2005.