KÜMEN ÜRETİMİNİN YAPILDIĞI TEPKİMELİ BİR DAMITMA KOLONUNUN BENZETİMİ Damla Gül a,*, Abdulwahab GIWA a, Süleyman KARACAN a a,* Ankara Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Dögol Caddesi, 06100 Tandoğan, ANKARA, damlagul89@hotmail.com, agiwa@ankara.edu.tr, karacan@eng.ankara.edu.tr ÖZET Bu çalışma, tepkimeli bir damıtma kolonunda Kümen üretim prosesinin benzetimi üzerinedir. Benzetim çalışmaları Aspen HYSYS paket programı kullanılarak yapılmıştır. Kümen, Propilen ve Benzenin tepkimeye girmesi sonucu oluşmaktadır. Tepkimeli damıtma kolonunda hem tepkime olmakta hem de ayırma işlemi gerçekleşmektedir. Prosesin Akış Diyagramı Aspen-HYSYS ortamında çizilerek benzetim çalışmaları yapılmıştır. Damıtma Kolonu kazan ve yoğunlaştırıcı hariç 21 kademeden oluşmaktadır. Kolonda maksimum Kümen üretimi için işletim parametrelerinin optimum değerleri bulunmuştur. Bu parametrelerden, Benzen ve Propilenin besleme Akış hızları sırasıyla 134.3 kmol/h, 105.3 kmol/h; geri akma oranı, 3; Kazana verilen ısı miktarı 1.979 MW; Kolon basıncı 4 bar koşullarında alt üründe Kümen mol kesri 0.85 olarak elde edilmiştir.k kolon boyunca bileşenlerin mol kesirlerinin değişimi ve kolon sıcaklık profilleri yatışkın koşul için çizilmiştir. Ayrıca tepkimeli damıtma kolonunun dinamik davranışı da incelenmiştir. Kolon giriş parametreleri olan geri akma oranı, kazan ısı miktarı ve besleme akış hızlarına basamak etki verilerek alt üründe kümen mol kesrinin zamanla değişimleri bulunmuştur. Anahtar Kelimeler: Tepkimeli damıtma, Kümen üretimi, Aspen-HYSYS, Benzetim 1.GİRİŞ Son yirmi yılda,iki farklı ünitenin (reaktör ve damıtma kolunu) uygun koşullar sağlandığı takdirde tek ekipmanda birleştirilmesiyle oluşan tepkimeli damıtma kolonu prosesleri, klasik proseslere (reaksiyon ve onu takip eden damıtma üniteleri) alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Tepkimeli damıtmada reaktör çıkışında ürünü ayırmak için olması gereken damıtma kolonları kullanılmayacağından enerji tüketiminin azalmasıyla, işletim maliyeti düşürülmüş olur [1]. Tepkimeli damıtmanın genel uygulama alanları azeotropik karışımların ayrılması, damıtma sırasında oluşabilecek istenmeyen reaksiyonların hesaba katılabilmesi ve en önemlisi kimyasal reaksiyon ile damıtarak ayırmanın tek bir ekipman ile gerçekleştirilebilmesidir. Tepkimeli damıtma, asetilasyon, aldolkondensasyonu, alkilasyon, dehidrasyon, esterleşme, eterleşme, hidroliz, izomerleşme gibi çeşitli reaksiyonlarda kullanılır [2]. Asit katalizör üzerinde propilen ile benzenin Friedel-Crafts alkillemesi sonucu oluşan kümen ; fenol, aseton, fenolik ve polikarbonik reçineler, alfa metil stiren, epoksi, ve naylon-6 üretiminde önemli bir endüstriyel hammaddedir. Dünya kümen talebinin %90 ını karşılayan U.S Gulf Coast ın fabrikası klasik yöntemin yanında tepkimeli damıtma proseside kullanmaktadır. Fakat bu proses özel formüllü zeolit katalizörler ile gerçekleştirildiği için hiçbir açık literatürde kümenin tepkimeli damıtma ile üretimi hakkında ayrıntılı bilgi bulunmamaktadır. Tepkimeli damıtma kolonunda kümen üretimi ile ilgili olarak Pathak ve arkadaşlarının yapmış oldukları bir çalışmaya rastlanılmıştır. Bu çalışmada Aspen Plus paket programı kullanılarak tepkimeli damıtma kolonunun yatışkın hal ve dinamik benzetimleri yapılmıştır[3]. Bu çalışmada [3] numaralı makaleden esinlenerek tepkimeli damıtma kolonunda Kümen üretimi için Aspen HYSYS paket program kullanılarak yatışkın hal ve dinamik benzetim çalışmaları yapılmıştır. Maksimum derişimde Kümen üretimi için optimum işletim parametreleri elde edilmiştir.
2.PROSES TANITIMI Prosesin benzetim çalışmaları için Aspen HYSYS ortamında öncelikle Proses Akış Diyagramları çizilmiştir. Şekil 1 de gösterilen diyagram yatışkın koşul benzetim çalışması için çizilmiştir. Şekil-1 de görüldüğü gibi tepkime girecek taze Benzen ve prosesin başka bir ünitesinden geri döngü akımı karıştırıcıya beslenmektedir. Karıştırıcıdan çıkan benzen akımı kolonun birinci kademesine, saf propilen ise kolonun on birinci kademesine beslenmektedir. Tepkimeli damıtma kolonu kazan ve yoğunlaştırıcı hariç 21 kademeden oluşmaktadır. Tepkime 1. ve 11. kademeler arasında gerçekleşmektedir. Toplam yoğunlaştırıcı tipi seçilmiştir. Kolonun işletim şekli sürekli olup 4 bar basınçta işletilmektedir. Şekil 1: Yatışkın Koşul İçin Proses Akış Diyagramı Prosesin yatışkın koşul benzetimi yapıldıktan sonra dinamik çalışmalar için Şekil-2 de gösterilen kontrol konfigürasyonu eklenmiştir.bu akış diyagramda XIC-100 kontrol edici yardımıyla geri akma oranına, XIC-101 ile kazan ısısına ve XIC-102 ile ise propilen besleme akış hızına basamak etkiler verilerek alt üründeki kümen mol kesrinin degişimi incelenmiştir. Şekil 2:Yatışkın Olmayan işletim İçin Proses Akış Diyagramı
Kümen, benzen ve propilenin Friedel-Crafts alkilasyonu yöntemiyle alkillenmesi sonucu üretilmektedir. Prosesde gerçekleşen tepkimelerin hız eşitlikleri çizelge-1 de verilmiştir. Kolonda gerçekleşen tepkimeler aşağıdaki gibidir: C 3 H 6 + C 6 H 6 C 9 H 12 (Ana Reaksiyon) Propilen Benzen Kümen C 3 H 6 + C 9 H 12 C 12 H1 8 (Yan Reaksiyon) Propilen Kümen DIPB (di-izopropil benzen) C 12 H 18 + C 6 H 6 2 C 9 H 12 (Transalkilasyon ) DIPB Benzen Kümen Çizelge 1 : Tepkime Hız Eşitlikleri Reaksiyon Prosesin Reaksiyon hız eşitlikleri Ana Reaksiyon Yan Reaksiyon Transalkilasyon r 1 =6.981x10 5 exp(63742/rt)c B 0.96 C P 0.87 r 2 =4.000x10 4 exp(79162/rt)c k 0.61 C P 0.92 Keq = 6.52x10-3 exp(27 240/RT) 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Bu çalışmada sürekli çalışan tepkimeli bir damıtma kolonunda kümen üretim prosesinin yatışkın hal ve dinamik davranışlarının benzetimi Aspen HYSYS ortamında yapılmıştır. Benzetim çalışmalarında kullanılan sistem ve girdi verileri literatürden elde edilmiştir[3]. 3.1. Yatışkın Hal Sonuçları Aspen HYSYS ortamında yapılan denemeler sonucu maksimum derişimde kümen üretimi için optimum işletim parametreleri yatışkın koşul için belirlenmiştir. Bu değerler geri akma oranı 3, kazan ısı değeri 1.979 MW dır. Bu koşullarda alt üründe elde edilen kümen mol kesri ise 0.85 dir. Ayrıca kolon boyunca bileşenlerin mol kesirlerinin değişimi ve kolon sıcaklık profili elde edilmiştir. Şekil-3 de kolon boyunca bileşenlerin mol kesirlerinin değişimi gösterilmiştir.şekilde de görüldüğü gibi tepkime bölgesi olan 1. ve 11. kademeler arasında kümen derişiminin arttığı ve bu artışın ayrılma bölgesinde de devam ettiği görülmektedir.
Şekil 3 : Kolon Boyunca Bileşenlerin Mol Kesirlerinin Değişimi Şekil 4 : Kolon Boyunca Sıcaklık Değişim Profili 3.2.Yatışkın Olmayan Hal Sonuçları Kolon optimum işletim parametreleri bulunduktan sonra dinamik benzetimlerde yapılmıştır. Geri akma oranı, kazan ısı değeri ve besleme akış hızına kademe etkileri verilerek alt üründe elde edilen kümen mol kesrinin zamanla değişimleri elde edilmiştir.bemzetim çalışmları için Aspen HYSYS ortamında oluşturulan proses akış diyagramı Şekil-2 de gösterilmiştir. Propilen akış hızına % 2 büyüklüğünde negatif basamak etkisi verildiğinde alt üründeki kümen mol kesrinin zamanla değişimi Şekil-5 de verilmiştir. Sekilden de görüldüğü gibi propilen akış hızının azaltılması kümen mol kesrinin azalmasına sebep olmuştur.bir başka basamak etki ise prosesin girdi değişkenlerinden biri olan geri akma oranına % 5 büyüklüğünde negatif basamak etkisi verilmiştir. Elde edilen sonuçlar şekil-6 da gösterilmiştir.burada da alt üründeki kümen mol kesrinin azaldığı gözlenmiştir.son olarak kazan ısısına % 2 büyüklüğünde pozitif basamak etkisi verilerek prpsesin yatışkın olmayan hal davranışı incelenmiştir. Sonuçlardan elde edilen kümen mol kesrinin zamanla değişimi şekil-7 de gösterilmiştir. Böylece prosesin kontrolü için bir altyapı oluşturulmuştur.
Şekil-5 : Propilenin akış hızına negatif basamak etkisinde kümen mol kesrinin zamanla değişimi Şekil-6 : Geri akma oranına negatif basamak etkisinde kümen mol kesrinin zamanla değişimi Şekil-7 : Kazan ısısına pozitif basamak etkisinde kümen mol kesrinin zamanla değişimi
Elde edilen dinamik sonuçlar litaratür sonuçları bakımından karşılaştırılmıştır. Ashok S [3] nin elde ettikleri sonuçlara göre propilenin akış hızına %4 büyüklüğünde negatif etki verildiğinde kümen mol kesrinin azaldığı, kazan ısısına pozitif etki verildiğinde de kümen mol kesrinin azaldığı görülmüştür. Dolayısısyla elde edilen yatışkın olmayan hal sonuçları literatür sonuçları ile uyumlu olduğu söylenilebilir. KAYNAKLAR [1] M. F. Malone, M. Doherty, Conceptual Design of Distillation Systems, 1st ed.; McGraw-Hill: New York, 2000. [2] J.D. Seader and E. J. Henley, Separation process principle, Wiley John Wiley&Sons, Inc., 2006. [3] Ashok S. Pathak, S. Agarwal, V. Gera, V.Kaistha, Design and Control of a Vapor-Phase Conventional Process and Reactive Distillation Process for Cumene Production, Industrial and Engineering Chemistry Research, 50, 3312 3326, 2011.