KYM 415 PROSES TASARIMI I. Proses Akım Şemaları (PFD) Borulandırma ve Entrümantasyon Diyagramları (P&ID)

KYM 415 PROSES TASARIMI I Proses Akım Şemaları (PFD) Borulandırma ve Entrümantasyon Diyagramları (P&ID) Prof. Dr. Ali Karaduman Ankara Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü, 06100 Tandoğan ANKARA karaduman@ankara.edu.tr 2014

GİRİŞ Tasarım problemleri az tanımlıdır ve tasarım problemlerinin tek bir çözümü yoktur. Genelde tasarım da gerekli bilgilerin çok az bir kısmı mevcuttur. Proses tasarımı yaratıcılık ister ve gerçekte bir sanattır. Örnek olarak bir kimya mühendisinin bir kimyasal için yeni bir katalizör geliştirdiğini düşünelim ve bunu bir ticari bir prosese dönüştürmek isteyelim. Önce reaksiyon şartları hakkında bilgi, sonra hammadde ve satılabilirliği hakkında bilgi edinebiliriz. Tasarım için gerekli diğer bilgilerin tümünü kendimiz bir şekilde elde etmek zorundayız. Bu bilgileri sağlamak için ne tip proses birimleri kullanılacağı, bu birimlerin nasıl birbirine bağlanacağı, hangi sıcaklık ve basınç değerlerinin, akış hızlarının kullanılacağı bazı kabuller yapmak zorundayız. Bu işlem oldukça zordur, çünkü aynı amaca ulaşmak için bir çok alternatif mevcuttur. 2

AKIM ŞEMALARI Akim şemaları proses tasarımında anahtar döküman olarak adlandırılacak kadar önemli bir konudur. Proseste yer alan ekipmanların yerleşimini ve birbirleriyle bağlantılarını, akım hatlarını, akımların hızlarını, bileşimlerini ve ekipmanların işletme koşullarını gösterir Akım Şemalarının Kullanım Amaçları Uzman tasarım gruplarının tasarımlarına temel teşkil eder Akım şemaları, işletmeye alma çalışmaları(start up) sırasında prosesin işletme performansının tasarım değeriyle kıyaslanması amacıyla da kullanılır. İşletme kılavuzlarının (operating manual) hazırlanması ve işletme teknisyenleri eğitimi için dökümanların hazırlanmasında kullanılır. 3

Prof. Dr. Ali Karaduman Akım şemaları, prosesde yer alan her bir ünite için ve tüm proses için yapılan kütle ve enerji denklikleri temel alınarak oluşturulur. Günümüzde akım şemaları bilgisayar destekli olarak hazırlanmaktadır. Avantajı -Alternatif akım şemalarının oluşturulması -En uygun prosesin seçimi -En uygun proses şartlarının saptanması Bu ders kapsamında aşağıdaki paket programından yararlanılacaktır MATLAB CHEMCAD. 4

Bir Kimyasal Prosesin Akım Şemasının Oluşum Aşamaları Girdi-Çıktı Diyagramı Temel reaksiyon stokiyometrisi Genel Blok Akım Diyagramı Prosesin başlangıç koşulları ve kütle denkliği Proses Akım Diyagramı (PFD) Madde ve enerji Dengeleri Mekanik ve Ekipman bilgileri Borulandırma ve Enstrümantasyon Diyagramı (P&ID) Mekanik ve Enstrümantasyon bilgileri 5

Akım Şemalarının Gösterimleri Prof. Dr. Ali Karaduman Çeşitli tipte akım şemaları olmakla birlikte Blok diyagram gösterimi Resim şeklinde gösterim olmak üzere iki tip çok kullanılır. Blok diyagram gösterimi: Blok diyagramlar en basit gösterim şeklidir ve çok çeşitli yerlerde kullanılır. Çoğunlukla ön raporların hazırlanmasında ve eğitim amacıyla kullanılır. Bu çizimde yer alan her bir blok bir ekipmanı veya prosesin belirli bir adımını simgeler. Resim şeklinde gösterim: Bu akım şemalarında prosesin reaktör, destilasyon kolonu, ısı değiştirici, bağlantı elemanları vb. gibi birimlerim standard sembollerle gösterilir. Diktörgen Kare Daire Reaktör Isı değiştirici Vana 6

Blok Akım Diyagramları Bu diyagram girdi çıktı akımlarının bir seri blok ile birbirlerine bağlanarak oluşturulur. Bu diyagramlar, bir tesis, bir proses, bir ünitenin işletme koşulları (sıcaklık ve basınç) ve problemde verilen geri döngü, dönüşüm gibi diğer önemli bilgileri de içerir. Bir Blok Akım Proses Diyagramı Oluşturulurken; 1. İşletmeler bloklarla gösterilir. 2. Önemli akım yönleri oklarla belirtilir. 3. Mümkün olduğunca akımın yönü soldan sağa çizilmeli, 4. Hafif bileşen içeren akımlar (gazlar) yukarı doğru, ağır bileşen içeren akımlar (sıvılar ve katılar) aşağı doğru yönlendirilir. 5. Basitleştirilmiş madde dengesi kurulur 7

Blok Akım Diyagramları : Örnek 1 Toluen (10.000 kg/st) Reaktor Gaz Ayırıcısı Gaz Karışımı (2,610 kg/st) Hidrojen 820 kg/st) Dönüşüm % 75 Toluen Sıvı karışımı Dis. Kol. Benzen (8.210 kg/st) Toluen Reaksiyon: C 7 H 8 + H 2 Katalizör C 6 H 6 + CH 4

Blok Akım Diyagramları : Örnek 2 9

Blok Akım Diyagramları : Örnek 3 10

Blok Akım Diyagramları : Örnek 4 Prof. Dr. Ali Karaduman 11

Proses Akım Diyagramı (PFD) Prof. Dr. Ali Karaduman Proses akım diyagramları (Process Flow Diagram, PFD) resim şeklinde gösterim ile verilir ve standart semboller şeklindedir. PFD, bir kimyasal prosesin tasarımı için gerekli veri kümesini içerir. Ayrıntılı akım şemalarında, ekipmanlar genelde belirli bir stile (tarza) uygun olarak çizilirler ve kullanılan semboller ve çizimler belirli standartlara uymalıdır. Amerikan Ulusal Standartlar Enstitüsü (ANSI) de akım şemalarının hazırlanmasında kullanılan bir semboller dizini hazırlanmıştır. Ayrıca, aşağıdaki standartlarda vardır. İngiliz Standartları (BS 1553, 1977) Alman Standartları (DIN 28004, 1988) ISO 10628 Proses Akım Diyagramı çizimi için kullanılan standart sembollerin listesi (R.Turton, 1998 ) da verilmiştir. Chemcad programinda kullanılan Semboller bu temele dayanmaktadır 12

Bir Akım Diyagramında Gerekli Bilgiler ZORUNLU BİLGİLER Akım no Sıcaklık ( o C) Basınç (bar) Buhar Kesri Toplam Kütlesel Akış Hızı (kg/st) Toplam Molar Akış Hızı (kmol/st) Herbir Bileşenin Akış Hızı (kmol/st) İSTEĞE BAĞLI BİLGİLER Bileşen mol kesri Bileşen kütle kesri Herbir bileşenin akış hızı (kg/st) Hacimsel akış hızları (m 3 /st) Önemli fiziksel özellikler - Yoğunluk -Viskozite -Diğerleri Termodinamik Veriler Isı kapasitesi, Akımların entalpileri, K-değerler Akım ismi 13

Proses Akım Diyagramı Oluşturma Sembolleri Not: Semboller, Sinnott (1999) EK-A da ayrıntılı olarak verilmiştir

Proses Akış Diyagramlarında Bilgilerin Gösterimi Proses akım diyagramlarında, her bir bileşenin akış hızı, toplam akış hızları akımların yüzde bileşimleri akım şemaları üzerinde çeşitli şekillerde gösterilebilir. Proses akım diyagramında proses akımlarının gösterimi açık olarak verilmiştir. Sadece birkaç operatör içeren küçük diyagramlar için, Sıcaklıklar, basınçlar bileşimler ve akış hızları gibi akım bilgileri akımın yanında küçük bir kutucuk içerisinde verilebilir. Polimer üretim prosesi için bu gösterim aşağıda verilmiştir. Basit Gösterim 15

Proses Akış Diyagramlarında Bilgilerin Gösterimi Daha kompleks diyagramlar için blok gösterim pratik değildir. Onun yerine resimli çizim ve ek bir akım bilgileri tablosu hazırlanır. Akım bilgileri tablosunda nelerin verilmesine dair bir özet verilmiştir. 16

Proses Akış Diyagramlarında Bilgilerin Gösterimi Toluenin hidroalkilasyonu ile benzen üretimi için Proses Akım Diyagramı 17

Proses akım diyagramında prosesin herbir önemli parçası bir rakamla tanımlanarak gösterilmiştir. Diyagramın üzerinde ekipmanların açıklamaları verilmiştir. Aşağıda da proses ekipmanlarının tanıtımı için harf kodu verilmiştir. Proses Ekipmanların tanımı için kullanılan harfler XX : Ekipman sınıflanması için tanımlanmış bilgiler C : Kompresör veya Türbin E : Isı Değiştiricisi H : Ateşli ısıtıcı P : Pompa R : Reaktör T : Kule TK: Depolama Tankı V : Kap Y : Tesisin tasarlanmış alanı ZZ: Her bir ekipman sınıfının tasarım numarası A/B: PFD de yer almayan parelel üniteleri gösterir 18

Proses akımlarının tanıtımı için bir rehber niteliği de taşıyan gösterim Aşağıda verilmiştir. Örneğin E-102 de yerleştirilmiş olan cw simgelem E-102 ye giren soğutma suyunu göstermektedir. Yardımcı akım simgeleri lps : Düşük Basınç Akımı: 3-5 barg (sat) mps : Orta Basınç Akımı 10-15 barg (sat) hps : Yüksek Basınç Akımı: 40-50 barg (sat) htm : Isı Transfer Bölgesi (Organik): 400 o C ye kadar cw : Soğutma suyu: 45 o C den daha az olup 30 o C soğutma kulesinden dönen wr : Nehir suyu: 35 o C daha az olup 25 o C sıcaklıktaki nehirden gelen rw : Soğutulmuş su: 15 o C daha az olup 5 o C sıcaklıktaki su rb : Soğutulmuş tuzlu su: 0 o C daha az olup -45 o C sıcaklıkta dönen cs : Kimyasal atık su ss : Sıhhi atık su el : Elektrikli ısıtıcı (220, 440, 660V) ng : Dogal gaz fg : Yakıt gazı fo : Fuel oil 19

Benzen üretim prosesi için Akımların özeti 20

Örnek 5 Tüm proses için madde dengeleri ve diğer problemler kolaylıkla analiz edilebilir. Örnek verecek olursak, Benzen üretim prosesi için toplam kütle dengesi kontrol edilebilir. 1 nolu Akım ( Beslenen toluen) ve 3 nolu akım (Beslenen hidrojen) 15 nolu çıkış akımı (üretilen benzen) ve 16 nolu akım (Yakıt gazları). Aşağıdaki tablo bu akımları (10 3 kg/st ) katı kadar olacak şekilde verilmiştir. Girdiler: Çıktılar: 3 nolu akım: 0.82 15 nolu akım: 8.21 1 nolu akım: 10.00 16 nolu akım: 2.61 Toplam : 10.82x10 3 kg/st Toplam : 10.82x10 3 kg/st Girdiler = Çıktılar olduğundan madde dengesi sağlanmıştır. 21

10.82x10 3 kg/st 10.82x10 3 kg/st 22

Örnek 6 Aynı proses için toluenin benzene dönüşüm oranını bulunuz Dönüşüm oranı, =(üretilen benzen) / (Toplam giren toluen) Akım diyagramından R-101 (Reaktöre) giren akımlar 6 nolu (reaktör beslemesi) ve 7 nolu akım (geri döngü quench gaz akımı), ve çıkış akımı, 9 (reaktör çıkış akımı) ile gösterilmiştir. Tablo daki akım Bilgilerinden; Toluen=144 (6 nolu akımdan)+0.04(7 nolu akımdan)=144.04 kmol/h Üretilen Benzen: 116 (9 nolu akım)-7.6 (6 nolu akım)-0.37 (7 nolu akım) =108.03kmol/st = 108.03/144.04 = 0.75 Üretilen benzeni şu şekilde de hesaplayabiliriz Üretilen benzen= Giren Toluen- Çıkan Toluen = 144.04-36 (9 nolu akım) =108.04 = 108.04/144.04=0.75 23

Prof. Dr. Ali Karaduman Benzen Üretimi = 15 hattaki benzen+16. hattaki benzen = 105.2+2.85 = 108.05 24

2. DERS 25

Proses Yerleşim Planı (Process Layout) Prosesde, ekipmanın yerleşimi, proses akımları arasındaki etkileşim açısından önem arz etmektedir. Bu plan, proseste yer alan temel ekipmanların akım şeması üzerinde sırasıyla yerleşimini ve ekipmanlar arasındaki proses akım bağlantılarını gösterir. Amaç, madde akımını gerçektekine uygun göstermektir. Temel ekipmanlar mümkün olduğunca gerçek büyüklükleriyle orantılı olarak gösterilmelidir.

Ekipman Özeti Prof. Dr. Ali Karaduman Bu özet, proses akım diyagramı ekipmanlarının maliyetini tahmin etmek ve ekipmanların detaylı tasarımı için temel bilgileri içermelidir. Toluen hidroalkilasyon PFD için ekipman özeti Ekipman Tipi Kuleler Boyut, Basınç,Sıcaklık,Kademe tipi ve sayısı,dolgu tipi ve yüksekliği, Yapı malzemesi Isı Değiştiriciler Tipi: Gaz-Gaz,Gaz-Sıvı,Sıvı-Sıvı,Yoğunlaştırıcı,Buharlaştırıcı Proces: Alan,her iki akım için Sıcaklık ve basınç Kabuk ve tüp geçişli no Yapı materyali: Tüpler ve Kabuk Tanklar Turton, Tanklar bölümüne bakınız Reaktörler Yükseklik,Çap,Basınç,Sıcaklık,Yapı malzemesi Pompalar Akım,Çıkış basıncı,sıcaklık,dp,şaft gücü,yapı malzemesi Kompresörler Gerçek giriş akış hızı,sıcaklık,basınç,şaft gücü, yapı malzemesi Isıtıcılar Tipi,Tüp basıncı ve sıcaklığı,yakıt,yapı malzemesi Diğerleri Kritik bilgiler verilir Isı Değiştiriciler E-101 E-102 E-103 E-104 E-105 E-106 Tipi FI.H. FI.H. MDP FI.H. MDP FI.H. Alan(m 2 ) 36 763 11 35 12 80 İş(MJ/h) 15190 46660 1055 8335 1085 9045 Kabuk Sıcaklık( o C) 225 654 160 112 112 185 Basınç(bar) 26 24 6 3 3 11 Faz Buhar Kısmı Yoğ. Yoğ. Yoğ. 1 Buhar MOC 316SS 316SS CS CS CS CS Tüp Sıcaklık( o C) 258 40 90 40 40 147 Basınç(bar) 42 3 3 3 3 3 Faz Yoğ. 1 1 1 1 Buhar MOC 316SS 316SS CS CS CS CS (Turton sayfa 21-22)

Verilerin Kesinliği ve Doğruluğu Verilerin virgülden sonra bir basamaklı olarak yazılması yeterlidir. Hassaslık derecesine göre veriler verilmelidir. Çok daha küçük değerler ise eser miktarda olarak yazılır. Bazı durumlarda eser miktardaki maddeler çok önemlidir. Prosesi kısıtlayan bir öneme sahip ise ppm olarak belirtilir. Örnek olarak, katalizör zehirlenmesine neden olan ve malzeme seçimini etkileyen maddeler söz konusu 28 olduğunda bu maddelerin miktarları belirtilmelidir.

Kesikli prosesler Kesikli prosesler için hazırlanan akım şemalarında gösterilen değerler tek bir dolum (batch) için gerekli miktarlardır. Sözü edilen kesikli proses, sürekli prosesin bir parçası ise ona ait akım şeması sürekli akım şeması içerisinde gösterilir ve sınırları belirtilir. Süreklide Kesiklide (kg/st) (kg/dolum) Sürekli bir polimerizasyon prosesi için gerekli katalizörün hazırlanması kesikli bir prosestir.

Yardımcı Üniteler ve Kodlama Bir karışıklığa neden olmaması amacıyla, yardımcı ünitelerden gelen veya yardımcı ünitelerden giden akım hatları aynı akım şeması üzerinde gösterilir ve ne oldukları belirtilir. Ekipmanların Kodlanması ve Adlandırılması Her ekipman bir ad ve kod numarası ile tanımlanır Genelde bir harf ve birkaç basamaklı sayıdır Örneğin; R101, H205, C311 30

Hesaplamalar Kütle ve enerji denkliklerinden akımların miktarları ve bileşimleri hesaplanır ve akım şeması üzerine yazılır. Tasarım çalışmalarında iki tür kısıtlama vardır. Dış kısıtlamalar: Tasarımcının kontrolünde değildir. Müşteri talebine göre belirlenen ürün spesifikasyonları Alevlenme limiti vb.. temel güvenlik konuları Hükümet tarafından saptanan atık spesifikasyonları İç Kısıtlamalar: Proses ve ekipmanların fonksiyonlarına bağlıdır. Proses stokiyometrisi, dönüşüm oranı ve verim Kimyasal denge Sıvı-sıvı ve gaz-sıvı ayırma işlemlerinde faz dengesi Azeotrop karışımlar Enerji denkliğinde karşılaşılan kısıtlamalar Ekipman tasarımında karşılaşılan kısıtlamalardır. 31

Hesaplamalarda Kullanılan Temeller Akım şeması üzerine yazılan değerlerin hesaplanmasında kullanılan temeller akım şeması üzerinde belirtilmelidir. Bu temeller içerisinde; Yıllık işletme süresi, Reaksiyon verimi ve fiziksel verimler, Ortam sıcaklığı, Kullanılan varsayımlar yer almalıdır. Farklı durumlar için farklı akım şemaları oluşturulmalıdır. 32

Prof. Dr. Ali Karaduman Zaman: Tesisleri hiç durmadan SÜREKLİ işletmek mümkün değildir. Ekipmanların temizlenmesi, Katalizörün yenilenmesi Kolon dolgu maddelerinin değiştirilmesi gibi benzeri işler için önceden planlanmış duruşlar olur. Çoğu kimya ve petrokimya tesisinde yıllık işletme süresi, Bir yılın %90-95 i olup, genellikle 8000 saat kabul edilir. 33

Ölçek faktörü: Akım şemasındaki hesaplamaları prosesde yer alan ekipman sırasına uyarak yapmak kolaylık sağlar. İstenilen üretim hızı girdi üzerinden değil ürün üzerinden verilir. Bu nedenle bir TEMEL seçilmelidir. Örneğin, 100 kmol/st hammadde temel olarak alınabilir. Bu durumda akımların gerçek değerleri, her bir akımı, istenilen üretim hızı üzerinden hesapalanmış ölçek faktörüyle çarparak elde edilir. 34

Proses Akım Şemaları Üniteleri İçin Yapılan Hesapalamalar Proses akım şemasında yer alan çeşitli üniteleri sabit akımların bileşimlerinin hesaplanması için yapılan hesapalamalar, reaktörde ve denge kademelerinde, kütle ve enerji denkliklerinin birlikte kullanılması için izlenen yöntemleri kapsar. Reaktörlerde verim ve dönüşüm belirlenir (literatürden) tersinir tepkime için denge dönüşümü reaktör işletim sıcaklık ve basıncı için hesaplanır Denge kademelerinde (Absorpsiyon, Damıtma, Ekstraksiyon) çıkış akımlarının hızı kademeleri terkeden akımların dengede olduğu varsayımı ile hesaplanır Sabit akımların bileşimlerinin hesaplanmasında iç ve dış kısıtlamalar tarafından akımların akış hızı ya da bileşimleri belirlenebilir Kütle ve enerji korunum denklemlerinin birlikte kullanılması sıcaklık belirli ise aktarılacak ısı hesaplanır 35

Örnek 7 Prof. Dr. Ali Karaduman Hidrojen gazı üretim yöntemlerinden biri, petrol rafinerilerinde reforming ünitesinden çıkan gaz akımını shift reaktöründe su-gaz reaksiyonuna sokarak hidrojence zengin gaz elde etmektir. CO + H 2 O CO 2 + H 2 H 0 298= - 41197 kj/kmol Bu örnekte, reaktöre giren gaz akımının bileşimi ve buhar/gaz oranı bilindiği durumda, reaktörü terk eden akımın bileşiminin hesaplanması istenmektedir. Reaktörde, tepkime katalitik ortamda gerçekleştirilmekte ve çıkan akımın kimyasal dengeye ulaştığı kabul edilmektedir. Reforming ünitesinden çıkan gaz akımı içerisinde kuru gaz üzerinden mol olarak; %8.5CO 2, %11 CO, %76.5 H 2 bulunmaktadır. Reaktöre giren akımın sıcaklığı 500 K olup reaktöre giren 1 mol CO başına 3 mol H 2 O buharı gönderilmektedir. Reaktörden çıkan akımın sıcaklığını ve bileşimini hesaplayınız. 36

Çözüm TEMEL: 100 kmol/st kuru gaz (girdi) Girdi akımındaki su buharı = 3x11 = 33 kmol; Karbonmonoksidin dönüşüm oranı, C ise tepkimeye giren karbonmonoksit mol sayısı, tepkimenin stokiyometrisi de göz önüne alındığında 11C dir. Aşağıda stokiyometrik tablo ve bileşenlerin özgül ısıları verilmiştir Reaktörden çıkan gaz akımının ideal olduğu ve termodinamik dengeye ulaştığı varsayılmaktadır. 37 Ayrıca, tepkimenin stokiometrisinden dolayı denge sabiti üzerine basıncın etkisi yoktur.

Prof. Dr. Ali Karaduman K p P P CO 2 CO P P H H 2 2 K p ( 8.5 11C )(76.5 11C ) 11(1 C )( 33 11C ) (1) K p, aynı zamanda sıcaklığa bağlı bir sabittir. Çeşitli tepkimelerin sıcaklığa bağlı olarak denge sabitleri değişik kaynaklardan yararlanarak bulunabilir. Örneğin tepkimenin serbest enerji değişimi G biliniyorsa, G = -RT lnkp bağıntısından yararlanarak hesaplanabilir. Veya termodinamik kitaplarında 1/T ; logkp şeklinde verilen nomogramlardan yararlanarak bulunabilir. Bu örnekte, Technical Data on Fuel, Spiers adlı kaynaktan CO 2 + H 2 = CO + H 2 O tepkimesi için sıcaklığa bağlı olarak verilen Kp değerleri kullanılmıştır. O nedenle; 1 nolu bağıntı, (121 Kp 121) C2 + (935 Kp + 484) C + (650 Kp 363) = 0 şeklinde yazılabilir

Tepkime ekzoterm olduğu için adyabatik işletim tercih edilmiştir. Soğutma yapılmayıp, dışarıya olan ısı kayıpları en aza indirilecektir. Reaktörden çıkan gazların sıcaklığı da dönüşüm oranına bağlı olduğundan, reaktör çıkış sıcaklığı denge bağıntısını ve adyabatik işletim için enerji denkliğini sağlamalıdır. Bu amaçla aşağıda verilen çözüm algoritması uygulanabilir. 1. Dönüşüm oranı, C için bir varsayım yapılır. 2. Bu dönüşüm oranı için 1 nolu bağıntıdan Kp değeri hesaplanır. 3. Kp= F(T) den (termodinamik bağıntılar veya nomogramlardan) T çıkış sıcaklığı bulunur. 4. Adyabatik işletim için enerji denkliğinden dışarıya verilen Q ısısı hesaplanır. 5. Q=0 olup olmadığı kontrol edilir. Hesaplamalara (iterasyona) Q=0 olana dek devam edilir. 39

Çözüm için bir bilgisayar programı yazarak basit enerji denkliğinin çözümü yapılabilir. Veya algoritma izlenerek ve hesap makinesi kullanarak çözüme ulaşılır. Sonuçlar : Dönüşüm Oranı, C K P.10 2 Çıkan akım sıcaklığ ı K Çıkan akımın bileşimi, Mol CO CO 2 H 2 O H 2 Aktarılan Isı, Q 0.88 1.86 550 1.32 18.18 23.32 86.18-175268 0.79 3.69 600 2.31 17.19 24.31 85.19 76462 0.68 6.61 650 3.52 15.98 25.52 83.98 337638 Referans sıcaklık 298 K alınmıştır. Yapılan üç iterasyondan sonra Q; T grafiği çizilerek, Q=0 için T=580 K bulunur. 40

Örnek 8 Bu örnekte, kütle denkliği hesaplamalarında faz dengesi bağıntılarının (buhar-sıvı) kullanılması amaçlanmıştır. Etilenin oksihidroklorinasyonu ile dikloroktan (EDC) üretiminde reaktörü terk eden ürün karışıma seyreltik hidroklorik asit karıştırılarak reaksiyon durdurulur. Bu işleme QUENCH (söndürme), işlemin yapıldığı ekipmana ise QUENCH KULESİ adı verilir. Quench kulesinden çıkan gaz akımı bir yoğuşturucuya gönderilerek burada yoğunlaşmayan gaz akımı reaktöre devir ettirilir. Reaktör Quench kulesi Yoğuşturucu (Ürün)

4 bar basınç altında işletilen yoğuşturucuya giren gaz akımının özellikleri aşağıda verilmiştir. Yoğuşturucuyu terk eden akımların bileşimlerini hesaplayınız. Gaz Girişi EDC 6350 kg/st Etilen 150 İnertler 6640 Su 1100 Sıcaklık 95 o C 1 2 35 o C Kondensat 3 Geri dönen gaz Kısmi Yoğuşturucu EDC akımı bazı organik safsızlıkları ve eser miktarda HCI içermektedir. İnertler esas olarak N 2, CO, O 2 dir. 42

Çözüm Bir yoğuşturucuda çıkış akımının bileşimini hesaplamak için çıkış sıcaklığında gaz ve sıvı akımlarının dengede olduğu varsayılır. Saf sıvıların buhar basınçları Antonie eşitliğinden hesaplanarak Çizelge-1 de verilmişir. Çizelge-2 de yoğuşturucuyu terk eden akımdaki bileşenlerin akış hızları verilmiştir. Çizelge-1 Buhar Basınçları Çizelge-2 Akış Hızları Bileşen 35 o C de P o i, bar Mol ağırlığı Akış hızı Kmol/st EDC 0.16 99 64 Etilen 70.7 28 5.4 * H 2 O 0.055 18 61 İnert gazlar 32 208 * 43

Yoğunlaşmayan ve gaz fazda kalan bileşenlerin toplam akış hızı: 5.4+208=213.4 mol/st Yoğunlaşmayan bileşenler (etilen ve inertler) bağlantı bileşeni olarak alınır. Gaz fazın ideal olduğu ve yoğuşmuş olan EDC ve suyun birbirleri ile karışmadığı kabul edilir. (Yoğunlaşmayanların kısmi basıncı) = Toplam basınç - EDC nin buhar basıncı + Suyun buhar basıncı = 4-0.16-0.055 = 3.79 bar EDC nin buhar basıncı Buhar içindeki = (Yoğuşmayanların EDC nin akış Yoğunlaşmayanların kısmi basıncı akış hızı ) hızı = (0.16/3.79)213.4 = 9 kmol/st 44

Benzer şekilde buhar fazdaki suyun akış hızı =( 0.055/3.79)213.4=3.1 kmol/st Bu hesapalamaların sonucu olarak gaz akımının bileşimi aşağıdaki çizelgede verilmiştir. 45

Etilenin Çözünürlüğünün kontrol edilmesi: Etilenin kısmi basıncı=(toplam basınç).(mol kesri)=4(2.3/100)=0.092 bar EDC ve C 2 H 4 ün ideal çözelti olduğu varsayılarak sıvı içinde çözünmüş olan etilenin mol kesri Raoult Yasasından hesaplanabilir. y X A A X A P P o A 1.3*10 3 2.3 100 X A 70.7 4 Böylece sıvıdaki etilen miktarı = (kmol EDC)X A = (64-9)1.3*10-3 =0.07 kmol/st Sonuçta gaz fazda kmol etilen = 5.4-0.07 = 5.33 kmol/st

Bu değer, hesaplanan değerden biraz farklıdır ve yoğuşmuş veya çözünmüş etilenin olmadığı başlangıç varsayımının geçerli olduğunu gösterir; özetle sıvı fazdaki etilen eser miktardadır. Kütle denkliği sonuçları. Akış hızları (kg/st) Akım No 1 2 3 Kondenser Bileşen beslemesi Kondensat Geri dönen gaz EDC 6350 5459 891 Su 1100 1044 56 Etilen 150 Eser 150 İnertler 6640 6640 Toplam 14.240 6503 7737 Sıcaklık o C 95 35 35 Basınç, Bar 4 4 4 Prof. Dr. Ali Karaduman 47

Örnek 9 Bu örnekte, bileşen kütle dengesi hesaplamalarında sıvı-sıvı faz dengesinin kullanılması açıklanmıştır. Örnek.8 de tanımlanan kondenserden çıkan kondensat akımı, yoğuşmuş su ve EDC ayırmak için bir dekantöre beslenmektedir. Dekantör çıkış akımının bileşimini hesaplayınız. 2 1 Besleme EDC 5459 kg/st Su 1075 kg/st 3 48

Çözüm Dekantörü terk eden akımların dengede olduklarını varsayılım. 20 o C de bileşenlerin çözünürlükleri Su fazı içinde az miktarda çözünmüş HCI asitte bulunur, fakat EDC nin seyreltik HCI çözeltisi içindeki çözünürlüğü bilinmediği için EDC nin su içindeki çözünürlüğü kullanılacaktır. EDC ve Su içindeki çözünürlükleri küçük olduğundan, denklemleri kurarak ve çözerek bilinmeyen derişimleri hesaplamak yerine uygun bir yaklaşım yapmak kolaylık sağlar. 49

İlk yaklaşım: Organik fazın akış hızı=dekantöre giren EDC akış hızı (Dekantöre giren EDC nin tamamının organik faza geçtiği varsayılıyor) EDC içinde çözünmüş su miktarı = (0.16/100)*5459=8.73 kg/st Dekantörü terk eden su miktarı = 1075-8.73 = 1066.3 kg/st Sıvı faz içerisinde çözünmüş EDC miktarı=(1066.3/100)*0.86=9.2 kg/st Organik fazın akış hızı tekrar hesaplanırsa = 5459-9.2 = 5449.8 kg/st Organik faz içerisindeki su miktarı = (5449.8/100)*0.16=8.72 kg/st Görüldüğü gibi sonuç ilk yaklaşımdan çok farklı değildir. Sonuçlar 50

3. DERS 51

Örnek 10: Nitrik Asit Üretim Prosesi Bu örnekte, çeşitli proses üniteleri içeren nitrik asit üretim prosesi için kütle ve enerji denkliklerinin kurulması ve bilgisayar kullanılmaksızın hesap makinesiyle yapılan çözümü açıklanmıştır. Amaç; Susuz amonyaktan çıkarak yılda 20 000 ton %100 saflıkta nitrik asit üretmek ve daha sonra bu asidi %50-60 sulu çözeltisi haline getirmektir. Proses için akım şemasının çizilmesi isteniyor (tabi ki kütle ve enerji denkliklerinin sonuçlarını da içeren bir akım şeması). Nitrik asit üretimi; esas olarak, amonyağın oksidasyonu ile oluşan gazlar içerisindeki azot monoksidin suyla absorbe edilerek nitrik asite önüştürülmesinden ibarettir. Kaynaklarda, nitrik asit üretimi için üç değişik proses önerilmektedir. Bunlar; 1. Atmosferik basınçta oksidasyon ve absorpsiyon 2. Yüksek basınçta oksidasyon ve absorpsiyon (yaklaşık 8 atm) 3. Atmosferik basınçta oksidasyon ve yüksek basınçta absorpsiyon Bu çalışmada 2 nolu alternatif yani yüksek basınçta oksidasyon ve absorpsiyon un yapıldığı proses tercih edilmiştir.

Başlangıç olarak, sadece prosesde yer alan ekipmanları gösteren ve blok diagramlara çizilmiş bir akım şeması oluşturulur. Hava Hava Su Ürün NH 3 ~%60 Buharlaştırıcı Reaktör Atık ısı kazanı Yoğuşturucu Absorpsiyon kolonu HNO 3 Kaynaklarda, reaktörde, Pt-Rodyum katalizör kullanıldığı takdirde seçimlilik 53 yönünden 1 nolu reaksiyonun veriminin yaklaşık %95-96 olduğu belirtilmektedir.

Bilgisayar Destekli Akım Şemaları Proses tasarımında akım şemalarının hazırlanmasında yararlanılan bilgisayar programları iki ana grupta toplanır. Güçlü hesaplama olanaklarına sahip tam benzetim (simülasyon) programları Eşanlı (Simultaneous /Equation oriented) benzetim programları Basit kütle denkliği programları Ardıl- birimsel (Sequential Modular) benzetim programları Benzetim programlarını kullanarak tüm prosesinin tasarımını yapmak mümkündür. Bir proje çalışmasının başlangıcında tam benzetim programı kullanmak yerine basit madde denkliği programları kullanılması tercih edilir. Böylece çabuk ve ucuz bir şekilde elementer bir akım şeması ortaya konulabilir. 54

Proses Benzetim (Simülasyon) Programları Çeşitli firmalar tarafından geliştirilmiş Proses benzetim programları, prosesleri benzetmek (simüle etmek) ve akım şeması için kullanılmaktadır. Bunlardan bazıları : Ayrıca, üniversitelerde proses tasarım dersleri çerçevesinde de benzetim ve akım şeması programları kullanılmaktadır. Örnekler: CHEMCAD, GEMCS, FLOWPACK, FLOWTRAN, CONCEPT, PROCESS, HYSIM ve ASPEN gibi. 55

Tipik Bir Benzetim (Simülasyon) Programının İçeriği GİRDİ VERİLERİ Ekipman Özellikleri İçin Altprogramlar A N A Termodinamik Hesaplar İçin Alt Programlar İteratif Yöntemler İçin Alt Programlar Fiziksel Özellikler İçin Veri Dosyaları Maliyet Hesapları İçin Veri Dosyaları Ç A L I Ş T I R I C I EXE ÇIKTILAR

Tüm bu proses benzetim paket programlarının içerikler temel olarak şu şekilde özetlenebilir. 1. Ana çalıştırıcı programı (executive program) EXE 2. Ekipman performans alt programlarını içeren kütüphane (MODULES) 3. Fiziksel özellikleri içeren veri bankası 4. Akımların entalpileri, buhar-sıvı denge sabitleri gibi termodinamik özelliklerin hesaplanması için kullanılan altprogramlar 5. Maliyet hesaplamaları için gerekli veri bankası ve alt programlar. Proses akım diyagramlarının oluşturulmasında kullanılan programlarda kütle ve enerji denkliklerinin çözümü, iterasyon yöntemleri kullanılarak yapılır. İterasyon sırasında uygun parametrelere belirli artışlar verilerek geri döngüler yapılır. İstenilen değere ulaşılınca döngüden çıkılmış olur. 57

Bilgi Akış Diyagramları Prof. Dr. Ali Karaduman Bilgisayara problemi tanıtmak için, temel işlemlerin ve akım bağlantılarının sırasını gösteren elementer bir proses akış diyagramı hazırlanır ve daha sonra bir bilgi akış diyagramına dönüştürülür. Bilgi akış diyagramında yer alan her bir blok benzetim programındaki hesaplama modüllerinden birine karşılık gelir. Bileşim, sıcaklık, veya basıncın değişime uğramadığı üniteler bilgi akış diyagramlarına dahil edilmezler. Diğer taraftan bileşim, sıcaklık veya basınç değişimine neden olan her ünite ve her ünite parçası diyagram içerisinde yer almalıdır. Bu diyagramda blokları birleştiren çizgi ve oklar bir alt programlardan diğer bir alt programa bilgi akımını ve 58 yönünü göstermektedir.

Örnek Prof. Dr. Ali Karaduman Nitrobenzenin hidrojenasyonuyla anilin üretim prosesi akım diyagramı Proses Akım Diyagramı Bilgi Akım Diyagramı 59

Fraksiyon Katsayıları Kavramı ve Kolay Çözümler Bir prosesin tasarımının veya geliştirilmesinin ilk aşamasında kaba ve yaklaşık bir kütle denkliği hesaplamaları için basit programlar kullanarak akım diyadramlarını oluşturmak olasıdır.özellikle devir akımı içeren prosesler ve kütle denklikleri ve enerji denkliklerinin birlikte çözümünü gerektirmeyen tasarım çalışmaları için bu tip basit programların kullanılması önerilir. Bu tür programların en önemli özelliği kişisel bilgisayarlarda uygulanabilmesidir. Kimyasal proseslerde yer alan ünitelerin yani temel işlemlerin yapıldığı ekipmanların çoğunda üniteye giren akım kolon çıkışında üst ve dip ürün olarak iki akıma ayrılır. Örnek: Damıtma kolonuna giren akım kolon çıkışında üst ve dip ürün olarak ikiye ayrılır. Bir yoğuşturucuya giren akım yoğuşturucu çıkışında sıvı ve gaz faz olmak üzere iki akıma ayrılır. O nedenle, Bilgi Akım diyagramında yer almış olan bir temel işlemler ünitesinden çıkan akımdaki herhangi bir bileşenin akış hızı, bu bileşenin üniteye giren akış hızının belirli bir kesri kadardır. Bileşenin adı geçen üniteye giriş akış hızını bir katsayı ile çarparak üniteden çıkıştaki akış hızını bulmak mümkündür. 60 Bu katsayıya FRAKSİYON KATSAYISI denir.

Prof. Dr. Ali Karaduman Kütle denkliğinin oluşturulmasında kullanılan simgelerin gösterimi i,j ik. jik g iok : Ünite numaraları : i ünitesine giren k bileşeninin toplam akış hızı : i ünitesinden çıkıp j ünitesine giden akım içerisindeki k bileşeninin toplam akış hızına oranı. Fraksiyon katsayısı : i ünitesine sistem dışından gelen akım içerisindeki k 61 bileşeninin akış hızı

Bir üniteden çıkan bileşenin akış hızı üniteye giriş akış hızı ile fraksiyon katsayısının çarpımına eşittir. Yani, i ünitesinden çıkan ve j ünitesine giden k bileşenin akış hızı ( jk ), üniteye giriş akış hızı ( ik ) ile fraksiyon katsayısının ( jik )çarpımına eşittir. Fraksiyon katsayısı, ünitenin tasarım özelliklerine ve üniteye giren akımın özelliklerine bağlıdır. Üç adet temel işlem ünitesi ve çeşitli devir akımları içeren bir proses için bilgi akım diyagramı ve kütle denkliklerini oluşturmak için kullanılan simgeler aşağıda verilmiştir. 62

1 Nolu ünite için kütle denkliği: g 1k 10k 12k 2k 13k 3 k 2 Nolu ünite için kütle denkliği: 2 k 21k 1k 3 Nolu ünite için kütle denkliği: 3k g 30k 32k 2k 31k 1 k

64 k k k k k k g g k k k k k k k k 30 31 2 10 13 12 0 3k 2 32 1 1 21 1 2 11 Denklemler düzenlenip matris formunda yazılabilir k k k k k k k g g x k 30 10 3 2 1 32k 31 21 13k 0 1-0 1 - - 1 12 Her bir bileşen (k) için bu denklem takımı yazılır. Bazı ünitelerin çıkış akımında giriş akımında yer almayan bileşenler bulunabilir. Bu bileşen sanki üniteye dışarıdan giriyormuş gibi gösterilir. GENEL : n tane ünite için denklemler düzenlenip matris formunda genel bir eşiklikler yazılabilir

Örnek 11 : İzopropil Alkol den Aseton Üretimi C 3 H 7 OH (CH 3 ) 2 O + H 2 İzopropil alkol buharlaştırıldıktan sonra reaktöre gönderilmekte ve katalitik dehidrojenasyon sonucu aseton oluşmaktadır. Reaktörden çıkan gaz akımı (aseton, su,hidrojen, izopropil alkol) bir yoğuşturucuya gönderilerek akım içerisindeki asetonun çoğu, su ve izopropil alkol yoğunlaştırılır. Yoğuşturucuyu terk eden gaz akımı içerisinde az miktarda aseton ve izopropil alkol bulunduğundan bu akım bir absorbsiyon kolonunda su ile yıkanmakta ve aseton ve alkol absorbe edilmektedir. Yıkayıcının (absorbsiyon kolonu) altından alınan akım ve yoğruşturucudan alınan sıvı akım (kondensat) birleştirilerek saf aseton elde etmek amacıyla destilasyon kolonuna gönderilir. Destilasyon kolonunun üstünden saf aseton alınır. Bu kolonun altından ise su ve izopropil alkol içeren akım alınarak ikinci bir destilasyon kolonuna gönderilir. 2 nolu distilasyon kolonunun üst akımı %91 alkol içeren azeotrop su-alkol karışımıdır. Bu akım reaktöre devir ettirilir. Reaktörde ZnO-Cu katalizör kullanılmakta, tepkime 400-500 o C sıcaklık ve 4.5 bar basınç altında yapılmaktadır. Prosesde aseton verimi %98 dir. İzopropil alkolun reaktörden her geçiş dönüşüm oranı %85-90 civarındadır. 1. Proses akım şemasını çiziniz. 2. Bilgi akım şemasını çiziniz. 3. Bileşenler için kütle denkliklerini kurarak matris formunda yazınız. 4. Proseste mevcut bileşenler için ayrık fraksiyon katsayılarını belirleyiniz ve her 65 bir bileşen için matris formundaki kütle denkliklerini tekrar yazınız.

Çözüm Prof. Dr. Ali Karaduman İzopropil alkolden aseton üretim Proses akım diyagramı ve bilgi akım diyagramı aşağıdaki gibidir. Bu proses için kütle denkliklerinin kurulmasında kullanılan simgeler ise aşağıdaki şekilde verilmiştir. Proses Akım Diyagramı Proses Akım Diyagramı 66 Bilgi Akış Diyagramı

1 2 3 4 5 67

Denklemler düzenlenerek matris formda yazılırsa 68

Fraksiyon katsayılarının belirlenmesi: Tasarımcı, fraksiyon katsayılarını belirlemeden önce yapmış olduğu proje çalışmasına özgün olarak bazı proses ve ekipman spesifikasyonlarını belirlemelidir. Bu değerler, tasarımcının istediği sonuçlara ulaşabilmesi için defalarca değiştirebileceği değerlerdir. Diğer adıyla tasarım değişkenleridir. İzopropil alkolden aseton üretim prosesinde tasarım değişkenleri için başlangıç değerleri olarak aşağıdaki veriler göz önüne alınmıştır. 1. Reaktörden her geçişte izopropil alkol dönüşüm oranı %90 dır. 2. Yoğuşturucuda izopropil alkolün %90 ı yoğuşmaktadır. 3. Yıkayıcıda izopropil alkolün %99 u absorplanarak sıvı faza geçmektedir. 4. Üretilen aseton içerisinde safsızlık olarak en fazla %1 oranında izopropil alkol bulunmasına izin verilmektedir. 5. Yoğuşturucuya giren akımdaki asetonun en az %80 inin yoğunlaşması istenmektedir. 6. Yıkayıcıda asetonun %99 u absorplanmalıdır. 7. Suyun yoğuşturucuda %95 i yoğuşmaktadır. 8. Yıkayıcıya giren suyun en fazla %1 i gaz faza sürüklenmektedir 9. I.Distilasyon kolonunda asetonun %99 u üst ürün olarak alınsın

9. 70

Prof. Dr. Ali Karaduman Fraksiyon katsayıları ve prosese dışardan verilen akımların sayısal değerleri aşağıda toplu olarak verilmiştir. Fraksiyon Katsayılar; * Absorbsiyon kolonuna dışardan gönderilen su miktarı kolon tasarımına bağlıdır. O 71 nedenle kolona gönderilen su miktarı (kmol/st) = g304=200 mol alınmıştır.

İzlenecek Yol 1. Her bir bileşen (k) için her bir ünitedeki fraksiyon katsayıları ve taze besleme akımları belirlenir. 2. Her bir bileşen (k) için fraksiyon katsayıları matris formunda yazılarak denklem takımı çözümünden ilgili bileşenin her üniteye giriş akış hızı hesaplanır. 3. Hesaplanan değerler tasarım kısıtlamaları sağlanana kadar fraksiyon katsayıları ve taze 72 besleme akımları değiştirilerek tekrar hesaplanır.

4. DERS 73

Borulandırma ve Enstrümantasyon Diyagramları (P&ID) 74

Borulandırma ve Enstrümantasyon Diyagramları Borulandırma ve enstrüman diyagramları (P&I diagram: Piping and Instrumentation) proses tasarımının son basamağıdır ve tesisin inşasında bir rehber olarak hizmet verir. Proses akım diyagramları, ekipmanların ve onların büyük ara bağlantı parçalarının düzenlenmesini gösterir. Borulandırma ve enstrüman diyagramları ise, ekipmanların, cihazların, borulandırmanın, vanaların, bağlantıların ve onların düzenlenmesinin mühendislik detaylarını gösterir ve MÜHENDİSLİK AKIM ŞEMALARI veya MÜHENDİSLİK ÇİZGİ DİYAGRAMLARI 75 olarak da adlandırılır.

Örnek 76

P&I Diyagramlarının İçeriği

Borulandırma ve Enstrumantasyon Diyagramlarında BULUNANLAR EKİPMAN Yedek birimler Paralel birimler Her birimin detay özetleri BORULANDIRMA Büyüklük (kullanılan standart ölçü) Şedül (kalınlık) Yapı malzemesi Yalıtım (kalınlık ve tip) CİHAZLAR Göstergeler Kaydediciler Kontrol ediciler Cihaz hatları gösterimi Borulandırma ve Enstrumantasyon Diyagramlarında BULUNMAYANLAR İşletme koşulları, T, P Akım akış değerleri Cihaz yerleşimleri Boru yolları a. Boru boyu b. Boru bağlantıları Destekler, yapılar, kurumlar

Semboller ve yerleşim (Symbols and layout) Ekipmanları, vanaları, enstrumanları ve kontrol devrelerini göstermek için kullanılan semboller belirli bir tasarım ofisinin deneyimine bağlıdır. Ekipman sembolleri genellikle proses akım şemalarında kullanılanlardan daha ayrıntılıdır. Vanalar, kontrol vanaları, pompalar, reaktörler, çeşitli kaplar ve ayırma kolonları gibi ekipmanlar için uluslararası (ISA) ve bazı devletler için ulusal (İngiliz standartları (BS 1646,. Austin 1979 ve Amerikan ANSI) standart semboller geliştirilmiştir.

80

Örnek 81

Tanıtıcı Yazılar : Ekipmanları Genel Format : XX-YZZ A/B/ Prof. Dr. Ali Karaduman XX : Ekipmanın 1 veya 2 harf ile gösterimi Y : 1 veya 2 digit birim numarası (1-99) ZZ : Birimdeki ekipman numarası (1-99) A/B/ yedek malzemenin varlığını gösterir. P- Pompa (Pump) E- Isı değiştirici ( Heat Exchanger) H- Yakıtlı ısıtıcı (Fired Heater) V- Kap (Vessel) R- Reaktör (Reactor) T- Kule (Tower) TK- Depolama tankı (Storage Tank) C- Kompresör veya Türbin (Compressor or Turbine) Ünite ve ekipman kodlamaları 101 numaradan başlar, akış hatlarına göre aynı hat üzerindeki üniteler 101, 102, 103, 104... olarak devam eder. Farklı hatta geçildiğinde kodlama kademesi 100 birim arttırılarak 201, 202, 203... olarak devam eder, Pompalar: P-101, P-102, P-103, P-201, P-301... olarak kodlanır. Reaktörler : R-101, R-102, R-103, R201, R301. olarak kodlanır. R-101 : 100 birimde veya hattındaki 1. reaktör T-905 : 900 biriminde veya hattındaki 5. kule 82 P-301 A/B : 300 biriminde 1. Pompa artı yedekli

Tanıtıcı Yazılar : Cihazlar XYZ Tesiste ölçülebilen tüm proses bilgileri, P&ID üzerinde bir daire işareti ile gösterilir. Bu işaret, proses kontrol devrelerinde kullanılan ve kaydedilen bilgileri içerir. Diyagram üzerindeki daireler proseste elde edilen bilgilerin bulunduğu yeri ve alınan ölçümlerin tanıtımını ve nasıl bir bilgi temin ettiğini gösterir. P&I diyagramlarının çiziminde prosesin tasarımını ve proses kontrolünü iyi bilen uzman kişiler görev alırlar. Proses için, kontrol sistemlerinin belirlenmesinde proses akım şemaları önemlidir. Proses kontrol sistemlerine göre de enstrümantasyonun hazırlanması gerekir. 83

Tanıtıcı Yazılar : Cihazlar Prof. Dr. Ali Karaduman 84

Cihaz çeşitleri Not: 1. A, alarm için eklenir ve alarmın üst değeri H, alt değeri L ile simgelenir 2. Farkı göstermek için D kullanılır. Örnek: PD basınç farkını gösterir. 3. İkinci harfte F olursa oranı gösterir. Örnek: FFC akış oranı kontrolu demektir.

Hatlar Prof. Dr. Ali Karaduman 86

P&I Diyagramlarının Oluşturulması Prof. Dr. Ali Karaduman 87

Örnek

Cihaz Kullanımı Cihazlar, tesis işletimi boyunca proses değişkenlerini izlemeyi sağlarlar. Onlarla, otomatik kontrol devreleri kurulabilir veya proses işlemlerinin izlenmesinde kullanılabilir. Ayrıca, otomatik bilgisayarlı kontrol veri toplama sisteminin bir parçası olabilir. Kritik proses değişkenlerini izleyen cihazlara, kritik ve tehlikeli durumlarda operatöre haber vermek üzere bir ALARM bağlanabilir. Tercihan doğrudan ölçülebilen proses değişkenleri izlenir. Kolay ölçülemeyen bazı proses değişkenleri yerine ölçülebilenlerden dolaylı olarak izlenir. 89

Cihaz kullanımı ve Kontrol Amaçları Enstrumantasyon ve kontrol şemasını saptarken, tasarımcının birincil konusu: Güvenli tesis işletimi: Proses değişkenlerini bilinen güvenli işletim sınırları içinde tutmak Oluşan tehlikeli durumları tespit etmek, alarm ve otomatik kapatma sistemleri sağlamak. Tehlikeli işletim yöntemlerini önlemek için bağlantı ve alarmlar kurmak Üretim : Tasarım ürün çıktısını başarmak Ürün kalitesi : Belirli kalite standardı içinde ürün bileşimini sağlamak Maliyet : Diğer konulara eşit en düşük ürün maliyetinde işletmek Tipik bir kimyasal proses tesisinde bu konular, otomatik kontrol, manuel izleme ve laboratuar analizleri ile başarılır.

5. DERS 91

P&I Diyagramlarında Otomatik kontrol devreleri Prof. Dr. Ali Karaduman Seviye kontrolü Akış kontrolü Basınç kontrolü Sıcaklık kontrolü Hız kontrolü Kontrol edici: P, PID, fuzzy kontrol ve bilgisayar kontrol rutinleri vb. Son kontrol elemanı : Hemen hemen bütün kimyasal proses kontrol devrelerinde son kontrol elemanı vanadır. Ayrıca, triyak ve DC motor da olabilir. Proses : Reaktör, destilasyon kolonu buharlaştırıcı, sıcak su tankı vb.. Sensör : Kontak termometre, rezistans termometre, ısıl çift, basınç sensörleri, akış ölçerler vs Set noktası : Prosesin tutulmak istenilen değeri (Sıcaklık 350 C de sabit gibi) Kontrollü değişken : Sensörün ölçtüğü değişken (Sıcaklık, basınç vs )

Proses Kontrol devresinin oluşturulması 93

Örnek otomatik kontrol devreleri - Seviye kontrolü Kolonun tabanındaki seviye kontrolü için tipik bir düzenleme gösterilmiştir. Pompa boşaltma hattı üzerinde bir kontrol vanasının yer alması gerekir. LC

Basınç kontrolü PC Basınç kontorlü, buhar veya gaz kullanılan pek çok sistem için gereklidir. Kontrol metodu, prosesin doğasına bağımlıdır. Doğrudan boşaltma ile basınç kontrolu PC Yoğuşturucudan sonra yoğuşmayanların boşaltılması

Akış Kontrolü Akış kontrolu sağlamak için sabit hızda çalışan ve yaklaşık sabit hacimde çıkış yapan bir kompresör veya pompada bir yan geçiş (by-pass) kontrolü kullanılmalıdır. FC Emme-basma pompa için akış kontrolu FC FC Bir santrifüj compresör veya pompa için alternatif şema

Sıcaklık kontrolü Soğutma veya ısıtma ortamı akışının değişimi ile sıcaklık kontrolu konusundaki en basit düzenlemeyi gösterir. Proses TC Bir akışkan akımının kontrolu Proses TC Eğer, alışveriş iki sabit akışlı proses akımı arasında ise, bypass kontrol kullanılır. By-pass kontrol

Kaynatıcı ve buharlaştırıcı kontrolü Buharlaştırıcılar için sıklıkla seviye kontrolü kullanılır. Şekilde görüldüğü gibi akış kontrolü üzerindeki buharlaştırıcıya beslenen sıvı akış hızı ve kontrol edici ısıtma yüzeyine gönderilen buharın miktarını ayarlayarak seviye kontrol edilmektedir FC LC Besleme Buhar Tuzak Buharlaştırıcı Kontrol

Damıtma Kolonu Kontrolü Damıtma kolonu kontrolünün temel konusu, üst ve alt ürünün belirli bir bileşimini ve yan akımlarda bozulanların etkisini düzelterek temin etmektir. FC Besleme TC TC Buhar Sıcaklık deseni kontrolu. Bu düzenleme ile tepe ve dip sıcaklık kontrol edicileri arasında iç etkileşim olur

Örnek 100

Reaktör Kontrolü Reaktör kontrolünde kullanılan şema, prosese ve reaktörün tipine bağımlıdır. Eğer, güvenilir on-line analiz edici bulunuyor ve reaktör dinamiği uygunsa, ürün bileşimi sürekli izlenebilir ve reaktör koşulları ve besleme akışı istenen ürün bileşimi ve verimini sağlamak için otomatik olarak kontrol edilebilir. 101

Örnek

Örnek

Örnek 104

Örnek 105

Örnek 106

Örnek Prof. Dr. Ali Karaduman 107

Örnek 108

Örnek 109

Elektrik diyagramları

111