Journa of Engineering and Natura Sciences Mühendisik ve Fen Biimeri Dergisi Sigma 30, 341-349, 2012 PhD Research Artice / Doktora Çaışması Araştırma Makaesi THE EFFECT OF PAPER DRYNESS TO THE NUMBER OF DRYING CYLINDER IN DRYING CYLINDERS Andaç YAKUT *1, Gaip TEMİR 2 1 Yıdız Teknik Üniversitesi, Fen Biimeri Enstitüsü, Makine Mühendisiği Anabiim daı, Yıdız-İSTANBUL 2 Yıdız Teknik Üniversitesi, Makine Fakütesi, Makine Mühendisiği Böümü, Yıdız-İSTANBUL Received/Geiş: 20.04.2012 Accepted/Kabu: 06.09.2012 ABSTRACT The most energy consuming section of the paper production faciities is the drying section. In genera, the dryness of the paper at the entrance of the drying section is about 40 to 50%. If the degree of dryness of the paper entering the drying unit wi be increased (moisture content wi be decreased) energy savings can be achieved in drying unit. Shoe press units are used to improve the press effectiveness recenty. In this study, it is observed that the number of drying cyinders can be reduced by 8 units according to our cacuations when the dryness of the paper entering to the drying section of a paper production faciity is increased from 49 to 55% with the desired degree of dryness. Keywords: Paper drying, drying cyinders, dryness, energy savings. GERİ DÖNÜŞTÜRÜLEBİLİR KULLANILMIŞ KÂĞITTAN KÂĞIT ÜRETEN BİR TESİSTE SHOE (PABUÇ) PRES ÜNİTESİ UYGULANMASININ, KURUTMA ÜNİTESİNİN İŞLETME VE YATIRIM MALİYETİNE OLAN ETKİSİ ÖZET Kâğıt üretim tesiserinde en faza enerji tüketimi kurutma ünitesinde our. Gene oarak kurutma ünitesine girişte kâğıdın kuruuk derecesi %40-50 arasındadır. Kurutma ünitesine giren kâğıdın kuruuk derecesi arttırıacak (nem miktarı azatıacak) oursa kurutma ünitesinde enerji tasarrufuna gidiebiir. Son zamanarda preseme etkiniğini arttırmak için shoe (pabuç) pres ünitesi uyguaması yapımaktadır. Bu çaışmada bir kâğıt üretim tesisinin kurutma ünitesine giren kâğıdın %49 oan kuruuk derecesi, shoe (pabuç) pres ünitesi uyguanması ie %55 e çıkartıdığında, yapıan hesapamaar sonucunda 8 adet daha az buhara ısıtıan kurutma siindiri ie istenien kuruuk derecesinde kâğıt ede ediebidiği görümüştür. Anahtar Sözcüker: Kâğıt kurutma, kurutma siindiri, kuruuk derecesi, enerji tasarrufu. 1. GİRİŞ Kâğıt üretim tesiserinde en faza enerji tüketiminin oduğu kurutma ünitesinde yapıacak bir iyieştirme kâğıt üretim tesisinin bütününde enerji ekonomisi yönünden büyük fayda sağayacaktır. Kurutma ünitesinin girişinde (pres ünitesi çıkışında) kağıdın kuruuk derecesi arttırıdığında, kurutma ünitesine daha kuru kağıt girecek ve böyece kurutma ünitesinin yükü hafifetimiş oacaktır [1], [2]. * Corresponding Author/Sorumu Yazar: e-mai/e-ieti: andac2001@hotmai.com, te: (532) 708 77 58 341
The Effect of Paper Dryness to the Number of Drying Sigma 30, 341-349, 2012 2. KURUTMA ÜNİTESİ VE KURUTMA SİLİNDİRLERİ Mekanik oarak kağıttan en faza su çıkarıması eek ve pres partisinde gerçekeşmekte oup bu kısımarda uzakaştırıamayan su kurutma ünitesinde buharaştırıarak uzakaştırıır. Eekerden sonra ısak kağıt hamurunun kuruuğu %16-23, pres ünitesinden sonra %40-50 ve kurutma ünitesinden sonra %91-95 our. Bu eek ünitesinde 1 kg kağıt üretimi için 100-170 kg, pres kısmında 2-4 kg, kurutma ünitesinde ise 1,0-1,5 kg suyun uzakaştırıdığını ifade etmektedir. Kurutma ünitesinde çıkarıan su, topam suyun çok az bir kısmına karşıık gemesine rağmen kurutma partisi bir kâğıt veya karton makinesi için ana enerji tüketicisi durumundadır [3]. Kurutma siindireri dökme demir, kromu dökme demir veya çeikten yapımış oup çaparı 1,5-2,2 m arasında oabimektedir. İki yanda kapakar buunup buhar girişi ve kondens çıkışı ortadan yapıır. Siindirer buhar basıncına dayanıkı oup beiri araıkara kontro edimeidir. Bir siindirin yarıması; patama ve buhar yanıkarı gibi ciddi kazaara neden oabiir. Şeki 1 buhar girişi, kondens uzakaştırıcı aygıtar, siindir desteği gibi parçaarın tamamını içeren bir kurutucu siindirin boyuna kesitini göstermektedir. Kurutucu yüzey genişiği 1,5-10 m dir. Siindirin et kaınığı 1000 kpa ık basınca dayanacak şekide oup yaygın oarak 25-40 mm kaınığa sahiptir [4]. Şeki 1. Bir kurutma siindirinin boyuna kesiti Pratikte hemen hemen bütün kâğıtar atmosferik basınç atında, buhara ısıtımış kurutma siindireri üzerinden geçirierek kurutuur. Bir kâğıt makinesinin kurutma partisinde 40 ie 70 adet 1,5 m çapında, et kaınığı 22-35 mm arasında oan pürüzü iç tarafı kondensden ısı ietimesine yardım eden, dış tarafı kâğıda ısının geçmesini sağamak için taşanmış ve parak, bataryaar hainde 3 veya 5 grup kurutma siindiri buunur. Her üst veya at grup kendine ait bir kurutma keçesine sahip oup bir makine üzerinde 4-10 adet kurutma keçesi vardır [5]. 3. SHOE (PABUÇ) PRES Son yıarda preseme etkiniğini arttırmak için geiştirimiş bir pres türüdür. Bu tür preserde, kasik presere göre baskı süresi 10 kata kadar uzatıabimektedir. Bu preserde iç bükey bir pabuç üzerinde dönen pastik veya esnek bir bant buunmaktadır. Üstte ise baskı siindiri buunur. Şeki 7.5 de Shoe (pabuç) Pres yapısı görümektedir. Kasik bir pres yerine shoe (pabuç) pres kuanarak hem kağıdın pres yüzeyerine oan temas yüzeyi hem de preserin kağıda oan baskı 342
A. Yakut, G. Temir Sigma 30, 341-349, 2012 süresi artmış our. Bu tür preser sayesinde, preseme işemi sonunda kuru madde oranı eyaf tipine bağı oarak %55 e kadar çıkabiir [6]. Şeki 2. Shoe (pabuç) pres yapısı 4. KURUTMA SİLİNDİRLERİ BOYUNCA KÂĞIT NEM MİKTARI DEĞİŞİMİNİN HESAPLANMASI İnceenen kâğıt üretim tesisinde Kurutma Ünitesi 32 adet buhara ısıtıan kurutma siindirinin buunduğu Ön Kurutma Ünitesi ie 16 adet buhara ısıtıan kurutma siindirinin buunduğu Son Kurutma Ünitesi nden ouşur. Bu ünitede ısıtıan ve ısıtımayan omak üzere topam 94 adet siindir mevcuttur. Bu iki kurutma ünitesi arasında kâğıda mukavemet arttırıcı mazemenin (nişasta) çözeti hainde veridiği Tutkaama Ünitesi buunur. Kâğıt kurutma ünitesine % 49 kuruuk oranında girip üniteden % 93 kuruuk oranında çıkar. Şeki 3 de kurutma ünitesi görümektedir. Şeki 3. Kurutma Ünitesi Kurutma ünitesinde kâğıt yüzeyinden meydana geen suyun buharaşma akısı; 1 J h kağıthava (X X girenhava ) C X*C p,kuruhava p,su (1) 343
The Effect of Paper Dryness to the Number of Drying Sigma 30, 341-349, 2012 şekinde veriir [7]. Eşitik (1) de, C p,kuruhava ; kuru havanın özgü ısısı (J/kgK) C p,su ; suyun özgü ısısı (J/kgK) X * ; kâğıt sıcakığındaki doymuş havanın nemi (kgsu/kgkh), h kağıt-hava ; kâğıt ie hava arasındaki ısı transfer katsayısı (W/m 2 K), X girenhava ; kurutma böümüne verien havanın nemi (kgsu/kgkh), J; Buharaşma akısı (kg/m 2 s) şekindedir. Ayrıca kâğıt siindire temas haindeyken, 5 k 1/2 1/3 x ise h = 0,664Re Pr Re 5 10 kağıt-hava 5 k 1/3 4/5 Re >5x10 ise h Pr 0, 037 Re 871 Re Pr C p v* * k kağıt-hava oarak tanımanmıştır [7]. Radyasyon ie kâğıttan havaya oan ısı transferi ihma ediip, kurutma yönü (z) oarak tanımanıp, diğer yönerdeki değişimer ihma ediirse, küte ve enerji denkemerinden; dw n J dz vb ede ediir [4]. Eşitik (6) da v ; kâğıdın makine boyunca çizgise hızı (m/s), w; kağıt nem miktarı (kgsu/kgkurukağıt), B; kâğıdın gramajı (kg/m 2 ), z; kurutma yönü (m), J; Buharaşma akısı (kg/m 2 s), n; katsayı (n=1 kağıt siindire temas hainde, n=2 kağıt iki siindir arasında) oarak veriir [7]. İnceenen kâğıt üretim tesisinde ede edien kâğıt sıcakıkarı Çizege 1 de, kâğıt makinesinden ede edien işetme şartarı Çizege 2 de, kurutma havası şartarı ise Çizege 3 de verimiştir. (2) (3) (4) (5) (6) 344
A. Yakut, G. Temir Sigma 30, 341-349, 2012 Çizege 1. Kurutma ünitesinde buhara ısıtıan siindirer üzerindeki kâğıt sıcakık dağıımı SİLİNDİR NO: KÂĞIT SIC ( C) SİLİNDİR NO: KÂĞIT SIC ( C) SİLİNDİR NO: KÂĞIT SIC ( C) SİLİNDİR NO: 1. 47 13. 87 25. 97 37. 75 2. 56 14. 87 26. 97 38. 72 3. 62 15. 87 27. 96 39. 75 4. 66 16. 90 28. 92,5 40. 76 5. 70 17. 91 29. 93 41. 80 6. 75 18. 94,5 30. 93 42. 80 7. 75 19. 95 31. 92,5 43. 80 8. 77,5 20. 93,5 32. 91 44. 75 9. 77,5 21. 94 33. 62,5 45. 75 10. 81 22. 95 34. 61 46. 77,5 11. 82,5 23. 95,5 35. 65 47. 79 12. 82,5 24. 96 36. 70 48. 80 Çizege 2. Kâğıt makinesi işetme verieri Kâğıt Cinsi: Futing 112 Gramaj: 112 g/m 2 KÂĞIT SIC ( C) Çizgise Hız: Kâğıt Genişiği: Ön Kurutma Girişi Kuruuk(Pres Çıkışı): Ön Kurutma Çıkışı Kuruuk(Tutkaama Ünitesi Girişi): Tutkaama Ünitesi Çıkışı(Son Kurutma Girişi): Son Kurutma Çıkışı: Kurutmaya Topam Buhar Akışı: Kurutma Siindiri Çapı: 18,37 m/s 8,09 m % 49 Kuru madde % 88-90 Kuru madde % 70 Kuru madde % 91,90-93 Kuru madde 66600 kg/h 1,83 m Ön Kurutmada Isıtıan Siindir Sayısı: 32 Ön Kurutmada Ortaama Buhar Sıcakığı: 148,30 C Son Kurutmada Isıtıan Siindir Sayısı: 16 Son Kurutmada Ortaama Buhar Sıcakığı: 111,50 C İki Siindir Arası Uzakık: 2,1 m Sarma Açısı: 220 345
The Effect of Paper Dryness to the Number of Drying Sigma 30, 341-349, 2012 Çizege 3. Kurutma havası şartarı Ön Kurutma Verien Hava Ön Kurutma Çıkış Havası Sıcakık: 95 C Sıcakık: 82 C Nem: 0,020 kgsu/kgkh Nem: 160 gsu/kgkh Debi: 76,6 kgkh/s Debi: 95,8 kgkh/s Son Kurutma Verien Hava Son Kurutma Çıkış Havası Sıcakık: 95 C Sıcakık: 80 C Nem: 0,020 kgsu/kgkh Nem: 140 gsu/kgkh Debi: 35,6 kgkh/s Debi: 44,5 kgkh/s Çizege 1, Çizege 2 ve Çizege 3 deki verierden yararanarak, Eşitik (1) ve Eşitik (6) dan kurutma ünitesi boyunca kâğıdın nem miktarının değişimi hesapanmıştır. Şeki 4 de kâğıdın nem miktarının kurutma ünitesi boyunca değişimi görümektedir. Şeki 4. Kurutma ünitesinde kâğıdın nem miktarının değişimi 5. SHOE (PABUÇ) PRES ÜNİTESİ UYGULAMASI İnceenen kâğıt üretim tesisinde kâğıt, kurutma ünitesine % 49 kuruuk oranında girmekte ve kurutma ünitesinden % 93 kuruuk oranında çıkmaktadır. Kurutma ünitesinde iyieştirme yapmak amacıya kurutma ünitesine giren kâğıdın kuruuk derecesi arttırıacak (nem miktarı azatıacak) oursa kurutma ünitesi için gereki buhar miktarında azama meydana geir. Bu amaça inceenen kağıt üretim tesisinde shoe (pabuç) pres ünitesi uyguanması ie kağıdın pres ünitesinden çıkıştaki 346
A. Yakut, G. Temir Sigma 30, 341-349, 2012 kuruuk oranı % 55 e çıkarıabiir. Böyece kâğıt, kurutma ünitesine daha kuru girer ve kurutma ünitesinin yükü azatıarak enerji tasarrufuna gidiebiir. Şeki 5 de mevcut durumda ve shoe (pabuç) pres ünitesi uyguanması ie kurutma ünitesine giren kâğıdın kuruuk derecesinin % 55 oması durumunda, Eşitik (6) yardımıya ede edien, ön kurutma ünitesi boyunca kâğıdın nem dağıımı görümektedir. Şeki 5. Ön kurutma ünitesinde shoe (pabuç) pres ünitesi uyguanmasıya yapıan iyieştirme Şeki 5 de görüdüğü üzere shoe (pabuç) pres ünitesi uyguanması ie kurutma ünitesine giren kâğıdın kuruuk derecesinin % 55 oması durumunda, ön kurutma ünitesinde istenien kuruuk derecesinin 8 adet daha az buhara ısıtıan kurutma siindiri ie ede ediebieceği görümüştür. Yapıabiecek bu iyieştirme ie buhara ısıtıan kurutma siindiri sayısı azadığından kurutma ünitesinde buhar tüketimi de azaacaktır. Yapıan hesapamaar sonucunda kurutma ünitesinde 8 adet buhara ısıtıan kurutma siindirinin azaması sonucunda %16,68 buhar tasarrufu yapıabieceği beirenmiştir. 6. SHOE (PABUÇ) PRES ÜNİTESİNİN AMORTİSMAN SÜRESİNİN BELİRLENMESİ 6.1. Shoe (Pabuç) Pres Ünitesi Uyguanması ie Kurutma Ünitesinde Buhardan Ede Edien Tasarruf Shoe (pabuç) Pres Ünitesi uyguanması ie kurutma ünitesinde 8 adet buhara ısıtıan siindirden tasarruf ediir. 8 adet kurutma siindiri 11100 kg/h buhar tüketir. Ocak 2011 yakıt fiyatarıya buharın maiyeti 0,0195 /kg dır. Buradan; 11100 kg x 0, 0195 216, 45 h kg h 347
The Effect of Paper Dryness to the Number of Drying Sigma 30, 341-349, 2012 oarak buhardan ede edien tasarrufun parasa değeri buunur. 6.2. Shoe (Pabuç) Pres Ünitesi Uyguanması ie Kurutma Ünitesinde Eektrik Tüketiminden Ede Edien Tasarruf Kurutma Ünitesinde siindirerin tükettiği eektrik enerjisi 2463 kwh dir. Shoe (pabuç) pres ünitesi uyguanması ie kurutma ünitesinde 8 adet buhara ısıtıan ve 8 adet ısıtımayan omak üzere topam 16 adet siindirden tasarruf edidiğinden bu siindirerin eektrik tüketimi 419 kwh oarak tespit edimiştir. Eektriğin Ocak 2011 için birim fiyatı 0,0754 /kwh oduğundan, 419 kwh x 0,0754 31, 6 kwh h oarak eektrik tüketiminden ede edien tasarruf hesapanmış ounur. 6.3. Shoe (Pabuç) Pres Ünitesi Yatırım Maiyeti Shoe (pabuç) Pres Ünitesinin ik yatırım maiyeti 20.000.000 dur. Sistemdeki mevcut kasik pres ünitesinin maiyeti ise 7.000.000 dur. Shoe (pabuç) Pres Ünitesi uyguanması durumunda kurutma siindiri sayısı azaacağından kurutma ünitesinin yatırım maiyetinde 5.106.383 tasarruf edimektedir. Doayısıya mevcut sistem yerine Shoe (pabuç) pres ünitesinin uyguanması durumunda topam yatırım maiyeti; Yatırım Maiyeti (20. 000. 000 7. 000. 000 ) 5. 106. 383 7. 893. 617 oarak ede ediir. 6.4. Amortisman Süresinin Hesapanması Shoe (pabuç) pres ünitesinin amortisman süresi (t); Topam yatırım maiyeti t (7) Ede edien topam tasarruf ifadesinden hesapanabiir. Gereki değererin yerine koyumasıya Eşitik (7) den; 7.893.617 t 31823 h=1326 gün= 3,68 yı 216, 45 31, 6 h h oarak amortisman süresi buunur. 7. SONUÇ VE ÖNERİLER Bu çaışmada bir kâğıt üretim tesisinin kurutma ünitesine giren kâğıdın %49 oan kuruuk derecesi shoe (pabuç) pres ünitesi uyguanması ie %55 e çıkartıdığında yapıan hesapamaar sonucunda 8 adet daha az buhara ısıtıan kurutma siindiri ie istenien kuruuk derecesinde kâğıt ede ediebidiği tespit edimiştir. Kurutma ünitesinde kurutma siindiri sayısı azadığından %16,68 buhar tasarrufu ve kurutma ünitesinin yatırım maiyetinden de Ocak 2011 fiyatarıya 5.106.803 tasarruf yapıabieceği görümüştür. Shoe (pabuç) pres ünitesi hem kendini 3,68 yıda amorti ettiğinden hem de kurutma ünitesinde işetme ve yatırım masrafarını azattığından, yeni kuruacak kağıt üretim tesiserinde 348
A. Yakut, G. Temir Sigma 30, 341-349, 2012 bu tür bir ünitenin kuanıması enerji ekonomisine ve çevre kiriiğinin azatımasına önemi öçüde katkı sağayacaktır. REFERENCES / KAYNAKLAR [1] De Beer, J., Worre, E. ve Bok, K., Long-Term Energy-Efficiency Improvements in The Paper and Board Industry., Energy, 23:21-42, 1998. [2] Eroğu, H. ve Usta, M., Kâğıt ve Karton Üretim Teknoojisi, I. Cit, Seüoz ve Kâğıt Sanayii Vakfı, Trabzon, 2004. [3] Sätteke, O., Modeing and Contro of the Paper Machine Drying Section, Doktora Tezi, Department of Automatic Contro Lund University, 247, İsveç, 2006. [4] Eroğu, H. ve Usta, M., Kâğıt ve Karton Üretim Teknoojisi, II. Cit, Seüoz ve Kâğıt Sanayii Vakfı, Trabzon, 2004. [5] Koper, G., Kjestrup, S., Ven, T., Sadeghi, M. ve Dougas, W., Entropy Production for Cyinder Drying of Linerboard and Newsprint, Internationa Journa of Heat and Mass Transfer, 50:1344-1355, 2006. [6] Hoik, H., Handbook of Paper and Board, WILEY-VCH Verag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2006. [7] Zvoinschi, A., Johannessen, E. ve Kjestrup, S., The Second-aw Optima Operation of a Paper Drying Machine, Chemica Engineering Science, 61:3653-3662, 2006. SİMGE LİSTESİ B Kâğıt gramajı (kg/m 2 ) C p Sabit basınçta özgü ısı (kj/kgk) h kağıt-hava Kâğıt ie hava arasındaki ısı transfer katsayısı (W/m 2 K) J Buharaşma akısı (kg/m 2 s) k Isı ietim katsayısı (W/m.K) Karakteristik uzunuk (m) n Katsayı (n=1 kağıt siindire temas hainde, n=2 kağıt iki siindir arasında) Pr Prandt sayısı Re Reynods sayısı v Kâğıdın makine boyunca çizgise hızı (m/s) w Kağıt nem miktarı (kgsu/kgkurukağıt), X girenhava Kurutma böümüne verien havanın nemi (kgsu/kgkh) X * Kâğıt üzerindeki havanın doyma nemi (kgsu/kgkh) z Kurutma yönü (m) t Amortisman süresi (yı) Dinamik viskozite (kg/m.s) Kinematik viskozite (m 2 /s) 349