AYIRMA KOLONLARININ TASARIMI (DİSTİLASYON)

... konulu sunumlar: "AYIRMA KOLONLARININ TASARIMI (DİSTİLASYON)"— Sunum transkripti:

1 AYIRMA KOLONLARININ TASARIMI (DİSTİLASYON)
KYM416 PROSES TASARIMI II AYIRMA KOLONLARININ TASARIMI (DİSTİLASYON) PROF. DR. SÜLEYMAN KARACAN

2 DİSTİLASYON Kimya ve buna bağlı endüstrilerde en çok kullanılan ayırma prosesi distilasyondur. Uygulama alanı antik çağda yapılan alkol rektifikasyonundan günümüze ham petrolün fraksiyonlarına ayrılması proseslerine kadar uzanır. Distilasyon ve diğer denge-kademeli prosesleri iyi bir şekilde anlayabilmek için buhar-sıvı denge verilerinin korelâsyonunda kullanılan yöntemleri bilmek gerekir.

3 Distilasyon Kolonlarının Tasarımı
Bir distilasyon kolonunun tasarımında genellikle aşağıdaki adımlar izlenir. 1. İstenilen ayırma derecesinin belirlenmesi. Ürün spesifikasyonu. 2. İşletme koşullarının seçilmesi. Kesikli veya sürekli distilasyon proseslerinden birinin seçilmesi ve işletme basıncının belirlenmesi. 3. Kolon içindeki temas tipinin seçilmesi: Raflı veya dolgulu kolanlar. 4. Kademe ve geri akma oranının (reflux) belirlenmesi: Denge kademe sayısının bulunması. 5. Kolon boyutlarının hesaplanması: çap, yükseklik, gerçek kademe sayısı ve benzeri değerler. 6. Kolon iç tasarımı, kademeler, dağıtıcılar, dolgu destekleyici. 7. Mekanik tasarım, kolon ve iç fitingler

4 Kolon tasarımında önemli adımlardan birisi kademe sayısının ve geri akma oranının belirlenmesidir. Besleme akımı ikili bir karışım olduğunda bu hesaplamalar nispeten kolaydır. Fakat besleme çok bileşenli bir karışım olduğunda kompleks ve zordur. SÜREKLİ DİSTİLASYON: Prosesin Tanımı Bir sıvı karışımın damıtılarak ayrılması, karışımı oluşturan bileşenlerin uçuculukları arasındaki farka dayanır. Bağıl uçuculuğun büyük olması ayırmanın kolay olması anlamına gelir .

5 R Besleme Üst Ürün Kazan Alt ürün Şekil–1 Sürekli Akımla İşletilen Distilasyon Kolonu

6 Üst ürünün buhar olarak istendiği bazı işletim şekillerinde, kolonda geri akımı temin etmek için sadece yeteri kadar sıvı yoğuşturulur. Bu tip yoğuşturuculara kısmi yoğuşturucu adı verilir. Sıvının tümü yoğuşturulduğunda kolona gönderilen sıvı üst ürün ile aynı bileşimde olur. Geri akım ile yoğuşturucudan çıkan buhar akımı dengededir. Gerçekte basit bir kolon kullanarak iki bileşenli bir beslemeden saf dip ve üst ürünler elde edilebilir. Fakat besleme ikiden fazla bileşen içeriyorsa kolonun üstünden veya altından sadece bir tek saf ürün alınabilir. O nedenle çok bileşenli bir girdiyi bileşenlerine ayırabilmek için genellikle daha fazla sayıda kolona gereksinim vardır.

7 BUHAR-SIVI DENGE VERİLERİ
Birçok ikili sistem ve çok bileşenli sistemler için yayınlanmış buhar sıvı denge verileri literatürde bulunabilir. Raoult yasasına göre sıvı ve buhar faz bileşimleri arasında yi = xiPi/P bağıntısı vardır. Burada; xi = i’nin sıvı fazdaki mol kesri. yi = i’nin buhar fazdaki mol kesri Pi= Saf i bileşenin buhar basıncı P = Toplam basınç

8 İdeal halden sapmaların küçük olduğu durumlarda, gerçek karışımlar için Raoult yasası kullanılabilir. İdeal karışımlardan sapmalarda aktiflik katsayısı σ; gazlar için verilmiş yasalardan sapma durumunda ise fügasite katsayısı φ kullanılır. Buhar ve sıvı fazdaki i maddesinin bileşimleri arasındaki bağıntı denge sabiti, K ile belirtilir. İki bileşenin bağıl (relatif) uçuculuğu αij ise K değerlerinin oranı olarak ifade edilir. Ki = αij =

9 İdeal karışımlar (Raoult Yasasına uyan karışımlar) için Ki0 =. αij = =
İdeal karışımlar (Raoult Yasasına uyan karışımlar) için Ki0 = αij = = Ki = Ki0 αi: i bileşenin sıvı fazdaki aktiflik katsayısı, φi ise gaz fazdaki fügasite katsayısıdır. Düşük basınçlarda (1–2 bar) φi = 1 alınabilir. Ki = Ki0 σi = σi Pi / P Gaz fazda ideal halden sapmalar sıkıştırma faktörünün büyüklüğü ile belirlenebilir. Ayırmadaki zorluk bileşenlerin K değerlerinin birbirine yakın olması halindedir. Son olarak verdiğimiz iki bağıntı kolay ayırmalar için geçerlidir. Ayırma işlemi için 50’den daha az kademe gerekiyorsa bu kolay bir ayırmadır.

10 Hidrokarbonlar için K değerleri ise Depriester diyagramlarından bulunabilir.

11 GERİ AKMA (Reflux) : Geri akma oranı: R = (Geri akan akım)/(alınan üst ürün akımı) Bir ayırma işlemi için kullanılacak gerekli kademelerin sayısı kullanılan geri akma oranını bağlıdır. İşletilen bir kolonda etkin geri akma oranı, kolon cidarındaki ısı kaçaklarından dolayı kolon içerisinde yoğuşan buhar ile artar.

12 Toplam Geri Akma (Total Reflux): Tüm yoğuşmanın geri akım olarak kolona gönderildiği, hiçbir ürün alınmadığı ve besleme yapılmadığı koşullardaki geri akıma toplam geri akma denir. Toplam geri akmada, istenilen bir ayırma için gerekli kademe sayısı, ayırmayı yapabilmek için teorik olarak mümkün olan minimum kademe sayısıdır. Kolonlar, başlangıçta hiçbir ürün alınmadan yatışkın hale getirilir. Kolonların test edilmesi de toplam geri akma koşulunda yapılır.

13 Minimum Geri Akma: Geri akma oranı öylesine kısılabilir ki, ayırma işlemi ancak sonsuz sayıda kademeden oluşmuş kolonda yapılabilir. Bu istenilen bir ayırma için mümkün olan minimumum geri akma oranıdır. Optimum Geri Akma Oranı: Pratikteki geri akma oranları, istenilen bir ayırma için gerekli minimum ve toplam geri akma oranları arasındadır. Tasarımcı, istenilen ayırmanın minimum maliyetle yapılması için bir değer seçmelidir. Geri akmanın artırılması, kademe sayısını azaltır ve böylece yatırım maliyeti azalır, fakat işletme maliyeti artar.

14 BESLEME NOKTASININ YERİ Besleme noktasının yeri, istenilen bir ayırma için gerekli kademe sayısını ve buna bağlı olarak da kolan işletme koşullarını etkiler. Genel bir kural olarak, beslemenin kolona girdiği yer, beslemenin bileşimi ile buhar - sıvı akımları bileşimlerinin birbirlerine en uygun oldukları nokta olmalıdır.

15 KOLON BASINCININ SEÇİLMESİ
Kolon basıncını seçerken ısıya hassas maddelerin damıtılması haricindeki diğer maddeler için yoğuşumun çiğlenme noktasının (dew point) fabrikada kullanılan soğutma suyu ile elde edilebilecek kadar düşük olmasına dikkat edilir. Isıya hassas maddelerin damıtılması için kolon sıcaklığını düşürmek ve nispeten uçucu olmayan maddelerin damıtılması için çok yüksek sıcaklıklar gerektiğinden vakum altında işletme yapılmalıdır

16 SÜREKLİ DİSTİLASYON: Temel prensipler
KADEME DENKLİKLERİ Çok kademeli bir prosesin her kademesi için madde ve enerji denklikleri yazılabilir. Vn, yn Ln-1, xn-1 n.kademe Fn, zn Sn, xn qn Vn+1, yn Ln, xn Şekil 2 Kademe akımları

17 n. Kademe için bileşen kütle denkliği
Vn+1yn+1+Ln-1xn-1+Fnzn = Vnyn+Lnxn+Snxn (1) Enerji Denkliği Vn+1Hn+1+Ln-1hn-1+Fnhf = VnHn+Lnhn+Snhn (2) Buhar bileşimleri ve kademe sıcaklıkları buhar-sıvı denge verilerinden elde edilebilir. Denge sabitlerine bağlı olarak; yi= Ki xi (3)

18 Çiğlenme ve Kaynama Noktaları Hesabı
Kademe, yoğuşturucu ve kazan sıcaklıklarını hesaplamak için kullanılan yöntemler çiğlenme ve kaynama noktalarının hesaplanmasını gerektirir. Çiğlenme ve kaynama noktaları, sistem için buhar-sıvı denge verilerinden yararlanılarak hesaplanabilir. Kaynama noktası : Çiğlenme noktası: = 1,0 = (4) = 1,00 = (5)

19 FLAŞ DİSTİLASYON (Tek Kademeli Distilasyon)
Flaş distilasyonda, besleme akımı birbirleri ile dengede bulunan sıvı ve buhar akımlarına ayrılır. Akımların bileşimi beslemenin buharlaşan miktarına bağlıdır. Flaş distilasyon için yapılan hesaplamalarda distilasyon kolonuna yapılan beslemenin koşullarını ve kazandan veya eğer bir kısmi yoğuşturucu kullanılıyorsa, yoğuşturucudan gelen buhar akımının koşullarını bilmemiz gerekir. Bir besleme akımı içerisindeki hafif bileşenleri ayırabilmek için ilk adım olarak tek kademeli flaş distilasyon prosesini uygulamak yararlıdır. (ham petrolün damıtılmasında olduğu gibi).

20 Şekil–3 Flash distilasyon
V,yi F,zn L,xi Şekil–3 Flash distilasyon Bu prosesde herhangi bir i bileşeni için Kütle denkliği, F zi = V yi + L xi (6) Enerji denkliği F hf = VH + L h (7)

21 Buhar-sıvı denge bağıntısı denge sabitlerine bağlı olarak ifade edilip (6) bağıntısı yeniden yazılırsa aşağıdaki eşitlikler elde edilir. (8) Fzi = VKixi + Lxi = Lxi L = (10) V = (11)

22 Bileşimi aşağıda verilen karışım 14 bar basıncı ve 60oC’de bir
ÖRNEK Bileşimi aşağıda verilen karışım 14 bar basıncı ve 60oC’de bir Flash damıtma kolonuna beslenmektedir. Sıvı ve buhar akımlarının akış hızlarını ve bileşimlerini hesaplayınız. Denge K değerleri için Depriester Diyagramını kullanınız. z

23 /

24 / / / = assumed)

25 2.8 L/Vcalc. 1.5 2.4 L/VAssumed 3.0 1.67

26 / /

27 ÇOK BİLEŞENLİ KARIŞIMLARIN DİSTİLASYONU
Çok bileşenli karışımların distilasyonunda kademe sayısının ve geri akma oranının tayin edilmesi ikili karışımlara kıyasla çok daha kompleksdir. Çok bileşenli karışımlarda bileşenlerden birisinin derişimini bilmekle diğerlerinin derişimini ve kademe sıcaklığını hesaplamak mümkün değildir. Alt ve üst ürünler arasındaki ayırma, ayrılması istenen iki anahtar bileşeni ( key components) belirleyerek spesifiye edilebilir.

28 Burada çok bileşenli karışımların ayrılmasında kullanılan kolonların tasarımı için gerekli hesaplamaların yapılması amacıylaKESTİRME YÖNTEMLER (short- cut Methods) geliştirilmiştir. Kestirme Yöntemler İki Gruba Ayrılır. Hengstebec Yöntemi (Grafiksel yöntem) Empirik yöntemler: Bugün uygulamada kesin tasarımların sonuçlarını veya işletilen kolonların performanslarını temel alarak kullanılmaktadır. İleride açıklanacak olan “Gilliland ” ve “Erbar Maddox” bağıntıları bu yaklaşım için birer örnektir.

29 ANAHTAR BİLEŞENLER Kolon tasarımına başlamadan önce,ayrılması istenen bileşenler arasında iki tanesi anahtar bileşen olarak seçilmelidir. Hafif anahtar, dip üründe olmaması istenen bileşen Ağır anahtar, üst üründe olmaması istenen bileşen olarak tanımlanır. Spesifiye etme, alt ve üst ürün içerisindeki anahtar bileşenlerin maksimum derişimlerini belirleyerek yapılır.

30 Anahtar olmayan bileşenlerden, dip ve üst ürünler
Hangi bileşenlerin anahtar bileşenler olacağı kolaylıkla belirlenebilir. Fakat bazı durumlarda, özellikle kaynama noktaları birbirine çok yakın izomerlerin karışım içerisinde bulunması halinde herhangi birisinin seçilmesine karar verilir (herhangi bir kriter olmaksızın). Anahtar olmayan bileşenlerden, dip ve üst ürünler içerisinde bulunanlara “dağılmış bileşenler” adı verilir.

31 KOLON SAYISI ÇBK distilasyonunda tek bir kolon kullanarak saf bir bileşen elde etmek yani tam bir ayırma yapmak mümkün değildir. Eğer ÇBK dan birkaç tane bileşen saf halde elde edilmek isteniyorsa birkaç tane kolon kullanılması gerekir. Saf olmayan ürünler yan akım olarak alınabilir. Ayrıcı raf sayısının çok fazla olduğu kolonlarda kolon boyunun büyüklüğünü azaltmak amacıyla tek kolon yerine iki ayrı kolon kullanılması tercih edilir.

32 KESTİRME YÖNTEMLER (Short-cut Methods)
Bu bölümde bilgisayar kullanımını gerektirmeyen bazı kestirme yöntemler verilmiştir. Kestirme yöntemlerin çoğu petrol ve petrokimya endüstrisinde hidrokarbon karışımlarının ayrılmasında kullanılan ayırma kolonlarının tasarımı için geçerlidir. Kestirme yöntemler genellikle sabit bağıl uçuculuk varsayımını temel alır ve ideal olmayan sistemler için kullanılmamalıdır.

33 EŞDEĞER-İKİLİ SİSTEMLER (pseudo-binary systems)
Eğer diğer bileşenlerin mevcudiyeti, anahtar bileşenlerin uçuculuğunu önemli ölçüde etkilemiyorsa sistem anahtar bileşenlerden oluşan eşdeğer ikili karışım gibi düşünülebilir. Kademe sayısı, McCabe Thiele diagramı veya ikili sistemler için verilen diğer yöntemler kullanılarak hesaplanabilir. Bu basitleştirme, anahtar olmayan bileşenlerin karışım içindeki miktarı küçük olduğunda veya bileşenler hemen hemen ideal bir karışım oluşturduklarında yapılabilir. Anahtar olmayan bileşenlerin derişimi % 10’dan daha az ise anahtar bileşenle birlikte ele alınır.

34 Daha yüksek derişimlere sahip olduklarında ise Hengstebeck
yöntemi ile ikili eşdeğer hale indirgenir. Hengstebeck Yöntemi: Herhangi bir i bileşeni için, bileşenlerin derişimleri yerine her bir bileşenin molar akış hızlarına bağlı olarak yazılabilir. Zenginleştirme bölgesi için v n d l vn+1,i = ln,i + di (9) vn,i = Kn,i ln,i ; yn = Knxn (10)

35 V,L Toplam akış hızları olup, sabit olduğu kabul edilmiştir.
Sıyırma bölgesi için v’n l’n+1 l’n+1,i = v’n,i + bi (11) b v’n,i = Kn,i l’n,i ; yn = Knxn (12) V,L Toplam akış hızları olup, sabit olduğu kabul edilmiştir. Çok bileşenli sistemi, eşdeğer ikili sisteme indirgemek için anahtar bileşenlerin kolon boyunca akış hızlarını hesaplamak gerekir.

36 Her bir bölgedeki anahtar olmayan bileşenlerin akış hızlarını limit hızlara eşitleyerek anahtar bileşenlerin eşdeğer akış hızları hesaplanır. Le = L - (13) Ve = V - L’e = L’ - V’e = V’ - (14) Ve , Le: Anahtar bileşenlerin akış hızları vi, li: Zenginleştirme bölgesinde, anahtar bileşenlerden daha hafif olan bileşenlerin kısıtlı (limitli) sıvı ve buhar akış hızları. : Sıyırma bölgesinde anahtar bileşenlerden daha ağır bileşenlerin limitli sıvı ve buhar akış hızları olarak verilmektedir.

37 Limit akış hızlarını hesaplamak için, aşağıdaki bağıntılar verilmiştir.
(15) (16) : Hafif anahtar bileşenin bağıl uçuculuğu : i bileşeninin bağıl uçuculuğu (ağır anahtar bileşene göre )

38 Burada, y ve x hafif anahtarın buhar ve sıvı fazdaki derişimleridir.
Eşdeğer anahtar bileşenlerin hızlarının hesaplanmasından sonra eşdeğer ikili sistem için işletme doğrularını çizmek mümkün olur. Hafif anahtar için sabit bir bağıl uçuculuk varsayılarak denge eğrisi çizilebilir; (17) Burada, y ve x hafif anahtarın buhar ve sıvı fazdaki derişimleridir.

39 Örnek 1 Bütan-pentan ayırıcısında aşağıda bileşimi verilen karışımı ayırmak için gerekli kademe sayısını hesaplayınız. Kolon 8.3 bar basınç altında çalıştırılacak ve geri akma oranı 2.5 olacaktır. Besleme akımı kaynama sıcaklığındadır. Bileşen Besleme, f Üst Ürün, d Alt Ürün, b Propan C3 5 i-bütan i-C4 15 n-bütan n-C4(LK) 25 24 1 i-pentan i-C5(HK) 20 19 n-pentan n-C5 35 Toplam, kmol 100 45 55

40 Kolonun üst ve alt sıcaklıkları; üst ürün için çiğlenme sıcaklığı ve
alt ürün için kaynama sıcaklığı hesaplanarak bulunur. Kolonun tepe sıcaklığı 65o C dip sıcaklığı 120oC bulunur. Bağıl uçuculuklar; Bağıntılarından hesaplanabilir

41 Denge sabitleri ise Depriester diyagramlarından okunur.
Bağıl uçuculuklar Üst Alt Ortalama Sıcaklık o C o C Propan C3 5,5 4,5 5,0 i-bütan i-C4 2,7 2,5 2,6 n-bütan n-C4 2,1 2,0 i-pentan i-C5 1,0 n-pentan n-C5 0,84 0,85

42 Anahtar bileşenlerin haricindeki bileşenlerin akım hızları
15, 16 nolu bağıntılardan yararlanılarak hesaplanır. αi di vi = li + di C3 i-C4 5 2,6 15 1,3 9,4 6,3 24,4 αi bi l’i = v’i + bi n-C5 0,85 35 25,9 60,9

43 Anahtar bileşenlerin eşdeğer akış hızları:
Le = L = RD Ve = V = D(R + 1) - = 2,5 x 45 – 10,7 = 101, = 45(2,5 + 1) – 30,7 = 126,8 Burada L, zenginleştirme bölgesinde sabit sıvı akış hızı olup geri akış hızına (Lo) eşittir. V, zenginleştirme bölgesinde sabit buhar akış hızı olup V=L0 + D=D(L0/D + l)=D(R+l) = V’ = D(R + 1) = 45(2,5 + 1) – 25,9 = 131,6 = L’ = (V’ + B) = (2,5 + 1) – 60,9 = 151,6

44 Burada, V’ sıyırma bölgesinde sabit buhar akış hızıdır.
V’=L0 + D=D(R+l) L’ ise sıyırma bölgesinde sabit sıvı akış hızıdır. L’ = V’ +B Üst işletme doğrusunun eğimi Le/Ve = 101.8/126.8=0,8 ve alt işletme doğrusunun eğimi Le’/Ve’ = 151.6/131.6 =1,15 dir. 0.96

45 ______________________________ y 0.18 0.33 0.57 0.75 0.89
x ______________________________ y Yukarıdaki hesaplamaların sonuçlarından yararlanılarak McCabe Thiele diagramı çizilir. l. Denge eğrisi çizilir. 2.Diagram üzerinde xb, xd noktaları işaretlenir. 3.Eğimi Le/Ve = 0,8 olan ve xd’ den geçen üst işletme doğrusu çizilir. y = ax + b y = 0,8x + b x = 0,96 için y = 0,96 olup b = 0,192 x = 0,6 için y = 0,67

46 4. Eğimi Le’/Ve’ = l.15, olan ve xb’=0.05
noktasından geçen alt işletme doğrusu çizilir. y = ax +b y = 1,15x + b xb = 0,05 için y = 0,05 olup b = -0,0075 x = 0,4 için y = 0,4525

47 McCabe-Thiele Diyagramı çizildiğinde ayırma için 12 kademe gerektiği
xd yLK xf xb xLK McCabe-Thiele Diyagramı çizildiğinde ayırma için 12 kademe gerektiği ve besleme akımının dipten itibaren 8. kademeden yapılması gerektiği görülür.

48 EMPİRİK BAĞINTILAR Çok bileşeni karışımlarının ayrılması için gerekli raf sayısının hesaplanması amacıyla en çok kullanılan empirik bağıntılar, Gilliands ve Erbar Maddox tarafından verilmiştir. Bu bağıntılar yardımıyla verilen bir geri akma oranındaki ayırma için gerekli raf sayısı, toplam geri akma ve minimum geri akma için gerekli raf sayılarına bağlı olarak hesaplanabilir. Minimum raf sayısı Fenske Bağıntısından, Minimum geri akma oranı ise Underwood bağıntısından hesaplanabilir. Bu bağıntılar hakkındaki açıklamalar aşağıda verilmiştir.

49 Erbar-Maddox Korelasyonu
R/(R+1) Erbar-Maddox Korelasyonu 49

50 MİNİMUM RAF SAYISI; FENSKE BAĞINTISI
Toplam geri akma oranı için gerekli raf sayısı (minimum raf) Fenske bağıntısı kullanılarak hesaplanır. Bu bağıntı çok bileşenli sistemlere de şu şekilde uygulanabilir, (18) (18) xi/xr : Herhangi bir i bileşeninin derişiminin bir, referans bileşeninin derişimine oranıdır(r için ağır anahtar bileşen alınır) d : Üst ürün. b : Dip ürün. Nm : Toplam geri akmada minimum raf sayısı (kazan dahil) :Hafif anahtarın ağır anahtar bileşene göre ortalama bağıl uçuculuğudur. : i bileşeninin, r referans bileşene göre ortalama bağıl uçuculuğu. xLK xHK: Hafif ve ağır anahtar bileşenlerin derişimleridir.

51 Bağıl uçuculuk olarak, kolon üst ve alt sıcaklıklarındaki değerlerinin geometrik ortalaması alınır;
αort = ( αüst. α alt ) ½ (19) Bu değer sıcaklıkları hesaplamak için başlangıçta bileşimlerin hesaplanması gerekir, böylece Fenske bağıntısından minimum raf sayısı deneme yanılma yöntemiyle bulunur Eğer raf sayısı biliniyorsa, toplam geri akma koşulunda (18) bağıntısı kullanılarak kolonun üst ve dip kısımları arasında bileşenlerin ayrılma oranları hesaplanabilir. Böylece bileşenlerin ayrılma oranlarını daha uygun bir şekilde ifade etmek mümkün olur. Refrans olarak seçilen bileşeni gösterir di + bi = fi (20)

52 MİNİMUM GERİ AKMA ORANI
Minimum geri akma oranının saptanması için Colburn ve Underwood tarafından türetilmiş bağıntılar kullanılabilir. Daha yaygın olarak kullanılanı Underwood’un verdiği bağıntıdır. (21) (Bu denklemden θ bulunur) αi : i bileşeninin bir referans bileşene göre relatif uçuculuğu (genellikle ağır anahtar bileşen referans bileşen olarak alınır.) Rm : Minimum geri akma oranı. x i,d : Minimum geri akma koşulunda i bileşeninin üst üründeki derişimi. θ : Denklem kökü. Xi,f : i bileşeninin besleme akımı içerisindeki derişimi. q : Besleme akımının molar duyulan ısısı başına l mol besleme akımını buharlaştırmak için verilen ısı. Besleme akımının koşullarına bağlıdır.

53 θ’nın değeri hafif ve ağır anahtarların relatif uçuculukları
arasındadır. Deneme yanılma yöntemiyle bulunur. (21) nolu bağıntılarda bağıl uçuculuklar sabit olarak alınır. Üst ve alt kolon sıcaklıklarında hesaplanmış değerlerin geometrik ortalaması kullanılmalıdır. Her ne kadar bu bağıntıdaki bileşimler minimum geri akma oranı koşulundaki bileşimler olmalıysa da, toplam geri akma koşulunda Fenske bağıntısının uygulanmasıyla hesaplanmış değerlerdir.Daha iyi bir sonuç elde etmek için,(20) nolu Bağıntıdaki toplam geri akma koşulu için verilen raf sayısının gerçek raf sayısı ile değiştirilerek kullanılması önerilir. Bu genellikle, Nm/0,6’ya eşittir.

54 BESLEME NOKTASININ YERİ
Kirkbridge C.G. (1994) tarafından verilen empirik bağıntından hesaplanabilir. (22)

55 ANAHTAR OLMAYAN BİLEŞENLERİN DAĞILIMI (Grafik Yöntem)
Fenske bağıntısını temel alan ve Hengstebeck tarafından önerilen bu grafik yöntem, alt ve üst ürünler içerisindeki bileşenlerin dağılımını hesaplamak amacıyla kullanılır. Hengstebeck ve Geddes Fenske bağıntısının aşağıdaki şekilde yazılabileceğini göstermiştir; (23) Anahtar bileşenlerin ayrılmasını spesifiye ederek denklemdeki A ve C sabitleri tayin edilebilir.

56 Anahtar olmayan bileşenlerin dağılımı;
Anahtar bileşenlerin dağılımını, bağıl uçuculuklarına karşı logaritmik (log-log) grafik kağıdına geçirdikten sonra, bu iki noktadan geçen bir doğru çizilerek ve elde edilen diyagramdan yararlanarak bulunabilir

57 Örnek 2 Örnek 1’de verilen problem için, Hengstebeck-Geddes yöntemini kullanarak bileşen dağılımını hesaplayınız. αi Bileşen Besleme, f Üst Ürün, d Alt Ürün, b Propan, C3 5 i-bütan i-C4 15 n-bütan n-C4(LK) 25 24 1 i-pentan i-C5(HK) 20 19 n-pentan n-C5 35 Toplam, kmol 100 45 55 5 2.6 2.0 1.0 0.85

58 Hafif anahtar için, A noktası 2,0 24
Ağır anahtar için; αi di/bi ———————— Hafif anahtar için, A noktası 2,0 24 Ağır anahtar için, B noktası , ,053 Logaritmik grafik kağıdına αi ye karşı di/bi değerleri grafiğe geçirilir ve AB doğrusu çizilir. Bu grafik şekil–4 de verilmiştir

59 Şekil 4. Ürün dağılımı

60 Anahtar olmayan bileşenlerin dağılımları, grafikte üzerinde bu bileşenlerin
bağıl uçuculuklarına karşı gelen di/bi değerleri okunarak saptanır ve her bir bileşenin akış hızı aşağıdaki bağıntılardan hesaplanır. di + bi = fi (A) (B) Yukarıdaki grafikten okunan di / bi değerleri ile (A) ve (B) bağıntıları kullanılarak di ve bi değerleri hesaplanmış, sonuçlar aşağıdaki çizelgede gösterilmiştir.

61 Bileşen fi di / bi di bi Propan C3 5 40000 0,0 i-bütan i-C4 2,6 15 150 14,9 0,1 n-bütan n-C4 LK 2,0 25 21 24,0 1 i-pentan i-C5 HK 1,0 20 0,053 19 n-pentan n-C5 0,85 35 0,011 0,4 34,6 100 D = 45,3 B = 54,7

62 Örnek–3 Örnek–1 de istenilen ayırma gerçekleştirmek için geri akma oranının ayırma için gerekli raf sayısı üzerine etkisini Erbar Maddox yöntemini uygulayarak araştırınız. Çözüm : Çözüm için örnek 1’de hesaplanan bağıl uçuculuklardan ve örnek 2’de hesaplanan bileşen dağılımından yararlanılır. önce Fenske bağıntısı kullanılarak minimum raf sayısı hesaplanır.

63 Minumum geri akma oranı, Underwood bağıntıları (21 nolu bağıntılardan )
kullanılarak hesaplanır. Besleme akımı kaynama sıcaklığında olduğu durum için q = l dir. q = 1; Bu eşitliği sağlayan en uygun θ değeri deneme yanılma yapılarak bulunur. Bu örnek için uygulama aşağıdaki çizelgede gösterilmiştir.

64 xi,f αi αi xi,f θ = 1.5 θ= 1.3 θ = 1.35 0,05 5,0 0,25 0,071 0,068 0,15 2,6 0,39 0,355 0,300 0,312 2,0 0,50 1,000 0,714 0,769 0,20 1,0 -0,400 -0,667 -0,571 0,35 0,85 0,30 -0,462 -0,600 0.564 -0,252 -0,022 Görüldüğü gibi sıfıra en yakın değer θ=1,35 için elde edilmiştir. θ=1,35 için (21) no.lu bağıntı da kullanılarak

65 xi,d αixi,d 0,11 5,0 0,55 0,15 0,33 2,6 0,86 0,69 0,53 2,0 1,08 1,69 0,02 1,0 -0,06 0,01 0,85 -0,02 2,42 2,42 = Rm Rm = 1,42

66 Örneğin istenilen geri akma oranı R=2 olduğunda R/(R + l) = 2 (2+1) = 0.66
Erbar Maddox bağıntısı için verilen diagramdan Rm/(Rm+1)=0.59 R/(R+1)=0.66 için Nm/N = 0.56 okunur N=Nm/0.56, N= 15,7 Geri akma oranı, R nin farklı değerleri için; R 2 3 4 5 6 R/(R+l) 0.66 0.75 0.80 0.83 0.86 N 15.7 11.9 10.7 10.4 10.1 Geri akma oranı 4’ün üzerine çıktığında raf sayısında önemli bir değişiklik olmadığı görülmektedir. R=4 optimum geri akma oranı olarak alınabilir.

67 R/(R+1)

68 Örnek- 4 Örnek–3 deki ayırma için ve geri akma oranını R=3 alarak besleme rafının yerini tayin ediniz. Çözüm: Ürün dağılımı için gerekli veriler örnek-2’den alınır ve Kirkbridge bağıntısı kullanılır. = Nr / Ns = 0.91 dir Örnek–3 de R = 3 için N =12 bulunmuştu. Kazan hariç olmak üzere toplam 11 raf vardır. Nr + Ns = 11 Ns = 11 – Nr Ns = 11 – 0.91 Ns Ns = 5.76 Sıyırma bölgesinde 6 raf vardır.

69 Örnek – 5 Daha önce verilen örnek problemlerin çözümleri kestirme yöntemler kullanılarak yapılmıştır. Aynı problemi kestirme yöntemler kullanmak yerine kademe eşitliklerinden yararlanarak çözmek de mümkündür. Deneme yanılma yöntemiyle kademe eşitliklerinin her kademe için adım adım yazılıp, çözülmesinin ne kadar kompleks ve güç olduğunu göstermek amacıyla aynı problemin bu yöntemle çözümü aşağıda verilmiştir.

70 Bir bütan-pentan ayırıcısına 8
Bir bütan-pentan ayırıcısına 8.3 bar’da giren akımın bileşimi tabloda verilmiştir. Bileşen f xf Propan, C3 5 0.05 İzobütan, iC4 15 0.15 Normal bütan, n C4 25 0.25 İzopentan, iC5 20 0.20 Normal pentan, nC5 35 0.35 LK Hafif Anahtar (LK) n C Ağır Anahtar (HK) i C5

71 Çözüm: Temel: 100 mol besleme akımı
Ürün spesifikasyonu olarak; Hafif anahtarın dip üründe 1 mol’den daha fazla ve ağır anahtarın üst üründe 1 mol’den daha fazla olmaması istenmektedir. Geri akma R = 2,5 alınacaktır. Gerçek raf sayısını ve ürün bileşimlerini hesaplayınız. Çözüm: Temel: 100 mol besleme akımı Önce çiğlenme ve kaynama noktalarının hesaplanması gerekir. Kaynama Noktası: Çiğlenme Noktası: Bu problemdeki bileşenlerin çeşitli sıcaklıklarda ki K değerleri, Depriester Diyagramından okunarak (daha sonraki çalışmalarda kolaylık sağlaması amacıyla) sıcaklığa karşı K değerleri grafiğe geçirilir. Bu değerler Grafik-A da gösterilmiştir.

72

73 Çiğlenme ve kaynama noktalarını hesaplamak için üst üründe ağır
anahtar (HK) dan daha ağır bir bileşen olmadığı, alt üründe de hafif anahtar (LK) dan daha uçucu bir bileşen olmadığı varsayılır. Buna göre ürün dağılımı,

74 Dip ürünün kaynama noktasını hesaplayabilmek amacı ile; dip ürün sıcaklığı için bir tahminde bulunarak bu sıcaklıktaki: olup olmadığı kontrol edilir. 120 0C’de olup 1’e çok yakın olduğu için dip ürünün kaynama sıcaklığı 120 0C olarak alınır.

75 Kolon sıcaklığını (üst ürünün çiğleşme sıcaklığını) bulabilmek için;
üst ürün sıcaklığı için bir tahminde bulunarak bu sıcaklıktaki: olup olmadığı kontrol edilir. 60 0C’de = 1,02 olup 1’e çok yakın olduğu için üst ürünün çiğleşme sıcaklığı 60 0C olarak alınır.

76 Besleme akımı, kolona kaynama noktasında gönderildiği için beslemenin giriş
sıcaklığının tahmini: Besleme akımının kaynama sıcaklığı 85 0C dir. Bundan sonra yapılacak iş kademe denkliklerini adım adım çözerek sonuca ulaşmaya çalışmaktır. Denklikler, kolondaki en üst raftan başlayarak yazılır. Bu raf için çözüm yapıldıktan sonra bir alttaki raf için yazılır ve aynı işlemler tekrarlanır.

77 Kademelerde Hesaplamalar
Lo = R*D = 2,5 * 45,1 = 112,8 kmol/st V1 = (R+1) * D = (2,5 + 1) * 45,1 = 157,9 kmol/st Lo,x0 V,y T1=? T0=60oC Kolonda toplam yoğuşturucu kullanıldığı ve aşırı soğutma yapılmadığı yani üst ürünün tamamının yoğuşturulduğu kabul edilmiştir. y1 = xd = x0 1 V2,y2 L,x Raf sıcaklığının ve raftan çıkan sıvı bileşiminin, x1, hesaplanması için raf sıcaklığı için tahminde bulunulur ve = 1,0 olup olmadığı kontrol edilir.

78 66 0C 65 0C y1 Ki yi/Ki Xi = yi/Ki C3 0,10 2,40 0,042 2,36 i-C4 0,33 1,20 0,275 1,19 0,277 0,278 n-C4 0,54 0,88 0,614 0,86 0,628 0,629 i-C5 0,02 0,42 0,048 n-C5 0,001 0,32 0,003 =0,982 =0,998 Normalize Değerler *Normalize edilmiş değerler. **1’e yakın değerler

79 Şimdi 1. raf için kütle, bileşen ve entalpi denkliklerini yazalım:
Lo + V2 = L1 + V (i) Lox0 + V2y2 = L1x1 + V1y (ii) Loh0 + V2H2 = L1h1 + V1Hi (iii) h = f(x, T) (iv) H = f(y,T) (v) yi = Kixi (vi)

80 Her bir bileşenin çeşitli sıcaklıklardaki entalpi değerleri kaynaklardan
bulunarak, daha sonraki hesaplamalarda kolaylık olması amacıyla, sıcaklığa karşı grafiğe geçirilir. Bu örnekte bileşenler için çeşitli sıcaklıklardaki hi ve Hi değerleri J. B. Maxwell, Data Book of Hydrocarbons Van Nostrand alınmıştır. Şekil-b’de sıcaklığa karşı entalpiler (kj/mol) gösterilmiştir. Yukarıda 1. raf için kütle, bileşen ve entalpi denkliklerinin yazılmasının amacı bu rafi terk eden sıvı ve bu rafa giren buhar akımlarının akış hızlarını (L1, V2) hesaplamaktadır. Bunun için enerji denkliğinden (iii) ve kütle denkliğinden (i) yararlanılır. Bu denklikleri kullanabilmek içinde öncelikle 1. rafa giren buhar akımının bileşiminin (y2) ve sıcaklığının (T2) hesaplanması gereklidir. Bu amaçla, ilk varsayım olarak akış hızlarının eş molar olduğu kabul edilir.

81 65 (J/mol)

82 Şekil-b’de sıcaklığa karşı entalpiler
(kJ/mol) Şekil-b’de sıcaklığa karşı entalpiler

83 (i) ve (ii) bağıntılarından
L1 = L0 V2 = V1 (i) ve (ii) bağıntılarından Varsayım; akış hızlarının eş molar olduğu kabul edilir. y2 = 0,71(x1 – x0) + y1 X1 X0 y2 = 0,71(x1 – x0) + y1 y2, normalize C3 0,042 0,10 0,057 i-C4 0,278 0,33 0,294 0,292 n-C4 0,629 0,54 0,604 0,600 i-C5 0,048 0,02 0,041 n-C5 0,003 0,001 0,013

84 Anahtar olmayan bileşenlerin derişimlerinin de hesaplanarak kademe
denklikleri içine dahil edilmesi gerekir. Bunun için ürün derişimleri hakkında varsayımlarda bulunulur. İlk deneme için üst ürünün bileşimi aşağıdaki gibi spesifiye edilmiş olsun;

85 Ayrıca, her bir kademe için yapılacak hesaplamalar için raf sıcaklıklarının
da önceden hesaplanması gerekir. Ancak bu takdirde K değerleri ve sıvı buhar fazın entalpileri bulunabilir. Kolonun üst kısmından aşağıya doğru inildikçe kolon sıcaklığı yaklaşık 120–60 = 60 0C değişecektir. Örnek–1’de gösterildiği gibi kestirme yöntemleri kullanarak kolon içerisinde yaklaşık 12 adet raf olduğunu hesaplamıştık. Buna dayanarak raflar arasındaki sıcaklık değişimi yaklaşık 60/12 = 5 0C kadardır.

86 Enerji Denkliği; L0h0 + V2H2 = L1h1 + V1H1
112,8 x V2x = L1 x ,9 x 41623 Kütle Denkliği; L0 + V2 = L1 + V1 112,8 + V2 = L ,9 Bu iki denklik birlikte çözülürse, L1 = 104, V2 = 149,9 Başlangıçta olarak kabul edilmişti. 0,71 değeri de bu rakama çok yakın olduğu için akış hızlarının eşmolar kabul edilmesi geçerli bir varsayımdır. Bu işlemler 7. rafa kadar yapılır.

87 Bu aşamadan sonra, kolonun üst tarafı için yapılmış olan hesaplamalar
kolonun dip tarafı içinde yapılır. Kolonun alt kısmından başlayarak yukarıya doğru her bir kademe için yazılan denkliklerden yararlanarak bu rafların sıcaklıkları ve bu raflardan çıkan akımların bileşimleri hesaplanır. Kazan ve sıyırma bölgesindeki raflarda da akış hızlarının sabit olduğu (eşmolar olduğu)ve besleme girdisinin kolona kaynama sıcaklığında girdiği kabul edilecektir.

88 V’ V’ = V0 = 157,9 1 L’ = L0 + Besleme Akımı =112, = 212,8 L’ V’/L’ = 157,9/212,8 = 0,74 Öncelikle dip üründe anahtar olmayan bileşenlerin derişimlerini belirlemek gerekir. Bunun içinde bir varsayım yapılır. İlk varsayım olarak; C3 iC4 nC4 iC5 nC5 0,001 0,02 0,34 0,64

89 Kazan Sıcaklığı T=120oC T=118oC xB Ki yB = KBxB C3 i-C4 n-C4 i-C5 n-C5 0,001 0,020 0,340 0,640 4,730 2,650 2,100 1,100 0,960 0,005 0,003 0,042 0,374 0,614 4,600 2,580 2,030 1,060 0,920 0,041 0,360 0,589 yB V’ = 157,9 L’ = 212, B = 55 xB xB

90 Kütle Denkliği: xB1L’ = yBV’ + xBB
B1 rafı için xB yB xB1 xB2 = 0,74(yB1 – yB) + xB1 C3 İ-C4 n-C4 i-C5 n-C5 0,001 0,020 0,340 0,640 0,005 0,003 0,041 0,361 0,590 0,004 0,002 0,356 0,603 0,014 0,036 0,019 0,357 0,559 Bu hesaplamalara besleme rafına kadar devam edilir.

91 KOLON İÇ TASARIMI RAF VERİMİ
Teorik denge kademesi ile pratikte kullanılan kademelerin performansı arasında bir ilişki ortaya koymak amacıyla RAF VERİMİ tanımlanmıştır.

92 Verimin üç ayrı tanımı vardır:
Murphree Raf Verimi (Murphree, 1925) buhar fazın bileşimine bağlı olarak; xn+1 yn (24) xn yn-1 Nokta Verimi (Murphree Point Efficiency) Eğer kademe üzerindeki herhangi bir noktadaki bileşen değerleri alınarak (24) bağıntısı tekrar yazılacak olursa bu bağıntı yerel veya nokta verimini verir (EmV). Kolon Verimi (Overall Column Efficiency) Bu tanım bazen raf verimi ile birbirine karıştırılır. O nedenle kolon veriminin tanımı aşağıda verilmiştir. E0 = (İdeal kademe sayısı)/(Gerçek kademe sayısı) (25)

93 Ayırma için gerekli ideal kademelerin sayısı bilindiğinde gerçek kademe
sayısını bulmak için toplam kolon verimine gerek vardır. Bazı yöntemlerde, Murphree raf verimlerinden yararlanarak kolon verimi bulunabilir. İşletme ve denge eğrilerinin bir doğru olduğu durumlarda Murphree raf verimine bağlı olarak, toplam kolon verimi aşağıda verilen bağıntı yardımıyla hesaplanabilir. (26) m: Denge doğrusunun eğimi. V: Buharın molar akış hızı. L: Sıvının molar akoş hızı.

94 E0 = 51 – 32.5log(μortαort) O’Connell Bağıntısı
μort: Molar ortalama sıvı viskozitesi. ortalama kolon sıcaklığında alınır. αort: Hafif bileşenin ortalama bağıl uçuculuğu. Genellikle hidrokarbon sistemler için geçerlidir.

95 Ortalama Sıcaklıktaki Viskoziteler
Örnek-6 Örnek 1’de istenen ayırmayı gerçekleştirmek için O’Connell bağıntısını kullanarak toplam kolon verimini ve gerekli gerçek kademe sayısını hesaplayınız. Çözüm: Besleme Bileşimi Ortalama Sıcaklıktaki Viskoziteler Propan i-Bütan n-Bütan i-pentan n-pentan 0,05 0,15 0,25 0,20 0,35 0,03 0,12 0,14 Ortalama kolon sıcaklığı 93oC

96 Kolon üst sıcaklığı 65 0C, alt sıcaklığı 120 0C, hafif anahtar bileşenin
ortalama bağıl uçuculuğu 2,0 dir.Besleme akımı için molar ortalama viskozite; μort = 0,03 * 0,05 + 0,120(0,15 + 0,25) + 0,14 (0,20 + 0,35) = 0,13 mNs/m2 αortμort = 2,0 * 0,13 = 0,26 O’Connell diagramından, E0 = %70 dir. İdeal kademe sayısı 12 olduğuna göre bir tanesi kazan olup, gerçek kademe sayısı = (12-1)/0,7 = 16 dır.

97 Kolon Boyutlarının Yaklaşık Olarak Hesaplanması
Ayırma için gerekli gerçek raf sayısı bilindiğinde kolonun boyutları yaklaşık olarak hesaplanabilir. Ancak, öncelikle raflar arası boşluğun hesaplanması gerekir. Bu tür yaklaşık hesaplamalar projenin maliyetini ortaya koymak yönünden önemlidir. Raflar Arası Boşluk: Kolonun toplam yüksekliği raflar arası boşluğa bağlıdır. Raflar arası boşluk ise kolon çapına ve işletme koşullarına bağlı olup 0,15 m’den 1 m’ye kadar değişir. Kolon çapı küçük ise raflar arası uzaklık küçüktür. Çapı 1 m’den büyük kolonlarda raflar arası uzaklık 0,3–0,6 m arasındadır. Tasarımın başlangıcında bu uzaklık 0,5 m alınabilir.

98 Kolon Çapı: Kolon çapını belirleyen asıl faktör buhar akış hızıdır. Buhar akış hızı aşırı sıvı sürüklenmesine veya yüksek basınç düşmesine neden olmayacak bir büyüklükte olmalıdır. Lowenstein, buharın boşluk hızını ve kolon çapını hesaplamak için aşağıdaki bağıntıları vermiştir uV = (-0,171 lt2 + 0,27 lt – 0,047) (27) Dc = uV : Kolonda izin verilen maksimum buhar akış hızı. (toplam kolon kesit alanı üzerinden, m/s) Vw : Maksimum buhar hızı, kg/st lt : Raflar arası uzaklık, m Dc : Kolon çapı, m

99 Raf Tipleri Buhar ve sıvının raf üzerinden çapraz akımla aktığı raflar en yaygın olarak kullanılan raf tipleridir. Bu raflar arasında sıvıyı bir raftan alttaki diğer bir rafa taşıyan dikey kanallar bulunur. Bu kanallara, aşağıya taşıyıcı boru veya SAVAK KANALI (downcomer) adı verilir. Bu tip raflı kolonlar basınç düşmesinin küçük olmasının gerektiği hallerde kullanılırlar ve çapraz akım rafları adı ile bilinirler. Savak kanalı içermeyen diğer raf tipleri üzerinde çapraz akım söz konusu değildir. Bir raflı kolon örneği ve savak kanalı içeren raflar şematik olarak Şekil-10’da gösterilmiştir.

100 Şekil 10 Raflı kolonların genel görünümü

101 Delikli rafta koşulların görünümü
Berrak sıvı Delikli rafta koşulların görünümü

102 Delikli, kabarcık başlıklı ve yüzer başlıklı olmak üzere üç tip raf vardır.
1. DELİKLİ RAFLAR (Sieve Plate or Perforated Plate) En basit çapraz akım rafıdır. Buhar, raf üzerinde bulunan deliklerden yukarıya doğru geçer ve raf üzerinde sıvının kalması buhar akımıyla sağlanır. Mutlak bir buhar-sıvı sızdırmazlığı söz konusu değildir. Buhar akış hızının küçük olduğu durumlarda sıvı deliklerden aşağıya doğru sızar. WEEPING (sızma) adı verilen bu olay raf veriminin düşmesine neden olur.

103 2. KABARCIK BAŞLIKLI RAFLAR (Buble Cap Plates)
Buhar akımı kısa bir borudan (RISER-yükseltici) yukarıya doğru akar. Kısa borunun üst kısmında, kenarlarında yarıklar bulunan bir şapka vardır. Endüstride ilk kullanılan çapraz akım rafıdir. Tüm buhar akış hızlarında raf üzerinde belirli bir sıvı seviyesinin oluşturulması mümkündür.

104 3. YÜZER BAŞLIKLI RAFLAR (Valve Plates, flouting cap plates)
Büyük delikler ve delikler üzerinde hareketli şapkalar içeren bir raf şeklidir. Buhar akış hızı arttığında şapka yukarı kalkar ve buhar üst rafa geçer. Buhar akış hızı azaldığında şapka tekrar kapanır.

105 Kabarcık başlıklı: Vafli: Delikli =3,0: 1,5: 1,0
Raf Tipinin Seçilmesi Raf tipinin seçilmesinde etkin olan başlıca faktörler; Maliyet, kapasite, işletme ağırlığı, verim ve basınç düşmesidir. MALİYET: Kabarcık başlıklı raflar en pahalı olanlarıdır. Yumuşak çelik malzemeden imal edildiği takdirde her üç raf tipi arasındaki takribi maliyet oranı şöyledir; Kabarcık başlıklı: Vafli: Delikli =3,0: 1,5: 1,0 KAPASİTE: Verilen bir akış hızı için gerekli kolon çapına bağlıdır. Aynı kolon çapındaki kolonlar için raf tiplerinin kapasiteleri arasında pek önemli fark yoktur.

106 İŞLETME ARALIĞI: En önemli faktördür
İŞLETME ARALIĞI: En önemli faktördür. Buhar ve sıvı akış hızları belirli bir aralıkta değiştirildiğinde, rafın güvenli bir şekilde kullanılıp kullanılamayacağının bir ölçüsüdür. Raf tiplerinin kullanılabilecekleri işletme aralıkları dönüş oranının büyüklüğü ile ölçülür. Dönüş oranı, en yüksek akış hızının en düşük akış hızına oranı olarak tanımlanır. Yüzer başlıklı rafların işletme aralıkları diğerlerine kıyasla büyüktür. VERİM: Her üç raf tipinin verimi yaklaşık olarak eşittir. BASINÇ DÜŞMESİ: Basınç düşmesi delikli raflarda en az kabarcık başlıklı raflarda en fazladır. Özetle, delikli raflar birçok uygulama için güvenilir olup maliyeti ucuzdur. Yüzer başlıklı raflar, özel bir dönüşüm oranı gerektiğinde tercih edilmelidir. Kabarcık başlıklı raflar ise buhar akış hızının çok küçük olduğu koşullarda tercih edilmelidir.

107 RAFLARIN HİDROLİK TASARIMI
Damıtma kolonlarında bulunan rafların tasarımında göz önünde bulundurulması gereken en önemli noktalar şunlardır: -Raf üzerinde iyi bir buhar-sıvı teması sağlanmalıdır. -İyi bir kütle aktarımı için rafta yeterli sıvı tutulması sağlanmalıdır. -Sürüklenme ve basınç düşmesinin kabul edilebilir sınırlar içerisinde olması için aktif alan ve raflar arasındaki uzaklık titizlikle saptanmalıdır. -Sıvı fazın raflar arasında serbestçe akabilmesi için savak kanalının alanı yeterli büyüklükte olmalıdır.

108 Delikli raflar içeren bir damıtma kolonunda,
kolondaki buhar ve sıvı akış hızları istenilen aralığın dışına çıktığında karşılaşılan problemler şunlardır: -Aşırı taşıma (Excessive ENTRAINMENT) -Sızma, Ağlama (WEEPING) -Taşma, Kanama (FLOODING) -Aşırı sürüklenme (CONING)

109 RAFLARIN HİDROLİK TASARIMINDA İZLENECEK ADIMLAR
Belirli bir dönüş oranında buhar ve sıvı için maksimum ve minimum akış hızları hesaplanır. Fiziksel özellikler kaynaklardan bulunur veya hesaplanır. Raflar arası uzaklık için bir ön kabul yapılır. Kanama göz önüne alınarak kolon çapı hesaplanır Raflar üzerinde sıvı akış hızı çizilir. Rafın ön taslağı hazırlanır. Bu adımda; aktif alan, savak kanal alanı, delik alanı, delik boyu, delik boyutu, savak yüksekliği için ön kabuller yapılır. Sızma hızı (weeping rate) kontrol edilir. Sızma hızı istenmeyen değerlere ulaşmışsa 6. adıma geri dönülerek ön taslakta değişiklikler yapılır. Raflarda basınç düşmesi hesaplanır. Eğer istenmeyen büyüklükte basınç düşmesi ortaya çıkmışsa 6. adıma geri dönülür ve ön taslakta değişiklikler yapılır. Savak kanalı içerisindeki berrak sıvı+köpük seviyesi hesaplanır. Eğer seviye çok yüksek çıkarsa 6. adıma veya 3. adıma geri dönülür.

110 9. Rafın ayrıntılı şekli ortaya konulur.
10. Daha önce hesaplanan kolon çapı temel alınarak kanama yüzdesi tekrar hesaplanır. 11. Sürüklenme tekrar kontrol edilir. Eğer çok yüksekse 4. adıma geri dönülür. 12. Tasarımın optimizasyonu yapılır. Raflar arası uzaklık ve kolon çapı için en küçük değerler bulununcaya kadar 3.ile 12. adımlar arasındaki işlemler tekrarlanır. 13. Rafın son şekli çizilerek spesifikasyonları belirtilir.

111 RAF ALANLARI Ac : Kolonun toplam kesit alanı An : Buhar ve sıvının temasta olduğu net alan Ah : Delik alanı, Aktif deliklerin toplam alanı Aap : Savak kanalı ile raf arasında kalan açık alan Ad : Aşağıya taşıyıcı borunun kesit alanı Aa : Aktif alan Ap : Perfore alan (ölü bölgeler dâhil). Örneğin tek geçişli bir rafın net alanı An = Ac – Ad aktif alanı Aa = Ac - 2Ad

112 KANAMA HIZINDAN YARARLANARAK KOLON ÇAPI HESABI
Kolon çapı kolondan akan buharın akış hızına bağlıdır. Kanama probleminin ortaya çıkmasını önlemek amacıyla kolondaki buhar akış hızının belirli bir değerin altında olması gerekir. Diğer taraftan yüksek raf verimi için buhar akış hızının yüksek olması istenir. Bu nedenle öncelikle kolonda kanamaya neden olan buhar akış hızının diğer bir deyimle kanama hızının hesaplanması gerekir. Kolondaki gerçek buhar akış hızının, kanama hızının %80–85 i kadar olmasına dikkat edilir. Kanama Hızı: V Uf : Kanama hızı, m/s (net kesit alanı,An üzerinden) K1 : Bir sabit olup Şekil–14’te sıvı buhar faktöründe FLV ve raflar arasındaki uzaklığa bağlı olarak verilmiştir.

113 Şekil 14 Kanama hızı sıvı kütlesel akış hızı, kg/s
Vw: Buhar kütlesel akış hızı, kg/s Şekil 14 Kanama hızı

114 Şekil-14’ün kullanılmasında bazı kısıtlamalar vardır. Bu kısıtlamalar:
1. Delik çapı 6,5 mm den küçük olmalıdır. 2. Savak yüksekliği raflar arasındaki uzaklığın en az %15’i kadar olmalıdır. 3. Sistemde köpürme olmamalıdır. 4. Delik alanının aktif alana oranı 0,10’den büyük olmalıdır. Delik alanı/aktif alan oranı farklı bir değerde ise aşağıdaki verilen düzeltme tablosu kullanılarak Şekil-14’ten okunan K1 değeri aşağıdaki tablodan okunan faktör ile çarpılmalıdır. Delik alanı/aktif alan Faktör ———————————————————— 0, ,0 0, ,9 0, ,8

115 Sıvının yüzey gerilimi 0,02 N/m olmalıdır. Aksi takdirde K1 yerine
aşağıdaki denklem kullanılmalıdır. Kolon çapının hesaplanabilmesi için net alanın bilinmesi gerekir. Net alanın hesaplanabilmesi için ön taslakta; aşağıya taşıyıcı boru alanı toplam alanın %12’si kadar, delik alanı ise aktif alanın %10’u kadar olduğu kabul edilir. Ad=0.12Ac Ah=0.1Aa

116 SÜRÜKLENME (Entrainment)
Sürüklenme kesri; kg sıvı akış hızı başına buharla birlikte sürüklenen kg sıvı miktarıdır. Sürüklenme kesri kolondaki kanama yüzdesine ve sıvı-buhar akış faktörüne bağlı olarak Şekil-16’da verilmiştir. Kanama yüzdesi ise aşağıdaki verilen bağıntıdan hesaplanabilir. un: Net alan üzerinden gerçek akış hızı uf : Kanama hızı Kanama yüzdesi = Sürüklenmenin raf verimi üzerine etkisi EmV : Gerçek raf verimi. Belirli bir oranda sürüklenmenin olacağı kabul edilmiştir. φ : Sürüklenme kesri

117 Sürüklenme Kesri

118 SIZMA NOKTASI (Weep point)
Raf deliklerinden aşağıya doğru sıvı kaçaklarının aşırı olması halinde işletme aralığının alt sınırına gelinmiştir. Yatışkın koşullarda işletme için sızma noktasına ulaşıldığında buhar akış hızı da minimuma ulaşmış olur. Kolon, minimum buhar akış hızının daha altındaki buhar akış hızlarında çalıştırılmamalıdır. Bu koşulu sağlamak için delik alanlarında değişiklik yapılır. Kolonda izin verilen minimum buhar akış hızı, Uh, şu eşitlikten hesaplanır. Uh : Minimum buhar akış hızı, delik alanı üzerinden, m/s dh : Delik çapı, mm K2 : Raf üzerindeki berrak sıvı yüksekliğine bağlı bir sabit. Şekil-17’den yararlanılarak bulunabilir. Savak yüksekliği,hw ve savak üzerinde kalan berrak sıvı, how yüksekliğinin bilinmesi gerekir.

119 Şekil 17 Sızma noktası korelasyonu

120 SAVAK ÜZERİNDEKİ BERRAK SIVI YÜKSEKLİĞİ, hOW
how : mm Iw : Savak uzunluğu, m Lw : Sıvı akış hızı, kg/s En düşük sıvı akış hızlarında bile savak üzerindeki berrak sıvı yüksekliği 10 mm’den daha fazla olmalıdır.

121 SAVAK BOYUTLARI Savak yüksekliğinin fazla olması raf verimini artırır fakat raflardaki basınç düşmesinin artmasından dolayı işletme masrafları da artar. Atmosferik basınç ve daha yüksek basınçlarda işletilen kolonlarda savak yüksekliği 40–90 mm arasındadır. Ön tasarımda bu değerin 40–50 mm alınması önerilmektedir. Vakum altında işletilen kolonlarda ise 6–12 mm arasında bir değer alınmalıdır. Savak uzunluğu, Iw, normalde kolon çapının %60 ile %85 arasındadır. Ön tasarımda, Iw = 0,77DC olarak alınır. Savak uzunluğu ile aşağı taşıyıcı borunun kesit alanı,Ad, arasında da bir ilişki vardır. Bu ilişki şekil–18 de gösterilmiştir.

122

123 PERFORE ALAN Bir raf üzerindeki delik alanları, rafın mekanik tasarımında kullanılan taşıma halkaları, taşıma kirişleri ve ölü (durgun) bölgelerden dolayı azalmış olur. Ölü bölgeler, rafın giriş çıkış kısımlarındaki deliksiz bölgelerden dolayı oluşur. Deliksiz bölgelerin, rafın her iki tarafındaki genişlikleri eşittir. Çapı 1,5 metreden büyük olan kolonlarda deliksiz bölgelerin genişliği 100 mm, Çapı 1,5 metreden küçük kolonlarda ise 75 mm olarak alınır.

124 DELİK ÇAPI ve DELİK MERKEZLERİ ARASINDAKİ UZAKLIK
Raf üzerindeki deliklerin çapının 2,5–12,0 mm arasında olması istenir. Ön tasarımda, delik 5 mm olarak alınır. Kolon malzemesinin aşınması veya korozyona uğraması gibi riskler mevcutsa delik çapının daha büyük seçilmesi gerekir. Delik merkezleri arasındaki uzaklık, Ip, delik çapının iki katından daha küçük olmamalıdır. Genellikle delik çapının 2,5–4,0 katı arasındadır. Bu uzaklık, delik alanı, perfore alan ve delik çapına bağlı olarak Şekil–19’ da verilen grafikten veya aşağıdaki bağıntıdan bulunabilir.

125

126 RAFLADA BASINÇ DÜŞMESİ
Raflarda basınç düşmesinin başlıca nedenleri şunlardır: a) Deliklerden geçen buhar akımının neden olduğu basınç düşmesidir. Orifis kaybı olarak da düşünülebilir ve KURU RAF BASINCI KAYBI (hd) olarak adlandırılır. bağıntısından hesaplanır. Uh : Delik alanı üzerinden akış hız, m/s C0 : Orifis katsayısı Şekil-20’de verilmiştir.

127

128 b) Raf üzerindeki statik sıvı yüksekliğinin neden olduğu basınç düşmesi hw + how
Diğer nedenlerden ötürü oluşan basınç düşmesi, hr deneysel veriler ile (a) ve (b) den hesaplanan basınç düşmesi arasındaki farktır. Bir raftaki toplam basınç düşmesi, ht = hd + hw + how + hr bağıntısından mm akışkan olarak hesaplanır. bağıntısından da Pascal olarak hesaplanır.

129 SAVAK KANALININ (DOWNCOMER) TASARIMI
Raflar arasındaki uzaklık ve savak kanalının kesit alanı o şekilde ayarlanmalıdır ki savak kanalı içerisindeki berrak sıvı yüksekliğiyle köpük yüksekliklerinin toplamı giriş savağının yeteri kadar altında olsun. Aksi takdirde sıvının bir üst tarafa akması diğer bir deyimle kanama olması söz konusudur. Savak kanalı içerisinde sıvının geri akmasına neden basınç düşmesidir. Diğer bir anlatımla savak kanalı içerisinde akışa karşı gösterilen dirençtir. Savak kanalındaki sıvı yüksekliği: hb = (how + hw) + ht + hdc bağıntısından mm akışkan yüksekliği olarak hesaplanır. hdc, savak kanalına girişteki daralmanın neden olduğu basınç kaybı olup;

130 Lwd : Savak kanalında sıvı akış hız, kg/s
Am : Savak kesit alanı veya savak açıklığından hangisi küçük ise o değer alınır, m2 Savak açıklığı; Aap = hap x Iw hap = hw – (5-10mm) Savak kanalında sıvının kalma süresi en az 3 saniye olmalıdır. Bu süre; bağıntısından hesaplanır.

131

132

133