AKIM ŞEMALARI 1. GİRİŞ •Akim şemaları proses tasarımında anahtar döküman olarak adlandırılacak kadar önemli bir konudur. •Tasarımda yer alan ekipmanlar,

... konulu sunumlar: "AKIM ŞEMALARI 1. GİRİŞ •Akim şemaları proses tasarımında anahtar döküman olarak adlandırılacak kadar önemli bir konudur. •Tasarımda yer alan ekipmanlar,"— Sunum transkripti:

1 AKIM ŞEMALARI 1. GİRİŞ •Akim şemaları proses tasarımında anahtar döküman olarak adlandırılacak kadar önemli bir konudur. •Tasarımda yer alan ekipmanlar, akım hatları, akımların hızları, bileşimleri ve ekipmanların işletme koşulları yer alır. Akım şemaları, işletmeye alma çalışmaları(start up) sırasında prosesin işletme performansının tasarım değeriyle kıyaslanması amacıyla da kullanılır.

2 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 kapasamında MATLAB ve CHAMCAD paket programından yararlanılacaktır.

3 Girdi-Çıktı Diyagramı
Temel reaksiyon stokiyometrisi Girdi-Çıktı Diyagramı Prosesin başlangıç koşulları Genel Blok Diyagramı Başlangıca göre Madde dengesi Blok Akım Diyagramı (BFD) Madde ve enerji Dengeleri Mekanik ve Ekipman bilgileri Proses Akım Diyagramı (PFD) Mekanik ve Enstrümantasyon bilgileri Borulandırma ve Enstrümantasyon (P&ID) Şekil 1 Bir kimyasal prosesin akım diyagramının oluşumu

4 2. AKIM ŞEMALARININ GÖSTERİLİŞİ
Çeşitli tipte akım şemaları vardır: 2.1 Blok Diyagramları: En basit gösterim şeklidir. Çizimde yer alan her bir blok bir ekipmanı veya prosesin belirli bir adımını simgeler. Kare daire veya diktörgen şeklinde gösterilir. Mühendisler için pek yararı yoktur, ön raporların hazırlanmasında ve eğitim amacıyla kullanılır.

5 BFD 2.2. Blok Akım Diyagramları
Bu diyagram girdi çıktı akımlarının bir seri blok ile birbirlerine bağlanarak oluşturulur. İşletme koşulları (Sıcaklık ve basınç) ve problemde verilen geri döngü, dönüşüm gibi diğer önemli bilgileri de içerir. BFD BAPD BATD

6 Blok Akım Proses Diyagramları (BAPD)
Gaz Karışımı (2,610 kgh) Gaz Ayırıcısı Toluen ( kgh) Reaktor Benzen (8.210 kgh) Hidrojen 820 kgh) Dönüşüm % 75 Toluen Sıvı karışımı Dis. Kol. Toluen Şekil 2 Reaksiyon: C7H8 + H2 = C6H6 + CH4

7 Bir Blok Akım Proses Diyagramı Oluşturulurken;
İşletmeler bloklarla gösterilir. Önemli akım yönleri oklarla belirtilir. Mümkün olduğunca akımın yönü soldan sağa çizilmeli, Hafif bileşen içeren akımlar (gazlar) yukarı doğru, ağır bileşen içeren akımlar (sıvılar ve katılar) aşağı doğru yönlendirilir. 5. Basitleştirilmiş madde dengesi kurulur.

8 Blok Akım Tesis Diyagramı
Şekil 3

9 2.2. Proses Akım Diyagramı (PFD)
PFD bir kimyasal prosesin tasarımı için gerekli KM veri kümesini içerir. Ayrıntılı akım şemalarında, ekipmanlar genelde belirli bir stile (tarza) uygun olarak çizilirler ve kullanılan semboller ve çizimler belirli standartlara uymalıdır. Proses Akım Diyagramı çizimi için kullanılan standart sembollerin listesi (R.Turton,1998 )’da verilmiştir. Chemcad programinda kullanılan Semboller bu temele dayanmaktadır Amerikan Ulusal Standartlar Enstitüsü (ANSI)’de akım şemalarının hazırlanmasında kullanılan bir semboller dizini hazırlanmıştır.

10 Bir PFD temel bilgileri sağlayacak şekilde
3 katagoride verilir. Proses topolojisi Akım Bilgileri Ekipman Bilgileri Örnek bir Benzen üretim prosesi için bunları sırasıyla görelim. Proses Topolojisi Bu diyagram ,ekipmanların önemli parçalarının yerleşimini ve ekipmanlar arasındaki proses akım bağlantılarını gösterir. Ekipman ve proses akımları arasındaki etkileşimin yerleşkesi bir proses topolojisini gösterir.

11 Şekil 4. Toluenin hidro alkilasyonu ile benzen üretimi için
Proses AkımDiyagramı (PFD)

12 Şekil 4 diyagramında prosesin herbir önemli parçası bir
rakamla tanımlanarak gösterilmiştir. Diyagramın üzerinde ekipmanların açıklamaları verilmiştir. Tablo 1’de proses ekipmanların tanıtımı için harf kodu verilmiştir. Tablo 1 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.

13 Tablo 2. Yardımcı akım simgeleri
Proses akımlarının tanıtımı için bir rehber niteliği de taşıyan gösterim tablo 2’de verilmiştir. Örneğin E-102 ‘de yerleştirilmiş olan cw simgelem E-102’ye giren soğutma suyunu göstermektedir. Tablo 2. Yardımcı akım simgeleri lps: Düşük Basınç Akımı: 3-5 barg (sat) mps: Orta Basınç Akımı barg (sat) hps: Yüksek Basınç Akımı: barg (sat) htm: Isı Transfer Bölgesi (Organik): 400oC’ye kadar cw: Soğutma suyu: 45oC’den daha az olup 30oC soğutma kulesinden dönen wr: Nehir suyu: 35oC daha az olup 25oC sıcaklıktaki nehirden gelen rw: Soğutulmuş su: 15oC daha az olup 5oC sıcaklıktaki soğutulmuş su rb: Soğutulmuş tuzlu su: 0 oC daha az olup -45oC 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

14 Akım diyagramında Ekipmanların sembolik olarak
gösterimi “Amarican Society of Mechanical Engineers (ASME) [2] ‘e göre yapılmıştır. Hangi sembol kullanılırsa kullanılsın her bir simge ile gösterilen işletim tanımı nadiren bir problemde verilir. Şekil 5’de proses diyagramlarında gösterilen sembollerin bir listesi verilmiştir. Bu liste akım proseslerinde (sıvı ve gaz) yaklaşık %90 üzerindekini kapsamaktadır.

15 Sinnott, 1999, EK-A’da Ayrıntılı olarak verilmiştir. Şekil 5. Proses Akımdiyagramı oluşumu için Semboller

16 Akım Bilgileri Şekil 4’deki 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 şekil 5’de verilmiştir. Daha kompleks diyagramlar için bu gösterim pratik değildir. Onun yerine ek bir akım bilgileri tablosu hazırlanır. Tablo 3’de Akım bilgileri tablosunda nelerin verilmesine dair bir özet verilmiştir.

17 Şekil 6 . Akım Diyagramı: Polimer üretimi (Sinnot, 1999)
AN Su Toplam Depodan Kat Su Toplam 105 Katalizör Hazırlama unitesinden RI Su Toplam 5000 CW Buhar DM su Kurutucuya 15oC 40 oC 60 oC 15 oC AN Su Polimer 450 Tuzlar 5 Toplam Su AN Polimer 2 AN Su Polimer 448 Tuzlar eser Toplam 753 Teçhizat anahtarı RI Polimer reaktörü HI Su ısıtıcısı FI Vakum filtresi Şekil 6 . Akım Diyagramı: Polimer üretimi (Sinnot, 1999)

18 Tablo 3 Bir akım diyagramında gerekli bilgiler
Zorunlu Bilgiler  Akım no Sıcaklık (oC) Basınç (bar) Buhar Kesri Toplam Kütlesel Akış Hızı (kg/h) Toplam Molar Akış Hızı (kmol/h) Herbir Bileşenin Akış Hızı (kmol/h) İsteğimize göre Bilgiler Bileşen mol kesri Bileşen kütle kesri Herbir bileşenin akış hızı (kg/h) Hacimsel akış hızları (m3/h) Önemli fiziksel özellikler - Yoğunluk -Viskozite -Diğerleri Termodinamik Veriler -       Isı kapasitesi,   Akımların entalpileri,    K-değerler Akım ismi

19 Tablo 4 Benzen üretim prosesi için (Tablo 3’e göre) Akımların özeti

20

21 Tüm proses için madde dengeleri ve diğer problemler kolaylıkla
analiz edilebilir. Örnek verecek olursak, Benzen üretim prosesi için Şekil 4’de toplam kütle dengesi çek edilebilir. Örnek1 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 (103 kg/h ) katı kadar olacak şekilde verilmiştir. Girdiler: Çıktılar 3 nolu akım: nolu akım: 8.21 1 nolu akım: nolu akım: 2.61 Toplam : 10.82x103 kg/h Toplam : 10.82x103 kg/h Girdiler = Çıktılar olduğundan madde dengesi sağlanmıştır.

22

23 Örnek 2. Aynı proses için toluenin benzene dönüşüm oranını bulunuz.
Dönüşüm oranı şu şekilde tanımlanabilir, =(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 4’deki akım Bilgilerinden; Toluen=144 (6 nolu akımdan)+0.04(7 nolu akımdan)= kmol/h Üretilen Benzen: 116 (9 nolu akım)-7.6 (6 nolu akım)-0.37 (7 nolu akım) =108.03kmol/h = / = 0.75

24 Üretilen benzeni şu şekilde de hesaplayabiliriz.
Üretilen benzen= Giren Toluen- Çıkan Toluen = (9 nolu akım) =108.04  = /144.04=0.75

25 Ekipman Bilgileri PFD’nin son elemanı ekipman özetidir. Bu özet ekipmanların maliyetini tahmin etmek ve ekipmanların detaylı tasarımı için temel donatımları içerir. Tablo 5’de Akışkanlarla ilgili proseslerde karşılaşılan çoğu ekipman için ekipman özet bilgisi verilmiştir. Tablo 6’da verilen bilgiler ise Benzen üretim prosesinin ekipman özeti kısmını hazırlamada kullanılabilir.

26 Tablo 5. PFD için Ekipman Tanımları

27 Tablo 6. Toluen Hidroalkilasyon PFD için Ekipman Özeti
(Turton p.21-22) Değişik ekipman parametrelerinin nasıl tahmin edeceğimizi ve seçeceğimizi ileriki bölümlerde göreceğiz.

28 2.3. Verilerin kesinliği ve doğruluğu
Verilerin virgülden sonra bir basamaklı olarak yazmak yeterlidir. Hassaslık derecesine göre veriler verilmelidir. Çok daha küçük değerler ise ‘eser’ miktarda olarak yazılır. Prosesi kısıtlayan bir öneme sahip ise ‘ppm’ olarak belirtilir. Bazı durumlarda eser miktardaki maddeler çok önemlidir. Katalizör zehirlenmesine neden olan ve malzeme seçimini etkileyen maddeler söz konusu olduğunda bu maddelerin miktarları belirtilmelidir.

29 2.4 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. .

30 2.5 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 (kg/st); Kesiklide (kg/dolum) Sürekli bir polimerizasyon prosesi için gerekli katalizörün hazırlanması kesikli bir prosesdir.

31 2.6 Yardımcı üniteler Bir karışıklılığa neden olmaması amacıyla,
yardımcı ünitelerden gelen veya yardımcı ünitelerden giden Akım hatları aynı akım şeması üzerinde gösterilir ve ne oldukları belirtilir.

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

33 3.1. TEMELLER Zaman: Ekipmanların temizlenmesi, katalizörün yenilenmesi kolon dolgu maddelerinin değiştirilmesi gibi benzeri işler için bakım yapılır. Çoğu kimya ve petro kimya tesisinde yıllık işletme süresi, Bir yılın %90-95 i olup, genellikle 8000 saat kabul edilir.

34 2. Ölçek faktörü: Akım şemasındaki hesaplamaları prosesde yer
alan ekipman sırasına uyarak yapmak kolaylık sağlar. Ham maddeden (girdi) son ürüne 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 değeri; her bir akımı, istenilen üretim hızı üzerinden hesapalanmış ölçek faktörüyle çarparak elde edilir. Ölçekfaktörü= Mol/st ürün 100 kmol hammadde için elde edilen ürün miktarı (mol)

35 3.2. Akım şemasında Yer Alan Çeşitli Üniteler İçin
Yapılan Hesapalamalar Reaktörde ve denge kademelerinde, sabit akımların bileşimlerinin hesaplanmasında, kütle ve enerji denkliklerinin birlikte kullanılması için izlenen yöntemleri kapsar.

36 Örnek –1 Hidrojen gazı üretim yöntemlerinden biri; petrol rafinerilerinde reforming ünitesinden çıkan gaz akımını shift konvertöründe su-gaz reaksiyonuna sokarak gazlar içerisindeki CO’i hidrojene dönüştürmektir. CO+H2O CO2 +H H0298= kJ/kmol Bu örnekte, konvertöre giren gaz akımının bileşimi ve buhar/gaz oranı bilindiği durumda konvertörü terk eden akımın bileşiminin hesaplanması İstenmektedir. Konvertörde, tepkime katalitik ortamda gerçekleştirilmekte ve çıkan akımın kimyasal dengeye ulaştığı kabul edilmektedir. Reforming ünitesinden çıkan gaz akımı içerisinde kuru gaz üzerinden mol olarak; %8.5CO2, %11 CO, %76.5 H2 bulunmaktadır. Konvertöre giren akımın sıcaklığı 500o K olup konvertöre giren 1 mol CO başına 3 mol H2O buharı gönderilmektedir. Konvertörden çıkan akımın sıcaklığını ve bileşimini hesaplayınız.

37 Temel: 100 kmol/st kuru gaz (girdi)
Çözüm: 500 K 2 1 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 stokiometrisi de göz önüne alındığında 11C dir. Aşağıda stokiometrik tablo ve bileşenlerin özgül ısıları verilmiştir

38 Ayrıca tepkimenin stokiometrisinden dolayı denge sabiti üzerine
Bileşen Girdi akımı, Mol sayısı Çıkan akım Cpo kj/kmol K A b c d CO2 8.5 C 19.80 7.34 E-2 -5.6 E-5 17.15 E-9 CO 11.0 11(1-C) 30.87 -1.29 E-2 27.9 E-6 E-9 H2O 33.0 33 – 11C 32.24 19.24 E-4 10.56 E-6 E-9 H2 76.5 C 27.14 9.29 E-3 E-6 7.65 E-9 Konvertörden çıkan gaz akımının ideal olduğu ve termodinamik dengeye ulaştığı varsayılmaktadır. Ayrıca tepkimenin stokiometrisinden dolayı denge sabiti üzerine basıncın etkisi yoktur.

39 denge sabitleri değişik kaynaklardan yararlanarak bulunabilir.
O Kp, 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 = -RTlnKp bağıntısından yararlanarak hesaplanabilir. Veya termodinamik kitaplarında 1/T ; logKp şeklinde verilen nomogramlardan yararlanarak bulunabilir. Bu örnekte, Technical Data on Fuel, Spiers adlı kaynaktan CO2 + H2 = CO + H2O 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

40 Tepkime ekzoterm olduğu için adyabatik işletim tercih edilmiştir
Tepkime ekzoterm olduğu için adyabatik işletim tercih edilmiştir. Soğutma yapılmayıp, dışarıya olan ısı kayıpları en aza indirilecektir. Konvertörden çıkan gazların sıcaklığı da dönüşüm oranına bağlı olduğundan, konvertör 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.

41 Referans sıcaklık 298 K alınmıştır.
Çözüm için bir bilgisayar programı yazarak basit enerji denkliğinin çözümü yapılabilir. Veya algoritma izlenerek ve hesap makinesi kullanarak çözüme ulaşmaya çalışınız. Sonuçlar: Dönü-şüm Oranı, C KP.102 Çıkan akım sıcaklığı K Çıkan akımın bileşimi, Mol Aktarı-lan Isı, Q CO CO2 H2O H2 0.88 1.86 550 1.32 18.18 23.32 86.18 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.

42 Örnek 2: Bu örnekte, kütle denkliği hesaplamalarında faz dengesi bağıntılarının (buhar-sıvı) kullanılması amaçlanmıştır. Etilenin oksihidroklorinasyonu ile dikloroctan (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)

43 4 bar basınç altında işletilen yoğuşturucuya giren gaz akımının
özellikleri aşağıda verilmiştir. Yoğuşturucuyu terk eden akımların bileşimlerini hesaplayınız. 1 3 Gaz Girişi EDC kg/st Etilen İnertler 6640 Su Sıcaklık oC Geri dönen gaz 2 35 oC Kondensat Kısmi Yoğuşturucu EDC akımı bazı organik safsızlıkları ve eser miktarda HCI içermektedir. İnertler esas olarak N2 , CO, O2’dir.

44 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-2 Akış Hızları Çizelge-1 Buhar Basınçları Bileşen 35oC’de Poi, bar Mol ağırlığı Akış hızı Kmol/st EDC 0.16 99 64 Etilen 70.7 28 5.4 * H2O 0.055 18 61 İnert gazlar 32 208 *

45 *Yoğunlaşmayan ve gaz fazda kalan bileşenlerin toplam akış hızı:
=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 = = 3.79 bar EDC’nin buhar basıncı Buhar içindeki = (Yoğuşmayanların EDC’nin akış Yoğunlaşmayan kısmi basınç akış hızı ) hızı = (0.16/3.79)213.4=9 kmol/st

46 Benzer şekilde buhar fazdaki suyun akış hızı =( 0. 055/3. 79)213. 4=3
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. Bileşen Kmol/st % mol Kg/st EDC 9 4.0 891 Su 3.1 1.4 56 İnertler 208 92.3 6640 Etilen 5.4 2.3 150

47 Etilenin Çözünürlüğünün kontrol edilmesi:
Etilenin kısmi basıncı=(toplam basınç).(mol kesri)=4(2.3/100)=0.092 bar EDC ve C2H4’ün ideal çözelti olduğu varsayılarak sıvı içinde çözünmüş olan etilenin mol kesri Raoult Yasasından hesaplanabilir. Böylece sıvıdaki etilen miktarı=(kmol EDC)XA =(64-9)1.3*10-3=0.07 kmol/s Sonuçta gaz fazda kmol etilen= =5.33 kmol/st

48 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.

49 Bu örnekte, bileşen kütle dengesi hesaplamalarında sıvı-sıvı faz
dengesinin kullanılması açıklanmıştır. Örnek.2’de tanımlanan kondenserden çıkan kondensat akımı, yoğuşmuş su ve dikoloretanı (EDC) Ayırmak için bir dekantöre beslenmektedir. Dekantör çıkış akımının bileşimini hesaplayınız. 2 1 Besleme EDC kg/st Su kg/st 3

50 Dekantörü terk eden akımların dengede olduklarını varsayılım. 20oC’de
Çözüm Dekantörü terk eden akımların dengede olduklarını varsayılım. 20oC’de bileşenlerin çözünürlükleri EDC’nin su içindeki çözünürlüğü 0.86 kg/100 kg Suyun EDC içindeki çözünürlüğü 0.16 kg/100 kg 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.

51 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 = = kg/st Sıvı faz içerisinde çözünmüş EDC miktarı=(1066.3/100)*0.86=9.2 kg/st Organik fazın akış hızı tekrar hesaplanırsa = = kg/st Organik faz içerisindeki su miktarı = (5449.8/100)*0.16=8.72 kg/st Görüldüğü gibi sonuç ilk yaklaşımdan çok farklı değildir.

52 Sonuçlar Akım no 1 2 3 Bileşen Dekantöre Giren akım Organik Faz
Sulu Faz EDC 5459 5449.8 9.2 H2O 1075 8.7 1066.3 Toplam 6534 5458.5 1075.5

53 Örnek 4 NİTRİK ASİT ÜRETİM PROSESİ
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 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 İçeren bir akım şeması). Nitrik asit üretimi; esas olarak, amonyağın oksidasyonu ile oluşan gazlar içerisindeki azot monoksidin suyla absorbe edilerek nitrik asite dönüştürülmesinden ibarettir. Kaynaklarda, nitrik asit üretimi için üç değişik proses önerilmektedir. Bunlar; 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.

54 diagramlara çizilmiş bir akım şeması oluşturulur.
Başlangıç olarak, sadece prosesde yer alan ekipmanları gösteren ve blok diagramlara çizilmiş bir akım şeması oluşturulur. Hava Su Hava Ürün ~%60 HNO3 NH3 Buharlaştırıcı Reaktör Atık ısı kazanı Yoğuşturucu Absorpsiyon kolonu

55 4. BİLGİSAYAR DESTEKLİ AKIM ŞEMALARI
Proses tasarımında akım şemalarının hazırlanmasında yararlanılan bilgisayar programları iki ana grupta toplanır. Güçlü hesaplama olanaklarına sahip tam simulasyon programları 2. Basit kütle denkliği programları Simulasyon programlarını kullanarak tüm prosesinin tasarımını yapmak mümkündür. Bir proje çalışmasının başlangıcında tam simulasyon programı kullanmak yerine basit madde denkliği programları kullanılması tercih edilir. Böylece çabuk ve ucuz bir şekilde elementer bir akım şeması ortaya konulabilir.

56 5. TAM VE YATIŞKIN HAL SİMULASYON PROGRAMLARI
Çeşitli firmalar tarafından, tasarımı yapılmış proseslerin yatışkın haldeki işletimini simule eden kompleks akım şeması programları hazırlanmıştır. Gelişmiş üniversitelerde proses tasarım dersleri çerçevesinde de kullanılan bu programlardan bazıları; GEMCS, FLOWPACK, FLOWTRAN, CONCEPT, PROCESS, HYSIM, ASPEN, CHEMCAD dir. Tipik bir simulasyon programının içeriği aşağıda şematik olarak gösterilmiştir.

57 A N Ç L I Ş T R C EXE Tipik bir simulasyon programının içeriği
GİRDİ VERİLERİ EKİPMAN ÖZELLİKLERİ İÇİN ALTPROGRAMLAR A N Ç L I Ş T R C EXE TERMODİNAMİK HESAPLAR İÇİN ALT PROGRAMLAR İTERATİF YÖNTEMLER İÇİN ALT PROGRAMLAR FİZİKSEL ÖZELLİKLER İÇİN VERİ DOSYALARI ÇIKTILAR MALİYET HESAPLARI İÇİN VERİ DOSYALARI Tipik bir simulasyon programının içeriği

58 Tüm bu simülasyon paketlerinin içeriği şu şekilde özetlenebilir.
Ana çalıştırıcı programı (executive program) ‘EXE’ 2. Ekipman performans altprogramlarını 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 altprogramlar.

59 Sadece kütle denkliği hesaplamaları için basit programlar kullanılarak
6. KÜTLE DENKLİKLERİNİN ÇÖZÜMÜ için KOLAY PROGRAMLAR Sadece kütle denkliği hesaplamaları için basit programlar kullanılarak akım şemalarının hazırlanması mümkün olur . Bu tür programlar kişisel bilgisayarlarda yapılabilir. 6.1. Basit bir kütle denkliği programının hazırlanması Bu bölümde ‘Massball’ adlı bir kütle denkliği programının hazırlanması açıklanmıştır ( Sinnot, RK, 1999, Chemical Eng. Design). Proses için kütle denkliğini tanımlayan denklemler takımını ‘Fraksiyon Katsayıları’ kavramına göre oluşturmaktadır.

60 Fraksiyon Katsayıları Kavramı:
Kimyasal proseslerde yer alan ünitelerin yani temel işlemlerin yapıldığı ekipmanların çoğunda üniteye giren akım kolon çıkışında üst ve dip ürün olarak iki akıma ayrılır. Örneğin bir 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. Bu katsayıya Fraksiyon Katsayısı denir.

61 Kütle denkliğinin oluşturulmasında kullanılan simgelerin gösterimi
Bir önceki Üniteden Gelen akım i. Temel işlem ünitesi Bir sonraki üniteye (J) Giden akım Toplam akım giok Sistem dışından Jik ik ik i,J: Ünite numaraları ik: i ünitesine giren k bileşeninin toplam akış hızı Jik : i ünitesinden çıkıp J ünitesine giden akım içerisindeki k bileşeninin toplam akış hızına oranı. Fraksiyon katsayısı giok: i ünitesine sistem dışından gelen akım içerisindeki k bileşeninin akış hızı

62 Özet olarak üniteden çıkan bileşenin akış hızı üniteye giren akış hızı
ile fraksiyon katsayısının çarpımına eşittir. = Jik ik 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.

63 g10k 21k 1k 31k 1k 13k 3k 32k 2k 12k 2k 1k 2k 3k g30k 1 2
1 nolu ünite için kütle denkliği 2 Nolu ünite için kütle denkliği: 3 Nolu ünite için kütle denkliği:

64 Denklemler düzenlenip matris formunda yazılabilir.

65 Örnek: İZOPROPİL ALKOL’den ASETON ÜRETİMİ
C3H7OH (CH3)2O + H2 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.

66 Reaktörde ZnO-Cu katalizör kullanılmakta, tepkime 400-500oC
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. Prosesde mevcut bileşenler için ayrık fraksiyon katsayılarını belirleyiniz ve her bir bileşen için matris formundaki kütle denkliklerini tekrar yazınız.

67 Proses Akım Diyagramı İzopropil alkol Aseton Aseton+IPA +su Su+IPA
Sıyırıcı Sıyırıcı Aseton+IPA +su Aseton Su+IPA Azetrop su+IPA Proses Akım Diyagramı

68 Çözüm:  Prosesin blok diyagramlarla çizilen bir akım şeması ve bilgi akım diyagramı Şekil-5’te görülebilir. Bu proses için kütle denkliklerinin kurulmasında kullanılan simgeler ise aşağıdaki şekilde verilmiştir. 1k 21k 1k 2k 32k 2k 3k 43k 3k 4k 54k 4k 5k 15k 5k 42k 2k g30k g20k g10k 5 1 2 3 4

69 1 Nolu ünite için kütle denkliği: (1)
Denklemler düzenlenerek matris formda yazılırsa;

70 Fraksiyon katsayılarının belirlenmesi:
Bileşenler: k= k=1 İzopropil alkol, k=2 Aseton, k=3 Hidrojen, k=4 Su Proses üniteleri: i,J 1 = Reaktör, 2 =Yoğuşturucu , = Yıkayıcı 4 = Birinci distilasyon kolonu, 5 = İkinci distilasyon kolonu

71 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. Örneğin, izopropil 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. Yıkayıcıda izopropil alkolün %99’u absorplanarak sıvı faza geçmektedir.

72 4. Üretilen aseton içerisinde safsızlık olarak en fazla %1 oranında
izopropil alkol bulunmasına izin verilmektedir. 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 Bu sapmalara ilave olarak : Reaktöre giren akımda bulunan aseton, su ve hidrojenin tepkimeye girmeden reaktörü terk ettiği; Hidrojenin, yoğuşturucuda yoğuşmadığı, yıkayıcıda absorplanmadığı ve dolayısıyla sürekli gaz fazda olduğu, distilasyon kolonuna gitme olasılığı olsa bile kolonun tepe ürününe geçeceği; İkinci distilasyon kolonunu terk eden ve reaktöre devir ettirilen akımın %91’lik alkol-su azeotrop karışımı olduğu tarafımızdan bilinen olgulardır.

73 Fraksiyon Katsayılar;
α211=0, α421=0,9 α321=0, α431=0, α541=0, α151=0,91 α212= 422=0,8 α322=0, α432=0, α542=0, α152=0,01 α213= α423= α323= α433= α543=0, α153=1 α214= α424=0,95 α324= α434= α544=0, α154=0,05 Hesaplamalarda temel olarak: Girdi = 100 kmol/st izopropil alkol alınırsa g101 = 100 Reaktörde aseton verimi %98 olduğu için g202 = 98 Reaktörde hidrojen verimi de %98’dir. g203 = 98

74 Fraksiyon katsayıları ve prosese dışardan verilen akımların
α 1 2 3 4 21k -0,1 -1 32k -0,2 -0,05 42k -0,9 -0,8 -0,95 43k -0,99 54k 0,0 0.0 15k -0,91 g101 g202 g203 g304 Mol 100 98 * Fraksiyon katsayıları ve prosese dışardan verilen akımların sayısal değerleri Çizelgede toplu olarak verilmiştir. Absorbsiyon kolonuna dışardan gönderilen su miktarı kolon tasarımına bağlıdır. O nedenle kolona gönderilen su miktarı (kmol/st) = g304=200 mol

75 7. Borulandırma ve Enstrumantasyon (P&I: Piping and Instrumentation)
7.1. Giriş Proses akım–şemaları (flow–sheet), ekipmanların ve onların büyük ara bağlantı parçalarının düzenlenmesini gösterir ve proses doğasının bir tanımıdır.

76 Borulandırma ve enstruman diyagramları (P&I diagram: Piping and Instrument) ise, ekipmanların, cihazların, borulandırmanın, vanaların, bağlantıların ve onların düzenlenmesinin mühendislik detaylarını gösterir ve sıkça mühendislik akım şemaları veya mühendislik çizgi diyagramları olarak adlandırılır.

77 P&I Diyagramları, proses ekipmanlarını, borulandırmayı, pompaları, enstrumanları, vanaları ve diğer bağlantıların düzenlenmesini gösterir ve şunları içermesi gerekir: Prosesin tüm ekipmanlarına bir ekipman numarası verilir. Ekipmanın orantılı olarak düzgün bir şekilde çizilmesi gerekir. 2. Boruların tümüne ayrı bir hat numarası verilir. Boru ölçüleri ve yapı malzemesinin gösterilmesi gerekir. Malzeme hat tanıtım numarasını kısmi olarak içerebilir. 3. Tüm vanalara ayrı bir tanıtım numarası verilir. Tipi ve büyüklüğünün gösterilmesi gerekir. Vana tipi, vana için kullanılan bir sembol veya içerdiği vana numarası için kullanılan kod ile gösterilebilir.

78 4. Gözetleme camı, süzgeç ve buhar tuzakları gibi borulandırma sisteminin iç hat parçaları olan yardımcı bağlantılara ayrı bir tanıtım numarası verilir. 5. Pompalara uygun bir kod numarası verilir. 6. Tüm kontrol devrelerine ve enstrumanlarına ayrı bir numara verilir. P&ID prosesin akım şemasını andırır, fakat proses bilgileri gösterilmez. Her iki diyagramda da aynı ekipman için aynı tanıtım numaralarının kullanılması gerekir.

79 7.2. 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 . . Enstrumanlar, kontrol ediciler ve vanalar için standart semboller İngiliz standartlarında (BS 1646) verilmiştir. Austin (1979) İngiliz ve ayrıca Amerikan standart sembollerinin (ANSI) anlaşılabilir bir özetini ve onların bazı müteahhitlik firmaları tarafından kullanılan örneklerini vermiştir.

80 Bu sembol tüm kontrol vana tiplerini; pnömatik ve elektrik motor
7.3. Basit semboller (BS 1646’dan alınmıştır). Kontrol vanası Bu sembol tüm kontrol vana tiplerini; pnömatik ve elektrik motor sürücülü vanaların her ikisini de ifade etmek için kullanılır. Arıza modu Açma arızası Kapatma arızası Olağan pozisyon Ok yönü güç uygulayıcı arızasının vana üzerindeki konumunu gösterir.

81 Enstrumanlar ve kontrol ediciler
Yerel olarak konumlanmış Ana panele konumlanmış Yerel konumlanmış ifadesi, kontrol edici ve yönlendiricinin tesiste bulunan algılama cihazının yerinin yerleştirilmesi anlamına gelir. Ana panel ifadesi ise, kontrol odasındaki bir panel üzerine yerleştirilmesi anlamına gelir.

82 Enstruman tipi Bununla bir yazısal kod ile kontrol edici cihazın bir devreyi ifade etmesi gösterilir Örneğin, F = Akış hızı. Sonraki harfler ise fonksiyonu gösterir. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Ölç. Özll. İlk harf Gösterge (I) Kayıt (R) Gös. Topl. (IS) Kay. Topl. (RS) Kontrol (C) Gös. Kon. (IC) Kay.Kon. (RC) Gö.Ko.To (ICS) Ka.Ko.To (RCS) Akış hızı F FI FR FIS FRS FC FIC FRC FICS FRCS Seviye L LI LR LC LIC LRC Boyutlar U UI UR UC UIC URC Basınç P PI PR PC PIC PRC Kalite Q QI QR QC QIC QRC Işınım R RI RR RIS RRS RC RIC RRC RICS RRCS Hız S SI SR SIS SRS SC SIC SRC SICS SRCS Sıcaklık T TI TR TC TIC TRC Ağırlık W WI WR WC WIC WRC Diğer özll X XI XR XC XIC XRC Farklı özl D DI DR DC DIC DRC Örneğin, I = Belirtme RC = kaydedici kontrol edici Tablo 7.1BS 1646 temelinde yazısal kodlar (1979)

83 Tanıtıcı Yazıların Anlamları XYY
İlk harf (X) İkinci veya üçüncü harf (Y) A Analiz Alarm B Fırın alevi C İletkenlik Kontrol D Yoğunluk veya spesifik gravite E Voltaj Eleman F Akış hızı H El (Elle başlama) Yüksek I Akım Gösterge J Güç K Zaman veya zaman şedülü Kontrol hali L Seviye Hafif veya düşük M Nem veya nemlilik Orta veya ara O Orifis P Basınç veya vakum Nokta Q Miktar veya olay R Radyoaktivite veya oran Kayıt veya Yazma S Sürat veya frekans Anahtar T Sıcaklık Transmitter V Viskozite Vana, durdurucu W Ağırlık Memba Y Gecikme veya hesaplama Z Pozisyon Sürücü

84 Enstruman bağlantı hatlarını ana proses hatlarından ayırt etmek
için farklı bir şekilde çizilmesi gerekir. Nokta veya çizgi nokta normal olarak kullanılır. FRC Tipik bir kontrol devresi Kapatma vanası Kontrol vanası

85 Tablo 7.2 ’de verilen veriler tesis bilgileri dışındaki tüm mekaniksel konuları içerir. Alışılmış olarak P&ID çiziminde kullanılanlar Tablo 7.3’de verilmiştir. Tablo 7.2 Borulandırma ve Enstrumantasyon Diyagramı (P&ID) dışında kalanlar İşletme koşulları, T, P Akım akışları Cihaz yerleşimleri Boru yolları a.Boru boyu b.Boru bağlantıları Destekler, yapılar, kurumlar

86 Tablo 7.3 Borulandırma ve Enstrumantasyon Diyagramlarının oluşturulması
Cihazlar için, içerdiği her parçanın gösterimi Yedek birimler Paralel birimler Her birimin detay özetleri Borulandırma için, içerdiği tüm hatların akış yönü, örnek bağlantılar ve özellikler Büyüklük (kullanılan standart ölçü) Şedül (kalınlık) Yapı malzemesi Yalıtım (kalınlık ve tip) Cihazlar için, tanıtım Göstergeler Kaydediciler Kontrol ediciler Cihaz hatları gösterimi

87 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. Tablo 7.4 ’de, enstrumantasyon ve kontrol ile ilgili kullanılan tanıtıcı bilgiler özetlenmiştir. Tablo 7.4. Borulandırma ve Enstrumantasyon Diyagramı (P&ID) ’nın tanıtımı Cihazların Yerleşimi Tesise yerleştirilen cihaz Kontrol odasındaki panelin önüne yerleştirilen cihaz Kontrol odasındaki panelin arkasına yerleştirilen cihaz

88 Cihaz Bağlantılarının Tanıtımı
Kapiler Havalı (Pünomatik) Elektriksel Hemen hemen bütün kimyasal proses kontrol devrelerinde Son kontrol elemanı vanadır.

89 7.4 Kontrol ve Enstrumantasyon (Alet Kullanımı)
7.4.1.Cihazlar Cihazlar, tesis işletimi boyunca anahtar proses değişkenlerini izlemeyi sağlar. Onlar, otomatik kontrol devrelerinde kurulabilir veya proses işlemlerinin manuel 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 bağlanacaktır. Tercihan doğrudan ölçülmüş proses değişkenleri izlenir. Kolay ölçülen bazı bağımsız değişkenleri ölçmek pratik olmadığından yerinde izlenir.

90 7.4.2 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

91 Ürün kalitesi: - Belirli kalite standardı içinde ürün bileşimini sağlamak Maliyet: - Diğer konulara eşit en düşük ürün maliyetinde işletmek Bunlar ayrılmaz konular olup, birlikte düşünülmelidir Ürün kalitesi, üretim hızı ve üretim maliyeti satış gereksinimlerine bağımlıdır. Örneğin, yüksek maliyetle daha iyi kalitede ürün üretmek en iyi strateji olabilir. Tipik bir kimyasal proses tesisinde bu konular, otomatik kontrol, manuel izleme ve laboratuar analizleri ile başarılır.

92 7.4.3. Otomatik kontrol şemaları
Büyük bir proje için, ayrıntılı tasarım ve otomatik kontrol şemalarının spesifikasyonları özel kişiler tarafından yapılır. Burada bir proses için, kontrol sistemlerinin belirlenmesinde proses akım şemalarından geliştirilen, enstrumantasyon ve kontrolün ilkel şemasının hazırlanmasıdır. Bunlar ilkel enstrumantasyonun hazırlanmasında ve kontrol şemalarında bir rehber olarak kullanılabilir.

93 Rehber kurallar Aşağıdaki yöntem ilkel P&I Diyagramlarının çizilmesinde kullanılır: 1. Yatışkın tesis işletimi için açıkça ihtiyaç duyulan kontrol devrelerinin tanıtımı ve çizimi (a) Seviye kontrolu (b) Akış kontrolu (c) Basınç kontrolu (d) Sıcaklık kontrolu

94 2. Belli bir ürün kalitesinin elde edilmesinde kontroluna ihtiyaç duyulan anahtar
proses değişkenlerinin tanıtımı. Kontrol değişkeninin doğrudan ölçümü kullanılarak kontrol devrelerini içeriği. Uygun bağımlı değişken seçimi. 3. Güvenli işletim için ilave kontrol devrelerinin içeriği ve tanıtımı, 1 ve 2. Basamağı hemen hemen kapsamaz. 4. Tesis geliştirme ve aksaklıklar için operatörler tarafından tesis işletiminin görüntülenmesinde ihtiyaç duyulan yardımcı cihazlarına karar verme ve gösterme. 5. Örnek noktalarının yerine karar verme. 6. Yerel veya kontrol odasındaki kaydediciler ve okuma noktalarının yer ihtiyacına karar verme. Bu basamak 1 ve 4 arasında yapılır. 7. İhtiyaç duyulan bağlantılar ve alarma karar verme. Bu, basamak 3 ’te yapılır.

95 7.4.4. Tipik kontrol sistemleri
- Seviye kontrolu İki faz arasında (sıvı-buhar) arayüzeyde mevcut herhangi bir cihazla, gereken seviyede ortalama arayüzey sağlanmalıdır. LC Şekil’de bir kolonun tabanındaki seviye kontrolu için tipik bir düzenleme gösterilmiştir. Pompa boşaltma hattı üzerinde bir kontrol vanasının yer alması gerekir. Şekil Seviye kontrolu

96 Basınç kontrolu Şekil 7.4.2.a. Doğrudan boşaltma ile basınç kontrolu
Basınç kontorlu, buhar veya gaz kullanılan pek çok sistem için gereklidir. Kontrol metodu, prosesin doğasına bağımlıdır. PC Şekil a. Doğrudan boşaltma ile basınç kontrolu PC Şekil b. Yoğuşturucudan sonra yoğuşmayanların boşaltılması

97 Akış Kontrolu Akış kontrolu sağlamak için sabit hızda
çalışan ve yaklaşık sabit hacimde çıkış basan bir kompresör veya pompa bir yan geçiş (by-pass) kontrol kullanılmalıdır. FC Şekil 7.4.3a. Emme-basma pompa için akış kontrolu FC FC Şekil 7.4.b. Bir santrifüj compresör veya pompa için alternatif şema

98 Isı değiştiriciler soğutma veya ısıtma ortamı akışının değişimi
ile sıcaklık kontrolu konusundaki en basit düzenlemeyi gösterir. Proses TC Şekil 7.5a. Bir akışkan akımının kontrolu Proses TC Eğer, alışveriş iki sabit akışlı proses akımı arasında ise, by-pass kontrol kullanılır. Şekil 7.5b. By-pass kontrol

99 Kaynatıcı ve buharlaştırıcı kontrolu
Buharlaştırıcılar için sıklıkla seviye kontrolu kullanılır. Şekilde görüldüğü gibi akış kontrolu üzerindeki buharlaştırıcıya beslenen sıvı akış hızı ve kontrol edici ısıtma yüzeyine gönderilen buharın miktarını ayarlayarak seviye kontrol edilmektedir Besleme FC LC Buhar Tuzak Şekil 7.6 Buharlaştırıcı Kontrol

100 Damıtma Kolonu Kontrolu
Damıtma kolonu kontrolunun temel konusu, üst ve alt ürünün belirli bir bileşimini ve yan akımlarda bozulanların etkisini düzelterek temin etmektir. Besleme FC TC TC Buhar Şekil 7.7a. Sıcaklık deseni kontrolu. Bu düzenleme ile tepe ve dip sıcaklık kontrol edicileri arasında iç etkileşim olur

101 Şekil 7.7.b. Bileşim kontrolu.
FC FC Oran FC LC FC Oran Şekil 7.7.b. Bileşim kontrolu. (Geri akma oranı bir oran kontrol edici veya bir bölücü kutu ile, ve dip ürün besleme sabit bir akış oranı olarak kontrol edilmiştir)

102 Şekil 7.7.c. Dolgulu kolon diferansiyel basınç kontrolu .
Diferansiyel basınç kontrolu, düzenli yüklemede dolgulu işletimi temin etmek için dolgulu yataklarda sıkça kullanılır (Bkz. Şekil 7.7.c). Kolon performansını ve aksaklıkları izlemek için, ilave sıcaklık göstergesi veya kayıt noktaları içermesi gerekir. ΔP TC ΔP Şekil 7.7.c. Dolgulu kolon diferansiyel basınç kontrolu .

103 Reaktör Kontrolu Reaktör kontrolunda 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 edilir.

104 Basınç genellikle sabit tutulur
Reaktör sıcaklığı T Soğutma akışkanı akış hızı ayarlanarak kontrol edilir FC FC Besleme LC FC TC Seviye kontrol Soğutucu akışkan Basınç genellikle sabit tutulur Şekil 7.8 Tipik bir geri karıştırmalı tank reaktörü kontrol şeması

105 5.9. Alarm ve güvenlik tuzakları, ve bağlantılar
Alarmlar, operatörlere ciddi potansiyel tehlikeleri ve proses koşullarındaki sapmaları haber vermek için kullanılır. Anahtar cihazlar, kontrol panelleri üzerindeki işitsel ve görsel alarmları çalıştırma da düğmelere ve aktarıcılara bağlanır. Gecikme veya yanıtım kaybı olduğu yerde operatörler ile tehlikeli durumun gelişmesinde rehberlik eder. Cihaz otomatik olarak tehlikeyi önlemek için, pompaların durdurulması, vanaların kapatılması gibi güvenlik sistemini işletmek üzere bir yanıltma sistemine bağlanır.

106 Bir otomatik önleme sisteminin temel bileşenleri şunlardır:
Kontrol değişkenini izlemek için bir algılayıcı bulunan ve önset değeri geçildiğinde bir çıktı sinyali sağlanması 2. Sinyali sürücüye iletmek için bir hat, genellikle, pünomatik veya elektriksel aktarıcı içermesi 3. Gerekli eylemi gerçekleştrimek için bir sürücü, vanayı açmak veya kapamak, motorun düğmesini kapatmak

107 Şekil 7.9a. Kontrol sisteminin bir parçası olarak aktarıcı
Güvenli bir aktarıcı bir kontrol devresine Şekil 7.9a ’da gösterildiği gibi yerleştirilebilir. Bu sistemde, yüksek sıcaklık alarmı pünomatik sürücü üzerindeki havayı bırakarak bir selenoid vanayı çalıştırır ve yüksek sıcaklıkta vana kapanır. H TA TIC Şekil 7.9a. Kontrol sisteminin bir parçası olarak aktarıcı

108 Şekil 7.9.b. Durdurma aktarıcısının ayrılması
Sonuçta, güvenli sistem işletimi, kontrol cihazının güvenilirliğine bağımlıdır ve potansiyel tehlikeli durumlar için Şekil 7.9.b ’de gösterildiği gibi belli bir ayırma akatarıcı sistem daha pratiktir. İhtiyaç duyulan sistem işletimlerini temin etmek üzere aktarıcı sistemin periyodik kontrolu için hazırlık yapılmalıdır. H TA TIC H TA Hava Şekil 7.9.b. Durdurma aktarıcısının ayrılması