BİLGİSAYAR UYGULAMASI Etilen Depolama Tankı Tasarımı & Isı Değiştirici Tasarımı

Amaç Amacımız depolayacağımız maddelerin fiziksel özelliklerini anlayıp bu özellikler ve kapasitemiz doğrultusunda uygun ve güvenli depolama tankı tasarımını yapmak. Kapasitemiz ve sıcaklık değerlerimiz doğrultusunda tek basamaklı Wacker Prosessi için uygun ısı değiştiriciyi seçmek ve tasarlamak.

Neleri Depolayacağız? Etilen Asetaldehit

Etilen Nedir? Formülü C2H4 olan doymamış bir hidrokarbondur. En basit alkendir. Yapısı;

Etilenin Kullanım Alanları Dünyada yılda yaklaşık 141 milyon ton üretim var. En büyük üreticiler Orta Doğu ve Çinde. En fazla; Etilen Oksit, Etilendiklorür, Etil Benzen ve Polietilen üretiminde kullanılır.

Etilenin Fiziksel Özellikleri Renksizdir. Kokusu saf halde iken tatlıdır. Yanıcı bir gazdır. Suda orta derecede çözünür. MA etilen = 28,05 g/mol ρ= 1,178 g/m3 (15 Co ) Kaynama Noktası: -103,7 Co Ergime Noktası: -169,4 Co Standart oluşum entalpisi ∆H= 52,47 kj/mol

Etilenin Fiziksel Özellikleri Etilen için patlama konsantrasyonları limitleri Lower Explosive or Flammable Limit: %2,75 Upper Explosive or Flammable Limit: %28.6 Bu limitler 20 Co ve atmosferik basınç için geçerlidir.

Asetaldehit Nedir? Formülü CH3CHO olan organik bir bileşiktir. Endüstriyel olarak etilenden veya etilen oksitten üretilebilir. Doğal olarak kahve, ekmek ve bozulmuş meyvelerin içinde mevcuttur. Yapısı;

Asetaldehitin Fiziksel Özellikleri Renksizdir. Oda sıcaklığında fiziksel durumu likittir. Tatlı bir kokusu vardır. Suda ve organik çözücülerde kolay çözünür. MA astaldehit = 44,05 g/mol ρ= 0,783 g/cm3 (20 Co) Kaynama Noktası: 20,2 Co Ergime Noktası: -123,5 Co Standart oluşum entalpisi ∆H= -166 kj/mol

Asetaldehitin Fiziksel Özellikleri Yanıcıdır Asetaldehit için patlama konsantrasyonları limitleri Lower Explosive or Flammable Limit: %4 Upper Explosive or Flammable Limit: %60 Bu limitler 20 Co ve atmosferik basınç için geçerlidir.

Oksijenin Fiziksel Özellikleri Başka materyallerle karıştığında yanıcıdır. Yanma Teorisi; Oksijen Kıvılcım Yanıcı Madde Yanma

Depolama Tankları ve Özellikleri Üç farklı depolama tankı kullanacağız; Yüksek Basınçlı Tank Etilen Silindirik Tank Asetaldehit

Etilen Depolama Şartları Tank iyi havalandırılmış serin bir ortamda bulunmalı. Tüm kıvılcım ya da ısı kaynaklarından uzak tutulmalı. İçeride ki sıcaklık 52 Co yi geçmemeli. Aşırı basınçta güvenlik uygun için check valf olmalı.

Yüksek Basınç Tankı Yüksek basınçlara dayanıklı olmaları için uygun geometride tasarlanırlar. Yüksek basınçta dayanıklılık için kompozit malzemelerden üretilebilirler. Yüksek basınçta dayanıklılık için dikişsizdirler. İyi havalandırılmış serin ortamda tutulmalıdır tank. Güvenlik için check valfleri vardır.

Yüksek Basınç Tankı Yatay Dikey

Silindirik Tank Likit deoplamak için idealdir. Basınç için check valf vardır. Taşkan (overflow) bulunur. Havanaldırma için vent kullanılır. Depolanan malzeme yanıcı ise sıcaklık kontrolü için ceketli tasarım yapılabilir. Yanıcı malzemelerin ventlerinde flame arrestor bulunur.

Silindirik Tank Silindirik Tank

Asetaldehitin Depolanma Şartları Tamamen kapalı iyi havandırılmış bir alanda tutulmalı. Güvenlik için check valf ve yanıcı maddelere uygun taşkan kullanılmalı. İçeriye hava girmemeli. (kararsız peroksitlerle verdiği reaksiyon sonucu patmaya sebep oluyor.)

Tank Tasarımı için Algoritma Adım : Beslenecek hacimsel debinin hesaplaması. 𝜌= 𝑚 𝑉 2. Adım : 15 gün için tank hacmi belirlenmesi. 𝑉 𝑚 3 ℎ . 24 ℎ 1 𝑔ü𝑛 3. Adım : Depo çapının hesaplanması. 𝑉= 4 3 𝜋 𝑟 3 4. Adım : Et kalınlığının Hesaplanması 𝑇= 𝐷 𝑖 .𝑃 40. 𝐾 𝑆 .𝑉+𝑃 + 𝐶 1 + 𝐶 2 5. Adım : Depo içinde kullanılacak plakaların kalınlıklarının hesaplanması.

Tank Tasarımı için Algoritma T=Et kalınlığı ( mm ) D i =Deponun iç çapı ( mm) P=Dizayn veya test basıncı ( N mm 2 ) K=Malzeme dayanımı ( N mm 2 ) V=Kaynak dikiş zayıflama katsayısı S=Dizayn veya test koşullarındaki emniyet katsayısı C 1 =Ezilme ilavesi ( mm ) C 2 = Korozyon ilavesi ( mm ) P=55 atm=5,5 N mm 2 (Test basıncı alınmıştır) K=500 N mm 2 (Karbonlu çelik için malzeme dayanımı)

Isı Değitirici Seçimi Bu bölümde ısı değiştirici tiplerinden, hangi tip ısı değiştiricinin ne sebeple seçildiğinden ve hesaplama algoritmasının nasıl olacağından bahsedeceğiz. Son olarak hesaplamalarda kullanılacak olan değerler tablolar şeklinde verilecektir.

Isı Değiştiriciler Isı değiştiriciler, sıcaklıkları farklı olan iki veya ikiden fazla akışkan arasında ısı transferini sağlayan cihazlardır. Üretim, soğutma, ısıtma ve havalandırma, kimyasal ve benzeri bütün sistemlerde, değişik kapasite ve tiplerde ısı değiştiricileri kullanılır.

Isı Değiştirici Tipleri Isı değiştiricileri; transfer prosesine, yüzey kompaktlığına, konstrüksiyon geometrisine, akış düzenlemesine, akışkan sayısına, ısı transfer mekanizmalarına ve uygulama alanlarına göre sınıflandırılırlar. Isı değiştiricileri, konstrüksiyon geometrisine göre 4 temel sınıfa ayrılır ; Borusal ısı değiştiricileri Plakalı ısı değiştiricileri Genişletilmiş yüzeyli ısı değiştiricileri Rejeneratif ısı değiştiricileri

Gövde Borulu Isı Değiştiriciler Proses endüstrisinde en yaygın olarak kullanılan ısı değiştirici tipidir; yaklaşık olarak kullanılan tüm ısı değiştiricilerinin % 60’ı gövde borulu ısı değiştiricidir. Akışkanlardan birisi boruların içinden geçerken diğer akışkan ise gövde tarafından zıt,paralel veya çapraz olarak akar.

Gövde Borulu Isı değiştiriciler Gövde borulu ısı değiştiricinin belli başlı elemanları: Gövde Boru veya boru demeti İki baştaki kafalar Boruların tesbit edildiği ön arka aynalar Baffle lardır.

Gövde Borulu Isı Değiştiriciler

Tüp Aynaları Ayna , tüplerin gövdeye açıldıgı bölgede tüp uçlarını bir arada tutan çelik plakalardır. Tüpler aynadaki deliklere geçirilerek kaynak yapılır. Bilindiği gibi ısınan metal genişler ve uzar. Tüpler ısınınca uzar bu uzama ayna ile tüpler arasında bir zorlanmaya sebep olur , bu zorlanma etkisiyle bazı tüplerin aynayla olan bağlantısı gevşeyebilir. Bunun sonucu bir sızıntı veya kaçak meydana gelebilir. Bu durumda çift ayna kullanılır.

Tasarım yapılırken göz önüne alınması gereken en önemli husus ısı değiştiricinin işletme şartlarını karşılaması ve maliyetinin ucuz olması. Isı değiştiricinin boyu uzadıkça maliyeti artar.

Avantajları & Dezavantajları Hemen hemen tüm uygulamalar için kullanılabilir. Temizleme için, sökülebilecek şekilde dizayn edilebilir. Bakımı ve tamiri kolaydır. Piyasadan çok kolay bir şekilde bulunabilir. Dezavantajları Yüksek plan alanı gerektirir. 16 bar basınç ve 200 °C sıcaklığın altındaki koşullarda maliyeti artabilir.

Neden Gövde Boru Tipi Isı değiştiriciler? Sıcaklık ve basıncın geniş bir aralığı için dizayn edilebilirler. Farklı malzemelerden kolaylıkla yapılabilirler. Tamir ve bakımı fazla uzmanlık gerektirmez. Yapım ve dizaynı ile ilgili yeterince tecrübe vardır. Temizlenmesi kolaydır. 85 per cent is a higher figure than in the pie chart in lecture 1. The difference is that the above figure is for the limited range of industries shown while the pie chart is for all industrial applications.

Gövde Boru Tipi Isı değiştirici için Çalışma Koşulları Maksimum basınç Gövde tarafı için ; 300 bar (4500 psia) Boru tarafı için ; 1400 bar (20000 psia) Sıcaklık aralığı Maksimum 600 C Minimum -100 C Akışkanlar Malzemeye bağlı Boyut (10 - 1000 m2)

Tasarımda Korelasyonların Kullanımı Korelasyonların çoğu deneysel çalışmalar ile elde edilmiştir. Boyutsuz grupların fonksiyonu olarak verilir. (Re, Pr, Nu etc.) Verilen koşullar için geçerlidir. Uygun korelasyon verilen aralıklar ve koşullar için seçilir.

Tasarımda Korelasyonların Kullanımı Akış hızının büyük olması; Isı transfer katsayısını artırır Daha kompakt (sıkıca,sağlam) ısı değiştirici tasarımına imkan sağlar Kirlenmeyi azaltır fakat pompa gücünü büyütür Bu yüzden önerilen değerler aşağıdaki gibidir. Kullanılan boru çapı çoğunlukla 16 mm veya 25 mm tercih edilir.Eğer akışkan kirli ise boru çapı büyük olmalı. Bakır ve çelik boru için satndart et kalınlıkları Ek I de verilmiştir (bknz Genceli kitap).

Tasarımda Korelasyonların Kullanımı Gövde çapı 600 mm üzerindedir ve genelde 1 m civarındadır. Boru uzunluğu gövde çapının genellikle 5-10 katı arasında değişir. Standart boru anma Uzunlukları Ek J.2 de verilmiştir (bknzGenceli kitap).

Tasarımda Korelasyonların Kullanımı Boru demeti dizilişi; Eşkenar üçgen(30o), Kare (90o), Döndürülmüş üçgen (60o) veya döndürülmüş kare (45o) olabilir.

Tasarımda Korelasyonların Kullanımı *Üçgen ve döndürülmüş kare büyük ısı transfer katsayısını verir fakat basınç kaybı ise artar. *Kare ve döndürülmüş düzenlemeler kirletici akışkanlar için uygundur. (Çünkü temizlenmeleri kolaydır.) *Üçgen diziliş daha kompakt yüzey sağlar ve iki akışkan arasında basınç farkı büyükse bu diziliş tercih edilir. *Boru eksenleri arası uzaklık boru çapının 1.25 katıdır. Temizlik isteniyorsa mesafe en z 6-7 mm olmalıdır.

Tablo

Akışkanlar Kirli akışkan boru tarafına konur çünkü temizlenmeleri daha kolaydır Yüksek basınçlı akışkan boru tarafına konulur Özel malzeme gerekli ise boru tarafına konulur Çapraz akış daha yüksek ısı transfer katsayısı verir, bundan dolayı taşınım katsayısı düşük olan akışkan gövde tarafına konulur.

Tasarımda Kabuller Isı değiştirici çevreden yalıtılmış ısı kayıpları İhmal. Boru boyunca eksenel ısı aktarımı ihmal.(Radyal yönde aktarım var) Potansiyel ve Kinetik enerji ihmal. Akışkanların özgül ısıları sabit. Toplam ısı transfer katsayısı sabit. Sistem kararlı halde. Isı değiştirici içinde ısı üretimi yoktur.

Tasarımda Kabuller Zıt ve paralel akımlı ısı değiştiricide akışkan sıcaklığı akış boyunca uniform. Akışkanda faz değişimi olması durumunda basınç ve sıcaklık sabit. Akış tam gelişmiş akıştır.

Isı Değiştici için Algoritma Soğutucu akışkan ve sıcak akışkanın kütlesel debileri mc , mh Akışkanların giriş ve çıkış sıcaklıkları Tc1 , Tc2 ,Th1 , Th2 Tüp uzunluğu L Tüp iç çapı=do Tüp iç çapı=di “K” ve “n” değerleri için literatürden bakınız

Isı Değiştici için Algoritma Tort1’ de ρ , μ , cp Pr, Re değerlerine bakınız Tort2’ de ρ , μ , cp , Pr, Re değerlerine bakınız Kf ve Kw değerlerine bakınız Baffle arası mesafeyi hesaplayınız (Lb)

Isı Değiştirici için Algoritma Qalınan= Qverilen (mc) x (Cpc) x (tc,ç-tc,g) = (mh) x (Cph) x (Th,g-Th,ç) Değerleri çözümlenerek Q bulunur.

Isı Değiştirici için Algoritma Q=U.A.ΔTm.F Formulünü çözümlemek için ; ΔTm = [(ΔT1 ) – (ΔT2 )] / ln[(ΔT1 ) / (ΔT2 ) ]

Paralel Akış Akışkan yığın sıcaklığı, TB Tgiriş = Th1-Tc1 Sıcak akışkan Soğuk akışkan Tçıkış = Th2-Tc2 Tgiriş = Th1-Tc1 Alan, A

Zıt Akış Tgiriş = Th1-Tc2 Akışkan yığın sıcaklığı, TB Sıcak akışkan Alan, A Akışkan yığın sıcaklığı, TB Sıcak akışkan Soğuk akışkan Tçıkış = Th2-Tc1 Tgiriş = Th1-Tc2

Isı Değiştirici için Algoritma F düzeltme faktörü için ; R=(Tc2-Tc1)/(Th1-Tc1) S=(Th1-Th2)/(Tc2-Tc1) değerleri hesaplanarak grafikten okunur. (bknz GENCELİ ISI DEĞİŞTİRİCİ ek F)

Isı Değiştirici için Algoritma Isı değiştirici alanı “A” hesaplanır. (Tahmini U veya hesaplanmış U değeri ile) A= Q/(U.ΔTm.F) Tüp sayısı hesabı yapılır Atüp= π.D.L (Tek tüpün alanı) Ntop= A/Atüp

Isı Değiştirici için Algoritma Tüp demet çapı bulunur (Ds) Ds=Db+Dboşluk Db=do.(Ntop/K1)^(1/n1) K ve n değerleri tüp demeti ve boru geçiş sayısına göre grafikten okunur. Dboşluk= hesaplanan Db değerine karşılık Bundle diameter tablosundan okunur.

Isı Değiştirici için Algoritma Tüp içine giren akışkanın giriş-çıkış sıcaklığına göre Tort hesaplanır. Tort değerine karşılık gelen ρ , μ , cp Pr, Re, jh değerleri tablolardan okuyunuz. Re= (ρ.V.Di)/ μ formülünden Reynolds Sayısını hesaplayınız. jh=Re-Heat transfer factor grafiğinden okuyunuz.

Isı Değiştirici için Algoritma Tek tüpün akışa dik alanı bulunuz. Ax=(π.Di^2)/4 Atüp top=Ntop.Ax Çizgisel hızı hesaplayınız. G=m/Ax , Vt=G/ρ (m/s) hi hesabı için; hi.di/Kf=jh.Re.Pr0,3.(μ/μW)0,14 (sıvı,su değilse) hi=(4200.(1,3540,02.t).Vt0,8)/di0,2 (sıvı; su ise)

Isı Değiştirici için Algoritma Gövde için h hesabı yapılır. Ds= gövde çapı Lb=baffle’lar arası mesafe (%25 alınız)=Ds/5 Pt=1,25.do As=((Pt-do).Ds.Lb)/Pt hesaplayınız. Çizgisel hızı hesaplayınız. Gs=m/As , Vs=Gs/ρ

Isı Değiştirici için Algoritma de değeri hesaplanır. de=(1,10/do).(Pt2-0,917.do2) (üçgen tüp demeti için) de=(1,27/do).(Pt2-0,875.do2) (kare tüp demeti için) Tort2’ye göre ρ , μ , cp Pr, Re, jh değerlerini tablolardan okuyunuz. Re= (ρ.V.Di)/ μ formülünden Reynolds Sayısını hesaplayınız. jh=Re-Heat transfer factor grafiğinden okuyunuz

Isı Değiştirici için Algoritma hs’i formülden hesaplayınız; Nu=(hs.de/Kf)=jh.Re.Pr1/3 .(μ/μW)0,14 Uo değerini hesaplayınız; 1/Uo=1/ho + 1/hod + (do.ln(do/di))/2Kw +(do/di).(1/hid) + (do/di).(1/hi) ho=hs=Gövde içindeki taşınım hi=Tüp(boru) içindeki taşınım hod=Gövde içi(dış) kirlilik hid=Tüp içindeki kirlilik

Isı Değiştirici için Algoritma U değerinin tahmini doğruluğunu kontrol ediniz. (Uo-Ut)/Ut.100=%X -X %30’u geçmediği sürece tasarımı kabul ediniz. -U Tahmini değerini tablodan,kullanılan akışkan çeşidine göre okuyunuz(bknz CHEMİCAL ENGİNEERİNG DESING COULSON)

U için Tablo

Toplam ısı transfer katsayısı (U) Sıcak akışkan t TB1 TB2 Soğuk akışkan TB1 TB2 Ri R0 RW

Basınç Düşüşünün Hesaplanması Formülü yardımıyla basınç düşüşü hesaplanır. Özellikle vizkoz sıvılarda ve büyük çaplı ısı değiştiricilerde basınç düşüşü önemlidir.