TEMEL PRENSİPLER

Kütle Dengeleri ve Ayırma İşlemleri Köpek Çiti, Avustralya Doğal Hayatı Koruma Parkı, Avustralya

Çevre mühendislerinin, “kutu”yu ne kadar büyük çizeceklerini, örneğin, çizgiyi nereden geçireceklerini, neyi içerip içermeyeceğini bilmeleri gerekir. Eğer, “kutu” çok fazla küçük olursa, istenmeyen sonuçlar meydana gelebilir. Eğer, “kutu” çok büyük olursa, zaman ve kaynak israfı olabilir.

4.1 Tek Maddeli Kütle Denkliği veya

Şekil 4.1 Tek giriş ve tek çıkışı olan bir kara kutu. Şekil 4.2 Tek giriş ve iki çıkışlı bir ayırıcı (seperatör).

4.1.1 Tek Maddeli Ayrık Akımlar veya

X maddesi iki fraksiyondan daha fazla maddeye de ayrılabilir, bu durumda kütle dengesi şu şekilde yazılabilir.

4.1.2 Tek Maddeli Birleşik Akımlar

Şekil 4.5 Ana kanalizasyonun kapasitesi.

Ö R N E K - 4.2 Bir ana kanalizasyon Şekil 4.5’te gösterildiği gibi 4.0 m3/s akım kapasitesine sahiptir. Akımın 4.0 m3/s’yi aşması durumunda taşma olması beklenmektedir. Mevcut durumda kanalizasyon sistemine bağlı üç mahallenin maksimum (pik) akımları 1.0, 0.5 ve 2.7 m3/s’dir. Bu kanalizasyon sistemine maksimum 0.7 m3/s’ lik yeni bir akım verilmek isteniyor. Bu durumun kanalizasyon kapasitesine etkisini bulunuz.

4.1.3 Tek Maddeli Kompleks Prosesler Önceki basit örnekler kütle dengesinin oluşturulmasında akımın kararlı olduğu ve kara kutu içinde kütlenin artışı veya azalışına yol açacak bir prosesin bulunmadığı durumlar için geçerli olup, kütle dengesinin temel özelliklerini göstermektedir. Bu yaklaşımların tüm kütle dengesinde yer alması durumunda kütle denkliği aşağıdaki şekilde ifade edilebilir.

Şekil 4.7 Yağış, yüzey akışı ve sızmada kara kutu yaklaşımı.

Şekil 4.8 Basitleştirilmiş hidrolojik çevrim.

Şekil 4.8 Basitleştirilmiş hidrolojik çevrim.

Ö R N E K - 4.4 Yıllık yağışın 102 cm/yıl olduğu ve yağışın % 50’sinin yer altına sızdığı bir alanda çiftçilerin sulama amacıyla kuyu suyu kullandığı ve çekilen kuyu suyunun % 80’inin evaporasyonla kaybolduğu ve geri kalanının tekrar yer altına sızdığı bilinmektedir. Bu durumda bir çiftçinin 8 km2 tarlayı sulamak için yer altı suyu rezervuar hacmini tüketmeden yılda ne kadar yer altı suyu çekmesi gerektiğini hesaplayınız.

4.2 Çok Maddeli Kütle Denklikleri Kütle veya hacim denklikleri, tekli bir sistemde çoklu maddelerin akımıyla geliştirilebilir. Bazı durumlarda proses, sisteme birden fazla girişi ve bir çıkışı içerirken, bazı durumlarda ise sistem bir giriş ve birden fazla çıkış içerebilir.

4.2.1 Çok Maddeli Akımların Karışımı Kütle denkliği ve hacim denkliği eşitlikleri gerçekte aynı eşitlikler olduğundan, akım birden fazla madde içermedikçe, bir kara kutu için bir kütle denkliği eşitliğinden daha fazla eşitlik geliştirmek mümkün değildir.

Ö R N E K - 4.5 Allegheny ve Monongahela nehirleri Pittsburgh’ta birleşerek Ohio Nehri’ni oluşturmaktadır. Allegheny Nehri ortalama 10 m3/s’lik debiye ve 250 mg/L’lik düşük silt konsantrasyonuna sahiptir. Monongahela Nehri 13 m3/s’lik debide kuzeye akıyor ve 1500 mg/L’lik silt yükü taşıyor. a. Ohio Nehri’nde ortalama debiyi bulunuz? b. Ohio Nehri’ndeki silt konsantrasyonunu hesaplayınız?

Şekil 4.11 Hava kalitesi için kutu modeli uygulaması. Bkz. Problem 4.7.

4.2.2 Çok Maddeli Akımların Ayrımı Şu ana kadar, madde akım özelliklerinin kara kutular tarafından değiştirilmediği kara kutuları tartıştık. Bu bölümde iki veya daha fazla madde karışımlarıyla oluşan akımları alan kara kutular incelenecektir.

Şekil 4.12 Saydam camdan renkli camı ayırmak için cihaz; ikili ayırıcı.

Şekil 4.13 İkili ayırıcı.

Ö R N E K - 4.8 Yerel bir geri dönüşüm tesisinde, alüminyum kutu ayırıcısının dakikada 400 kutu ayırabildiğini kabul ediniz. Giriş ve ürün akımları aşağıda verilmiştir. Giriş akımının aşağıda verildiği bileşimlere sahip olduğunu kabul ederek alüminyum kutuların geri dönüşüm ve ürünün saflığını hesaplayınız.

Büyük Ölçekli Kütle Dengesi Uygulamaları Şekil 4.17 Genel kütle dengesi.6

4.2.3 Çok Maddeli Kompleks Prosesler Kara kutu yaklaşımı kullanarak karıştırma ve ayırmanın prensipleri, çok maddeli kompleks sistemler için, birkaç kara kutunun kombinasyonu şeklinde kullanılması ile uygulanabilir.

Ö R N E K - 4.12 Parçalanmış atık plastiklerden oluşan 7 ton atık plastik türlerine göre sınıflandırılmak isteniyor. Karışımdaki dört farklı plastiğin miktarları ve yoğunlukları aşağıdaki gibidir: Ayırım için en iyi metodu belirleyiniz.

4.3 Reaktörlerde Kütle Dengesi Buraya kadar sistemin denge durumunda olduğu ve maddenin sistemde üretilmediği ve tüketilmediği kabul edilmiştir. Bu bölümde maddenin reaktörde üretildiği veya tüketildiği ve sistemin kararlı halde olduğu durum incelenecektir.

Şekil 4.21 Aktif çamur sistemi. Bkz. Örnek 4.13. Ö R N E K - 4.13