HNO3 üretimi

8/8/2019 HNO3 üretimi

http://slidepdf.com/reader/full/hno3-ueretimi 1/41

1

AKIM ŞEMALARI

Dr.Hasip Yeniova

1. Giriş

2. Ak õm Şemalar õnõn Gösterilişi.

2.1 Blok diagramlar 2.2 Resimşeklinde gösterilen ak õm şemalar õ 2.3 Ak õş hõzlar õnõn gösterilişi2.4 Ak õm şemasõ üzerinde yer alan diğer veriler 2.5 Yerleşim planõ (Layout)2.6 Verilerin kesinliği ve doğruluğu2.7 Hesaplamalarda kullanõlan temeller 2.8 Kesikli prosesler 2.9 Yardõmcõ üniteler 2.10 Ekipmanlara kod ve ad verilmesi

Örnek ak õm şemalar õ.Akrilonitril’in polimerizasyonu Nitrik asit üretim prosesi

3. Hesaplamalar

3.1 Temeller 3.2 Ak õm şemasõ üzerinde yer alan çeşitli üniteler için kütle ve enerji denklikleri.

3.2.1 Şift konvertörü3.2.2 Dikloretan üretimi3.2.3 Nitrik asit üretimi

4. Bilgisayar Destekli Ak õm Şemalar õ.

4.1 Tam ve yatõşk õn hal benzeşim (simulasyon) proğramlar õ.4.2 Bilgi ak õm diagramlar õ.4.3 Örnek: Nitrobenzen’den anilin üretimi

5. Basit Kütle Denkliği Proğramlar õ

5.1 Fraksiyon katsayõlar õ kavramõ ve kütle denkliklerininmatriks formda gösterilmesi.

5.2 Örnek:İzopropil alkolden aseton üretimi.

6. Borulandõrma ve Enstrümantasyon (PNI)

ANKARA Eylül 2003



2

AKIM ŞEMALARI

1. GİR İŞ

Ak õm şemalar õ, proses tasar õmõnda anahtar döküman olarak adlandõr õlacak kadar önemli bir

konudur. Ak õ

m şemalar õ

üzerinde tasar õ

mda yer alan ekipmanlar, ak õ

m hatlar õ

, ak õ

mlar õ

n hõ

zlar õ

, bileşimleri ekipmanlar õn işletme koşullar õ yer alõr.Hazõrlanan bir ak õm şemasõ proje grubunda yer alan uzman tasar õmcõlar õn kullanõmõna sunulur.

Uzman tasar õmcõlar õn yapacaklar õ işler arasõnda borulandõrma ve enstrümantasyon, ekipmantasar õmõ, yerleşim planõnõn hazõrlanmasõ gibi işler yer alõr. İşletme personeli de işletmek õlavuzlar õnõn hazõrlanmasõ ve işletme teknisyenlerinin eğitimi için gerekli dökümanlar õnhazõrlanmasõ amacõyla ak õm şemalar õnõ kullanõrlar. Ak õm şemalar õ, işletmeye alma çalõşmalar õ (startup) sõrasõnda prosesin işletme performansõnõn tasar õm değerleriyle k õyaslanmasõ amacõyla dakullanõlõr.

Ak õm şemalarõ, prosesde yer alan her bir ünite için ve tüm proses için yapõlan kütle veenerji denklikleri temel alõnarak oluşturulur . Ak õm şemalar õ üzerinde yer alan niceliklerin

hesaplanmasõ

, büyük ve kompleks tesisler için oldukça güç ve zaman alõ

cõ

dõ

r. Bu nedenle prosesşemalar õ, günümüzde bilgisayar destekli olarak hazõrlanmaktadõr. Bilgisayar destekli olarakçalõşmanõn diğer bir üstünlüğü ise alternatif ak õm şemalar õnõn oluşturulmasõ, en uygun prosesinseçimi ve en uygun proses koşullar õnõn saptanmasõnda getirdiği kolaylõklardõr. Ak õm şemalar õnõnhazõrlanmasõnda yararlanõlan bazõ bilgisayar proğramlar õn adlar õ ve özellikleri ve basit bir ak õmşemasõ hazõrlanmasõnda kullanõlan bir bilgisayar proğramõnõn detaylar õ (Massball)Sinnot, RK.1983,Chemical Engineering Design adlõ kaynakta verilmiştir.

Bir prosesin tasar õmõnda, ak õm şemasõnõn ortaya konulmasõndan sonraki adõm borulandõrma veenstrümantasyon (P&I)şemasõnõn hazõrlanmasõdõr. Bu şema, MÜHENDİSLİK AKIM ŞEMASIveya MEKANİK AKIMŞEMASI olarak da adlandõr õlõr.

2. AKIM ŞEMALARININ GÖSTER İLİŞİ Ak õm şemasõ, prosesi tanõmlayan bir döküman olmasõ olmasõ nedeniyle açõk, anlaşõlõr, doğru ve tamolmalõdõr. Çeşitli tipte ak õm şemalar õ vardõr. Bunlar hakk õnda k õsa bilgiler aşağõda verilmiştir.

2.1 Blok diağramlarBlok diagram en basit gösterimşeklidir. Çizimde yer alan her bir blok bir ekipmanõ veya prosesin belirli bir adõmõnõ simgeler. Bugüne değin okumuş olduğunuz birçok dersin içeriğinde kar şõlaşmõş olduğunuz prosesler size blok diagramlarla gösterildi. Kare, dikdörtgen, daire gibiŞekillerdenoluşan ve hatta bazõlar õnda ak õmlar õn ak õş hõzlar õnõn ve bileşimlerininde gösterildiği bu diagramlar õnmühendisler için pek fazla kullanõmõ ve yarar õ yoktur. Bu diagramlar, ön raporlar õn hazõrlanmasõndave eğitim amacõyla kullanõlõr.

2.2 ResimŞeklinde gösterilen ak õm Şemalarõ Ayr õntõlõ ak õm şemalar õnda, ekipmanlar genelde belirli bir stile (tarza) uygun olarak çizilirler. Bçizim tarzõ her nekadar ünlü karikatirüstümüz Bedri Koraman'õn çizim stiline benzesede kullanõlansemboller ve çizimler belirli standartlara uymalõdõr.

İngiliz standartlar õndan BS 1553 (1977), Mühendislikte kullanõlan grafik sembollere ayr õlmõş olup bu kaynağõn 1.bölümünde borulandõrma sistemlerine yer verilmiştir. Bu standartdan seçilen bazõ semboller Ek-1 verilmiştir. Amerikan Ulusal Standartlar Enstitüsü (ANSI)'de ak õm şemalar õnõnhazõrlanmasõnda kullanõlan bir semboller dizini hazõrlamõştõr.



3

2.3 Ak õş hõzlarõnõn gösterilişiHer bir bileşenin ak õş hõzõ, toplam ak õş hõzlar õ ve ak õmlar õn yüzde bileşimleri ak õm şemalar õ üzerindeçeşitli Şekillerde gösterilebilir. En basit yöntem,Şekil-1 de akrilonitrilin polimerizasyon prosesi içigösterildiği gibi sadece önemli üniteleri göz önüne alarak ak õm hatlar õ boyunca yerleştirilen bloklar õn içerisine verilerin yazõlmasõdõr.

Daha iyi bir ak õm şemasõ Şekil-2 de nitrik asit üretim prosesi için verilmiştir. Bu şemadangörülebileceği gibi her ak õm hattõna bir numara verilerek ak õmlar õn özellikleri şemanõn altõndakiçizelgeye yazõlmõştõr. Bu yöntem profesyonel tasar õmcõlar taraf õndan tercih edilir

2.4 Ak õm Şemasõ üzerinde yer alan diğer verilerAk õm şemalar õ üzerine yazõlan diğer bilgiler müşterinin talebine ve tasar õmcõnõn pratiğine bağlõdõr.Şema üzerine yazõlan bilgileri iki grupta toplayabiliriz:

Zorunlu bilgiler.1. Ak õmõn bileşimi;

i) her bir bileşenin ak õş hõzõ kg/st olarak veyaii) ak õmõn ağõrlõkça yüzde bileşimi verilir.

2. Ak õmõn toplam ak õş hõzõ kg/st olarak verilir.3. Ak õmõn sõcaklõğõ oC olarak yazõlõr.4. Nominal işletme basõncõ (istenilen işletme basõncõ) yazõlõr.

Seçimli bilgiler1. Molar yüzde bileşimler.2. Ak õmlar õn ortalama olarak fiziksel özellikleri, örneğin;

i) yoğunluk, kg/m3 ii) viskozite, mNs/m2

3. Bir iki kelimeyle tanõmlanabilecek Şekilde ak õmlara birer ad verilmesi.4. Ak õmlar õn entalpisi, kJ/st.

Ak õmlar õn fiziksel özelliklerinin, ak õm şemasõnõn hazõrlanmasõndan sorumlu proses mühendistaraf õndan hesaplanmasõ, ünite tasar õmlar õnõ yapan uzman tasar õmcõlara kolaylõk sağlar. Ayr õcatasar õm ekibinde yer alan tüm gruplar aynõ fiziksel özellikleri kullanmõş olur.

2.5 Yerleşim planõ (LAYOUT)Prosesde yer alan temel ekipmanlar õn ak õm şemasõ üzerinde sõrasõyla gösterilmesidir. Bazen gereklolduğunda, õsõ değiştirici pompa gibi yardõmcõ ekipmanlarda şema üzerinde sõrasõyla gösterilir.Amaç madde ak õmõnõ gerçekteki şekline uygun olarak gösterebilmektir.Şema üzerinde, temelekipmanlar gerçek büyüklüklerine k õyasla daha büyük bir orantõda, yardõmcõ ekipmanlar ise dahaküçük bir orantõda gösterilirler. Fazla sayõda ünite içeren kompleks proseslerin ak õm şemalar õ tek bir kağõda sõğdõr õlamadõğõ durumda biribirini izleyen birden fazla sayõda kağõt üzerine çizim yapõlõr.Ak õm hatlar õ numaralandõr õlõr ve bir önceki sayfadan gelen veya bir sonraki sayfaya devam edak õm hattõnõn numarasõ çift daire içinde gösterilir. Bu ak õm hattõnõn hangi sayfadan geldiği veyahangi sayfaya devam ettiği çift dairenin altõna sayfa numarasõ yazõlarak belirtilir.

Ak õmlar õn özellikleri ve diğer bilgiler ekipman yerleşim planõnõn altõnda veya üzerinde yer alançizelgede gösterilir. Bileşenlerin adlar õ çizelgenin sol başõndaki kolonda yer almalõ, ak õmlar õnnumaralar õ ise çizelgenin üst satõr õna sõrayla yazõlmalõdõr. İki ak õm hattõnõn birleştiği bir noktadansonra veya herhangibir üniteden çõkan ak õmõn bileşiminin değişmediği durumlarda da bu ak õmhatlar õnada yeni bir numara verilmesi ve ak õm hattõyla ilgili bilgilerin tekrar yazõlmasõ gerekir.Unutmayõnõzki çizdiğiniz ak õm şemasõnõn sizin için ne kadar açõk ve anlaşõlõr olmasõndan ziyade başka birisi için ne kadar açõk ve anlaşõlõr olduğu önemlidir.



4



5



6



7

2.6 Verilerin kesinliği ve doğruluğu

Proses ak õm şemalar õ üzerine yazõlan verilerin yüksek bir doğruluk derecesinde olmasõ gerekmez.Verileri virgülden sonra bir basamaklõ olarak yazmak yeterlidir. Eğer ak õm veya bileşenlerden birisiiçin yazõlacak bir veri uyulmasõ gereken hassasiyet derecesinden çok küçükse bu verinin dayüksek bir hassasiyet derecesinde yazõlmasõ gerekir. Çok daha küçük değerler ise 'eser' miktardaolarak yazõlõr. Sözü edilen bu çok küçük değer prosesi k õsõtlayan bir öneme sahipse 'ppm' olarak belirtilmelidir. Bazõ durumlarda eser miktardaki maddeler çok önemlidir. Örneğin; katalizör zehirlenmesine neden olan ve malzeme seçimini etkileyen maddeler söz konusu olduğunda bumaddelerin miktarlar õ belirtilmelidir.

2.7 Hesaplamalarda kullanõlan temeller

Ak õm şemasõ üzerine yazõlan değerlerin hesaplanmasõnda kullanõlan temeller ak õm şemasõ üzerinde belirtilmelidir. Bu temeller içerisinde; yõllõk işletme süresi, reaksiyon verimi ve fiziksel verimleenerji denkliğinde kullanõlan ortam sõcaklõğõ, hesaplamalarda kullanõlan varsayõmlar yer alõr.

2.7 Kesikli prosesler

Kesikli prosesler için hazõrlanan ak õm şemalar õnda gösterilen değerler tek bir dolum (batch) içingerekli miktarlardõr. Eğer sözü edilen kesikli proses, sürekli bir prosesin bir parçasõ ise ona ait ak õmşemasõ sürekli prosesin ak õm şemasõ içerisinde gösterilir ve sõnõrlar õ belirtilir. Sürekli proseslerdekg/st olarak yazõlan miktarlar keskli proses için kg/dolum olarak yazõlõr. Örneğin sürekli bir polimerizasyon prosesi için gerekli katalizörün hazõrlanmasõ kesikli bir prosesdir.

2.9 Yardõmcõ üniteler

Bir kar õşõklõğa neden olmamasõ amacõyla yardõmcõ ünitelerden gelen veya yardõmcõ ünitelere gidenak õm hatlar õ aynõ ak õm şemasõ üzerinde gösterilir ve bu hatlar õn üzerine ne olduklar õ belirtilir.

2.10 Ekipmanlara kod ve ad verilmesi

Ak õm şemasõnda yer alan her ekipman bir ad ve kod numarasõ verilerek tanõmlanõr. Ekipmanõntanõmõ, genellikle bir harf ve bir kaç basamaklõ sayõdan oluşur.Örneğin; R : Reaktör,H: Isõ değiştirici, C: Kolon

3. HESAPLAMALAR

Kütle ve enerji denkliklerinden yararlanõlarak ak õmlar õn miktar ve bileşimlerinin hesaplanmasõ ve budeğerlerin tasar õm denklemleri ve tasar õm k õsõtlamalar õyla birleştirilmesi sonucu ak õm şemalar õnõnüzerine yazõlacak değerler elde edilir. Bu hesaplamalar sayõsal olarak veya bilgisayar yardõmõylayapõlõr. Bu bölümde, hesaplamalarda geçen bazõ kavramlar vurgulandõktan sonra çeşitliekipmanlar õn ak õm şemalar õnõn hazõrlanmasõ için yapõlan sayõsal hesaplamalara örnekler verilmiştir.Daha önce de belirtildiği tasar õm çalõşmalar õnda dõş ve iç k õsõtlamalar olmak üzere iki tür tasar õmk õsõtlamalar õ vardõr. Bunlar;

Dõş k õsõtlamalar : Tasar õmcõnõn kontrolunda olmayan k õsõtlamalardõr.i. Müşteri talebine göre belirlenen ürün spesifikasyonlar õ ii. Alevlenme limiti v.b. temel güvenlik konular õ iii. Hükümet taraf õndan saptanan atõk spesifikasyonlar õ bu tür k õsõtlamalara örnektir.



8

İç k õsõtlamalar: Prosese ve ekipmanlar õn fonksiyonlar õna bağlõ olan k õsõtlamalardõr.i. Proses stokiometrisi, dönüşüm oranõ ve verimii. Kimyasal dengeiii. Sõvõ-sõvõ ve gaz-sõvõ ayõrma işlemlerinde faz dengesiiv. Azeotrop kar õşõmlar v. Enerji denkliğinde kar şõlaşõlan k õsõtlamalar. Örneğin, flash damõtmada olduğu gibi enerji ve

kütle denkliklerinin birbirini etkilemesi.vi. Ekipman tasar õmõnda kar şõlaşõlan k õsõtlamalardõr.

Kompleks proseslerin detay tasar õmõ yapõlmadan önce basit bir ak õm şemasõ oluşturulur. Buşema tasar õm ekibinde çalõşanlar arasõnda iletişimin kolay sağlanmasõ açõsõndan yararlõdõr.

3.1 TEMELLER

1. Zaman: Hiçbir tesis sürekli olarak işletilemez. Bak õm için gerekli önceden planlanmõş duruşlar olmalõdõr. Ekipmanlar õn temizlenmesi, katalizörlerin yenilenmesi, kolon dolgu maddelerindeğiştirilmesi ve benzeri işler bak õm zamanlar õnda yapõlõr. Duruş sürelerinin sõklõğõ ve bunedenle ortaya çõkan üretim kaybõ prosesin türüne bağlõdõr. Çoğu kimya ve petrokimya tesisindeyõllõk işletme süresi, bir yõlõn % 90-95 i arasõndadõr. Genellikle 8000 saat kabul edilir.

2. Ölçek faktörü: Ak õm şemasõndaki hesaplamalar õ prosesde yer alan ekipman sõrasõna uyarak yapmak kolaylõk sağlar. Ham maddeden (girdi) son ürüne doğru bir yol izlenir.İstenilen üretim hõzõ girdi üzerinden değil ürün üzerinden verilir. Bu nedenle hesaplamalar için bir temel seçilmelidÖrneğin, 100 kmol/st hammadde temel olarak alõnabilir. Bu durumda ak õmlar õn gerçek değeri; her bir ak õmõ, istenilen üretim hõzõ üzerinden hesaplanmõş ölçek faktörüyle çarparak elde edilir.

(mol)) miktar õüründileneldeiçinhammaddekmol100ürünMol/strüÖlçekfaktö =

3.2 AKIMŞEMASINDA YER ALAN ÇEŞİTLİ ÜNİTELER İÇİN YAPILANHESAPLAMALAR

Reaktörlerde ve denge kademelerinde, sabit ak õmlar õn bileşimlerinin hesaplanmasõnda, enerji vekütle denkliklerinin birlikte kullanõlmasõ için izlenen yöntemler bu bölümde örneklerlaçõklanmõştõr.

Örnek-1Hidrojen gazõ üretim yöntemlerinden biri; petrol rafinerilerinde reforming ünitesinden çõkan gazak õmõnõ shift konvertöründe su-gaz reaksiyonuna sokarak gazlar içerisindeki CO 'i hidroj

dönüştürmektir. olkJ/km41197∆HHCOOHCO o298222 −=+⇔+

Bu örnekte; konvertöre giren gaz ak õmõnõn bileşimi ve buhar/gaz oranõ bilindiği durumda konvetörüterkeden ak õmõn bileşiminin hesaplanmasõ istenmektedir. Konvertörde, tepkime katalitik ortamdgerçekleştirilmekte ve çõkan ak õmõn kimyasal dengeye ulaştõğõ kabul edilmektedir.Reforming ünitesinden çõkan gaz ak õmõ içerisinde kuru gaz üzerinden mol olarak; %8,5 CO2 , %11CO, %76,5 H2 bulunmaktadõr. Konvertöre giren ak õmõn sõcaklõğõ 500o K olup konvertöre giren 1mol CO başõna 3 mol H2O buhar õ gönderilmektedir. Konvertörden çõkan ak õmõn sõcaklõğõnõ ve bileşimini hesaplayõnõz.



9

2

1

500oK

Temel: 100 kmol/st kuru gaz (girdi)

Girdi ak õmõndaki su buhar õ = 3x11 = 33 kmol ; Karbonmonoksidin dönüşüm oranõ, C isetepkimeye giren karbonmonoksid mol sayõsõ, tepkimenin stokiometrisi de göz önüne alõndõğõnda11C dir. Aşağõda stokiometrik tablo ve bileşenlerin özgülõsõlar õ verilmiştir.

Bileşen Girdi ak õmõ,Mol sayõsõ

Çõkan ak õmMol sayõsõ A

Cpo b

kJ/kmol K c d

CO2 8.5 8.5 + 11C 19.80 7.34 E-2 -5.6 E-5 17.15 E-9CO 11.0 11(1-C) 30.87 -1.29 E-2 27.9 E-6 -12.72 E-9H2O 33.0 33 – 11C 32.24 19.24 E-4 10.56 E-6 -13.60 E-9

H2 76.5 76.5+11C 27.14 9.29 E-3 -13.81 E-6 7.65 E-9Konvertörden çõkan gaz ak õmõnõn ideal olduğu ve termodinamik dengeye ulaştõğõ varsayõlmaktadõr.Ayr õca tepkimenin stokiometrisinden dolayõ denge sabiti üzerine basõncõn etkisi yoktur.

C)11(33C)(111C)11(76.5C)11(8.5K

PPPP

K p2HCO2H2CO

p−−

++== (1)

K p, aynõ zamanda sõcaklõğa bir sabittir. Çeşitli tepkimelerin sõcaklõğa bağlõ olarak denge sabitleriDeğişik kaynaklardan yararlanarak bulunabilir. Örneğin tepkimenin serbest enerji değişimi , ∆G biliniyorsa, ∆G = -RTlnK p bağõntõsõndan yararlanarak hesaplanabilir. Veya termodinamikitaplar õnda 1/T ; logK p şeklinde verilen nomogramlardan yararlanarak bulunabilir *. Bu örnekte,Technical Data on Fuel, Spiers adlõ kaynaktan CO2 + H2 = CO + H2O tepkimesi için sõcaklõğa bağlõ olarak verilen K p değerleri kullanõlmõştõr. O nedenle; 1 nolu bağõntõ,

( 121 K p - 121) C2 + ( 935 K p + 484 ) C + ( 650 K p – 363 ) = 0 şeklinde yazõlabilir.

Tepkime egzoterm olduğu için adyabatik işletim tercih edilmiştir. Soğutma yapõlmayõ p, dõğar õyaolan õsõ kayõ plar õ en aza indirilecektir. Konvertörden çõkan gazlar õn sõcaklõğõ da dönüşüm oranõna bağlõ olduğundan, konvertör çõk õş sõcaklõğõ denge bağõntõsõnõ ve adyabatik işletim için enerjidenkliğini sağlamalõdõr. Bu amaçla aşağõda verilen çözüm algoritmasõ uygulanabilir.

1. Dönüşüm oranõ, C için bir varsayõm yapõlõr.2. Bu dönüşüm oranõ için 1 nolu bağõntõdan K p değeri hesaplanõr.3. K p = F(T) den (termodinamik bağõntõlar veya nomogramlardan) T çõk õş sõcaklõğõ bulunur.4. Adyabatik işletim için enerji denkliğinden dõşar õya verilen Qõsõsõ hesaplanõr.5. Q=0 olup olmadõğõ kontrol edilir. Hesaplamalara (iterasyona) Q=0 olana dek devam edilir.

Bilgisayar kullanma imkanõnõz varsa aşağõda verilen basit enerji denkliği programõnõ kulanarak çözüm yapõnõz. Böyle bir imkana sahip değilseniz bile programõn algoritmasõnõ izleyerek ve hesap



10

makinesi kullanarak çözüme ulaşmağa çalõşõnõz.Sonuçlar:Dönüşüm Çõkan ak õm Çõkan ak õmõn bileşimi, Mol Aktar õlanOranõ K p.102 Sõcaklõğõ Isõ, Q

C oK CO CO2 H2O H2 0.88 1.86 550 1.32 18.18 23.32 86.18 -1752680.79 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 s õcakl õk 298 o K al õnmõ şt õr .Yapõlan üç iterasyondan sonra Q; T grafiği çizilerek, Q= 0 için T= 580oK bulunur.

C 10 KISA ENERJİ DENKLİĞİ PROGRAMIC 20 SİSTEME VER İLEN veya SİSTEMDEN UZAKLAŞTIRILAN ISI MİKTARININC 23 HESAPLANMASI

24 COMMON A(10),B(10),C(10),D(10)25 WRITE(*,*)’ ‘26 WRITE(*,*)’ ***** ENERJİ ******* ‘

27 WRITE(*,*)’ Enerji Denkliği Programõ ‘28 WRITE(*,*)’29 WRITE(*,*) ’ AKIŞ HIZLARI KMOLl/ST, SICAKLIK’, K,

REFERANS SICAKLIK 298 K’35 WRITE(*,*)40 WRITE(*,*) ’******BİLEŞEN SAYISINI GİR İ NİZ*****’50 READ(*,*) N160 WRITE(*,*) ‘ ISI KAPASİTESİ VER İLER, A+BT+CT**2+DT**3’70 DO 110 I=1,N180 WRITE(*,*) I,’.BİLEŞEN İÇİ N A,B,C,D KATSAYILARINI YAZINIZ’90 READ(*,*) A(I) , B (I) , C (I) , D (I)

100 WRITE(*,*)A(I) , B (I) , C (I) , D (I)110 CONTINUE120 H4=H5=H6=Q=0130 WRITE(*,*)’*******SİSTEME GİREN AKIM SAYISINI YAZINIZ******140 READ(*,*) S1150 DO 220 I=1,S1155 WRITE(*,158) I158 FORMAT(2X,I5, ‘BESLEME AKIMININ SICAKLIGINI VE BİLESEN

SAYISINI GIRINIZ’)170 READ(*,*) T1,N2180 CALL DUYISI(I,T1,N2,H4)

190 WRITE(*,*) ‘AKIMIN DUYULAN ISISI= ‘ ,H4, ‘KJ/STC 200 BESLEME AKIMLARININ TOPLAM DUYULAN ISISI210 H5=H5+H4220 CONTINUE230 WRITE(*,*) ‘*****URUN AKIMLARININ SAYISININ YAZINIZ*****240 READ(*,*) S1250 DO 320 I=1,S1260 WRITE(*,*) I,’.URUN AKIMLARI ICIN AKIM SICAKLIGINI’,

‘VE BILESEN SAYISINI GIRINIZ’270 READ(*,*) T1,N2



11

280 CALL DUYISI(I,T1,N2,H4)290 WRITE(*,*) ‘AKIMIN DUYULAN ISISI=’ ,H4, ‘KJ/ST’

C 300 URUN AKIMLARININ TOPLAM DUYULAN ISISI310 H6=H6+H4320 CONTINUE330 WRITE(*,*) ‘ ******REAKSIYON VE FAZ DEGISIM SAYISINI GIRINIZ’340 READ(*,*) N4345 IF (N4.EQ.0) GOTO 440350 WRITE(*,*) ‘360 WRITE(*,*) ‘TEPKIME ISISI/DUYULAN ISI (KJ/MOL) VE DEGISIME’,

‘ UGRAYAN MIKTARI (MOL/ST) GIRINIZ’365 WRITE(*,*) ‘SISTEMDE ACIGA CIKAN ISI POZITIF OLARAK ALINACAK366 WRITE(*,*) ‘ABSORBLANAN ISI NEGATIF’370 DO 420 I=1,N4380 WRITE(*,*) ‘BIR SONRAKI TEPKIME/FAZ DEGISIMI’390 READ(*,*) R,F2400 H7=F2*R 410 Q1=Q1+H7420 CONTIUE

C 430 ISI DENKLIGI440 Q=H6-H5-Q1450 IF (Q.LT.0) GOTO 480460 WRITE(*,*) ‘SISTEME VERILMESI GEREKEN ISI MIKTARI=’ ,Q,’KJ/ST’470 GOTO 490480 WRITE(*,*) ‘SISTEMIN DISARIYA VERDIGI ISI MIKTARI=’ ,-Q,’KJ/ST’490 WRITE(*,*) ‘TEKRAR HESAPLAMA YAPMAK ISTERMISINIZ?’

‘EVET ISE 1 HAYIR ISE 0 GIRINIZ500 READ(*,*) P1510 IF (P1.EQ.0) GOTO 530520 GOTO 120530 STOP535 END

C ALT PROGRAMC 540 AKIMLARIN DUYULAN ISILARININ HESAPLANMASI

545 SUBROUTINE DUYISI (I, T1, N2, H4)550 WRITE(*,*) ‘HER BIR BILEŞEN ICIN BILESEN NUMARASINI VE’

‘ AKIS HIZINI (KMOL/ST) GIRINIZ’560 H4=0570 DO 660 I1=1,N2580 WRITE(*,*) ‘BIR SONRAKI BILESEN’590 READ(*,*) J,F600 WRITE(*,*) ‘BILESEN’,J,’ AKIS HIZI’ ,F

C 610 ISI KAPASITESI ESITLIGI620 H1=A(J)*(T1-298)+B(J)*(T1**2-298**2)/2630 H2=C(J)*(T1***3-298***3)/3+D(J)*(T1**4-298**4)/4640 H3=F*(H1+H2)650 H4=H4+H3660 CONTINUE670 RETURN680 END



12

Örnek 2

Bu örnekte, kütle denkliği hesaplamalar õnda faz dengesi bağõntõlar õnõn (buhar-sõvõ)kullanõlmasõ amaçlanmõştõr.

Etilenin oksihidroklorinasyonu ile dikloroetan (EDC) üretiminde reaktörü terk eden ükar õşõmõna seyreltik hidroklorik asit kar õştõr õlarak reaksiyon durdurulur. Bu işleme QUENCH(söndürme), işlemin yapõldõğõ ekipmana ise QUENCH KULESI adõ verilir. Quench kulesinden çõkangaz ak õmõ bir yoğuşturucuya gönderilerek burada yoğunlaşmayan gaz ak õmõ reaktöre devir ettirilir.

Reaktör Quench kulesiYoğuşturucu (Ürün)

4 bar basõnç altõnda işletilen yoğuşturucuya giren gaz ak õmõnõn özellikleri aşağõda verilmiştir.Yoğuşturucuyu terk eden ak õmlar õn bileşimlerini hesaplayõnõz.

1 1 3

2

EDC ak õmõ bazõ organik safsõzlõklar õ ve eser miktarda HCl içermektedir. Inertler esas olarak N2, CO,O2 dir.

Çözüm : Bir yoğuşturucuda çõk õş ak õmõnõn bileşimini hesaplamak için çõk õş sõcaklõğõnda gazve sõvõ ak õmlar õnõn dengede olduğu varsayõlõr. Saf sõvõlar õn buhar basõnçlar õ Antoine eşitliğindenhesaplanarak Çizelge-1 de verilmiştir. Buhar basõnçlar õndan görüldüğü gibi EDC ve suyun buhar basõnçlar õ çok küçük olduğu için tamamen yoğuşacaklar õ ve etilenin buhar fazda kalacağõ söylenebilir. Bununla birlikte, etilenin yoğuşan EDC içinde çözünme eğilimi vardõr. İlk denemeolarak etilenin tamamõnõn gaz fazda olduğu yani EDC içinde hiç çözünmediği varsayõlarak yoğuşturucuyu terkeden ak õmlardaki bileşenlerin ak õş hõzlar õ mol/st olarak Çizelge-2 de verilmiştir.

Çizelge-1 Çizelge-2Buhar basõnçlar õ Ak õş hõzlar õ

Bileşen35OC’dePi

o, bar Molağõrlõğõ

Ak õş hõzõ Kmol/st

EDC 0.16 99 64Etilen 70.7 28 5.4 *H2O 0.055 18 61İnert gazlar 32 208 *

* Yoğunlaşmayan ve gaz fazda kalan bileşenlerin toplam ak õş hõzõ 5.4 + 208 = 213.4 mol/st

Gaz Girişi Geri dönen gazEDC 6350 kg/stEtilen 150İnertler 6640Su 1100Sõcaklõk 95oC 35oC K õsmi Yoğuşturucu

Kondensat



13

Yoğunlaşmayan bileşenler (etilen ve inertler) bağlantõ bileşeni olarak alõnõr. Gaz fazõn ideal olduğuve yoğuşmuş olan EDC ve Suyun birbirleri ile kar õşmadõğõ kabul edilir.

(Yoğuşmayanlar õn k õsmi basõncõ) = Toplam basõnç - EDC’nin buhar basõncõ + Suyun buhar basõncõ

= 4 - 0.16 - 0.055 = 3.79 bar

Buhar içindeki EDC’nin ak õş hõzõ = EDC'nin buhar basõ

ncõ

Yoğuşmayanlar õn k õsmi basõncõ (Yoğuşmayanlar õn ak õş hõzõ)

=016379..

213.4 = 9 kmol/st

Benzer şekilde buhar fazdaki suyun ak õş hõzõ =0055379..

213.4 = 3.1 kmol/st

Bu hesaplamalar õn sonucu olarak gaz ak õmõnõn bileşimi aşağõdaki çizelgede verilmiştir.

Kmol/st % mol kg/stEDC 9 4.0 891H2O 3.1 1.4 56Inertler 208 92.3 6640C2H4 5.4 2.3 150

Etilenin çözünürlüğünün kontrol edilmesi:

Etilenin k õsmi basõncõ = (toplam basõnç).(mol kesri) = 42 3100

.= 0.092 bar

EDC ve C2H4’ün ideal çözelti olduğu varsayõlarak sõvõ içinde çözünmüş olan etilenin mol kesriRaoult Yasasõ’ndan hesaplanabilir

yX P

PAA A

O

= . yA = gaz faz mol kesri2 3100

70 74

. .=

XA

XA = sõvõ faz mol kesriPA

O = doygun buhar basõncõ XA = 1.3 x 10-3

P = toplam basõnç

Böylece sõvõdaki etilen miktar õ = (kmol EDC ) XA = (69 - 9) 1.3 10-3 = 0.07 kmol/st

Sonuçta gaz fazda kmol etilen = 5.4 - 0.07 = 5.33 kmol/st

Bu, hesaplanan değerden biraz farklõdõr ve yoğuşmuş veya çözünmüş etilenin olmadõğõ başlangõçvarsayõmõnõn geçerli olduğunu gösterir; özetle sõvõ fazdaki etilen eser miktardadõr.



14

Kütle denkliği sonuçlar õ.

Ak õş hõzlar õ (kg/st)Ak õm No 1 2 3

BileşenKondenser beslemesi

Kondensat Geri dönen gaz

EDC 6350 5459 891

H2O 1100 1044 56Etilen 150 Eser 150Inertler 6640 - 6640Toplam 14,240 6503 7737Sõcaklõk OC 95 35 35Basõnç Bar 4 4 4

Örnek .3

Bu örnekte, bileşen kütle dengesi hesaplamalar õnda sõvõ-sõvõ faz dengesinin kullanõlmasõ açõklanmõştõr. Örnek.2’de tanõmlanan kondenserden çõkan kondensat ak õmõ, yoğuşmuş su vedikloretanõ (EDC) ayõrmak için bir dekantöre beslenmektedir. Dekantör çõk õş ak õmõnõn bileşiminihesaplayõnõz.

2

1

3

Çözüm :

Dekantörü terk eden ak õmlar õn dengede olduklar õnõ varsayalõm. 20 OC ‘de bileşenlerinçözünürlükleri

EDC’nin su içindeki çözünürlüğü 0.86 kg /100 kgSuyun EDC içindeki çözünürlüğü 0.16 kg/ 100 kg

Su fazõ içinde az miktarda çözünmüş HCl asitde bulunur fakat EDC’nin seyreltik HCl çözeltiiçindeki çözünürlüğü bilinmediği için EDC’nin su içerisinde çözünürlüğü kullanõlacaktõr.

EDC ve Su içindeki çözünürlükleri küçük olduğundan, denklemleri kurarak ve çözerek bilinmeyederişimleri hesaplamak yerine uygun bir yaklaşõm yapmak kolaylõk sağlar.

Ilk yaklaşõmOrganik fazõn ak õş hõzõ = Dekantöre giren EDC ak õş hõzõ ( Dekantöre giren EDC’nin tamamõnõn organik faza geçtiği varsayõlõyor )

BeslemeEDC 5459 kg/st

Su 11075 kg/st

Su fazõ

Organik faz



15

EDC içinde çözünmüş su miktar õ tkg/s8.7354591000.16

=×=

Dekantörü terkeden su miktar õ = 1075 – 8.73 = 1066.3 kg/st

Sõvõ faz içerisinde çözünmüş EDC miktar õ tkg/s9.20.86100

1066.3=×=

Organik fazõn ak õş hõzõ tekrar hesaplanõrsa = 5459 - 9.2 = 5449.8 kg/st

Organik faz içerisindeki su miktar õ = (5449.8/100) x 0.16 = 8.72 kg/st

Görüldüğü gibi sonuç ilk yaklaşõmdan çok farklõ değildir.

Sonuçlar:

Ak õm no 1 2 3Bileşen Dekantöre Giren ak õm Organik Faz Sulu FazEDC 5459 5449.8 9.2H2O 1075 8.7 1066.3Toplam 6534 5458.5 1075.5



16

Örnek. 4 NİTR İK ASİT ÜRETİM PROSESİ

Bu örnekte, çeşitli proses üniteleri içeren nitrik asit üretim prosesi için kütle ve enerji denkliklerinkurulmasõ ve bilgisayar kullanõlmaksõzõn, hesap makinasõyla yapõlan çözümü açõklanmõştõr.

Amaç; Susuz amonyaktan çõkarak yõlda 20 000 ton %100 saflõkta nitrik asit üretmek ve daha sonra bu asidi %50-60 sulu çözeltisi haline getirmektir. Proses için ak õm şemasõnõn çizilmesi isteniyor

(tabi ki kütle ve enerji denkliklerinin sonuçlar õ

nõ

da içeren bir ak õ

m şemasõ

). Nitrik asit üretimi; esas olarak, amonyağõn oksidasyonuyla oluşan gazlar içerisindeki azotmonokisidin suyla absorbe edilerek nitrik asite dönüştürülmesinden ibarettir. Kaynaklarda, nitrikasit üretimi için üç değişik proses önerilmktedir. Bunlar;

1. Atmosferik basõnçta oksidasyon ve absorbsiyon,2. Yüksek basõnçta oksidasyon ve absorbsiyon (yaklaşõk 8 atm)3. Atmosferik basõnçta oksidasyon ve yüksek basõnçta absorbsiyon.

Bu çalõşmada 2 nolu alternatif yani yüksek basõnçta oksidayon ve absorbsiyon’un yapõldõğõ prosestercih edilmiştir. Başlangõç olarak, sadece prosesde yer alan ekipmanlar õ gösteren ve blok

diagramlarla çizilmiş bir ak õ

m şemasõ

oluşturulur.Hava Hava Su

Ürün NH3 ∼% 60 HNO3

Buharlaştõr õcõ Reaktör Atõk õsõ kazanõ Yoğuşturucu Absorbsiyon

kolonuReaksiyonlar:

kJ/kmol452435298o∆H Og2H 23 g2 N

45 g NO

23 g3 NH 3.Reaksiyon

kJ/kmol776316298o∆H Og2H 23 g2 N

21 g2O

43 g3 NH 2.Reaksiyon

kJ/kmol334226298o∆H Og2H 23 NOg g2O 45 g3 NH 1.Reaksiyon

−=+→+

−=+→+

−=+→+

Kaynaklarda, reaktörde (oksidasyon kamarasõnda), Platin-Rodyum katalizör kullanõldõğõ taktirdeseçimlilik yönünden 1 nolu reaksiyonun veriminin yüksek olduğu (yaklaşõk %95-96) belirtilmektedir.

Çözüm: Ak õm şemasõ için; literatürden yararlanarak, aşağõdaki veriler hesaplamalar için temel alõnmõştõr.

1. Yõllõk işletme süresi 8000 saat.2. Prosesin verimi, amonyak üzerinden %943. Reaktörde verim %964. Üretilecek nitrik asidin derişimi ağõrlõkça %585. Atõk gazlar içerisinde hacõmca % 0,2 NO bulunmaktadõr.



17

Kütle denklikleri için temel olarak reaktöre giren amonyak = 100 kmol olarak alõnõr.

Oksidasyon ünitesi: NH 3 1 3 4

Hava 2

1 nolu tepkimenin verimi %96 olduğuna göre; oluşan NO = 100 x (96/100) = 96 kmolgerekli oksijen = 96 x (5/4) = 120 kmololuşan su = 96 x (3/2) = 144 kmol

Girdideki amonyağõn %4 ü ise 2 nolu tepkimeyle azot oluşumu için tüketilmektedir. 1 mol azotoluşumu için 3/2 mol oksijen tüketilir.

Oluşan azot miktar õ = 4/2 = 2 kmolGerekli oksijen miktar õ = 2 x 3/2 = 3 kmolOluşan su miktar õ = 3 x 2 = 6 kmol

Oluşan toplam su miktar õ = 144 + 6 = 150 kmolStokiometrik oksijen miktar õ = 120 + 3 = 123 kmol

Oksidasyon ünitesine gönderilen girdi kar õşõmõ içerisindeki amonyak derişimi %12 nin üzerindeolduğunda patlama tehlikesi olabilir. O nedenle kar õşõm içerisindeki amonyak derişimi hacõmca %11in üzerinde olmamalõdõr. Girdi içerisindeki fazla hava sayesinde 1 nolu tepkimeyle oluşan NO de NO2 ye yükseltgenir.

)4(mol/kj57120H)g( NOO2

1)g( NO o29822 =∆→+

Girdideki amonyak derişim hacõmca %11 alõnõrsa,Girdideki hava miktar õ = 100 x (100/11) = 909 kmolOksijen miktar õ = 909 x (21/100 = 191 kmolAzot miktar õ = 909 x (79/100) = 718 kmol

Tepkimeye girmeyen oksijen miktar õ = 191 – 123 = 68 kmolÜrün ak õmõ içerisindeki azot miktar õ = 718 + 2 = 720 kmol

Oksidasyon ünitesi için ak õm şemasõ 1 NH3 2 hava 3 girdi 4 ürün

kmol kg kmol kg kmol kg kmol kg

NH3 100 1700 100 1700 0 NO 0 H2O eser 150 2700

O2 191 6112 191 6112 68 2176

N2 718 20104 718 20104 720 20016Toplam 100 1700 909 1009 27916 1034 27916



18

Yukar õdaki ak õm şemasõ hazõrlanõrken; giren hava ak õmõ içerisindeki su eser miktarda olduğu içinihmal edilmiştir. Aynõ şekilde ürün ak õmõ içerisindeki NO2 miktar õ da çok az olduğu için ihmaledilmiştir.

Atõk õsõ kazanõ ve yoğuşturucu için kütle denklikleri:

Oksidasyon ünitesinden çõkan gazlar õn sõcaklõğõ, atõk õsõ kazanõ (WHB) ve yoğuşturucu ünitelerinden

geçirilerek düşürülür. Atõk õsõ kazanõnda herhangi bir ak õm ayr õlmasõ olmadõğõ için giren ve çõkanak õmõn bileşimleri ve toplam kütlesel ak õş hõzlar õ biribirine eşittir. O nedenle WHB için kütledenkliği yapõlmasõna gerek yoktur. Ancak giren ak õm içerisinde bulunan NO ortam sõcaklõğõ azaldõkça NO2 ye oksitlenir. Yoğuşturucudan çõk õncaya kadar oksidasyon tamamlanarak NO itamamõ NO2 ye dönüşmüş olur. Yoğuşturucuya giren gaz ak õmõ içerisindeki su da yoğunlaşarak ağõrlõkça %40-50 HNO3 içeren seyreltik nitrik asit çözeltisi oluşturur. Yoğuşturucu için kütledenkliği hesaplamalar õ aşağõda gösterilmiştir.

5 6

7

5 nolu ak õmõn bileşimi, reaktörden çõkan 4 nolu ak õmõn bileşimi ile aynõdõr.Yo ğ u şturucudan ç õkan ak õmõn s õcakl õ ğ õ 40oC , so ğ utma suyunun maksium s õcakl õ ğ õ 30oC ve ünitedençõkan s õvõ ak õm a ğ õrl õkça %45 lik nitrik asit olsun. Yo ğ u şturucuyu terkeden gaz ve s õvõ ak õmlar õnõn

yo ğ u şturucu ç õk õ ş sõcakl õ ğ õnda dengede olduklar õnõ kabul ederek, yo ğ u şturucuyu terkeden gaz ak õmõnõn bile şimini hesaplayabiliriz. 40 oC de %45 nitrik asit içeren suyun buhar bas õnc õ 29mmHg d õr (Perry, Chemical Engineers Handbook, 5.bask õ , s.3-65). Yo ğ u şturucunun toplam bas õnc õ ise 8atm olsun .

Üniteden çõkan gaz ak õmõ içerisindeki suyun mol kesri = Pi/P= 29 / (8x760) = 4,77x10-3

İlk yaklaşõm olarak, üniteye giren ak õm içerisindekisuyun tamamõnõn yoğunlaştõğõnõ varsayarsak = 150 kmol = 2700 kg su yoğunlaşõr.

NO2 , aşağõdaki tepkimeye göre suyla birleşerek %45 lik nitrikasit oluşturur.)5( NOHNO2OH NO3 322 +→+

Hesaplamalarda kolaylõk sağlamak amacõyla yoğuşturucuyu terkeden sõvõ ak õm (kondensat)içerisinde 100 kmol HNO3 olduğunu temel olarak kabul edelim. 5 nolu tepkimeye göre;

100 kmol HNO3 oluşmasõ için gerekli su miktar õ = 50 kmol = 900 kg100 kmol HNO3 in kütlesi = 100 x 63 = 630 kg

630 kg asidi %45 lik olacak şekilde seyreltmek içingerekli su miktar õ = (6300 x 55) / 45 = 7700 kg

Seyreltik asit elde etmek için gerekli toplam su miktar õ = 900 + 7700 = 8600 kgŞimdi başlangõçtaki temele göre (girdide 100 kmol NH3) hesaplama yapalõm.



19

Oluşan HNO3 = (Girdideki her 100 kmol NH3 başõna oluşan su miktar õ)( Oluşan 100 kmol HNO3 i %45 lik çözelti haline getirmek için gerekli su miktar õ)

= 100 x (2700/8600)= 31,4 kmol

5 nolu tepkimeyle tüketilen NO2 miktar õ = 31,4 x (3/2) = 47,1 kmolTepkimeye giren NO miktar õ = 31,4 x(1+2) = 15,7 kmolTepkimeye giren su miktar õ = 15,7 kmol

Yoğunlaşan, fakat NO2 ile tepkimeye girmemiş olan su miktar õ = 150 – 15,7 = 134,3 kmol

Yoğuşturucudan çõkan gaz ak õmõ içerisindeki NO miktar õ, yoğuşturucuya giren ak õm içerisindeki NO ve NO2 miktarlar õ ile ak õmõn yoğuşturucuda kalma süresine bağlõdõr. Çözümü basitleştirmek amacõyla bu ayr õntõlar õ göz ardõ ederek, yoğuşturucudan çõkan gaz ak õmõ içerisindeki NO miktar õnõ,kondensat içerisinde absorplanarak HNO3 oluşturan NO2 miktar õna eşit alabiliriz.Bu nedenle

Yoğuşturucudan çõkan gaz ak õmõ içerisindeki NO miktar õ = 15,7 kmol

Yoğuşturucudan çõkan gaz ak õmõ içerisindeki tepkimeye girmemiş oksijen miktar õ, yoğuşturucudaazot oksitler ve oksijen için kütle denklikleri yapõlarak hesaplanõr.

Azot oksitler için kütle denkliği:

Üniteye giren toplam NO + NO2 miktar õ = 4 nolu ak õmdaki NO miktar õ = 96 kmolBunun 31,4 kmol ü HNO3 olarak üniteyi terkeder. Bu nedenle yoğuşturucudan çõkangaz ak õmõ içerisindeki toplam NO + NO2 miktar õ = 96 –31,4 = 64,6 kmolBunun 15,7 kmol ünün NO olduğu varsayõlõrsa çõkangaz ak õmõ içerisindeki NO2 miktar õ = 64,6 – 15,7 = 48,9 kmol

Oksijen için kütle denkliği;Tepkimeye girmemiş oksijen miktar õ x kmol olsun. Üniteden çõkan oksijen miktar õ = 6 nolu ak õmdaki oksijen miktar õ + 4 nolu asit ak õmõndaki oksijen miktar õ

++++=2OHHNO

23x NO

2 NO 2

32 = (171 + x ) kmol

++++=2

3,1344,3123x9,48

27,15 = (171 + x ) kmol

Üniteye giren oksijen miktar õ

= 5 nolu ak õ

mdaki oksijen miktar õ

=++=++= kmol191

215068

296OHO

2 NO

22

Oksijen denkliği 191 = 171 + xTepkimeye girmeden üniteyi terkeden oksjen miktar õ, x = 20 kmol

Yoğuşturucuya giren ak õm içerisindeki su buhar õnõn ne kadar õnõn yoğunlaşõ p ne kadar õnõn buhar fazda kaldõğõnõ hesaplayabilmek için; bir ön deneme olarak su buhar õnõn tamamõnõn yoğunlaştõğõnõ varsayalõm.



20

Yoğuşturucuyu terkeden ak õm içindeki su miktar õ = Suyun mol kesri x Toplam ak õş hõzõ Bu ak õmõn toplam ak õş hõzõ (su buhar õ hariç) = 804,6 kmolSuyun bu ak õm içerisindeki mol kesri = 4,77x10-3 Su buhar õ miktar õ = 4,77x10-3 x 804,6 = 3,8 kmolYoğunlaşan su buhar õ miktar õ = 134,3 – 3,8 = 130,5 kmol

6 nolu ak õmdaki su miktar õ = 3,8 kmol = 68,4 kg7 nolu ak õmdaki su miktar õ = 134,3 – 3,8 130,5 kmol = 2349 kg

6 ve 7 nolu ak õmlar õn ak õş hõzlar õ kmol ve kg olarak aşağõdaki çizelgede özetlenmiştir.

Ak õm no 6 (gaz ak õmõ) 7 (asit ak õmõ)Bileşen kmol kg kmol kg

NO 15,7 471 Eser NO2 48,9 2249,4 Eser

O2 20,0 640 -

N2 720 20160HNO3 - - 31,4 1978,2

H2O 3,8 68,4 130,5 2349,0Toplam 23588,4 4327,2

Çõkan ak õmlar; 6 ve 7 nolu ak õmlar õn toplam ak õş hõzõ = 23588,4 + 4327,2 = 27915,6 kgGiren ak õmõn toplam ak õş hõzõ = 4 nolu ak õmõn ak õş hõzõ = 27915 kg

Absorbsiyon ünitesi:Absorbsiyon ünitesinde; bu üniteye giren gaz ak õmõ içerisindeki NO

2su ile absorblanarak, ağõrlõkça

%60 lõk nitrikasit çözeltisi oluşturulur. Giren ak õm içerisindeki oksijen miktar õ ise, NO yi NO2 yeyükseltgeyecek miktarda olmalõdõr. Oksidasyon tepkimesinin hõzõ ortamdaki oksijen derişimine bağlõdõr. Bu istenilenleri sağlayabilmek amacõyla, absorbsiyon ünitesini terkeden atõk gazlar (tailgas) içerisindeki oksijen miktar õnõ % 3 civar õnda tutmak gerekir.

Atõk gazlar

6 nolu ak õmõn bileşiminden yararlanarak;üniteye giren ak õmdaki NO miktar õ = 15,7 kmol oksijen miktar õ = 20 kmol



21

Bu ak õm içerisindeki NO/NO2 oranõnõn kesin olarak bilinmemesi gerekli oksijen miktar õnõnhesaplanmasõna etki etmez. Giren ak õm içindeki azotmonoksidi NO2 ye okside etmek için gereklioksijen miktar õ (4 nolu tepkimeden yararlanõlarak) = 15,7 / 2 = 7,85 kmol dür.

Dolayõsõyla giren ak õm içerisindeki serbest oksijen miktar õ = 20 – 7,85 = 12,15 kmol

(4) ve (5) nolu tepkimelerin toplamõ absorbsiyon ünitesinde NO2

den HNO3 üretimi amacõylakullanõlan tepkimeyi verir . Bu da (6) nolu tepkime olarak aşağõda gösterilmiştir.

)6(HNO4OOH2 NO4 3222 →++ Bu tepkimeden yararlanarak, absorbsiyon ünitesinde NO i okistlemek için gerekli oksijen miktar õ hesaplanabilir.

NO in oksidasyonu için gerekli oksijen miktar õ = 6 nolu ak õmdaki (NO + NO2 )miktar õ x (1/4)= (48,9 + 15,7) x (1/4) = 16,15 kmol

Giren hava ak õmõ içerisinde 12,15 kmol oksijen olduğuna göre buna ilave olarak absorbsiyonünitesine 16,15 – 12,15 = 4 kmol oksijen gönderilmelidir. Bu oksijen, ikincil hava ak õmõ kullanõlarak gönderilir. Absorbsiyon ünitesine ‘y’ mol ikincil hava ak õmõ gönderilirse, bu ak õmiçerisinde 0,21y kmol oksijen olacaktõr. Bu oksijenin 4 kmol ü NO in oksidasyonu için tüketileceve atõk gazlar içerisindeki oksijen miktar õ = 0,21y – 4 kmol olacaktõr.

Azot , absorbsiyon ünitesinde hiçbir değişime uğramayacağõ için; Atõk gazlar içerisindeki azotmiktar õ; absorbsiyon ünitesine yoğuşturucudan gelen ak õm içerisindeki azot miktar õ ile ikincil havaiçerisindeki azot miktarlar õnõn toplamõna eşittir.

Atõk gazdaki azot miktar õ = 720 + 0,79y kmol

Atõk gaz ak õmõ içerisinde sadece oksijen ve azot bulunduğunu, diğer bilenşenlerin miktar õnõn ihmaledilecek kadar az olduğunu kabul edersek, bu ak õm içerisindeki oksijen yüzdesi,

( )( ) ( )4y21,0y79,0720

1004y21,03O% 2 −++−

== y = 141,6 kmol

Atõk gaz ak õmõ içerisindeki oksijen miktar õ = 141,6 x 0,21 – 4 = 25,7 kmolAtõk gaz ak õmõ içerisindeki azot miktar õ = 141,6 x 0,79 + 720 = 831,8 kmol

Atõk gaz ak õmõ içerisindeki NO miktar õnõn %0,2 olduğunu kabul edersek Atõk gaz ak õmõ içerisindeki NO miktar õ = Toplam gaz ak õş hõzõ x 0,002

= (831,8 + 25,7) x 0,002 = 1,7 kmol

Absorbsiyon ünitesine gönderilen ikincil hava miktar õ, tüm azot oksitlerin bu ünitede absorblandõğõ varsayõmõna dayanõlarak yapõlmõştõ. Görüldüğü gibi bu ak õm içerisinde 1,7 kmol de NO bulunmaktadõr. Bu koşullarda yapõlacak hesaplamalar õn sonucu atõk gaz ak õmõ içerisindeki oksijenderişiminin çok fazla değişmesine neden olmasa bile kütle denklikleri, NO de göz önüne alartekraralanmalõdõr.Tepkimeye girmemiş oksijen miktar õ 4 ve 6 nolu tepkimelerden yararlanõlarak hesaplanõr.1,7 kmol NO okside olmamõş ve absorblanmamõştõr. Buna göre,Atõk gaz ak õmõ içerisindeki oksijen miktar õ = 25,7 kmol + 1,7 (1/4 + ½) = 27,0 kmol



22

Atõk gazlar, absorbsiyon kolonuna gönderilen su ak õmõnõn kolona giriş sõcaklõğõnda su ile doygunhale geçeceklerdir. Su giriş sõcaklõğõ 25oC ise bu sõcaklõkta suyun k õsmi basõncõ = 0,032 atm dir. Absorbsiyon ünitesinin basõncõ takriben 8 atm olup

Suyun mol kesri = 0,032 / 8 = 4.10-3 Atõk gaz ak õmõ içerisindeki su buhar õ miktar õ = (831,8 + 25,7) x 4.10-3 = 3,4 kmol

Absorplanan azot oksitlerin miktar õ = (48,9 +15,7) - 1,7 = 62,9 kmol = 3962,7 kg

6 nolu tepkimeden yararlanõlarak, gerekli stokiometrik su miktar õ = ( 24

9,62 ) = 31,5 kmol

Absorbsiyon ünitesinden çõkan asit ak õmõnõn derişiminin ağõrlõkça %60 olmasõnõ istersek,seyreltme için gerekli su miktar õ = (3962,7 / 0,6) x 0,4 = 2641,8 kg = 146,8 kmol

Gerekli toplam su miktar õ = 31,5 + 146,8 + 3,4 – 3,8 = 177,9 kmol

Buraya kadar yapõlan hesaplamalar õn sonucu olarak 8, 9, 10, 11, 12 nolu ak õmlar õn ak õş hõzlar õ ve bileşimleri bir sonraki sayfadaki çizelgede özetlenmiştir.Yapõlan hesaplar õ kontrol etmek amacõyla;

(6) + (8) = (9) ve(9) + (11) = (10) + (12) olup olmadõğõnõ kontrol ediniz.

Üretilen asit miktarõ:

Yoğuşturucudan gelen HNO3 = 31,4 kmol =1978,2 kgH2O = 130,5 kmol = 2349,0 kg

Absorbsiyon ünitesinden gelen HNO3 = 62,9 kmol = 3962,7 kgH2O = 130,5 kmol = 2641,8 kg

Toplam HNO3 = 1978,2 + 3962,7 = 5940,9 kgH2O = 2349,0 + 2641,8 = 4990,8 kg

10931,7 kg

Asit kar õşõmõnõn derişimi = (5940,9 / 10931,7) x100 = 54 %



23

8, 9, 10, 11, 12 nolu ak õmlar õn özellikleri.

Ak õm İkincil Hava (8) Giren Ak õm (9) Asit ak õmõ (12) Atõk gaz

Bileşen kmol kg kmol kg kmol kg kmol

NO - - 15,7 471,0 - - NO2 - - 48,9 2249,4 Eser - -

N2 29,7 950,4 49,7 1590,4 - - 27,0

O2 111,8 3130,4 831,8 23290,0 - - 831,8

HNO3 - - - - 62,9 3962,7 -H2O eser - 3,8 68,4 146,8 2641,8 3,4 Toplam 4080,8 27669,2 6604,5



24

13 nolu asit ak õmõnõn bileşimi;13 Asit ak õmõ

kmol kgHNO3 94,3 5940,3

H2O 277,3 4990,8Toplam 10931,7

Tüm proses verimi:

Tüm proses için azot denkliğinden yararlanarak proses verimini hesaplayabiliriz.Üretilen HNO3 içerisindeki azot mol sayõsõ 94,3 / 2

Verim = = = 94,3 %Girdi NH3 içerisindeki azot mol sayõsõ 100 / 2

İstenilen üretim kapasitesi için ölçek büyütme:

Üretim kapasitesinin 20000 t/yõl (%100 HNO3 ) olmasõ istenmekte ve yõllõk çalõşma süreside 8000saat olduğuna göre kapasite 20000/8000 = 2500 kg/st dir.Yukar õda yapõlan hesaplamalar sonucu 100 kmol NH3 girdi olarak kullanõldõğõnda 5940,9 kg HNO3 üretilebileceğini saptamõştõk. Buna göre,

Ölçek faktörü = (2500) / (5940,9) = 0,4208 Bu değeri yaklaşõk = 0,43 olarak alabiliriz.Yukar õdaki çielgelerde verilen tüm ak õş hõzlar õ bu faktörle çarpõlarak istenilen kapasite için ak õmşemasõ oluşturulur. Örneğin yoğuşturucudan çõkan 6 nolu ak õm için değerler açşağõda verilmiştir.

Temel 100 kmol NH3 Ölçek Temel: 20000 t/yõl

kg faktörü kg/st NO 471 202,5 NO2 2249,4 967,2

O2 640 x 0,43 = 275,2

N2 20160 8668,0

H2O 68,4 29,4Toplam 23588,4



25

Nitrik asit prosesi için enerji denklikleri

Temel: 1 saat

Kompresör Kompresör gücü ve enerji gereksinimi hesabõ:

Hacimsel ak õş hõzõ

Şekil 3.6 dan bu ak õş hõzõ için Ep=%74 olan santrifüj kompresör kullanõlabilir.

Hava içinγ = 1,4 alõnabilir Hava giriş sõcaklõğõ ortam sõcaklõğõnda olacaktõr T1 = 15 oC

T2 = 288×80,39 =648 K

Bu değer oldukça yüksektir ve iç soğutmaya gereksinim olacaktõr. Kompresörleri ikiye böldüğümüzü ve her bölümde eşit iş olduğunu kabul edelim.İç soğutma gazõ çõk õş sõcaklõğõ 60 oColsun ( ki bu sõcaklõk, 30 oC daki normal soğutma suyuna makul bir yaklaşõm verir).

Eşit iş için her bölümde iç kademe basõncõ

Giriş ak õş hõzõ, (ak õm şemasõndan) = 13027,729 3600

kmol/s×

= 0125,

Giriş koşullar õnda, 15 0,125 22,4 m / so 3C bar , = × × =1288273

2 95,

İş (kmol başõna) = z1T R nn

PP

n

n1

2

1

1

11

− −

−

Çõk õş sõcaklõğõ, T = T2 1PP

m2

1

mE p

=−γ

γ 1

nm

=−1

1m =

−×

=1 4 1

1 4 0 74 0 39,

, , ,

n =−

=1

1 0 39 1 64, ,

= =PP

çõk õş

giriş8 2 83,



26

Toplam iş = 3072,9+3552,6=6625,5 kJ/kmol

Saatte gerekli enerji = 1,12×3600 = 4032 MJ

Kompresör çõk õş sõcaklõğõ = 333(2,83)0,39 = 500 K = 230oC

Bu sõcaklõk reaktöre önõsõtma yapmaya gerek duyulmayacak yeterlilikte yüksek olduğundan, besleme reaktöre doğrudan yapõlabilir.

Amonyak Buharla şt õr õcõ

Amonyak sõvõ olarak basõnç altõnda depolanacaktõr. 8 atm de doygunluk sõcaklõğõ 20 oCdõr. Beslemenin buharlaştõr õcõya ortam sõcaklõğõnda, 15 oC, yapõldõğõnõ kabul edelim.

8 bar da spesifik õsõ = 4,5 kJ/kgK 8 bar da gizliõsõ = 1186 kJ/kgBuharlaştõr õcõya giriş hõzõ = 731 kg/st

Sõcaklõğõ 20 oC'a yükseltmek ve buharlaştõrmak için gerekli giriş õsõsõ

= 731,0[ 4,5(20-15) + 1186 ] = 883413,5 kJ/st

Isõ kayõ plar õ için %10 fazlasõnõn eklenmesiyle = 1,1×883413,5 = 971754,9 kJ/st≈972 MJ/st

Kar õ şma noktas õ

C p hava = 1 kJ/kgK C p amonyak buhar õ = 2,2 kJ/kgK

( )Birinci bölümişi giriş 15 C, ,,

,, ,

,,o kJ / kmol= × × ×

−− =

−

1 288 8 3141 64

1 64 12 83 1 3072 9

1 64 11 64

( )İkinci bölümişi giriş 60 C, ,,

, , ,,,o kJ / kmol= × × ×

−− =

−

1 333 8 3141 64

1 64 1 2 83 1 3552 61 64 11 64

Kompresör gücü =iş / mol mol / s

etkinlik kJ / s = 1.12 MW

×=

× ×=

6625 5 0 125 100 74

11193, ,

,

t3

Hava 11272,9 kg/st230 oC

NH3 buhar õ 731,0 kg/st20 oC



27

Kar õşma noktasõ etraf õnda enerji denkliği

11272,9×1(230 - t3 )+731,0×2,2(20 - t3) = 0t3 = 204 oC

Oksitleyici

Adyabatik işlem olduğu kabul edilerek ENERGY1 programõnõn kullanõlmasyõla çõk õş sõcaklõğõ bulunabilir. Ya da sisyemde adyabatik durumda enerji denkliği yazõlõr ve bu denklem Matlab’da, fsolve Matlab komutu yardõmõyla çözülür. Enerji denkliğinde kullanõlacak veriler aşağõdaverilmiştir.

∆Hor reaksiyon 1 = -226334 kJ/kmolNH3

∆Hor reaksiyon 2 = -316776 kJ/kmolNH3

Bütün reaksiyon verimi kayõ plar õna reaksiyon 2 nin neden olduğunu kabul edelim ve NH3 ünreaksiyon 1 ile reaksiyona girmiş olsun.

NH3 'ün oksitleyiciye ak õş hõzõ×reaktör verimi=731,0×0,96/17 =41,3 kmol/stReaksiyon iki ile denge = 731,0×0,04 = 1,7 kmol/st

Ak õş ve õsõ kapasiteleri :C p

o kJ/kmolK Ak õmBileşenleri

Besleme(3)

kmol/st

Ürün(4)

kmol/sta b c d

NH3 O2

N2 NOH2OSõcaklõk, K

4382,1

308--

477

-29,2

309,641,364,5T4

27,3228,11

31,1529,3532,24

28,83E-3-3,68E-6

-1,36E-2-0,94E-319,24E-4

17,07E-617,46E-6

26,80E-69,75E-610,5E-6

-11,85E-9-10,65E-9

-11,68E-9-4,19E-9-3,60E-9

T4 çõk õş sõcaklõğõnõn 1180 K = 907oC olduğu bulundu.

At õk - õ sõ Kazan õ(Waste-heat Boiler)

NO nun ne kadar õnõn NO2 ye oksidasyonu kesin olarak tahmin edilemediğinden, sistem üzerinde

kesin bir enerji dengesi kurmak mümkün değildir. Bunun yanõ

nda, üretilebilecek maksimum buhamiktar õ NO’nun tamamõnõn oksitlenmesiyle, minimum buhar miktar õ ise hiç oksitlenmemesiyle eldeedilir. Fabrikalarda buhar basõncõ genellikle 11 bar civar õndadõr ve doygunluk sõcaklõğõ ise 184 oCdõr. Çõk õş gazlar õ ve buhar sõcaklõğõ arasõndaki fark õn 50 oC olduğunu varsayarsak, gazlar õn çõk ş sõcaklõğõ 184+50= 234oC (507 K) olacaktõr.

Ak õm şemasõndan, WHB'ye giren NO = 1236,4/30 = 41,3 kmol/stGiren O2 = 935,7/32 = kmol/st



28

NO' nun tamamõ, reaksiyon 4, oksitlenirse, WHB' yi terkeden O2

29,2 - (41,3/2) = 8,6 kmol/st∆Ho

r = -51120 kJ/kmol, oksitlenmiş NO

Eğer NO oksitlenmemiş ise çõk õş gazõnõn bileşimi giriş ile aynõ olacaktõr. Giriş gazõ, yukar õda verilenreaktör çõk õşõ ile aynõ bileşime sahiptir. NO oksitlenmiş ise ak õm değişimi aşağõda verildiği gibi

olacaktõ

r.C p

o kJ/kmolK kmol/st a b c d

O2 NO2 Sõcaklõk, K

7,4641,3507

24,23as above4,84E-2 -20,81E-2 0,29E-9

ENERG1 programõnõn kullanõlmasõyla, buhara transfer edilenõsõ için aşağõdaki değerler hesaplanõr:

NO oksitlenmemişse 9,88 GJ/st NO aksitlenmişse 12,29 GJ/st

Buhar üretimi; besleme suyu sõcaklõğõ 20 oC alõnõrsa,

11 bar da doygun buhar õn entalpisi = 2781 kJ/kg20 oC suyun entalpis = 84 kJ/kg1 kg buhar oluşturmak içinõsõ = 2697 kJ

Soğutucu-yoğuşturucu

Bu ünitede denklikte göz önüne alõ

nacak õ

sõ

kaynaklar õ

:1. Duyulan õsõ: Giriş sõcaklõğõ 234 oC olan gazlar õnõn absorbsiyon giriş sõcaklõğõ olan 40 oC’a

soğutulmasõ.2. Yoğuşmuş suyun gizliõsõsõ.3. NO’nun NO2’ye egzotermik oksidasyonu.4. Nitrik asidin egzotermeik oluşumu.5. Oluşmuş nitrik asidin seyrelmeõsõsõ, (%40,w/w).6. Çõk õş gazlar õnõn ve asit ak õmõnõn duyulanõsõsõ.

buhar üretimi =transfer edilenõsõ

kg başõna entalpi değişimi

minimum buhar üretimi =9880000

2697 kg/st= 3662

maksimum buhar üretimi =12290000

2697 kg/st= 4555



29

Her kaynağõn büyüklüğünü k õyaslamak için, her biri ayr õ ayr õ hesaplanacaktõr.Referans sõcaklõk : 25 oC

1. Gaz duyulan õ sõ sõ

Gaz ak õmõnõn giriş ve çõk õş ak õmõndaki duyulanõsõlar õ ENERGY 1 programõ yardõmõyla ya da enerjidenkliği denkliği elle yazõlõ p Matlab yardõmõyla hesaplanabilir. Giriş ak õmõnõn bileşimi ve õsõ kapasiteleri, yukar õda WBH ye giriş ak õmõ için verilen değerlerle aynõdõr. Ak õm şemasõndan çõk õş ak õmõ:

Yoğuşturucu çõk õşõ (6)

O2 N2 NO NO2 H2O

Sõcaklõk 313 K

kmol/st8,6

309,66,7521,031,63

Giriş ak õmõnõn duyulan õsõsõ(5) = 2,81 GJ/stÇõk õş ak õmõnõn duyulanõsõsõ (6) = 0,15 GJ/st

2. Suyun yo ğ unla şmas õ

Yoğunlaşmõş su = giren H2O- çõkan H2O = 1161 – 29 = 1131,6 kg/stGiriş sõcaklõğõnda suyun gizliõsõsõ, 230 oC = 1812 kJ/st

Buhar õn giriş sõcaklõğõnda yoğuştuğu ve sonra referans sõcaklõğõna souğuduğu göz önünealõnarak;

Yoğunlaşma õsõsõ = 1131,6×1812 = 2,05×106 kJ/stKondensatõn duyulanõsõsõ= 1131,6×4,18(230 – 25) = 0,97×106 kJ/stToplam, yoğuşma ve soğuma = 2,05×106 + 0,97×106 = 3,02 GJ/st

3. NO’nun oksidasyonu

Bütün oksidasyon, kondenser-soğutucusunda olursa en büyük õsõ yüklemesi olacaktõr ki bu da

kondeser-soğutucusu tasar õ

mõ

için en kötü koşullar õ

verir.Oksitlenmiş NO (mol) = mol (giren) – mol (çõkan) = 41,3 – 6,75 = 34,55 kmol/h

Reaksiyon 4 de üretilenõsõ = 34,55×57120 = 1,97×106 kJ/st= 1,97 GJ/st

4. Nitrik asit olu şumu

Oluşan HNO3 (ak õm şemasõndan) = 850,6/63 = 13,50 kmol/st



30

Sulu nitrik asit oluşumunu içiren değişik reaksiyonlarda entalpi değişimi aşağõdaki gibidir.

2NO2(g) N2O4 (g) ∆H = -57,32 kJ N2O4 (g) + H2O(l) + 1/2O2(g) 2HNO3(g) ∆H = 9,00 kJHNO3(g) HNO3(l) ∆H = -39,48 kJ

Yukar õdaki reaksiyonlar õn birleştirilmesinden

Reaksiyon 8 2NO2(g) + H2O(l) 2HNO3(l)Toplam entalpi değişimi = -57,32 +9,00 + 2(-39,48)= -127,28 kJOluşan kmol HNO3(l) başõna üretilenõsõ = (127,28/2)×103 = 63640 kJÜretilen õsõ = 13,50×63640 = 0,86×106 kJ/st = 0,86 GJ/st

Ak õm şemasõ hazõrlanõrken N2O4 oluşumu ve bundan da HNO3 oluşumu bileşenlerin ak õş hõzlar õnõ etkilemediğinden dikkate alõnmamõştõ.

5. HNO 3’ün seyrelme õ sõ sõ

Seyrelme õsõsõ Perry’s Chem. Eng. Handbook’da, “5 th ed., p. 3.205 Fig 3,42” verilentalpi-konsantrasyon diyagramlar õndan hesaplanõr.

Bu diyagram için referans sõcaklõk 32 oF dõr . Diyagramdan:

%100 lük HNO3 ‘ün entalpisi = 0%45 lik HNO3 ‘ün entalpisi = -80 btu/lb çözelti%45 lük HNO3 ‘ün spesifik õsõsõ = 0,67

32o

F da seyrelme üzerine salõverilen õsõ = 80×(4,816/1,8) = 186 kJ/kg çözücü25 oC’ a tükseltmek içinõsõ = 0,67(25 – 0) 4,186= 70,1 kJ/kg25 oC da seyrelmeõsõsõ = 186 – 70,1 = 115,9 kJ/kg çözücü

%100 lük 1 kmol HNO3 ün seyrlemesiyle üretilen çözelti miktar õ = (63/45)×100 = 140 kg1 kom’ün seyrelmesiyle oluşan õsõ = 140×115,9 = 16226 kJToplam üretilenõsõ = 13,5×16226 = 219051 kJ/st = 0,22 GJ/st

6. Asidin duyulan õ sõ sõ

Asit çõk õş sõcaklõğõ 40o

C

Asidin duyulanõsõsõ = 0,67× 4,186( 40 –25 )×1860,7 = 78278 kJ/st = 0,08 GJ/st

Isõ denkliği (GJ/st)



31

Soğutma suyuna transfer edilenõsõ = 2,81 + 6,07 – 0,15 – 0,08 = 8,65 GJ/st

Hava soğutucu

Absorbsiyon kolonu giriş sõcaklõğõnõ mümkün olduğu kadar küçük tutmak için, kompresördeikincil hava absorbsiyon kolunu girişinde proses gaz ak õmõ ile kar õşmadan önce soğutulmalõdõr.Çõk õş sõcaklõğõnõ sogutucu kondenserden gelen gaz ak õmõnõn sõcaklõğõ ile aynõ, 40 oC, alarak;

İkincil hava ak õşõ, (ak õm şemasõndan), 1754,8 kg/stHavanõn spesifik õsõsõ 1 kJ/kgK İkincil havadan uzaklaştõr õlan õsõ = 1754,8×1×(230-40) = 333412 kJ/st = 0.33 GJ/st

Absorber

Absorbsiyon kolonundaõsõ kaynağõ, soğutucu-kondenser ile aynõ olacaktõr ve aynõ hesaplamametodu kullanõlõr.

Soğutucu-kondenserden giriş gazda duyulanõsõ = 0,15 GJ/stİkincil havada duyulanõsõ = 1754,8×1(40-25) = 0,018 GJ/stTail gazlar õnda duyulanõsõ (25 oC da ) = 0Besleme suyunda duyulanõsõ (25 oC da ) = 0

Oksitlenmiş NO = (202,5-21,9)/30 = 6,02 kmol/stÜretilen õsõ = 6,02×57120 = 0,34 GJ/stOluşan HNO3 = 1704/63 = 27,05 kmol/stÜretilen õsõ = 27,05×63640 = 1,72 GJ/st25 oC da %60’a seyrelmeõsõsõ = 27,05×14207 = 0,38 GJ/stYoğuşmuş su = 29,4 – 26,3 = 3,1 kg/st40 oC da gizliõsõ = 2405 kJ/stReferans sõcaklõğõnda duyulanõsõ = 4,18×(40 – 25) = 63 kJ/kg

Salõverilen õsõ = 3,1(2405 + 63) = 7,6×10-3 GJ/st (İhmal edilebilir)Çõkan asitte duyulanõsõ = 0,64(40 – 25 ) = 0,11 GJ/st

Oksidasyo 1,97Kondenzasyon 3,02HNO3 oluşumu 0,86

Seyreleme 0,22

Toplam 6,07

Soğutma suyunaõsõ

Sõvõ

0,08

Gaz0,15

Gaz2,81



32

Isõ denkliği

Soğutma suyuna transfer edilenõsõ = 0,15 + 0,018 + 2,44 – 0,11 = 2,5 GJ/st

Kar õştõr õcõ

Kar õşmõş asit sõcaklõğõnõn hesaplanmasõ:

Entalpi-konsantrasyon diyagramõ direk kullanõlmasõ için referans sõcaklõğõ 0 oC alalõm.

Diyagramdan;

%45 lik asidin entalpisi, 0oC = -186 kJ/kgSpesifik õsõ = 0,67 kcal/kgoC%60 lik asidin entalpisi, 0oC = -202 kJ/kgSpesifik õsõ = 0,64 kcal/kgoC

%45 lik asidin entalpisi, 40oC = -186 + 0,67(40-0)4,186 = -73,8 kJ/kg%60 lik asidin entalpisi, 40oC = -202 + 0,67(40-0)4,186 = -94,8 kJ/kg

Entalpi-konsantrasyon diyagramõndan, kar õşmõş asidin entalpisi(%54 lük) 0oC da = -202 kJ/kg; spesifik õsõ = 0,65 kcal/kgoC

Kar õşmõş asidin duyulanõsõsõ = -86,5 – (-202) = 115,5 kJ/kgVe kar õşmõş asidin sõcaklõğõ = 115,5/(0,65x4,186) = 43oC

Oksidasyon 0,34HNO3 1,72 Seyrelme 0,38Kondenzasyon -

2,44

Su0,0

Soğutmasuyuna õsõ

Tail gaz0,0

Gaz0,15

İkincil hava0,018

Çõkan asit0 11

Asit kar õ

şõ

mõ

nõ

n entalpisi =(-73,8 1860,7) + (-94,8 2840,0)

1860,7 + 2840,0 kJ /kg× ×

= −86 5,



33

4. BİLGİSAYAR DESTEKLİ AKIM ŞEMALARI

Proses tasar õmõnda ak õm şemalar õnõn hazõrlanmasõnda yararlanõlan bilgisayar proğramlar õ iki anagrupta toplanõr.

1. Güçlü hesaplama olanaklar õna sahip tam simulasyon proğramlar õ.2. Basit kütle denkliği proğramlar õ.

Simulasyon proğramlar õnõ kullanarak enerji ve kütle denkliklerinin birlikte çözümünü vekipmanlar õn ön tasar õmõnõ yapmak, dolayõsõyla, detaylõ ve gerçek bir ak õm şemasõ hazõrlamak mümkündür. Bir proje çalõşmasõnõn başlangõcõnda tam simulasyon proğramõ kullanmak yerine basitmadde denkliği proğramlar õ kullanõlmasõ tercih edilir. Böylece elle yapõlacak hesaplama çalõşmalar õ azaltõlarak çabuk ve ucuz bir Şekilde elementer bir ak õm şemasõ ortaya konulabilir.

5. TAM VE YATIŞKIN HAL SİMULASYON PROĞRAMLARI

Çeşitli firmalar taraf õndan, tasar õmõ yapõlmõş proseslerin yatõşk õn haldeki işletimini simule edenkompleks ak õm şemasõ proğramlar õ hazõrlanmõştõr. Gelişmiş üniversitelerde proses tasar õm dersleriçerçevesinde de kullanõlan bu proğramlardan bazõlar õ: GEMCS, FLOWPACK, FLOWTRANCONCEPT, PROCESS, HYSIM, ASPEN dir. Tipik bir simulasyon proğramõnõn içeriği aşağõdaşematik olarak gösterilmiştir.

GİRDİ-VER İLER !!

EK İPMAN ÖZELİKLER İ için ALT PROGRAMLAR A

NA

TERMODİ NAMİK HESAPLAR Ç

için ALT PROGRAMLAR ALIŞ

İTERATİF YÖNTEMLER Tiçin ALT PROGRAMLAR I

R I ÇIKTILAR

CFİZİKSEL ÖZELİKLER Iiçin VER İ DOSYALARI

EXEMALİYET HESAPLARI için VER İ DOSYALARI

Tipik bir simulasyon proğramõnõn içeriği



34

Tüm bu simulasyon paketlerinin içeriği şu Şekilde özetlenebilir.

1. Ana çalõştõrõcõ proğram (executive program)‘EXE’ Ak õm şemasõnõn hazõrlanmasõ için yapõlacak hesaplamalar õn izleneceği sõrayõ, alt programlardan bilgi alõnmasõ ve alt programlara bilgi aktar õlmasõ gibi işlemlerin organize elde edilmesine yarar.

2. Ekipman performans alt programlar õnõ içeren kütüphane (MODULES). Bunlar ekipmanlar õn simule edildiği programlar olup ekipmana giren ak õmõn özelliklerine bağlõ olarak ekipmandan çõkan ak õmõn özelliklerini hesaplar.

3. Fiziksel özellikleri içeren veri bankasõ.4. Ak õmlar õn entalpileri, buhar-sõvõ denge sabitleri gibi termodinamik özelliklerin hesaplanmasõ için

kullanõlan alt programlar.5. Maliyet hesaplamalar õ için gerekli veri bankasõ ve alt programlar.

Ak õm şemasõ hazõrlanmasõnda kullanõlan simulasyon programlar õnda kütle ve enerjidenkliklerinin çözümü iterasyon yöntemleri kullanõlarak yapõlõr. İterasyon sõrasõnda uygun parametrelere belirli artõşlar verilerek geri döngüler yaplõlõr. İstenilen değere ulaşõlõnca döngüdençõk õlmõş olur.

5.1 BİLGİ AKIM DİAGRAMLARI

Bilgisayara problemi tanõtmak için, temel işlemlerin ve ak õm bağlantõlar õnõn sõrasõnõ gösterenelementer bir proses ak õm diağramõ hazõrlanõr ve daha sonra bir bilgi ak õm diagramõna dönüştürülür.Şekil 4-a 'da nitrobenzenin hidrojenasyonuyla anilin üretimi için bir proses ak õm diağramõ, Şekil 4-bde ise bu proses için bilgi ak õm diagramõ verilmiştir. Bu Şekilde yer alan her blok simulasyon proğramõndaki hesaplama modüllerinden birisine kar şõlõk gelmektedir. Bileşim, sõcaklõk veya basõncõn değişime uğramadõğõ üniteler bilgi ak õm diagramlar õna dahil edilmezler. Diğer taraftan bileşim, sõcaklõk veya basõnç değişimine neden olan her ünite ve her ünite parçasõ diagram içerisindeyer almalõdõr. Bu şemada bloklar õ birleştiren çizgi ve oklar bir alt proğramdan diğer bir alt proğrama bilgi ak õmõnõ ve yönünü göstermektedir.

Şekil-4.b deki bilgi ak õm diagramõna, prosesde yer alan kompresör dahil edilmemiştir.Distilasyon modülü yoğuşturucu ve kazanõ da içermektedir.



35



36

6. KÜTLE DENKLİKLER İ’nin ÇÖZÜMÜ için KOLAY PROGRAMLAR

Bir prosesin tasar õmõnõn veya geliştirilmesinin ilk aşamasõnda kaba ve yaklaşõk bir kütle denkliğiistendiği durumda tam bir simulasyon programõnõn kullanõlmasõ gereksizdir. Sadece kütle denkliğihesaplamalar õ için basit programlar kullanõlarak ak õm şemalar õnõn hazõrlanmasõ mümkün olur.Özellikle devir ak õmõ içeren prosesler ve kütle denklikleri ve enerji denkliklerinin birlikte çözümügerektirmeyen tasar õm çalõşmalar õ için bu tip basit programlar õn kullanõlmasõ önerilir. Bu tür proğramlar õn en önemli özelliği kişisel bilgisayarlarda uygulanabilmesidir.

6.1 Basit bir kütle denkliği proğram õnõn hazõrlanmasõ:

Bu bölümde, ‘Massball’ adlõ bir kütle denklüşü proğramõnõn hazõrlanmasõ açõklanmõştõr.Proğramõnõn dökümünü Sinnot, RK.1983, Chemical Engineering Design adlõ kaynaktagörebilirsiniz. Bu proğramõnõn hazõrlanmasõnda uygulanan yöntem; proses için kütle denkliğinitanõmlayan denklemler tak õmõnõ ‘Fraksiyon Katsayõlar õ’ kavramõna göre oluşturmaktõr.

Fraksiyon Katsayõlarõ Kavram õ:

Kimyasal proseslerde yer alan ünitelerin yani temel işlemlerin yapõldõğõ ekipmanlar õn çoğundaüniteye giren ak õm bu ünite çõk õşõnda iki veya daha fazla ak õma ayr õlõr. Örneğin; bir distilasyonkolonuna giren ak õm kolon çõk õşõnda üst ve dip ürün olarak iki ak õma ayr õlõr. Bir yoğuşturucuyagiren ak õm yoğuşturucu çõk õşõnda sõvõ ve gaz faz olmak üzere iki ak õma ayr õlõr. O nedenle, bilgiak õm diagramõnda yer almõş olan bir temel işlemler ünitesinden çõkan ak õmdaki herhangi bir bileşenin ak õş hõzõ, bu bileşenin üniteye giren ak õş hõzõnõn belirli bir kesri kadardõr. Bileşenin adõ geçen üniteye giriş ak õş hõzõnõ bir katsayõ ile çarparak üniteden çõk õştaki ak õş hõzõnõ bulmak mümkündür. Bu katsayõya Fraksiyon Katsayõsõ denir.Aşağõda, bilgi ak õm diagramõndaki herhangi bir ünite için kütle denkliğinin oluşturulmasõndakullanõlan simgeler gösterilmiştir.

Toplam Bir sonraki üniteye (J)Bir önceki ak õm i giden ak õm üniteden temel işlemgelen ak õm λ ik ünitesi α Jik λ ik

Sistem dõşõndan gi0k gelen ak õm

i,J : Ünite numaralar õ.

λik : i ünitesine giren k bileşeninin toplam ak õ

ş hõ

zõ

α Jik λ ik : i ünitesinden çõk õ p J ünitesine giden ak õm içerisindeki k bileşeninin ak õş hõzõnõn, Iünitesine giren ak õmdaki k bileşeninin ak õş hõzõna oranõ. Fraksiyon katsayõsõ.

gi0k : i ünitesine sistem dõşõndan gelen ak õm içerisindeki k bileşeninin ak õş hõzõ

Özet olarak üniteden çõkan bileşenin ak õş hõzõ, üniteye giren ak õş hõzõ ile fraksiyon katsayõsõnõnçarpõmõna eşittir. Fraksiyon katsayõsõ, ünitenin tasar õm özelliklerine ve üniteye giren ak õmõnözelliklerine bağlõdõr.



37

Üç adet temel işlem ünitesi ve çeşitli devir ak õmlar õ içeren bir proses için bilgi ak õm diagramõ vekütle denkliklerini oluşturmak için kullanõlan simgeler aşağõda verilmiştir.

α 13k λ3k

α 31k λ1k

λ1k α 21k λ1k λ2k α 32k λ2k λ3k

α 12k λ2k

g10k g30k

1 Nolu ünite için kütle denkliği: λ1k = g10k + α 12k λ2k + α 13k λ3k (1)2 Nolu ünite için kütle denkliği: λ2k = α 21k λ1k (2)3 Nolu ünite için kütle denkliği: λ3k = g30k + α 32k λ2k + α 31k λ1k (3)

Denklemler düzenlenerek matriks formda yazõlõrsa;

λ1k - α 12k λ2k - α 13k λ3k = g10k - α 21k λ1k + λ2k = 0- α 31k λ1k - α 32k λ2k + λ3k = g30k

1 - α 12k - α 13k λ1k g10k - α 21k 1 0 x λ2k = 0- α 31k - α 32k 1 λ3k g30k



38

Örnek: İZOPROPİL ALKOL’den ASETON ÜRETİMİ

C3H7OH (CH3)2O + H2

İzopropil alkol buharlaştõr õldõktan sonra reaktöre gönderilmekte ve katalitik dehidrojenasyon sonuaseton oluşmaktadõr. Reaktörden çõkan gaz ak õmõ (aseton, su, hidrojen, izopropil alkol) biyoğuşturucuya gönderilerek ak õm içerisindeki asetonun çoğu, su ve izopropil alkol yoğunlaştõr õlõr.Yoğuşturucuyu terkeden gaz ak õmõ içerisinde az miktarda aseton ve izopropil alkol bulunduğundan bu ak õm bir absorbsiyon kolonunda su ile yõkanmakta ve aseton ve alkol absorbe edilmektediYõkayõcõnõn (absorbsiyon kolonu) altõndan alõnan ak õm ve yoğuşturucudan alõnan sõvõ ak õm(kondensat) birleştirilerek saf aseton elde etmek amacõyla destilasyon kolonuna gönderilirDestilasyon kolonunun üstünden saf aseton alõnõr. Bu kolonun altõndan ise su ve izopropil alkoiçeren ak õm alõnarak ikinci bir destilasyon kolonuna gönderilir. 2 nolu distilasyon kolonunun üak õmõ %91 alkol içeren azeotrop su-alkol kar õşõmõdõr. Bu ak õm reaktöre devir ettirilir.

Reaktörde ZnO-Cu katalizör kullanõlmakta, tepkime 400-500oC sõcaklõk ve 4.5bar basõnç altõndayapõlmaktadõr. Prosesde aseton verimi %98 dir.İzopropil alkolün reaktörden her geçiş dönüşümoranõ % 85-90 civar õndadõr.

1. Proses ak õm şemasõnõ çiziniz.2. Bilgi ak õm şemasõnõ çiziniz.3. Bileşenler için kütle denkliklerini kurarak matriks formda yazõnõz.4. Prosesde mevcut bileşenler için ayr õk fraksiyon katsayõlar õnõ belirleyeniz ve herbir bileşen için

matriks formdaki kütle denkliklerini tekrar yazõnõz.

Çözüm:

Prosesin blok diagramlarla çizilen bir ak õm şemasõ ve bilgi ak õm diagramõ Şekil-5 de görülebilir. Bu proses için kütle denkliklerinin kurulmasõnda kullanõlan simgeler ise aşağõdaki şekilde verilmiştir.

α 21k λ1k α 32k λ2k α 43k λ3k α 54k λ4k λ1k λ2k λ3k λ4k λ5k

1 11

g20k g30k

α 42k λ2k

α 15k λ5k g10k



39

1 Nolu ünite için kütle denkliği: λ1k = g10k + α 15k λ5k (1)2 Nolu ünite için kütle denkliği: λ2k = g20k + α 21k λ1k (2)3 Nolu ünite için kütle denkliği: λ3k = g30k + α 32k λ2k (3)4 Nolu ünite için kütle denkliği: λ4k = α 42k λ2k + α 43k λ3k (4)5 Nolu ünite için kütle denkliği: λ5k = α 54k λ4k (5)

Denklemler düzenlenerek matriks formda yazõ

lõ

rsa;

λ1k - α 15k λ5k = g10k - α 21k λ1k + λ2k = g20k - α 32k λ2k + λ3k = g30k - α 42k λ2k - α 43k λ3k + λ4k = 0- α 54k λ4k + λ5k = 0

1 0 0 0 - α 15k λ1k g10k

- α 21k 1 0 0 0 λ2k g20k 0 - α 32k 1 0 0 x λ3k = g30k 0 - α 42k - α 43k 1 0 λ4k 00 0 0 - α 54k 1 λ5k 0

Fraksiyon katsayõlar õnõn belirlenmesi:

Bileşenler: k = 1-5 k=1 İzopropil alkol, k=2 Aseton, k= 3 Hidrojen, k= 4 Su

Proses üniteleri: i, J 1= Reaktör, 2= Yoğuşturucu, 3=Yõkayõcõ 4= Birinci distilasyon kolonu, 5=İkinci distilasyon kolonu

Tasar õmcõ, fraksiyon katsayõlar õnõ belirlemeden önce yapmõş olduğu proje çalõşmasõna özgün olarak bazõ proses ve ekipman spesifikasyonlar õnõ belirlemelidir. Bu değerler, tasar õmcõnõn istediğisonuçlara ulaşabilmesi için defalarca değiştirebileceği değerlerdir. Diğer adõyla tasar õmdeğişkenleridir.

Örneğin, izopropil alkolden aseton üretim prosesinde tasar õm değişkenleri için başlangõç değerleriolarak aşağõdaki veriler göz önüne alõnmõştõr.

1. Reaktörden her geçişte izopropil alkol dönüşüm oranõ %90 dõr.2. Yoğuşturucuda izopropil alkolün %90 nõ yoğuşmaktadõr.3. Yõkayõcõda izopropil alkolün %99 u absorplanarak sõvõ faza geçmektedir.4. Üretilen aseton içerisinde safsõzlõk olarak en fazla %1 oranõnda izopropil alkol bulunmasõna izin

verilmektedir.5. Yoğuşturucuya giren ak õmdaki asetonun en az %80 nin yoğunlaşmasõ istenmektedir.6. Yõkayõcõda asetonun %99 u absorplanmalõdõr.7. Suyun yoğuşturucuda %95 i yoğuşmaktadõr.8. Yõkayõcõya giren suyun en fazla %1 i gaz faza sürüklenmektedir.



40

Bu saptamalara ilave olarak: Reaktöre giren ak õmda bulunan aseton, su ve hidrojenin tepkimeygirmeden reaktörü terkettiği; Hidrojenin, yoğuşturucuda yoğuşmadõğõ, yõkayõcõda absorplanmadõğõ ve dolayõsõyla sürekli gaz fazda olduğu, distilasyon kolonuna gitme olasõlõğõ olsa bile kolonunu tepeürününe geçeceği; İkinci distilasyon kolonunu terkeden ve rektöre devir ettirilen ak õmõn %91 lik alkol-su azeotrop kar õşõmõ olduğu taraf õmõzdan bilinen olgulardõr.

α 211 = 0,1 α 421 = 0,9 α 321 = 0,1 α 431 = 0,99 α 541 = 0,99 α 151 = 0,91

α 212 = 1 α 422 = 0,8 α 322 = 0,2 α 432 = 0,99 α 542 = 0,01 α 152 = 0,01

α 213 = 1 α 323 = 1,0 α 423 = 0 α 433 = 0 α 543 = 1 α 153 = 1

α 214 = 1 α 424 = 0,95 α 324 = 0,99 α 544 = 0,99 α 154 = 0,01 α 152 = 0,01

Hesaplamalarda temel olarak:

Girdi= 100 kmol/st izopropil alkol alõ

nõ

rsa g101 = 100Reaktörde aseton verimi %98 olduğu için g202 = 98Reaktörde hidrojen verimi de %98 dir. g203 = 98

Fraksiyon katsayõlar õ ve prosese dõşardan verilen ak õmlar õn sayõsal değerleri aşağõdaki Çizelgedetoplu olarak verilmiştir.

α 1 2 3 4

21k -0,1 -1 -1 -132k -0,1 -0,2 -1 -0,0542k -0,9 -0,8 0 -0,9543k -0,99 -0,99 0 -0,9954k -0,99 -0,01 -1 -0,9915k -0,91 -0,01 -1 -0,05

g101 g202 g203 g304

Mol 100 98 98 *

* Absorbsiyon kolonuna dõşardan gönderilen su miktar õ kolon tasar õmõna bağlõdõr. O nedenleKolona gönderilen su miktar õ (kmol/st) = g304



Şekil.5 İzopropilalkol den aseton üretimi

Documents

HNO3 üretimi