Kesikli Prosesler

KESĠKLĠ PROSES AKIM DĠYAGRAMLARI

• Kesikli Prosesler Ġçin Tasarım Hesaplamaları

• Gannt Diyagramları ve Zaman Programı (scheduling)

• Çakışma Olmayan Operasyonlar, Çakışmalı

Operasyonlar ve Çevrim Süreleri

KMM 431 KĠMYA MÜHENDĠSLĠĞĠ

TASARIMI-I 2011

http://www.itu.edu.tr/

Kesikli Prosesler Ġçin Tasarım Hesaplamaları

• Kesikli proses hesaplamaları kararlı (steady state)

proseslerdekinden falklı kararsız hal (unsteady state)

ÖRNEK:

Aktif ilaç maddesi (API) üretiminde

1. adım: 500 kg reaktan A (MA=100 kg/kmol), ikinci

reaktan B’yi (MA=125 kg/kmol), gerekenin %60

aşırısında içeren 5000 kg çözücüye (MA=200 kg/kmol)

ilave ediliyor. Ceketli reaktör kullanılıyor (R-301).

Isıtma için cekette buhar kullanılıyor. Ġlk adımda

karışım 95 °C’ye ısıtılıyor. Süre 1.5 saat. Karışımın

yoğunluğu 875 kg/m3.


2. adım: Reaksiyon karışımı 95 °C’ye ısınınca katı bir

katalizör ilave ediliyor. Karıştırma uygulanarak reaksiyon

gerçekleştiriliyor. Gerekli dönüşüm % 94 ve süre 2 saat.

3. adım: Reaksiyon karışımı reaktörden boşaltılıyor ve

reaksiyonun durdurulması amacıyla katalizörün ayrılması

için bir elek filtreden (Sc-301) geçiriliyor. Süre 0.5 saat.

4. adım: Reaksiyon karışımı (API, çözücü ve reaksiyona

girmeyen reaktanlar) vakumda çalıştırılan bir distilasyon

(T-301) kolonuna alınıyor. Reakanların hemen tamamı ve

çözücünün yaklaşık % 50’si baş ürün olarak alınıyor (Süre

3.5 saat). Distilasyon kolonda kalan karışımda B reaktanı

derişimi % 1 (molar) oluncaya kadar sürdürülüyor. Bu

durumda sonraki adımda kristalizasyonda elde edilen ürün

API istenen spesifikasyonu sağlıyor.


5. adım: Distilasyon kolonunda kalan karışım bir

kristalizöre (CR-301) pompalanıyor ve vakum altında

soğutularak API’nın yaklaşık % 60’ı kristallendiriliyor

(Süre: 2.0 saat)

6. adım: Kristallenen API filtre edilip raflı bir kurutucuya

(TD-301) gönderiliyor. Kristallerin tuttuğu çözücü

kurutularak uzaklaştırılıyor (Süre: 4.0 saat)

7. adım: Kurutulan API ambalajlanıp, paketleniyor ve ürün

deposuna gönderiliyor. Bu işlem paketleme makinasında

(PK-301) yapılıyor ve süre: 1saat)


1. Adım Tasarım Hesapları-Reaksiyon Kabı-Ön Isıtma

Tek çevrimdeki üretim kapasitesi için

• reaktördeki sıvı hacmi: V=

• reaktör doluluk oranı: % 60

•reaktör hacmi: Vtank= = 2768 gal

Piyasada mevcut standart reaktör boyutu seçilebilir:3000

gal=11.35 m3

3

3m 6.286

][kg/m 875

[kg] 5500

33

m 48.010.60

][m 6.286



Ceketli karıştırıcılarda kararsız hal ısı transfer eşitliği:

: sıvı yoğ, Cp: sıvı ısı kapasitesi, T: tanktaki sıvı sıcaklığı

(95 °C 1.5 saatte), U: ceketten tanktaki sıvıya tüm ısı iletim

katsayısı, A: ısı transfer alanı (silindirik yüzey), Ts: ısıtma

buharı sıcaklığı

T0: karışım başlangıç sıcaklığı (25 °C) , U=300W/m2.°C,

Cp= 2000 J/kg.°C, Ts=120 °C (200kPa doy.su buharı), Tank

H/D oranı=3

)TT(UAdt

dTVC sp

p0s

finals

VC

tUA

)TT(

)TT(ln



Tankın silindirik ve eliptik tabanlı. Bu problemde taban

hacmi basitleştirme için ihmal ediliyor.

Isı transfer alanı A= DHdolu =14.89 m2 (sıvı yüzeyinden ısı

kaybı ihmal)

t=3288 s (55 min)

Bu adım için 1.5 saat uygun.

32

ktan D34/HDV

3D335.11 m 1.689D

3

dolu

2 m 6.286/4HπDV m 806.2Hdolu

2000286.6875

t89.14300

)25120(

)95120(ln


2. Adım Tasarım Hesapları-Reaksiyon Kabı-Reaksiyon

A + B Ürün (reaksiyon toplam mertebesi 2, her reaktan

için 1, hız sabiti k=7.0910-4 m3/kmol.s, A sınırlayıcı reaktan

CA=CA0(1-X), CB=CA0(-X)

CA0=(500 kg/100kg/kmol)(875kg/m3)/5500kg=0.796 kmol/m3

B reaktanının % 60 aşırısı var. =1.60, Ġstenen dönüşüm

Xfinal= 0.94, başlangıç anı t=0’da X=0

t= 7082 s= 118 min (2 saat)

BAA CkC

dt

dC

)X)(X1(kCdt

dX0A

tkCX1

Xln

1

10A

final

final


3. Adım Tasarım Hesapları-Reaksiyon Kabının Boşaltılması

ve Katalizör Filtrasyonu

Bu adımda gerçekçi bir hesaplama için filtrasyon ile ilgili

deneysel veri gereklidir. Filtrasyon normalde gerekli süreyi

belirleyen adımdır. Basitleştirme için hesaplama tankın

boşaltılması için yapılacaktır.

Reaktör çıkış borusu (2-in sch 40akış için kesit alanı

0.00216 m2.

ppt Am

dt

)HA(d

dt

dm

2

22112

1PgzPgz 2

21212

1)PP()zz(g

2/12 )gH2(2

1gH


3. Adım Tasarım Hesapları-Reaksiyon Kabının Boşaltılması

ve Katalizör Filtrasyonu

t=0, H=2.806 m; t=t, H= 0

t=785 s=13 min (30 min alınır )

ppt Am

dt

)HA(d

dt

dm

2/1)gH2(

2/1

pt )gH2(Adt

)H(dA

2/12/1

t

pH)g2(

A

A

dt

dH

Δt

4

])π(1.689[m

])(0.00216[m])(9.81[m/s22H

2

20.520.50

2.806

0.5


4. Adım Tasarım Hesapları-Distilasyon

Reaksiyon sonunda reaktör için kütle denkliği:

Bileşen, i kmol xi MA Kütle (kg)

Reaktan A =(1-0.94)(5.0)=0.3 0.0106 100 30.0

Reaktan B =(1.6)(5.0)-(5.0-0.3)=3.3 0.1166 125 412.5

Çözücü S =20.0 0.7067 200 4000.0

Ürün P =(0.94)(5.0) =4.7 0.1661 225 1057.5

Toplam 28.3 1.0000 5500.0



Önce reaksiyon karışımı KN’na (115°C) ısıtılıyor. Isıtma için

120°C’deki doymuş buhar kullanılıyor. Karşımı 95°C’den 115

°C’ye ısıtmak için gereken süre belirlenmelidir.

T0: karışım başlangıç sıcaklığı (95 °C) , U=420W/m2.°C,

Cp= 2000 J/kg.°C, Ts=120 °C (200kPa doy.su buharı), A=10

m2

T=4215 s=70.3 dak

p0s

finals

VC

tUA

)TT(

)TT(ln

2000286.6875

10420

)95120(

)115120(ln

t



Gerekli süre yaklaşık 2.3 saat

70.3 dak. Isıtma için gerekliydi

Toplam süre : 3.5 saat

5. ve 6. adımlar

Laboratuar ölçeğinde yapılan çalışmalarla soğutmalı

kristalizasyon ve filtrasyon, kurutma süreleri belirlenmiş.

Distilasyon Kabı Toplam Ġçeriği , Ürün P ve Çözücü S Verimlerinin Zamanla Değişimi

Distilasyon Kabında Bileşimin Zamanla Değişimi

API Üretiminde Ġşlemlerin Sırasını Gösteren Gantt Diyagramı

Çakışma Olmayan Kesikli Operasyon

Çevrimlerin Geriye Ötelenmesi-Proses Adımlarında Çakışmayı Artırma

Documents

Kesikli Prosesler