(PFD) ve Entrümantasyon Diyagramları

KYM 415 PROSES TASARIMI I

Proses Akım Şemaları

(PFD)

Borulandırma ve Entrümantasyon Diyagramları

(P&ID)

Prof. Dr. Ali Karaduman

Ankara Üniversitesi , Mühendislik Fakültesi

Kimya Mühendisliği Bölümü, 06100 Tandoğan ANKARA

[email protected]

2014

2

Bu bilgileri sağlamak için ne tip proses birimleri

kullanılacağı, bu birimlerin nasıl birbirine bağlanacağı,

hangi sıcaklık ve basınç değerlerinin, akış hızlarının

kullanılacağı bazı kabuller yapmak zorundayız. Bu işlem

oldukça zordur, çünkü aynı amaca ulaşmak için bir çok

alternatif mevcuttur.

GİRİŞ

Tasarım problemleri az tanımlıdır ve tasarım problemlerinin

tek bir çözümü yoktur. Genelde tasarım da gerekli bilgilerin

çok az bir kısmı mevcuttur. Proses tasarımı yaratıcılık ister

ve gerçekte bir sanattır. Örnek olarak bir kimya

mühendisinin bir kimyasal için yeni bir katalizör

geliştirdiğini düşünelim ve bunu bir ticari bir prosese

dönüştürmek isteyelim. Önce reaksiyon şartları hakkında

bilgi, sonra hammadde ve satılabilirliği hakkında bilgi

edinebiliriz. Tasarım için gerekli diğer bilgilerin tümünü

kendimiz bir şekilde elde etmek zorundayız.

3

AKIM ŞEMALARI

Akim şemaları proses tasarımında anahtar döküman olarak

adlandırılacak kadar önemli bir konudur. Proseste yer alan

ekipmanların yerleşimini ve birbirleriyle bağlantılarını, akım

hatlarını, akımların hızlarını, bileşimlerini ve ekipmanların işletme

koşullarını gösterir

• Akım şemaları, işletmeye alma çalışmaları(start up) sırasında

prosesin işletme performansının tasarım değeriyle

kıyaslanması amacıyla da kullanılır.

• İşletme kılavuzlarının (operating manual) hazırlanması ve işletme

teknisyenleri eğitimi için dökümanların hazırlanmasında kullanılır.

Akım Şemalarının Kullanım Amaçları

• Uzman tasarım gruplarının tasarımlarına temel teşkil eder

4

Akım şemaları, prosesde yer alan her bir ünite için ve tüm proses için yapılan kütle ve

enerji denklikleri temel alınarak oluşturulur.

Avantajı

-Alternatif akım şemalarının oluşturulması

-En uygun prosesin seçimi

-En uygun proses şartlarının saptanması

Bu ders kapsamında aşağıdaki paket programından yararlanılacaktır

MATLAB

CHEMCAD

.

Günümüzde akım şemaları bilgisayar destekli olarak

hazırlanmaktadır.


5

Girdi-Çıktı Diyagramı

Temel reaksiyon

stokiyometrisi

Genel Blok Akım Diyagramı

Prosesin başlangıç

koşulları ve kütle denkliği

Proses Akım Diyagramı

(PFD)

Madde ve enerji Dengeleri

Mekanik ve Ekipman

bilgileri

Borulandırma ve

Enstrümantasyon Diyagramı (P&ID)

Mekanik ve

Enstrümantasyon

bilgileri

Bir Kimyasal Prosesin Akım Şemasının Oluşum Aşamaları

6

Akım Şemalarının Gösterimleri

Çeşitli tipte akım şemaları olmakla birlikte

•Blok diyagram gösterimi

•Resim şeklinde gösterim

olmak üzere iki tip çok kullanılır.

•Blok diyagram gösterimi: Blok

diyagramlar en basit gösterim şeklidir ve çok

çeşitli yerlerde kullanılır. Çoğunlukla ön

raporların hazırlanmasında ve eğitim

amacıyla kullanılır. Bu çizimde yer alan her

bir blok bir ekipmanı veya prosesin belirli

bir adımını simgeler.

•Resim şeklinde gösterim: Bu akım

şemalarında prosesin reaktör, destilasyon

kolonu, ısı değiştirici, bağlantı elemanları

vb. gibi birimlerim standard sembollerle

gösterilir.

Kare

Daire

Diktörgen

Reaktör

Isı değiştirici

Vana


7

Bu diyagram girdi çıktı akımlarının bir seri blok ile

birbirlerine bağlanarak oluşturulur. Bu diyagramlar,

bir tesis, bir proses, bir ünitenin işletme koşulları

(sıcaklık ve basınç) ve problemde verilen geri döngü,

dönüşüm gibi diğer önemli bilgileri de içerir.

Blok Akım Diyagramları

1. İşletmeler bloklarla gösterilir.

2. Önemli akım yönleri oklarla belirtilir.

3. Mümkün olduğunca akımın yönü soldan sağa çizilmeli,

4. Hafif bileşen içeren akımlar (gazlar) yukarı doğru, ağır bileşen

içeren akımlar (sıvılar ve katılar) aşağı doğru yönlendirilir.

5. Basitleştirilmiş madde dengesi kurulur

Bir Blok Akım Proses Diyagramı Oluşturulurken;

Blok Akım Diyagramları : Örnek 1

Toluen

(10.000 kg/st)

Hidrojen

820 kg/st)

Reaktor Gaz Ayırıcısı

Gaz Karışımı

(2,610 kg/st)

Dönüşüm

% 75 Toluen Sıvı karışımı

Benzen

(8.210 kg/st)

Toluen

Reaksiyon: C7H8 + H2Katalizör C6H6 + CH4

Dis. Kol.

9


10


11

Blok Akım Diyagramları : Örnek 4 Prof. Dr. Ali Karaduman

12

Proses Akım Diyagramı (PFD)

Proses akım diyagramları (Process Flow Diagram, PFD) resim

şeklinde gösterim ile verilir ve standart semboller şeklindedir. PFD, bir

kimyasal prosesin tasarımı için gerekli veri kümesini içerir.

Ayrıntılı akım şemalarında, ekipmanlar genelde belirli bir stile (tarza)

uygun olarak çizilirler ve kullanılan semboller ve çizimler belirli

standartlara uymalıdır.

Amerikan Ulusal Standartlar Enstitüsü (ANSI)’de akım şemalarının

hazırlanmasında kullanılan bir semboller dizini hazırlanmıştır. Ayrıca, aşağıdaki

standartlarda vardır.

– İngiliz Standartları (BS 1553, 1977)

– Alman Standartları (DIN 28004, 1988)

– ISO 10628

Proses Akım Diyagramı çizimi için kullanılan standart

sembollerin listesi (R.Turton, 1998 )’da verilmiştir. Chemcad

programinda kullanılan Semboller bu temele dayanmaktadır


13

ZORUNLU BİLGİLER Akım no Sıcaklık (oC) Basınç (bar) Buhar Kesri Toplam Kütlesel Akış Hızı (kg/st) Toplam Molar Akış Hızı (kmol/st) Herbir Bileşenin Akış Hızı (kmol/st)

İSTEĞE BAĞLI BİLGİLER

Bileşen mol kesri Bileşen kütle kesri Herbir bileşenin akış hızı (kg/st) Hacimsel akış hızları (m3/st) Önemli fiziksel özellikler - Yoğunluk -Viskozite -Diğerleri Termodinamik Veriler Isı kapasitesi, Akımların entalpileri, K-değerler Akım ismi

Bir Akım Diyagramında Gerekli Bilgiler

Proses Akım Diyagramı Oluşturma Sembolleri

Not: Semboller, Sinnott (1999) EK-A’da ayrıntılı olarak verilmiştir

http://en.citizendium.org/wiki/File:PFD_Symbols.png

http://www.google.com.tr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=tmW7xWQoV94_VM&tbnid=XjnQ-kVlT8WFYM:&ved=0CAcQjRw&url=http%3A%2F%2Fwww.clker.com%2Fclipart-11502.html&ei=PI0eVL-mD4fBOPmVgLAG&psig=AFQjCNE2TINkWgNbwKjIjhN4tcJDwzT7Sw&ust=1411373825277369

15

Proses akım diyagramlarında, her bir bileşenin akış hızı, toplam akış hızları akımların yüzde bileşimleri akım şemaları üzerinde çeşitli şekillerde gösterilebilir.

Proses Akış Diyagramlarında Bilgilerin Gösterimi

Basit Gösterim

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 aşağıda verilmiştir.

16

Daha kompleks diyagramlar için blok gösterim pratik değildir. Onun yerine resimli çizim ve ek bir akım bilgileri tablosu hazırlanır. Akım bilgileri tablosunda nelerin verilmesine dair bir özet verilmiştir.


17


Toluenin hidroalkilasyonu ile benzen üretimi için Proses Akım Diyagramı

18

Proses akım diyagramında prosesin herbir önemli parçası bir rakamla tanımlanarak gösterilmiştir. Diyagramın üzerinde ekipmanların açıklamaları verilmiştir. Aşağıda da proses ekipmanlarının tanıtımı için harf kodu verilmiştir.

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

Proses Ekipmanların tanımı için kullanılan harfler

19

Proses akımlarının tanıtımı için bir rehber niteliği de taşıyan gösterim Aşağıda verilmiştir. Örneğin E-102 ‘de yerleştirilmiş olan cw simgelem E-102’ye giren soğutma suyunu göstermektedir.

lps : Düşük Basınç Akımı: 3-5 barg (sat) mps : Orta Basınç Akımı 10-15 barg (sat) hps : Yüksek Basınç Akımı: 40-50 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 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

Yardımcı akım simgeleri

20

Benzen üretim prosesi için Akımların özeti

21

Tüm proses için madde dengeleri ve diğer problemler kolaylıkla analiz edilebilir. Örnek verecek olursak, Benzen üretim prosesi için toplam kütle dengesi kontrol edilebilir. 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/st ) katı kadar olacak şekilde verilmiştir. Girdiler: Çıktılar: 3 nolu akım: 0.82 15 nolu akım: 8.21 1 nolu akım: 10.00 16 nolu akım: 2.61 Toplam : 10.82x103 kg/st Toplam : 10.82x103 kg/st

Girdiler = Çıktılar olduğundan madde dengesi sağlanmıştır.

Örnek 5

22

10.82x103 kg/st 10.82x103 kg/st

23

Aynı proses için toluenin benzene dönüşüm oranını bulunuz Dönüşüm oranı, =(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 daki akım Bilgilerinden; Toluen=144 (6 nolu akımdan)+0.04(7 nolu akımdan)=144.04 kmol/h Üretilen Benzen: 116 (9 nolu akım)-7.6 (6 nolu akım)-0.37 (7 nolu akım) =108.03kmol/st

= 108.03/144.04 = 0.75

Örnek 6

Üretilen benzeni şu şekilde de hesaplayabiliriz Üretilen benzen= Giren Toluen- Çıkan Toluen = 144.04-36 (9 nolu akım) =108.04

= 108.04/144.04=0.75

24

Benzen Üretimi = 15 hattaki benzen+16. hattaki benzen

= 105.2+2.85

= 108.05


25

2. DERS

• Prosesde, ekipmanın yerleşimi, proses akımları arasındaki etkileşim açısından önem arz etmektedir.

• Bu plan, proseste yer alan temel ekipmanların akım

şeması üzerinde sırasıyla yerleşimini ve ekipmanlar

arasındaki proses akım bağlantılarını gösterir. • Amaç, madde akımını gerçektekine uygun göstermektir.

• Temel ekipmanlar mümkün olduğunca gerçek

büyüklükleriyle orantılı olarak gösterilmelidir.

Proses Yerleşim Planı (Process Layout)

Ekipman Özeti

Bu özet, proses akım diyagramı ekipmanlarının maliyetini tahmin etmek ve ekipmanların detaylı tasarımı için temel bilgileri içermelidir.

Toluen hidroalkilasyon PFD için ekipman özeti

Ekipman Tipi

Turton, Tanklar bölümüne bakınız

ReaktörlerYükseklik,Çap,Basınç,Sıcaklık,Yapı malzemesi

Pompalar

Isı Değiştiriciler

Boyut, Basınç,Sıcaklık,Kademe tipi ve sayısı,Dolgu tipi ve yüksekliği,

Yapı malzemesi

Kuleler

Tanklar

Proces: Alan,her iki akım için Sıcaklık ve basınç

Kabuk ve tüp geçişli no

Yapı materyali: Tüpler ve Kabuk

Tipi: Gaz-Gaz,Gaz-Sıvı,Sıvı-Sıvı,Yoğunlaştırıcı,Buharlaştırıcı

Tipi,Tüp basıncı ve sıcaklığı,Yakıt,Yapı malzemesi

DiğerleriKritik bilgiler verilir

Akım,Çıkış basıncı,Sıcaklık,DP,Şaft gücü,yapı malzemesi

KompresörlerGerçek giriş akış hızı,Sıcaklık,Basınç,Şaft gücü, yapı malzemesi

Isıtıcılar

Isı Değiştiriciler E-101 E-102 E-103 E-104 E-105 E-106

Tipi FI.H. FI.H. MDP FI.H. MDP FI.H.

Alan(m2) 36 763 11 35 12 80

İş(MJ/h) 15190 46660 1055 8335 1085 9045

Kabuk

Sıcaklık(oC) 225 654 160 112 112 185

Basınç(bar) 26 24 6 3 3 11

Faz Buhar Kısmı Yoğ. Yoğ. Yoğ. 1 Buhar

MOC 316SS 316SS CS CS CS CS

Tüp

Sıcaklık(oC) 258 40 90 40 40 147

Basınç(bar) 42 3 3 3 3 3

Faz Yoğ. 1 1 1 1 Buhar

MOC 316SS 316SS CS CS CS CS

(Turton sayfa 21-22)


28

Verilerin Kesinliği ve Doğruluğu

• Verilerin virgülden sonra bir basamaklı olarak yazılması yeterlidir.

• Hassaslık derecesine göre veriler verilmelidir. • Çok daha küçük değerler ise ‘eser’ miktarda olarak

yazılır. • Bazı durumlarda eser miktardaki maddeler çok

önemlidir. Prosesi kısıtlayan bir öneme sahip ise ‘ppm’ olarak belirtilir.

Örnek olarak, katalizör zehirlenmesine neden olan ve malzeme seçimini etkileyen maddeler söz konusu olduğunda bu maddelerin miktarları belirtilmelidir.

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 prosestir.

30

Yardımcı Üniteler ve Kodlama

Bir karışıklığa neden olmaması amacıyla, yardımcı

ünitelerden gelen veya yardımcı ünitelerden giden

akım hatları aynı akım şeması üzerinde gösterilir ve

ne oldukları belirtilir.

• Her ekipman bir ad ve kod numarası ile tanımlanır • Genelde bir harf ve birkaç basamaklı sayıdır Örneğin; R101, H205, C311

Ekipmanların Kodlanması ve Adlandırılması

31

Hesaplamalar

Kütle ve enerji denkliklerinden akımların miktarları ve bileşimleri

hesaplanır ve akım şeması üzerine yazılır.

Tasarım çalışmalarında iki tür kısıtlama vardır.

Dış kısıtlamalar: Tasarımcının kontrolünde değildir. Müşteri talebine göre belirlenen ürün spesifikasyonları

Alevlenme limiti vb.. temel güvenlik konuları

Hükümet tarafından saptanan atık spesifikasyonları

İç Kısıtlamalar: Proses ve ekipmanların fonksiyonlarına bağlıdır. Proses stokiyometrisi, dönüşüm oranı ve verim

Kimyasal denge

Sıvı-sıvı ve gaz-sıvı ayırma işlemlerinde faz dengesi

Azeotrop karışımlar

Enerji denkliğinde karşılaşılan kısıtlamalar

Ekipman tasarımında karşılaşılan kısıtlamalardır.

32

Hesaplamalarda Kullanılan Temeller

Bu temeller içerisinde;

Yıllık işletme süresi,

Reaksiyon verimi ve fiziksel verimler,

Ortam sıcaklığı,

Kullanılan varsayımlar yer almalıdır.

Farklı durumlar için farklı akım şemaları oluşturulmalıdır.

Akım şeması üzerine yazılan değerlerin hesaplanmasında

kullanılan temeller akım şeması üzerinde belirtilmelidir.

33

Zaman:

Tesisleri hiç durmadan SÜREKLİ işletmek mümkün değildir.

• Ekipmanların temizlenmesi,

• Katalizörün yenilenmesi

• Kolon dolgu maddelerinin değiştirilmesi gibi

benzeri işler için önceden planlanmış duruşlar olur.

Çoğu kimya ve petrokimya tesisinde yıllık işletme süresi,

Bir yılın %90-95 i olup, genellikle 8000 saat kabul edilir.


34

• Akım şemasındaki hesaplamaları prosesde yer alan ekipman

sırasına uyarak yapmak kolaylık sağlar.

• 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 değerleri, her bir akımı, istenilen

üretim hızı üzerinden hesapalanmış ölçek faktörüyle çarparak

elde edilir.

Ölçek faktörü:

35

Proses Akım Şemaları Üniteleri İçin Yapılan Hesapalamalar

Proses akım şemasında yer alan çeşitli üniteleri sabit akımların

bileşimlerinin hesaplanması için yapılan hesapalamalar, reaktörde

ve denge kademelerinde, kütle ve enerji denkliklerinin birlikte

kullanılması için izlenen yöntemleri kapsar.

Reaktörlerde

• verim ve dönüşüm belirlenir (literatürden) • tersinir tepkime için denge dönüşümü – reaktör işletim sıcaklık

ve basıncı için – hesaplanır Denge kademelerinde (Absorpsiyon, Damıtma, Ekstraksiyon)

• çıkış akımlarının hızı kademeleri terkeden akımların dengede olduğu varsayımı ile hesaplanır

Sabit akımların bileşimlerinin hesaplanmasında • iç ve dış kısıtlamalar tarafından akımların akış hızı ya da

bileşimleri belirlenebilir Kütle ve enerji korunum denklemlerinin birlikte kullanılması

• sıcaklık belirli ise aktarılacak ısı hesaplanır

36

Hidrojen gazı üretim yöntemlerinden biri, petrol rafinerilerinde

reforming ünitesinden çıkan gaz akımını shift reaktöründe su-gaz

reaksiyonuna sokarak hidrojence zengin gaz elde etmektir.

CO + H2O CO2 + H2 H0298= - 41197 kJ/kmol

Bu örnekte, reaktöre giren gaz akımının bileşimi ve buhar/gaz

oranı bilindiği durumda, reaktörü terk eden akımın bileşiminin

hesaplanması istenmektedir. Reaktörde, 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. Reaktöre giren akımın sıcaklığı 500 K

olup reaktöre giren 1 mol CO başına 3 mol H2O buharı

gönderilmektedir. Reaktörden çıkan akımın sıcaklığını ve

bileşimini hesaplayınız.

Örnek 7 Prof. Dr. Ali Karaduman

37

Çözüm

Karbonmonoksidin dönüşüm oranı, C ise tepkimeye giren karbonmonoksit mol

sayısı, tepkimenin stokiyometrisi de göz önüne alındığında 11C dir. Aşağıda

stokiyometrik tablo ve bileşenlerin özgül ısıları verilmiştir

TEMEL: 100 kmol/st kuru gaz (girdi)

Girdi akımındaki su buharı = 3x11 = 33 kmol;

Reaktörden çıkan gaz akımının ideal olduğu ve termodinamik dengeye ulaştığı varsayılmaktadır.

Ayrıca, tepkimenin stokiometrisinden dolayı denge sabiti üzerine basıncın etkisi yoktur.

2

22

HCO

HCO

pPP

PPK )1(

)C1133)(C1(11

)C115.76)(C115.8(K p

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 = -RT lnKp bağıntısından yararlanarak

hesaplanabilir. Veya termodinamik kitaplarında 1/T ; logKp şeklinde verilen

nomogramlardan yararlanarak bulunabilir.

Bu örnekte, Technical Data on Fuel, Spiers adlı kaynaktan

CO2 + H

2 = CO + H

2O

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


39

Tepkime ekzoterm olduğu için adyabatik işletim tercih edilmiştir.

Soğutma yapılmayıp, dışarıya olan ısı kayıpları en aza indirilecektir.

Reaktörden çıkan gazların sıcaklığı da dönüşüm oranına bağlı

olduğundan, reaktör 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.

40

Çözüm için bir bilgisayar programı yazarak basit enerji denkliğinin çözümü yapılabilir.

Veya algoritma izlenerek ve hesap makinesi kullanarak çözüme ulaşılır.

Dönü-

şüm

Oranı,

C

KP.102

Çıkan

akım

sıcaklığ

ı 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

-175268

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

Sonuçlar :

Referans sıcaklık 298 K alınmıştır.

Yapılan üç iterasyondan sonra Q; T grafiği çizilerek , Q=0 için T=580 K bulunur.

Örnek 8

Bu örnekte, kütle denkliği hesaplamalarında faz dengesi bağıntılarının

(buhar-sıvı) kullanılması amaçlanmıştır.

Etilenin oksihidroklorinasyonu ile dikloroktan (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)

42

4 bar basınç altında işletilen yoğuşturucuya giren gaz akımının özellikleri aşağıda

verilmiştir. Yoğuşturucuyu terk eden akımların bileşimlerini hesaplayınız.

1

2

3

Gaz Girişi

EDC 6350 kg/st

Etilen 150

İnertler 6640

Su 1100

Sıcaklık 95oC

Geri dönen gaz

35 oC

Kondensat Kısmi Yoğuşturucu

EDC akımı bazı organik safsızlıkları ve eser miktarda HCI

içermektedir. İnertler esas olarak N2 , CO, O2’dir.

43

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-1 Buhar Basınçları Çizelge-2 Akış Hızları

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 *

Çözüm

44

Yoğunlaşmayan ve gaz fazda kalan bileşenlerin toplam akış hızı:

5.4+208=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

= 4-0.16-0.055 = 3.79 bar

EDC’nin buhar basıncı

Buhar içindeki = (Yoğuşmayanların

EDC’nin akış Yoğunlaşmayanların kısmi basıncı akış hızı )

hızı

= (0.16/3.79)213.4

= 9 kmol/st

45

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.

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.

310*3.1

4

7.70

100

3.2

A

AoAA

A

X

X

P

PXy

Böylece sıvıdaki etilen miktarı = (kmol EDC)XA

= (64-9)1.3*10-3=0.07 kmol/st

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

47

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.

Akım No 1 2 3

Bileşen

Kondenser

beslemesi Kondensat Geri dönen gazEDC 6350 5459 891

Su 1100 1044 56

Etilen 150 Eser 150

İnertler 6640 6640

Toplam 14.240 6503 7737

Sıcaklık oC 95 35 35

Basınç, Bar 4 4 4

Akış hızları (kg/st)


48

Örnek 9

Bu örnekte, bileşen kütle dengesi hesaplamalarında sıvı-sıvı faz

dengesinin kullanılması açıklanmıştır. Örnek.8’de tanımlanan

kondenserden çıkan kondensat akımı, yoğuşmuş su ve EDC

ayırmak için bir dekantöre beslenmektedir. Dekantör çıkış

akımının bileşimini hesaplayınız.

1

2

3

Besleme

EDC 5459 kg/st

Su 1075 kg/st

49

Çözüm

Dekantörü terk eden akımların dengede olduklarını varsayılım.

20oC’de bileşenlerin çözünürlükleri

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.

50

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 = 1075-8.73 = 1066.3 kg/st

Sıvı faz içerisinde çözünmüş EDC miktarı=(1066.3/100)*0.86=9.2 kg/st

Organik fazın akış hızı tekrar hesaplanırsa = 5459-9.2 = 5449.8 kg/st

Organik faz içerisindeki su miktarı = (5449.8/100)*0.16=8.72 kg/st

Görüldüğü gibi sonuç ilk yaklaşımdan çok farklı değildir.

Sonuçlar

51

3. DERS

Örnek 10: Nitrik Asit Üretim Prosesi

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 20 000 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 içeren bir akım şeması).

Nitrik asit üretimi; esas olarak, amonyağın oksidasyonu ile oluşan gazlar

içerisindeki azot monoksidin suyla absorbe edilerek nitrik asite

önüştürülmesinden ibarettir. Kaynaklarda, nitrik asit üretimi için üç değişik

proses önerilmektedir. Bunlar;

1. 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.

53

Başlangıç olarak, sadece prosesde yer alan ekipmanları gösteren ve blok

diagramlara çizilmiş bir akım şeması oluşturulur.

Ürün

~%60

HNO3

NH3

Buharlaştırıcı Reaktör Atık ısı kazanı Yoğuşturucu Absorpsiyon kolonu

Hava

Hava Su

Kaynaklarda, reaktörde, Pt-Rodyum katalizör kullanıldığı takdirde seçimlilik yönünden 1 nolu reaksiyonun veriminin yaklaşık %95-96 olduğu belirtilmektedir.

54

Bilgisayar Destekli Akım Şemaları

Proses tasarımında akım şemalarının hazırlanmasında yararlanılan

bilgisayar programları iki ana grupta toplanır.

• Güçlü hesaplama olanaklarına sahip tam benzetim (simülasyon)

programları

Eşanlı (Simultaneous /Equation oriented) benzetim programları

• Basit kütle denkliği programları

Ardıl- birimsel (Sequential Modular) benzetim programları

Benzetim programlarını kullanarak tüm prosesinin tasarımını

yapmak mümkündür.

Bir proje çalışmasının başlangıcında tam benzetim programı

kullanmak yerine basit madde denkliği programları kullanılması

tercih edilir. Böylece çabuk ve ucuz bir şekilde elementer bir akım

şeması ortaya konulabilir.

55

Proses Benzetim (Simülasyon) Programları

Çeşitli firmalar tarafından geliştirilmiş Proses benzetim

programları, prosesleri benzetmek (simüle etmek) ve akım

şeması için kullanılmaktadır. Bunlardan bazıları :

Ayrıca, üniversitelerde proses tasarım dersleri çerçevesinde de

benzetim ve akım şeması programları kullanılmaktadır.

Örnekler: CHEMCAD, GEMCS, FLOWPACK, FLOWTRAN,

CONCEPT, PROCESS, HYSIM ve ASPEN gibi.

A

N

A

Ç

A

L

I

Ş

T

I

R

I

C

I

EXE

Ekipman Özellikleri

İçin Altprogramlar

Termodinamik Hesaplar

İçin Alt Programlar

İteratif Yöntemler

İçin Alt Programlar

Fiziksel Özellikler

İçin Veri Dosyaları

Maliyet Hesapları

İçin Veri Dosyaları

GİRDİ VERİLERİ

ÇIKTILAR

Tipik Bir Benzetim (Simülasyon) Programının İçeriği

57

1. Ana çalıştırıcı programı (executive program) ‘EXE’

2. Ekipman performans alt programlarını 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 alt programlar.

Proses akım diyagramlarının oluşturulmasında kullanılan programlarda

kütle ve enerji denkliklerinin çözümü, iterasyon yöntemleri kullanılarak

yapılır. İterasyon sırasında uygun parametrelere belirli artışlar verilerek geri

döngüler yapılır. İstenilen değere ulaşılınca döngüden çıkılmış olur.

Tüm bu proses benzetim paket programlarının içerikler

temel olarak şu şekilde özetlenebilir.

58

• Bilgisayara problemi tanıtmak için, temel işlemlerin ve akım bağlantılarının sırasını gösteren elementer bir proses akış diyagramı hazırlanır ve daha sonra bir bilgi akış diyagramına dönüştürülür.

• Bilgi akış diyagramında yer alan her bir blok benzetim

programındaki hesaplama modüllerinden birine karşılık gelir.

• Bileşim, sıcaklık, veya basıncın değişime uğramadığı

üniteler bilgi akış diyagramlarına dahil edilmezler. Diğer taraftan bileşim, sıcaklık veya basınç değişimine neden olan her ünite ve her ünite parçası diyagram içerisinde yer almalıdır.

• Bu diyagramda blokları birleştiren çizgi ve oklar bir alt programlardan diğer bir alt programa bilgi akımını ve yönünü göstermektedir.

Bilgi Akış Diyagramları Prof. Dr. Ali Karaduman

59

Nitrobenzenin hidrojenasyonuyla anilin üretim prosesi akım diyagramı


Bilgi Akım Diyagramı

Örnek Prof. Dr. Ali Karaduman

60

Fraksiyon Katsayıları Kavramı ve Kolay Çözümler

Kimyasal proseslerde yer alan ünitelerin yani temel işlemlerin yapıldığı

ekipmanların çoğunda üniteye giren akım kolon çıkışında üst ve dip ürün olarak

iki akıma ayrılır. Örnek:

• 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 FRAKSİYON KATSAYISI denir.

Bir prosesin tasarımının veya geliştirilmesinin ilk aşamasında kaba ve yaklaşık

bir kütle denkliği hesaplamaları için basit programlar kullanarak akım

diyadramlarını oluşturmak olasıdır.Özellikle devir akımı içeren prosesler ve

kütle denklikleri ve enerji denkliklerinin birlikte çözümünü gerektirmeyen

tasarım çalışmaları için bu tip basit programların kullanılması önerilir. Bu tür

programların en önemli özelliği kişisel bilgisayarlarda uygulanabilmesidir.

61

Kütle denkliğinin oluşturulmasında kullanılan simgelerin gösterimi

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

Bir üniteden çıkan bileşenin akış hızı üniteye giriş akış hızı ile

fraksiyon katsayısının çarpımına eşittir. Yani, i ünitesinden çıkan ve j

ünitesine giden k bileşenin akış hızı (jk), üniteye giriş akış hızı (ik)

ile fraksiyon katsayısının (jik)çarpımına eşittir.

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.

Fraksiyon katsayısı, ünitenin tasarım özelliklerine ve üniteye giren

akımın özelliklerine bağlıdır.

1 Nolu ünite için kütle denkliği:

kkk kkkg 321 131210



kk k 12 21

kkk kkkg 123 313230

64

kk

k

kkk

g

g

kkk

kk

kkk

3031

2

101312

0

3k2321

121

1211

Denklemler düzenlenip matris formunda yazılabilir

k

k

k

k

k

k

k

g

g

x

k

30

10

3

2

1

32k31

21

13k

0

1 -

0 1

- - 112

Her bir bileşen (k) için bu denklem takımı yazılır. Bazı ünitelerin çıkış akımında

giriş akımında yer almayan bileşenler bulunabilir. Bu bileşen sanki üniteye

dışarıdan giriyormuş gibi gösterilir.

GENEL : n tane ünite için denklemler düzenlenip matris formunda genel bir eşiklikler

yazılabilir

1. Proses akım şemasını çiziniz.

2. Bilgi akım şemasını çiziniz.

3. Bileşenler için kütle denkliklerini kurarak matris formunda yazınız.

4. Proseste mevcut bileşenler için ayrık fraksiyon katsayılarını belirleyiniz ve her bir

bileşen için matris formundaki kütle denkliklerini tekrar yazınız. 65

Örnek 11 : İzopropil Alkol’den Aseton Üretimi

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.

Reaktörde ZnO-Cu katalizör kullanılmakta, tepkime 400-500 oC sıcaklık ve 4.5 bar

basınç altında yapılmaktadır. Prosesde aseton verimi %98’dir. İzopropil alkolun

reaktörden her geçiş dönüşüm oranı %85-90 civarındadır.

66 Proses Akım Diyagramı

Bilgi Akış Diyagramı

Çözüm

İzopropil alkolden aseton üretim Proses akım diyagramı ve bilgi akım

diyagramı aşağıdaki gibidir. Bu proses için kütle denkliklerinin kurulmasında

kullanılan simgeler ise aşağıdaki şekilde verilmiştir.



67

1 2 3 4 5

68

Denklemler düzenlenerek matris formda yazılırsa

Fraksiyon

katsayılarının

belirlenmesi:

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.

İzopropil 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.

3. Yıkayıcıda izopropil alkolün %99’u absorplanarak sıvı faza geçmektedir.

4. Üretilen aseton içerisinde safsızlık olarak en fazla %1 oranında izopropil alkol

bulunmasına izin verilmektedir.

5. 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

70

9.

71

Fraksiyon Katsayılar;

Fraksiyon katsayıları ve prosese

dışardan verilen akımların

sayısal değerleri aşağıda toplu

olarak verilmiştir.

* Absorbsiyon kolonuna dışardan gönderilen su miktarı kolon tasarımına bağlıdır. O

nedenle kolona gönderilen su miktarı (kmol/st) = g304=200 mol alınmıştır.


72

1. Her bir bileşen (k) için her bir ünitedeki fraksiyon katsayıları ve taze besleme akımları belirlenir.

2. Her bir bileşen (k) için fraksiyon katsayıları matris formunda yazılarak denklem takımı çözümünden ilgili bileşenin her üniteye giriş akış hızı hesaplanır.

3. Hesaplanan değerler tasarım kısıtlamaları sağlanana kadar fraksiyon katsayıları ve taze besleme akımları değiştirilerek tekrar hesaplanır.

İzlenecek Yol

73

4. DERS

74

Borulandırma ve

Enstrümantasyon

Diyagramları

(P&ID)

75

Borulandırma ve Enstrümantasyon Diyagramları

Borulandırma ve enstrüman diyagramları (P&I diagram: Piping and

Instrumentation) proses tasarımının son basamağıdır ve tesisin

inşasında bir rehber olarak hizmet verir.

Proses akım diyagramları, ekipmanların ve onların büyük ara bağlantı

parçalarının düzenlenmesini gösterir.

Borulandırma ve enstrüman diyagramları ise, ekipmanların,

cihazların, borulandırmanın, vanaların, bağlantıların ve onların

düzenlenmesinin mühendislik detaylarını gösterir ve MÜHENDİSLİK

AKIM ŞEMALARI veya MÜHENDİSLİK ÇİZGİ DİYAGRAMLARI

olarak da adlandırılır.

76

Örnek

P&I Diyagramlarının İçeriği

EKİPMAN

Yedek birimler

Paralel birimler

Her birimin detay özetleri

BORULANDIRMA

Büyüklük (kullanılan standart ölçü)

Şedül (kalınlık)

Yapı malzemesi

Yalıtım (kalınlık ve tip) CİHAZLAR

Göstergeler

Kaydediciler

Kontrol ediciler

Cihaz hatları gösterimi

Borulandırma ve Enstrumantasyon Diyagramlarında BULUNANLAR

Borulandırma ve Enstrumantasyon Diyagramlarında BULUNMAYANLAR

İşletme koşulları, T, P

Akım akış değerleri

Cihaz yerleşimleri

Boru yolları

a. Boru boyu

b. Boru bağlantıları

Destekler, yapılar, kurumlar

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 .

• Vanalar, kontrol vanaları, pompalar, reaktörler, çeşitli kaplar ve ayırma kolonları gibi ekipmanlar için uluslararası (ISA) ve bazı devletler için ulusal (İngiliz standartları (BS 1646, . Austin 1979 ve Amerikan ANSI) standart semboller geliştirilmiştir.

http://en.citizendium.org/wiki/File:PFD_Symbols.png

80

81

Örnek

82

Tanıtıcı Yazılar : Ekipmanları

Ünite ve ekipman kodlamaları 101 numaradan başlar, akış hatlarına göre aynı hat

üzerindeki üniteler 101, 102, 103, 104..... olarak devam eder. Farklı hatta geçildiğinde

kodlama kademesi 100 birim arttırılarak 201, 202, 203.... olarak devam eder,

Pompalar: P-101, P-102, P-103, P-201, P-301.... olarak kodlanır.

Reaktörler : R-101, R-102, R-103, R201, R301…. olarak kodlanır. R-101 : 100 birimde veya hattındaki 1. reaktör

T-905 : 900 biriminde veya hattındaki 5. kule P-301 A/B : 300 biriminde 1. Pompa artı yedekli

Genel Format : XX-YZZ A/B/…

XX : Ekipmanın 1 veya 2 harf ile gösterimi

Y : 1 veya 2 digit birim numarası (1-99)

ZZ : Birimdeki ekipman numarası (1-99)

A/B/… yedek malzemenin varlığını gösterir.

P- Pompa (Pump)

E- Isı değiştirici ( Heat Exchanger)

H- Yakıtlı ısıtıcı (Fired Heater)

V- Kap (Vessel)

R- Reaktör (Reactor)

T- Kule (Tower)

TK- Depolama tankı (Storage Tank)

C- Kompresör veya Türbin (Compressor or Turbine)


83

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.

XYZ

Tanıtıcı Yazılar : Cihazlar

P&I diyagramlarının çiziminde prosesin tasarımını ve proses kontrolünü iyi bilen uzman kişiler görev alırlar.

Proses için, kontrol sistemlerinin belirlenmesinde proses

akım şemaları önemlidir. Proses kontrol sistemlerine göre

de enstrümantasyonun hazırlanması gerekir.

84

Tanıtıcı Yazılar : Cihazlar Prof. Dr. Ali Karaduman

Not: 1. A, alarm için eklenir ve alarmın üst değeri H, alt değeri L ile simgelenir

2. Farkı göstermek için D kullanılır. Örnek: PD basınç farkını gösterir.

3. İkinci harfte F olursa oranı gösterir. Örnek: FFC akış oranı kontrolu demektir.

Cihaz çeşitleri

86

Hatlar Prof. Dr. Ali Karaduman

87

P&I Diyagramlarının Oluşturulması Prof. Dr. Ali Karaduman

Örnek

Cihaz Kullanımı

89

Cihazlar, tesis işletimi boyunca proses değişkenlerini

izlemeyi sağlarlar. Onlarla, otomatik kontrol devreleri

kurulabilir veya proses işlemlerinin 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

bağlanabilir.

Tercihan doğrudan ölçülebilen proses değişkenleri

izlenir. Kolay ölçülemeyen bazı proses değişkenleri

yerine ölçülebilenlerden dolaylı olarak izlenir.

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

Ürün kalitesi : Belirli kalite standardı içinde ürün bileşimini sağlamak

Maliyet : Diğer konulara eşit en düşük ürün maliyetinde işletmek

Tipik bir kimyasal proses tesisinde bu konular, otomatik kontrol,

manuel izleme ve laboratuar analizleri ile başarılır.

91

5. DERS

P&I Diyagramlarında Otomatik kontrol devreleri

Kontrol edici: P, PID, fuzzy kontrol ve bilgisayar kontrol rutinleri vb.

Son kontrol elemanı : Hemen hemen bütün kimyasal proses kontrol devrelerinde son

kontrol elemanı vanadır. Ayrıca, triyak ve DC motor da olabilir.

Proses : Reaktör, destilasyon kolonu buharlaştırıcı, sıcak su tankı vb..

Sensör : Kontak termometre, rezistans termometre, ısıl çift, basınç sensörleri, akış

ölçerler vs…

Set noktası : Prosesin tutulmak istenilen değeri (Sıcaklık 350 °C de sabit gibi)

Kontrollü değişken : Sensörün ölçtüğü değişken (Sıcaklık, basınç vs…)

Seviye kontrolü Akış kontrolü Basınç kontrolü Sıcaklık kontrolü Hız kontrolü


93

Proses Kontrol devresinin oluşturulması

Örnek otomatik kontrol devreleri

- Seviye kontrolü

LC

Kolonun tabanındaki seviye kontrolü için tipik bir düzenleme gösterilmiştir. Pompa boşaltma hattı üzerinde bir kontrol vanasının yer alması gerekir.

Basınç kontrolü

PC

Doğrudan boşaltma ile basınç kontrolu

PC

Yoğuşturucudan sonra yoğuşmayanların boşaltılması

Basınç kontorlü, buhar veya gaz kullanılan pek çok sistem için gereklidir. Kontrol metodu, prosesin doğasına bağımlıdır.

Akış Kontrolü

Bir santrifüj compresör veya pompa için alternatif şema

Emme-basma pompa için akış kontrolu

Akış kontrolu sağlamak için sabit hızda

çalışan ve yaklaşık sabit hacimde çıkış yapan

bir kompresör veya pompada bir yan geçiş

(by-pass) kontrolü kullanılmalıdır.

FC

FC FC

Sıcaklık kontrolü

Proses

TC

Bir akışkan akımının kontrolu

Proses

By-pass kontrol

Eğer, alışveriş iki sabit akışlı

proses akımı arasında ise, by-

pass kontrol kullanılır. TC

Soğutma veya ısıtma ortamı akışının

değişimi ile sıcaklık kontrolu konusundaki

en basit düzenlemeyi gösterir.

Kaynatıcı ve buharlaştırıcı kontrolü

Besleme

FC LC

Buhar

Tuzak

Buharlaştırıcı Kontrol

Buharlaştırıcılar için sıklıkla seviye kontrolü kullanılır. Şekilde

görüldüğü gibi akış kontrolü üzerindeki buharlaştırıcıya beslenen

sıvı akış hızı ve kontrol edici ısıtma yüzeyine gönderilen buharın

miktarını ayarlayarak seviye kontrol edilmektedir

Damıtma Kolonu Kontrolü

Damıtma kolonu kontrolünün temel konusu, üst ve alt ürünün

belirli bir bileşimini ve yan akımlarda bozulanların etkisini

düzelterek temin etmektir.

TC

TC

Sıcaklık deseni kontrolu.

Bu düzenleme ile tepe ve dip sıcaklık kontrol edicileri arasında iç etkileşim olur

Besleme

FC

Buhar

100

Örnek

Reaktör Kontrolü

101

Reaktör kontrolünde 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 edilebilir.

Örnek

Örnek

104

Örnek

105

Örnek

106

Örnek

107

Örnek


https://controls.engin.umich.edu/wiki/index.php/File:SampleP%26ID.JPG

108

Örnek

109

Örnek

Elektrik diyagramları

111

112 NOT: Slaytlar, KYM 415 Proses Tasarımı I dersi kapsamında hazırlanmıştır. Dersin

dışında izinsiz kullanmayınız. Prof. Dr. Ali Karaduman

Documents

(PFD) ve Entrümantasyon Diyagramları