distilasyon tasarımı

8/10/2019 distilasyon tasarımı

http://slidepdf.com/reader/full/distilasyon-tasarimi 1/114

RAFLI KOLON TASARIMI

Burada verilen tasarım yntemlerinin ou her ne kadar

distilasyon proseslerine ynelikse de bu tasarım yntemleri

sıyırma (stripping), absorpsiyon ve ztleme (extraction) gibidier ok kademeli ayırma proseslerine de uygulanabilir.

Kimya ve buna balı endstrilerde en ok kullanılan ayırma

prosesi distilasyondur. Distilasyon ilemini dier nemli bir

temel ilem olan buharlatırma (evaporasyon) ilemindenfarklı olduunu bilmek gerekir.

Distilasyon ve dier raflı denge proseslerini iyi bir ekilde

anlayabilmek iin ideal karıımları, azeotropik karıımları,buhar-sıvı dengesini bilmek ve denge verilerini elde

edebilmek gerekir.

Bu bakımdan bu husus ncelikle incelenecektir.



Ikili sıvı çözeltisinin sıcaklık-deriim (t-xy) diyagramı



olacaından, bu iki denklem yardımıyla sıvı-buhar denge

ilikisi öyle hesaplanabilir: Saf A ve B bileenlerinin adı geçen

basınta kaynama sıcaklıkları arasında (tA< t <tB) keyfi t

sıcaklıkları seçilir. Bu sıcaklıklarda A ve B nin buhar basınları Antoine denklemlerinden hesaplanır. Bulunan deerler önce

(5-3) daha sonra (5-4) denkleminde yerlerine konup x ve y

deerleri hesaplanır. Sonra bu deerler yardımıyla t-xy ve xy-

diyagramları kolayca izilebilir.



5.2.2 Ideallikten Sapmalar: Gerçek ve Azeotropik Çözeltiler:

Gerçek çözeltilerde, sıvı çözeltisi üzerinde ölçülen toplam

basın (5-2) denkleminden hesaplanan toplam basıntan

büyük veya küçük olabilir. Eer bir sıvı çözeltisi üzerindekitoplam basın denklem (5-2) den hesaplanan toplam

basıntan büyükse bu gerçek çözeltinin Raoult yasasından (+)

yönde, küçükse (-) yönde sapı söylenir. Bu gibi durumlarda

bileenlerin kısmi basınları da deriimle artık dorusaldeimezler. ek.5.4 de ideallikten (+) ve (-) yönde sapan

çözeltilerde kısmi ve toplam basınların sıvı deriimiyle ne

ekilde deitikleri gsterilmitir. ekillerden grldü üzere

bir bileenin sıvıdaki mol kesri 1 e yaklaırsa , kısmi basıncıda

ideal çözelti kısmi basıncına yaklaır. Buradan Raoult yasasının

gerçek çözeltilerde bile çözeltinin o bileence deriik olduu

durumlarda geçerli olduu anlaılır. Gerçek çözeltilerde (5-1)

denklemleri,



Eitlik 5.5 teki gibi yazılırlar. Burada γA ve γB A ve B

bileenlerinin sıvı fazı aktivite katsayıları olarak adlandırılırlar.Sıvı çözeltilerinin ideallikten ne derece saptıklarının birer

ölçüsü olan bu katsayılar, ideal çözeltilerde 1 e eit, idealliktenaz sapmalarda 1 e yakın, büyük oranda sapmalarda ise 1 den

çok farklıdırlar. Sıcaklık ve deriime balı olan aktivite

katsayıları ideallikten (+) yönde sapmalarda 1 den büyük, (-)

yönde sapmalarda ise 1 den küçüktürler. ek.5.5 deideallikten (+) ve (-) yönlerde sapan iki deiik çözelti için

bileenlerin aktivite katsayılarının çözelti deriimi ile

deiimleri gsterilmitir. Ideallikten sapmanın büyük ve iki

bileenin buhar basınları arasındaki farkın küçük olduu bazı durumlarda sabit sıcaklıkta çizilen



toplam basın-deriim erileri belli bir deriimde bir

maksimum veya minimumdan geçebilir. Bu tip çözeltilerin

azeotrop (sabit sıcaklıkta kaynama) oluturdukları söylenir.

Maksimumdan geçme minimum sıcaklıkta kaynayanazeotropizmle, minimumdan geçme ise maksimum

sıcaklıkta kaynayan azeotropizmle sonulanır. Minimum ve

maksimum sıcaklıklarda kaynayan azeotropizmlerde; sabit

sıcaklık, sabit basın ve xy-diyagramları ek.5.6 da

gsterilmilerdir. ekillerden grldü üzere Az noktasında

sıvı ve buhar erileri kesiirler. Bu, bu noktaya tekabül eden

sıvı çözeltisinin aynen saf bir sıvı gibi sabit sıcaklıkta kaynayacaını ve oluan buharında sıvı ile ayni deriime sahip

olacaını gösterir.



.3.3.4 Azeotropik Karıımların Ayrımsal Damıtılması:Minimum veya maksimum kaynama noktalı azeotropa sahip

ikili sıvı çözeltileride yukarıda bahsedilen metodlara göre

ayrımsal damıtılmaya tabi tutulabilirler. Yalnız bu durumdaazeotrop deriimini amak mümkün olmadıından tam bir

ayrılmanın elde edilmesi söz konusu olamaz. Ama besleme

akımının deriimi ile azeotropik deriime balı olarak

karıımda bulunan bileenlerden birini saf elde etmekmümkün olabilir. Bu durum konumuz dıında kalacaktır.



olacaı kolayca gösterilebilir. Her ne kadar buhar basınları sıcaklıkla deiirlerse de ideal çözeltilerde oranlarının yaklaık

olarak sabit kaldıkları gzlenmitir. Bu bakımdan (5-14)

denklemi ideal çözeltilerde sıvı-buhar denge ilikisini ifadeetmede rahatlıkla kullanılabilir. Gerçek çözeltilerin bir ounda

baıl uuculuun sıcaklıkla deiimi çok fazla deildir. Bu tür

çözeltilerde alıma sıcaklıklarının alt ve üst limitlerinde

hesaplanan baıl uuculukların geometrik ortalaması alınarak (5-14) denklemi yine kullanılabilir. Bu ekilde hesaplanan baıl uçuculuklar arasındaki fark %15 den fazla ise denklemin

kullanılması pek tavsiye olunmaz. α 1 den ne kadar büyükse

iki bileenin damıtma ile ayrılması o denli kolaydır.



Bir distilasyon kolonunun tasarımında genellikle aaıda

adımlar izlenenir.

1. Istenilen ayırma derecesinin belirlenmesi ve ürün

spesifikasyonu(besleme termal pozisyonu, beslemekompozisyonu vs.)

2. Iletme koullarının seçilmesi (Kesikli mi? sürekli mi?)

ve iletme basıncının belirlenmesi (uuculuu dk madde

varsa veya yüksek kaynama noktalrında bozunabilen madde

varsa vakum yapılır )3. Kolon içindeki temas tipinin seçilmesi (raflı? veya dolgulu? )

4. Ideal raf sayısı için geri akma oranınının (reflux)

belirlenmesi (Rd ile raf sayısı ters orantılıdır)5. Kolon boyutlarının hesaplanması: çap, yükseklik, gerçek

kademe sayısı ve benzeri deerler.

6. Kolon iç tasarımı.



(



5.4 Sıvı-Gaz Temasında Kullanılan Raflı Kolonların Iç Tasarımı:



5.4 Sıvı Gaz Temasında Kullanılan Raflı Kolonların Iç Tasarımı:Gerek gaz absorpsiyonunda gerekse ayrımsal damıtma

ilemlerinde raflı kolonlar çok sık kullanılırlar. Bu kolonların

tasarımlarında ilk adım, gerekli olan raf sayısını hesaplamaktır.Bundan sonraki adımı ise kolon apının hesabı ve rafların

dizaynıdır. Kolon apı dorudan doruya kolon içinde hareket

eden fazların miktarlarına balıdır.

Bugün endüstride kullanılan deiik raf tipleri vardır. ek.5.45



Bugün endüstride kullanılan deiik raf tipleri vardır. ek.5.45

de bunlardan bazıları gsterilmitir. En yaygın olarak

kullanılanları: delikli raflar ve valflı raflardır. Bir zamanlar çok

kullanılan kampanalı raflar maliyetleri nedeniyle bazı özeldurumlar dıında pek kullanılmamaktadırlar. Delikli raflar

dük maliyetleri ve iyice gelirilmis ̧ dizayn kriterleri

nedeniyle hemen hemen standarttırlar. Yegane mahzurları gaz

(buhar) debisinde dizayn deerinin altına dülmesinde rafetkinliini olumsuz yönde etkileyen aglama (deliklerden

sıvının dökülmesi) olayı ile karılaılmasıdır.

Eer alıma esnasında zaman zaman böyle durumlarla



y

karılaılacaksa delikli raflar yerine valflı raflar tercih

edilmelidir. Zira bu raflar delik sayısını gaz yüküne göre

otomatik olarak ayarlayan bir zellie sahip olduklarından genis ̧ bir gaz debisi aralıında raf etkinliini kaybetmeden

alıabilirler. Maliyetleri delikli rafa göre çok daha yüksektir.

Bütün bu raf tipleri için kolon iç dizayn denklemleri elde

olunmutur. Bu denklemler farklı raf tipleri için birbirlerinebenzerlik taırlarsa da birbirlerinin aynısı deildirler. Aaıda

örnek olarak çok yaygın olarak kullanılan delikli raflı kolonun iç

dizaynı incelenecektir.

Distilasyon kolonlarında bulunan rafların tasarımında göz



y g

önünde bulundurulması gereken en önemli noktalar unlardır:1. Raf üzerinde iyi bir buhar-sıvı teması salanmalı.

2. Iyi bir kütle aktarımı için rafta yeterli sıvı tutulması salanmalı.3. Sürüklenme ve basın dmesinin kabul edilebilir sınırlar içinde olması için aktif raf alanı ve raflar arasındaki uzaklık

titizlikle saptanmalıdır.4. Sıvı fazın raflar arasında serbestçe akabilmesi için savak

kanalının alanı yeterli büyüklükte olmalıdır.

Delikli bir raf ek.5.46 de gsterildii gibi dairesel bir metal



g g

levhanın aktif alan (Aa) olarak tanımlanan bölgesine belli

aralıklarla küçük aplı deliklerin delinmesi ile elde olunur.

Rafın bir kısmı (Ad) sıvının bir alttaki rafa akmasını salamakiçin oluturulacak kanal nedeniyle kesilmitir. Bu kanala sıvı kanalı denir. Bu kanalı oluturmak iin rafa tutturulacak olan

metal levhanın bir kısmı raf seviyesinin stne ıkarılarak raf

savagı kanalı (downcomer) oluturulur. Buna göre savaın boyu Lw, ykseklii ise hw olur. Rafın dier tarafında, bir üst

rafın sıvıyı taıma kanalının altına gelen kısmına delik aılmaz.

Buna göre eer Ac rafın toplam kesit alanını gösterecek olursa

aktif alan; Aa=Ac-2Ad olur.



Resim 1.1: Kolonlardaki raflar



Şema 1.7: R aflarda fazlar arasındaki ak ış hareketliliği



Amaç, bütün raf tiplerinde olduu gibi delikli rafta da, raf



verimini yüksek tutmaktır. Bunun için bir savak yardımıyla raf

üzerinde belli bir yükseklikte tutulan sıvı içerisine, gaz veya

buhar fazı ufak kabarcıklar halinde daıtılır. Sıvı ykseklii nekadar fazla ise sıvı gaz teması da okadar uzun olacaından raf

verimi de artacaktır. Fakat aynı zamanda, sıvıdan geçen gazda

yüksek basın dü demektir. Bu ise yüksek iletme maliyeti

demektir. Buradan, savak yksekliinin optimum bir düzeydetutulması gerei ortaya ıkar. Dier taraftan raf verimini

yüksek tutabilmek için gazın sıvı içinde olabildiince küçük

boyutta daıtılması ve sıvıdan olabildiince yüksek hızda

geçmesi istenir. Zira bu halde sıvı ile gaz karıımındaki yüksektürbülanstan dolayı kütle aktarım katsayıları büyük olacakları gibi sıvı gaz arasındaki kütle aktarım yüzey alanı da büyük olur.

Bu iki husus da yüksek raf verimi demektir. Ama gazın yüksek



ghızı demek yine gaz fazında basıncın yüksek olması demektir.

Gaz hızının fazla yüksek olmasının bir dier mahzuru ve raf

veriminin bu sefer azaltıcı etkisi, gazın raf üzerindeki sıvının birkısmını ince zerreler halinde bir üstteki rafa taımasına neden

olur. Buradan da anlaılacaı gibi gazın yüksek hızı belli bir

deerden sonra yarardan çok zarar getirebilmektedir. Gaz

fazında yüksek basın dü bu kanaldaki sıvı seviyesinindaha da yükselmesi demektir. Artan basın dü ile kanalda

yükselen sıvı seviyesi bir üst rafın sıvı seviyesine ulaacak

olursa bütün kolon sıvı ile dolar, gaz fazı raflardan düzensiz bir

ekilde geçmeye balar ve raf etkinlii de hızla der. Ite buolay tama olayıdır. Dolayısıyla kolon içinde gaz hızı öyle

seçilmelidir ki tama olayı gözlenmesin. Dier taraftan gazın

deliklerden geçis ̧hızı dük olursa, bazı deliklerden sıvı bir alt

rafa akar.

Aglama olarak adlandırılan bu olay raf etkinliini önemli



ölçüde dürür. Bütün bu aıklamalardan kolon içinde akan

sıvı ve gaz (buhar) akıs ̧hızlarına balı olarak rafın problemsiz

olarak alıacaı bir bölgenin olacaı anlaılır. Bu bölgeek.5.47 de gsterilmitir. Konileme dük sıvı hızlarında

gözlenen bir olaydır. Bu durumda gaz sıvıyı delik çevresinden

iter ve kendisi bir ters koni eklinde raftan geer gider. Sıvı gaz

teması istenen dzeyde olmayacaından bu olay da rafetkinliini nemli lde azaltır. Sıvı debisi buhar debisine

kıyasla çok yüksek olduu zaman raf üzerinde istenmeyen bir

sıvı kanalı dar boazı oluur.



SEMBOLLER



Aa : Bir rafta belirli aralıklarla küçük aplı deliklerin delinmesi

ile elde olunan aktif alan (m

2

) Aa=Ac-2Ad Ad : Sıvının bir alttaki rafa akmasını salamak için oluturulan

sıvı kanalının kesit alanı (m2)

Ac : Rafın toplam kesit alanı (m2)

An : Buhar ve sıvının temasta olduu net alan (kesik kısım haricindeki raf alanı) An=Ac-Ad

Ah : Toplam delik alanı (m2), Genellikle toplam delik alanı aktif

alanın % 5-15 i arasında deiir.

L : Sıvı debisi (kg/s)G

:Buhar debisi (kg/s)

ρL : Sıvının younluu (kg/m3)



e : Bir raftan bir üstteki rafa gaz tarafından taınan sıvı miktarı



kg/s

E : Kesirsel sıvı taınması ̧(ek.5.49). Iyi bir dizayn için E nin

0.1 den ufak olması istenir.

dh: Aktif alana aılan deliklerin apı (mm) olup en yaygın

kullanılan delik apı 5 mm dir. Delikler aktif alana ekenar

üçgen veya bir kare olacak ekilde delinirler.

pT : Delik merkezleri arasındaki mesafe, (mm) 2.5-5 delik apı boyutunda olmalıdır. Küçük olursa, deliklerden ıkmakta olan

gaz kabarcıklarının birleir büyük olursa lüzumsuz yere kolon

apını arttırmı oluruz.

Raf Savagı: Sıvı kanalına tutturulmu dikey levha.Lw : Savaın boyu (m), savak üzerinden akan sıvının

yksekliini, (how (mm sıvı)) fazla yapmayacak boyutta olması gerekir.

hw : Savak ykseklii (mm). hw yüksek olursa temas süresi



artar, raf verimi artar ama basın d de artar. Optimum

deeri bulunmalıdır. Atmosferik kolonlarda en yaygın

kullanılan yükseklik 50 mm dir.

how : Savak üzeri sıvı ykseklii. Sıvının hacimsel debisi ile

doru, savak boyu ile ters orantılıdır. hw+how toplamının 50

mm den az olmaması gerekir.

Dc : Kolon apı (m)ho : Kuru raf basın kaybı. Gazın sıvı yokken deliklerden

geçmeye zorlanması nedeniyle oluur. (bkz.5.4.6)

uhm : Minimum delik hızı (m/s)

uh : Gazın deliklerden geçis ̧hızı (m/s)Co : Orifiz sabiti (ek.5.50)



hpe: Sıvının daralmadan dolayı akıı esnasında maruz kalacaı



basın d (mm su sütunu). Bu basın dü de kendini

sıvı taıma kanalında gösterecektir.

θdr

: Sıvının, sıvı taıma kanalında kalıs ̧süresi (s), gaz

kabarcıklarının sıvıyı terk edebilmeleri için θdr ≥ 5 saniye

olmalıdır.



çapı 1m'den büyük kolonlarda raflar arası uzaklık 0,3-0,6m arasındadır.



olur. Kesirsel sıvı taınması akıs ̧parametresi ile tama hızının

d b l d



yzdesine balıdır. Bu

iliki ek.5.49 da grafiksel olarak verilmitir. Iyi bir dizayn için E

nin 0.1 den ufak olması istenir.

5.4.4 Delikler: Aktif alana aılan deliklerin apları (dh), 3-15

mm arasında deiirlerse de en yaygın kullanılan delik apı 5mm dir. Delikler bu alana ya bir ekenar üçgenin kelerinde

veya bir karenin kelerinde olacak ekilde düzenli olarakdelinirler. Delik merkezleri arasındaki mesafe, PT(mm) 2.5-5

delik apı boyutunda olmalıdır. Daha küçük mesafe,

deliklerden ıkmakta olan gaz kabarcıklarının birlemesi ile

sonulanır. Daha büyük mesafe ise lüzumsuz yere kolon apını arttırmak demektir. Buna



5.4.5 Savak: Savak yksekliinin, hw(mm) büyük olması sıvı iled bi ü i i l d l l f



gaz arasında uzun bir temas süresinin olmasını, dolayısıyla raf

etkinliinin artmasını salarsa da, bu gazdaki basın dünü

de aracaından bir optimum yksekliin bulunması gerekir.

Bu yükseklik vakum altında alıan kolonlarda 20 mm ye kadar

inerse de, atmosferik basıncın üzerinde alıan kolonlarda, 75

mm ye kadar ıkabilir. Atmosferik kolonlarda en yaygın

kullanılan yükseklik 50 mm dir. Dier taraftan savak uzunluuLw(m) nin, savak üzerinden akan sıvının yksekliini, how(mm

sıvı) fazla yapmayacak boyutta olması gerekir.



adımda

distilasyon tasarımı

Documents