Download - REAKTÖR TASARIMI
1. LİTERATÜR TARAMA
1.1. BENZENİN TANIMI VE ÖZELLİKLERİ
Aromatik bileşiklerin en basiti benzendir. Ayrıca bilinen en eski organik bileşiklerden
biridir. Benzenin nicel element analizi, % 92,3 C ve % 7,7 H olup bileşim formülü ‘’CH’’ dir.
Buhar yoğunluğuna göre tayin edilen molekül ağırlığı 78 g/ mol’dür. Buna göre kapalı
molekül formülü C6H6 olur. Bu kapalı formüle, düz zincirli ve halkalı olmak üzere birçok
açık molekül formüllü karşılık gelebilir. Halkalı olan iki yapı formülünü aşağıda verilmiştir.
Bunlardan biri Kekule öteki Dewar formülüdür.
Şekil 1.1.1. Benzen Molekülünün Birbirinden Farklı İki Yapısal Formülü
Genelde Kekule formülü benimsenmiştir. Halkalı bileşiklerde genellikle halkadaki C
atomu ve buna bağlı olan H atomu yazılmayıp geometrik şekillerle gösterme geleneği vardır.
Buna göre benzenin Kekule formülü aşağıdaki şekilde gösterilir.
Şekil 1.1.2. Kekule Formülünün Geometrik Gösterimi
1
Benzen; berrak, oda sıcaklığında renksiz, aromatik yapıda hoş kokulu bir sıvıdır. Son
derece yanıcıdır. İyi bir organik çözücüdür. Kan hücrelerini öldürme etkisi olduğundan
kanser yapan bileşikler arasına girer. Alkol, kloroform, eter, aseton, karbon tetra klorür,
glasiyal asetik asit ve yağlara karışır. Organik çözücülerin çoğunda çözünür. Suda
çözünürlüğü çok düşüktür. Buharları dumanlı bir alev çıkartarak yanar. Benzen, benzol,
siklohekzatrin, fenilhidrit, kömür katranı naftası olarak da adlandırılır.[1]
Çizelge 1.1.1. Benzenin Genel Özellikleri
ÖZELLİKLER BİRİM DEĞERİ
MOLEKÜL AĞIRLIĞI 78,11 g /mol
ÖZGÜL AĞIRLIĞI (200C) 0,879 g / L
KAYNAMA NOKTASI 80,1 0C
DONMA NOKTASI 5,5 0C
VİSKOZİTESİ (200C) 0,654 mPa.S
ALEVLENME NOKTASI (Kapalı Kap) -11 0C
KENDİLİĞİNDEN TUTUŞMA NOKTASI 595 0C
Benzenin yapısının kimyasal reaksiyonlara ne şekilde bir tepki gösterdiği üzerine
yapılan çalışmaların organik kimya teorilerinin gelişmesinde önemi büyük olmuştur. Hidrojen
atomlarının karbon atomlarına oranının böyle düşük olduğu bir bileşikten umulan katılma
reaksiyonları benzende olmaz. Benzenin gösterdiği tipik reaksiyonlardan biri, substitüsyon
(yer değiştirme) reaksiyonlarıdır. Bu reaksiyon bir aktif grubun benzendeki bir hidrojeni
çıkarıp onun yerine geçmesi şeklinde gerçekleşir. Bu davranışı açıklamak altı elektronun
(benzende varmış gibi gösterilen 3 tane çifte bağdan ileri gelen) belli karbonlarda değil bütün
benzen karbonlarına dağılmış olduğunu düşünmekle mümkün olur. Elektronların böyle
dağılmış olması (belli karbonlarda olmaması) molekülün kararlı olmasını sağlar.
2
Benzen, büyük ölçüde stiren üretimi için ayrıca etilbenzen, kümen, siklohegzan, lineer
alkil benzen sülfonik asit (LABSA), nitrobenzen ve maleik anhidriti gibi önemli kimyasal
maddelerin üretiminde kullanılır. Ayrıca çözücü olarak kullanımı da vardır.
1.1.1. Benzenin Homologları ve Benzen Halkasında Sübstitüentler*
Benzen halkasına düz veya dallanmış bir hidrokarbon kökü
bağlanmışsa buna ‘’yan zincir’’ denir.Benzen halkasına bir takım yan
zincirler bağlanarak benzenin homologları meydana gelir. Bunların genel
formülü n=6’dan başlamak üzere CnH2n-6 şeklindedir. n= 6 için C6H6
bulunur, bu benzendir. Homolog sıranın bundan sonraki üyesi n=7 için
C7H8 metil benzen veya özel ve en çok kullanılan adı toluendir. Şekil 1.1.1.3. Toluenin
Yapısal Formülü n=8 için C8H10 olup 4 farklı izotopu vardır.
Şekil 1.1.1.4. Etil Benzen ve İzotopları
n= 9 için C9H11, 8 izomeri vardır. Aromatik halkaya bağlı doymamış gruplar da
bulunabilir. Örneğin vinil grubunun bağlanmasıyla özel adı “stiren” olan vinil benzen,
asetilen grubunu bağlanmasıyla fenil asetilen meydana gelir. [2]
Şekil 1.1.1.5. Vinil Benzen ve Fenil Asetilen
• Sübstitüent; Molekülün asıl bileşimde bulunan atomun yerini alan başka atom.
3
1.2. TOLUENİN TANIMI VE ÖZELLİKLERİ
Çok polar olmasa da bir çok organik madde için çok iyi bir çözücüdür. Ama tepkime
sonrası ortamdan uzaklaştırılması biraz zor olmaktadır.Benzen'in aksine kanserojen olmaması,
sanayide de çözücü olarak daha çok tercih edilmesine olanak sağlar. Kuvvetli oksitleyicilerle
ve kuvvetli asitlerle şiddetli reaksiyona girer. Üzerindeki metil gurubu tolueni benzene göre
25 kat daha reaktif yapar. Endüstriyel üretimi fosil yakıt kaynaklarından olduğu için nispeten
ucuz olarak büyük miktarlarda üretilebilir. Dünyanın yıllık toplam toluen üretimi yaklaşık 12
milyon tondur.
Toluen eldesinin esas (ilk) kaynağı olan fırın gazından toluen eldesinin yerini,
gazyağının katalitik bozunması ve buhar ayrımı (destilasyon )sayesinde sıvı (ham) maddelerin
piroliz benzinden eldesi almıştır. Piroliz benzin, sıvı hidrokarbonların (gazyağı ve petrol
benzeri) buhar ayarımı yolu ile ayrılmasından elde edilir. Bu yöntemin tercihi hızla artan bir
grafik göstermektedir. Tolueni elde edebilmek için bu ayrılmış likit hidrokarbonlar stabil
olamamaları sebebiyle, aromatiklerin çekip ayrılmasından mutlaka önce, hidrojene
edilmelidirler. Katalitik bozunma yoluyla toluen eldesinde, aromatik yönden zengin bir
hidrokarbon karışımı, 17 bar ile 21 bar arası basınç; 530 °C sıcaklık altında dehidrojenasyon
katalizöründen geçirilir. Fraksiyon yolu ile hafif (kolay uçucu) hidrokarbon gazlarının
uzaklaştırılması ardından, aromatiklik yönünden daha da zengin bir distilat elde edilir.
Katalitik Bozunma sonucu elde edilen hidrokarbonlar açısından zengin karşım
maddelerin ayrılması için destile edilir. Toluen, bu destilatın azeotropik destilasyondan ya da
daha çok kullanılmakta olan (yine bu maddeden) çözücü ekstraksiyonu ile elde edilebilir.
Benzen (%99 saflıkta) Toluen (%95 saflıkta) elde edilir.
Cyclar denilen ve BP ile UOP tarafından kullanılmakta olan yeni bir proses ise kısaca;
Lpg'lerdeki propan ve bütanları aromatiklere dönüştürmeyi ifade eder. Şimdiye dek bu amaçlı
kurulan tek fabrika Suudi Arabistanda kurulmuştur. Çok az miktar da olsa toluen, hala
taşkömürü karbonizasyonu yöntemiyle, hafif yağ formunda üretilmekteyken, bazı ufak
miktarlar ise stiren üretiminde yan ürün olarak geri kazanılmaktadır.
4
Çizelge 1.2.2. Toluenin Genel Özellikleri
ÖZELLİKLER BİRİM DEĞERİ
MOLEKÜL AĞIRLIĞI 92,14 g / mol
FİZİKSEL GÖRÜNÜŞ Berrak , Tortusuz
KAYNAMA NOKTASI 110,6 - 111,6 0C
YOĞUNLUK 0,86 - 0,87 g / ml
SUDA ÇÖZÜNÜRLÜK Çözünmez (200C'de 1 g / 100 ml)
KENDİLİĞİNDEN TUTUŞMA 536 0C
1.3. BENZENİN TOLUEN KULLANARAK ELDE EDİLME PROSESİ
Üretim yöntemleri;
• Toluenin hidrodealkilasyonu ile,
• Toluenin disproporsiyonu ile,
• Etilen üretiminde yan ürün olarak,
• Petrol rafinerilerinde katalitik reforming operasyon ile,
• Kömürün karbonizasyonu 'dur.
1.3.1. Toluenin Hidrodealkilasyonu
HDA bir benzen üretme prosesidir.Toluen ve hidrojen;benzen ve metan üretimi için
katalizör ile donatılmış reaktörler içerisinde dönüştürülür.
Toluenin hidrodealkilasyon reaksiyonu hidrojenle metil grubunun benzenden
ayrılması olup toluenin 550-800 0C ve 30-100 bar basınç altında veya katalizör
mevcudiyetinde (Cr2O3 , Mo2O3 veya CoO / Al2O3 ) 500-650 0C'de veya 400-480 0C'de
(Rh/Al2O3) pirolizi ile gerçekleşir.Yüksek sıcaklıktan dolayı iki reaktör kullanılarak birinde
reaksiyon gerçekleştirilirken diğerinde katalizör rejenere edilir.
5
Toluen Benzen
Şekil 1.3.1.5. Toluenden Benzen Eldesi
Teşekkül eden metandan yararlanmak için düşük sıcaklıkta metan H2 ayrılır ve H2O ile
parçalanarak H2 üretilir ve bu H2 tekrar kullanılır. Dealkilasyon sonucu elde edilen reaksiyon
karışımından ise benzen destilasyonla ayrılır. Bifenil ve floren gibi aromatlar yan ürün olarak
teşekkül eder. Bunlar ya ayrılır ya da benzene dönüştürülür. Gulf, Arco ve Mitsubishi
Petrochemical termal prosesi kullanırken ; Shell, BASF, VOP, Detol ve Pyrotol katalitik
prosesi kullanılmaktadır.[3]
Bifenil Difenil Floren
Şekil 1.3.1.6. Bifenil, Difenil ve Florenin Geometrik Gösterimi
Toluenden hidrodealkilasyon ile benzen üretmek için meydana gelen başlıca
reaksiyonlar şunlardır;
Toluen + H2 Benzen + CH4 (3.1 - 1)
2 Benzen Difenil + H2 (3.1 - 2)
Reaksiyonlar homojen reaksiyonlar olup, 1150 F (bu ısının altında reaksiyon çok
yavaştır) ve 1300 F (bu ısının üzerinde koklaşma olur) arasında 500 psia'lık bir basınçta
gerçekleştirilir. 5/1 oranında fazla H2 kullanılır (koklaşmayı önlemek için) ve reaktör çıkış
gazları hızla 1150 F'a indirilir ki ısı değiştiricilerde koklaşma olmasın.
Tipik olarak reaksiyonda %90 dönüşüme ulaşılır.Reaksiyon oldukça egzotermik ve
homojendir.Çalışma koşulları 500oC ve 600oC arasında ve 20-60 bar arasındadır.
6
+ H2
- CH4
-30 kcal / mol
HDA prosesi taze toluen karışımı ile reaksiyona girmemiş toluenin karışmasıyla
başlar,karışma işlemi bir tankta gerçekleşir.Toluen;sonra hidrojen karışımı ve taze hidrojen
gaz akışı ile karıştırılmak için pompalanır.Bu hidrojen ve toluen karışımı ön ısıtmaya tabi
tutulur.Daha sonra fırın içerisinde tepkime sıcaklığına ısıtılır.Şu reaksiyon gerçekleşir;
C7H8 + H2 C6H6 + CH4
Bu reaksiyon geri dönüşü olmayan bir reaksiyondur ve katalizör gerektirir.
Katalizör;silika ya da alümina üzerinde krom ve molibden oksitler,platin ya da platin oksitten
oluşur.Tersinir olan şu yan tepkime de görülmektedir;
2 Benzene Diphenyl + H2
Katalitik süreç daha düşük sıcaklıklarda gerçekleşir,ancak sık rejenerasyon gerektirir.
Ürün daha sonra soğutulur,daha sonra reaksiyona girmemiş hidrojen seperatörde
ayrılır,sıkıştırılır ve reeaktöre geri beslenir.Reaktörü terk eden akım hidrojen, toluen, metan,
benzen, toluen ve istenmeyen difenili içerir.Hidrojenin çoğu ve metan aromatiklerden kısmi
yoğuşturucu yardımıyla ayrılıp,gazlar uzaklaştırılır.Ayrılma ürünleri toluen akımından ayrılır
ve geri beslemek için bir distilasyon kolonuna girmeden önce ısıtılır.Bu işlem daha yüksek
dönüşüm sağlamak için yapılır.[4]
Isıtma ihtiyacı düşük,yüksek ve orta basınçı buhar ile soğutma ihtiyacı ile soğutma
suyu ile sağlanır.
Muhtemel bir akış diyagramları aşağıda gösterilmiştir.Toluen ve hidrojen akımları
ısıtılıp , geri döndürülen hidrojen ve toluenle birleştirilip reaktörü beslemektedir. Reaktörü
terk eden akım hidrojen, toluen , metan, benzen ve istenmeyen difenil'i içermektedir.
Hidrojenin çoğunu ve metanı aromatiklerden kısmi yoğuşturucu yardımıyla ayırıp, gazları
uzaklaştırırız. Bu ayırma kabını terk eden sıvı sıcak reaktör gazlarını soğutmak için kullanılır
(diyagramda gösterilmemiştir). Flaş kabını terk eden hidrojeni geri döndürmek isteriz fakat
(3.1 - 1) reaksiyonu ile üretilen metan hidrojenle birlikte safsızlık olarak gaz fazına geçer ve
geri döndürme prosesinde döngü içinde birikir. Bundan dolayı , gaz atık akımı önemlidir ve
böylece bu birikmeyi zaman zaman atarak konsantrasyonunu kontrol edebiliriz. Gaz geri-
dönüş döngüsündeki optimum metan konsantrasyonunu tahmin etmek için hiç bir kestirme
metot yoktur. Bu tasarım değişkenini daha sonra ayrıntılı olarak inceleyeceğiz.
7
Flaş tankında ayrışan hidrojenin ve metanın tamamı aromatiklerden ayrılamaz ve
bundan dolayı kalan miktarın çoğunu distilasyon kolonunda (stabilizer ; hafif bileşenleri
uzaklaştırmak için kullanılır) ayırırız. Benzen daha sonra ikinci distilasyon kolonundan ayrılır
ve nihayet geri döndürülen istenmeyen difenil'den ayrılır. Başka alternatif akış diyagramları
çizilebilir, ancak bunları ilerleyen derslerde göreceğiz.
Enerji Entegrasyonu
Aşağıdaki şekilde gösterilen akış diyagramı pek gerçekçi ve ekonomik değildir, çünkü
her proses akımı için ısıtma ve soğutma gereksinimlerinin ayrı ayrı ısı değiştiricilerde
gerçekleştirildiğini görmekteyiz. Son yıllarda bir proses için gerekli minimum ısıtma ve
soğutma yükünü ve en iyi enerji entegrasyonunu veren ısı değiştirici ağını bulmaya imkan
veren yeni tasarım süreçleri geliştirilmiştir.
Şekil 1.3.1.7. HDA Prosesi (J.M.Douglas, AlChE J, 33:353 )
Bu yeni tasarım süreçlerini uygulamak için her bir proses akımının giriş ve çıkış
ısılarını , her bir proses akımının bileşimi ve akış hızını bilmek zorundayız. Böyle bir enerji
entegrasyonundan ortaya çıkan alternatif bir akış diyagramı ise Şekil 3.4'te gösterilmiştir.
8
Şekil 1.3.1.8. Toluenin hidrodealkilasyonu; maksimum enerji geri kazanımı gösteren akış
diyagramı
Bu çözüm D.W.Townsend (Imperial Chemical Industries, Runcorn, UK) tarafından
geliştirilmiştir.
Reaktör ürün akımının reaktör besleme akımını kısmen ön ısıtmak için kullanıldığı
görülmektedir.Sıcak reaktör gazları toluen geri-dönüş kolonunun kaynatıcısını çalıştırmak
için, besleme akımını biraz daha ön ısıtmak, stabilizer kolonunun kaynatıcısını çalıştırmak ,
benzen ürün kolonunun kaynatıcı ısı yükünün bir kısmını sağlamak ve son olarak da gazlar
kısmi yoğuşturucuya girmeden önce besleme akımını biraz daha ön ısıtmak için
kullanılmaktadır. İlaveten toluen kolonu da basınç altında çalıştırılmakta, böylece toluenin
yoğunlaşma ısısının benzen kolonundaki dip akımının kaynama noktasından daha yüksek
olması sağlanmıştır. Bu düzenlemeyle ,yoğunlaşan toluen , buhar ve soğutma suyu gibi dış
kaynaklar kullanmak yerine benzen kaynatıcı yükünün bir kısmını sağlamak için
kullanılabilir.
Enerji-bütünleşik akış diyagramı ve sadece ısıtma-soğutma ihtiyaçlarını gösteren akış
diyagramını karşılaştırırsak eğer, enerji entegrasyonunun akış şemasını daha karmaşık
yaptığını görürüz (daha fazla ara bağlantıların varlığı açıkça görülmektedir). Enerji
entegrasyon sistemini tasarlamadan önce hemen hemen tüm akış diyagramını sabitleştirmek
9
zorundayız. Çünkü enerji entegrasyonu proses akış diyagramına daha büyük karışıklıklar
ekler. Bu sebeple de, enerji entegrasyonunu proses tasarım sürecimizin son adımı olarak kabul
edeceğiz.
Şekil 1.3.1.9.Alternatif Distilasyon Zinciri
Şekil 1.3.1.10. Alternatif Farklı Bir Distilasyon Zinciri
Distilasyon Zinciri
Gösterilen distilasyon kolonları zincirini göz önüne alalım. İstenmeyen yan ürün
difenil (3.1-2) eşitliği ile oluştuğundan, difenili toluenle birlikte geri döndürebiliriz ve böylece
kimyasal bir dengenin oluşmasına izin veririz.
Bu alternatif tasarım distilasyon kolonlarından birini kaldırmamıza izin verse de
reaktörden geçen akış hızını artırmaktadır. Eğer difenili şekildeki gibi ayırmaya karar verirsek
10
toluen-difenil ayrımının çok daha kolay olmasını bekleriz.Benzen - toluen - difenil
ayrımınıyapmak için yan akımlı bir kolon kullanabiliriz.Bir başka deyişle benzeni tepeden,
tolueni besleme akımının üzerindeki yan akımdan , difenili de dip akımı olarak alabiliriz.
Tolueni beslemenin hemen altındaki yan çıkıştan alarak da çok saf benzeni tepeden
alabiliriz. Eğer toluen tepe ürününden ziyade yan çıkıştan geri kazanılırsa toluen geri-dönüş
akımının saflığı azalacaktır. Geri döndürülen toluen için hiç bir sınırlama olmadığından saflık
o kadar önemli olmayabilir ve böyle bir tasarım gelecek kazançlarda önemli bir miktar teşkil
edebilir. Benzer şekilde stabilizerdeki metan-benzen ayrımının kolay olacağını bekleyebiliriz,
o zaman (benzenin yan çıkıştan geri kazanıldığı) H2 ve CH4-bezen-toluen ve toluen-difenil
ayrımı (pastörizasyon kolonu) yukarıda gösterilen orjinal akış diyagramından daha ucuza mal
olabilir.
Buhar Geri Kazanım Sistemi
Geri dönüp flash tankını terk eden buhar akışını göz önüne alırsak, flash tankında
keskin ayırımların gerçekleşmediğini biliyoruz ve bundan dolayı aromatiklerin bazıları flash
buharı ile flash tankından gaz fazında çıkıp gidecektir.İlaveten bu aromatiklerin bazıları gaz
atık akımında kaybolacaktır.Şüphesiz bu kaçak aromatikleri ya da flash tankı buhar çıkışında
ya da gaz atık akımının üzerinde bir buhar geri kazanım sistemiyle geri kazanabiliriz.Buhar
geri kazanım sistemi olarak da aşağıdakilerden birini kullanabiliriz;
• Yoğuşturma (Yüksek basınç veya düşük ısı veya her ikisi)
• Absorbsiyon
• Adsorbsiyon
• Membran Prosesi
Bir buhar geri kazanım sisteminin ekonomik olup olmadığını tahmin etmek için gaz
atık akımındaki hidrojen ve metan akışıyla birlikte atık akımında kaybolan aromatiklerin akış
hızlarını tahmin etmeliyiz.Böylece bir buhar sisteminde akış diyagramının geri kalanını
tanımlayıp, proses akışlarını tahmin etmek zorundayız.Buhar geri kazanım sistemini sıvı
ayırma sisteminden önce tasarlamayı düşünmeliyiz.Çünkü yukarıda listesi verilen buhar geri
kazanım (gaz absorblayıcısı gibi) sistemlerinden çıkan çıkış akımları sıvı ayırma sistemlerine
gönderilmesi gereken sıvı akımlarını da içerirler.
11
Şekil 1.3.1.11.HDA Ayırma Sistemi
Ayırma Sistemleri İçin Basitleştirilmiş Akış Diyagramı
Amaçlarımızdan biri de akış diyagramını basitleştirmektir. Şekil 3.3'ün Şekil 3.4'ten
daha basit olduğu görülür.Bundan dolayı enerji entegrasyonunu son adım olarak kabul ettik.
Benzer şekilde buhar ve sıvı geri kazanım sistemlerini tasarlamak için proses akış hızlarını
bilmemiz gerektiğinden tasarımın bu kısmını enerji entegrasyonundan önce yaparız.
Şekil 1.3.1.11'deki akış diyagramı hem gaz ve sıvı geri döndürme döngüleri
içerdiğinden, fakat bazı prosesler herhangi bir gaz bileşenler içermediğinden neticelerin genel
kapsamlı olmasını bekleyemeyiz. Bu akış diyagramını buhar ve sıvı ayırma sistemini tek bir
kutuda göstererek daha da basitleştirebiliriz. Bundan dolayı ayırma sistemlerinin genel
yapısını buhar veya sıvı geri kazanım sistemlerinin yapısını tanımlamadan önce tanımlarız.
Akış Diyagramının Geri-Dönüş Yapısı
Şekil 1.3.1.11'de proses için basit bir akış diyagramı elde ettik. Bu basit gösterim
şeklini geri-döndürülecek akımları bu akımların reaktöre ek maliyetlerini ve gaz geri-
döndürme kompresörlerinin maliyetini hesaplamakta kullanabiliriz. Ayrıca bu diyagramı
12
ilave karmaşıklıklar hakkında endişelenmeden, hangi tasarım sorularının bu basit gösterimli
akış diyagramı elde etmek için önemli olduğunu anlamak için kullanırız. Mesela kaç tane geri
döngü akımı olacağını, reaktördeki ısı etkilerini, reaktördeki kimyasal denge sınırlandırmaları
ve diğer faktörleri bu diyagram üzerinde inceleriz. Böylece ayrıntıları ayırıp uzaklaştırmaya
devam edersek, ayırma sisteminin ayrıntılarından önce akış diyagramının geri döngü yapısını
incelemek istediğimizi fark ederiz.
Şekil 1.3.1.12. HDA Geri Döngü Yapısı
Şekil 1.3.1.13. HDA Girdi - Çıktı Yapısı
Akış Diyagramının Girdi - Çıktı Yapısı
Şekil 1.3.1.13.de gösteriminin çok basit olduğu düşünülebilir, fakat bu gösterim hiç bir
karmaşıklık eklemeden tüm madde dengesini etkileyen tasarım değişkenlerini anlamamıza
yardımcı olur. Hammadde maliyetinin normal olarak toplam ürün maliyetinde %33 ile %85
13
arasında bir katkıya sahip olduğu düşünülürse tüm madde dengesinin tasarımında etkin bir
faktör olduğu görülür.Şunu da hatırlatalım hammaddeden daha az kıymete sahip ürün ve yan
ürünlerin tasarım değişkenlerini inceleyerek vaktimizi harcamak istemeyiz. Bundan dolayı,
herhangi bir geri- döndürme sistemini incelemeden önce bu yapıyı etkileyen kararları ve akış
diyagramının girdi- çıktı yapısını göz önüne alırız.
Muhtemel Sınırlandırmalar
Bir akış diyagramını basitleştirerek tasarım problemlerini çözmek için genel bir süreç
geliştirmiş bulunmaktayız. Orjinal akış diyagramımız sürekli bir prosesi tek bir ürün içeren
buhar-sıvı prosesini ve sadece basit kimyasal maddeleri içermektedir. Bu sınırlandırmaları
tatmin eden birçok proses vardır ve bundan dolayı daha geniş kapsamlı bir tasarım süreci
geliştirmeye çalışacağız.
Kesikli prosesler bir açıdan farklı bir altyapıya sahiptir ve kesinlikle matematiksel
model açısından da farklıdır. Bundan dolayı ilk karar kesikli veya sürekli bir proses mi
olacağı konusunda olmalıdır. [5]
Şekil 1.3.1.14. HDA Prosesinde Kullanılan Üniteler
Çalışma Sırasındaki Kısıtlar:
Üretim hızı: Dben ≥ 265 lbmol / h.
Reaktör girişindeki Hidrojen fazlalığı: Fhyd / (Fben + Ftol + Fdiph) ≥ 5.
Reaktör giriş basıncı: Preactor, ≤ 500 psia içinde.
14
Reaktör giriş sıcaklığı: Treactor, ≥ 1150 ° C.
Reaktör çıkış sıcaklığı: Treactor, ≤ 1300 ° F. üzerinden
Quencher çıkış sıcaklığı: Tquencher, ≤ 1150 dereceye F. üzerinden
Ürün saflık: xDben ≥ 0,9997.
Ayırıcı giriş sıcaklığı: 95 ° F ≤ Tseparator ≤ 105 ° C.
Kompresör gücü: WS ≤ 545 hp
Fırın ısı görevi: Qfur ≤ 24 MBtu
Soğutucu ısı görevi: Qcool ≤ 33 MBtu
+ Damıtma ısı görevleri (kondansatörler ve reboilers)
Kestirme Çözümler
Eğer tüm ihtimaller göz önüne alınırsa bu proses için çok sayıda alternatif üretmek
mümkündür.Bu nedenle dikkate almak zorunda olduğumuz alternatiflerin sayısını hızla
azaltmak oldukça önemlidir. Proses madde dengelerini, ekipman tasarım hesaplamalarını ve
maliyet analizlerini basitleştirmek için normal olarak mertebe seviyesinde argümanlar
kullanırız. Çözümleme yaparken sistematik olarak planlama yapmamız gerekmektedir.
2.REAKTÖR SEÇİMİ
2.1.REAKSİYON KİNETİĞİ
Termodinamik olarak belirli bir yöne doğru kendiliğinden yürümesi gereken bir
kimyasal tepkime, bulunduğu koşullardaki hızının çok yavaş olması nedeniyle yürümüyor
görülebilir. Başlangıçtan denge konumuna ulaşılana dek geçen süre içinde bir kimyasal
tepkimenin hızı, bu hızın hangi niceliklere nasıl bağlı olduğu, hızın değiştirilmesi için
yapılması gereken işlemler ve tepkimenin izlediği yol kimyasal kinetik içinde incelenir. Bu
inceleme, fiziksel ve kimyasal yöntemlerin birlikte uygulanmasıyla yapıldığından tepkime
kinetiği de denilen kimyasal kinetik fizikokimyanın bir dalıdır. Bir tepkimenin nereye gittiği
kimyasal termodinamik, hangi hızla oraya gittiği ise kimyasal kinetik içinde incelenir.
Yapılan araştırmalar, bazı tepkimelerin bir basamak, bazılarının ise iki ya da daha çok
basamak üzerinden yürüdüğünü ortaya çıkarmıştır. Bir basamaklı olanlara basit tepkime, çok
basamaklı olanlara ise basamaklı tepkime, karmaşık tepkime yada kompleks tepkime adı
verilmiştir.
15
Basit tepkimeler bir yönlü ya da iki yönlü olabildiği gibi karmaşık tepkimelerin
basamaklarından bazıları iki yönlü diğerleri ise bir yönlü olabilmektedir. Bir yönlü olan
tepkimeye tersinmez tepkime, iki yönlü olan tepkimeye ise tersinir tepkime denir. Tersinmez
tepkimeler tümüyle tamamlandığı halde tersinir tepkimeler ancak bir denge konumuna
ulaşılana kadar yürümektedir.
Toplam tepkimenin hızını hız belirleyen basamak adı verilen en yavaş basamağın hızı
kontrol etmektedir. Başka bir deyişle, bir zincir nasıl en zayıf halkası kadar sağlam ise bir
karmaşık tepkime de en yavaş basamağı kadar hızlıdır. Basamak tepkimeleri ve hız belirleyen
basamak, deneyler yardımıyla belirlenerek bir karmaşık tepkimenin yürüdüğü yol anlamına
gelen tepkime mekanizması ile aydınlatılır.
Gaz ya da sıvı karışımlar gibi bir faz içinde yürüyen kimyasal olaylara homojen
tepkime, iki ya da daha fazla faz içeren karışımlarda yürüyenlere ise heterojen tepkime denir.
Bazı tepkimeler gibi karmaşık tepkimeler de homojen ya da heterojen nitelikte olabilmektedir.
Bir tepkimenin başlayabilmesi için tepkimeye giren bileşenlerin sahip olmaları
gereken en düşük enerjiye aktivasyon (etkinleşme) enerjisi denir. Aktivasyon enerjisi
tepkimeye giren maddelerin iç enerjisini yükselterek onları daha aktif hale getirmektedir.
Aktivasyon enerjisi verilmedikçe bir tepkime yürüyemez. Aktivasyon enerjisi ancak bir
katalizör kullanılarak düşürülebilir. Bir tepkimenin hızını yükseltmek için uygulanan işleme
kataliz, bu işlem için kullanılan maddelere katalizör adı verilir. Katalizörün tepkime karışımı
ile aynı fazda olduğu işleme homojen kataliz, ayrı fazda olduğu işleme ise heterojen kataliz
denir. Basamak tepkimelerinde yer alabilen bir katalizör toplam tepkimede yer almadığından
tepkime sonunda kimyasal bir değişikliğe uğramadan yeniden ortaya çıkmaktadır. Tepkime
mekanizmasını değiştirerek hızın yükseltilmesine yol açan katalizörler toplam stokiyometrik
tepkimenin termodinamik niceliklerini değiştirmezler. Tersine tepkime hızını düşürme
işlemine inhibasyon, bu işlem için kullanılan maddelere ise inhibitör denir.
Yaklaşık %90’ı katalizörlü olarak tasarlanan endüstriyel kimyasal tepkimelerin
yürütüldüğü aygıtlara kimyasal reaktör adı verilir. Kimyasal reaktör tasarımında büyük ölçüde
kimyasal termodinamik ve kimyasal kinetikten yararlanılır.[6]
2.2. REAKTÖR ÇEŞİTLERİ
Reaktör arzu edilen kimyasal reaksiyonların gerçekleştirildiği ekipmanların genel
adıdır. İçlerinde meydana gelen reaksiyonların tipine göre çeşitli adlar alır.
16
Kimyasal reaktörler hacim , şekil ve operasyon metodu bakımından ikiye ayrılır:
• Kesikli reaktörler (Tam Karıştırmalı Kesikli Reaktör)
• Sürekli reaktörler (Piston Akışlı Reaktör)
Bunlara ilaveten günümüzde kullanılmakta olan ileri reaktörler de (izotermal olmayan
kesikli reaktörler, izotermal kesikli reaktörler, sabit yataklı ( fixed bed ) katalitik reaktörler,
tubular reaktör) mevcuttur.
2.2.1. Tam Karıştırmalı Kesikli Reaktör (TKSR)
Reaksiyona girecek bileşenler reaksiyon başlangıcında reaktöre beslenir. Reaksiyon
süresince reaktöre tekrar bir besleme yapılmaz ve ürün çıkışı gerçekleşmez. Reaksiyon belli
bir süre sonra sona erdirilir ve ürünler ile reaksiyona giren bileşenlerin kalanları reaktörden
alınır. Bu şekilde çalışan reaktör sistemine kesikli reaktör adı verilir. Reaktör kabından belli
aralıklarla örnek alınırsa geçen süreyle birlikte reaktörde gerçekleşen dönüşüm belirlenir.
Eğer reaksiyon süresince belirli aralıklarla besleme yapılırsa veya ürün alınırsa bu şekilde
çalışan reaktör sitemine yarı kesikli reaktör adı verilir.[7]
Tam Karıştırmalı Kesikli Reaktörlerin Avantajları ve Dezavantajları
TKSR'nin Avantajları ;
• Kolay kurulum
• Küçük maliyetler
• Rahat operasyon şartları
Kesikli reaktörlerin en önemli dezavantajları işletim maliyetidir. Reaktörün
doldurulması boşaltılması sırasında ve yeni bir besleme yapılmadan önce temizleme
işlemlerinde geçen zaman kaybı büyük bir işletim maliyeti sorunudur. Ayrıca bir reaksiyon
oluşurken belirli bir sıcaklığa ısıtılması gerekebilir. Reaksiyon tamamlandığında ise ürünün
soğutulması istenebilir. Bunları sağlamak için de ciddi bir enerji ve zamana ihtiyaç duyulur.
Diğer bir dezavantaj da ısı transferinin kontrolünün zorluğu ve ürün kalitesinin devamlılığını
sağlayabilmenin güçlüğüdür. Kimyasal reaksiyon hızı genellikle sıcaklık artışı ile artar.
Reaktanlar arasındaki baskın temaslar da hızı artırır. Mekanik karıştırıcılar kütle iletimini ısı
17
akışı itici gücü ile sağlayarak kap çeperlerinde film direncinin oluşmasını azaltmaya çalışır.
Buna ek olarak karıştırıcılar küçük katı parçacıkların da topaklanmasını önler.[8]
2.2.2. Piston Akışlı Reaktör (PAR)
Endüstride en çok kullanılan reaktör tipidir.Silindir şeklinde bir borudan ibarettir.En
homojen gaz fazlı akış reaktörü borusal akış reaktörüdür.
Piston Akışlı Reaktörlerin Avantajları ve Dezavantajları
• TKSR gibi kararlı bir halde çalışır.
• Bakımı hiçbir parçası hareket etmediği için nispeten kolaydır.
• Akış reaktörlerinin herhangi birisinin birim reaktör hacmi başına en yüksek
dönüşüm oranını sağlar.
• Reaktör içinde sıcaklık kontrolünün zor olmasıdır.
• Tepkime ısı veren tepkime olduğu zaman sıcak noktalar olabilir. [2]
3.REAKTÖR BOYUTLANDIRMA
Toluen + 2 Hidrojen Benzen + Metan
2 Benzen Difenil + 2 Hidrojen
r1 = k1.PT.PH0,5
r2 = k2.PB2- k2
'.PD.PH
k1 = 3,326.106.exp (-50445/RT)
k2 = 3,114.105.exp (-50445/RT)
k2'= 8,833.105.exp (-50445/RT)
Şekil 3.15. Piston Akımlı Reaktör [10]
18
V = Reaktör Hacmi
FAo = Giren Reaktantın Akış Hızı
XA = Dönüşüm
-rA = Reaksiyon Hızı
Sistemde mol denkliği kurulursa;
GİREN - ÇIKAN + DÖNÜŞEN = BİRİKİM
dtdNdVrFF A
V
AAA =+− ∫0
0 . ……………………………………………… ( Denklem 1.1)
Sistem için yatışkın hal kabulü yaparsak Denklem 1.1'de dtdN A
= 0 yazarız. O halde şu
eşitlikler elde edilir ;
FA - FA0 = ∫V
A dVr0
. …………………………………………………( Denklem 1.2)
AA r
dVdF =
………………………………………………….( Denklem 1.3)
Mol denkliğinin diferansiyel ifadesi;
FA0 dVdX
= -rA …………………………………………………( Denklem 1.4)
İntegral olarak ifadesi;
V = ∫ −
X
AA r
dXF0
.0
…………………………………………………..( Denklem 1.5)
19
Amacımız FA0 = besleme akış hızı ve XA = dönüşüm kullanılarak reaktörün hacminin
bulunmasıdır. Difenilin akış hızı bilinmediğinden dolayı bütün akış hızlarını toluen üzerinden
FT0 (toluen besleme hızı) , hT (harcanan toluen) ve FD (difenil akış hızı) cinsinden ifade
ederiz. Ayrıca maksimum benzen üretimi sağlanmalıdır.[9]
Benzen için;
hız = oluşan benzen - harcanan benzen
rB = r1-2r2
rB = k1.PT.PH0,5 + 2.k2
'.PD.PH - 2.k2.PB2
Yazılan benzenin hız ifadesi ortak bir değişken cinsinden ifade edilmelidir. Örneğin
toluenin harcanma miktarı üzerinden ifade edilebilir.
Toluen için ;
0AFV
= ∫ −
TX
T
T
rdx
0 ve -rT = r1
Benzen için ;
Giren benzen + Üretilen Benzen = Çıkan Benzen
FB ( ) + A. ∆ .rB = FB.( ) ∆+
LFF BB
∆−∆+
→∆
)()(lim0
= A.rB
BB rA
ddF .=
VdAr
dF
B
B == .
FB, difenil beslemesi (FD) üzerinden ortak değişken cinsinden yazılır.
Başlangıçta FT0 , FH0 , FM beslemesi yapılmaktadır. Reaksiyona giren toluen akış hızına
hT dersek akış hızları difenil beslemesi cinsinden şu şekilde yazılır ;
20
FT = FT0 - hT
FH = FH0 - 2.hT + 2.FD
FM = FM0 + hT
FB = hT - 2.FD
FD = ?
FD = f (hT) cinsinden yazılamadığı için ;
1
2
rr
rr
T
D
−=
⇒ 1
2
.1
.1
rr
dTdN
V
dTdN
VT
D
−=
⇒ 1
2
rr
dNdN
T
D
−=
⇒ 1
2
rr
dFdF
T
D =
1
2
rr
dFdF
T
D = ⇒
∫∫ =T
T
D
D
F
FT
F
FD dF
rrdF
00
.1
2
⇒ (FD - FD0) = 1
2
rr
.(FT - FT0)
(FD - FD0) = 1
2
rr
.(FT - FT0) ⇒ 1
2
rr
hF
T
D = eşitliği elde edilir.
Besleme hızlarını kısmi basınca çevirmek için Top
i
Top
i
FF
PP =
formülü kullanılır. FD
değeri için bir varsayımda bulunularak işleme başlanır. FD değişkeni içeren diğer akış hızları
da varsayılan FD değeri ile tek tek hesaplanarak , akış hızlarından kısmi basınçlara geçilir.
Bulunan kısmi basınç değerlerinden tepkimenin hız ifadelerinin hesaplanmasında yararlanılır.
Hız ifadelerinin oranı
1
2
rr
bulunur. Bulunan hız ifadelerinin oranı T
D
hF
ile karşılaştırılır.
Burada FD terimi varsayım yaptığımız değer hT ise FT0.xT 'dir. Varsayılan dönüşümlere (xT)
göre hT'ler hesaplanır.Yapılan varsayımlar iyileştirilerek hız ifadeleri oranı mümkün
olduğunca T
D
hF
'ye eşit bulunmaya çalışılır. Farklı sıcaklık ve toplam basınç değerleri için bu
21
işlemler tekrarlanır. 1
2
rr
hF
T
D = eşitliğinin mümkün olduğunca en az hatayla hesaplandığı
şartlarda (sıcaklık ve toplam basınç) farklı dönüşümler için tepkime hızları bulunur.
dönüşüme (x) karşı çizilen r−1
grafiğinin altında kalan alan optimum koşullar için seçilen
piston akımlı reaktörün hacmini verir.
Yapılan hesaplamalar çizelge haline getirilirse;
Çizelge 3.3. 700oC, 25atm ve H/T=4 için yapılan hesaplama sonuçları
FT0 2,416667 Xt h FT FM Fdif enil FB FH FtoplamFH0 9,183333 0,1 0,241667 2,175 0,725 0,000264 0,241138 8,700528 11,84193FM0 0,483333 0,2 0,483333 1,933333 0,966666 0,002149 0,479035 8,220964 11,60215P 25 0,3 0,725 1,691667 1,208333 0,007348 0,710304 7,748029 11,36568T 973,15 0,4 0,966667 1,45 1,45 0,01754 0,931587 7,28508 11,13421R 1,987 0,5 1,208333 1,208333 1,691666 0,034347 1,13964 6,83536 10,90935
0,6 1,45 0,966667 1,933333 0,05923 1,33154 6,401793 10,692560,7 1,691667 0,725 2,175 0,09342 1,504827 5,98684 10,485090,8 1,933333 0,483333 2,416666 0,13795 1,657433 5,592566 10,28795
Çizelge 3.4. 700oC, 25atm ve H/T=4 için yapılan hesaplama sonuçları
Ptoluen PH2 Pbenzen Pmetan Pdifenil Ptoplam k1 k2 k2'4,591735 18,36805 0,509078 1,530577 0,000558 25 1,56E-05 1,46E-06 4,13E-064,165895 17,71431 1,032213 2,082947 0,004631 25 1,56E-05 1,46E-06 4,13E-063,720997 17,0426 1,562388 2,657854 0,016163 25 1,56E-05 1,46E-06 4,13E-063,255733 16,35743 2,091722 3,255732 0,039383 25 1,56E-05 1,46E-06 4,13E-062,769032 15,664 2,611614 3,876645 0,078709 25 1,56E-05 1,46E-06 4,13E-062,260138 14,96786 3,113239 4,520275 0,138484 25 1,56E-05 1,46E-06 4,13E-061,728646 14,27466 3,588017 5,185937 0,222745 25 1,56E-05 1,46E-06 4,13E-061,174513 13,59009 4,027609 5,872566 0,335222 25 1,56E-05 1,46E-06 4,13E-06
22
Çizelge 3.5. 700oC, 25atm ve H/T=4 için yapılan hesaplama sonuçları
r1 r2 r2 / r1 varsayımr2 / r1 hesaplanan% hata rbenzen 1/rB H/T B/D0,000306 3,35E-07 0,001095 0,001093 -0,17812 0,000306 3268,973 4,000243 913,05740,000273 1,21E-06 0,004447 0,004446 -0,0161 0,000272 3681,367 4,252223 222,91080,000239 2,42E-06 0,010116 0,010135 0,190463 0,000237 4226,028 4,580116 96,66630,000205 3,71E-06 0,018117 0,018145 0,153398 0,000201 4970,247 5,024193 53,112120,000171 4,84E-06 0,028392 0,028425 0,115838 0,000166 6034,947 5,656849 33,180580,000136 5,55E-06 0,040823 0,040848 0,0615 0,000131 7661,794 6,622544 22,480840,000102 5,62E-06 0,055259 0,055224 -0,06464 9,6E-05 10414,6 8,25771 16,108196,74E-05 4,81E-06 0,07134 0,071353 0,018771 6,26E-05 15981,52 11,57083 12,01474
Elde edilen verilerden FB ye karşı 1/rB grafiğe geçirilip, eğrinin altında kalan alandan
hacim hesaplandı.
Şekil 3.16. FB ye karşı 1/rB grafiği
Buradan hesaplanan hacim, V=8,7m3 tür.
4. YAZILIM KULLANIMI
Yazılım için VB ve CHEMCAD programları kullanıldı. VB programı yazılımı
aşağıdaki gibidir. CHEMCAD programı ise maliyet hesaplama kısmında verilmiştir.
Private Sub Form_Load()
Dim FT0 As Double
23
Dim FH0 As Double
Dim FM0 As Double
Dim P As Double
Dim T As Double
Dim Xt As Double
Dim h As Double
Dim FT As Double
Dim FH As Double
Dim FM As Double
Dim FD As Double
Dim FB As Double
Dim HToranı As Double
Dim Ftoplam As Double
Dim PT As Double
Dim PH As Double
Dim PB As Double
Dim PM As Double
Dim PD As Double
Dim Ptoplam As Double
Dim k1 As Double
Dim k2 As Double
Dim K As Double
Dim r1 As Double
Dim r2 As Double
Dim rB As Double
R = 1.987
Show
FT0 = InputBox("Toluen Beslemesini Giriniz (kmol/dk)")
HToranı = InputBox("Hidrojen / Toluen Oranını Giriniz")
FD = InputBox("Difenil Beslemesi Giriniz(kmol/dk)")
P = InputBox("Basınç Değeri Giriniz (atm)")
T = InputBox("Sıcaklık Değeri Giriniz (K)")
24
FH0 = FT0 * HToranı * 0.95
k1 = 3.326 * 10 ^ 6 * Exp((-50445) / (R * T))
k2 = 3.114 * 10 ^ 5 * Exp((-50445) / (R * T))
K = 8.833 * 10 ^ 5 * Exp((-50445) / (R * T))
Print "FT0=", FT0, "H/T Oranı=", HToranı, "Basınç=", P, "Sıcaklık=", T
Print " "
Print "k1=", k1
Print "k2=", k2
Print "k2'=", K
Print " "
Print "Xt", " ", "h", " ", "F Toluen", " ", "F Metan", " ", "F Benzen", " ", "F Difenil"
For Xt = 0.1 To 0.8 Step 0.1
h = FT0 * Xt
FT = FT0 * (1 - Xt)
FM = FM0 + h
FB = h - (2 * FD)
FH = FH0 + ((2 * h) + (2 * FD))
Ftoplam = FT + FM + FD + FB + FH
Print Xt, " ", h, " ", FT, " ", FM, " ", FB, " ", FD
Next
Print " "
Print "Xt", " ", "F Hidrojen", " ", "F Toplam"
For Xt = 0.1 To 0.8 Step 0.1
h = FT0 * Xt
FT = FT0 * (1 - Xt)
FM = FM0 + h
FB = h - (2 * FD)
FH = FH0 - (2 * h) + (2 * FD)
Ftoplam = FT + FM + FD + FB + FH
Print Xt, " ", FH, " ", Ftoplam
Next
Print " "
25
Print "Xt", "", "P Toluen", "", "P Hidrojen", "", "P Benzen"
For Xt = 0.1 To 0.8 Step 0.1
PT = FT / Ftoplam
PH = FH / Ftoplam
PB = FB / Ftoplam
PM = FM / Ftoplam
PD = FD / Ftoplam
Ptoplam = PT + PM + PD + PB + PH
Print Xt, " ", PT, " ", PH, " ", PB,
Next
Print "Xt", "", "P Metan", "", "P Difenil"
For Xt = 0.1 To 0.8 Step 0.1
PT = FT / Ftoplam
PH = FH / Ftoplam
PB = FB / Ftoplam
PM = FM / Ftoplam
PD = FD / Ftoplam
Ptoplam = PT + PM + PD + PB + PH
Print Xt, " ", PM, " ", PD
Next
5.MALZEME SEÇİMİ-GÜVENLİK VE ÇEVRESEL AÇIDAN DEĞERLENDİRME
5.1.MALZEME SEÇİMİ
Tasarlanan reaktörün, tepkimenin gerçekleşme koşullarına dayanıklı olması
gerekmektedir.Piyasada cam, aluminyum, karbon ve paslanmaz çelik gibi pek çok
malzemeden yapılmış reaktörler bulunmaktadır.Alüminyum dayanıksızdır,camın ise kurulum
maliyeti yüksektir,ayrıca kırılgan olduğu için özel önlmeler gerektirir.Tasarlanacak reaktör
için seçilen malzeme paslanmaz çeliktir bunun nedeni; çoğu organik sistemlerle kullanımı için
mükemmel bir malzeme olması,seçilen malzemenin oksitlenmeye karşı , korozyona karşı ve
tepkime koşullarındaki ani değişimlerine dayanıklı olmasıdır.
26
Paslanmaz Çelik
Paslanmaz çelik, yüksek alaşımlı çeliğin ağırlıklı olarak anti-korozyon özellikleri için
kullanılan adıdır. Paslanmaz çelik ailesinin temel özelliği hepsinin en az % 10,5 krom
içermesidir. Bu özellik çeliğin aşındırıcı atmosferler veya aşındırıcı kimyasal ortamlara karşı
koymasını sağlar. Paslanmaz çeliğin 5 farklı kategoriye ayrılmış 60 farklı çeşidi vardır.
Paslanmaz çelik, karbon çeliğinden ve alaşımlı çelikten pahalı olmasına ve de global pazarda
kullanımının daha az olmasına rağmen dünya piyasalarında çok önemli bir yere sahiptir
Diğer Metallerden Üstün Özelliği;
--Üstün korozyon dayanıklığı
--Yüksek ve düşük sıcaklıklarda kullanılabilme özelliği
--Mevcut imalat proseslerinde kolayca kullanılabilmesi
--Yüksek mekanik dayanımlarının iyi olması
--Hijyenik amaçlı kullanım özellikleri
--Üstün estetik görünüm özellikleri
--Uzun ömürlü ve ekonomik olmaları
Paslanmaz Çelik Ana Kategoriler
300 Serisi Ostenitik– Alaşımlar: 301, 302, 303, 304, 305, 308, 309, 310, 314, 316, 321 seri
paslanmaz çelikler krom ve nikel içerirler. Isıl işlem uygulamak mümkün değildir ve de
mıknatıs tutmazlar. Şekil alabilme kabiliyetleri yüksektir. 300 serisi veya östenitik paslanmaz
çelikler dünya paslanmaz çelik üretiminin yaklaşık %70 ‘ini oluştururlar. Östenitik yapı
yaklaşık olarak %8–10 ‘luk bir nikel ilavesiyle oluşur.Fakat, nikel tek başına östenitik yapıyı
oluşturmaz.Mangan, nitrojen, karbon ve bakır gibi diğer elementlerin de yardımıyla östenitik
özellik oluşturulur. Molybdenum takviyesi ile paslanma dayanıklılığı arttırılan.
Dekorasyonda,makine imalatında, beyaz eşyada, kimya sanayinde ve evye imalatında
kullanılır.
400 Serisi Ferritik– Alaşımlar: 405, 409, 429, 430, 434, 436, 442…Bu serideki paslanmaz
çelikleri ise krom içerir. Mıknatıslanabilir fakat ısıl işleme tabi tutulmazlar. Ferritik
paslanmaz çelikler genelde nikel içermeyip yüksek krom içeren (%12 ile %30 arasında),
27
molibden, titanyum vanadyum gibi karbür yapıcı ve ferritik yapıyı istikrarlı kılan alaşım
elementleri içeren bir paslanmaz çelik gurubudur. Genelde içerdikleri yüksek krom oranı,
ferritiklere çok yüksek bir korozyon direnci sağlar. Daha çok yakın akrabaları olan karbon
çeliklerin özelliklerine yakın mekanik ve fiziksel özelliklere sahip olan ferritik paslanmaz
çelikler, östenitiklerin tersine manyetiktirler, düşük karbon içerikleri nedeniyle ısıl işleme
tabii tutulamazlar ve kolayca haddelenebilirler. Bu tür çeliklere tek uygulanabilen ısıl işlem
tavlama işlemidir.Ostenitikler kadar şekillendirilmeye uygun değildirler.
Çizelge 5.1.6. Paslanmaz Çelik Kullanım Alanları[11]
28
AISI 321-DIN 1.4541 Paslanmaz Çelik Boru Özellikleri:
Yapacağımız proje için 321 tipi paslanmaz çelik boru seçildi.Bunun nedeni yüksek
sıcaklıklarda kullanılabilir olmasıdır.Ayrıca 425-850derece sıcaklıklarda bile karbür
çökelmesi oluşmamaktadır.
Korozyon dayanımı; 425-900 derece aralığında çalışacak olan uygulamalar için idealdir.
Isı dayanımı;Aralıklarla 900 derecede ve sürekli olarak 925 derecede çalışması
mümkündür.İyi oksidasyon dayanımı vardır.321 kalite paslanmaz çelikler,425-900 derece
arasında iyi performans sergiler ve özellikle sulu ortamlarda iyi korozyon kondisyonu
gösterirler.
5.2.GÜVENLİK VE ÇEVRESEL AÇIDAN DEĞERLENDİRMELER
Benzen İçin Güvenlik ve Çevresel Açıdan Değerlendirmeler
Tehlike Tanıtımı
Kansere neden olabilir. Yüksek mertebede yanıcıdır, üstelik zehirlidir. Teneffüs
edilmesi, deri ile teması ve yutulması vasıtasıyla uzun dönemde sağlığa çok ciddi zarar
verir. Profesyonel kullanıcılarla sınırlandırılmıştır.
İlk Yardım Tedbirleri
Teneffüs ettikten sonra : Temiz havaya çıkarılır. Eğer solunum durursa hemen
mekanik solunum uygulanır. Gerekliyse oksijen maskesi takılır.
Cilt temasından sonra : Bol su ile yıkayın. Polietilen glikol 400 karışımı ile ıslatın.
Hemen kirlenen giysiyi çıkarın.
Göz temasından sonra: Bol su ile en az 10 dakika göz kapağı açık olarak yıkayın. Göz
uzmanı çağırın.
Yuttuktan sonra: Kusmayı engelleyin. Hemen doktor çağırın.
Yangınla Mücadele Tedbirleri
Uygun yangın söndürme maddeleri : karbondioksit, köpük, toz.
29
Özel riskler : Yanıcıdır. Buharlar havadan daha ağır olduğundan atmosfer
sıcaklığındaki hava ile patlayıcı karışımlar oluşturur. Yangın durumunda tehlikeli
yanıcı gazlar veya buharlar gelişebilir.
Yangınla mücadelede özel koruyucu ekipmanlar : Nefes alma aparatı ve kimyasal
koruyucu giysi olmadan tehlikeli bölgelerde kalmayınız.
Diğer bilgiler : Yangın söndürme suyunun yüzey suyuna ya da yeraltı suyuna
sızmasını engelleyin. Güvenli bir uzaklıktan su püskürterek kabı soğutun.
Kaza Sonucu Yayılmaya Karşı Tedbirler
Kişisel önlemler : Buharları/ aerosolleri solumayın. Madde temasını engelleyin.
Çevresel önlemler : Patlama riski olduğundan kanalizasyon sistemine girmesine izin
vermeyin.
Kullanma ve Depolama
Kullanma : Tutuşturucu kaynaklardan uzak tutunuz. Elektrostatik yüklenmeyi
önlemek için önlem alınız. Maddeyi teneffüs etmeyin. Buharların/aerosollerin anlık
oluşmasını engelleyin.
Depolama : Tutuşturucu ve ısı kaynaklarından uzak olarak iyi havalandırılmış bir
yerde sıkıca kapalı olarak tutunuz. Depo sıcaklığında sınırlama yok. Yalnızca yetkili
kişiler tarafından ulaşılabilir.
Maruz Kalma/Kişisel Korunma
Kişisel koruyucu ekipmanlar : Koruyucu giysi, kullanılan tehlikeli madde
konsantrasyonu ve miktarına bağlı olarak seçilmelidir. Kimyasallardan korunmak için,
koruyucu giysilerde bulunan rezistanslar her bir tedarikçi tarafından saptanmalıdır.
Solunum koruması : Buharlar/aerosollerin solunmaması gerekir. Solunursa solunum
cihazı ile müdahele edilmelidir.
El koruması : Mutlaka yapılan işe göre eldiven kullanılmalıdır.
30
Endüstriyel hijyen : Derhal kirlenen giysiyi değiştirin. Cilt koruyucu krem uygulayın.
Madde ile çalıştıktan sonra ellerinizi ve yüzünüzü yıkayın. Hiçbir koşulda iş sahasında
yemeyin ve içmeyin.
Stabilite ve Reaktivite
Kaçınılması gereken durumlar : Isıtma
Kaçınılması gereken maddeler : mineral asitleri, sülfür, halojenler, halojen-halojen
bileşikler, ozon, peroksit bileşikler, oksihalojenik bileşikler, CrO3), halojenler,
hidrokarbonlar, uranyum hekzaflorür, perkloratlar.
Toksikoloji Bilgileri
Teneffüs ettikten sonra: Emilim, solunum sistemindeki tahriş edici semptomlar.
Cilt temasından sonra : Hafif tahriş, ciltte kurutucu etki, ardından ikincil bir iltihabin
oluşumu.
Göz temasından sonra : Hafif tahriş.
Yuttuktan sonra : Mide bulantısı. Maddenin kazayla yutulması aspirasyon riskine
neden olabilir.
Emiliminden sonra : Ajitasyon, zinde hissetme hali (öfori), baş ağrısı, aşırı baş
dönmesi, sarhoşluk, yorgunluk, CNS rahatsızlıkları, narkoz, solunumun kesilmesi.
Ekolojik Bilgiler
Biyolojik etkiler : Suda yaşayan organizmalar için zehirlidir. Toprak veya suya
karışmasına izin verilirse içme suyu kaynaklarını tehlikeye sokar.
Doğadan Uzaklaştırma(Bertaraf Etme)
Ürün : Kimyasallar ulusal kurallara uygun şekilde atılmalıdır.
Ambalaj : Ürün ambalajı ülkeye ait spesifik kurallara uygun bir şekilde imha edilmeli yada
ambalaj geri dönüşüm sistemine gönderilmelidir.[13]
Toluen İçin Güvenlik ve Çevresel Açıdan Değerlendirmeler
Tehlike Tanıtımı
En önemli tehlikeleri : Patlayıcıdır.
31
Spesifik tehlikeleri : Kuvvetli oksidanlar ile şiddetli reaksiyona girerek yangın ve
patlamaya neden olabilir.Buharları havadan ağır olduğundan zeminde yayılarak uzak
mesafelerde tutuşmalara neden olabilir.
İlk Yardım Tedbirleri
Teneffüs edilirse : Hastayı temiz havaya çıkarın.Solunum durmuş veya zayıf ise suni
solunum uygulayın. Gerekiyorsa oksijen verin ve derhal doktor çağırın.
Deri ile temas ederse : Bulaşan elbiseler çıkarılarak cilt bol su ile yıkanır. Tahrişi
azaltan kremler sürülür.
Gözle temas ederse : Hemen bol su ile 15 dk.yıkanır.Gerekirse göz kliniğine sevk
edilir.
Yutulursa : Kusturmaya yeltenmeyin ve ağızdan bir şey vermeyin.Hasta hemen tam
teçhizatlı hastaneye kaldırılarak midesi yıkanır.
Yangınla Mücadele Tedbirleri
Spesifik tehlikeleri : Kuvvetli oksitleyicilerle şiddetli reaksiyona girer.Yangın ve
patlamaya sebep olabilir.
Uygun yangın söndürme maddesi : Küçük yangınları kuru toz kimyasal, köpük,
karbondioksit veya su ile söndürülür.Büyük yangınlarda köpük veya su sisi
kullanılır.Basınçlı su kullanılmaz.Su, etrafı serin tutmak için kullanılabilir.
Yangınla mücadelede gerekli koruyucu teçhizat : Tam yüz maskeli solunum cihazı,
lastik yada pvc eldiven,bot ve koruyucu elbise kullanılmalıdır.
Kaza Sonucu Yayılmaya Karşı Tedbirler
Kişisel önlemler : Tam koruyucu elbise ve solunum cihazı kullanın.Buhar ve
zerreciklerini solumaktan sakının. Gözlere, cilde ve elbiselere temasından kaçının.
Çevresel önlemler : Temizlik işi tamamlanıncaya kadar alana girişi yasaklayın. Risksiz
olarak yapabiliyorsanız kaçağı önleyin. Alanı havalandırın.Toprak yada diğer yanıcı
olmayan bir madde ile çevirin.Az miktarda döküldüğünde bol su ile yıkayın.Asla
yanıcı maddelerle örneğin talaş gibi absorbe etmeyin.
32
Kullanma ve Depolama
Kullanma : Gözle, deriyle ve elbiselerle temasından kaçının. Buhar ve zerreciklerini
solumaktan sakının.Çalışırken kauçuk önlük, eldiven,gözlük ve gerekirse hava tüplü
maske kullanın.Kan,karaciğer ve böbrek rahatsızlığı olan kimselerin bu madde ile
çalışmamaları gerekir.Devamlı çalışma durumunda yılda bir defa Göz, merkezi sinir
sistemi, kan, karaciğer ve böbrek testlerinin yapılması gerekir.
Teknik önlemler : Kapalı ve iyi havalandırılmış yerlerde kullanılmalıdır. Taşıma,
doldurma ve boşaltma esnasında basınçlı hava kullanmayın.
Depolama : İyi havalandırılmış,kuru yerlerde;ısı,ışık,alev ve kıvılcım kaynağından,
oksitleyici maddelerden uzak depolayın. Kapları fiziksel hasarlardan koruyarak kapalı
ve dik tutun.
Ambalaj malzemesi : PVC
Diğer önlemler : Çalışma anında bir şey yiyip içmeyin. Sigara içmeyin. Hamile
kadınların bu maddeye maruz kalmamaları gerekir.
Maruz Kalma/Kişisel Korunma
Solunum sisteminin korunması : Kullanım noktasında buhar ve zerrecikler için
NIOSH onaylı uygun maske kullanın. Uygun solunum cihazları; tüm yüzü koruyan
filtre takılmış yarı maske, pozitif basınç modlu solunum cihazı yada havalı maske
olabilir.
Ellerin korunması : Lastik yada kauçuk eldiven kullanın.
Gözlerin korunması : Kimyasal gözlük ve tam yüz siperi veya tam solunum cihazı
kullanılabilir. Genel olarak kimyasal maddelerle meşgul olurken kontak lens
kullanılmamasının gereği kabul edilir, çünkü kontak lensler gözdeki yaranın
ciddiyetini artırabilir.
Cilt ve vücudun korunması : Kauçuk önlük,elbise ve bot kullanın.
Stabilite ve Reaktivite
Stabilite : Stabil
33
Reaktivite : Kuvvetli oksitleyicilerle ve kuvvetli asitlerle şiddetli reaksiyona girerek
yangın ve patlamaya neden olabilir.
Kaçınılması gereken durumlar : Isı ve ışık kaynağı,nem,açık alev ve kıvılcım.
Temas etmemesi gereken maddeler : Kuvvetli oksitleyiciler ve kuvvetli asitler.
Toksikoloji Bilgileri
Akut Toksisite : LD 50 : 50 g/kg
Soluma : Solunum yolu ile alındıktan sonra vücut tarafından emilerek kana karışır ve
beyinde baş dönmesi,dengenin bozulması,şuur kaybı gibi toksit etkilere neden olabilir.
Deri ile temas : Uzun süreli maruz kalma durumunda kızarıklık ve alerji yapar, cildi
kurutur.
Gözle temas : Göz dokularında tahriş ve yanma yapar.
Yutma : Oral doz LD 50; 10 g/kg. Sindirim yoluyla az miktarda toksittir. Bu miktarda
alındığında bulantı, kusma iştah bozukluğu,halsizlik ve uyku hali yapar.
Ekolojik Bilgiler
Akut Balık Toksisitesi : TLV : 100 cm3 buhar/m3 hava
Doğadan Uzaklaştırma(Bertaraf Etme)
Kullanma, depolama, taşıma ve bertaraf mutlaka yerel ve merkezi yasal düzenlemeler
takip edilerek yapılmalıdır. Yüzey sularına ve kullanma suyu sistemine boşaltılmaz.
[14]
Metan İçin Güvenlik ve Çevresel Açıdan Değerlendirmeler
Tehlike Tanıtımı
Koku: Kokusuz
Görünüm: Sıkıştırılmış gaz
Gözle temas: İritasyona yol açabilir.
Deriye temas: Şiddetli maruziyet durumlarında iritasyon görülebilir.
Soluma: Şiddetli maruziyet durumlarında baş ağrısı görülebilir.
34
Yeme: Potansiyel koruyucusuz geçiş olarak addedilmez.
İlk Yardım Tedbirleri
Deriyle temas: Bu ürün için özel bir tedbir gerekmemektedir.
Gözle temas: Bu ürün için özel bir tedbir gerekmemektedir.
Yeme: Potansiyel koruyucusuz geçiş olarak addedilmez.
Soluma: Hastayı temiz havaya çıkarın. Herhangi bir kuşkunuz varsa ya da semptomlar
devam ediyorsa, tıbbi müdahale için başvurun.
Genel: Kaza durumunda ya da kendinizi iyi hissetmiyorsanız, hemen doktorunuza
danışın. (mümkünse etiketi gösterin)
Yangınla Mücadele Tedbirleri
Oto ateşlenme noktası # °C 760 mm/Hg’de alev almaz.
Taşınabilir konteynerler mümkünse ve risk almadan taşınmalıdır.
Ateşe maruz kalan konteynerleri su sıkarak soğuk tutun.
İtfaiyeyi potansiyel tüp patlama ve fırlama tehlikesinden haberdar edin.
Kaza Sonucu Yayılmaya Karşı Tedbirler
Kişisel Tedbirler : Güvenli ise sızıntı kaynağını kapatın.
Çevresel Tedbirler: Bu ürün için özel bir tedbir gerekmemektedir.
Temizleme Eylemleri: Güvenli ise sızıntı kaynağını kapatın. Ürünü buharlaşmaya
bırakın. Alanı havalandırın.
Kullanma ve Depolama
Yükleme-boşaltma: Profesyonel kullanıcılarla kısıtlıdır. Yeterli havalandırma
olmasına dikkat edin.
Depolama : Serin, kuru ve iyi havalandırılan bir yerde saklayın.Basınçlı konteyneri
güneş ışığından uzak tutun ve 50 C dereceyi aşan sıcaklıklara maruz bırakmayın.
Maruz Kalma/Kişisel Korunma
35
Maruziyet Limitleri : Bu ürünün önerilen ya da oturmuş herhangi bir kontrolü yoktur.
Mesleki Maruziyet kontrolleri : Bu ürün için özel bir tedbir gerekmemektedir.
Stabilite ve Reaktivite
Bu madde normal şartlar altında stabil sayılır.
Aşırı ısınmayı önleyin.
Toksikoloji Bilgileri
Toksikolojik Bilgi : Toksik değil
Soluma: Şiddetli maruziyet durumlarında baş ağrısı görülebilir.
Deriyle temas: Tehlikeli değil
Gözle temas: Tehlikeli değil
Yeme: Potansiyel koruyucusuz geçiş olarak addedilmez.
Karsinojenisite: Karsinojenik etkiler üzerine kanıt bulunamamıştır.
Ekolojik Bilgiler
Ekotoksisite: Mevcut verilerde, madde akuatik yaşama zararlı değildir.
Mobilite: Bu madde uçucudur. Suda çözünmez.
Diğer Advers Etkiler: Çevre için tehlike teşkil etmez. Tasfiyede dikkat edilmelidir.
Doğadan Uzaklaştırma(Bertaraf Etme)
Kontamine olmamış materyal geri verilebilir. Tedarikçiye danışın.
Atma işlemi yerel, ulusal ve devlet yasalarına uymalıdır.
Kullandıktan sonra bile kabı delmeyin ya da yakmayın.[15]
Hidrojen İçin Güvenlik ve Çevresel Açıdan Değerlendirmeler
Tehlike Tanıtımı
Renksiz, kokusuz,zehirsiz, boğucu, son derece parlayıcı , yüksek basınç altında çelik
36
tüpler içersine sıkıştırılmış gazdır. Hava ile parlama sınırı % 4-74,5 dur. Isı, kıvılcım
ve alevden uzak tutulmalıdır. Hidrojen , oksijen içermez ve kapalı alanlara sızarsa
boğulmaya neden olabilir. Tüpler, 45 °C ‘nin altında kullanılmalı ve muhafaza
edilmelidir. Bilinen en hafif gazdır.
İlk Yardım Tedbirleri
Teneffüs edilmesi : Çalışanın riskini en aza indirerek kazazede derhal temiz bir sahaya
götürülmelidir. Hava girişinde herhangi bir engel olmamalıdır. Eğer solunum zayıflığı
varsa veya durmuşsa, derhal suni teneffüs uygulanmalıdır. Kurtarma personelinde
solunum cihazı bulunmalıdır. Kazazede sıcak ve rahat tutulmalıdır. Daha sonraki
tedavi semptomatik ve destek tedavi olmalıdır. Hidrojenin hava içindeki
konsantrasyonunun %4 seviyeye geldiği zaman parlama ve yanma riskinin olduğu
unutulmamalıdır.
Yangınla Mücadele Tedbirleri
Uygun söndürme yöntemi : Oldukça parlayıcı bir gazdır. Hidrojen bilinen en hafif
gazdır ve sızan gaz bulunduğu yerin en üst noktasında toplanır. Hidrojen, hava ile
hemen hemen gözle görülmez, açık mavi bir alevle yanar. Yüksek kaplardaki gaz
kaçağı, herhangi bir ateşleme kaynağı yokken bile, statik elektrikten tutuşabilir. Hızlı
bir alev yayılması ve alev geri tepmesi olabilir. Havada geniş bir konsantrasyon
aralığında kolayca tutuşabilir.
Yangın mahalline yetkisiz şahıslar sokulmamalıdır ve yangın mahalli izole
edilmelidir. Kaçak ihtimali bulunan ortamlardan tutuşturma kaynakları uzak
tutulmalıdır. Yangına maruz kalan hidrojen tüpleri, yangın esnasında ve sonrasında
emniyetli bir mesafeden su ile soğutulmalıdır.
Yangın söndürmede su, kuru kimyasallar ve karbondioksit kullanılabilir.
Kaza Sonucu Yayılmaya Karşı Tedbirler
Kişisel önlemler : Ürünün yayıldığı bölge derhal boşaltılmalıdır. Ürünün yayıldığı
bölgeye girişlerde, uygun koruyucu ekipman kullanılmalıdır. Tehlike bölgesinde
sigara içilmemeli, hiçbir alev, ateş veya kıvılcım olmamalıdır. Uygun havalandırma
sağlanmalıdır. Kusurlu tüplere muamele ederken, oldukça dikkat edilmelidir. Aksi
takdirde herhangi bir tutuşma meydana gelebilir ve alevi gözle zor görüldüğü için
37
tüple temasa geçen kişiye zarar verebilir. Hidrojen alevinin en kolay tesbit etme
yöntemi bir çalı süpürgesi ile alev ihtimali olan kısma yaklaşmaktır.
Çevrede alınacak önlemler : Gaz kaçağı yapan tüp, dikkatlice emniyetli bir alana
götürülmeli ve üzerinde hiç bir tamirat yapılmadan yetkili aranmalıdır.
Temizlik yöntemleri: Etkilenen bölge havalandırılmalıdır. Eğer sızıntı kullanıcının
donanımında ise , onarıma başlamadan önce, kesinlikle gaz boruları inert gaz ile
süpürülmelidir.
Kullanma ve Depolama
Kullanma: Tüpler işletme içinde nakledilirken vanaları kapalı ve kapakları takılı
olarak nakledilmelidir. Nakil esnasında tüpler yan yatırılmamalı, tercihen dik
vaziyette, bir araba üzerine ve bağlı olarak nakledilmelidir. Tüpler kapağından ve
ventilinden kaldırılarak taşınmamalıdır. Tüpleri kaldırmak için mıknatıs, halat veya
zincir kullanılmamalıdır, tüpler düşmemeli ve birbirine çarpmamalıdır. Kullanım
mahalline getirilen tüpler dik olarak kullanılmalı, tüpün üzerindeki etiketten doğru
gazın kullanıldığı kontrol edilmelidir. Kapağı sökülüp vana dişleri kontrol edilmelidir.
Uygun basınç düşürücü ( regülatör ) ve ekipman monte edilmelidir. Monte işleminde
kıvılcım çıkarmayan türden ekipman kullanılmalıdır. Regülatör takmadan önce, ateşe
yakalanma ihtimalinden dolayı tüp valfi hemen açılmamalıdır. Vanası asla
yağlanmamalı ve yavaşça açılmalıdır. Uygun bir yöntemle (sabun köpüğü, kaçak
tesbit solusyonu vb.) gaz kaçakları kontrol edilmelidir. Tüpü kullanıma sokmadan
önce, sisteme geri besleme olmamasına dikkat edilmelidir. Bir tüpün basıncını
arttırmak için asla direkt çıplak alev veya elektrikli ısıtıcı cihazlar kullanılmamalıdır.
Tüp asla 45 °C ‘nin üzerindeki bir sıcaklığa maruz bırakılmamalıdır. Tüp içindeki gaz
tamamen bitmeden, tüpün vanası zorlanmadan kapatılmalı ve kapağı takılmalıdır.
Üzerine boş yazılı bir etiket yapıştırılıp, depoya götürülmelidir. Tüpler takoz, rulo,
mesnet v.s. gibi amaçlar için kullanılmamalıdır.
Depolama : Tüpler; paslanmaya ve sert havaya karşı korunaklı, çok iyi havalandırılmış
bir sahada depolanmalıdır. Tüp depoları yanmayan türden malzemeden yapılmalı,
hafif çatılı, kapıları dışarı doğru açılır olmalıdır. Alttan ve üstten havalandırma
kanalları bulunmalıdır. Deponun üst kısmı gazın kaçacağı şekilde meyilli yapılmalıdır.
Statik elektriklenmeye sebebiyet verecek her türlü koşul ortadan kaldırılmalıdır. Tüm
38
donanım kıvılcım çıkartmaz ve patlama-korumalı (explosion-proof) olmalıdır.
Depolama esnasında tüp sıcaklığının – 40 °C’nin altına inmeyecek, 45 °C’nin üstüne
çıkmayacak şekilde önlem alınmalıdır. Tüpler yangın riskinden ari ve ısı/tutuşturucu
kaynaklardan uzak bir yerde muhafaza edilmelidir. Hidrojen tüpleri, oksijen gibi
oksitleyici tüplerden uzak depolanmalıdır. Depolama sahası temiz tutulmalı ve
yalnızca yetkili personel girebilmelidir. Depolama sahası uygun tehlike uyarıcı
işaretlerle işaretlenmelidir. ‘Sigara İçilmez veya Açık Alevle Girmeyiniz” uyarı yazısı
asılı bulundurulmalıdır. Depolanan tüpler, devrilmeyecek ve yuvarlanmayacak şekilde
tutulmalıdır. Tüp valfleri sıkıca kapatılmalı ve koruyucu kapakları yerinde olmalıdır.
Dolu ve boş tüpler ayrı ayrı depolanmalı ve ilk önce eski stok kullanılacak şekilde
dolu tüpler ayarlanmalıdır.
Maruz Kalma/Kişisel Korunma
Mesleki maruz kalma limiti : Havadaki Oksijen seviyesinin % 19,5 altına düşmesi
engelleyecek şekilde havalandırma yapılmalıdır.
Mesleki maruz kalma kontrolleri : Hidrojen zehirli değildir, fakat yüksek
konsantrasyonda basit bir boğucu gaz olarak davranır. İstenilerek solunulmamalıdır.
Ürün kullanılırken sigara içilmemeli ve çıplak alev kullanılmamalıdır.
Solunum sisteminin korunması : Havadaki konsantrasyonu, solunum için gerekli
oksijen konsantrasyonundan fazla ise tüplü solunum cihazları kullanılmalıdır.
Ellerin korunması : Sağlam iş eldivenleri kullanılmalıdır.
Gözlerin korunması : Yüz siperliği veya göz maskesi kullanılmalıdır.
Cildin korunması : Uygun iş elbiseleri ve çelik burunlu ayakkabı giyilmelidir.
Stabilite ve Reaktivite
Kaçınılması gereken durumlar : Havayla patlayıcı karışım meydana getirebilir.
Kaçınılması gereken materyaller : Oksitleyicilerle şiddetli reaksiyona girebilir.
39
Toksikoloji Bilgileri
Hidrojen zehirli değildir, fakat toksik etkisini yüksek konsantrasyonlarda basit bir
boğucu gaz olarak gösterir. Boğulma belirtileri; hızlı ve güçlükle teneffüs, hızlı
yorulma, mide bulantısı/kusma ve muhtemelen bilinç kaybının ardından ölümdür.
Ekolojik Bilgiler
Bu konuda herhangi bir veri bulunmamaktadır.
Doğadan Uzaklaştırma(Bertaraf Etme)
Tehlikeli miktarlarda birikmelerin olabileceği hiç bir ortama boşaltma ve tahliye
yapılmamalıdır. Tüplerde kalan gazların bertarafı için yetkili ile irtibata geçilmelidir.
Kontrollü bir şekilde imha edilecektir.[16]
6.REAKTÖR BOYUTLANDIRMASI
Çeşitli sıcaklık ve basınç değerleri için birçok hacim hesaplanmıştı.Seçim yapılırken
maliyet göz önünde bulunduruldu.Bunun sonucunda 700oC sıcaklık ve 25 atm basınç
hesaplanan 8,7m3 değeri reaktör hacmi olarak seçildi.
Seçilen 321 kalite paslanmaz çelik boruların dış çap genişliği 2mm-609mm arasındadır.[12]
Tasarladığımız reaktörde dış çapı 609mm ve et kalınlığını 9mm aldık.
D=609mm=0,609 m
Et kalınlığı=9mm=0,009m
r=(0,609-0,009) / 2 = 0,3m bulundu.
Kullanılacak reaktörün uzunluğunu bulmak için;
V=πr2L
Burada reaktör uzunluğu, L= 31m bulundu.
Kullanılacak dış ceket boyutlandırması;
40
28,7 (0,3 ).x Lπ=
D = 0,762m
Et kalınlığı = 0,009m seçildi.
Proseste gerçekleşen tepkime egzotermik olduğu için soğutma sistemi kullanılması
gerekir. Bunun için fan kullanılarak soğuk akışkan olan oda sıcaklığındaki hava ceket
içerisinden geçirildi. Reaktörün dış yüzeyindeki ısı sebebiyle ısınarak yükselen hava,soğutma
ceketinin yüzeyine açılan deliklerden borular vasıtasıyla,besleme girişine gönderildi.Burada
beslemeyi ısıtmak amacıyla kullanıldı.Kullanılan fanlar ise reaktörün alt kısmına
konuldu.Planlanan sistemin şekli aşağıda verilmiştir;
Şekil 4.1. Tasarlanan Reaktör Sistemi
41
Şekil 4.2. Tasarlanan Reaktör Sisteminin 3D Çizimi
7. MALİYET HESAPLAMALARI
Yapacağımız proje için 321 tipi paslanmaz çelik boru seçildi. Optimum şartlara göre
tasarlanan piston akışlı reaktörün hacmi 8,7 m3 olarak hesaplandı.Standart boru çaplarına göre
reaktörün uzunluğu 31 m olarak bulundu. Seçilen borunun dış çapı 0,609 m, et kalınlığı ise
0,009 m' dir. Böylece kullanılan reaktörün yarıçapı 0,3 m olmaktadır.
Maliyet hesabının yapılabilmesi için besleme ve çıkış akımı değerleri ChemCAD
programında HDA prosesi için oluşturulmuş olan piston akımlı reaktörde yerlerine yazılarak
Q değeri bulundu.
42
Şekil 7.17. Besleme akımı değerleri
Şekil 7.18. Çıkış akımı değerleri
Şekil 7.19. Reaktör için bulunan değerler
43
7.1. Reaktör (Boru) Maliyetinin Hesaplanması
AISI 321 (Paslanmaz Çelik) için veriler; [1]
Yoğunluk ( ρ ) = 8027 kg/m3
Isıl İletkenlik (500 0C ve üzeri için) = 22,02 W/m.K
Özgül Isı = 500 J/kg.K
9mm et kalınlığında 1m2 ' lik 321 stainless steel birim fiyatı 69,60 $/m2 olarak
bulunmuştur. [2]
8,7 m3 hacminde , D= 0,6 m ve L= 31 m boyutlarındaki reaktörün toplam alanı
bulunarak birim alan başına bulunan maliyet ile çarpılır.
Toplam Yüzey Alan;
2π rL + 2π r2 = 2. π .(0,6/2).(31) + 2. π .(0,6/2)2 = 58,99 m2
Reaktör için kullanılan paslanmaz çeliğin maliyeti (AISI 321) = (69,60 $/m2).(58,99 m2)
Reaktör Maliyeti = 4105,704 $
Günlük kura göre 1$ = 1,7839 TL ise reaktör maliyeti (4105,704 $).(1,7839 TL/$) =
7324,165 TL olarak hesaplanır.
7.2. Kullanılacak Hammadde Maliyetinin Hesaplanması
Toluenin birim maliyeti Coulson & Richardson Chemical Engineering Design
kitabından (EK 1) 0,47 $/kg olarak okunur. 1998 yılındaki birim maliyet Marshall Swift
maliyet göstergeleri kullanılarak 2011 yılı fiyatlarına çevrilir;
bm toluen = 0,47 kg$
.
9,10610,1520
= 0,673 kg$
Toluen beslememiz 2,416667 kmol/dk olduğundan FT0 =2,416667 kmol/dk 'dır. Buna
göre toluenin maliyeti;
44
Mtoluen = 2,416667 dk
kmol.
stdk
160
.kmol
kg1
14,92. kg1
$673,0 = 8991,48 $/saat
Mtoluen = 8991,48 $ .$1
7839,1 TL = 16039,91 TL/saat
7.3. Dış Ceketin Maliyetinin Hesaplanması
D = 0,762m
Et kalınlığı = 0,009m alınmıştır. Buradan toplam yüzey alanını bulursak;
2π rL + 2π r2 = 2. π .(0,377).(31,5) + 2. π .(0,377)2 = 76 m2
Ceket için kullanılan paslanmaz çeliğin maliyeti (AISI 321) = (69,60 $/m2).(76 m2)
Ceket Maliyeti = 5289 $
Günlük kura göre 1$ = 1,7839 TL ise reaktör maliyeti (5289 $).(1,7839 TL/$) = 9435
TL olarak hesaplanır.
7.4. Soğutma Sistemi (Fan) Maliyetinin Hesaplanması
Sistem egzotermik olduğundan dolayı ortamda sürekli ısı açığa çıkmaktadır. Isının 700 0C’de sabit tutulması gerekmektedir. Bunun için kapalı bir ortamda bulunan reaktörde
soğutucu olarak VB Hücreli Tip Santrifüj Fan kullanılır.[19]
Santrifüj Fanlar
Santrifüj fanların avantajları aşağıdaki gibidir:
Geniş bir uygulama aralığı
Yüksek sıcaklık, korozif ve aşındırıcı ortam uygulamaları,
Direk tahrikli aksiyal fanlara göre, motora daha kolay ulaşım,
Özellikle değişken akış direncine sahip yerlerde, daha verimli ve daha sessiz çalışma
olanakları .
Yüksek bir yapısal kararlılık
Çok yüksek basınç ve debiler [20]
45
Fanın kapasitesinin hesaplanması;
Q değeri Chemcad programında bulunmuştu.
Q=150240000 cal/dk=1502400 kcal/dk
Reaktörün yüzeyinden yayılan ısı hesaplandı;
Yanal alan=58,04m2
Uortdeğerini bulmak için Isı kütle kitabının denklem (10.6-31) formülünden yararlanılır.
k=24,5W / mK ısı kütle kitabı Çizelge 6.2ısıl iletkenlik değeri alınır.
Toluen, benzen ve metanın hodeğerleri chemcad programından bulunmuştur.
Aşağıdaki formülden yararlanılmıştır.
Y = A.T^B/(1+(C/T+D/T^2)) Örnek hesaplama sadece toluen için gösterilmiştir.
Toluen için
A = 2,392 x e-005
B = 1,2694
C= 537
D = 0
T = 973,15 K
Denklemle yerine yazıldığında hotoluen = 64,496 W/m.K bulunmuştur.
Aynı şekilde benzen ve metan değerleri de bulunur.
hoBenzen =61,463 W/m.K
hometan =0,160 W/m.K
ro=boşluktaki yarıçap
ro=ıçap – et kalınlığı
rı=ıçap
Her bir standartlara göre rove rıdeğerleri bulunur.
46
Oradan da her biri için Uodeğerleri bulunur.
UoBenzen= ,01927W/m.K
Uotoluen=,01927 /m.K
Uometan=,01721 /m.K
Uort= ,01859/m.K
Fabrika koşulları 20°Colarak alınır. Sıcaklığımız 700ºCdir.
∆T=700-20=680°C
Uort= ,01859/m.K
58,04 2
q=U.A.∆T
=733,7cal/dk= 0,734 kcal/dk
Bu bulunan değerimiz PAR’ ın dışarıya yaydığı ısı enerjisidir.Tepkime sonucu oluşan ısı ise
chemcad programında 1502400 kcal/dk bulunmuştu.Bu yüzden PAR'ın yaydığı ısı ihmal
edildi.
Havanın 20oC deki ısı kapasitesi cp= 1,006 kj/kg.K = 0,240 kcal/kg.K[17]
Q=m.c.∆T
1502400 kcal/dk = m.( 0,240 kcal/kg.K).(700-20)K
m = 9206 kg/dk
= 1,2 kg/m3 [18]⍴
Q(debi) =m/⍴
Q(debi) = 9206kg/dk/1,2 kg/m3
= 7672 m3/dk =460320 m3/sa
460320 m3/sa kapasiteyi sağlayacak olan fan ya da fanlar kullanılmalıdır.
Bu sisitem için 125500 m3/sa Hücreli Tip Santrifüj Fanından 4 tane kullanılacaktır.
Fanın adeti 1121 $ olarak alınmıştır.[19]
47
Fanın toplam maliyeti = 4*1121 $ = 4484 $ = 8000 TL
Sistemin toplam maliyeti = Reaktör maliyeti+Dış ceket maliyeti+Fan maliyeti
= 7324,165+9435+8000=24760TL
8.SONUÇ
Reaktör seçiminde reaktörlerin avantaj ve dezavantaj özellikleri de göz önünde
bulunduruldu. PAR reaktörü endüstride en çok kullanılan reaktör tipidir.En homojen gaz fazlı
akış reaktörü borusal akış reaktörüdür.Akış reaktörlerinin herhangi birisinin birim reaktör
hacmi başına en yüksek dönüşüm oranını sağlar. Dezavantajı ise; reaktör içinde sıcaklık
kontrolünün zor olmasıdır. Bunun için sisteme fan sistemi eklendi ve bu da bir ek maliyet
getirmiş oldu.Yapılan projede maliyet göz önünde bulunduruldu.Buna bağlı olarak reaktör
hacmi hesabında basıncın ve sıcaklığın optimum olduğu nokta belirlendi.
Reaktör için malzeme seçimi paslanmaz çelik olarak seçildi. Boru ve borunun
dışındaki ceket için 321 kalite paslanmaz çelik seçildi. Paslanmaz çelik çoğu organik
sistemleriyle kullanım için mükemmel bir malzemedir. Paslanmaz çelik yıllarca bozulmadan
bütün özelliklerini koruyarak dayanabilen bir malzemedir. Farklı kimyasal, fiziksel ve
mekanik özelliklerde üretilebilen paslanmaz çelikler; yüksek korozyon dayanımı,
düşük/yüksek sıcaklıklarda kullanılabilmesi, mekanik mukavemeti, imalat kolaylığı, estetik
yüzey görünümü, hijyenik ve uzun ömürlü olma gibi üstün özelliklere sahiptir.
Reaktörde kullanılan benzen,toluen,metan ve hidrojenin sağlık ve çevresel yönleri
belirtildi.
Reaktör boyu endüstride kullanılanlarla karşılaştırıldığında kabul edilebilir
olduğundan spiral haline getirmeye veya tüp yerleştirmeye gerek duyulmadı.Çünkü bu
iyileştirmeler de ek maliyet getirecektir.
Sistemde tepkimeden dolayı oluşan ısı chemcad programında hesaplandı.Isıyı
uzaklaştırmak için ortamdaki hava kullanıldı. Hesaplanan ısı değerinden yararlanılarak
sistemi soğutmak için kullanılması gereken hava debisi bulundu.Bu hava debisine uygun
kapasitedeki fan piyasa araştırması yapılarak seçildi.
48
9.KAYNAKLAR
1. TÜZÜN Celal, '' Organik Kimya '', Okan Yayın Dağıtım, Ankara,1988
2. ÇATALTAŞ İhsan, '' Sınai Stokiometri '', İnkılap ve Aka Basımevi, İstanbul, 1972
3. YAŞLAK Salih, '' Organik Sınai Kimya'' , Dahi Yayınları , İstanbul , 2008
4.TURTON R.,BAILIE R.C.,WHITING W.B.,SHAEIWITZ J.A.,''Analysis, Synthesis and
Design of Chemical Processes '',Third Edition , Prentice Hall, 2009
5. James M. Douglas,''Kimyasal Proseslerin Kavramsal Tasarımı '', Çeviren: İsmail Boz ,
İstanbul, 2005
6. CONNORS C.A., “Chemical Kinetics : The Study of Reaction Rates in Solution”, VCH,
New York (1990).
7. FOGLER H.S., “Elements of Chemical Reaction Engineering”, 2nd ed, Prentice-Hall
International (1992).
8. COKER A.,K., ''Modelling of Chemical Kinetics and Reactor Design'' , Texas, 2001.
9. STANISLAV VALERIEVICH EMETS, B.S., "An Examination Of Modified Hierarchical
Design Structure For Chemical Processes" , A Thesis In Chemical Engineering Submitted to
the Graduate Faculty of Texas Tech University in Partial Fulfillment of the Requirements for
the Degree of Master Of Science, 2003
10. http://megproduction.blogspot.com/design-of-reactor.html (Erişim Tarihi: 18.11.2012)
11.http://www.somcelik.com.tr/tr/paslanmaz-celik-kullanim-alanları (18.11.2012)
12.http://www.nurpaslanmaz.com/PASLANMAZ-CELIK-BORU.php (18.11.2012)
13. http://www.kimyaevi.org/d02/101789.pdf (25.11.2012)
14. http://www.tekkim.com.tr/lib_g_sertifika/105.PDF (09.12.2012)
15. http://www.wilhelmsen.com/services/maritime (09.12.2012)
16. http://www.ozsengaz.com/?sayfa=formhidrojen (09.12.2012)
17. http://biltek.tubitak.gov.tr/merak_ettikleriniz/index.php?kategori_id=4&soru_id=5190
49
18. http://www.mf.hitit.edu.tr/mak/belgeler/dogal_ve_zorlanmis_tasinim.doc (20.12.2012)
19. http://www.altayisisistem.com.tr/uploaded/_5699426532.pdf (21.12.2012)
20. http://www.alfer.com.tr/files/fantech.pdf (21.12.2012)
50