KİMYA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ
ATATÜRK ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ KİMYA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ERZURUM 2006
İÇİNDEKİLER
1. AKIŞ REJİMİNİN BELİRLENMESİ………………………………………………..3 2. AKIŞKANLARDA SÜRTÜNME KAYIPLARININ İNCELENMESİ……………8 3. PİTOT TÜPÜ VE ORİFİSMETRE…………………………………………………20 4. SABİT VE AKIŞKAN YATAK……………………………………………………..29 5. ZORLAMALI KONVEKSİYONLA ISI TRANSFERİ……………………………38 6. EŞ MERKEZLİ BORU ISI DEĞİŞTİRİCİLER…………………………………..45 7. AKIŞKAN YATAKTA IS TRASFERİ…………………………………………….54 8. LEVHALI ISI DEĞİŞTİRİCİ……………………………………………………...60 9. BORUSAL (TUBULAR) AKIŞ REAKTÖRÜ…………………………………….68 10. SIVI FAZ KİMYASAL REAKTÖR…………………………………………….....75 11. SU YUMUŞATMA YÖNTEMLERİ VE İYON DEĞİŞTİRİCİ………………....83 12. GAZ ABSORPSİYONU…………………………………………………………...107 13. RAFLI DİSTİLASYON KOLONU……………………………………………….113 14. KATI-SIVI EKSTRAKSİYONU………………………………………………….121 15. SIVI-SIVI EKSTRAKSİYONU…………………………………………………...128 16. EVAPORASYON (YÜKSELEN FİLM BUHARLAŞTIRICI)…………………134 17. RAFLI KURUTUCU………………………………………………………………143 18. BOYUT KÜÇÜLTME VE ELEK ANALİZİ…………………………………….151 19. KÖMÜR VE PETROL ANALİZLERİ…………………………………………..165 20. TRİGLİSERİD (DOĞAL) YAĞLARDA ANALİZ YÖNTEMLERİ………….180 21. ELEKTROLİTİK YÖNTEMLE METAL KAPLAMA………………………..186 22. SU ANALİZLERİ…………………………………………………………………193 23. KARBONATLI BAKIR CEVHERLERİNİN ASİT LİÇİNGİ………………...202 24. BAKIR SÜLFATLI ÇÖZELTİLERDEN BAKIRIN SEMENTASYONU……210
2
AKIŞ REJİMİNİN BELİRLENMESİ 1.DENEYİN AMACI Kimyasal proseslerde, akışkanlar borulardan, kanallardan ve proses işlemi yapılan aletlerden geçmek zorundadır. Burada dairesel kesitli borularda sıkıştırılamayan bir akışkanın laminer akım ve türbülent akım rejiminin belirlenmesi ve boru kesitinde hız dağılımının incelenerek teorik verilerle karşılaştırılması amaçlanmıştır. 2.DENEY TEORİSİ 2.1.Kuramsal Temel Sabit yoğunluktaki viskoz bir akışkanın yatay bir borudan tam olarak teşekkül etmiş kararlı akımını düşünelim. Şekil 1’de görüldüğü gibi r yarıçaplı ve ∆L uzunluklu boru ile eş merkezli disk şeklindeki bir akışkan elemanının serbest bir kütle olarak ayrıldığını kabul edelim. Diskin üst ve alt akım yüzeylerindeki akışkan basınçları sırasıyla P ve (P+ ∆P) olsun. Akışkanın bir viskozitesi olduğundan, akışa karşı koyacak şekilde bir kesme kuvveti oluşacaktır.Diskin iki yüzeyi arasına momentum eşitliği aşağıdaki şekilde verilebilir. F gc= m (β Vb +β Va). Akım tam teşekkül ettiğinde; βb = βa , Vb = Vb olur ve böylece F, ortadan kalkar. Yani ΣF = 0 olur.
Şekil 1. Sb = Sa = π r2 ,Pa = P , Pa Sa = π r2 P , Pb.Sb = π r2 (P+ ∆P) olur. Buna göre, F = Pa.Sa - Pb.Sb -Fs –Fg eşitliğinde gerekli değerler yerine yazılarak ve disk elemanının kenarına etki eden sürtünme kuvveti (Fs = ( 2π r ∆L ) τ) kesme gerilimi τ ile silindirik disk alanının çarpımına eşit olduğu ve ayrıca akış kanalı yatay olduğundan, yerçekimi etkisi sıfır( Fg = 0 ) şeklinde göz önüne alınarak ΣF = π r2 P - π r2 (P+ ∆P)τ = 0 denklemini yazabiliriz. Burada denklem sadeleştirilip ve (π r2 ∆L) ile bölünürse, (∆P/∆L) + (2τ /τ) = 0 denkliği bulunur.
(1)
3
Laminer yada türbülent kararlı bir akımda akım borusunun belli bir kesitinde basınç sabittir. Bu nedenle (∆P/∆L) değeri r ile değişmez. (1) denkliği τ = τw ve r = rw alınarak tüpün tüm kesiti için (2) (∆P/∆L) + (2τw /τw) = 0 olarak bulunur. (2) denkliği (1) ile karşılaştırılırsa (τw /rw) = (τ/r) (3) denkliği elde edilir. Laminer Akım : Akışkan tabakalarının birbirine paralel ve düzgün hatlar şeklindeki akımıdır. Türbülent Akım : Akışkan tabakalarının düzensiz, çapraz akımlar ve girdaplar şeklindeki akımıdır. Reynolds Sayısı : Reynolds, akımın bir tipten diğer tipe dönüştüğü şartları incelemiş ve laminer akımın türbülent akıma dönüştüğü kritik hızın dört büyüklüğe bağlı olduğunu bulmuştur. Bu büyüklükler boru çapı, akışkan viskozitesi,yoğunluğu ve çizgisel hızı olup boyutsuz tek bir grup içinde birleştirilir. Akımın şeklinde olabilecek bir değişim bu grubun belirli bir değeri ile olmalıdır. Re = DVρ /µ = DV /ν (4) Reynolds sayısının büyüklüğü, kullanılan birimlerin birbirine uygun olması şartıyla birimlere bağlı değildir. Laminer akımdan türbülent akıma geçiş bir Re sayısı aralığında olabilir.Laminer akıma çoğunlukla Re sayısının 2100’den küçük olduğu değerlerde rastlanır. Normal akım şartlarında Re sayısının 4000’den büyük değerlerinde akım türbülenttir. Re sayısının 2100-4000 arasındaki değerlerinde giriş şartlarına ve girişten uzaklığa bağlı olarak akım şekli laminer veya türbülent olabilir. 2.2. Laminer Akış Akışkanın sıkıştırılabilir, akımın kararlı ve tam teşekkül etmiş olması şartı ile yukarıdaki eşitlikler hem laminer hem de türbülent akım için geçerlidir. Daha ayrıntılı hesaplamalar için bu eşitliklerin kullanılması sürtünme mekanizması ve dolayısıyle akımın laminer yada türbülent oluşuna bağlıdır. Eşitlikler laminer akıma kolaylıkla uygulanabilir. Daire kesitli borularda boru ekseni etrafındaki simetriden dolayı lokal hız U, sadece r yarıçapına bağlıdır. Akım kesitinde r yarıçaplı ve dr genişliğinde , ds büyüklüğünde ince bir halka alınırsa bu halkanın alanı dS = 2 πrdr (5) olur. Newtonian akışkanlar için viskozite tanımı, µ = -τ gc /(du/dr) (6) Burada (-) işaretin fiziksel anlamı vardır. (-) işaret r arttıkça lokal hız U’nun azalmasını hesaba katmak için kullanılır. (6) ifadesine (3) eşitliğinde τ çekilip konursa, du/dr = ( -τ gc /µ) = - τw gc r / rw µ (7) Bu eşitlik, u = 0, r = rw sınır şartları ile integre edilirse,
∫
u
0
du = ( - τw gc / rw µ )
r
∫ rdr
(8)
rw
u = ( τw gc / 2rwµ) (rw2 – r2) (9) Boru merkezinde max. hız ifadesi (9) denkliğinde r = 0 alınarak bulunur. Umax = τw gc rw / 2gc (10) Buradan eşitlik (9) eşitlik (10) ile bölünürse U / Umax = 1- (r / rw )2 (11) bulunur. Bu eşitlik, laminer bir akış için yarıçapa göre hız dağılımının boru ekseninde maksimum olan bir parabol şeklinde olduğunu gösterir. 4
2.3. Borularda ve Kapalı Kanallarda Türbülent Akım Akışkanlar kapalı kanallardaki hali dışında, katı yüzeyle akışkan arasındaki sınırda türbülans sürekli olarak bulunamaz. Muhtemelen katı yüzeye yakın çok ince bir tabaka içerisinde girdap nadiren bulunur. Belirli bir kalınlığı olan ve içerisinde sürekli olarak girdap bulunmayan bu tabakaya viskoz alt tabaka denir. Viskoz alt tabaka üzerinde değişik büyüklükteki girdapların tahrikinden dolayı herhangi bir noktada viskoz alt tabaka kalınlığı zamanla değişir. Viskoz alt tabakada sadece viskoz sürtünme önemlidir. Viskoz alt tabaka akım kesitinin sadece küçük bir bölümünü kaplar. Geride kalan akım ise türbülent akımdır. Viskoz alt tabakanın hemen yanında hem viskoz sürtünmenin hem de girdap sürtünmesinin olduğu bir geçiş tabakası bulunur. Bu geçiş bölgesi tampon bölge olarak isimlendirilir ve nispeten ince bir tabakadır. Akan akımın kesit alanının tamamı, tamamen türbülent olan türbülent nüve olarak isimlendirilen akım tarafından kaplanır. Türbülent nüve içinde viskoz kesme girdap viskozluğundan doğacak kesmeye nazaran ihmal edilir. Şekil 2, türbülent akımla akan bir akışkanda viskoz alt tabakada tampon bölgeyi(geçiş bölgesi) ve türbülent bölgeyi göstermektedir.
Şekil 2. 2.4. Türbülent Akımda Hız Dağılımı Düzgün bir boruda türbülent akımla akan Newtonian bir akışkan için tipik bir hız dağılımı Şekil 3’de gösterilmektedir. Şekilde aynı zamanda aynı maksimum hızdaki laminer akımın hız dağılımı gösterilmektedir.
Şekil 3. 5
Türbülent akım için dağılım eğrisinin, laminer akım için olandan daha geniş bir parabol olduğu görülüyor. Aynı zamanda maksimum. hız ve ortalama hız arasındaki fark daha küçüktür. 3.DENEY DÜZENEĞİ C
B
(a)
(b)
A
D Şekil 4. A:Pompa, B:Vana, C:Renkli sıvı haznesi, D:Cam boru • • •
•
•
Pompayı çalıştırarak suyun tüm akım borusunda hiçbir hava kabarcığı kalmaksızın akışını sağlayınız. Renkli sıvının musluğunu yeterli ölçüde açarak akım borusuna enjektörden renkli sıvı girmesini sağlayınız. Akım hızını vanayı kullanarak akımı minimuma getirerek renkli sıvının doğrusal akışını temin ediniz. Gözlenen durum laminer akım şartlarıdır. Vana çok az miktarlarda kontrollü olarak açılarak geçiş bölgesi ve türbülent bölgelerin akış desenleri gözlenecektir. Vana ile akış hızı ayarlanmadan her defasında a ve b noktaları arasında renkli sıvı hattında oluşturulacak bir izin a ve b noktaları arasındaki mesafeyi geçme süresi belirlenecek, vananın konumu değiştirilmeden su çıkışına yerleştirilecek bir mezürle mevcut akışın hacimsel debisi ölçülerek belirlenecektir. Deney esnasında akış bölgeleri, boruya merkezden enjekte edilen renkli sıvının akış deseni görsel olarak incelenerek belirlenecek, fakat gerçekte bölgelerin kesin ayırımı hesaplamalar sonucu ortaya çıkacaktır. Üç farklı akış bölgesinin karakteristik özellikleri, akış desenindeki sürekli değişim gözlenerek anlaşılacaktır.
4.DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ a-Renkli sıvının a ve b noktaları arasındaki mesafeyi alma süreleri borudaki akışkanın maksimum. hızını belirlemek için kullanılacaktır.V = (x / t ) , (cm/s) bağıntısı kullanılarak farklı her deneme için Vmax. değerleri hesaplanacaktır.
6
b-Her denemede hacimsel debi ölçümünde elde edilen veriler kullanılarak cm3/s olarak hacimsel debiler hesaplanacaktır. Süreklilik eşitliği kullanılarak boru için elde edilen hacimsel debi verilerinden boruda akan akışkanın ortalama lineer hızı belirlenecektir. • Elde edilen Vmax. ve Vort. hızları kullanılarak bu veri çiftlerinin elde edildiği adımlardaki Re sayıları ,yani akış bölgeleri belirlenecek ve farklı çıkıp çıkmamaları irdelenecek ve yorumlanacaktır. • Ayrıca laminer bölge için elde edilen Vmax. ve Vort. hızları kullanılarak (Vort./Vmax.) oranları hesaplanarak, laminer bölge için (V/Vmax..) = 0.5 literatür değeri ile kıyaslanacak ve sonuçların bu değerden farklı çıkması yorum şeklinde yazılacaktır.
5.SEMBOLLER Va: a noktasındaki ortalama hız Vb: b noktasındaki ortalama hız β : moment düzeltme faktörü F: kuvvet Fs:Sürtünme kuvveti Fg:Yerçekim kuvveti Sa: a noktasındaki kesit alanı(m2) Sb: a noktasındaki kesit alanı(m2) Pa: a noktasındaki basınç(kg.m2) Pb: b noktasındaki basınç(kg.m2) Vort : ortalama lineer hız Vmax: maksimum hız U : lokal hız r : boru cidarından olan radyal yöndeki uzaklık τ : kesme gerilimi τw: Boru cidarındaki kesme gerilimi D: boru çapı ρ: Akışkanın yoğunluğu µ :Akışkanın viskozitesi, (kg/m.s) ν :Akışkanın kinematik viskozitesi, (m/s) g : Newton dönüşüm faktörü, 9.81 (kg.m/kg.s2)
6.YARARLANILACAK KAYNAKLAR 1- McCabe Smith, Kimya Mühendisliği Ünit Operasyonları, Cilt-1, (Çeviren Prof. Dr. Emir Gülbaran), İTÜ.İstanbul, 1984. 2- Ahmet Aydın, Akışkanlar Mekaniği, İÜ,İstanbul,1998.
7
AKIŞKANLARDA SÜRTÜNME KAYIPLARININ İNCELENMESİ 1. DENEYİN AMACI Akışkanlar Mekaniğinde karşılaşılan en önemli problemlerden biri akışkanın akışı esnasında ortaya çıkan enerji kayıplarının belirlenmesidir. Gerekli ekipmanların tasarımı ve proseslerin sağlıklı bir şekilde çalıştırılabilmesi için söz konusu kayıpların tespiti büyük önem arzetmektedir. Gerçekleştirilecek deney ile sıkıştırılamayan akışkanların düz boru, vana ve dirseklerden geçişleri ve ani genişleme veya ani daralmaya uğradıklarında ortaya çıkan kayıpların ölçümü ve deneysel bulguların teorik olarak hesaplanan değerlerle mukayesesi amaçlanmıştır. 2. TEORİ Sıkıştırılamayan bir akışkanın bir boru içindeki akışı kütle ve enerjinin korunumu prensiplerine dayanan aşağıdaki iki eşitlikle ifade edilmiş olup, Q = v1A1 = v2A2 (P1/ρg)+ ( v12/2g) +z1 = (P2/ρg)+(v22/2g) + z2 +hL 1-2
(Süreklilik Denklemi)
(1)
(Bernoulli Eşitliği)
(2)
son eşitlikte yer alan (hL 1-2) terimi birim ağılıktaki akışkanın (1) ve (2) noktaları arasındaki mesafeyi katederken uğradığı toplam enerji kaybını ifade eder. 2.1. Borularda Sürtünme Kayıpları Akışkanın bir boruda akışı esnasında ortaya çıkan toplam enerji kaybı (hL) boru içinde akan akışkanın boru uzunluğu boyunca viskozitesinden ileri gelen direnç ve vana, dirsek, ani genişleme ve ani daralma gibi akış kesit alanında aniden meydana gelen değişikliklerin sebep olduğu kayıpların sonucudur. Bilindiği üzere, akışkan akımlarında laminer ve türbülent akış olmak üzere iki tür akış sözkonusudur. •
Düşük hızlarda, Reynold Sayısının 2100’den küçük (Re < 2100) olduğu durumlarda laminer akış oluşur ve laminer akış aralığında sürtünme kayıplarından ileri gelen basınç azalması, Hagen-Poiseuilli denklemi ile,
veya Q = (π/4) v D2 alınarak,
∆P = 128 µ L Q / πD4
8
∆P = 32 µ L v / D2 ifadesi elde edilir. Uzunluğu L olan dairesel kesitli bir boru boyunca olan sürtünme kayıpları ise, hL = ∆P / ρg = 32 µ L v / ρg D2 (3) ifadesi ile tanımlanmıştır ve laminer akışlarda sürtünme kayıpları hız ile orantılıdır. • Yüksek hızlarda (Re > 3000) boru boyunca akışkanın karışma hareketinin yer aldığı türbülent akım meydana gelir. Dairesel kesitli bir boruda sıkıştırılamayan bir akışkan için sürtünmeden ileri gelen basınç düşüşü, D’Arcy Eşitliği (veya Fanning Eşitliği veya Fanning-D’Arcy Eşitliği) olarak adlandırılan, ∆p = 4 f ρv2L / 2D eşitliği ile verilmiş olup, buradan; hL = ∆P / ρg = 4 fLv2 / 2g D
(4)
eşitliği gereğince sürtünme kayıpları bulunabilir. Bu eşitlikten türbülent akışlar için sürtünme kayıplarının hızın karesi ile orantılı olduğu görülür. Uygulamada genellikle türbülent akımla karşılaşılır. Eşitlikte yer alan f büyüklüğü “Sürtünme Faktörü” olarak adlandırılır ve Reynold Sayısı ile boru iç yüzeyinin pürüzlülüğüne (roughness) bağlı boyutsuz bir büyüklüktür. 2.1.1. Sürtünme Faktörü’nün Reynold Sayısı ile Değişimi Şekil 1’de Sürtünme Faktörü ile Reynold Sayısı arasında belli pürüzlülük oranları için deneysel olarak elde edilen grafikler gösterilmiştir. Reynolds sayısının ve boru iç yüzeyinin pürüzlülük oranının bilinmesi durumunda f sürtünme faktörü grafikten doğrudan okunabilir.
Şekil 1. Dairesel Kesitli Borulardaki Akışlarda Sürtünme Faktörleri 9
Grafikte görüldüğü gibi laminer akışlar için sürtünme faktörü pürüzlülük oranından bağımsızdır ve sadece Reynold sayısının bir fonksiyonudur. Laminer akışlar için sürtünme faktörü Hagen-Poiseuilli denklemi ile D’Arcy denkleminin birleştirilmesi ve Reynold Sayısı, Re = Dvρ/µ (5) Alınarak, f = 16 / Re (6) bulunur. Pürüzlülük oranlarının bilinmemesi durumunda türbülent akış aralığı için f = 0.079 ( Re ) -0.25
(7)
Blasius denklemiyle pürüzsüz borular için sürtünme faktörü hesaplanır. Gerek laminer akış, gerekse türbülent akış için Reynold Sayısı, sistemde dolaşan suyun sıcaklığının ölçülmesi ve bu sıcaklığa tekabül eden vizkozite ve yoğunluk değerlerinin bulunması ile (5) ifadesinden hesaplanır. 2.1.2. Akış Alanlarındaki Ani Değişmelerden İleri Gelen sürtünme Kayıpları Boru çapındaki ani değişikliklerden ileri gelen kayıplar Bernoulli Eşitliğinin yatay bir boru için uygulanmasıyla; (P1/ρ1g)+ ( v12/2g) +z1 = (P2/ρ2g)+(v22/2g) + z2 +h L
(z1 = z2)
alınarak, ani genişlemelerde,
•
hL = (v1- v2)2 / 2g
(8)
hL = K (v22 /2g)
(9)
ani daralmalarda,
•
olarak bulunur. Eşitlik (9)’daki K sabiti Kayıp Faktörü olarak adlandırılmış olup, değişim oranına göre aldığı değerler Tablo 1’de verilmiştir. Tablo 1. Ani Daralmalar için Kayıp Faktörü Değerleri A2/A1 K
0 0.50
0.1 0.46
0.2 0.41
0.3 0.36
0.4 0.30
0.6 0.18
0.8 0.06
1.0 0
Yukarıda (1) eşitliği ile verilen süreklilik denklemi dikkate alınırsa, v2 = v1 (A1/A2) olur ve dolyısıyla (8) eşitliğinin, hL = (v12 / 2g) (1 – A1 / A2)2 = (v22 / 2g) (A2 / A1 - 1)2 olarak ifade edilmesi de mümkündür. •
Dirseklerdeki Sürtünme Kayıpları 10
(10)
Dirseklerde meydana gelen sürtünme kayıpları aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır. hL = KB (v2 /2g)
(11)
KB sabiti (dirsek yarıçapı / boru yarıçapı) oranı ve dirseğin açısı ile ilişkili Kayıp Faktörü olup, bazı dirsek tipleri için uygulanan değerler Tablo 2’de verilmiştir.
Tablo 2. Muhtelif Dirsekler için Kayıp Faktörü Değerleri Donanım
Kayıp Faktörü, KB
Geri Dönüşlü Dirsek
2.2
90 o ‘lik Dirsek
0.9
45 o ‘lik Dirsek
0.4
T Bağlantısı
1.8
Geniş Açılı Dirsek
0.6
•
Vanalardaki Sürtünme Kayıpları
Vanalardaki sürtünme kayıpları aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır. hL = K (v2 /2g)
(12)
Burada K, Kayıp Faktörü olup, vananın cinsine bağlı bir sabittir. Bu sabitler çeşitli vana tipleri için Tablo 3’de verilmiştir. Tablo 3. Muhtelif Vanalar için Kayıp Faktörü Değerleri Vana Tipi
Kayıp Faktörü, K
Tam Açık Küresel (Globe) Yuvalı Vana
10.0
Tam Açık Konik (Gate) Yuvalı Vana
0.2
Yarı Açık konik (Gate) Yuvalı Vana
5.6
2.1.3. Basınç Ölçme Prensipleri a. Basınçlı Tüpler (Pressurised Piezometer Tubes) Akışkan sistemlerinde farklı seviyelerdeki noktalar arasındaki basınç farkı Basınçlı Tüpler (Pressurised Piezometer Tubes) olarak adlandırılan basınç ölçerlerle ölçülür. Böyle bir basınç ölçer tüp şematik olarak Şekil 2’de gösterilmiştir. Şekilde gösterilen (1) ve (2) noktaları arasında Bernoulli Eşitliği uygulanırsa, 11
z + (P1/ρg) + ( v12/2g) = (P2/ρg) + (v22/2g) +h L
(13)
İfadesi elde edilir. Söz konusu sistemde boru çapı sabit olduğu için; v1 = v2 olur ve ifade hL =[ (P1-P2) / ρg ] +z
(14)
olarak tekrar düzenlenebilir. Şekil 2’den ayrıca, P hava basıncı olmak üzere, P2 = P + ρgy ve P1 + ρgz = P + ρg (x + y) yazılabilir. Bu iki eşitliğin birleştirilmesi ile, x = [(P1- P2) / ρg] + z
(15)
eşitliğine ulaşılır. Elde edilen (11) ve (12) no’lu eşitliklerin karşılaştırılmasından (16)
hL = x
olduğu ve basınç ölçerin kolları arasındaki seviye farkının hL değerini verdiği görülür.
Şekil 2. İki Nokta Arasındaki Basınç Farkının Ölçülmesi 2.1.4. U Manometresi Bir U manometresini gösteren Şekil 3’de, 1 ve 2 noktalarındaki boru çapı ve yükseklikler aynı olduğu takdirde, yukarıda verilen (14) ifadesi; (17)
( P1-P2) / (ρH2Og) = hL şeklini alır. Diğer yönden kapalı bir sistem olan U manometresi için;
12
(18)
P1 + ρH2Og(x+y) = P2 + ρHggx + ρH2Ogy olarak yazılabilir ve buradan; P1-P2 = xg (ρHg - ρH2O)
ve
(P1-P2 ) / ρH2Og = x (S-1)
ifadesi elde edilir. Civanın spesifik gravitesi 13.6 alınıp, karşılaştırılırsa, U manometresi için,
(19)
(14) ve (16) ifadeleri (20)
hL = 12.6 x olduğu görülür.
Şekil 3. U Manometresinde Basınç Farkının Ölçülmesi
3. DENEY DÜZENEĞİ Deney düzeneği, üzerinde basınç-örnek musluklarının bulunduğu deney borularından ve bunları birbirine bağlayan dirsekler, büküntüler, çeşitli vanalar ve ani daralma, ani genişlemeler içeren lacivert ve mavı renkli ıkı hattan meydana gelmiştir. Globe ve Gate vanalardaki basınç değişiklikleri U manometreleri, diğer basınç değişiklikleri ise basınçlı tüplerle ölçülmektedir. Ayrıca bu sisteme su sağlayan kapalı devre olarak çalışan bir depo ve pompa mevcuttur. (Şekil 4) Deney Düzeneğinin Kullanıma Hazır Hale Getirilmesi 1. Öncelikle Globe valfi kapatılarak Gate valfi açılır ve lacivert hatta su verilir. 13
2. Sistemden 2-3 dk. su geçirilerek sistemin kararlı hale gelmesi sağlanır. 3. Gate valfi kapatılır ve basınç ölçer tüplerindeki hava boşaltılır. Basınç ölçer tüplerindeki basınç farklarının sıfır olması sağlanır. 4. Gate valfi açılır ve U manometresi içinde hiç hava kalmayacak şekilde her iki kola su doldurulur. 5. Gate valfi kapatılır ve Globe valfi açılarak aynı işlemler mavi hat için tekrarlanır. Gerçekleştirilen bu işlemler neticesinde sistem deneye hazır hale gelir.
Şekil 4. Deney Düzeneğinin Şematik Gösterilişi A. B. C. D. E. F.
G. 90o Dirsek (r = 50.8 mm) H. 90o Dirsek (r = 101.6 mm) J. 90o Dirsek (r = 152.4 mm) K. Globe Vana L. Düz Boru (İç çapı 26.4 mm)
Düz Boru (İç çapı 13.7 mm) 90o Özel dirsek yarıçapı = 0 90o standart dirsek (r = 12.7 mm) Gate Vana Ani Genişleme (13.7 mm / 26.4 mm) Ani Daralma (26.4 mm /13.7 mm)
Borular bakır olup uzun düz boru ile dirseklerin basınç tapaları arasındaki mesafe 0.914 m’dir. Deneyin Yapılışı 1. Globe vana kapalı haldeyken gate vana tamamen aççılarak lacivert hatta maksimum debide su verilmesi sağlanır. 2. Bu maksimum debide bütün basınç ölçer tüplerin ve U manometrelerin değerleri okunarak kaydedilir. 3. Manometre değerleri okunurken aynı zamanda tanktaki suyun sıcaklığı da ölçülerek kaydedilir.
14
4. Bu esnada bir ölçü kabında belli bir zaman aralığı için yeterli miktarda su toplanarak suyun debisi hesaplanır. 5. Yukarıdaki işlem gate vananın kademeli olarak kapatılması ile elde edilecek 10 farklı debi için tekrar edilir. 6. Gate vana kapatılır ve globe vana açılarak yukarıdaki işlemler (1 – 5) mavi hat için tekrar edilir. 7. Pompayı durdurmadan önce globe ve gate vanaların her ikisi de kapatılarak sisteme hava girişi engellenir.
4. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ Düz Borulardaki Sürtünma Kayıpları Uyguladığınız her bir akışkan debisi için; 1. Ölçülen su sıcaklığı için o verilen tablolardan faydalanarak ρ yoğunluk ve µ viskozite değerlerini bulunuz. 2. Ölçülen hacimsel debi değeri ve boru iç kesit alanı değerlerinden faydalanarak v çizgisel hızını hesaplayınız. 3. Bu değerleri kullanılarak Reynold Sayısını (Re) hesaplayınız. 4. Reynold Sayısına bağlı olarak eşitlik (4)’de verilen D’Arcy Denkleminden yayarlanarak f sürtünme faktörünü hesaplayınız ve elde ettiğiniz değerlerle Reynold Sayısı arasında bir grafik çiziniz.. 5. Daha sonra eşitlik (7)’de verilen Blasius Denkleminden yararlanarak, f sürtünme faktörlerini hesaplayınız ve aynı grafik üzerinde Reynold Sayısına bağlı olarak gösterip, sonuçları deneysel olarak belirlediğiniz grafik değerleriyle kıyaslayarak yorumlayınız. Örnek Hesaplama Kütlesel Debi: 0.286 kg / s, Okunan Basınç Kaybı: x = hL = 32. 2 cm tH20 = 23 oC Hacımsal Debi: Q = Kütlesel Debi / Yoğunluk = 0.286 / 10-3 = 286 x 10-6 m3 / s Akış Kesit Alanı: A = (π / 4) 13.72 = 147.3 mm2 = 147.3 x 10-6 m2 Lineer Hız: v = Q / A = 286 x 10-6 / 147.3 x 10-6 = 1.94 m / s Suyun 23 oC’deki Viskozitesi: µ = 9.40 x 10-7 m2 / s Reynold Sayısı: Re = v D / µ = (1.94 x 13.7 x 10-3) / 9.40 x 10-7 = 2.83 x 104 Sürtünme Faktörü: f = hL 2 g D / 4 Lv2 = (0.332 x 2 x 9.81 x 13.7 x 10-3) / (4 x 914 x 10-3 x 1.942) = 0.0065 Blasius Denkleminden: f = 0.079 ( Re ) -0.25 = 0.0061 Ani Genişleme Ani Genişleme Bölgesi için akışkanın deneysel olarak ölçtüğünüz debilerini kullanarak, herbir debi için;
15
1. Hiç sürtünme olmadığının farzedilmesiyle oluşacak (h2-h1) farkını teorik olarak hesaplayınız.p, okuduğunuz manometre değeriyle karşılaştırınız. 2. Sürtünme olduğu zaman oluşacak (h2-h1) farkını teorik olarak hesaplayınız. 3. Hesapladığnız değerlerle, okuduğunuz (ölçtüğünüz) manometre değerleri arasında . Şekil 5’de gösterildiği biçimde bir grafik çizerek, ölçülen değerlerle hesaplanan değerler arasındaki uyumu değerlendiriniz. Örnek Hesaplama Deney esnasında 18 kg suyun 73.2 saniyede aktığı durumda ani genişleme manometre okuması 48 mm H2O‘dur. a. Hiç sürtünme olmadığını, b. Sürtünme olduğunu farzederek (h2-h1) farkını teorik olarak hesaplayınız. Deneyselolarak okunan değerle karşılaştırınız. (d1 = 13.7 mm ve d2 = 26.4 mm) a. Sürtünme olmadığı kabul edildiğinde, h2-h1 = (v12- v22)/ 2g A1 v1 = A2 v2
(Bernoulli) (Süreklilik)
eşitlikleri geçerlidir. Buradan
h2-h1 = v12[1-(A1/A2)2] / 2g = v12 [1-(d1/d2)4] / 2g v1 = Q/A1 = (18 / 73.2) x 10-3 / [(π/4) (13.7) 2 x 10-6] = 1.67 m/s bulunur ve
h2-h1 = 0.132 m
olarak hesaplanır.
b. Sürtünme kayıplarının olması durumunda; hL = (v1-v2)2 / 2g
ve
h2-h1 = (v12-v22) / 2g - hL olur ve
h2-h1 = 0.056 m bulunur. Bu ise deneysel değerle (48 mm) (a) şıkkına göre daha uyumludur.
16
Şekil 5. Ani Genişlemelerde Kayıplar Ani Daralma Ani genişlemeye benzer şekilde, ani daralma bölgesi için de akışkanın deneysel olarak ölçtüğünüz debilerini kullanarak, herbir debi için; 1. 2. 3.
Hiç sürtünme olmadığının farzedilmesiyle oluşacak (h2-h1) farkını teorik olarak hesaplayınız.p, okuduğunuz manometre değeriyle karşılaştırınız. Sürtünme olduğu zaman oluşacak (h2-h1) farkını teorik olarak hesaplayınız. Hesapladığnız değerlerle, okuduğunuz (ölçtüğünüz) manometre değerleri arasında Şekil 6’da gösterildiği biçimde bir grafik çizerek, ölçülen değerlerle hesaplanan değerler arasındaki uyumu değerlendiriniz.
17
Şekil 6. Ani Daralmalarda Kayıplar Örnek Hesaplama Bir önceki örnekteki debide ani darlamadaki manometre ölçüm farkı 221 mm bulunmuştur. a. Hiç sürtünme olmadığında, b. Sürtünme olduğu zaman (h1-h2) farkını teorik olarak hesaplayınız. Deneysel olarak bulunan ile kıyaslayınız. (d1 = 26.4 mm ve d2 = 13.7 mm) a. Bernoulli ve süreklilik eşitliklerine göre h2-h1 = v22[1-(d2/d1)4] / 2g = 0.927 v22/ 2g v2 = 1.67 m/s olduğu zaman
h1-h2 = 0.132 m
b. Ani daralmada sürtünme kayıpları olduğunda, hL = K (v22 /2g) olarak verilen (9) eşitliği ve h2-h1 = v22[1-(d2/d1)4] / 2g + hL 18
olur ve bulunur.
eşitlikleri uygulanır. A2 / A1 = 0.27 için Tablo 1’den K = 0.38 alınabilir. Buradan, hL = 0.38 (v22 /2g)
ve
h1-h2 = 1.307 v22 / 2g
olur ve v2 = 1.67 m/s’lik lineer hız için (h1-h2) = 0.185 m
bulunur.
Bu ise sürtünmesiz kabule göre deneysel ölçümlerle daha uyumludur. Dirseklerdeki Sürtünme Kayıpları Deney düzeneğinde yer alan beş farklı dirsek için, okuduğunuz manometre değerleri ve (11) no’lu eşitlikten yararlanarak KB Kayıp Faktörü değerlerini hesaplayınız. Her bir dirsek için farklı debilerde hesapladığınız değerleri karşılaştırarak, sonuçları irdeleyiniz. Vanalardaki Kayıplar Vanalardaki kayıpların ölçülmesinden globe ve gate vanalar için hacımsal akış hızı ile kayıp katsayısı arasındaki bağıntı ortaya konur. Bu amaçla; 1. Ölçülen hL değerlerinden yararlanarak (12) eşitliğine göre globe ve gate vanalar için ayrı ayrı farklı debilerdeki K kayıp katsayılarını hesaplayınız, 2.
Globe ve gate vanalar için elde edilen değerlerle, % Akış Hızları [(Uygulanan Debi / Tam açıklıktaki debi) x 100] arasında bir grafik çiziniz. (Örnek Şekil 7) Grafikten nasıl yararlanılabileceğini açıklayınız.
Örnek Hesaplama Valf tamamen açık iken ölçülen hacimsel debi 246.10-6 m3/s ve U manometresinde okunan değer 172 mmHg olsun. K kayıp katsayısı hesaplayınız. U Manometresi için (20) eşitliğinden hL = 12.6 x 172 = 2170 mm = 2.167 m bulunur. Buradan (12) No’lu eşitlikten elde edilen K = hL 2g/ v2 ifadesine göre, % 100’lük akış hızı için; K = (2.17 ) (2) (9.81) / (1.67)2 = 15.3
SEMBOLLER A :Akış Alanı ,m2 D : Boru Çapı, m f : Fanning Sürtünme Faktörü hL : Sürtünme Kaybı, m L : Boru Uzunluğu, m K : Kayıp Faktörü, m P : Staik Basınç, Nt/m2 Q : Hacimsel Debi, m3/s S :Cıvanın Spesifik Yoğunluğu, kg/m3 µ :Akışkanın Viskozitesi, kg/m.s 19
bulunur.
ρHg : Cıvanın Yoğunluğu, kg/m3 ρH2O : Suyun Yoğunluğu x : Cıva okuma yüksekliği v : akışkanın lineer hızı, m/s z : referans noktasına göre yükseklik, m
% Akış Hızı Şekil 7. Globe ve Gate Vanalar İçin Kayıp Katsayıları
YARARLANILACAK KAYNAKLAR
1. J. T. Banchero, W. L. Badger, Çev. İhsan Çataltaş, “Kimya Müh. Giriş” İnkilap ve Aka , İstanbul, 1975. 2. Prof. Dr. Ahmet Aydın, Akışkanlar Mekaniği, İ. Ü. Basımevi, İstanbul, 1998. 3. Diğer Akışkanlar Mekaniği Kitapları
PİTOT TÜPÜ VE ORİFİSMETRE
1.DENEYİN AMACI 20
Akışkan hareketi, uygulamalı mühendislik dallarının hemen hemen hepsinde karşılaşılan bir konudur. Bir akışkanın hızını ölçmek, sistemde sürtünmeden kaynaklanan kayıpları belirlemek, hem akışkan akışını içeren prosesin kontrolü hem de ekonomik olarak çok önemlidir. Bu deneyde pitot tüpü kullanılarak lokal hız ölçümleri yapılıp hava akışı içeren silindirik bir boru içerisinde hız profillerini elde ederek, sınır tabakanın oluşumu incelenecektir. Statik basınç değerlerinden yararlanılarak düzgün boruda sürtünme faktörü hesaplanacaktır. Ayrıca sistem girişindeki standart nozulden yaralanılarak ortalama akışkan hızları tespit edildikten sonra bir orifismetrenin deşarj katsayıları ölçülecektir. 2.TEORİ 2.1. Manometre Basınç veya basınç farkı ölçümlerinde kullanılan cihazlara manometre adı verilir. Utipi sıvı manometreler özellikle laboratuar uygulamalarında geniş bir kulanım alanına sahiptirler. Sistemdeki iki değişik noktaya bağlı olan manometrenin kollarındaki sıvı seviyeleri farkı, o noktalar arasındaki basınç farkını hesaplamak amacıyla kullanılmaktadır. Şekil 1 de bir U tipi manometre kullanılarak basınç farkının nasıl ölçüldüğü gösterilmektedir. Her iki kolona basınç denkliği uygulandığında aşağıdaki ifade elde edilir. Basınç farkı = PA-PB =ρg(b-a)+hg(ρman-ρ)
(1)
Eğer A ve Bnin yükseklikleri eşit ise bu ifade aşağıdaki gibi yazılabilir: Basınç farkı = PA-PB =hg(ρman-ρ)
(2)
Burada ρman manometre içindeki sıvının yoğunluğu, ρ da sistemden akan akışkanın yoğunluğu, h iki kolon arasındaki sıvı seviyesi yükseklik farkı, g ise yerçekimi ivmesidir. Sistemden akan akışkan bir gaz olduğunda, sıvı yoğunluğu yanında, gazın yoğunluğu ihmal edileceğinden (2) eşitliği aşağıdaki gibi ifade edilebilir: PA-PB =hgρman
(3)
Basınç farkının az olduğu durumlarda, sıvı seviyesi farkını daha rahat okumak amacıyla Şekil 2de gösterilen eğik manometre kullanılır. Bu manometre kullanıldığında (3) eşitliğiyle verilen basınç farkı aşağıdaki gibi hesaplanır: P1-P2 =gρman xsinθ
(4) 21
2.2.Pitot Tüpü Sıkıştırılamayan hareketli bir akışkan için mekanik enerji dengesi; akışkanın basıncı, hızı, yoğunluğu ve seviyesi(yerden yüksekliği) arasıda bir bağıntı verir. Bernoulli eşitliği olarak bilinen ve birim hacimdeki enerjiyi temsil eden bu bağıntının, çevre ile iş alışverişi olmayan ve sürtünme kayıplarını ihmal edilmiş olduğu şekli aşağıdaki gibidir: P + ρv2/2 + ρgz= sabit
(5)
Burada P akışkanın statik basıncı, v hızı, ρ yoğunluğu, z belirli bir referans seviyeye göre yüksekliği ve g yerçekimi ivmesidir. Sınır tabaka, akışkan hareketinin temasta olduğu yüzey tarafından etkilendiği bölgedir. Bir akışkan üniform hızda bir boruya girdiğinde, akışkanın temas ettiği yüzeyde sürtünmeden dolayı akışkan hareketi etkilenir ve şekil3 te gösterildiği gibi bir sınır tabaka oluşmaya başlar. Yeterli uzunluk varsa neticede sınır tabaka bütün boru kesitini kaplar. Sınır tabaka profilinin tüm kesiti kaplayıp akış yönünde değişmediği hali alıncaya kadar oluşan bölgeye gelişmekte olan sınır tabaka veya gelişmekte olan akış, boru kesitini kaplayıp radyal hız profilinin sabit kaldığı akışa tam gelişmiş sınır tabaka veya akış denir. Basit bir pitot tüpü Şekil 4 te görüldüğü gibi bir ucu akışkana paralel diğer ucu ise akışkana dik olarak yerleştirilen iki tüpten ibarettir. Bir akış hattı içinde lokal hızı ölçmek için kullanılır. Yüzeye yerleştirilen tüpten statik basınç, akışkan içine yerleştirilen uçtan ise durgunluk basıncı ölçülür. Tüplerin diğer uçları bir manometreye bağlıdır. Manometre kolları arasındaki sıvı seviyesi farkından yaralanılarak akışkanın lokal hızı belirlenebilir. Tüpün iki ucuna bernoulli eşitliği uygulanır ve (3) eşitliği de dikkate alınırsa aşağıdaki lokal hız ifadesi elde edilir. u=(2(P2-P1) /ρ)1/2=( hgρman/ρ)1/2
(6)
Pitot tüpünün ucunu akış kesit alanı içinde istediğimiz kısma yerleştirerek lokal hız değerini okumak mümkündür. Böylece radyal ve eksenel yönde hız profilinin nasıl değiştiğini değişik noktalarda hız okunarak belirlenebilir.
2.3. Sürtünme Faktörü Kapalı bir boruda sürtünmeden kaynaklanan kayıp yüksekliği Darcy eşitliği ile verilir. h=2fLU2/dg
(7) 22
Burada L, h yükseklik kaybını ölçüldüğü akış yönündeki mesafe, d ise boru çapıdır. Eşitlik (3)ten h çekilir ve bu ifadede yerine konulursa sürtünme faktörü için aşağıdaki eşitlik elde edilir: f=(P2-P1)d/2LρU2
(8)
Laminer akım için borudan akan akışkana momentum denkliği uygulandığında basınç farkı ifadesini veren Hagen-Poiseuille eşitliği elde edilir. P2-P1=128µLQ/πd2
(9)
Türbülent akımda sürtünme faktörünü, yani basınç farkını hesaplayabilmek için analitik çözüm mümkün olmadığından ilk defa Blasius aşağıdaki ampirik ifadeyi teklif etmiştir: f= 0.079/Re1/4 (10) Eşitlik (7) ve (9) birleştirilir ve yeniden düzenlenirse laminer akım için sürtünme faktörünün Reynolds sayısına aşağıdaki şekilde bağlı olduğu görülür: f=16/Re (11) Burada Re=dUρ/µ dür.Kapalı bir sistem içinde belli bir mesafede statik basınç farkları ölçülüp, Eşitlik (7)nin kullanılmasıyla ölçüm şartları için sürtünme faktörü hesaplanabilir. 2.4.Orifismetre Orifismetre akışkanların ortalama hızını ölçmek amacıyla kullanılır. Çalışma prensibi akış alanının bloke edilmesiyle hıza bağlı olarak basınç farkının oluşturulmasına dayanır. Orifismetre şematik olarak Şekil 5 te gösterilmektedir. 1 ve 2 noktasına Bernoulli denklemi uygulanır ve uygun modifikasyonlar yapılırsa hız ifadesi için aşağıdaki eşitlik elde edilir: u = (2(P2-P1)/ ρ)1/2 = (2gh ρman/ρ)1/2
(12)
Q = AjUj
(13)
Burada Q hacimsel debi, Aj minimum daralmada (vena kontrakta) jet alanı, Uj jet hızıdır. Fakat jet kesin alanı ve jet hızı tam olarak ölçülemediğinden bazı katsayılar (düzeltme faktörü) kullanılarak jet kesit alanı yerine orifis kesit alanı kullanılır: Q = AjCcUj = A0CcCvUj = A0CcCv (2gh ρman/ρ)1/2
(14)
Bu eşitlikte, A0 orifis kesit alanı, Cc büzülme katsayısı ve Cv jetin hız katsayısıdır. Büzülme katsayısı ve jet hız katsayısının çarpımına deşarj katsayısı adı verilir. CD = CcCv
(15)
Eşitlik 8 aşağıdaki gibi yazılabilir; 23
Q = A0CD(2gh ρman/ρ)1/2
(16)
Eğer Q bilinirse orifismetre için deşarj katsayısı hesaplanabilir: CD = Q / A0(2gh ρman/ρ)1/2
(17)
Q değeri boru girişine monte edilen standart nozuldaki basınç düşüşünden yararlanılarak hesaplanır. Eğer atmosfer ile nozul içi arasına Benoulli denklemi uygulanırsa aşağıdaki ifade elde edilir: Q = ANCDN (2gh ρman/ρ)1/2
(18)
Bu eşitlikte AN nozul kesit alanı, CDN nozul deşarj katsayısıdır. Standart nozul için deşarj katsayısının değeri 0.97 dir. Çalışma şartlarında hava sıkıştırılamayan akışkan kabul edildiğinden buradan hesaplanan hacimsel debi değeri, orifismetre deşarj katsauısını hesaplamak için kullanılabilir.
3. DENEY DÜZENEĞİ Cihaz genel olarak çelik iskelet üzerine oturtulmuş uzun düz bir borudan ibarettir. Boru orifismetre takılıp çıkarılabilsin diye iki parça halinde yapılmıştır. Borunun bir ucu fana bağlı olup diğer ucu atmosfere açıktır. Boru boyunca statik basınç ölçümü yapabilmek amacıyla, belirli aralıklarla basınç ölçüm bağlantıları bulunmaktadır. Fan debisi bir akış kontrol sürgüsü ile ayarlanmaktadır. Düşey bir pitot tüpü derecelendirilmiş bir levha üzerine monte edilmiştir. Dikey olarak boru kesit alanı boyunca radyal yönde hareket ettirilebilen bu pitot tüpüyle radyal yönde hız ölçümleri yapmak mümkündür. Pitot tüpü ölçümleri akış yönünde 54, 297, 774 ve 1547 mm boru girişinden uzaklıklarda yapılır. Ayrıca borunun ortasına monte edilebilen bir orifis levhasıyla orifismetre ile ilgili ölçümler yapmak mümkündür. Santrifüj fan çelik bir sehpa üzerine monte edilmiş olup sabit hızlı bir motor ile döndürülmektedir. Yan yana sıralanmış 14 adet manometre tüpü basınç ölçümlerine imkan vermektedir. Manometre sıvısı olarak Kerosen kullanılmış olup yoğunluğu 787 kg.m-3. Bu manometreleri eğik konuma da getirmek mümkündür. Deney düzeneği ve boyutları şematik olarak Şekil 6’da gösterilmiştir. Bu deneyde yapılması gereken ölçümler şunlardır : 1. Orifismetre levhası olmaksızın düzgün bir boruda sınır tabakasının oluşumu, yani akışın gelişmesi incelenecektir. Bu deney dört ayrı eksenel istasyonda pitot tüpüyle
24
radyal yönde hzı ölçümleri alınarak yapılır. Pitot tüpü denemelerinde durgunluk basıncı ile pitot tüpüne en yakın noktadaki statik basınç ölçümleri alınır. 2. Statik basınç ölçümleri kullanılarak silindirik bir boruda belirli bir aralığı temsil eden sürtünme katsayısı hesaplanır. 3. Orifismetre levhası takılarak, statik basınç ölçümleriyle orifis levhasının giriş ve çıkış yönlerinde basıncın nasıl değiştiği gözlenir. Bu ölçümler için statik basınçla atmosfer basıncı arasındaki fark kullanılır. 4. Giriş ve çıkış yönünde orifismetreye en yakın iki nokta arasındaki basınç farkı ve standart nozuldaki basınç farkı ölçümlerinden elde edilen debi değeri kullanılarak orifisin deşarj katsayısı hesaplanır.
4. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ Yapılan ölçümlerden aşağıdaki değerlendirmeler yapılır: 1. Belirli bir hızda 4 değişik eksenel ölçüm noktasında radyal yönde pitot tüpüyle yapılan basınç farkı ölçümleri daha önce Eşitlik 6 kullanılarak lokal hız değerine dönüştürülür. Daha sonra bu değerler, radyal mesafeye karşı hız grafikleri çizilerek akım yönünde ve radyal yönde hız profillerinin nasıl değiştiği belirlenir. 2. Beş değişik hızda belirli bir eksenel mesafe aralığında alınan statik basınç farklarıEşitlik 7 veya 8 kullanılarak sürtünme faktörüne dönüştürülür. Sürtünme faktörü Reynolds sayısına göre grafiğe geçirilir, aynı grafik üzerinde akış rejimine göre 10 veya 11 eşitliğinden hesaplanan sürtünme faktörü değerleri de grafiğe geçirilerek ölçülen değerler ile ampirik değerler karşılaştırılır. 3. Beş faklı hızda orifismetre takılarak yapılan denemelerde statik basınçların atmosfer basıncıyla farkları eksenel mesafeye göre grafiğe geçirilerek orifisten önce ve sonra basıncın nasıl değiştiği gözlenir. 4. Orifisten bir önceki ve bir sonraki noktalardan yapılan basınç farkı ölçümleri ve nozul ölçümleri kullanılarak Eşitlik 17 ve 18 yardımıyla deşarj katsayısı hesaplanır. Deşarj katsayıları Reynolds sayısına karşı grafiğe geçirilerek hızla nasıl değiştiği gösterilir.
SEMBOLLER
25
Aj
: Vena kontraktaki jet kesit alanı
[m2]
A0
: orifis kesit alanı
[m2]
Cc
: Büzülme katsayısı
CD
: Orifisin deşarj katsaysı
CDN
: Nozulun deşar katsaysısı
Cv
: Jetin hız katsayısı
f
: Sürtünme faktörü
d
: Borunun çapı
[m]
g
: Yerçekimi ivmesi
[ms-2]
h L P Q U u ρ ρman
:Yükseklik kaybı : İki ölçüm noktasındaki eksenel mesafe, boru uzunluğu : Basınç : Hacimsel debi : Ortalama hız : Lokal hız : Akışkanların yoğunluğu : Manometre sıvısının yoğunluğu
[m] [m] [Nm-2] [m3s-2] [ms-1] [ms-1] [kgm-3] [kgm-3]
YARARLANILACAK KAYNAKLAR 1. Kimya Mühendisliği Unit Operasyonları, Cilt-1 Mc_cabe Smith, Çev:Prof.Dr.M.Emir Gülbaran İTÜ Kimya-Metalurji Fakültesi, 1984-İstanbul 2. Kimya Mühendisliğine Giriş Prof.Dr.J.T.Bancherd, W.L.Badger Çev:Prof.Dr.İhsan ÇAlataş İnkılap ve Aka Kitapevleri Koll. Şti, İstanbul 3. Fluid Mechanics Douglas, J.M., Gasiorek, J.A. Swaffield Longman Scientific and Technical, 1985
26
27
28
29
SABİT VE AKIŞKAN YATAK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ
1. DENEYİN AMACI Laboratuar boyutlarında hazırlanmış olan yatakta, akışkanlaşma özelliklerinin incelenmesi ve yatak boyunca basınç kaybının deneysel neticelerinin teorik hesaplamalarla karşılaştırılmasıdır. 2. TEORİK BİLGİLER Kimyasal proses endüstrilerinde uygulanan bir çok işlemde akışkan ile katıların temas ettirilmeleri gerekir. Bu işlemlerin en önemlileri, akışkanlaşma, statik yatak işlemleri, filitrasyon, kurutma, kristalizasyon olarak sayılabilir. Bu işlemlerin analiz ve gerekli ekipmanlarının dizayn edilebilmesi için, akışkan özellikleri ve akış biçiminin bilinmesinin yanısıra katı özelliklerinin de bilinmesi gereklidir. Örneğin; katalitik gaz-katı reaksiyonlarında katı tanecik yoğunluğu reaksiyon hızını etkileyebilen önemli bir parametredir. Akışkan yatak, uzun zamandır bilinmesine rağmen önceleri yaygın olarak kullanılmadı. Bugün ise, akışkan yataklar dünya çapında birçok endüstride çeşitli prosesler için kullanılmaktadır. Kömür yakılmasında ve gazlaştırılmasında, kuru atık gaz temizlenmesinde, kurutmada, kireç imalinde, cevherin redüksiyonunda, kavurmada iki fazlı akımın modellenmesinde olduğu gibi, temel anlamda tesislerin ısı ve reaksiyon tekniği hesapları için kullanılmaktadır. Özellikle bu sistemlerde, sıcaklığın kontrol altına alınabilmesi, bilhassa ekzotermik reaksiyonlar da, akışkanlaşmış katıların kullanılmasını önemli hale getirmiştir. Akışkan yatakların kullanım alanlarının genişlemesine neden olan bazı avantajları aşağıda belirtilmiştir: 1 - Akışkan yatakda, katı partiküller ile akışkan arasındaki ısı transfer alanları büyüktür. Bu durum enerji kayıplarının önlenmesinde etkilidir. 2 - Akışkan yataklarda, iç ve dış ısı transfer yüzeylerinden geçen taneciklerin sürekli hareket halinde olması, ısı transfer katsayılarının büyümesine neden olur. Bu sonuç yüksek ekzotermik ve endotermik reaksiyonlar açısından önem taşır. 3- Akışkanlaştırmanın çok i yi gerçekleştirildiği yataklar, sürekli karıştırmalı reaktörlere benzerler. Böylece akışkan yatakdaki karışım içinde ısı transfer h ı zı yüksek ve sıcaklık dağılımının ise üniform olması, kullanım açısından önemli avantajlar sağlar. 30
4 - Akışkan yatağa katı eklemek ve katıyı dışarı almak kolaydır. Bu özellik sistemin sürekli çalışma şartlarına uygunluğu açısından önemlidir. 5 - Akışkan yataklarda, ısının homojen dağılımı yakma proseslerinde de kullanılmasını cazip kılar. Ayrıca özellikle taşırma sonucu yanmamış kömürlerin, siklonda tutulup tekrar yatağa beslenebilmesi yanma verimini artırır. 6 - Akışkan yataklarda sıcaklığın kontrolü, sıcaklık dağılımının düzgün ve ısı transfer yüzeylerinin büyük olması, kurutma alanında da kullanılmasını cazip hale getirmiştir. Bunun sonucu hem enerji kayıpları önlenmiş olur, hem de akışkan yatakda kurutulan maddenin kalitesi artar. Her metotda olduğu gibi akışkan yataklarda da arzu edilmeyen dezavantajları vardır. Bunların bazıları: 1 - Akışkanlaşmayı sağlamak için pompalama gücüne ihtiyaç duyulur, bu özellikle derin ve geniş yataklar için çok fazla miktarda olabilir. 2 - Kullanılan partiküllerin boyutları ve tipleri sınırlıdır. Gevrek katılar toz haline gelir. 3 - Akışkanlaşmış operasyon esnasında kullanılan katalizör aşınmaya veya boyut küçülmesine maruz kalabilir. Böylece materyalin akışkanlaşma özellikleri farklı olabilir ve akışkanın hızını ayarlamak gerekebilir. 4 - Katıların taşınmasıyla, ince partikülleri geri kazanma gerekebilir. 5 - Sistemde kullanılan aletler, partikülle tarafından aşındırılabilir. Akışkan Yatak Teorisi: Bir akışkan, düşük akış hızlarında ince parçacıklardan oluşmuş bir yatak boyunca yukarıya doğru sadece sabit duran partiküller arasındaki boşluklardan sızarak geçer. Bu tip yatak “ sabit yatak” olarak adlandırılır. Akış hızının artırılmasıyla, partiküller arasındaki boşluklar artar ve birbirlerinden ayrılırlar. Akışkanın kaldırma kuvveti tanecik ağırlığına eşit olduğu anda katı tanecikler akışkan içinde hareket etmeye başlarlar ve sistem tamamen akışkanların gösterdiği davranışları gösterir. Bu akışkanlaşma türüne "minimum akışkanlaşma" denir. Bu değişimi sağlayan akışkan hızına minimum akışkanlaşma hızı adı verilir. Bu noktadan sonra hızın artırılması yatak içindeki poroziteyi düzgün bir şekilde artırmasına rağmen, basınç düşüşü de belli hız değerlerinde sabit kalır. Yatak içinde parçacıklar homojen bir şekilde dağılır. Bu tür akışkanlaşmaya "homojen akışkanlaşma (düzgün akışkanlaşma)" denir. Bundan sonraki hızlarda boşluk hacmi daha da fazlalaşır. Her bölgenin farklı boşluk hacmine sahip olduğu varsayılabilir. Hacim farklılıkları aynı zamanda kabarcıklaşmaya neden olur. Böylece yatak içinde birisi yoğun veya emülsiyon faz olarak bilinen sürekli faz diğeri ise zayıf veya kabarcıklı faz olarak 31
bilinen kesikli faz meydana gelir. Heterojen karışımlarda olduğu gibi farklı fazların oluşmasından ötürü meydana gelen bu akışkanlaşmaya "heterojen akışkanlaşma" denir. Yüksek hızlarda ise, yatağın üst kısmına kadar çıkan tanecikler düşmeye başlar. Yatak içinde kalan tanecik sayısının azalması basınç düşüşünü de orantılı olarak azaltır. Akışkanlaşma tipini tesbit etmek için, Froude sayısı kriteri geliştirilmiştir.
U2m N fr = gd p
(1)
Burada Umf : akışkanın minimum hızı (m/s), dp : partikül çapı (m), g; yerçekimi ivmesi (m/s 2 )d i r. Froude saysı (<1) olduğunda "partikül akışkanlaşma" veya "homojen akışkanlaşma'', Froude sayısı (>1 ) olduğunda "kümeleşmiş akışkanlaşma" veya 'heterojen akışkanlaşma'' meydana gelir. Yine bilim adamları tarafından akışkanlaşmanın kalitesini karakterize etmek için 4 boyutsuz grup önerilmiştir. Nfr, Rep,m,
(ρ
− ρ)
p
ρ
ve
Lm dt
Bu dört boyutsuz sayının her birinin değeri yatak stabilitesindeki azalmayla artar. Akışkanlaşmanın 2 modu arasındaki kriter 4 boyutsuz grubun çarpılmasıyla verilmektedir. (Nfr) . (Rep,m) .
(Nfr) . (Rep,m) .
(ρ
p
(ρ
p
− ρ) L m . < 100 homojen akışkanlaşma ρ dt
(2)
− ρ) L m . >100 heterojen akışkanlaşma ρ dt
(3)
modunda olduğu ifade edilir. Burada; ρp: partikülün yoğunluğu, ρ:akışkanın yoğunluğu, dt:yatak çapı, Lm. akışkanlaşma esnasındaki yatak yüksekliğidir. Günümüzde, poroz yataklarda basınç düşüşlerinin hesaplanmasında en yaygın kullanılan korelasyon Ergun tarafından geliştirilen yarı ampirik eşitliktir. Bu eşitlik aşağıdaki gibidir. (1 − ε) 2 µU (1 − ε) pU 2 − ∆P = 150 + 1,75 3 L φsd p ε 3 (φ s d p )2 ε
(4)
Burada, ∆P: basınç düşüşü (N/m2 ), L; yatak yüksekliği (m), ∈: porozite, U : akışkanın hızı (m/s), dp: partikül çapı (m), p: akışkanın yoğunluğu (kg/m3 ), φs : şekil faktörü ( küre için 1), µ: akışkanın viskozitesidir.
32
Denklemin sağ tarafındaki ilk terim viskoz kayıplarını, ikinci terim kinetik kayıplarını ifade eder. Düşük akışkan hızlarında kinetik kayıplar ihmal edilebilir ve denklem Kozeny-Carman denklemi olarak bilinen hale gelir. (1 − ε) 2 µU − ∆P = 150 L ε 3 (φ s d p )2
(5)
Kozeny-Carman denklemi Reynolds sayısının 20’den küçük olduğu haller için geçerlidir. Şayet Reynolds sayısı 1000’den büyükse, viskoz kayıplar eylemsizlik kuvvetleri yanında ihmal edilebilecek değerdedir. Bu durumda sistemdeki basınç kaybı Blake-Plummer denklemi ile ifade edilmiştir. (1 − ε) pU 2 − ∆P = 1,75 3 L φsd p ε
log∆P
(6)
Sabit yatak
A
F
B
P Kaynayan yatak
O
Umax
logU
Şekil 1. Akışkan yatakda basınç düşüşü-hız ilişkisi Bu sistemde basınç düşmesinin logaritması, akışkan hızının logaritmasına karşı çizilecek olursa, teorik olarak Şekil 1 elde edilir. Bu şekil incelenecek olursa, OA ile belirtilen bölge durgun yatak bölgesidir. A noktası katı parçacıkların yavaş yavaş hareket etmeye başladıkları pozisyonu gösterir. Bu noktadan sonra akışkanın hızı artırılırsa basınç düşmesi yavaşlar, çünkü yatak porozitesi artmıştır. B noktası akışkanlaşma işlemine sistemin hazır olduğu noktayı gösterir, bu durumdan sonra basınç düşmesi biraz azalır. Çünkü yatak genişlemiştir. F noktası akışkanlaşmanın başladığı noktadır. FP arası, kesikli akışkanlaşma bölgesini gösterir ve bölgede basınç düşmesi şu şekilde bulunabilir.
Akışkanın taneciklere uyguladığı kuvvet
Taneciklerin = ağırlığı
Akışkanın − kaldırma kuvveti 33
(7)
(∆P )(S) = g[(ρ p − ρ )(1 − ε m )L m S]
(8)
∆P = g (ρ p − ρ )(1 − ε m ) Lm
(9)
[
]
Burada, Lm; Akışkanlaşmanın başlangıcında yatak yüksekliği (m), ∈m: Akışkanlaşmanın başlangıcında yatak porozitesi, pp: taneciğin yoğunluğu (kg/m3 ), g : yerçekimi ivmesidir. (9) no’lu denklem ile (5) no’lu denklemde ∆P ’ler yok edilirse minimum akışkanlaşma hızı Um aşağıdaki denklemden hesaplanabilir. Um =
(φ s d p ) 2 (ρ p − ρ )ε m
Um = Eğer
(φ s d p ) (ρ p − ρ )ε m
Rep<20
(10)
g,
Rep>1000
(11)
3
ρ
1.75
g,
∈m ve φs değerleri bilinmiyorsa:
1 φsε m
((1 − ε m ) )µ
150
2
3
= 14
3
(1 − ε m )
ve
2
φs ε m
3
= 11
alınabilir.
Bu durumda minimum akışkanlaşma hızı (12) ve (13) no’lu denklemlerle ifade edilebilir.
Um =
2
dp
2
(ρ
µ
1650
Um =
dp 24.5
− ρ)
p
(ρ
p
g ,
− ρ)
ρ
g,
Rep<20
(12)
Rep>1000
(13)
Şekil 1’deki P noktası sürekli akışkanlaştırma bölgesi olup, yatak porozitesi bire yaklaşır. Sürekli akışkanlaşma için gerekli minimum akışkan hızı Ut aşağıdaki denklemden bulunabilir.
U t 8.33(1− ∈m ) = Um ∈3m (14) Daha önce belirtildiği gibi, katı taneciklerin yoğunluğu tanecik çapı ile değişmekte ve ayrıca tanecik gözeneklerinin kullanılan akışkan tarafından doldurulması neticesinde 34
görünen yoğunluk çalışma şartlarına bağlı olarak değişmektedir. Görünen yoğunlukların tespit edilebilmesi için yine minimum akışkanlaşma hızı ile yatak yoğunluklarına göre Ergun denklemi tekrar düzenlenirse;
1,75 (d p U m p ) 2 (1 − ε m ) (d p U m p ) µ 2 + 150 x 3 + p = p 3 d p g µ µ ε 3m ε m p
p
(15)
eşitliği elde edilir. Tanecik çapı, gaz yoğunluğu ve viskozitesi kolaylıkla tespit edilir. Gaz hızına göre basınç düşüşünün incelenmesiyle de, minimum akışkanlaşma hızı bulunduktan sonra eğer minimum akışkanlaşma şartlarındaki yatak boşluk oranı ortaya konabilirse, katı yoğunluğu yukarıdaki denklemden kolaylıkla hesaplanabilir. Minimum akışkanlaşma şartlarındaki yatak boşluk oranı ile katı yoğunluğu arasındaki ilişkiyi ortaya koymak için, ayrı bir deneme yapmak gerekir. Buna göre yatağa belli bir W ağırlığında katı tanecik konularak, gaz geçirilmediği durumda yatak yüksekliği Lo tespit edilir. Bu durumda yatak hacmi, VoAt yatak kesit alanı olmak üzere, Vo = At x Lo olur.
(16)
Yatak yoğunluğu ise; ρ=
W W = olur. Vo A t L o
(17)
Minimum akışkanlaşma şartlarındaki yatak hacmi Vm ile yatak yoğunluğu arasında, ρm=
W W = bağıntısı mevcuttur. Vm A t L m
(18)
Bu eşitlikten;
ρ m W/(A t L m ) L o = = ve ρ W/(A t L o ) L m L ρ m = ρ o Lm
(19)
denklemi yazılabilir. Tanecik yoğunluğu ile ρm arasında, ρm= ρp.(1- ε m ) ise ρp=
ρm (1 - ε m )
(20)
35
bağıntısı mevcuttur. Metodun hassaslığını artırmak için ε m’ e çeşitli değerler verilerek (15) eşitliğine göre çeşitli ρp değerleri hesaplanır. Daha sonra ρp ile ε m arasında bir grafik çizilir.
3. DENEY DÜZENEĞİ VE DENEYİN YAPILIŞI
Düzenek yatak, filitre ve dağıtıcının bir arada bulunduğu bir panelden oluşmaktadır. Oldukça küçük tane boyutuna göre sınıflandırılmış olan madde panel üzerindeki dikey cam silindir içerisine doldurulmuştur. Bu silindirin alt kısmında yatak malzemesini tutan bir dağıtıcı ve dağıtıcı odası bulunur. Bir kompresör vasıtasıyla sisteme gönderilen basınçlı hava filitre ve basınç regülatöründen, kontrol vanası, hava akış ölçeri ve orifis plakasından geçerek dağıtıcı odasına gelir. Yatak çalıştırıldığı zaman hava yatak kısmından daha sonrada bir filitreden geçtikten sonra atmosfere verilir. İki sıvılı manometrenin dıştaki bölmesi yatakta herhangi bir seviyede bulunan probun ucundaki hava basıncını, diğeri yüksek hava akış hızlarında kullanılan orifisin fark basıncını ölçer. Şekil2 de gösterilen düzenekte fanın gerekli elektrik bağlantılarını yaptıktan sonra fan çalıştırılır. Akışkanın geçtiği orifis ve akışkan yataktaki manometreler takip edilir. Akışkanın debisini kontrol eden vana kademeli olarak açılarak, orifis ve akışkan yataktaki basınç kayıpları not edilir ve yapılan her işlemde yataktaki değişmeler izlenerek akışkanlaşma mekanizmasının anlaşılması mümkün olacaktır. Hava hızının en az 20 değişik değerinde bu işlemler devam ettirilir. Deney bitince fan kapatılır.
36
Şekil 2. Akışkan Yatak Akım Şeması 4. DENEY SONUÇLARININ HESAPLANMASI
Her denemede orifisdeki basınç kaybı, yataktaki basınç kaybı, yatak yüksekliği, durgun yatak yüksekliği not edilir. Daha sonra gerekli minimum akışkan hızı (12) ve (13) nolu denklemler kullanılarak bulunur. Akışkan yatak basınç kaybının logaritması yatak akışkan hızının logaritmasına karşı grafiğe geçirilir. Ayrıca akışkan yataktaki basınç kaybını teorik hesaplamak için, sabit yatak durumunda (4), (5) ve (6) nolu denklemleri, akışkanlaşma durumunda ise (9) nolu denklem kullanılır.
5. SEMBOLLER
dp : Partikül çapı (m) ∈: Porozite ∈m: Akışkanlaşmanın başlangıcında yatak porozitesi g; Yerçekimi ivmesi (m/s 2 )
ρp; Taneciğin yoğunluğu (kg/m3) ρ; Akışkanın yoğunluğu (kg/m3) 37
∆P: Basınç düşüşü (N/m2) L: Yatak yüksekliği (m) Lm; Akışkanlaşmanın başlangıcında yatak yüksekliği (m) φs : Şekil faktörü µ: Akışkanın viskozitesi Um : Minimum akışkanlaşma hızı (m/s)
6. YARARLANILAN KAYNAKLAR
1. Alpay, E., Kimya Mühendisliği Temel İşlemleri, E. Ü. Mühendislik Fakültesi Yayın No:8, 1982. 2. Mc.Cabe and Smith, Unit Operations of Chemical Engineering, Mc. Graw Hill Book Campany, New York, 1976. 3. Knuii, D., Levenspiel, O., Fluidization Engineering, John Wiley and sons, Inc. N. York,1976.
38
ZORLAMALI KONVEKSİYONLA ISI TRANSFERİ
1-DENEYIN AMACI Eş zamanlı konveksiyon ve kondüksiyon (ister zorlamalı olsun isterse serbest ) ile ısı transferi birçok endüstrici ısı değiştiricinin ana ilkesini oluşturur. Bu deneyde zorlamalı konveks iyonla ısı transferinde l -Isıtma gücü ile yüzey sıcaklığı arasındaki ilişki 2-Yüzeyden ısı transferini belirlemek için uygun yüzeylerin kullanımı değerlendirilecektir. Sonuçta konveksiyonla ısı iletiminde sıcak yüzeyden akışkana vuku bulan ısı transferi ve ısı transferi katsayısını hesaplayacağız.
2-TEORİ Isı transferi ve diğer enerji şekillerine dönüştürülmesi mühendislikte önde gelen meselelerden birisidir. Tüm mühendislik branşları için önemli bir konu olan tsı transferi.günümüzde enerji ve çevre sorunlarında ön plana çıkması ile daha da önem kazarımı ş tır. Isı transferi kanunlar, ısı değiştirici cihazların dizaynı, konstrüksiyonu, test edilmesi ve işletilmesi çok Önemlidir. Termodinamikte ısı, sıcaklık farkı sebebiyle bir termodinamik sistemin sınırını geçen enerji şekli olarak tarif edilmektedir. Yani. ısı bir enerji şekli ve sıcaklık farkı ısının yayınması için itici güçtür. Dolayısıyla başlangıçta farklı sıcaklıklarda olan 2 sistem birbiriyle temasa getirilirse ısının birinden diğerine geçtiği görülür. Isı akışı, ısının negatif sıcaklık gradyeni yönünde yani yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru transfer olması manasındaki vektördür. Isı ve diğer enerji şekilleri arasındaki münasebetlerle ilgilenen bilim dalı termodinamiktir. Klasik termodinamik, denge halindeki sistemlerin davranışları ile ilgilenmektedir. Termodinamik kanunları bir sistemi denge halinden diğerine değiştirmek için gerekli enerji miktarını öngörmekte kullanılmaktadır. Termodinamik kanunları tek başlarına bu enerji değişim değerini vermede yeterli değillerdir. Bu enerji değişimlerinin nasıl meydana geldiğinde izah edememektedir. Isı transferi bilimi sıcaklık gradyenleri nedeniyle enerji akışlarının değerlerinin öngörülmesi ile uğraşmakta ve bu enerji akışının mekanizmasını incelemektedir. Gerçekte ısı transferinin dayandığı 4 genel kanun vardır. a- Kütle korunum kanunu b- Termodinamiğin 1. kanunu 39
c- Termodinamiğin 2.kanunu d- Newton’ un 2. hareket kanunu
Çoğu ısı iletim problemleri için termodinamiğin 1. ve 2 kanunlarının kullanılması yeterlidir. Isı transferinde geçerli olan 3 özel kanunda a-Fourier ısı iletim kanunu b-Newıon soğuma kanunu c-Stefan- Boltzmann radyasyon kanunu Isı transferi esas itibariyle 3 tarzda oluşmaktadır:
2. l .Konveksiyon (Isı Taşınımı): Konveksiyon, akışkan hareketi ile enerji taşmımı işlemidir. Ortam bir sıvı veya gaz ise. akışkan hareketi ile ısı enerjisi bir bölgeden diğer bir bölgeye sıcaklık farkından dolayı transfer edilecektir. Isı transferinin en Önemli konusu konveks iyon dur. Isı değiştiricilerinde akışkanlar, katı çişimi er (yüzey l er ) ile birbirlerinden ayrılmış olduklarından, konveksiyon , bir yüzey ile akışkan arasındaki enerji taşımmında en önemli ısı transferi mekanizmasıdır.
Qn= αA(Tw-Tm) Burada α : yüzey ısı transferi katsayısı (film katsayısı ) Tm: Bir kanal içerisindeki akışta akışkanın ortalama sıcaklığı veya bir yüzey üzerindeki akışta yüzeyden uzaktaki sıcaklık A : Sınır yüzey alannı Yüzeyde akışkan hızı sıfır olduğundan yüzey ile akışkan arasındaki ısı transfer mekanizması daima kondüksiyonla ,bazen de ışımayladır. Yüzeyden akışkana iletilen ısı akışkan hareketiyle taşınmaktadır. Eğer akışkan hareketi uygulanan basınç farklarından meydana geliyorsa (örneğin ısıtılan bir borudan pompa ile akışkan devrettirilmesi vb..) zorlanmış konveksiyondan, akışkan hareketi yoğunluk farklarından ve yerçekimi gibi tesirlerden oluyorsa, (Örneğin, bir sobanın veya radyatörün etrafını ısıtması vb..) doğal konveksiyondan bahsedilebilir. Eğer ısı akımı kcal/h veya W (vvart) yüzey alanı m2 ,sıcaklık basamağı °C /m, sıcaklık farkı °C veya K olarak ifade edilirse, a 'nm boyutu, [ a ]- kcal / mVc veya W / mK bulunur. Burada a , yüzey geometrisine, akım şartlarına, akışkanın fiziki özelliklerine, akışkan ile yüzey sıcaklık farkına, geometriye ve giriş şartlarına bağlıdır. Bu bakımdan yüzey ısı transferi katsayısının ortalama değeri ile yerel (lokal) değerini birbirinden ayırt etmek gerekir. Yerel değeri; 40
Q Ax α= Twx − Tmx olarak tarif edilir. Burada x indisi yerel değeri göstermektedir. Ortalama yüzey ısı transfer katsayısı a ise; bir L uzunluğu için ; l a = -------- a x.dx L
ile ifade edilir. Pratikte önemli olan a x in ortalama değeridir.
3-DENEY DÜZENEĞİ Deney iki farklı çalışmadan oluşmaktadır.
l.Deney Zorlamalı konveksiyonda güç ile yüzey sıcaklığı arasındaki ilişkiyi göstermek için yapılan deney. Serbest konveksiyonda, yüzeyden ısı transfer hızı, bu ısı ile üretilen havanın küçük hareketi ile sınırlıdır. Eğer hava ısıtılan yüzey üzerinde artırılırsa daha fazla ısı transfer edilir. Isıtılan yüzey üzerindeki havanın hareketi ile ortaya çıkan bu prosese zorlamalı konveksiyon adı verilir. Dolayısıyla, zorlamalı konveksiyondaki ısıtılmış bir yüzey aynı güçte serbest konveksiyonlu bir yüzey üzerindeki sıcaklığa göre daha düşük bir yüzey sıcaklığına sahip olacaktır.
Deneyde İzlenen Metot: Parlak (pürüzsüz) yüzeyli ısı değiştiricisini kanala yerleştirerek çevre sıcaklığı (tA) ölçülür. Isıtıcı 50 Watt'a ayarlanır. t H’ı ölçmek için 50 dakika kararlı hale gelmesi için beklenir. Fan hızı 0.5 m/s olacak şekilde ayarlanır. Kararlı hale gelmesi içinde bir süre beklenir. Isıtılan plaka sıcaklıkları ölçülür.
4.DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ tA = …….. °C Güç = ……. Watt 41
Tablo l. l .Deney sonuçlan Hava hızı (m/sn) 0 0.5 1 1.5 2.0
t H (°C) (tH-tA) ° C
Bu değerlerden hava hızına karşı yüzey sıcaklığı grafik edilir.
2,0
Hava hızı m/s
1,5
1,0
0,5
0,0 0
10
20
30
40
50
60
Sıcaklık C
42
70
80
Şekil 1 Hava hızına karşılık yüzey sıcaklık değerleri Hava hızı artıkça tH-tA değeri grafikte görüldüğü gibi azalmaktadır. 2. Deney Yüzeyden ısı transferini belirlemek için değişik yüzeylerin kullanımı Bir kaynaktan (cihazdan) yayılan ısı transferi, hava ile temasta olan yüzey alanının artışı ile değerlendirilebilir. Pratikte, uygun boyutu artırmak zor olabilir. Bu durumda hava ile temasta olan yüzey alanı, yüzeye dik pürüzsüz ve pürüzlü levhaların ilavesi ile artırılabilir. Geliştirilen yüzeyler( yüzey alanı geliştirilmiş) etkisi aynı giriş ve çıkış güçleri ile aynı hava hızı şartlarında düz bir yüzey ile pürüzsüz ve pürüzlü yüzeylerin mukayesesi ile ortaya çıkabilir.
Deneyde izlenen metot: Düz plaka kanal içerisine yerleştirilir. Çevre sıcaklığı tA kaydedilir. Isıtıcı 75 Watt’a ayarlanır. Sıcaklığın 80 °C ‘a kadar yükselmesi beklenir ve karlı hal değerleri elde edilinceye kadar ısıtıcı güç kontrolü 20 Watt’a ayarlanır. Isıtılan plaka sıcaklığı tH not edilir. Fan hızı 1 m/sn ye ayarlanır.( bunun için termal anenometre kullanılır) Bu işlemleri 2 ve 2,5 m/sn hızlar için tekrarlanır.
Sonuçlar: Çevre sıcaklığı tA =…………. °C Güç değeri
=…………… Watt
Tablo 2.2 . Deney sonuçları Hava hızı (m/sn) 0 0.5 1 1.5 2.0
Isıtıcı (tH-tA) ° C sıcaklığı üı
43
90 80
Finned plate Pinned plate Flat plate
70
tH -tA (Sıcaklık)
60 50
40 30
20 10 0 0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Hava hızı m/sn
Şekil 3. Her bir plakanın hava akışına karşılık sıcaklık grafiği. Plakalar için elde edilen sonuçları ve deneyler için ısı transfer katsayıları bulup, her birini mukayese ediniz.
Hava akışı Sıcaklık probu t
fan Sıcaklık probu t
ısıtıcı Sıcaklık tA , tH Istma güç Q
Açma, kapam
Şekil 4. Deney düzeneği
44
1: düz plaka 2: anemometre 3: düz levha 4: pinned 5:düzlem kanatçık 6:sonda 7: tutucu 8: elektrik konsolu 9: bağlantı 10: bağlantı 14: akrilik pencere 16: anemometre sensorü 17: bağlantı 19: sensör 20: ölçme delikleri 21: fan
Şekil 5 Zorlamalı konveksiyonla ısı transferi deney düzeneği 5. YARARLANILACAK KAYNAKLAR l .Isı Transferine Giriş I: Isı İletimi, Sadık KAKAÇ,Özgün Matbaacılık, Ankara, 1982 2.Kimya Mühendisliği Ünit Operasyonları Cilt-II Isı İletimi ve Uygulamaları, Çeviren Prof.Dr.EmirGÜLBARAN, İstanbul, 1985 3.1sı Transferi, Doç.Dr. Ahmet AYDIN, İstanbul, 1989
45
EŞ MERKEZLİ BORU ISI DEĞİŞTİRİCİLER
1. DENEYİN AMACI Isı değiştiricilerin temel prensipleri ve temel kavramlarının anlaşılması. Deneysel verilerden, logaritmik ortalama sıcaklık farkı, ısı transfer katsayısı ve ısı değiştirici etkenliği gibi büyüklüklerin hesaplanması ve teorik değerler ile karşılaştırılması
2. TEORİ Değişik seviyelerdeki teknolojik gelişme ve boyutlarda çok değişik tip ve sayıda ısı değiştiriciler sanayide kullanılmak üzere geliştirilmiş bulunmaktadırlar. Bu konuda detaylı bilgiler deneye gelmeden önce referanslar kısmında verilen literatürlerden elde edilmelidir. Isı değiştiriciler farklı kriterlere göre sınıflandırılırlar. Isı değiştiriciler aşağıdaki kriterlere göre sınıflandırılırlar. 1. 2. 3. 4. 5.
Reküperatif ve Rejeneratif Isı değişim şekli Yapım geometrisine Isı transfer mekanizması Akış düzenlemesi
: direkt veya dolaylı : boru, levha ve genişletilmiş yüzeyler : tek ve çift fazlı : paralel, zıt ve çapraz
Çoğu ısı değiştiriciler soğuk ve sıcak olmak üzere iki akıma sahiptir, ancak ikiden fazla akımın olduğu durumlarda mevcuttur.Isı aktarım mekanizmasına göre ısı değiştiricileri direkt temaslı ve indirekt temaslı olmak üzere iki gruba ayrılabilirler. Direkt temaslı tiplerde ısı transferi direkt temasa gelen ve karışmayan iki akışkan, örneğin bir gaz ve bir sıvı, arasında meydana gelir. İndirekt temaslı tiplerde ise sıcak ve soğuk akışkanlar geçirgen olmayan bir yüzeyle birbirinden ayrılırlar. Bu yüzden bu tip ısı değiştiriciler yüzey ısı değiştiriciler diye de adlandırılabilirler. Isı değiştiriciler yapım geometrilerine göre de sınıflandırılabilirler. Örneğin borulu, levhalı, gövde-boru tipi ısı değiştiricileri ve genişletilmiş yüzeyler içeren ısı değiştiricileri vb. Bu deneyde kullanılacak olan laboratuar tipi ısı değiştirici ünitesi borulu ısı değiştiricilere bir örnek temsil eder. Eş merkezli borulu ısı değiştiriciler yaygın olarak kullanılan ısı değiştirici tipleridir. Genel olarak içerisinde akışkanların aktığı eş merkezli iki borudan oluşur. Isı değiştiricilerde çeşitli akım düzenlemeleri mümkündür. Bunların başlıcaları şunlardır :
Paralel Akım : Şekil 1(a)’da görüldüğü gibi sıcak ve soğuk akışkanlar ısı değiştiriciye uçta girerler ve aynı yönde akarlar. Karşı Akım : Şekil 1(b)’de görüldüğü gibi sıcak ve soğuk akışkanlar ısı değiştiriciye zıt yönlerde girerler ve zıt yönlü olarak akarlar.
46
Çapraz Akım : Şekil 1(c)’de görüldüğü sıcak ve soğuk akışkanlar çoğu zaman birbirlerine göre 90o açıyla akarlar. Çok Geçişli Akım : Çok çeşitli düzenlemeler bir geçişli düzenlemelere göre toplam verimi artırdığı için ısı değiştirici dizaynında sıkça kullanılırlar. Geniş sayıda akım düzenlemeleri mevcuttur.
A B
A a
B
A c
B b
Şekil 1. Isı değiştiricilerde akış düzenlemeleri Aşağıda bazı kavramlar kısaca tanımlanacaktır, ancak ısı değiştiriciler ile ilgili detaylı bilgi ilgili referanslardan edinilmelidir. Transfer olan ısı miktarını veren temel bağıntı; .
(1)
Q = UA∆Tlm
şeklinde verilmektedir. Diğer taraftan aktarılan ısı aynı zamanda sıcak ve soğuk akışkan tarafından verilen ve alınan ısı miktarına eşittir. Sıcak akışkan tarafından verilen ısı aşağıdaki ifade ile verilir. .
.
Q = ( m c p )h (Th ,giriş − Th,çıkış )
(2)
Soğuk akışkan tarafından alınan ısı ise .
.
Q = ( m c p )c (Tc ,çıkış − Tc , giriş )
(3)
denklemi ile verilir. Kaybolan ısı ise verilen ısı miktarı ile alınan ısı miktarı arasındaki farka eşittir. Logaritmik ortalama sıcaklık farkı aşağıdaki denklem ile ifade edilir.
47
∆Tlm =
∆T1 − ∆T2 ∆T ln 1 ∆T2
(4)
Sıcaklık verimliliği bir ısı değiştiricide meydana gelen gerçek ısı transferini eğer bu ısı değiştirici sonsuz bir yüzeye sahip olduğunda elde edilebilecek maksimum ısı transferinin yüzdesi cinsinden bir göstergesidir. (a) Soğuk ortam için ηc =
(b) Sıcak ortam için ηh =
(c) Ortalama
Tc,çıkış − Tc ,giriş Th , giriş − Tcigiriş
× 100
Th,giriş − Th ,çııkı Th ,giriş − Tcigiriş
ηort =
× 100
η h + ηc 2
3. DENEY SİSTEMİ
Isı değiştirici deney sistemi laboratuarda endüstriyel ısı değiştiricilerin çalışma prensiplerini en uygun şekilde göstermek için özel olarak dizayn edilmiştir. Deney sistemi bir destek üzerine monte edilmiş U şeklindeki bir eşmerkezli borulu ısı değiştiriciden oluşmaktadır. Bu deney sisteminin şematik gösterimi Şekil 2 de verilmektedir. Isı kayıplarını minimuma indirmek için ısı değiştirici borusunu dış yüzeyi izole edilmiş olup sıcak su içteki borudan ve soğuk su da dıştaki borudan akmaktadır. Sıcaklık ölçme aletleri (termometreler) sıcaklıkları izlemek için hem iç hem de dış borulara yerleştirilmişlerdir. Kontrol vanaları her iki akım hız ve yönlerine ayarlamak için sistemin uygun yerlerine monte edilmişledir. Sıcak su sistemi bir sıcak su deposu bir daldırmalı tip ısıtıcı ve sıcaklığı ±1 oC hassaslıkta istenilen derecede tutabilen bir ayarlanabilir sıcaklık kontrol ünitesini içermektedir. Isı değiştiriciye sıcak su sirkülasyonu bir pompa vasıtasıyla sağlanmakta olup bu su yeterli bir karıştırmayı mümkün kılmak için tekrar depolama tankına bir engel sisteminden geçerek geri gönderilmektedir. Gerekli soğuk su laboratuardaki soğuk su musluklarından temin edilmektedir. Kolayca ayarlanabilen bir vana sistemi ile karşı ve aynı yönlü akım düzenlemeleri elde etmek mümkün olmaktadır. Bu vana sistemi Şekil 3‘de gösterilmektedir. Isı değiştirici borularına ait ölçüler ve yüzey alanı ile ilgili bilgiler ısı değiştiricinin ön panelinde verilmektedir. Deney sistemindeki birimlere ait numaralar ve gösterdikleri birimlerin neler oldukları ayrıca şekil 2 de verilmiştir.
48
1. Depolama tankı 2. Isıtma elemanı 3. Engellere 4. Sıcaklık sensörü 5. Tank çıkışı 6. Pompa 7. Depo kapağı 8. Ana düğme 9. Güç kontrolü 10. Termometre 11. Vanalar 12. Termometreı 13. Eşmerkezli boru sistemi 14. Termometreler 15. Termometr 16. Vanalar 17. Termometre 18. Kontrol Vanası 19. Flowmetre 20. Kontrol vanası 21. Soğuk su girişi 22. Soğuk su çıkışı 23. Flowmetre 24. Boşaltma Vanası
Şekil 2 Deney sistemi
49
4. DENEYİN YAPILIŞI 1. Depolama Tankı (1)’ndaki su boşaltma vanasının tamamen kapalı olmasını kontrol et (saat yönünde kapatılır ). 2. Tankın kapağını açarak temiz olup olmadığını kontrol ediniz, temiz değilse temizleyiniz, tankın tepesinden itibaren 75mm boşluk kalacak şekilde temiz su ile doldurunuz ve kapağı kapatınız. 3. Isı değiştiricinin tepesindeki hava alma vanalarını (11) kapatınız. 4. Soğuk su girişini (21) laboratuardaki soğuk su musluklarından birine bir hortum yardımıyla bağlayınız. 5. Soğuk su çıkışını (22) laboratuardaki uygun bir boşaltma kanalına veya lavaboya bir hortum yardımıyla bağlayınız. 6. Sıcak su kontrol vanasını (18) kapalı duruma getiriniz. 7. Motorun üzerindeki seçici düğmeyi (6) maksimum duruma getiriniz. 8. Ön paneldeki kontrol sistemini (9) üzerindeki kademe düğmelerini kullanarak sıfıra ayarlayınız. Bu sistem 0.1oC basamaklarla ayarlanabilir. 9. Ana düğmeyi (8) ON (açık) durumuna getirip pompanın çalışmasını gözleyiniz. Sıcaklık kontrol ünitesinin üst kısmındaki kırmızı ışık yanıyor olmalıdır. 10. Sıcak su deposunun kapağını açarak tanktaki sıcak su çevrimini izleyiniz. 11. Sıcak su kontrol vanasını (18) sıcak su flowmetresi (19) çalışılacak akım debisinde kararlı bir akım gösterene kadar ayarlayınız. 12. Aynı zamanda soğuk su kontrol vanasını da (20) açınız. Seçici vanaları (16) kullanarak (Şekil 3’e bakınız) aynı veya karşı akım pozisyonlarından birisini çalışılan akım düzenlemesine göre seçiniz ve soğuk su flowmetresi (23) çalışılacak akım debisinde kararlı bir akım gösterinceye kadar soğuk su kontrol vanasını ayarlayınız. 13. Sıcak ve soğuk su kontrol vanalarını kapatınız. 14. Uygun uzunlukta birer hortumu ısı değiştiricinin tepesindeki hava boşaltma vanalarına bağlayınız ve her iki vanayı açarak sistemdeki tüm hava boşalana kadar bekleyiniz. 15. Tüm hava boşaldıktan sonra vanaları kapatın ve hortumu çıkarıp aldığınız yer geri koyunuz. 16. Kademeli düğmeleri kullanarak sıcaklık kontrolünü daha önce tespit etmiş olduğunuz bir sıcaklığa örneğin 600C (maksimum 80oC) ayarlayınız. Isıtma elemanına güç verildiğini gösteren alttaki kırmızı ışığın yanmasını gözleyiniz. Depolama tankındaki suyun ısıtıldığını kontrol ediniz. Yukarıda verilen bilgiler deneysel sistemi herhangi bir deney için hazır hale getirmek içindir. İstenen deneyler için gerekli ayarlamalar aşağıda verilecektir. Sonuçların hesaplanmasında gerekli olan fiziksel özellikler (Cp veρ) literatürde ilgili tablolardan elde edilebilir.
5.YAPILACAK DENEYLER VE İSTENEN SONUÇLAR 5.1. Paralel (Aynı Yön) Akımda Isı Transferi
50
Amaç : Paralel akım şartlarında işletilen eş merkezli borulu ısı değiştiricinin çalışma prensiplerini göstermek. Yapılışı : Yukarıda 4. bölümde açıklanan işlemleri dikkate alarak aşağıdaki işlemleri yapınız. 1. Şekil 3’ü kullanarak yön değiştirme vanalarını paralel akım pozisyonuna getiriniz. 2. Sıcaklık kontrol vanasını 60oC a ayarlayınız. .
.
3. Sıcak ve soğuk su debilerini ( m h ve mc ) 2000 ve 1000 cc/dk. ’ya ayarlayıp data toplamaya başlamadan önce sistem kararlı hale gelinceye kadar bekleyiniz.
Toplanacak Data : Aşağıda verilen data toplama tablosunu kullanarak ısı değiştiricinin girişinde, orta noktasında ve çıkışında sıcak ve soğuk su sıcaklıkları kaydediniz. Th,giriş (oC)
Th,orta (oC)
Th,çıkış (oC)
Tc,giriş (oC)
Tc,orta (oC)
Tc,çıkış (oC)
İstenilen Sonuçlar : Aşağıda listesi verilen işlemleri raporunuzda anlaşılır bir şekilde yapınız. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Sıcak su tarafından verilen ısı (W) Soğuk su tarafından alınan ısı (W) Kaybolan ısı gücü (W) Verim (%) ∆Tlm (oC) U (W / m2.oC) Isı değiştirici borusunda sıcak ve soğuk su profillerini aynı şekil üzerinde grafiksel olarak gösteriniz.
5.2. Karşı (zıt yön) akımda ısı transferi Yapılışı : Yukarıda 4. bölümde açıklanan işlemleri dikkate alarak aşağıdaki işlemleri yapınız. 1. Şekil 5’i kullanarak yön değiştirme vanalarını karşı akım pozisyonuna getiriniz. 2. Sıcaklık kontrol vanasını 60oC a ayarlayınız. .
.
3. Sıcak ve soğuk su debilerini ( m h ve mc ) 2000 ve 1000 cc/dk. ’ya ayarlayıp data toplamaya başlamadan önce sistem kararlı hale gelinceye kadar bekleyiniz.
Toplanacak Data : Aşağıda verilen data toplama tablosunu kullanarak ısı değiştiricinin girişinde, orta noktasında ve çıkışında sıcak ve soğuk su sıcaklıkları kaydediniz. Th,giriş (oC)
Th,orta (oC)
Th,çıkış (oC)
Tc,giriş (oC)
Tc,orta (oC)
Tc,çıkış (oC)
İstenilen Sonuçlar : Aşağıda listesi verilen işlemleri raporunuzda anlaşılır bir şekilde yapınız.
51
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Sıcak su tarafından verilen ısı (W) Soğuk su tarafından alınan ısı (W) Kaybolan ısı gücü (W) Verim (%) ∆Tlm (oC) U (W / m2.oC) Isı değiştirici borusunda sıcak ve soğuk su sıcaklık profillerini aynı şekil üzerinde grafiksel olarak gösteriniz. 8. Burada elde ettiğimiz sonuçları paralel akımda elde ettiklerinizle karşılaştırınız. Karşılaştırma sonucunda ortaya çıkan sonuçları anlaşılır bir şekilde yorumlayınız.
Aynı yönlü düzenleme
Zıt yönlü
3. Akım şeklini ayarlama sistemi 5.3. Sıcak Su Sıcaklık Değişiminin Isı Değiştiricinin Performansın Etkisi Yapılışı: Bu deney hem paralel hem de karşı akım düzenlemelerinde yapılabilir. Bir akım düzeni seçtikten sonra aşağıda verilen sıcaklık kontrol ayarlarına göre istenen dataları toplayınız. Toplanacak data : Aşağıda verilen data toplama tablosu kullanarak ıs değiştiricinin girişinde orta noktasında ve çıkışında sıcak ve soğuk su sıcaklıklarını verilen sıcaklık kontrolü ayarlarına göre kaydediniz.
52
Kontrol Th,giriş (oC) Ayarı (oC) 50 55 60 65
Th,orta (oC)
Th,çıkış (oC)
Tc,giriş (oC)
Tc,orta (oC)
Tc,çıkış (oC)
İstenilen Sonuçlar : Yukarıda ilk iki deneyde istenen sonuçlara ek olarak aşağıda listesi verilen işlemleri raporunuzda anlaşılır bir şekilde yapınız. 1. 2. 3. 4.
Soğuk ortam için ηC (%) Sıcak ortam için ηH (%) Ortalama ηort (%) Sizce ısı değiştirici hangi sıcaklık ayarında çalıştırılmalı ve neden?
5.4. Sıcak Su Akım Debisi Değişiminin Isı Değiştiricinin Performansına Etkisi Yapılışı: Bu deney hem paralel hem de karşı akım düzenlemelerinde yapılabilir. Bir akım düzeni seçtikten sonra aşağıda verilen sıcak su akış debi ayarlarına göre istenen dataları toplayınız. Diğer ayarları aşağıdaki gibi yapınız. Sıcak su sıcaklık ayarı: 60 oC .
Soğuk su akım debisi ( mc ) : 2000 cc/dk. Bu deney eğer istenirse sıcak su akım debisi sabit tutularak değişen soğuk su debileri için de yapılabilir.
Toplanacak data : Aşağıda verilen data toplama tablosu kullanarak ıs değiştiricinin girişinde orta noktasında ve çıkışında sıcak ve soğuk su sıcaklıklarını verilen sıcak su akış debi ayarlarına göre kaydediniz.
.
m h cc/dk 1000 2000 3000 4000
Th,giriş (oC)
Th,orta (oC)
Th,çıkış (oC)
Tc,giriş (oC)
Tc,orta (oC)
Tc,çıkış (oC)
İstenilen Sonuçlar : Her bir sıcak su akım debisi için aşağıda listesi verilen işlemleri raporunuza anlaşılabilir bir şekilde yapınız. 1. Sıcak su tarafından verilen ısı (W)
53
2. 3. 4. 5. 6. 7.
Soğuk su tarafından alınan ısı (W) Kaybolan ısı (W) Verim (%) ∆Tlm (oC) U (W / m2.oC) Isı değiştirici borusunda sıcak ve soğuk su sıcaklık profillerini aynı şekil üzerinde grafiksel olarak çiziniz
6.SEMBOLLER cp .
m T
η ρ
: Sabit basınç ısı kapasitesi (kj/kg.oC) : Debi (cc/dk) : Sıcaklık (oC) : Verim (%) : yoğunluk (kg/m3)
İndisler c h lm
: Soğuk : Sıcak : Logaritmik ortalama
7. KAYNAKLAR 1. Sadık Kakaç and Hontan Liu, Heat Exchangers, CRC Press, NewYork 2. McCabe-Smith ( çeviren Emir Gülbaran ) (1985) Kimya Mühendisliği unit operasyonları, cilt 2, ısı iletimi ve uygulamaları, İTÜ Kimya- Metalürji Fakültesi, İstanbul 3. M. Necati Özışık (1987) Heat Transfer Basic Approach, McGrown – Hill Book Company, NewYork 4. Sadık Kakaç (1987), Örneklerle Isı Transferi, 7.baskı ODTÜ mühendislik fakültesi yayın no.27, Ankara 5. J.P. Holman (1992), Heat transfer, McGrown - Hill International (UK) London 6. J.H.Lienhard (1981), A Heat Transfer Text Book, Prentice Hall inc.,New Jersey 7. J.T.Banchro ve W.L.Badger (çeviren İhsan Çataltaş 1986), Kimya Mühendisliğine Giriş, İnkılap Kitapevi, İstanbul 8. O. F. Genceli (1999), Isı Değiştiricileri, Birsen yayınevi, İstanbul
54
AKIŞKAN YATAKTA ISI TRANSFERİ 1. GİRİŞ VE AMAÇ Birçok önemli sınai işlem bir akışkan yatak (sıvı veya gaz) ile granüle bir malzeme arasındaki mükemmel temas üzerine dayandırılır. Bu işlem taneciklerin kurutulması gibi fiziksel işlemlerden yanma dahil kimyasal reaksiyonların uygulanması gibi büyük bir alanı kapsar.
İlk uygulamalarda akışkan uygun bir ızgaranın üzerine doldurulmuş bulunan granüller arasından geçerek akıyordu. Bu türe sabit yatak adı verildi. Izgaranın üstünde bulunan tabakaya akışkan alttan üste doğru akıtılırsa, akışkanın yeterli bir hızdan sonra tanecikler hareketlenir ve iyi bir karışma ile temasta artış sağlanır. Bu şartlarda yatak akışkanlaştırılmış olur.Bir akışkanlaştırılmış gaz yatakta kaynayan sıvı görünümü vardır. Yatak dibinde gaz kabarcıkları oluşur ve yüzeye gelince patlar. Yatak genelde yatay bir serbest yüzeye sahiptir. Akışkanın hızı daha da artırılınca belli bir hızdan sonra partiküller akışkan yardımıyla taşınmaya başlar. Bu deneyde bir akışkan yatak içine daldırılmış bir yüzeyden yatağa ısı transferi üzerine hava hızının etkisi ölçülerek ve ısı transfer katsayıları değişik durumlar için karşılaştırılacaktır.
2. TEORİK TEMEL Gaz ve tanecikler arasındaki büyük temas imkanı ve çok mükemmel karışma sayesinde tam akışkanlaştırılmış bir yatakta çok küçük sıcaklık farklılıkları ortaya çıkar ve gaz yatak sıcaklığına yakın bir ortam sıcaklığı ile ortamı terk eder. Yatak ile temasta bulunan, en iyisi yatak içine daldırılmış bir yüzeyden bir gaz akışkan yatağa ısı transferi aşağıda genelleştirilmiş eşitlik ile verilir. Q = α A(td - ty)
(1)
Isı transfer katsayısı homojen akışkan yataklarda eşit gaz hızında akışkanlaşmamış yığınlardakilerden ve katı maddesiz gaz – duvar yüzeylerinkinden anlamlı bir şekilde çok daha büyüktür. Bu katsayı gazın akış hızına, onun özelliklerine ve katı taneciklerin yapı ve büyüklüğüne bağlıdır. Karşılaştırılabilen şartlar altında azalan tane boyutu ile artar. Partiküllerin ısıl iletkenliği çok az rol oynar veya hiç etkilemez. Duvardan akışkan yatağa bu en iyi ısı transferi kalitatif olarak aşağıdaki gibi açıklanabilir. Çevrede hızlı hareket eden katı madde partikülleri duvar yüzeyindeki kalınlığı ve ısıl iletkenliği ile ısı akımını belirleyen sınır tabakasının kalınlığını azaltır. Bundan başka duvara çarpan katı madde tanecikleri kondüksiyonla ısı alırlar ve tekrar akışkan yatak içine dönerler. Böylece ilave ısı transfer edilmiş olur.
55
Sonuçtan akışkan yatak içinde sıcaklık dengelenmesi karşılaştırılabilen katı maddesiz bir gaz akımı içindekinden ve yığınınkinden çok daha iyi olacaktır. Çünkü katı taneciklerin karışma hareketi önemli ölçüde etkin olmaktadır. Bu önemli ısı transfer özellikleri akışkan yatağın geniş bir alanda kullanılmasına sebep olmuştur ve bilhassa birçok komplike yakma cihazının gelişimine katkıda bulunmuştur.
3. DENEY SİSTEMİ Deneyler şekilde gösterilen sistemde yapılacaktır. İncelenecek granüle madde oldukça dar bir aralıkta tane boyutuna göre sınıflandırılmış olmalıdır. Bu madde yaklaşık 7 cm yüksekliğinde yığın oluşturacak şekilde dikey cam silindire doldurulmuştur. Bunun alt kısmında bir dağıtıcı bulunur ve akışkanlaşma olmadığında yatak malzemesini tutar. Bu dağıtıcı fazla basınç düşüşüne sebep olmadan uniform hava akışını sağlayacak şekilde dizayn edilmiştir. Dağıtıcının altında da bir dağıtıcı odası bulunmaktadır. Yatak çalıştırıldığı zaman hava yatak kısmından geçer ve bir filtre içinde taşıdığı granülleri bırakarak atmosfere atılır. Yatak, filtre ve dağıtıcı bir arada tutucu bir panel üzerine yerleştirilmişlerdir. Tutucu ayrıca yatak içinde yatay olarak hareket edebilen sıcaklık ve basınç için algılayıcılar(prob) ve yatay bir silindirik ısıtma elemanı ile donatılmıştır. Bir kompresörden temin edilen basınçlı hava bir filtre ve basınç regülatöründen, kontrol vanası, akış ölçeri ve orifiz plakasından geçerek dağıtıcı odasına gönderilir. Deney sırasında ısıtma elemanından elde edilen ısı bir varyak yardımı ile kontrol edilir ve uygulanan gerilim ve akım paneldeki göstergelerden okunur. Isıtma elemanının yüzeyine iki termokupl gömülüdür. Bunlardan biri yüzey sıcaklığını (t) ölçer, diğeri (x,y) ise kontrol cihazına bağlıdır. Kontrol cihazı elemanın bir ayar değeri üzerine çıkmasını önler(maksimum sıcaklık 200oC). Selektörlü bir sıcaklık göstergesi ısıtıcı(t1), dağıtıcıya gelen hava (t3) ve yatak (t2) sıcaklıklarını göstermektedir. Şeklin solunda iki sıvılı bir manometre bulunmaktadır.Dıştaki, yatakta herhangi bir seviyede bulunan probun ucundaki hava basıncını, diğeri yüksek hava akış hızlarında kullanılan orifizin fark basıncını ölçer. Dağıtıcı odasındaki basınç, atmosfer basıncından yaklaşık 300 mm H2O’lük daha yüksek değerlere çıktığında aşırı basınç atmosfer basınç dengeleme sistemi çalışır ve aşırı havayı atmosfere boşaltılır. Aşırı basınç giderilince yeniden eski haline döner.
56
4. DENEYİN YAPILIŞI Önce hava akış hızı ölçümü kalibre edilmelidir. Düşük hızlar için değişken alanlı akış ölçer kullanılacaktır. Bu 20o C ve 101,3 kNm-2 (ρ = 1,204 kgm-3 ve ν = 1,326.10 m2s-1) de kalibre edilmiştir. Viskozite değişimlerinin küçük olduğu durumlarda (10 – 30o C arası ) diğer şartlardaki akış hızı aşağıdaki gibi hesaplanır: Gerçek Akış Hızı = Ölçülen Akış √(1,204/ρ2) Buradaki ρ2 havanın ölçü cihazındaki yoğunluğudur (kgm-3) ve ideal gaz denkleminden hesaplanır. Bunun için de gereken basınç aşağıdaki eşitlikten bulunmalıdır. Ölçüm cihazındaki Basınç = Atmosferik Basınç +(Yatağın, Dağıtıcının, Boruların ve orifizin Dirençlerinin Toplamı) Bu dirençler toplamı akış hızıyla değişmekle birlikte yaklaşık 2,5 kNm-2 alınabilir. Yatak içindeki sıcaklık ölçü cihazınınkinden farklı olacağından yataktan geçen hava akış hızı için: Vy = Vo T2/T3 eşitliği kullanılmalıdır. Yüksek akış hızlarında değişik alanlı akış ölçere seri bağlı ofriz plakası kullanılacaktır. Bunun kalibrasyonu için aşağıdaki işlemler yapılmalıdır. 57
• • •
Manometreyi sıfırlayın, Kontrol vanası ile hava akış hızını 1,5 L/s değerine değişik alanlı akış ölçerlerde ayarlayın, Orifiz fark manometresinde okunan fark basıncını (X mm) kaydedin.
Hava akış hızı bu fark basınçla orantılı olduğu için k = 1.5 / √X eşitliğinden k belirlenir ve aşağıdaki denklem ile daha yüksek akış hızları hesaplanır. V = k √X Bu kalibrasyon bittikten sonra sıcaklık probu ısıtıcının yatay ekseni ile aynı seviyede ve 15 – 20 mm uzakta tut. Isıtıcının yatay ekseni de dağıtıcıdan 20 mm yukarıda olmalıdır. Bundan daha fazla dağıtıcıya yaklaşılmamalıdır. Tartılmış (~1,25 kg ) granüler maddeyi odaya dökün. Isıtıcıyı dağıtıcının üzerine uygun yüksekliğe ayarlayın (40 mm). Hava akış hızını en yüksek değere ayarlayın. Varyağı 1500 C lik yüzey sıcaklığına kadar değiştirin ( t1)
Tüm şartlar karalı hale gelince aşağıdakileri not edin: 1. Isıtıcı yüzey sıcaklığı, t1 2. Yatak sıcaklığı, t2 3. Hava sıcaklığını, t3 4. Isıtıcı gerilimi, V 5. Isıtıcının akımı, A 6. Hava akış hızı ( veya ofriz farkı ) V0 Hava akış hızını azalt. Varyağı yeniden ayarla ve gözlemleri tekrarla. Bu işleme kontrol vanası kapanana kadar devam edilecektir ve en az on kez yapılmalıdır. Bu gözlemler ısıtıcının yüksekliğinin değiştirilmesi ile tekrarlanmalıdır.
5. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ Deney sonuçları bir sonraki sayfada verilen tablo üzerine yazılır ve hesaplar yapılır. Bulunan ısı transfer katsayısı süperfizial hıza karşı grafik edilir. Her ısıtıcı yüksekliğine ait eğriler çizilir. Hızın artışının etkisi ve ısıtıcının taban yüksekliğinin etkisi nasıldır? Sebebi nedir? Maksimum ısı transfer katsayısı aşağıda verilen Zabrodsky eşitliği ile hesaplanır.
α max = 35,8 ρp 0,2 λg0,6dg -0,36 (33 o C de λg = 27,10 W m-1 K-1)
58
Deneyde bulunan ısı transfer katsayıları ile bu değer karşılaştırılır ve yorum yapılır.
6. SEMBOLLER Simge A M P S T t u V X α λ ρ
Anlamı Isıtıcı yüzey alanı Yatak malzemesinin kütlesi Mutlak basınç Kesit alanı Mutlak sıcaklık Sıcaklık Süperfizial gaz hızı Hacimsel akış hızı Orifiz fark basıncı Isı transfer katsayısı Isı iletim katsayısı Yoğunluk
İndisler Simge d g p ö y
Anlamı Duvar yüzeyi için Gaz için Partikül için Ölçü cihazı için Yatak için
Yatak Verileri ; Materyal : Ortalama Partikül Boyutu : Partikül Yoğunluğu (Katı ) : Partikül Kütlesi : Yatak Kesit Alanı, S : 8,66.10-3m2 Yatağın Başlangıç Yüksekliği ( Bastırılmamış ): Isıtıcının Yüzey Alanı, A : 1,6.10-3 m2
59
Birimi m2 kg Nm2 m2 K 0 C ms-1 m3s-1 mm H2O Wm-2K-1 Wm-1K-1 kgm-3
Gözlemler Dağıtıcı üzerinden ısıtıcı yüksekliği (mm) Orifiz fark basıncı, X (mm H2O)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Hava akış hızı ( ölçüm cihazında ), VÖ, ( Ls-1 ) Isıtıcı yüzey sıcaklığı, t1 (0C) Yatak sıcaklığı, t2 (0C) Hav giriş sıcaklığı, t3 (0C) Isıtıcı gerilimi, E ( Volt ) Isıtıcının akımı, I (Amper ) Yatak içindeki akış hızı, Vy ( Ls-1) Vy = Vö T2/T3 Süperfizial hız, U (ms-1) U = 10-3 Vy / Sy Isı transfer hızı, Q (Watt) Q= EI Isı transfer katsayısı, α (Wm-2K-1) Α = Q/ [A( T1- T2 )]
7. KAYNAKLAR 1. Fluidisation and Fluid Bed Heat Transfer Unit H692. Experimental Operating and Maintenance Manual P.A.Hilton LTD., 1993 2. Patat, F., Kirchner ,K.,‘ Praktikum der Tecnischen Chemie’ ,Walter de Gruyter Berlin, 1975 3. Aydın, A., Isı Transferi., İ.Ü. Yayınları, İstanbul, 1989 4. Çataltaş, İ., Kimya Mühendisliğine Giriş, İnkılap-Anka Kitabevi, İstanbul, 1973
60
LEVHALI ISI DEĞİŞTİRİCİ
1. DENEYİN AMACI
Levhalı ısı değiştirici için enerji dengesi ve isi transfer katsayılarının tayin edilmesi. Endüstriyel tesislerin dizayn edilmesi ve işletilmesi için böyle laboratuar büyüklüğündeki sistemler üzerinde kontrol edilmesi, kurulması ve bakim onarımının yapılması uygundur. Bir mühendisin böyle sistemlerde becerisini artırması ve sistem kontrolünde daha hızlı gelişmeleri takip etmesi babından önemlidir.
2. TEORİ
Isı değiştiriciler endüstride oldukça geniş ölçüde kullanıldıklarından dizaynları oldukça geliştirilmiştir. Değiştiricilerin çoğu sıvı-sıvıdır, fakat gazların ve yoğunlaşan buharında kullanılabileceği değiştiriciler mevcuttur. Önemli isi değiştirici tipleri aşağıda verilmiştir, bunlar; - tek geçişli 1-1 isi değiştirici - 1-2 paralel ters akimli isi değiştirici - 2-4 isi değiştirici - levhalı isi değiştirici Düşük veya 20 atm basınç altında sıvıları arasında isi transferi için levhalı isi değiştiriciler kullanılabilir. Bunların dizaynı için özellikle korozyona dayanıklı maddeler seçilmelidir. Sıcak akışkan levhalar üzerinde borudan akarken ısısını bitişik borudan soğuk akışkana iletir. Levhalar kolaylıkla ayrılarak temizleme ve gerekirse ilave levha takılmasına imkan verir. Levhalı isi değiştiriciler kabuk-boru isi değiştiricilerine nazaran daha çok amaçlı kullanım imkanı sağlar. Maksimum sıcaklık 150 o C ve maksimum isi transfer alanı 450 m 2 dır. Levhalı değiştiriciler vizkos akışkanlara (maksimum 300 pouise) daha etkilidir.
61
3. DENEY SİSTEMİ Deney sistemi üç cihazdan ibarettir. Bunlar; - PCT9 Proses Modülü - PCT10 Konsol - PCT13 Sıcaklık Kontrol Cihazı Bu cihazlarla ilgili ayrıntılı şekiller Ekler kısmında verilmiştir.
4. DENEYİN YAPILIŞI Öncelikle Proses Modülü (PCT9) üzerinde hem otomatik ve hem de manuel vanaların çalışması kontrol edilir. SOL1 vanasının görevi suyun proses tankına (cihazın üzerindeki
şeffaf tank) akışını durmaktır. SOL2 ve SOL3 vanaları ise proses tankındaki suyu boşaltmak için kullanılır. Sari renkteki bağlantılarla su deposunun sıvı seviye kontrollü yapılır. Eğer istenilirse 5 pin li motor bağlantı ile otomatik vanada PCT10 Konsolu yardımıyla çalıştırılır. PCT9 ile PCT13 arasında sistemi kombine çalıştırmak için; PCT9 üzerinde V2 vanası kapatılır. Ayrıca SOL1,2 ve 3 vanaları
kapatılır ve sari tahliye vanalarda boşaltma
pozisyonunda bırakılır, V1 vanası tam açılır böylece soğuk su V1 üzerinden Sıcaklık Kontrol Cihazına (PCT13) girer. Buradaki V1 her iki cihazda ayni vana olup görevleri aynidir. Isıtılan akışkan tankını yaklaşık 4 Litre suyla doldurunuz. Prosesin boşaltmasını PCT9 deki su tankına bağlayınız. Deney esnasında tanktaki suyun sabit sıcaklıkta (örneğin 60 o C de) kalması için sıcaklık düşük ise ısıtıcıyı çalıştırınız, yüksek ise ısıtıcıyı çalıştırmayınız. Deneylerinizde;
62
1 - Proses akış hızının (V1); ve sıcak akışkanın akış hızını değiştirerek (V2); TC1, TC2, TC3 ve TC4 deki değişmeleri not ediniz
V1( cm 3 dak −1 )
V2( cm 3 dak −1 )
TC1( o C )
TC2( o
50
50
50
150
50
250
100
50
100
150
100
250
150
50
150
150
150
250
200
50
200
150
200
250
TC3( o C )
TC4( o C )
C)
2 - Motorlu vanada % 50 geçişi ayarlayarak sistemin davranışını gözleyiniz.
3 - Isı değiştiricisinden çıkan soğuk sıvının sıcaklığı 40 o C oluncaya kadar V2 i ayarlayınız. Böylece buna karşılık gelen F2 deki akış hızını kayıt ediniz.
NOT : 1 - Yapılan herhangi bir ayarlamadan sonra sistemin kararlı hale gelmesi için bekleyiniz.
2 - Voltmetrede gösterilen mili volt değerinin 100 katı
o
C olarak sıcaklığa karşılık gelir.
5. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ 1 - Kararlı halde ısı denkliğini yazınız. 2 - Logaritmik sıcaklık değerini hesaplayınız. 3 - Sabit akış hızlarına ait toplam isi iletim katsayısını (U) hesaplayınız. 63
& c karşı grafik çiziniz. 4-U- m 5 - Sonuçları tartışınız.
6. SİMGELER F : Flowmetre TC : Termokupl V : Vana
7. KAYNAKLAR 1 - Isı Transferi Kitapları 2 - Laboratuar Notları
64
65
66
67
68
BORUSAL (TUBULAR) AKIŞ REAKTÖRÜ 1. DENEYİN AMACI Sürekli akış reaktörlerinden biri olan borusal akış reaktöründe herhangi bir kimyasal reaksiyonun kalma zamanına bağlı olarak dönüşümü ve bu dönüşüm değerlerinden faydalanarak reaksiyon hızı ve aktivasyon enerjisinin tespit edilmesi amaçlanmıştır.
2. TEORİK BİLGİLER Kimyasal kinetik ve Reaktör dizaynı hemen hemen tüm endüstriyel kimyasalların üretiminin kalbidir. Kimyasal kinetik ve Reaktör dizaynı diğer mühendislerden kimya mühendisini ayıran birincil bir bilgidir. En etkili durum ve emniyet içinde yapılan bir reaksiyon sisteminin seçimi bir kimyasal tesisin ekonomik başarı ve başarısızlığının anahtarı olabilir. Reaktörler kimyasal içerikli reaksiyonların gerçekleştirildiği sistemlerdir. Bu sistemler, olayın oluşum şekli, istenilen ürünün özellikleri ve verimin dikkate alınması sonucu seçilir. Uygun reaktör seçilmesi çok önemlidir. Seçilen reaktör hem istenilen şartları sağlamalı hem de istenilen verimi vermelidir. Şartların değiştirilmediği ve dış etkilerin ihmal edilebilecek kadar düşük veya hiç olmadığı reaktörlere ’’ideal reaktör’’ denir.
2.1. Borusal (Tubular) Akış Reaktörü Sürekli karıştırmalı tank reaktör (CSTR) ve kesikli (Batch) reaktörlere ilaveten, endüstride kullanılan bir diğer reaktör tipi Borusal (Tubular) reaktördür. Borusal reaktör bir silindirik borudan ibarettir ve normal olarak kararlı haldedir. Burada belirtilen akış sisteminin yüksek bir şekilde türbülans ve akış alanı plug-flow olarak modellendirilebilir olarak göz önüne alınmasıdır. Borusal reaktörde, reaktantlar reaktör boyunca akarken sürekli ürünlere dönüşecektir. Borusal reaktör modellemesinde konsantrasyonun reaktör boyunca eksenel yönde sürekli değiştiği ve radial yönde bir değişim olmadığı, yani reaktör plug-flow reaktör olarak davrandığı göz önüne alınmaktadır. Borusal reaktörlerde diğer akış reaktörlerine göre reaktör hacmi başına genellikle yüksek dönüşümler elde edilir. Borusal reaktörlerin dezavantajı, reaktör içerisinde sıcaklık kontrolünün zorluğudur. Reaksiyon egzotermik olduğu zaman reaktör içerisinde sıcak bölgeler meydana gelebilir.
2.2. Genel mol Balans Eşitliği Herhangi bir sistemde mol balansı oluşturmak için, ilk olarak sistem sınırları spesifikleştirilmelidir. Bu sınırlarla kaplanan hacim sistem hacmi olarak belirtilir. Bir sistem hacminde j türleri üzerine bir mol balansı yapılır.
Fjo
Fj
Gj
69
Herhangi bir t zamanında j türlerinin mol balansı; [ Sistem içine j’nin akış hızı] + [ Sistem içinde kimyasal reaksiyonla j’nin akış hızı] – [ Sistem dışına j’nin akış hızı] = [ Sistem içinde j’nin toplam hızı] Fjo + (mol/zaman) Gj = (mol/zaman)
Gj – (mol/zaman)
Fj
= dNj/dt (mol/zaman) (mol/zaman)
(1)
rj . V (mol/zaman.hacim) (hacim)
Borusal Akış Reaktörü için dizayn eşitliği;
Fjo
Fj Fj(V)
Fj(V+∆V)
∆V Fjo
+
Gj
–
Fj
=
dNj/dt veya
(2)
Borusal reaktörde birikim olmadığı için dNj/dt = 0 Fjo
–
Fj
+
rj .V
= 0
(3)
Eksenel yönde dönüşüm olduğu için ∆V hacmine sahip birim hacim eleman alınır. Fj (V)
-
Fj (V+ ∆V)
+
rj. ∆V
=
[ Fj (V+ ∆V) - Fj (V) ] / ∆V = rj
0
(4) (5)
∆V→O giderken limit alınarak
dFj / dV = rj
(6)
A reaktant için; dFA / dV = rA
(7)
FA = FAO- FAOX
(8)
FA yerine yazılıp diferansiyel alınırsa FAO. dX/dV = - rA
(9)
70
3. DENEYSEL TEORİ Bu deneyde borusal akış reaktöründe sabunlaşma reaksiyonunda reaksiyon hız sabiti ve aktivasyon enerjisi hesaplanacaktır. Sabunlaşma reaksiyonu; NaOH + Sodyum Hidroksit A
CH3COOC2H5 Etil Asetat
→
B
→
+
C2H5OH + CH3COONa Etil Alkol Sodyum Asetat C
+
(10)
D
Bu reaksiyon hız denklemi : -rA = k.CA.CB şeklinde yazılır. Bu denklem dönüşüm cinsinden yazılırsa;
(11)
CA = CAO – CAO.XA CB = CBO – CAO.XA
(12) (13)
Denklemde girenler stokiometrik olarak eşit olduğundan CAO = CBO CA = CAO (1-XA) CB = CAO (1-XA) olarak yazılabilir ve hız denklemi;
(14) (15)
-rA = k.CAO2.(1-XA)2 (16) şeklinde yazılır ve borusal akış reaktör performans eşitliğinde reaksiyon hızı için bu ifade kullanılır. -rA, (9) denkleminde yerine yazılırsa, FAO. dX/dV = k.CAO2.(1-XA)2
(17)
FAO = CAO. VO
(18)
CAO = A türünün başlangıç konsantrasyonu ( mol/lt) VO = Volumetrik akış hızı ( m3/s) V = Reaktör hacmi (m3) (sabit) dX/(1-XA)2 = k. V. CAO / VO
(19)
V/VO = τ Space time (s) (reaktörde kalış süresi) yerine yazılırsa,
XA / 1-XA = k. CAO. τ
(20)
71
4. DENEY DÜZENEĞİ 4.1. Borusal Akış Reaktörünün Ana Bölümleri: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Çözelti koyma tankları Akış hızlarının tespit edildiği flowmetreler Reaksiyonun gerçekleştiği borusal tank Isıtma ceketi Numune alma bölümü Ürün toplama tankı Termostat Karıştırıcı
4.2. Reaktörün numaralandırılmış açıklamaları; Çelikten yapılan malzeme iskeletini (1) desteklemek için, tezgah dayanağı olarak ayarlanabilir dört ayak bulunur (2). İskelet ekstra malzemeleri de içerebilir (3). Bu işlemden sonra sistemin dengesi sağlanmalıdır. Tüp reaktör kabı (4) çelik kaplamara uygun olmalıdır. En üst kaplama (5), ısıtma elemanları (6), su sağlayıcı (7) ve dayanağın altındaki atık malzeme musluğunu kapsar. Çubuk bağları (9) kaplama kelepçesi en üstteki kaplama pozisyonundayken, paralel olarak reaktör kabıyla birlikte hareket eder. Reaktörün en üstteki kaplama bölümü besleyici bağlantıları da birleştirir (10). Termometre çerçevesi (11), karıştırıcı motor (12), sıcaklık pili (13) ve daha önceki gibi atık boşaltma borusu (14) bu işlemde kullanılmaktadır. Reaktör kabına su sağlayıcı, laboratuar musluğuna bir boruyla standart bir biçimde bağlanmıştır (15). Bu akım, sarmal bobin valfından (16) reaktörün alkali-baz bölümüne elektrik konsol vanasının başındaki bir kontrolör tarafından su akım ihtiyacını kontrol amaçlıdır. Reaktörün arka tarafında bulunan bir çıkış borusu (18) aracılığıyla kaptaki sıcak su laboratuar kanalizasyonuna boşaltılmaktadır. İki besleme tankındaki (19) maddeler iki ayrı pompayla (20) akımmetre’ye (21) pompalanır. Bu amaçla giriş besleme çubukları kullanılır. Reaktörden çıkan reaksiyona girmiş madde çıkış atık madde tepsisine (22) birikir. Tepsiye bağlı bir musluk (23) ile atık boşaltılır.Hareket ettirici devrenin bozulmaması için su geçirmez bir ateşleyiciye (24) sahip olması gerekir. Bu aynı zamanda en üst kaplamanın kolayca değiştirilmesi ve reaktörün dışına taşınmasıda koruma amaçlıdır. Arka panele yerleştirilen aletlerin kontrolünde ana boruları kontrol eden açma kapama düğmeleri (25) önemlidir. A ve B pompa düğmeleri (26) ve hareket ettirici düğmeleri de (27) bulunur. Ana boruya bağlı bulunan akım toplar (28) diğerlerinden farklı olarak 220/240 V 50 Hz’e uygundur.
72
73
5. DENEYİN YAPILIŞI 1- 10 lt 0.05 M NaOH ve 10 lt 0.05 M Etil Asetat (CH3COOC2H5) çözeltileri hazırlanır. 2- Hazırlanan çözeltilerden NaOH A tankına, Etil asetat B tankına doldurularak homojenlik sağlamak için iyice karıştırılır. 3- Çalışılmak istenen sıcaklık termostat vasıtasıyla ayarlanır. 4- Sıcaklığın homojen olarak dağılması için bir süre beklenir. 5- Reaktör içinde kalma zamanına göre flowmetreler ayarlanır. 6- Hesaplanan kalma zamanlarına göre reaksiyonun reaktör içinde gerçekleşmesi beklenir. 7- Reaksiyonun hangi oranda gerçekleştiğini anlamak için numune alma kabı yardımıyla numune alınır. 8- Numune alma kabından belli bir hacim alınır (10ml). 9- Üzerine birkaç damla metil oranj indikatörü ilave edildiğinde renk şarap kırmızısı olur. Ayarlı 0.0025 M HCl ile renksiz oluncaya kadar titre edilir. Harcanan HCl hacmi kaydedilir. Aynı işlem 3 defa tekrarlanır. 10- Aynı işlemler farklı akış hızlarında (farklı kalma zamanlarında) ve farklı sıcaklıklarda tekrarlanır. 11- Elde edilen verilerden XA dönüşümleri hesaplanır. 12- XA’ya karşı t (zaman) grafiği çizilir. 13- Daha sonra XA / 1-XA ya karşı τ grafik edilerek reaksiyon hız sabiti (k) hesaplanır. 14- Aktivasyon enerjisi (Ea) hesaplanır. 6. DENEYLE İLGİLİ HESAPLAMALAR Reaktör hacmi V = 0.4 lt Eğer FA= FB eşit alınırsa NaOH ve etil asetat konsantrasyonları seyrelmeden dolayı yarıya düşer. CAO = 0.05/2 = 0.025 M CBO = 0.05/2 = 0.025 M XA = (1-CA/CAO) CA = CHCL.V2/ V1 eşitliğinden hesaplanır.
τ
FA
FB
74
XA
XA / 1-XA
7. SEMBOLLER FA CAO VO V τ
= = = = =
Molar akış debisi (mol/zaman) A türünün başlangıç konsantrasyonu ( mol/lt) Volumetrik akış hızı ( m3/s) Reaktör hacmi (m3) Space time (s) (reaktörde kalış süresi)
8. KAYNAKLAR 1- Fogler, H. S., Elements of Chemical Reaction Engineering, 2- Levenspiel,O., Chemical Reaction Engineering
75
SIVI FAZ KİMYASAL REAKTÖR
1. DENEYİN AMACI Titrasyonla bir sabunlaşma reaksiyonu için reaktanlar ve ürünlerin analizi. Konsantrasyon ölçümlerinden bu reaksiyonun uzantısını bularak ihtiyaç duyulan analitik prosedüre alışkanlığı sağlamaktır (Deney A). Karıştırmalı kesikli bir reaktörde Etil Asetatın sulu Sodyum Hidroksitle sabunlaşması için reaksiyon hız sabitleri ve reaksiyon derecesini bulmak(Deney B). Sulu Sodyum Hidroksit ile Etil Asetatın sabunlaşması için sürekli karıştırmalı bir tank reaktörde reaksiyon hız sabitini bulmaktır(Deney C).
2. TEORİ Ham maddeler ihtiyaç duyulan bir ürüne dönüştüğünden dolayı kimyasal reaktör, kimyasal proseslerin çoğunun kalbidir. Bu nedenle, kimyasal reaktörlerin dizaynı ve operasyonu endüstriyel operasyonun önemli safhalarıdır. Reaktörler dahil edildiği kimyasal proseslere bağlı olarak çok geniş farklı biçimlerde olabilirler, fakat laboratuvar çalışması için en basiti reaktanların sıvı halde olduğu homojen karıştırmalı kap tipi(tekil faz v.s.)’dir. Armfield Firması(U.K) Sıvı Faz Kimyasal Reaktörü, o tip reaktörlerin davranışları ile öğrencileri alıştırmak için dizayn edildi, böyle bir reaktör operasyon için yeterli derecede küçük bir boyuta sahiptir, fakat daha büyük hacime sahip reaktör etkilerini göstermeye elverişlidir. Sistem özellikle kendi muhteviyatına(içeriğine) sahip olup, kesikli yada sürekli bir proses olarak işletilebilir. Bu Talimat El-Kitabındaki deneyler basit izotermal ikinci mertebe reaksiyonlar için geliştirildi, fakat cihaz personelin eğitim müfredatına göre bir çok farklılıklara muktedirdir(sahiptir). Hazırlıklar, gaz/sıvı reaksiyon çalışmaları için reaktör kabının girişine bir gaz girişi monte edildi, ve hem endotermik hemde ekzotermik reaksiyonların yer almasını sağlamak için kap ısıtılabilir yada soğutulabilir özelliğe sahiptir. Yapım malzemeleri, aşağıdaki bölümde görüleceği gibi reaktanların çoğu için uygundur. Sistem davranışını iyi anlayabilmek için öğrencinin kimyasal reaksiyonla birlikte kütle ve enerji balanslarının bir ön bilgisine sahip olmalıdır.
Deney A’nın Teorisi : Öğrenci deneyleri için seçilen reaksiyonlar : i). Deney için eminiyetli, ii). Ürünlerin analizi bakımından gözlenmesi relatif olarak kolaydır, iii). Dökümanı iyidir. Bu reaksiyon etil asetatın(EtOAc) sulu sodyum hidroksitle(NaOH) sabunlaşmasıdır : NaOH + EtOAc → NaOAc + EtOH Besleme akımları, reaktör yada çıkışta meydana gelen yukarıdaki reaksiyon sisteminden alınan herhangi bir örnek için, mevcut sodyum hidroksitin(NaOH) miktarı titrasyonla bulunabilir, ve sonuçlar reaksiyon derecesi ile ilgilidir. 76
Deney B’nin Teorisi : Aşağıdaki reaksiyonu düşünelim : NaOH + CH3COOC2H5 CH3COONa (Sodyum Hidroksit) (Etil Asetat) (Sodyum Asetat)
→
C2H5OH
+
(Etil Alkol)
Dönüşen (X) konsantrasyonu ve başlangıçtaki konsantrasyonların(her ikisi a) eşit olduğu farz edildiğinde, son konsantrasyonlar : NaOH + CH3COOC2H5 → C2H5OH + CH3COONa
İlk
(a)
(a)
-
Denge (-X) Son
(-X)
(X)
(a-X)
(a-X)
(X)
(X) (X)
Bu genel ikinci derece reaksiyonun kinetik analizinden şu sonuca varılır :
k2 t = −
X a (a − X )
Burada : k2 ikinci derece hız sabitidir. t : reaksiyon zamanıdır.
Deney C’nin Teorisi : Ortalama kütle balansı aşağıdaki gibi yazılabilir; Reaktör içindeki değişim hızı = Giriş – Çıkış + Birikim Örneğin : (V) hacmindeki bir kapta bir (A) maddesi için : d (V C A ) = F C A0 − F C A − V k C A2 dt Buarda : C A0 : giriş akısındaki A’nın girişteki konsantrasyonudur. CA : çıkış akımındaki A’nın çıkış konsantrasyonudur. F : toplam akış hızıdır. t : reaksiyon zamanıdır. k2: spesifik hız sabitidir. Hacim kararlı şartlarda sürekli bir reaktör için sabit olarak kabul edilebilir ve; F C A0 − C A k2 = V C A2
(
)
3. DENEY DÜZENEĞİ VE YAPILIŞI
77
3.1. I. Deney Düzeneği : Aparat boşaltma muslukları ile iki kısma bölünmüş bir PVC tankını taşıyan ana çerçeveli bir laboratuvar montajını ihtiva eder. Tankın her bir kenarında pozitif göstergeye sahip iki adet diyaframlı pompa mevcut olup, ön panele monte edilmiş iki adet akışmetre’ye sıvı beslemesini sağlarlar. Fazla besleme sıvısı sabit baypas dönüş hatlarından tanklara döndürülür. Her bir flowmetre kimyasal reaktör kabına besleme sıvısının regülasyonunu sağlayan bir akış kontrol valfine bağlıdır. Kap geçiş ve temizleme maksatları için sökülebilir bir PVC üst kapağı ve paslanmaz çelik tabanlı bir cam silindiri kapsar. Reaktördeki sıvılar bir sökülebilir(hareketli) saptırıcı tertibatı ve bir motorla çalıştırılan karıştırıcı vasıtasıyle karışırlar. Su, reaktördeki daldırılmış bir kangaldan döndürülür, suyun sıcaklığı kontrol paneli üzerinde bir sıcaklık denetleyicisi ile ön tayin edilir. Başlangıçta soğuk su sarımlı(solenoid) valf vasıtasıyle sisteme ve ısıtma tankına girer. Operasyon seviyesi sağlandığında sarımlı valf ısıtma tankından bir yüzdürgeç düğmesinin aksiyonu ile kapanır. Su, daha sonra bir ısıtma elemanı ile ısıtılır ve daha sonra pompa vasıtasıyle reaktör kabına ve dönüş borusundan tanka geri döndürülür. Denetleyici soğutma moduna set edildiğinde, sarımlı(solenoid) valf açılır, soğuk su reaktör kabına doğrudan pompalanır, ve sıcak su taşıma borusundan drenaja boşaltılır. Bu yüzden taşıma borusu sadece reaktör soğutma modunda olduğunda çalışır. Reaktördeki sıvı seviyesi ayarlı bir taşma tüpü vasıtasıyla tayin edilir, ve kabın altındaki küresel bir musluk kimyasal analizler için ihtiyaç duyulan örneklerin uzaklaştırılması için kullanılır. Reaktör ürünü(atığı), küresel bir musluktan drenaja boşaltılmadan evvel mümkün olabilecek bir kullanım için tutularak bir çıkış biriktirme tankında toplanır. Gaz, reaktör tepesine bağlanmış bir çift hızlı salıverme kapakçığından kaba sağlanabilir.Dağıtım, kaynak basıncını ölçmek için kullanılan yukarı akış regülatörlü bir akış kontrol vanasına bağlanmış bir flowmetre ile ölçülür. Reaktör üst kapağındaki bir kurutma tüpü bir kurutucu tabakadan atmosferle muhteviyatlar üzerindeki boşluğu birleştirmek için kullanılır. Cihaz, reaktör kabı içine 160 ml/dak’lık bir maksimum akış debisine kadar işletilebilir(örneğin, her bir flowmetreden 80 ml/dak). Bununla birlikte, 80 ºC’lik bir maksimum operasyon sıcaklığında, operasyon, 80 ml/dak’lık maksimum akış debisi ile sınırlanır(örneğin, her bir rotametredeki akış 40 ml/dak’dır). Bu reaktör kabındaki muhteviyatın yaklaşık olarak 60 derece Celsius yükselmesini sağlayarak yaklaşık olarak 80 derece Celsius’luk bir maksimum operasyon sıcaklığını verir, bu durum için besleme sıvısının sıcaklığı 20 derece Celsius olarak farz edilir. Herhangi bir düşüş yada yanlış kullanım durumunda tank muhteviyatının kaynamasını önlemek amacı ile ısıtıcı tankına bir termostat monte edildi. Bu termostat yaklaşık yaklaşık olarak 95 derece Celsius sıcaklığında çalıştırmak için ayarlanır. Bir integral metre denetleyici üzerinde ayar sıcaklığından sapmayı gösterir. Tepedeki kırmızı ışık denetleyicinin ana güç düğmesine bağlandığını gösterir. Dipteki kırmızı ışık gücün ısıtıcıya sağlandığını gösterir. İhtiyaç duyulan sıcaklık(maksimum 80 ºC) denetleyicinin önündeki onluk düğmeleri kullanarak ayarlanır. Kaptaki sıcaklık yaklaşık olarak 5 derece Celsius ayar noktası üzerine yükseldiğinde, denetleyici(kontrolür), reaktör kabındaki ısıtma/soğutma kangalını soğutma suyuna birleştirecektir. Kontrol paneli her bir besleme pompası ve karıştırma moturu için karıştırıcı düğmeleri ile bir güç açıp/kapama düğmesi ihtiva eder. Karıştırıcı hızı değişken bir
78
trafo(dönüştürücü) ile denetlenir. Kontrol panelindeki bir indikatör lambası ısıtma ve soğutma ünitelerine yeterli miktarda su sağlanamadığı durumların optik(görülebilir) uyarısını verir.
Not : Ek’teki şekiller 240 V AC’de operasyona göre ayarlanmıştır. Eğer cihaz düşük bir voltajda çalıştırılırsa ısıtıcı gücü düşecek ve düşük bir performans elde edilecek(örneğin; 220 V AC’de operasyon, ısıtıcı çıkışını 1000 Watt’dan 840 Watt’a düşürecek ve Ek’teki şekiller %84 oranındaki bir performansla çalışacaktır). 3.2. Deneyin Yapılışı : 3.2.1. Deney A : Deney A için Gereken Malzemeler: 1 litre’lik cam balon, 10 ml’lik pipet, 50 ml’lik büret, titrasyon erleni ve fenol ftalein indikatörü. 250 ml standart 0,1 M NaOH ve 250 ml standart 0,1 M EtOAc. Deney A için Alınması Gereken Okumalar : 1). 1 Litrelik balonda reaktanları praktize ederek karıştırınız ve tıpayı sağlamlaştırınız, yaklaşık bir saat sonra, 10 ml’lik bir örnek alınız ve titrasyon erlenine koyunuz. 2). Bu örneği 10 ml’lik 0,1 M HCl ile nötralize(titre) ediniz. 3). Son noktaya ulaşıncaya kadar 0,1 M NaOH ile bu karışımı titre ediniz. Kullanılan NaOH hacmini not ediniz. Deney A’nın Yapılışı : Prosedür, bilinen hacimdeki bir örneğin bilinen konsantrasyondaki bir sulu hidroklorik asid(HCl) çözelti fazlasına işlenmesini içerir. Geride kalan fazla HCl standardize edilmiş NaOH ile titre edilerek tayin edilir. Bundan aşağıdakileri tayin edebiliriz :i). Nötralleşme için ihtiyaç duyulan HCl miktarı. ii). Örnekte reaksiyona girmemiş NaOH miktarı. iii). Etil Asetatla rekasiyona girmiş NaOH’ın miktarı. 3.2.2. Deney B : Deney B için Alınması Gereken Okumalar : 0,1 M’lık sodyum hidroksid ve 0,1 M’lık etil asetatın 1’er litresi oda sıcaklığında ihtiyati olarak Karıştırılmalı bir Reaktörde karıştırılmalıdır. Sonra farklı zamanlarda, bilinen miktardaki karışımın bir örneği(25 ml) alınmalıdır, ve reaksiyona girmeyen sodyum hidroksid, 0,1 M’lık standart HCl çözeltisinin fazlasıyle nötralize(titre) edilmelidir. Bu, reaktördeki etil asetatın dönüşümünü bulmak için sodyum hidroksit ile geri titre edilmelidir. Asetatın hidrolizini önlemek için bu mümkün mertebe hızlı bir şekilde yapılmalıdır. Kap muhteviyatının sıcaklığı not edilmelidir. Not : Bu deney için uygun bir kimyasal analitik cihaza ve bir kronometreye ihtiyaç duyulur. 3.2.3. Deney C : Deney C için Alınması Gereken Okumalar : Her iki akış kontrol vanasını(valfını) 40 ml/dak’ya ayarlayarak 0,1 M’lık sodyum hidroksit ve 0,1 M’lık etil asetatın karıştırmalı reaktöre ulaşmasını sağlayınız ve kararlı şartlar sağlanıncaya kadar devam ediniz. Farklı zamanlarda reaktör taşma-akışının 25 ml’lik örneklerini biriktirin ve kalan sodyum hidroksiti, 0,1 M’lık standart hidroklorik asid fazlasının bilinen bir miktarı ile nötralize(titre) ediniz. Bu, reaktördeki etil asetatın dönüşümünü bulmak
79
için sodyum hidroksit ile geri titre edilmelidir. Etil asetatın asid hidrolizini önlemek için bu, mümkün mertebe hızlı bir şekilde yapılmalıdır. Reaktör kabının sıcaklığı not edilmelidir. Not : Bu deney için de uygun bir kimyasal analitik cihaza ve bir kronometreye ihtiyaç duylur.
4. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ 4.1. Deney A’nın Sonuç ve Hesaplamaları : İhtiyaç duyulan Etil Asetatın miktarı : 250 x mol ağırlığı x (0,1M/1000)x(1/yoğunluk), Bu da : 250x88x(0,1/1000)x(1/0,89) = 2,5 ml AR kalite Etil Asetat’dır. Aşağıda verilen Tablo 1 tipik değerleri göstermektedir :
Örneğin Hacmi(ml) 10,0
Standart Çözeltinin Molaritesi HCl NaOH 0,095 M
0,103 M
Titre edilen (nötralize edilen HCl’in Hacmi(ml) 10,0
Titrasyonda kullanılan NaOH’ın hacmi (ml) 7,10
1.Deney 2.Deney 3.Deney
Tablo 1’de verilen Tipik Sonuçlardan A Deneyine ait Örnek Hesaplamalar : a). Nötralize(titre) edilen örnekte kullanılmayan HCl’in miktarı(Xml) :7,10 x 0,103 = X x 0,095 Bu sebeple: X = 7,70 ml (0,095 M’lık HCl’in) b). Nötralizasyonda(titrasyonda) kullanılan HCl’in miktarı = 10 – 7,70 = 2,30 ml. c). Bu yüzden, reaksiyona girmemiş örnekteki NaOH’ın mili molü ve bu yüzden nötralize edilen(titre edilen) (Y) = 2,20 x 0,095 = 0,22 mili mol NaOH (10 ml’lik örnekte). d). Örnekte reaksiyona girmemiş NaOH’ın konsantrasyonu = 0,22 x (1000/10)x(1/1000) = 0,022 mol/litre. 4.2. Deney B’nin Sonuç ve Hesaplamaları : Kap muhteviyatı sıcaklığı = ……………………………………ºC Tablo 2. Zaman
DAK.
Kullanılan NaOH’ın Hacmi cm3
Geriye kalan NaOH’ın Hacmi cm3
a-X
X
X a (a − X )
k2
M
M
M-1
M-1.DAK-1
Bulunan verilerden Zamana(dakika) karşılık kullanılmayan NaOH’ın hacmi(cm3), ve Zamana karşılık X/a (a-X)’in grafikleri çizilir. İkinci grafiğin eğiminden – k2 bulunur.
80
Not : Spesifik hız sabiti (k) ve reaksiyon sıcaklığı arasındaki ilişkiyi araştırmak için diğer farklı sıcaklıklarda bu deneyin tekrarlanması önerilmektedir. 4.3. Deney C’nin Sonuç ve Hesaplamaları : Kap muhteviyatının sıcaklığı = ……………………………ºC Toplam akış hızı (F) ………..= …………………………..ml/dak Kap hacmi (V)………………=……………………………ml Giriş konsantrasyonu C 0A …=…………………………….M
( )
Tablo 3. Zaman
Kullanılan NaOH’ın Hacmi
Geride Kalan NaOH’ın Hacmi
dak
cm3
cm3
Reaktördeki NaOH’ın konsantrasyonu M
Bulunan verilerden bir grafik çizilmelidir. Zamana(dak) karşılık Reaktördeki NaOH’ın konsantrasyonu (M) grafiğe geçirilir. Reaktördeki NaOH’ın kararlı şartlardaki konsantrasyonu (CA), spesifik hız sabiti (k2)’yi hesaplamak için kullanılabilir. Elde edilecek sonuçlara göre bazı önerilerde bulunulabilir.
Notlar : 1). Spesifik hız sabiti (k2) ve reaksiyon sıcaklığı arasındaki ilişkiyi bulmak için diğer farklı sıcaklıklarda bu deneyin tekrarlanması önerilmektedir. 2). Sabunlaşma prosesine göre bu etkiyi araştırmak için bazik soda ve etil asetat çözeltileri için benzer olmayan akış debilerinde bu deneyin tekrarlanması da önerilmektedir. 5. SEMBOLLER C A0 : CA : F : t : k2 : V : X : a :
giriş akımında A’nın girişteki konsantrasyonudur (M) çıkış akımında A’nın çıkıştaki konsantrasyonudur (M) toplam akış hızıdır(ml/dak) reaksiyon zamanıdır(dak) ikinci dereceden spesifik hız sabitidir (M-1.DAK-1) kap hacmi (ml) maddenin dönüşen konsantrasyonu (mol/litre) maddenin başlangıç konsantrasyou (mol/litre)
6. KAYNAKLAR -Instruction and Operation Manual of Liquid Phase Chemical Reactor, Armfield Ltd., Hampshire, England,1993.
81
-Levenspiel, O., Chemical Reaction Engineering, 2nd.Ed., John Wiley & Sons, New York, 1972. -Fogler, H.S., Elements of Chemical Reaction Engineering, 2nd.Ed., Prentice-Hall International,Inc., London, 1992.
VII – EKLER
Şekil-1 Reaktörün önden görünüşü
82
Şekil-2 Reaktörün arkadan görünüşü
Şekil-3 Deney sisteminin şematik görünümü
Şekil-4 Reaktör kabı
83
SU YUMUŞATMA YÖNTEMLERİ VE İYON DEĞİŞTİRİCİ 1. DENEYİN AMACI İyon Değiştirici cihazı kullanılarak belirli tuz konsantrasyondaki suyun sertliğinin giderilmesi
2. TEORIK BİLGİLER Su, yeryüzünde en yaygın olarak bulunan kimyasal bileşiktir. Sıvı halde bulunan bileşiklerden formül ağırlığı (18,015) en düşük olanıdır. Suyun özgül ısısı 4,184 j/g OC, erime ısısı 334,72 j/g ve buharlaşma ısısı 2259,36 j/g 'dır. Su, çoğu anorganik ve organik bileşikler için iyi bir çözücüdür. Bu durum suyun kullanış alan ve önemini daha çok artırmaktadır. Örneğin vücut için gerekli maddelerin çoğunluğu su içinde çözünmüş kimyasal bileşiklerin niteliklerinin ve niceliklerinin bilinmesi çok önemlidir.
İçme ve kullanma suları tabiatta dört şekilde bulunur; 1- Meteor suları; Yağmur,kar, ...suları 2~ Yer altı ve kaynak suları 3- Yeryüzü suları; Nehir, göl, baraj, deniz... suları 4- Maden (mineral) suları Su, temas ettiği çoğu maddeyi az veya çok çözdüğünden, tabiatta kimyasal olarak saf halde bulunamaz. Kaynağına göre tabii sular,çeşitli miktarda, çözünmüş, veya süspansiyon halinde yabancı madde içerirler. Bunlar, anorganik ve organik katı veya sıvı maddeler ile çözünmüş gazlar olabilirler. Bu maddelerin cins ve miktarı suyun kullanma yeri ve gayesini tayinde önemli rol oynar. Tabii suda çözünen başlıca anorganik maddeler; klorürler (NaCI, KCI), sülfatlar (Na2S04,CaSO4), bikarbonatlar (Ca(HCO3)2, Mg{HCO3)2), silisler ve silikatlardır. Bunların yanında az miktarda fosfatlar, alkali ve toprak alkali nitratlar, flüorür, iyodür ve nitrat bileşikleri ile demir ve mangan tuzları da tabii sularda bulunabilirler. Organik maddeler; koloidal pislikler, yosunlar, mantarlar, mikroorganizmalar ve bakterilerdir. Sularda çözünmüş gazlar başlıca azot, azot oksitler, oksijen, karbondioksit, az miktarlarda hidrojen sülfür, amonyak, kükürt dioksit, vs.dir. Meteor (yağmur) suları, mevcut tabii suların en saf olanıdır. Bununla birlikte çözünmüş atmosfer gazlarını, tozları, mikropları içerirler ve yere ulaştığında toprak ve kayaların bazı bileşenlerini çözer. İçinde 1-2 ppm' den 1000 ppm' e kadar çözünmüş madde bulundurabilir. Yeraltı sularının içeriği; suyun geçtiği katmanların bileşimine, sıcaklığına, geçiş zamanına ve özellikle suyun içerdiği CO2 miktarına bağlıdır.Genel olarak bu sular, çözünmüş halde kalsiyum, magnezyum, sodyum , demir, mangan, alüminyum, karbonat, bikarbonat, sülfat, 84
klorür, bileşikleriyle süspansiyon halinde silisyum, demir ile alüminyum oksit ve hidroksitleri içerirler. Yeryüzü suları; üstlerinin açık olması nedeniyle organik ve anorganik maddeleri almaya çok yatkındırlar. Bileşimleri mevsimlere göre değişebilir. Maden suları; tabii sulara göre çözünmüş madde miktarları belli bir sınırı aşmış veya sıcaklık ve radyoaktivitesi tabii sınırı geçmiş olan sulardır. Gazların sudaki çözünürlükleri birbirlerinden farklıdır ve sıcaklığa bağlıdır.Yer altından geçen CO2’li sular kireç, demir, mangan,vs. bileşiklerini çözerler.Sularda CO2 bağlı (bikarbonat halindeki) ve serbest olmak üzere iki şekilde bulunmaktadır. Su içinde bulunan serbest CO2' nin korozif etkisi vardır. Bu sular boruları ve kazanları tahrip ederler.
2.1. Suların Tüketim Alanlarına Göre Özellikleri ve Sert Suların Sakıncaları Su; içme,çözme, yıkama, reaksiyon, kazan besleme, soğutma, taşıma işlemlerinde, v.s. kullanılmaktadır. Kullanıldığı alana göre suların değişik özelliklere sahip olması gerekir.Bir amaç için kullanılan su diğer bir amaç için kullanılmayabilir. *İçme sularında pisliklerin, sağlık için zararlı tuzların ve hastalık yapan canlıların giderilmiş olması gerekir. *Kazan besleme sularında, kazanlarda çamur ve taş oluşumuna sebep olan Ca++ ve Mg++ iyonları uzaklaştırılmalıdır. *Boya ve dokuma fabrikalarında sertliği düşürülmüş sular kullanılır. Sert suların kullanıldığı dokuma sanayinde boyaların dokular içerisine tam olarak nüfuz etmesi güçleşir. *Biracılıkta kullanılan suyun organik maddeleri, mikroorganizmaları, mikropları, amonyum ve azot oksitleri içermemesi istenir. *Şeker endüstrisinde, şekerin kristallenmesini güçleştiren alkali sülfat,nitrat ve karbonatları az olan sertliği düşük sular kullanılır. *Dericilikte(dibağlamada), mikroorganizmasız fakat sert sular tercih edilir. Kağıt ve nişasta endüstrisinde yumuşak sular kullanılır. Çimento harcında kullanılan suların asidik olması özellikle CaSO4 içermesi istenir. *Sert sularda sabun sarfiyatı fazladır, sabun geç köpürür.Eğer sodyum ve potasyum bileşikli sabunlar bu tür bir suya eklenirse sodyum ve potasyum iyonları magnezyum ve kalsiyum iyonlarıyla yer değiştirerek çökelek oluşumuna neden olurlar. Bu durum sertliğe neden olan iyonların hepsinin çökmesine kadar devam eder. Ortamda bulunan kalsiyum ve magnezyum iyonlarının hepsi çöktükten sonra sabun köpürmeye başlar. *Sert sular ısıtma tekniği bakımından uygun değildir. Bilhassa sıcak su tesisatı, buhar kazanları gibi tertibata ait boruların kısa zamanda kireçtaşı bağlanmasıyla kesitlerinin daralmasına sebep olur. *Sert sular mutfak işleri bakımından da elverişli değildir. Baklagiller gibi bazı yemekler sert sularda iyi pişmezler,sert kalırlar. Karbonat sertliOi çay ve kahvenin tadını bozar. *Sert sular çiçek ve bitki sulaması bakımından da uygun değildir. *Bir suyun sertliğinin çok düşük olması da istenmez. Çünkü çok yumuşak sular aşındırıcı etki yaparlar.
2.2. Sularda Sertlik ve Sertlik Brimleri Suyun içerdiği alkali tuzların dışındaki bütün metal tuzlarının suya sertlik özelliği verdiği kabul edilir.Sertlik esas itibariyle sudaki kalsiyum ve magnezyum iyonlarından ileri gelmektedir. Demir, mangan, çinko, kurşun gibi iki değerlikti metal iyonlan da suya sertlik verirler. Ancak bunlar sularda önemli miktarlarda bulunmazlar. Sulardaki sertlik kalıcı ve geçici sertlik olmak üzere ikiye ayrılır;
85
Geçici Sertlik: Bu sular bikarbonat (HCO3) iyonu içerirler. Bikarbonat içeren su ısıtılırsa, bikarbonat iyonu CO3-2 , CO2, ve H2O vermek üzere kolayca bozunur. CO3-2 sudaki çok değerlikli katyonlarla tepkimeye girerek CaCO3-MgCO3 karışık çökeltisini ve kazan taşı adı verilen tortuyu oluşturur. Ca(HCO3)2 → CaCO3 + CO2 + H2O Mg(HCO3)2 → MgCO3 + CO2 + H2O Geçici sertlik içeren sular ısıtıldığında, bikarbonatlar karbonatlara dönüşerek kazan taşını oluştururlar ve suyun geçici sertliği giderilmiş olur. Evlerde kullandığımız çaydanlıklarda veya su kaynatmada kullanılan diğer kaplarda birikmiş olan bu taşlara alışığız. Sirke (asetik asit) koyup kaynatmakla kazan taşı giderilebilir. (Alüminyum esaslı kaplara sirke konması uygun olmayabilir, Alüminyumda biraz çözünme olur.) Geçici sert su, su arıtma tesisinde suya sönmüş kireç (Ca(OH)2) katıp metal karbonat çökeltisini süzmekle yumuşatılabilir. Baz, bikarbonat iyonu ile tepkimeye girerek su ve karbonat iyonu oluşturur. Karbonat iyonu Ca++ ve Mg++ iyonları ile tepkimeye girerek metal karbonatları halinde çöker. HCO3 + OH →H2O + CO3-2 CO3-2 + M+2 →MCO3(k)
Kalıcı Sertlik: Isıtıldıkları zaman değişiklik göstermeyen tuzlar suya kalıcı sertlik verirler. Bunlar kalsiyum ve magnezyum klorür, sülfat, fosfat veya silikat tuzlarından meydana gelen sertliktir. Bu tuzlar, suyun çok fazla buharlaştırılmasıyla kazan taşı halinde çökerler. Kalıcı ve geçici sertlik toplamına, toplam sertlik veya sertlik bütünü denir. Suyun sertliğini ifade etmek için değişik ülkelerde farklı birimler kullanılmaktadır. Birimler ifade edilirken, suyun içerdiği sertlik verici tuzun ekivalenti olan CaO veya CaCO3 miktarı esas alınmıştır. Sertlik Birimleri: 1 Alman Sertlik Derecesi (Aso) 1 Fransız Sertlik Derecesi (FSj 1 Ingiliz Sertlik Derecesi (Iso) 1 USA Birimi 1Val 1 Milival
= 10 mg CaO/L = 10 mg CaCO3 / L = 10 mg CaCO3/ O,7 L = mg kuru madde / L = g. Ekivalent tuz /L = mg. Ekivalent tuz / L
Suların Sertlik Derecelerine Göre Sınıflandırılmaları
Özellik Çok Yumuşak Su Yumuşak Su Orta Yumuşak Su Sert Su
ASo 0-4 4-8 8-12 12-18
FSo 0-7,2 7,2-14,5 14,5-21,5 21,5-32,5
86
Çok Sert Su
18-30
31,5-54,0
CaCO3 + CO2 + H2O MgC~ + CO2 + H2O
87
2.3. Suları Yumuşatma Yöntemleri 1) Kaynatarak sertliği gidemıe 2) Kimyasal metodlarla sertliği giderme 2.3.1- Kaynatarak Sertliği Giderme: a-Bikarbonatlar bozunarak karbonat haline geçerler; Ca(HCO3)2 → CaCO3 + CO2 + H2O Mg(HCO3)2 → MgCO3 + CO2 + H2O Daha sonra, suda güç çözünen Mg(CO3)2 hidrolize uğrayarak Mg(OH)2’ye dönüşür: MgCO3 + H2O →Mg(OH)2 + CO2 b- Çözünmüş haldeki sodyum silikat magnezyum, kalsiyum veya demir tuzuna etkir; Na2S03 + CaSO4 → Na2SO4 + CaSiO3 Na2S03 + MgSO4 → Na2SO4 + MgSiO3 Na2S03+ FeSO4 → Na2SO4+ FeSiO3 c-Bikarbonatlardan hasıl olan karbonatları sodyum sülfat'a etki eder; CaCO3 + Na2S04 → CaSO4 + Na2CO3 MgCO3 + Na2S04 → MgSO4+ Na2CO3 e- bütün bu olaylardan başka magnezyum ve demir tuzları bozunurlar.
→ MgCl2 + 2H2O FeCl2 + 2H2O → Fe+ H2O → Fe(OH)2 + MgCI2 →
da su karşısında sıcakta
Mg(OH)2 + 2HCl Fe(OH)2 +2HCl FeO + H2 FeCl2 + Mg(OH)2
Bu gibi olaylar,suyun kaynatıldığı kaba fena tesir edeceği gibi,suda çözünür hale geçen bileşiklerde çökelek halde kazanın dibinde toplanırlar.Bilhassa Ca(HCO3)2 ve Mg(HCO3)2 sıcaklıkla bozunarak sudan ayrılırlar. Eğer bunların miktarı çoksa, suyun sertlik derecesi düşer. Böylece bu tuzlar kaynatılarak sudan ayrılıp dibe çöktürülmüş olurlar. Bütün sertliği bikarbonat (HCO3) sertliğinden ibaret olan suları kaynatmak suretiyle birkaç sertlik derecesine kadar düşürmek mümkündür.Aksi halde, kimyasal metotlarla sertlik giderilmesine başvurulur.
2.3.2- Kımyasal Metodlarla Sertliği Kimyasal metotlarla yumuşatma yaparken ya çöktürme prosesleri kullanılır veya İyon değiştirme prosesi kullanılır. A- Çöktürme Prosesleri: Burada suya sertlik veren sudan mekanik yolla uzaklaştırılması esasına dayanır. Başlıca çöktürme yöntemleri şunlardır: a- Kireç-soda ve Neckar b- Reisert yöntemi
88
c- Trifosfat yöntemi a) Kireç- Soda Yöntemi: Kalsiyum bikarbonat, magnezyum bikarbonat, magnezyum klorür ve serbest karbondioksitin bağlanması kalsiyum hidroksit ile,alçı ve magnezyum sülfatın çöktürülmesi ise soda ile yapılır. Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → CaCO3+ H2O Mg(HCO3)2+ Ca(OH)2 → CaCO3 +MgCO3 +2H2O CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaCl2 CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2SO4 MgSO4 + Na2CO3 → MgCO3 + Na2SO4 60-70 °C' lik bir temperatürde bu dönüşme 2 ila 3 saat içinde tamamlanır. Bu usule benzeyen Neckar metodunda soda fazlası tatbik edilir ve böylece: Ca(HCO3)2 + Na2CO3→ CaCO3 + 2 NaHCO3 reaksiyon denklemi gereğince sodyum bikarbonat teşekkül eder. Bunun sonucunda ise kazanda Na2CO3, CO2 ve H2O'ya parçalanır veya bu parçalanma Na2CO3 + H2O → 2NaOH + CO2 reaksiyonu gereğince NaOH teşekkülü lehine de cereyan eder. Bu suretle kazanda ayrılmış bulunan kireç çamuru, sodanın fazlası ve teşekkül eden hidroksit kazandan bir miktar su ile beraber çekilir ve su tasfiye apareyine tekrar gönderilir. Burada soda yerine sodyum hidroksit de vazife görebilir. Bu durumda; Ca(HCO3)2 + 2NaOH → CaCO3 + Na2CO3 + 2H2O Mg(HCO3)2 + 4NaOH → Mg(OH)2 + 2Na2CO3 + 2H2O reaksiyonlar! neticesinde teşekkül eden karbonat, alçıyı da karbonat olarak çöktürür. CaSO4 + Na2CO3 → Na2SO4 + CaCO3 Kireç soda yönteminde ve keza Neckar yönteminde devamlı kontrol yapıldığı taktirde suyun sertliğini 3 ile 5 Alman sertliğine kadar düşürmek mümkün olur. Burada bakiye sertlik olarak kalan kısım çözünmüş bulunan CaCO3 ve Mg(OH)2’den ileri gelir.
b) Reiserl Yöntemi: Reisert-Baryt yönteminde baryum tuzları kullanılır. Bu maksatla çöktürme vasıtası olarak taze çöktürülmüş baryum karbonat, baryum klorür veya baryum hidroksitten istifade edilir. Bu yöntemde sertlik bir Alman sertlik derecesinden aşağı düşürülür. CaSO4 + BaCO3 → BaSO4 + CaCO3 c) Trifosfat Yöntemi: Bu yöntemde trisodyumfosfat (Na3PO4 . 12H2O) kullanılarak aşağıda gösterilen reaksiyon denklemlerine göre su saflaştırılması yapılır. 3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 →Ca3(PO4)2 + 6NaHCO3 3Mg(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2 + 6NaHCO3 3CaSO4 + 2Na3PO4 →Ca3(PO4)2 + 3Na2SO4 3MgCl2 + 2Na3PO4→ Mg3(PO4)2 + 6NaCI Burada ham suyun metre küpü ve her bir sertlik derecesi başına 16-20 gr trifosfat kullanılır ve 70oC temperatürde bir saatlik zaman zarfında sertlik hemen hemen 0° Alman sertlik
89
derecesine kadar düşer. Bu yöntem kireç-soda yöntemine göre daha üstündür ve ayrılan çökelti kaba lapa şeklinde olup cidarlara ısının tesiri altında kaynayarak yapışma yapmaz. Kullanılan trifosfatın fazlası ise mevcut kazan taşını çözebilir. Ancak trifosfatın fiyatı yüksek olduğu için genel olarak ham suyun bir ön yumuşatılması yapılır ve bu işlemde kireç soda yöntemi tatbik edilir.
B- İyon Değiştirici Yöntemi ile Sertlik Giderme: Zeolith yönteminde soğukta 0°Alman sertlik derecesine kadar yumuşatma yapmak mümkündür. Zeolith, sodyum ve alüminyum silikatın kompleks bir bileşiğidir. Kimyasal formülü: Na20 . Al2O3 . xSiO2 . yH2O olarak yazılabilir. içme suyu kimyasında kısaca Na2Z şeklinde gösterilir. Yumuşatılacak su zeolite tabakasından geçirilirse, sertlik meydana getiren iyonlar, sodyum iyonu ile yer değiştirir ve suyun sertliği giderilmiş olur. Burada esas katyonların yer değiştirmesidir. Suyun zeolitten geçerken husule getirdiği reaksiyonları; Na2Z + Ca(HCO3)2 Na2Z + CaSO4 Na2Z + MgSO4 Na2Z + Ca(HCO3)2
→ → → →
CaZ + 2NaHCO3 CaZ + Na2SO4 MgZ + Na2SO4 CaZ + Na2CO3
olarak gösterebiliriz. Husule gelen kalsiyum ve magnezyum zeolitler suda erimediğinden zeolit kabı içinde kalırlar. Normal şartlar altında zeolitten geçirilen suyun sertliği tamamen giderilmiştir.Eğer zeolitte, sodyum iyonları çok azalmış veya kalmamışsa vazifesini yapamaz. Bu taktirde zeolite tekrar sodyum iyonu vermek lazımdır. BIJ maksatla zeolit yatağı içinden sofra tuzu eriyiği geçirilir ve zeolit bu eriyikle yıkandıktan sonra tekrar servise sokulur. Bu taktirde; CaZ + 2NaCI → Na2Z + CaCI2 husule gelir ve CaCI2 suda eridiğinden dışarıya atılır. Zeotitte, sertlik yapan iyonların atılmasına rejenerasyon adı verilir. Suyun sertlik derecesi, zeolitten geçen su miktarı, zeolitin sertlik tutma kapasitesi ve zeolitin miktarı dikkate alınarak rejenerasyon aralığı tespit edilir. Rejenerasyon için en fazla 30 dakikalık bir müddet kafi gelmektedir. Bunun için lüzumlu tuz miktarı, 100 gr. CaCO3 sertliği için 225-350 g arasındadır. Diğer bir ifadeyle, bir kısım CaCO3 sertliğinin giderilebilmesi için 2,25-3,5 kısım tuz kullanılması icap etmektedir. Sertliği olmayan su koroziftir; boruların aşınmasına sebep olur. Bu itibarla zeolitten geçen su bir kısım yumuşatılmamış su ile karıştırılarak servise verilen suda, umumiyetle 70-80 mg/It ser1lik bulunması sağlanır. Son yıllarda çeşitli zeolit tipleri piyasaya sürülmüştür. Hepsinin yumuşatma prensibi, iyonların yer değiştirmesine dayanmaktadır. Mesela: hidrojen zeolitte, kalsiyum ve magnezyum iyonları hidrojenle yer değiştirmekte ve suda sodyum tuzları yerine asitler meydana gelmektedir. Husule gelen karbonik asit, suyu havalandırmak suretiyle giderilebilir. Bu tip apareylerin rejenerasyonu tuz yerine sulandırılmış asitlerle yapılır. Ca(HCO3)2+ H2Z →
CaZ + 2H2CO3 90
2NaHCO3 + H2Z →
Na2Z + 2H2CO3
Rejenerasyon; Na2Z + H2SO4
→ Na2S04 + H2Z
Kimyasal ve fiziksel bileşimleri ne olursa olsun iyon değiştirici maddelerin müşterek bir tarafları vardır. Esas itibarıyla erimeyen veya kısmen eriyen, katı, elektrolit cisimler olmalıdır. Reçineden çıkan iyonların toplam yükü reçineye giren iyonların toplam yüküne eşittir. Yani, bu iyon değişimi esnasında daima eşdeğer bir değişim meydana gelmektedir. Bu değişimin derecesi şu faktörlere bağlıdır: 1-Değişim işlemine girecek iyonların büyüklüğüne ve valansına (yüküne) 2-Sudaki iyonların konsantrasyonuna 3-Reçinenin fiziksel ve kimyasal özelliğine 4-Sıcaklık derecesine.
Karışık Yatak Deiyonizasyonu : Üçüncü metod olan karışık yatak deiyonizasyonu son zamanlarda uygulanmaya başlanılan en yeni metoddur. Bu sistemde, sülfonik asit katyon değiştiricinin H formu ile kuvvetli baz anyon değiştiricinin OH formu, stokiometrik bir karışım halinde bir tek kazana konur ve su bu kazandan geçirilir. Bu sisteme tek yataklı sistem de denilmektedir. Kullanılan reçinelerin her ikisi de hızlı ve birbirine denk şekilde iyon değiştirme kapasitesine sahip olduğundan deiyonizasyon, nötr bir ortam içinde, hızla meydana gelir. Reaksiyonları aşağıdaki şekilde göstermek mümkündür: RSO3H + R4NHO + NaCl → RSO3Na + R4NCI Bu sonuç şu şekilde meydana gelmektedir: RSO3H + NaCl RSO3H + NaOH R4NOH + NaCl R4NOH + HCl
↔ RSO3Na HCl ↔ RSO3Na H2O ↔ R4NCI + NaOH ↔ R4NCI + H2O
Karışık yataklı deiyonizasyon sayesinde tuzluluğu 0,05 ppm 'e, silikayı 0,07 ppm 'den aşağıya düşürmek mümkün olur. Ayrıca, bu sistemde arıtılan suyun tuzluluğu ve pH derecesi bütün devre boyunca sabit kalır ve pH hemen hemen nötral sınırda bulunur. Karışık yataklı deiyonizasyonun ayrı yataklı (çok yataklı) deiyonizasyona kıyasla avantajları şunlardır; a) Arıtılmış suyun içinde kalan silika miktarı çok daha az ve suyun kondüktivitesi daha düşük olur. b) Tesisin işletmesi çok rahattır, kapasite geniş sınırlar içinde değiştirilebilir, kesintili ve devamlı işletme yapılabilir. c) pH derecesi hemen hemen sabittir. d) Yıkama suyu ihtiyacı daha azdır. e) Çıkan suyun evsafı her zaman aynıdır.
91
Dezavantajları ise; a) uyarıcı madde sarfiyatı biraz fazladır. b) iyon değiştirme kapasitesi daha düşüktür. Bu nedenlerle büyük tesislerde ekseriye çok yataklı sistemler uygulanır. Fakat, birçok hallerde, herhangi bir kaçağı tutmak için, çok yataklı sistemin arkasına bir adet de yataklı (karışık yataklı) kazan konur. Böylece SiO2 miktarı 0,01 ppm' i aşmayan, kondüktivitesi 1 micromho/cc'den düşük olan, çok yüksek kaliteli su elde edilebilir.
Şekil-1. Karışık Yataklı Deiyonizasyon Sistemi İyon Değiştiricide Bulunması Gereken Öz:ellikler: Herhangi bir iyon değiştiricinin kullanılabilmesi için; a) Kafi miktarda değişebilen iyonları ihtiva etmesi, cb) Malzemenin suda veya herhangi sıvı için kullanılacaksa o sıvıda erimemesi, c} Malzeme dokusunun süngerimsi olması ve hidrate olmuş H, Na, K, Ca, Mg, OH, Cl, NO3, S04 gibi iyonların kolayca girip çıkmasına imkan vermesi, d) Aktif grupların (değişecek iyonların bulunduğu kısımların) iyonik olması, e) Fiziksel ve kimyasal bakımdan dayanıklı olması (asitlere, sıcağa karşı dayanıklı olması ve ufalanmaması). f) Granül büyüklüğünün 0,3 ile 1,19 mm kadar olması, g) Fiatının uygun olması lazımdır.
İşte yukarıda sayılan doğal maddelerden yalnız zeolit madenleri bu özellikleri kısmen bir araya getirebilmekte ve bu sayede de su tasfiyesinde kullanılabilmektedir.
Iyon Değiştirici Maddelerin Kapasitesi: İyon değiştirici maddelerin kapasitesi. bir litresinin aldığı, CaCO3 cinsinderı. mg olarak sertlik miktarı veya bunun eşdeğeri olan birimlerle ölçülür. "Gram CaCO3, i litre reçine" birimi çok kullanılır. Fransızlar, "derece Fransız sertliği/m3 su i litre reçine- birimini de kullanmaktadır.
92
Suyun CaCO3 cinsinden sertlik konsantrasyonu, ppm birimine göre, C olsun. Bu su V hacminde reçine kullanılarak yumuşatılacaktır. Reçinenin iyon deOiştirme kapasitesi de "Gram CaCO3 sertliği / litre reçine" cinsinden P olsun. Buna göre iki rejenerasyon arasında yumuşatılabilecek, m3 cinsinden, Q su miktarını bulmak için şu basit formül yazılır: Q = V. P C Bu formül, C Fransızca derecesi cinsinden: P ise "metreküp sudaki Fransız derecesi litre reçine" cinsinden verildiği zaman da aynen kullanılır.
İyon değiştirme kapasitesi aşağıdaki faktöre bağlıdır: 1-iyon değiştirici malzemenin tabiatına 2-Suyun, iyon değiştinci yataktan, geçiş hızına 3-Suyun (sıvının) içindeki madensel tuzların miktarına, 4-Kullanllan rejenerasyon maddesinin miktarına, 5-Rejenerasyon metoduna, 6-Arzu edilen arıtım derecesine. 3. DENEY SİSTEMI VE DENEYİN YAPILIŞI Su yumuşatmada çalışılan iyon değiştirme maddelerinin çoğu sülfolanmış stren bazlı reçinelerdir. Sodyum formunda temin edilir. Bu reçine Ca2+ ve Mg2+ ile kuvvetli bir ilişkiye sahiptir ve Ca2+ ve Mg2+ iyonlarını uzaklaştırdıktan sonra demir iyonlarını da uzaklaştırır. Yumuşatma, dengeye kadar veya makul bir sertlik seviyesine ulaşıncaya kadar belirli bir süre su içinde reçine süspansiyonu karıştırılarak kesikli bir prosesle başarılabilir. Buna rağmen reçine dolu kolonlardan aşağıya doğru yavaşça su geçirilerek sürekli bir aktş prosesinde çalışmak daha uygundur. Değişme reaksiyonu üst tabakada öyle hızlı bir şekilde meydana gelir ki aşağıdaki tabakalar değişmeye başlamadan yukarıdaki tabaka tükenir. Böylece bütün derinlikteki reçine tükeninceye kadar kolonda aşağıya doğru hareket eden aktif bir bölge vardır.Ara basamaktaki pozisyon aşağıda gösterildiği gibidir.
Sudaki Ca 2+ iyonları Ca2+ iyonları Sudaki Na iyonları
Aktif Değişme bölgesi (aşağıya Doğru hareketli) Aktif iyon değiştirme bölgesi kolonun tabanına ulaştığı zaman çıkan su sertlikte bir yükselme göstermeye başlar, Bu geçiş noktasıdır. Bu zaman da reçine kuvvetli NaCl çözeltisi ile tekrar rejenere edilmesi gerekir.
93
Teorik olarak işleme tabi tutulan sudan uzaklaştırılan her CaCO3 cinsinden sertlik için 1 eşdeğer-gram NaCl rejenerasyon için gerekir. Yani her 1 g. CaCO3, cinsinden sertlik uzaklaştırmak 1,17 g. NaC1 rejenerasyon için gerekir. (CaCO3:50, NaCI:58.5) Pratikte bu miktardaki bir NaCl ile tam bir rejenerasyona ulaşmak mümkün değildir. Çünkü bu Kabul edilemeyecek kadar uzun temas süresi gerektirir. Bundan dolayı NaCl' nin daha büyük miktarları kullanılır, genel olarak teorik olarak gereken miktarın iki katı veya daha fazlası kullanılır. Rejenerasyon verimi yaklaşık %50'dir. Yüksek seviyede bir rejenerasyon iyon değiştirme kapasitesi teoriksel kapasitesine yakın bir reçine verir. Fakat yumuşatmada bu kapasitenin tamamen kullanılacağı bir hızda çalışmak ekonomik değildir. Bir başka deyişle yüksek bir rejenerasyon verimliliği düşük bir derecede bir kolon faydalanması ile bağlantılıdır. Bunun tersi de doğrudur. Bundan dolayı bir iyon değiştirici yatağının pratik olarak çalıştırılması rejenerasyon verimliliği ve kolon kullanımının her ikisinin de %50 civarında olduğu optimum noktadır. Rejenerasyondan sonra kolonda kalan herhangi bir rejenerasyon maddesi kolondan yıkayıp, uzaklaştırmak için kolondan destile veya demineralize su geçirilir. Iyon değiştirici ile iyileştirilecek su, geçiş yollarını kapayacak, akış hızını düşürecek ve iyon değiştirme prosesi ile etkileşecek suda asılı kalabilen katı tanecikler içermemelidir. Yatağa girebilecek çok ince katıları uzaklaştırmak ve hava paketçiklerini uzaklaştırmak için kolon yatağı akışkanlaştırılarak ve reçine boncuklarını karıştırılarak yukarı doğru bir su akımı ile periyodiksel olarak geri yıkanır. Yumuşatmada yataktan geçen suyun akış hızı genellikle yatağın her cm2 yüzey alanı için 40 ml / dak' dan fazla değildir. Rejenerasyon hızı bunun yaklaşık onda biridir.
Demineralizasyon Teorisi: Bütün çözünmüş tuzların sudan uzaklaştırılması iki basamaklı bir iyon değiştirme prosesi ile gerçekleştirilir. Su ilk önce bir H+ iyon çevrimi üzerine çalışan kuvvetli bir katyon değiştiriciden geçirilir. Bir asit çözeltisi elde edilir. Daha sonra bu su bir hidroksil iyonu formunda bir iyon değiştiriciden geçirilir. Asit iyonları ile OH- yer değiştirir. H+ iyonları ile OH- iyonları su oluşturur. Çoğu zaman HCO3- (çözünmüş CO2'ten dolayı) ve H3SiO4 (çözünmüş silikadan dolayı) bütün anyonları uzaklaştıracak olan zayıf bazik kullanılması yeterlidir. Yüksek kaliteli bir su için kuvvetli bazik anyon değiştirici son kademe olarak kullanılmalıdır, fakat anyonların çoğunu uzaklaştırmak için bir zayıf bazik anyon değiştirici veya yüksek iyon değiştirme kapasitesi ve CO2 gazını çözeltiden uzaklaştırmak için bir gaz giderme işleminin bu işlemden önce gelmesi daha ekonomik olur. Böylece kuvvetli bazik reçine sadece silikayı ve herhangi diğer anyonların geride kalan miktarlarını uzaklaştırmak için gerekir. Bu proses toplam çözünmüş katıları 1mg/l' nin altına indirebilir. Demineralizasyon son katyon ve anyon değiştiricilerin bir karışım yatağı kullanılarak bir tek basamakta yapılabilir. Su hızlı bir şekilde alternatifli olarak iki reçine ile temasa gelir ve çok yüksek saf1lkta bir su elde edilir. Bu iki reçinenin sırası ile H2SO4 ve NaOH ile rejenerasyonunu mümkün kılmak için önce onlar yukarıya doğru bir su akımı ile tabakalaştırılır. Böylece düşük yoğunluğa sahip olan anyon reçineleri yukarıya taşınır. Rejenerasyondan sonra iki reçine sıkıştırılmış hava ile tekrar karıştırılır.
94
İYON DEĞİŞTİRME APARATI
A : HCl Tankı B: NaCl Tankı C: TestSuyu D: Distile Su E: Seçme Borusu F: Pompa H: Flovmetre I: Anyon Değişim Yolu J: Katyon Değişim Yolu K: Geri Yıkama Yolu L: Katyonik Reçine Yatağı M: Anyonik Reçine Yatağı N: Depolama Tankı Kontrol Vanaları Genellikle İyon Değişim sistemlerinde aşağıdaki prosedür takip edilir. 1) 50 ml/dak 'Iık bir akış hızında deiyonize edilmiş su 10 dakika kolondan geçirilir. 2) Atık ihtiva eden çözeltinin hızı 50 ml/dakika'ya ayarlanarak arıtılır 3) işlem bittikten sonra 5-10 dakika distile su ile yıkama işlemi yapılır. 4) Reçineler için önerilen hacim ve konsantrasyonlarda, 6 ml/dak. 'Iık bir hızla rejenerasyon yapılır.
95
5) Son olarak destile su ile kolon durulanır.
3.1. DENEY A Deneyin Amacı: Suyun yumuşatılmasında katyonik reçinelerin iyon değiştirme kapasitesinin belirlenmesi. Yöntem: Çeşme suyunda belirli miktarda CaCI2 çözerek 600 - 700 mg/\ CaCO3 sertlikte su hazırlayınız. Warekleye sabun çözeltisi kullanarak veya diğer bir metod kullanarak bu çözeltinin sertliğini tespit ediniz ve suyu su haznesine koyunuz. Distillenmiş su içerisinde 20 g NaCl çözerek %10 wlv'lik 200 ml çözelti hazırtayınız. B rejenerasyon tankına bu çözeltiyi koyunuz. Geri yıkama: Katyon iyon değiştirici kolonunu 300 mm yüksekliğe kadar katyonik reçine ile doldurunuz. D tankını seçiniz ve 3 ve 6 numaralı valfı açınız, ve beş dakika backwash yapınız. Derece derece kapatınız ve son yüksekliği ölçünüz. Rejenere: B tankını seçiniz, 2,12 numaralı valfları açınız (ve seçim için 10). Flovmetreyi 10 mıldak'ya set ediniz. Yumuşatma: C tankını seçiniz 2 ve 10 numaralı valfları açınız. Flovmetreyi 50 - 70 mıldak'ya set ediniz. Beş dakikalık sürelerle 500 ml numune toplayınız, her bir numunenin sertliğini belirleyiniz. Sertlik 100 mg/l CaCO3 üstüne çıkıncaya kadar devam ediniz. Reçine yatağının yaş hacmi = (π.15.10-3}2 son yükseklik 4
İyon değiştirme kapasitesi = CaCO3' ın Kütlesi yaş yatak hacmi Mumele edilen suyun hacmine karşı okunan sertlik değerlerini grafiğe geçiriniz. Sertlikte artmaya başlayan noktayı not ediniz. Grafik olarak, bu yatay eksen ile eğri arasında kalan alan kalan alandır, suyun orijinal sertliğini temsil eder. Reçine yatağının yaş hacmini okuyunuz, yaş hacmin meg/ml olarak reçinenin iyon değiştirme kapasitesini hesaplayınız. Bu sonucu ticari olarak verilen bilgi ile karşılaştırılır ve farklılığın sebebini tartışınız.
3.2. DENEY B Deneyin Amacı: iyon değişim su yumuşatma sisteminin rejenerasyon veriminin belirlenmesi. Yöntem:Yumuşatma deneyinin tamamlanmasından sonra, yani re~nenin sertlik değiştirme kapasitesi dönüm noktasının ötesine kadar kullanıldıktan sonra 200 ml %(WN) 10'luk tuz
96
çözeltisi ile rejenerasyqn yapınız fakat bu defa çözeltinin tamamını (10 No'lu valfdan geçirerek) biriktiriniz, bu şekilde yatak tamamen boşaltılır. Not: Bu deneyde yatak tamamen boşaltıldığından dolayı, gelecek deneylerden yapılmadan önce havayı boşaltmak için bir geri yıkama yapmak gerekir. Toplanmış rejenere çözeltisinde sodyum iyonlarının konsantrasyonu (seyreltildikten sonra) alev fotometresi veya ölçüm aletleriyle belirlenir. Toplanmış çözeltinin hacmi bilindiğinden dolayı yataktan geçen NaCl 'ün meg hesaplanır. Bundan sonra kullanılan NaCl' ün başlangıçtaki miktarından (20 9 veya 342 meg) çıkarılarak rejenerasyonda harcanan NaCl miktarı tespit edilir. Bu yumuşatma deneylerinde uzaklaştırılan sertliğin miktarına eşdeğer NaCl ün teorik miktarı ile karşılaştırılır ve daha sonra yüzde rejenerasyon verimi olarak hesaplanır. Hesaplanan verimlilik rejenerasyonda kullanılan NaCl üzerine kurulur. Bundan dolayı çalışmada bu kantitatif miktarı kesin olarak uygulamak mümkün değildir ve aşırısı uygulanır. Gelecek deneyler %5-10'a kadar farklı konsantrasyonlarda NaCl' ün farklı miktarları kullanılarak yapılabilir. Bu şekilde pratik olarak rejenerasyon verimliliği belirtenir. Bu deneylerde prosedür ilk yumuşatma deneyindeki gibi olmalıdır, ve kullanılan rejenerasyon çözeltisi toplanmaz ve yataktan rejenerasyonun sonunda distile su geçirilir. Yumuşatma deneylerinde uzaklaştırılan sertliğin ekivalent miktarına karşılık kullanılan NaCl' nin miktarı karşılaştırılarak verimlilik hesaplanır.
3.3 DENEY C Deneyin Amacı:Suyun deminerilizasyon ve hidrojen katyon ve anyon iyon değiştiricinin iyon değiştirme kapasitesinin belirlenmesi. Yöntem: Hidrojen iyon formundaki katyon iyon değiştirici reçine ile katyon kolonunu 300 mm derinliğe kadar doldurunuz. Hidroksil formundaki anyon iyon değiştirici reçine ile anyon kolonunu 300mm derinliğe kadar doldurunuz. A tankına 100 ml %10'luk HCl ile doldurunuz. B tankını %5'lik NaOH ile doldurunuz. C tankını 800 - 1000mg/1 çözünmüş katı ihtiva eden 10 litre test suyu ile doldurunuz. D tankını distillenmiş veya demineralize su ile doldurunuz. Eğer çeşme suyu kullanılacaksa, önemli katyon ve anyonların konsantrasyonu, toplam çözünmüş katılar, eğer bilinmiyorsa belirlenmelidir. Esas katyon ve anyonların konsantrasyonları bulunduktan sonra sertlik meg/l olarak hesaplanır. Bu iki reçinenin iyon değiştirme kapasitesinin hesaplanmasında kullanılır. Elektriksel iletkenliği ölçülür. İlave olarak ihtiyaç duyulan ekipman: pH metre Stop Saati Geri yıkama: Her bir kolon yumuşatma deneylerinde tarif edildiği gibi usulüne uygun olarak ayrı ayrı geri yıkama yapılır. Her bir halde, geri yıkama hızı kontrol edilmelidir. Yatağın %50 genişlemesinden daha fazla olmamalıdır. İki yatağın son yüksekliği ölçülür. Rejenerasyon (Katyon): Katyon değiştirici rejenere edilir. A tankını seÇiniz, 2 ve 12 numaralı valfı açınız. pH S'in üstüne çıkıncaya kadar sürekli distile su gönderinizi akan sıvının pH' ını kontrol ediniz. Rejenerasyon (Anyon): Anyon iyon değiştiriciyi rejenere ediniz. B tankını seçiniz, 1 ve 15 numara" valflarını açınız, pH 9 'un altına dönünceye kadar D tankından su gönderiniz ve akan sıvının pH 'ını kontrol ediniz. Demineralizasyon: c tankını seçiniz, 2, 13 ve 15 numaralı valfları açınız. 50 ve 10 ml/dak arasına akış hızını set ediniz. Akışın başladığı zaman not ediniz. 5 dakika aralıkla iletkenliği kaydediniz. 20 dakika aralıklarla 10 numaralı valfdan numune çekiniz ve pH değerini ölçünüz.
97
Demineralize suyun iletkenliğinin arttığı zamanı not ediniz, bu bükülme noktasında reçinenin biri tükenmiştir. 14 numaralı valfdan az bir numune alınız ve pH' ını ölçünüz. Eğer pH daha önce kaydedilen değerden daha yüksekse, bu katyon iyon değiştiricinin tükendiğini gösterir. pH belirlemesi için bir veya iki fazla numune çekerek doğrulamak için tavsiye edilir. Bu noktada deneyi durdurunuz ve katyon iyon değiştiricinin iyon değiştirme kapasitesini hesaplayınız. Bu deneyde anyon iyon değiştiricinin iyon değiştirme kapasitesini hesaplayınız. Bu deneyde anyon iyon değiştiricinin iyon değiştirme kapasitesinin de hesaplanması mümkündür. Bir başka deyişle, boşalan katyon iyon değiştiricinin pH'ı düşük değerde kalıyor, son boşalanın iletkenliğinin artması anyon iyon değiştiricinin tükendiğini gösterir ve onun kapasitesi hesaplanabilir. İlk kolon içerisinden suyun sürekli olarak geçirilmesi ve geçen suyun biriktirilip, pH değerinin büküm noktasına kadar (bu zaman PH artacaktır) ölçülmesiyle katyon iyon değiştiricinin iyon değiştirme kapasitesi belirlenebilir. Demineralizasyon deneyinde, yumuşatma deneyinde olduğu gibi konsantrasyonun direk ölçülmesi yerine pH (katyon iyon değiştiricinin) veya iletkenlik (anyon iyon değiştiricinin) okunarak büküm noktası tespit edilir. Zaman 0 (dak) İletkenlik pH
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Miliekivalent birimde iyon değiştirme kapasitesinin hesaplanması için okunan pH veya iletkenliğin meg/l' ye dönüştürülmesi gereklidir. a) pH değerini meg/l'ye dönüştürmek: Eğer X okunan pH değeriyse = 10-x gam - mo! litre Hidrojen iyon konsantrasyonu = 103-x meg/litre b )İletkenlik değerlerini meg/l dönüştürmek Tuzun verilen muhtevası ile su için, elektriksel iletkenlik toplan çözünmüş katının konsantrasyonu ile orantılıdır. Bu.. katılar değişik elektrolitik özellikli birkaç tuzdan ibaret olsa da, elektriksel iletkenliğin meg/\ olarak toplam konsantrasyon ile orantılı olduğunu kabul etmek yeteri derecede doğrudur. Orantı sabiti ham suyun meg/1 olarak belirlenmesi ile tayin edilebilir. Bu şekilde demineralize suyun elektriksel iletkenliği meg/l'ye dönüştürülebilir. Final Yükseklik: Katyon Anyon ( π.15.10-3 )2 4 İyon değiştirme kapasitesi şimdi hesaplanabilir. Yaş Hacim =
İyon değiştirme kapasitesi = Sodyum İyonu Konsantrasyonu Yaş Yatak Hacmi 98
3.4. DENEY D Deneyin Amacı:Katyon ve Anyon reçinelerinin rejenerasyon veriminin belirlenmesi. Yöntem: Katyon Reçinesi;A tankını 100 ml %10'luk hidroklorik asit ile doldurunuz. B tankını %5'lik sodyum hidroksit ile doldurunuz. C tankını 10 litre test suyu ile doldurunuz. D tankını distile veya demineralize su ile doldurunuz. Geri Yıkama; D tankını seçiniz, 3 ve 6 numaralı valfları açınız. Rejenere; A tankını seçiniz, 2 ve 10 numaralı valfları açınız. çözeltinin tümünü toplayınız. Anyon Reçinesi; Anyon reçinesinin rejenerasyon verimini belirtemek için demineralizasyon deneyini tam olara yapmak gerekir. Not: Genellikle katyon reçinesinin iyon değiştirme kapasitesi anyon reçinesinin iyon değiştirme kapasitesinden daha büyük olduğundan dolayı önce anyon reçinesinin tükeneceği beklenir. 4. SONUÇLAR VE HESAPLAMAlAR Son Yükseklik (Katyon)= Son Yukseklik (Anyon)= Sodyum Iyon Konsantrasyonu (meg/l)= Teorik iyon değiştirme kapasitesi = Sodyum iyon konsantrasyonu Kullanılan sodyumun hacmi Kullanılan sodyum hidroksidin orijinal miktarı= Toplanan sodyum hidroksidin miktarı= Gerçek iyon değiştirme kapasitesi = Orijinal miktar - kullanılan miktar Rejenerasyon verimi = Gerçek İyon Değiştirme Kapasitesi Teorik iyon Değiştirme Kapasitesi
Örnek Problem: Toplam sertliği 400 mg /I CaCO3 olan ham suyun sertliğini 100 mg / i CaCO3'e düşürmek için maksimum kolon çapının 10 ft olduğu bir sabit yatak iyon değiştirici tasarlayınız? (Günde 20 MG su yumuşatılacaktır.) Çözüm : a- Reçinenin aktifliğini kaybetmesini veya oksidasyonunu önlemek için gerekli önlemler alınır. Örneğin demir ve manganez reçine partiküllerini örtmektedir. Bu reçinelerin havalandırılmaları gerekir.
99
b- Kullanılacak reçine seçilir.Reçine üreticileri su yumuşatmak için kuvvetli asit katyon değiştiricileri tavsiye etmektedirler. c- Seçilen reçinenin özellikleri: Yumuşatma kapasitesi; tuz(lb/ft.3) 5 7,5 10 15 Reçine kapasitesi (eq /I) 0,82-1,05 1,1-1,4 1,35-1,55 1,5-1,8 Sızıntı; Başlangıçtaki su sertliğinin maksimum %1'i. Yatak Yüksekliği; 30-36 in. Geri yıkama yatak genişlemesi; % 50 veya daha fazla. Operasyon Şartları; Operasyon Hız Çözelti Zaman(dak) Servis
2-5 gpm /ft.3
Su
----
Geri yıkama
6-8 gpm/ ft.3
Su
5-15
Rejenerasyon
0,2-1 gpm /ft.3
Durulama
1-2 gpm /ft3
% 10-20 NaCl Su
20 1,7-1,9
30-60 10-40
d- Sertlikler meg /l'ye dönüştürülür; Başlangıçtaki sertlik: 400 (mg/I) / 50 (mg/meg) = 8 meg/1 İstenilen sertlik : 100 (mg/I)' 50 (mg/meg)= 2 meg/l e- Sertlik sızıntısını hesaplayınız;(%1 farzedilecek) Sertlik sızıntısı: 8 meg/1 * 0,01 =0,08 meg/l f- Sertlik denge eşitliğini kullanarak bypass fraksiyonunu hesaplayınız; Bypass akımındaki sertlik + Işlem görmüş akımdaki setlik = istenilen sertlik derecesi 8 * f * 0+ 0,08 * (1-f) * O = 20 → bypass fraksiyonu f=O,242 olur. g- Bypass akım miktarının belirlenmesi; Bypass akışı: 0,242 * 20 MGD = 4,84 MGD h- Bir günde işlem gören suyun miktarının hesaplanması; Bir günde işlem gören su: 20 - 4,84 = 15,16 MG l- Bir günde uzaklaştırılan toplam sertliğin hesaplanması; Uzaklaştırılan toplam sertlik (meg/gün) : (8 meg/l- 0,08 meg/l) . (15,160,000 gal/gün) * (3,781/gal)
100
ı. Rejenere edici maddenin miktarının belirlenmesi; Tuz: 10 Ib / ft.3 Reçine Kapasitesi: 1,4 eq /l Ideal olmayan operasyon şartları için yapılan hesaplamada reçine kapasitesi %20 azaltıcı olarak yapılır. Tasarım için 1,12 eq /I değeri kullanılacaktır. j- Yatak yüksekliğinin 36 inç ve servis hızının 3 gpm/ft3 olduğunu farz ederek, kolonun tasarlanması; Her kolonun kesit alanı: π * d2/4 = π *102/4 = 78,5 ft.2 Her kolonun hacmi: Alan * yükseklik= (78,5ft.2) . (36 inç) * (1 ft /12 inç) =235,5ft.3 Gerekli toplam hacim : Toplam akış / gönderilen hız = 15,160,OOO{gal/gün) /3(gal/dak.ft3) *1440( dak/gün)=3509 ft3 Gerekli kolon sayısı : Toplam hacim / her kolonun hacmi = 3509 ft.3 /235,5 (ft.3/kolon) = 15 kolon k- Her bir kolonun değişim kapasitesinin hesaplanması; Kolon kapasitesi: 1,12 (eq/l) * 235,5 (ft3) * 28,3 (1/ft.3) = 7464 eq. = 7,464,000 meg. l- Operasyon süresinin hesaplanması; Operasyon süresi: Kolon kapasitesi i bir günde uzaklaştırılan toplam sertlik * kolon sayısı = 7,464,OOO(meg) / 453,854,016(meg/gün) * 15 = 0,246 gün =6 saat. m- Her kolon için gerekli tuzun toplam ağırlığı; Rejenerasyon için gerekli tuzun toplam ağırlığı : 10(Ib./ft.3) * 235,5(ft 3) = 2355 Ib. n- Rejenerasyon çözeltisinin toplam ağırlığı; ( %10'luk tuz çözeltisinin kullanıldığı farz edilecek) Çözelti ağırlığı = 2355/ 0,1 = 23550 lb o- Tuz çözeltisinin spesifik gravitesi 1,07 ise rejenerasyon için gerekli tuz çözeltisinin hacminin hesaplanması; Tuz çözeltisinin hacmi: 23550{lb) /1,07 . 8,34(Ib/gal) = 2642 gal. ö- Rejenarasyon hızı 0,5 gpm/ft.3 olduğuna göre, gerekli rejenerasyon süresini hesaplanması; Rejenerasyon süresi: 2642(gal) / 0,5(gal/dak.ft3) . 235,5(ft3) . 60(dak/saat) = 0,37 saat Rejenerasyon süresini en az 30 dakika yapınız. p- Toplam döngü süresınin hesaplanması; (geri yıkamanın 15 dak, durulamanın 40 dakika yapıldığını farzediniz) Döngü süresi: 6,0 + 0,5 + 15/60 + 40/60 = 7,4 saat.
SU ANALİZLERİ 1- Sabun Çözeltisi Kullanarak Bir Su Numunesinin Sertliğinin Belirlenmesi
101
Gerekli Ekipman Bürüt (100ml), spor, mezür (250 ml), kapaklı erlen (250 ml), sabun çözeltisi (1l) Prosedür: Sabun çözeltisi ile büreti doldurunuz ve spora büreti tutturunuz. Mezür kullanarak su numunesinin hacmini ölçünüz. Ya suyun hacmini 50 veya 100 ml'ye ayarlayınız veya suyun gerçek hacmini not ediniz. Su numunesini kapaklı erlene transfer ediniz. Kapaklı erlene 1 ml sabun çözeltisi titre ediniz ve erten muhtevasını çalkalayınız. Sabun köpüğü oluşana kadar sabun çözeltisi ilavesini tekrarlayınız. Su numunesini ilave edilen sabun çözeltisinin miktarını hesaplayınız. Sertliğin Hesaplanması Sabun çözeltisinin 1 ml = 1 mg CaCO3'a denktir. Suyun sertliği = İlave edilen sabun çözeltisinin hacmi (ml) x 1000 mg CaCO3 Su numunesinin hacmi (ml) Örneğin, eğer köpük oluşumundan önce 100 ml su numunesi için 10 ml sabun çözeltisi titre edilmişse. o zaman sertlik: 20 x 1000 =200 mg CaCO3/L su 100
2- Geçici Sertlik Tayini: Gerekli Malzemeler; 500 Ml erlenmayer, büret, HCI(0,1N), Metiloranj indikatör çözeltisi Deney Yöntemi; 100 ml. Ön:-ıek alinarak 2-3 damla metil oranj damlatılır.Renk dönünceye kadar 0,1 N HCl ile titre edilir. Tepkimeler. Ca(HCO3)2 + 2HCI → CaCl2 + 2H2O + 2CO2 Mg(HCO3)2 + 2HCI → MgCl2 + 2H2O + 2CO2 Kullanılan HCl miktarı a ml. ise suyun geçici sertliği (a-O,1S) 2,8 ASo dir. Burada O,15 metil oranj renk dönüşümü için düzeltme faktörüdür.
3- EDTA Titrasyonu Ile Toplam Sertlik Tayini Etilendiamintetraasetik asit ve onun sodyum tuzları (kısa adı EDTA), metal katyonları ile chelat kompleksleri oluştururlar. Bu maddenin Ca++ ve Mg++ ile verdiği kompleksler renksizdir. Ca - EDTA kompleksi Mg-EDTA kompleksinden daha sağlamdır. Indikatörler; Erio Chrome Black T: Bu maddenin Mg++ indikatör kompleksi, Ca++ indikatör kompleksinden daha sağlamdır. indikatOrun pH aralığı, 8,5 - 11,5 'tir. Indikatör damıtık su ile yapılan çözeltisinde mavi Mg++ ve Ca++ kompleksieri halinde ise şarap kırmızı sı rengindedir. Ca++ ve Mg++ un EDTA kompleksIeri, indikatör ile vermiş olduğu kompleksierden daha sağlam olduğundan, EDTA Ca++ ve Mg++ LU indikatör vermiş oldukları komplekslerden çekebilir. Ca++ ve Mg++ içeren tamponlanmış çözeltiye 2-3 damla eric chrome black T indikatörü ilave edilince çözelti şarap kırmızısı olur. EDTA çözeltisi ilave edilince önce Ca++ u sonra da Mg++ u indikatörtemiş olduğu kompleksierden çeker. Ca++ ve Mg ++ un tümü ite kompleks verecek miktarda EDTA ilave edildiğinde çözelti mavi renge döner. Bu renk indikatörun kompleks vermediği renktir. Dönüm noktasında renk değişimi kesindir (şarap kırmızısı-mor-mavi). Amunyum Purpurat (Müraksit): Bu madde pH = 12 dolayında mor renk verir. Ca++ varlığında ise renk pembeye döner. EDTA Ca++ u purpurattamış olduğu kompleksten çeker. Böylece amonyum purpuratın mor rengi geri gelir. Mg" bu pH'da purpuratla kompleks vermediğinden
102
Mg++ varlığında da Ca" titre edilebilir. Titrasyonda EDTA çözeltisi indikatör olarak da amonyum purpurat kullanılır. 3.1- Toplam Sertlik Tayini; Gerekli Çözeltiler: a) EDTA titrasyon çözeltisi (0,02 N) : 3,72 g EDTA (Molekül ağırlığı 372,25 g) tartılır. 1 litre damıtık suda çözülür. Bu çözeltinin bir ml'si 0,4004 mg kalsiyuma eşdeğerdir. standart kalsiyum çözeltisi ile ayarlanır. b} Standart kalsiyum çözeltisi: 100 mg saf CaCO3 biraz hidroklorik asitle çözülür ve damıtık su ile 100 ml'ye tamamlanır. Bu çözelti EDTA çözeltisini ayarlamada kullanılır ve EDTA çözeltisi faktörü şu formülden hesaplanır. Faktör (f) =
CaCO3(mg) EDTA (ml) c) Indikatör Çözeltisi: 0,5 g eric chrome black T tartılarak 100 ml %60-80'lik etil alkolde çözülür. d) Tampon Çözeltisi: 67,5 amonyum klorür (NH4CI) 570 ml derişik amonyak (NH3) da çözülür ve damıtık su ile litreye tamamlanır. Deney Yöntemi:25 ml örnek, bir erlende damıtık su ile yaklaşık 50 ml'ye seyreltilir. 1 ml tampon çözeltisi ve 1-2 damla indikatör çözeltisi ilave edilir. EDTA çözeltisi ile renk şarap kırmızısından mavi renge dönünceye dek titre edilir. Hesaplama : EDTA (ml) x 1000 x f Toplam Sertlik
=
(ppm CaCO3) Örnek (ml)
3.2-Kalsiyum Sertliği Tayini; Gerekli Çözeltiler: a) N NaOH çözeltisi b) İndikatör çözeltisi :50 mg amonyum purpuratın 50 ml. Mutlak alkolle süspansiyonu yapılır. Deney Yöntemi: 50-100 ml örnek alınır.1-2 ml N NaOH çözeltisi ilave edilip 3-5 damla indikatör süspaniyonu damlatllır.Renk pembeden leylak moruna dönünceye dek EDTA çözeltisi ile titre edilir. Hesaplama: Kalsiyum Sertliği = EDTA (ml) .1000.f Örnek (ml)
Kalsiyum =
EDTA (ml) .4.f Örnek (ml)
(ppm CaCO3)
(ppm CaCO3)
3.3-Magnezyum Sertliği Tayini; Toplam sertlikten (ppm CaCO3), kalsiyum sertliği (ppm CaCO3) çıkarılırsa magnezyum sertliği (ppm CaCO3) bulunur. Eğer istenirse; .
103
Magnezyum sertliği (ppm CaCO3) . 0,24 = Magnezyum sertliği (ppm Mg) ya da sonuç MgO cinsinden verilir. Mg Sertliği (ppm MgO) = Mg Sertliği (ppm. Mg) x 40,31 24,31
4-Demir İyonlarının Kalitatif Aranması 4.1- Fe++ İyonunun Kalitatif Aranması 100-200 ml su örneğine birkaç damla Na2S çözeltisi damlatılır. Suyun rengi koyulaşır ve bu koyuluk HCl ilavesi ile kaybolursa Fe++ iyonunun bulunduğu anlaşılır. Eğer HCl ilavesi ile açılmaz ya da kaybolmazsa, diğer metal iyonları da bulunabilir. Bazen renk çok hafif olabileceğinden damıtık su kullanarak bir de tanık deneme yapmak yararlı olur. Eğer su bulanıksa bu bulanıklık santrifüjleme ile giderilmelidir. Süzme Fe++ iyonlarının yükseltgenmesine neden olur. Sodyum sülfür çözeltisi, 5 g kristal Na2S ün 10 ml su 10 ml gliserin karışımından çözülmesi ile hazırlanır. Bu çözelti koyu renkli bir şişede 2 ay saklanabilir.
4.2- Fe+++ Iyonunun Kalitatif Aranması 100 ml su örneği HCl ile asitlendirilip, birkaç damla %10'luk KSCN çözeltisi damlatıldığında oluşan kırmızı renk Fe+++ iyonunun bulunduğunu gösterir. 5- Klorür Tayini Klorür (CI-) gümüş nitrat çözeltisi ile K2CrO4 indikatör olarak kullanılarak titre edilebilir. Klorür gümüş nitratla gümüş klorür halinde çöker. NaCl + AgNO3
→
AgCl + NaNO3
Çözeltideki klorür tükendikten sonra gümüş nitratın biraz fazlasının K2CrO4 ile verdiği kırmızı Ag2CrO4 çökeleği ile titrasyonun dönüm noktasına erişildiği anlaşılır. Gerekli Çözeltiler: a)Gümüş nitrat çözeltisi (0,01 N): Bir litre damıtık suda 1,6988 g gümüş nitrat içeren bir çözeltisi hazırlanır (gümüş nitrat 150°C' de kurutulmuş olmalıdır). Bu çözelti kurutulmuş saf NaCl ile ayarlanır. 0,010-0,015 g arasında birkaç tartım alınarak erlende çözülür. %5'lik potasyum kromat indikatöründen birkaç damla ilave edilerek hazırlanan gümüş nitrat çözeltisi ile titre edilir. Bütün Cl çöktükten sonra sarı CrO4'tan kırmızı bir Ag2CrO4 çökeleği oluşur. Aşağıdaki formülden çözeltinin faktörü hesaplanır. F =
m x 100000 E.V
m: NaCl den alınan tartım (g) E: NaCl ün eşdeğer gramı (58,45 g) V: AgNO3 çözeltisi kullanımı (ml) b)Potasvum kromat indikatörü (%15 lik): 50 g K2Cr204 biraz damıtık suda çözülür. Açık kırmızı çökelek oluşana dek AgNO3 ilave edilir. Bir gece bekletilip süzülür, litreye tamamlanır. Deney Yöntemi: 50 ml örnek alınarak bir porselen kapsüle konur. Ikinci bir kapsüle de yaklaşık aynı hacimde damıtık su, renk karşılaştırması için konur. Her iki kapsüle de birer ml potasyum kromat
104
indikatör çözeltisi ilave edilir. Sabit bir hızla karıştırarak ilk sürekli kırmızımsı renk görülünceye dek, örneğe büretten damla damla gümüş nitrat çözeltisi konulur. Damıtık su içeren kapsülle karşılaştırıldığında aynı renk elde edilene dek işleme devam edilir. Hesaplama: Klorür (Cl- ) =
V (ml).N.f.1000 x 35,46 (ppm Cl-) Örnek miktarı (ml)
V : Kullanılan AgNO3 çözeltisinin hacmi, N : AgNO3 çözeltisinin normalitesi (0,01 N) f : AgNO3 çözeltisinin faktörü
6- Aktif Klor Tayini Suları dezenfekte etmek için katılan Cl2 gazı, suyun pH' sına göre büyük ölçüde hipoklorit iyonu (CIO-) ve hipoktorit asidine (HCIO) dönüşür. Cl2 + H2O → HCIO + H+ + ClHCIO→ H+ + ClOSudaki Cl2, ClO- ve HClO toplamına "serbest aktif kullanılabilir klor" denir. Dezenfekte etkisi bulunduğu diğer organik klor bileşiklerine "bağlı aktif klor" denir. Ikisinin toplamına "aktif klor' denir. Sulu çözeltilerde klor dayanıklı olmadığından, örnek kısa zamanda analiz edilmelidir. 0,3 mg/l'den fazla Fe+++, 0,1 mg/I 'den fazla NO2- azotu ve Qzon tayini bozar. Ancak bunlardan gelecek hata çok azdır.
6.1- İyometrik Yöntemle Aktif Klor Tayini Bu yöntem, 0,3 mg/l'nin üstünde aktif klor içeren sularda uygulanır. pH 8 veya daha az olduğu zaman klor, iyodürü açığa çıkarır. Deney pH 3-4 arasında yapılır. Cl2 + 2I → I2 + 2 ClGerekli Çözeltilerin Hazırlanması: a) KI, katı halde b) H2SO4 çözeltisi, 1:1 oranında saf su ile seyreltilir. . c) %1 'lik nişasta çözeltisi, 1 9 nişasta biraz soğuk suda bulamaç hale getirilir ve 100 ml kaynak suyu karıştırarak ilave edilir. d) 0,1 N Na2S203 çözeltisi e) Sodyum asetat tampon çözeltisi, pH = 4,6; 10,2 ml asetik asit, 9,8 ml 1 N sodyum asetat ile karıştırılarak 11itreye tamamlanır. Deneyin Yapılışı: 500-1000 ml örnek alınıp cam kapaklı bir kaba konur, üzerine 1 9 katı KI ve 2 ml H2SO4 katılarak 10 dakika karanlıkta bekletilir. Sonra 3 ml nişasta çözeltisi ilave edilir ve açığa çıkan iyod, Na2S203 çözeltisiyle titre edilir. Not: Fe+++ ve NO-2 iyonlarının etkisi, pH', 5,0-5,5 yapmak suretiyle bertaraf edilebilir. Bunun için örneğe 6 ml tampon çözeltisi ilave etmek yeterlidir.
105
Aktif Cl2 (mg/I) = S.N.F.35,46 x 1000 Örnek (ml)
6.2-Kolorimetrik Yöntemle Aktif Klor Tayini; Bu yöntem, 0,3 mg/l'den az aktif klor içeren sulara uygulanır. 1 mg/l'den daha fazla aktif klor için iyodometrik yöntem daha uygundur. Gerekli Çözeltilerin Hazırlanması: a)o-Toluidin Çözeltisi: 0,135 9 o-toluidin dihidroklorür 50 ml suda çözülür. Çözeltiye, devamlı döndürerek 30 ml su ve 15 ml derişik HCl karışımı katılır. b)Arsenit Çözeltisi: 0,5 9 NsAsO2, 100 ml suda çözülür. c)O,5 M fosfat tampon ana çözeltisi: 2,286 9 susuz N~HPO4ve 4,616 9 susuz KH2PO4 100 ml suda çözünür. Birkaç gün kendi haline bırakılır. Çökme olursa süzülür. d)O,1 N Fosfat Tampon Çözeltisi: SüzOlmüş ana çözeltinin 20 ml'si saf su ile 100 ml'ye seyreltilir. Bu çözeltinin pH'sl 6,45'tir. e)Standart Kromat-Bikromat Çözeltisi: 0,0155 g K2Cr2B7 ve 0,0465 9 K2CrO4, 0,1 M fosfat tamponuyla 100 ml' ye tamamlanır. Bu çözeltinin rengi 1 mg/i aktif klora karşı gelir. Bu çözeltiden 10, 20, 25, 30, 35, ... 80,90 ml alınır. 0,1 M tamponla 100 ml 'ye tamamlanarak karşılaştırma çözeltileri hazırlanır. Deneyin Yapılışı: 5 ml toluidin reaktifine 100 ml örnek katılır. 5 dakika karanlıkta bekletilir, standartlarla rengi karşılaştırılarak toplam aktif klor miktarı bulunur. Aktif klorun bölümlerini bulmak için otoluidin-arsenat yöntemi uygulanır. 100 ml’lik 3 nessler tüpüne A, B, c işaretleri konur. A tüpüne 1,5 ml o-toluidin ve 25 ml örnek konur çabucak karıştırılır ve 1,5 ml arsenat çözeltisi ilave edilip karıştırıldıktan sonra standartlarla karşılaştırılır. Bulunan değer kaydedilir (A). Burada oluşan renk, serbest klor ile Fe.., NCi den ileri gelir. B tüpüne 1,5 ml arsenat çözeltisi, 25 ml örnek konularak çabucak karıştırılır ve 1,5 ml o-toluidin katıp çalkalanarak renkler karşılaştırılır. Bulunan B1 değeri kaydedilir. 5 dakika sonra tekrar renkler karşılaştırılır ve B2 değeri kaydedilir. C tüpüne 1,5 ml o-toluidin ve 25 ml örnek alınır, karşılaştırılır ve 5 dakika sonra renkler karşılaştırılır. Bulunan değer C ise bu değerlerden, Toplam Aktif Klor = C - B2 (mg/I) Serbest Aktif (kullanılabilir) Klor= A - B1 (mg/I) Bağlı Aktif (kullanılabilir) Klor= (C-B2 - (A-B1) (mg/I) olur. 50-100 ml 1-2 ml NaOH çözeltisi ve 2-3 damla müreksid indikatörü damlatılır. Renk pembeden leylak moruna dönünceye kadar EDTA çözeltisi ile titre edilir. Ca Sertliği = EDTA (ml).f x 1000 ppm CaCO3 Örnek (ml) Mg Sertliği = Toplam Sertlik - Ca Sertliği Ca ve Mg sertliğinden suyun içerdiği Ca ve Mg miktarları hesaplanabilir Not: Sertlik tayininde, karbonat sertliği toplam sertlikten fazlalığın alkali metallerin karbonatları veya bikarbonatlarından genel olarak da NaHCO3'den gelir. (2P - T) ml, CO3- için 2{T -P) ml' dir. 2) P = T ise örnekte yalnız OH- iyonu vardır.
106
3) P = T/2 ise örnekte yalnız CO-3 vardır. 4) P = T/2 ise örnekte CO3-2 ve HCO-3 vardır. CO3-2 için sarfiyat 2P ml, HCO-3 için (T - 2P) mrdir. 5)P = O ise örnekte yalnız HCO-3 vardır. Herbir alkalite için bulunan asit sarfiyatı, ilk formülde yerine konulursa, miktarları ppm CaCO3 olarak bulunur.
7 -Alkalite Tayini Hidroksit, karbonat ve bikarbonat olmak üzere üç tür alkalite vardır. Fenolftalein ve metiloranj indikatörleri yanında, asit titrasyonu ile çeşitli alkaliteler tayin edilebilir. OH- ve CO=3 mevcudiyetinde fenolftalein pembe renk verir. Fenolftalein, 8,2 - 8,3'den küçük pH'larda renksizdir. Metiloranj ise, her üç alkaliteden en az birinin varlığında sarı, pH= 4,4'ün altında ise kırmızıdır. Bir su örneğinde 5 tür alkalite olabilir. 1 )Yalnız -OH, 2)OH- ve CO=3 3)Yalnız CO-2.3 4)CO=3 ve HCO-35)Yalnız HCO-3.(Bir örnekte OH- ve HCO-3 birlikte bulunmaz.) Gerekli Çözeltiler: a) 0,02 N H2SO4 b) Metiloranj indikatörü: 0,5 g metiloranj 1 litre saf suda çözülür. c) Fenolftalein indikatörü: 0,5 g fenolftalein 100 ml %5'lik alkolde çözülür. Bu çözelti 0,02 N NaOH çözeltisiyle nötralleştirilir. Deneyin Yapılışı: iki erlenden birine 100 ml saf su diğerine 100 ml örnek konur. İkisine de 3'er damla fenolftalein damlatılır. Eğer renk pembe olursa, örneğin rengi kaybolana kadar0,02 N H2SO4 çözeltisiyle titre edilir. Erlenlere 3'er damla metiloranj damlatılır. Renk sıradan kırmızıya dönüşünceye kadar 0,02 N H2SO4 ile titre edilir. → H2O OH- + H+ + -2 CO3 + H → HCO3HCO3 + H+ → H2CO3 Toplam Alkalite =
ST . f. N. 5O Örnek (ml)
x 1000 ppm CaCO3
Asidin, ST : Toplam sarfiyatı, N : Normalitesi, f: Faktörüdür. Bir örnekte bulunabilecek beş ayrı cins alkalitenin tayini için aşağıdaki bilgilerin bilinmesi ve buna göre hesap yapılması gerekir. P: Fenolftalein yanında yapılan toplam titrasyonda harcanan asit (ml) T: Titrasyonda kullanılan toplam asit (ml) ise, 1) P T/2 ise örnekte OH- ve CO=3 vardır. OH- için harcanan asit:
8- Asidite Tayini Suyun asitliği, genellikle serbest CO2, mineral asitleri ve hidroliz olmuş tuzlardan ileri gelir. Mineral asitleri içeren suların pH'lar' çok düşük olur. Şayet örnek metiloranj yanında 0,02 NaOH ile titre edilirse mineral asitleri, fenolftalein yanında titre edilirse toplam asidite tayin edilebilir. Deneyin Yapılışı: 100 ml su örneğine 3 ~amll3 fenolftalein damlatılır,ve devamlı pembe renk oluşuncaya kadar 0,02 N NaOH çözeltisiyle titre edilir.
107
Toplam asidite = N.S.f.50 x 1000 ppm CaCO3 Örnek 100 ml örneğe 2 damla metiloranj indikatörü damlatılır. Renk sarıya kadar 0,02 N NaOH ile titre edilir. Hesaplanan asidite mineral asiditesidir.
KAYNAKLAR 1- Sınai Kimya Öğrenci Laboratuvarı Çalışma Yönergeleri, KOmisyon, ıTÜ. ,Yayınları, 1982,lstanbul. 2- Sınai Kimya Analiz Metodları, S.R.Alpar, M.I.Hakdiyen, T.Bigat, Istanbul, 1982 3- Selçuk Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Sınai Kimya Laboratuvar Notları, 1980, Konya,. 4- Organik Sınai Kimya ,S.R:Alpar, 1982, istanbul. 5- Genel ve Anorganik Kimya, H.I. Özdemir, 1981, istanbul. 6- Kimyasal Proses Endüstrisi, A.I.Cataltaş, 1985, Istanbul 7- Anorganik Sınai Kimya, A.Özbek, n. Kinayo~luı 1980, Istanbul.
108
GAZ ABSORPSİYONU
1. AMAÇ Dolgulu bir absorpsiyon kolonunda hidrodinamik karakteristiklerin incelenerek belirlenmesi ve (Hava + CO2) karışımının su ile absorpsiyonu çalışılarak tüm kütle transfer katsayısının bulunması.
2. TEORİK BİLGİLER Bir kimyasal bileşenin bir fazdan diğer bir faza transferine imkan veren, iki akışkanın ters yönde aktığı dolgulu ve raflı kolonlar tüm kimyasal üretim fabrikalarında görülür. Bu prosesler gaz absorpsiyonu, distilasyon, ekstraksiyon olabilir. Hem akışkan akımı hem de kütle transferi ile ilgili karakteristik bilgiler bu kolonların üretimi ve dizaynı için gereklidir. Bir gaz karışımından istenilen bir bileşenin uygun bir çözücü ile kazanılması işlemi olan absorpsiyon kimya mühendisliğinde yaygın olarak kullanılan bir ayırma işlemidir. Bir çok kimyasal ve biyolojik madde gaz, sıvı ve katı fazda farklı bileşenlerin karışımı olarak bulunurlar. Bu bileşenlerden bir veya bir kaçını uzaklaştırmak veya ayırmak için diğer bir fazla temas ettirilmelidir. İki faz kütle iletim prosesleri olarak; gaz-sıvı, gaz-katı, sıvı-sıvı sınıflarında operasyonlar vardır. Bu sınıflara giren operasyonlar ve örnekleri aşağıda verilmiştir. Fazlar Gaz-Sıvı Sıvı-Sıvı Sıvı-Gaz Gaz-Katı Katı-Sıvı
Operasyon Absorpsiyon Sıvı-Sıvı Ekstraksiyonu Desorpsiyon Nemlendirme Katı-Sıvı Ekstraksiyonu
Örnek (Amonyak+Hava)-Su (Asetik asit+Su)- İzopropileter Su-Hava(Nemlendirme) Yağlı tohumlardan yağ eldesi
Absorpsiyon; bir gaz karışımında bulunan bileşenlerden biri veya bir kaçını uygun bir çözücü ile temasa getirerek uzaklaştırılması işlemidir.Kütle aktarımının ters yönde olması sıvı fazdan gaz faza işlemine desorpsiyon denir. Absorpsiyon fiziksel ve kimyasal reaksiyonlu olmak üzere iki gruba ayrılır. Fiziksel absorpsiyon da sistemin itici gücünü çözünürlük belirler. Kimyasal reaksiyonun meydana geldiği bir ortamda ise reaksiyon hızı ve çözünürlük ortak etkendir. Fiziksel absorpsiyon da çözünürlük sıcaklığa bağlı olduğu için, sistemin sıcaklık değişmeleri analizi zorlaştırır. Ancak laboratuar şartların izotermal kabul edilir. Her hangi bir operasyon için dolgulu kule tasarlamak istenirse denge eğrisi, operasyon eşitliği ve kütle iletim tasarım eşitliklerinden kule yüksekliği bulunur. Tasarımı ve operasyon şartlarını belirlemek için bundan sorma gereken kule çapının, dolgu türünün ve basınç düşüşünün hesaplanmasıdır. Absorpsiyon kulelerinin en önemli masraflarından biriside gazın
109
dolgulu kule boyunca pompalanma masrafıdır. Bu ise gazın debisi ve basınç düşüşü ile orantılıdır. Bu nedenle kulenin iyi kontrolü için basınç düşüşünü bilmek gerekir. Bu amaca yönelik tasarım aşamasında basınç düşüşlerinin teorik olarak hesaplanması beklenir. Ancak dolgu maddelerinin rasgele doldurulmaları ve kule çapının etken bir neden olmasından dolayı, her sistem için deneysel veriler elde etmek en geçerli yoldur. Bir dolgulu kulede değişik gaz debilerine karşılık basınç düşüşleri okunarak logaritmik bir grafiğe geçirilirse bir doğru elde edilir.Kule sabit sıvı debisi ile yıkandığı durumda tekrar gaz akım debilerinde basınç düşüşleri grafik edilirse, önceleri kuru dolgu malzemesi için olduğu gibi gaz akış debisi ile basınç düşüşü doğrusal olarak değişirken, bir noktadan sonra artan bir hızla yükselecektir. Doğrusallıktan sapmanın olduğu bu ilk noktaya Yükleme Noktası denir. Gaz akış debisi daha da artırılırsa bir noktada grafiğin eğimi düşeyleşecektir. Bu durumun gözlendiği ilk noktaya da Taşma Noktası denir. Yükleme noktası sonrasın da basınç düşüşü gereğinden fazla olacağından operasyonlar bu noktanın altında gerçekleştirilir.
Yükleme noktasının altındaki ıslak kolonda basınç düşüşü aşağıdaki eşitlik(Leva) ile verilir:
∆P = γ (10)ФGL/ ρL. GG2 h ρG
(1)
∆P: Basınç düşüşü, kg/m2 h: Dolgu yüksekliği, m ρ, Ω : Dolgu malzemesinin büyüklüğü ve cinsine sabitler GL: Sıvı akım debisi, kg/saat-m2 ( Boş kule kesit alanı esasına göre) ρL : Sıvı yoğunluğu, kg/m3 GG: Gaz akım debisi, kg/saat-m2 ( Boş kule kesit alanı esasına göre) Bu eşitlik sıvı viskozitesinin etkisini ihtiva etmemektedir. Sıvı viskozitesinin 2 cp’ den düşük olması durumunda yaklaşım oldukça iyidir. Düzgün ve tekdüze boyuta sahip katı taneciklerin bulunduğu dolgulu bir yatakta meydana gelen basınç düşüşü Ergun tarafından aşağıdaki eşitlik ile ifade edilmiştir:
∆P = 1- ε h ε3
. G G2 dpgcρG
[150( 1- ε )µ G ) + 1,75 ] dp G G
ε : Boşluk oranı, cm3 boşluk / cm3 dolgu µ G : Gaz viskozitesi, g/cm-san 110
(2)
dp : Dolgu malzemesinin efektif çapı ap : Özgül yüzey, cm2/ cm3
3. DENEY SİSTEMİ Absorpsiyon kolonu 75 mm çapında 1,4 m yüksekliğinde iki parça halinde yapılmıştır. Kolonun alt ve üst kısmında manometre bağlantıları basınç düşüşünü ölçmeyi sağlar. Su çözelti tankından pompa yardımıyla flowmetreden geçerek, kolonun üstünden, gaz ayarlanabilen vana ve kompresör ile sıkıştırılmış hava ile karıştırılarak kolonun altından verilir. Ayrıca sistemde gaz analiz ünitesi de bulunmaktadır. Deney sistemi şekil 1’de gösterilmiştir. Şekil 1 üzerinde numaralan kısımlar aşağıda belirtilmiştir. 1 : 2 : 3 : 4 : 5 : 6 : 7 : 8 : 9 : 10 : 11 : 12 : 13 : 14 :
Çözelti tankı, Kolondan gelen çözelti ayarlama vanası Manometreler Hava flowmetresi Helmp gaz analiz ekipmanı Hava kontrol vanası Gaz örnek alma muslukları Su kontrol vanası Su flowmetresi Gaz kontrol vanası Gaz örnek alma vanası Hava kompresörü Su pompası Kolondan çözelti boşaltma vanası
111
Şekil1:Gaz absorpsiyon deney düzeneği 112
Deney A: Kuru ve ıslak kolonda çeşitli hava akımı debilerinde basınç düşüşünün ölçülmesi. Yöntem; Kuru kolon için; 1) Kolondan hava geçirilerek kolonun tam kuru olması sağlanır. 2) Musluklar yardımı ile kolonun üst ve alt kısmının manometre ile bağlantısı sağlanır. 3) Çeşitli hava akım debilerinde basınç düşüşleri kaydedilir. Hava akış hızı(L/dak) Basınç düşüşü(mm H2O)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Islak kolon için; 1) Çözelti tankı ¾ oranında su ile doldurulur. 2) Su pompası çalıştırılarak suyun debisi 3 L/dak debiye ayarlanır. 3) 30 saniye sonra vana kapatılarak, pompa durdurulup 5 dakika beklenir. 4) Çeşitli hava akım debilerinde basınç düşüşleri kaydedilir. 5) Değişik su debilerinde aynı işlem tekrarlanır. Ölçümlerde yükleme ve taşma noktalarını gözlemeye çalışınız. Su/Hava 0 1 2 2,5 3 3,5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
4. SONUÇLARIN DEĞERLENDİRİLMESİ 1) Kuru kolon için elde ettiğiniz değerleri log-log grafiğine çiziniz. 2) Islak kolonda çeşitli su debileri için ∆P ile GG ’nin log-log grafiğini çizerek yükleme ve taşma noktalarının tespit ediniz. 3) Bulduğunuz sonuçları kimya mühendisliği açısından yorumlayınız. 4) Deney sonucunda bulduğunuz taşma debisini, ilgili korelasyonlardan meydana getirilmiş diyagramlardan elde ettiğiniz değer ile karşılaştırınız.
Deney B : CO2 gazının sudaki absorpsiyonun incelenmesi ve tüm kütle transfer katsayısının bulunması. Yöntem; 1) Önce 1 molar kostik soda çözeltisini gaz analiz cihazına doldurunuz ve sıfır noktasına ayarlayınız. 2) Çözelti tankının ¾ oranında suyla doldurunuz. 3) Vanalar kapalı durumda iken çözelti pompasını çalışılarak, havanın debisi 6 L/dak debiye ayarlanır. 4) Hava kompresörü ile havanın debisi 30 L/dak debiye ayarlanır. 5) CO2 tüpünü dikkatlice açarak debi havanın debisinin yarısına ayarlanır. 6) 15 dakika sonra gaz örneği alarak gaz analiz cihazını kullanarak analiz edilir. 113
Absorplanan CO2 ’in Hesaplanması: Karbondioksitin fraksiyonu giriş ve çıkış için belirlenir.Bulunan değerler aşağıdaki denklemde yerine yazılarak absorplanan CO2 miktarı bulunur(Yo değeri gaz analizi yardımı ile bulunur). Fa = Yİ –YO .FT 1-YO
(3)
Toplam Kütle İletim Katsayısının Hesaplanması: Dolgulu absorpsiyon kolonları için bilinen eşitlik aşağıdaki gibidir: Y1
H = ∫ d(GY)/ [Kog.a.A(Y- Y)]
(4)
YO
Bu denklemin integrasyonu zor olduğundan kütle iletim katsayısı daha basit olarak aşağıdaki denklemle hesaplanır: Kog = (N/AaH).(In(Pi/Po)/(Pi-Po))
(5)
N : Absorpsiyon hızı g-mol/san (CO2 için bulunan değer) a : Dolgu malzemesi için spesifik alan 9 mm Rasching halkaları için 440 m2/m3 H : Dolgu yüksekliği A : Kolonun kesit alanı Pi, Po :Kısmı basınçlar (CO2 için hesaplanacak) Kog : Kütle iletim katsayısı Ft : Toplam gaz debisi Yi, Yo :Giriş ve çıkıştaki CO2 fraksiyonu GİRİŞ Gaz akımı L/san Hava
CO2
Toplam Ft
Gaz örneği Yi = (V2/V1)İ
ÇIKIŞ Gaz örneği Absorplanan CO2 YO=V2/V1)O Fa L/ san
5. KAYNAKLAR 1 ) Çataltaş, İ., Kimya Mühendisliğine Giriş, İnkılap Kitap Evi, İstanbul 1986 2) Perry, J.N., Chemical Eng. Handbook, 8.th edition Mc Graw-Hill Book Company, Newyork 3 ) Mc Cape and Smith ., Unit Operations of Chemical Engineering, Third Edition, Mc Graw-Hill Book Company, Newyork, 1976 114
RAFLI DİSTİLASYON KOLONU 1. DENEYİN AMACI Kimya mühendisliği proseslerinin hemen her aşamasında yaygın olarak kullanılan temel işlemlerden biri olan distilasyon, homojen bir sıvı karışımının bileşenlerinin ayrılmasında uygulanan bir metoddur. Bu deneyde (metanol-su) karışımının raflı bir distilasyon kolonunda distilasyonu incelenerek elde edilen sonuçlar McCabe- Thiele metoduna göre analiz edilerek tüm kolon verimi hesaplanacaktır.
2.TEORİ Distilasyon, kaynama noktasına yükseltilen iki veya daha fazla bileşenden oluşan karışımların buhar fazındaki bileşiminin sıvı fazındaki bileşiminden farklı olması ilkesine dayanır. Yani distilasyon ile ayırma işleminin gerçekleşebilmesi için buhar ve sıvı fazın bileşimlerinin mutlaka farklı olması gerekir. Başka bir tanımla distilasyon, karışan ve uçucu olan bir karışımın buharlaştırma ile bileşenlerine ayrılmasıdır. İkili bir karışım durumunda, kaynama noktası daha düşük (buhar basıncı yüksek) bileşene daha uçucu bileşen (DUB) , kaynama noktası daha yüksek (buhar basıncı daha düşük) bileşene ise daha az uçucu bileşen (DAUB) denir. Distilasyon terimi bazen çözeltiden tek bir bileşenin buharlaştırıldığı, mesela suyun distilasyonu, işlemler içinde kullanılmaktadır, ancak bu tür kullanım hatalıdır. Çünkü distilasyon işlemi esas olarak homojen bir sıvı karışımının buharlaştırılması sonucu oluşan ve buhar fazında birden fazla bileşene sahip olan karışımın bir veya daha fazla bileşeninin saf olarak elde edilmesidir. Buna göre alkol-su karışımının bileşenlerine ayrılması distilasyon, tuzlu suyun tuz ve suya ayrılması ise bir evaporasyon işlemidir. Benzer şekilde, seyreltik gliserin çözeltisinden gliserin üretiminde ilk adım evaporasyondur, çünkü ilk adımda sadece suyun buharlaşması gerçekleşir, gliserin buharlaşması ya hiç yoktur ya da çok az olup bu aşamaya gliserin evaporasyonu denir. Ancak çözeltideki gliserin konsantrasyonu %80’e ulaştığında artık önemli miktarda gliserin buhar fazına geçer ve basit bir evaporasyon ile istenilen ayırma yapılamaz ve bu noktadan sonra distilasyon gerekir. A ve B bileşenlerinden oluşan ve A' nın DUB olduğu bir sistem için distilasyonu şematize edersek; Buhar A+B
↑↓ Sıvı A+ B una göre, buhar fazı DUB bakımından zenginleşirken sıvı fazı da DAUB bakımından zenginleşir. Geri döngü(riflaks) yapılıp yapılmamasına bağlı olarak iki tip distilasyondan bahsetmek mümkündür. 1-) Geri döngüsüz (riflaksız) destilasyon: Bu yöntemde buharlaşan bileşenin tamamı sistemden çekilir. Burada da sistemde dengenin olup olmamasına bağlı olarak iki yöntem mevcuttur. a-) Ani (flash) distilasyon : Buhar-sıvı dengesinin sitemde her an mevcut olduğu yöntemdir.
115
b-) Diferansiyel distilasyon : İyi bir ayırmanın istenmediği ve karışımı oluşturan bileşenlerin kaynama noktalarının birbirinden çok farklı olduğu durumlarda kaba ayırmalar için kullanılan yöntemdir. 2-) Geri döngülü (riflaxlı) distilasyon: Ani distilasyon, kaynama noktaları birbirinden oldukça farklı bileşenlerin ayrılmasında daha uygundur. Ayrıca eğer bileşenlerin uçuculukları birbirine yakın ise, ani distilasyon ile etkili bir ayıma yapmak mümkün değildir. Yukarıda da belirtildiği gibi diferansiyel distilasyon kaba ayırmalar için uygundur. Bu sebeplerden dolayı gerek endüstriyel uygulamalarda gerekse labaratuvar ölçeğinde etkili ve başarılı ayırma için 'zenginleştirme' de denilen geri döngülü distilasyon uygulanır. Bu yöntemde, kolonun üstünden alınan ürünün bir kısmı, saflığı artırmak için kolona geri gönderilir. Bu geri gönderilen kısma 'geri döngü' veya 'riflax' denir. Şematize edilmiş tipik bir distilasyon kolonu Şekil 1de verilmiştir Şekilden de görüleceği gibi distilasyona tabi tutulacak karışım (besleme) kolona, ara kademelerin birisinden verilir. Şekil 1. Tipik bir distilasyon kolonu gösterimi Besleme rafının üzerindeki bölgeye zenginleşme, altındaki bölgeye soyulma bölgesi denilir. Kolonu üstten terkeden ve DUB bakımından zengin olan buhar, kondenserde yoğunlaştırılır ve bir toplayıcıda toplanır. Toplayıcıdaki ürünün bir kısmı istenilen riflax oranına bağlı olarak kolona geri verilir, kalan kısmı ise 'üst ürün' olarak alınır. Sıvının ısıtılmasını sağlayan sisteme kazan (reboiler) denilir. Kazandan alınan ve DAUB bakımından zengin olan ürüne 'alt ürün' denilir. Distilasyon kolonları dolgulu ve raflı olmak üzere iki türlüdür. Her iki kolonda da amaç, fazlar arası etkin bir temas sağlayarak iyi bir ayırma gerçekleştirmektir. Dolgulu kolonlar, çeşitli dolgu malzemeleri gelişigüzel veya düzenli doldurularak hazırlanır. Yaygın olarak kullanılan raflı kolonlar ise delikli raflı kolonlar (sieve plate, perforated plate) ve kampana raflı (buble cap plate) kolonlardır. Gerek dolgulu gerekse raflı kolonlarda, buhar fazı aşağıdan yukarıya doğru yükselirken, sıvı faz yukarıdan aşağıya doğru iner. Buhar fazı yukarıya doğru yükselirken, fazlar arası temas sonucu, DUB buharlaşarak buhar fazına geçer ve buhar fazı DUB bakımından zenginleşir. Buhar fazındaki DAUB ise, sıvı ile teması sonucu yoğunlaşarak sıvı fazına geçer, böylece sıvı faz DAUB bakımından zenginleşir. Kolonda fazlar, raf veya dolgularda sürekli temasta olup bu şekilde iyi bir ayırma sağlanır. Kolonda, yukarıya çıktıkça sıcaklık düşer, bu yüzden sıvı faz aşağıya indikçe ısınır, buhar fazı ise yukarıya çıktıkça soğur. Şekil 1 göz önüne alınarak bir destilasyon kolonu için tüm kütle denkliği aşağıdaki gibi olur. F=D+B
(1)
Bileşen denkliği ise DUB üzerinden, FXF= DXD + BXB
(2)
Zenginleşme bölgesi için kütle ve bileşen denklikleri yazılırsa, Vn+1=Ln+D
(3)
Vn+1 Yn+1 = LnXn + DXD
(4)
116
Herhangi bir kademeye giren buharla, o kademeyi terk eden sıvı fazın akıları farkı değişmez, yani bir kademenin aynı yönündeki akımların akıları farkı (net akı) sabittir. Buna göre zenginleşme bölgesi için, D = Vn+1 –Ln (5) yazılabilir. (5) denklemi (4) denkleminde yerine konulup denklem (4) düzenlenirse, zenginleşme bölgesi operasyon doğrusu (ZBOD) nun denklemi elde edilir; Yn+1= [Ln/ (Ln + D)]Xn + DXD) / (Ln+ D)
(6)
Benzer şekilde soyulma bölgesi için kütle ve bileşen denklikleri yazılırsa, Lm = V m+ 1 + B
(7)
LmXm=Vm+1Ym+1+BXB
(8)
Bu bölge için net akı ifadesi, B = Lm - Vm- 1 Şeklinde olup, bu ifade (8) denkleminde yerine konulup düzenlenirse,
(9)
Ym+1=[Lm/(Lm-B)]Xm-BXB/(Lm-B)
(10)
elde edilir. Bu denklem, soyulma bölgesi operasyon doğrusu (SBOD) nun denklemidir. (6) ve (10)denklemleri zenginleşme ve soyulma bölgelerinde bir kademeye giren buhar ile aynı kademeyi terk eden sıvı akımının bileşimleri arasındaki ilişkiyi vermektedir. Bu yüzden bu denklemlere, operasyon doğrusu denklemleri adı verilir. Distilasyon kolonlarının McCabe- Thiele metoduna göre analizinde, buhar ve sıvı akımlarının debilerinin kademeden kademeye değişmediği kabul edilir. Yani; Vn+1 = Vn ve Ln-1= Ln kabul edilebilir. Bu duruma, ‘sabit molal akı’ denir. Bu kabul, pratikte çok fazla hata getirmez, özellikle kimyasal yapıları birbirine yakın ve molar gizli ısıIarı yaklaşık eşit olan bileşenler durumunda bu kabul yapılabilir Distilasyonda riflax oran aşağıdaki gibi tanımlanır. RD = L/D ZBOD denklemi, riflax oranı kullanılarak yazılırsa,
(11)
Yn+1=[RD/(RD+1)]Xn+XD/(RD+1)
(12)
McCabe- Thiele yöntemine göre kolonun analizinde, (12) denkleminin eğim veya kesmesinden yararlanılarak ZBOD çizilir Besleme rafının tayininde (13) denklemi ile verilen besleme doğrusu denklemi kullanılır, Y=-q/(1-q)X+XF/(1-q)
(13)
Burada q, beslemenin şekline bağlı bir faktör olup, giriş koşullarında, 1 mol beslemeyi buharlaştırmak için gereken ısının, beslemenin gizli molar buharlaşma ısısına oranıdır. Besleme şekilleri için q' nun alacağı değerler; Soğuk sıvı: q>l Kaynama noktasında doygun sıvı: q= 1 Sıvı - buhar karışımı: 0
117
Doygun buhar: q=0 Kızgın buhar: q<0 Soğuk ve kızgın buhar halindeki besleme durumunda q’nun değeri sırası ile (14) ve (15) denklemleri ile bulunur. q=1 + CpL(TB – TF)/λ
(14)
q=-Cp,V(TF-TD)/λ
(15)
Besleme doğrusunun eğimi bulunarak, besleme doğrusu çizilir. Daha sonra, operasyon doğrularının tek noktada odaklaşması ilkesinden yararlanılarak SBOD eğrisi ile operasyon doğruları arasında kademeler yerleştirilir.
2. DENEY DÜZENEĞİ Deney sisteminin görünümü Şekil 2 de, şematize edilmiş hali ise Şekil 3 de verilmektedir. Sistemdeki mevcut kolon 50 mm çapında olup 8 adet delikli raf içermektedir. Sistem bir distilasyon işlemi için gerekli olan üniteleri içermekte olup bunların başlıcaları; besleme tankı, kazan, ürün toplama kapları, sıcaklık ölçüm sistemi ve diğer yardımcı ekipmandır. Sistemde riflaks oranı, riflaks ayarlayıcı ile ayarlanacaktır. Bunun için, riflax ayarlayıcıdaki zaman ölçerler üzerinde istenen riflax oranına göre değerler seçilir. Mesela, 4 riflax oranı için, 8 saniye riflaks yapılıp 2 saniye ürün alınacak demektir. Böylece zaman ölçerler 8 ve 2 değerleriııe ayarlanarak istenen riflaks oranında çalışılır.
3.1 Deneyin Yapılışı 1-) Distilasyona tabi tutulacak molce %36 etanol, %64 su içeren 20 litre karışım hazırlayınız. 2-) Kazandan dip ürün toplama tankına buhar kaçışını engellemek için kazan taşma hattı ile dip ürün toplama tankı arasındaki U şeklindeki hattın dolu olmasını temin ediniz. Bunun için, kazanı besleme ile dip ürün toplama tankına taşma olana kadar doldurunuz. 3-) Cl vanasını kapatınız. 1 nolu besleme tankına distile edilecek karışımın 16 litresini koyunuz. 2 numara ile gösterilen kazana kalan 4 litreyi koyunuz. C8 yanasını kapatınız. 4-) V I, V2 vanalarını açıp V3 yanasını kapatınız. 5-) C5 vanası ile 1000 cm3 /dak debide soğutma suyu besleyiniz. Aynı şekilde, 5 numara ile gösterilen dip ürün soğutucusundan da soğutma suyu geçiriniz. 6-) Riflaks ayarlayıcı ile kolonu tüm riflaksa getiriniz. Bunun için, riflaks kontrolünün sağ tarafındaki zaman ayarlayıcıyı sıfıra, sol tarafındaki zaman ayarlayıcıyı max. değerine ayarlayınız, 7-) C4 vanası üzerinde bulunan cam kap içerisinde bir sıvı tamponu olacak şekilde ayarlayınız. Bu tampon, sistemde olabilecek herhangi bir dalgalanmayı önler. C4 vanası ayarlandıktan sonra daha fazla kapatılmamalıdır 8-) Isıtıcı kontrol düğmesini 1,5kW okunacak şekilde ayarlayınız. 10-15 dakika sonra karışım kaynayacak ve kolonda buhar yükselmesi gözlenecektir. Birkaç dakika sonra ise buhar kondensere ulaştığında sıvının kademelerden taşarak aktığı görünecektir. Bundan sonra ısıtıcının gücünü azaltınız. 5 dakika bekleyerek kolonun karalı hale gelmesini sağlayınız. 9-) C1 vanasını açarak hızı 50 ml/dak değerine ayarlayınız. Bu besleme soğuk olduğundan bunun kazanda meydana getireceği soğumayı manipüle etmek için ısıtıcının gücü biraz artırılır. Isıtıcının gücünü öyle ayarlayınız ki, kolonda sakin bir ortam ve sakin bir kaynama olsun.
118
10-) Riflaks oranı 3 olacak şekilde zaman ayarlayıcıları ayarlayınız. Bunun için, zaman ayarlayıcıların birini 12 saniye, diğerini 4 saniye değerine ayarlayınız. Bundan sonra, üst ürün, üst ürün toplama kabına (3) gelmeye başlayacaktır. Kazanda ise, taşma hattına ulaşıldığında alt ürün, alt ürün toplama kabına (4) gelmeye başlar. 11-) Deney sonunda C6 vanası kullanılarak üst üründen, C10 vanası kullanılarak alt üründen numune alıp, kırılma indislerini ölçünüz. 4. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDiRiLMESi I-) Sistem için T -x-y diyagramını çiziniz ve beslemenin kaynama noktasını diyagram üzerinde gösteriniz. 2-) McCabe- Thiele metodunu uygulayarak deney sonunda ölçtüğünüz konsantrasyonlara göre teorik kademe sayısını ve kolon verimini bulunuz. 3-) Deney öncesinde konuya yakınlık kazanmanız açısından, molce %36 metanol ve %64 su içeren 20 It karışımın nasıl hazırlanacağını ve karışımın ortalama molekül ağırlığını hesaplayınız. Metanol-su sistemi için bazı veriler ekte suııulmuştur SEMBOLLER B : Dip ürün debisi (mol/st), (kg/st) Cp,L: Beslemenin özgül ısısı (cal/moIK) D : Üst ürün debisi (mol/st), (kg/st) F: Besleme debisi (mol/st), (kg/st) L: Sıvı akış hızı (mol/st), (kg/st) m : Soyulma bölgesindeki rafı temsil eder n : Zenginleşme bölgesindeki rafı temsil eder q : Giriş koşullarında bir mol beslemeyi buharlaştırmak için gereken ısı/ beslemenin gizli molar buharlaşma ısısı RD : Riflax oranı Y λ : TF : V : XB: XF: XD Beslemenin kaynama noktası (0C) Beslemenin sıcaklığı (0C) Buhar akış hızı (mol/st), (kg/st) DUB'nin dip ürün bileşimi DUB'nin beslemedeki bileşimi DUB'nin üst üründeki bileşimi DUB'nin buhar fazındaki bileşimi Buharlaşma gizli ısısı (cal/mol)
5. YARALANlLACAK KAYNAKLAR I-) McCabe, W. L., Smith, J.C., Un it Operations of Chemical Engineering, McGraw-Hill Book Co., 3rd ed., 1976. 2-) Gülbaran, E. (Çeviren), Kimya Mühendisliği Unit Operasyonları, Cilt 3: Kütle iletimi ve Uygulaması, İTÜ Kimya-Met. Fak. Ofset Atölyesi, 2.Baskı, İistanbul, 1984. 3-) Treybal, R.E., Mass Transfer Operations, McGraw-Hill Book Co., 3rd ed., 1980. 4-) Çataltaş, İ. (Çeviren), Kimya Mühendisliğine Giriş, Cilt 1,2, İnkılap ve Aka Kitapevleri KolI. Şti., İstanbul, 1979.
119
EKLER Tablo 1. Metanol-su sitemi için denge verileri. ( mol kes ri metanol cinsinden,latm. de)
Beslemenin: Cp,L= 3852 J / Kg.K K.N. = 76°C λ = 38470 kJ / mol Bileşenlerin saf hali için bazı özellikler: K.Nmet = 64.5 0C (P = 1 atm) K.N.su = 100°C (P = 1 atm) ρmet=O.7959 g/ml(T= l5.56°C) ρsu= 1 g / ml (T = 15°C)
120
Şekil 2 için anahtar: 1: Besleme tankı, 2: reboiler, 3: üst ürün toplama kabı, 4: alt ürün toplama kabı, 5: dip ürün soğutucusu, 6: kolon, 7: kondenser, 8: riflax toplayıcı, 9: watt ölçer, 10: soğutma suyu girişi, 11: soğutma suyu çıkışı, 12: riflaks ayarlayıcı, 13: termistör sensörleri, 14: sıcaklık gösterge düğmesi, 15: sıcaklık göstergesi, 16: güvenlik vanası, 17: kontrol paneli, 18: güç anahtarı, 19: güç göstergesi, 20: ısıtıcı güç kontrol düğmesi, 21: boşaltma borusu, 22,23 : kolon sökme civataları, 24: flanş, 25: stand, 26: ayarlanabilir ayaklar
121
Şekil 3 için anahtar: Cl: besleme debisi ayar vanası, C2: reboiler boşaltma / numuneleme vanası, C3: riflaks bölümleyici vanası, C4: riflaks toplayıcı açma-kapama vanası, C5: soğutma suyu vanası, C6: riflaks numuneleme vanası, C7: ıist ürün numuneleme vanası, C8: dip ürün vanası, C9: reboiler boşaltma vanası, C 10: dip ürün numuneleme vanası, VI ,2: basınç bağlantı vanası, V3: üst ürünü kazana alma vanası, Gl: reboiler basınç göstergesi, Fl: besleme için rotametre, F2: soğutma suyu için rotametre, Ll: besleme tankı seviye göstergesi, L2: reboiler seviye göstergesi, L3: üst ürün tankı seyiye göstergesi, L4: dip ürün tankı seviye göstergesi, S1: seviye sensörü, P: basınç vanası, P1: U manometresi, RRC: riflaks kontrol
122
KATI-SIVI EKSTRAKSİYONU 1. GİRİŞ Ekstraksiyon, katı veya sıvı halde bulunan bir komponentin bir çözücü kullanılarak karışmış olduğu diğer katı veya sıvı komponentlerden ayrılması işlemidir. Çoğu biyolojik, organik ve inorganik maddeler bir katıda farklı komponentlerin karışımı halinde bulunur. Arzu edilen çözünen bileşeni ayırmak veya istenilmeyen çözünen bileşeni katı fazdan ayırmak için, katı uygun bir sıvı fazla temas ettirilir. Katının sıvıyla iyi teması halinde, çözünen yada çözünenler katıdan sıvı faza difüze olabilirler. Sıvı faz, katı içerisindeki komponentlerin ayrılabileceği özelliğe sahip olmalıdır. Bu proses katı-sıvı liçingi yada basit liçing olarak adlandırılır. Bir diğer ifade ile ekstraksiyon işlemidir. Ekstraksiyon işlemine endüstrinin birçok kollarında değişik şekillerde rastlanabilir. Altın minerallerinden altının, bitkilerden ilaç endüstrisinin hammaddelerinin ve çiçeklerden esansların ekstraksiyonu örnek olarak verilebilir. Eğer sıvı-sıvı ekstraksiyonuna benzer bir şekilde istenilmeyen komponent su ile bir katıdan alınıyorsa bu prosese yıkama prosesi denir. Deneysel amaçlar için ekstrakte edilebilir katı olarak vermiculite seçilmiştir.Vermiculite(mika tipi mineral) bu katı-sıvı ekstraksiyon ünitesinde kullanmak için ekstrakte edilebilir maddenin hazırlanması için uygun poroziteye sahip bir maddedir. laboratuarda kullanılacak katı-sıvı ekstraksiyon ünitesi, öğrencilerin snai ölçekteki ekstraktör işletme özelliklerini öğrenmeleri amacıyla yarı teknik ölçekte tasarlanmıştır.
2. TEORİK TEMELLER Katı-sıvı ekstraksiyonunda, çözünebilen bir komponentin bir katıdan ayrılması için uygun bir çözücüde iki basamakta işlem yapılır. Öncelikle ekstrakte edilebilen katı, sıvı faz ile temas ettirilir ve ikinci basamakta sıvı faz katı fazdan ayırt edilir. Katı-sıvı eksraksiyonunun hesaplamalarında sistemin üç komponentten oluştuğu düşünülebilir. Bunlar, çözünen, inert katı madde ve çözücüdür. Birçok endüstriyel çalışmada sıvı ve katı fazın tamamen birbirinden ayrılması mümkün değildir. Böylelikle ikinci basamakta alınan akımlardan biri normal olarak katı içermeyen sıvı faz, diğeri ise katı faz ve ona yapışmış yada onunla birlikte sürüklenen sıvı fazdır. Çözünen komponent, inert katı maddeyle karışmış bir katı yada inert katı maddenin iç kısmında veya yüzeyinde tutunan bir sıvı olabilir. Genellikle çözünen komponent tek bir madde olmayıp bir karışım olabilir. Buna benzer şekilde çözücüde tek bir madde olmayıp, karışım olabilir fakat bu tip işlemlerde saf bir çözücü kullanılması tercih edilir. Endüstride kullanılan ekstraksiyon işlemi hesaplamalarında enerji dengesi üzerinde pek durulmaz. Genellikle kütle dengesi ve ideal kademe kavramına önem verilir. Hesaplamalar matematiksel veya grafiksel metotlarla yapılabilir. Özellikle grafik çözüm metodu 123
kullanılır.Çünkü bu çok kompleks sistemlerin genel bir şekilde çözülmesini mümkün kılar ve işlem esnasında meydana gelen değişiklilkleri daha iyi bir şekilde gösterir. Bu nedenlerden dolayı matematik metoda göre daha kullanışlıdır. Katı-sıvı ekstraksiyonlarında kademe sayısı fazla olmadığı için grafik çözüm metodu tercih edilir.
3. DENEY SİSTEMİ Katı-sıvı ekstraksiyon ünitesi (şekil4) ekte ve bu üniteyi tanımlayan sistem diagramları(şekil 1 ve şekil 2) aşağıda verilmiştir.
Şekil 1. Sistem diağramı (Komponentler)
124
Şekil 2. Sistem diağramı (Kontroller- aletler) 1 , 3- Ekstraktör iskelesi 2- Sıvı seviye göstergesi 4- Metrik pompa 5, 20- Çözücü tankları(5lt) 6, 19- Borusal tank kapağı 7-Cam distilasyon kolonu 8- Riflaks ayırma bölgesi 9Termometre çıkışı 10- Kondenser 11, 14- Gravite esasına dayanan sıvı seviye göstergesi 12Kondensere soğuk su giriş-çıkışı 13- Kontrol paneli 15- Elektrik donanımı 16- Ekstraktör kapağı 17- Ekstraktör kabı 18- Tranformatör 21- Terylene örnek torbası 22- Taşıyıcı vidalar T- Termometreler V- Vanalar C- Riflaks kontrol vanası F- Pompa ayarlayıcısı
4. DENEYİN YAPILIŞI Ekstrakte edilecek maddenin deneyler için hazırlanması aşağıdaki şekildedir: Ekstrakte edilebilir maddeden 350 g (çözünür tuz, şeker vs..) 1.5 litre kaynar suda çözülür, 3 litre vermiculite katılır ve karıştırılır, fırında 130 o C’ de kurutulur.
Deney A Deneyin Esası: Açık sirkülasyon halinde süzme ekstraksiyonu ile CuSO4 emdirilmiş vermiculite den CuSO4’ ın ekstraksiyonu
Deney Şeması: 125
Şeki 3. V5 açık, V6 kapalı, V1 açık ve V7 ekstrakt doğrultusu sola, Diğer bütün vanalar kapalı
Deneyin Teorisi: Madde ekstrakt edildiği için ekstraktörden ayrılan ekstrakt(CuSO4) konsantrasyonu zamanla azalır. Bu nedenle, ekstraksiyon işleminin tasarlanmasında ekstraksiyonun ekonomik olması esas alınır. Deneyin Yapılışı: Terylene örnek torbası 100 g kuru CuSO4 emdirilmiş vermiculite ile doldurulur, ağzı bağlanır, ekstraktöre yerleştirilir ve kapağı kapatılır. Sağ taraftaki tank saf su veya asidik su ile doldurulur. Soldaki tank(toplama tankı) boş olmalıdır. Pompa % 10’ a ayarlanır. Örnek birkaç dakikada bir V6’ dan alınır, örnek alma musluğunun ağzındaki birkaç ml atılır. 1 saat ekstraksiyon yapıldıktan sonra V9’ dan toplama tankı boşaltılır. Kalorimetre veya refraktometre ile CuSO4 analiz edilebilir. Deneyin Sonucu: Ekstrakt örneğindeki konsantrasyonu ekstraksiyon prosesinin genel karekteristiğini ve sıcaklığın etkisini göstermek için zamana karşı grafik edilebilir. Log- Log, Log, Lineer eğrileri karekteristikleri göstermede yardımcı olur. Deney B Deneyin Esası: Açık sirkülasyon halinde CuSO4 emdirilmiş vermiculite den CuSO4 ın ekstraksiyonu. Deney Şeması:
126
V6 açık, V5 kapalı, V1 kapalı ve V7 doğrultusu soldaki toplama tankına. Diğer vanalar kapalı.
Deneyin Teorisi: Bu ekstraksiyon, sıvı içerisine daldırılabilen katılar için tercih edilir. Bu işlem, mevcut cihaz içinde ekstraktör kabının dibinden çözücüyü pompalayarak ve üstten alarak yapılabilir. Deneyin Yapılışı: Sağ taraftaki tank demineralize edilmiş yada hafif asidik su( sert musluk suyu ekstraksiyon çözeltisinin bulanıklığını artırabilir) ile doldurulur ve sol taraftaki tankın boş olup olmadığı kontrol edilir. Pompa % 100’ e ayarlanır. Terylene örnek torbası 200g kuru CuSO4 emdirilmiş vermiculite ile doldurulur ve sabitleştirilir. Ekstraktör kabı yarım dolduğunda pompa kapatılır. Pompa % 60’a ayarlanır. Ekstraktör kabı zamandan kazanmak için elle doldurulabilir. Örnek torbası ekstraktör içerisine yerleştirildikten sonra kapak kapatılır ve pompa çalıştırılır. Belirli sıcaklıklarla V4 vanasından örnekler alınır. Örneklerde kalorimetre veya refraktometre ile CuSO4 analizi kolaylıkla yapılabilir. Deneyin Sonucu: Örnekteki CuSO4 konsantrasyonu, ekstraksiyon prosesinin genel karekteristiklerini göstermek amacıyla, zamanın fonksiyonu olarak grafik edilebilir. LogLineer ve Log-Log grafikleri karekteristiklerin gösterilmesinde yardımcı olabilir. Deney C Deneyin Esası: Kapalı sirkülasyon durumunda süzme ekstraksiyonu ile şeker emdirilmiş vermiculite’den şekerin ekstraksiyonu. Deney Şeması: V5 açık, V6 kapalı, V7 ekstrakt doğrultusu sağ tarafa. Diğer vanalar kapalı.
Deneyin Teorisi: Ekstraktör kabından ayrılan Ekstrakt konsantrasyonu önce hızlı bir şekilde artar fakat zamanla Ekstrakt toplanır ve azalan örnekte şeker kalır. Deneyin Yapılışı: Terylene örnek torbasını 220g kuru şeker emdirilmiş vermiculite doldurulur, bağlanır, ekstraktör kabına yerleştirilir ve ağzı kapatılır. Sağ taraftaki tank 2 litre su ile doldurulur ve pompa % 60’ a ayarlanır. Isıtıcı açılır ve suyun sıcaklığı 55o C’ ye getirilir, pompa açılır V8 ve V4 vanalarından birkaç dakika arayla örnek alınır, her defasında ağızdaki birkaç ml atılır. T2’ den sıcaklık kaydedilir. İstenirse örnekler refraktometre ile analiz edilebilir. Deneyin Sonucu: İki değişik örnek için şeker konsantrasyonu ekstraksiyon prosesinin genel karekteristiğini göstermek için zamanın fonksiyonu olarak grafik edilir. Log-Lineer veya LogLog grafikleri karekteristikleri daha iyi gösterir. Deney D Deneyin Esası:Kapalı devre durumunda yağlı tohumdan distile çözücüyle bitkisel yağ ekstraksiyonu
127
Deney Şeması: Vana C1 tamamen açık, V5 açık ve V6 kapalı, V1 açık ve V7 ekstrakt yönü sola, distilasyon kolonuna gönderilir. Diğer vanalar kapalı.
Deneyin Teorisi: Metilen klorür çözücüsü yardımıyla soya fasülyesi, mısır, yer fıstığı gibi yerde yetişen yağlı tohumlardan bitkisel yağlar ekstrakte edilebilir. Metilen klorür yanmayan diğer çözücülerden daha avantajlıdır ve daha güçlü bir çözücüdür. Ekstraksiyon prosesi birkaç parametreye bağlıdır. Ekstraksiyon zamanı, çözücü sıcaklığı, süzme ve materyallerin hazırlanması. Bu deney parametrelerin önemini ve hatta son üründen çözücünün geri kazanılmasını gösterir. Deneyin Yapılışı: 5 litre metilen klorür distilasyon kolonuna doldurulur, bu, işlemi başlatır ve böylece ısıtma elemanlarının çalışmasını sağlar. Eğer işlem esnasında seviye belirlenen limitin altına düşerse güç, elemanların ısınmasını önlemek için otomatik olarak kesilir. Soğutma suyu kondenserin en alt bağlantısına bağlanır, boşaltma suyuda yukarıdan alınır. Kondenserde soğutma suyunun sirkülasyonu sağlanır. 200 g kadar ekstrakte edilebilir madde örneği alınır ve mümkün olduğunca öğütülür. Tohumun hazırlanması çok önemlidir, çünkü yağı çözücüde tutmak için tohumda yağ hücrelerini kırmak gerekir. Bunu denemek için üç örnekle deney yapılabilir. Örneklerin her biri farklı derecede öğütülmüş olmalıdır. Örnek terylene torba içine konur ve hassas bir şekilde tartılır. Torba ekstraktör içine yerleştirilir.Gücün minimumda olduğundan emin olunduğunda R2 açılır. Metilen klorür düşük kaynama noktasına sahip olduğundan regülatör ayarlanmalıdır, böylece daha fazla buharın kondenser etrafına dağılmasına engel olunur. Buhar yoğunlaşır ve alıcı kap içerisine akar. Alıcı kap yaklaşık yarım dolduğunda pompa çözücünün ekstraktöre geçmesini başlatabilir. Distilasyon kazanı zaman zaman bu amaçla doldurulur, zaman not edilir. Miscella distilasyon kolonu buharı içine akacaktır. Sistemin dengesi pompa kontrolüyle ayarlanır. 30 dk sonra ekstraksiyon durdurulur ve örnek alınır. Örnek bir tepsi üzerine yayılır ve 60o C’ deki fırına yerleştirilerek çözücü uzaklaştırılır. Laboratuarın iyi havalandırılmış ve metilen klorür buharından arındırılmış olması gerekir. Örnek kuruduğunda tekrar tartılır ve dikkatlice torba ile ekstraksiyon kabının içine tekrar yerleştirilir. 30 dk sonra ekstraksiyon durdurulur, 90 dk’ lık toplam ekstraksiyon zamanı için işlem tekrar edilir.
Deneyin Sonucu: Ekstrakte edilen yağ miktarını belirlemek için distilasyon kabındaki miscella nın bir refraktometre yardımıyla test edilmesi gerekirki bu meydana gelen ekstraksiyonun derecesi arttıkça artacaktır. Çözücü seviyesini arttırmak ve örneği örtmek için (bu örnek yatağında çözücünün kanallaşmasını engelleyeceğinden ekstraksiyon kalitesini iyleştirir) V1 vanası hafifçe kapatılarak ekstraksiyon yapılır.
İyi bir hazırlama işleminin önemini göstermek için üç farklı tipte hazırlanan örneklerin ekstraksiyon sonuçları mukayese edilir.
5. KAYNAKLAR
128
1-Solid-Liquid Extraction Unit, Armfield Limited 2- Geankoplis, Chrıstıe J., Transport Processes And Unit Operations. 3- Çataltaş, İ., Kimya Mühendisliğine Giriş.
Şekil 4. Katı- Sıvı Ekstraksiyon Ünitesi 1,3- Ekstraktör İskelesi, 2- Sıvı seviye Göstergesi, 4- Metrik Pompa, 5,20- Çözücü Tankları (5 lt), 6,19- Borusal Tank Kapağı, 7- Cam Distilasyon kolonu, 8- Riflaks ayırma bölgesi, 9Termometre çıkışı, 10- Kondenser, 11,14- Gravite esasına dayanan sıvı seviye göstergesi, 12Kondensere soğuk su giriş-çıkışı, 13- Kontrol paneli, 15- Elektrik donanımı, 16- Ekstraktör kapağı, 17- Ekstraktör kabı, 18- Transformatör, 21- Terylene örnek torbası, 22- Taşıyıcı vidalar, T- Termometreler, V- Vanalar, C- Riflaks kontrol vanası, F- Pompa ayarlayıcısı
129
SIVI SIVI EKSTRAKSİYONU 1. DENEYİN AMACI Kimya mühendisliğindeki bir çok proseslerde, bir sıvı karışımından bir yada daha fazla komponentin uygun bir çözücüyle karıştırılarak arıtılması işlemi gerekir. Bazı durumlarda bir sıvının tasviyesi prosesin fonksiyonu, bazı durumlarda da daha sonraki bir işlem için çözünen bir komponentin ekstraksiyonu önemli bir faktör olabilir. Deneyin amacı, Trikloroetilen-Propionik asit-Su sistemi için yayılma katsayısının belirlenmesi ve konsantrasyona bağımlılığının incelenmesi, ekstraksiyon veriminin hesaplanması, kütle transfer katsayısının ölçülmesi ve sürekli ortam olan sulu fazda akış hızıyla kütle transfer katsayısının değişiminin incelenmesidir.
2. TEORİ Katı ve sıvı komponentin bulunduğu katı veya sıvı karışımdan, çözücüye taşınım işlemine ekstraksiyon denir. Katı-sıvı ve sıvı-sıvı ekstraksiyonu olmak üzere iki tür ekstraksiyon işlemi vardır. Bir çözeltide bulunan bir veya daha fazla bileşeni, uygun bir çözücüyle temasa getirerek bu çözeltiden uzaklaştırma işlemine sıvı-sıvı ekstraksiyonu denir. Karışım halindeki homojen sıvı bileşenlerinin kaynama noktalarının birbirlerine çok yakın bulunması, bileşenlerin kaynama noktalarının eldeki mevcut ısıtma ortamına göre çok yüksek olması veya bir kısım bileşenin diğerlerinin kaynama sıcaklığında bozunması gibi sakıncalar nedeniyle, distilasyon işlemi yerine kullanılabilecek ayırma yöntemi sıvı-sıvı ekstraksiyonudur. Bu yüzden kimya endüstrisinde oldukça yaygın kullanılır. En önemli uygulama alanları; petrol endüstrisinde kaydırıcı yağların rafinasyonu, benzinden kükürtlü bileşiklerin uzaklaştırılması, antibiotiklerin elde edilmesi vs. dir. Sıvı-sıvı ekstraksiyonunda çalışma iki kısımdan meydana gelir. Birinci kısım; iki fazın birbiriyle temasa getirilmesi, ikinci kısım ise sıvı fazların birbirinden ayrılmalarıdır. Operasyonda çözücü ile çözünmüş ürüne ekstrakt faz, çözünenden geriye kalan fazada rafinat faz denir. Operasyonda çözücü tedrici olarak seçilir. Üç farklı sıvı-sıvı ekstraksiyonu vardır. Bunlar aşağıda maddeler halinde verilmiştir. 1. Karıştırma ve durultma tankları içeren ekstraksiyon • Tek kademeli ve devamlı olmayan ekstraksiyon • Çok kademeli ve devamlı ekstraksiyon • Zıt akımlı çok kademeli ve devamlı ekstraksiyon 2. Kule veya kolon ile yapılan ekstraksiyon a Raflı kuleler • Delikli saç raflı kuleler
130
• Şaşırtmalı raflı kuleler • Fazların kule içerisinde ileri veya geri hareket ettirildiği tip • Karıştırıcı ihtiva eden kuleler b Dolgulu kuleler c Püskürtmeli kuleler 3. Santrifüj ekstraktörler Sıvı-sıvı ekstraksiyonu için genellikle ekstraksiyon kuleleri kullanılır. Burada ağır olan faz üstten aşağı doğru akar, hafif olan faz aşağıdan yukarı doğru yükselir. Ekstraksiyon kuleleri içerisinde dolgulu kolonlar; birim yükseklikteki basınç düşüşü diğerlerinden az, ufak çapta kolon gerektirir dolayısıyla daha ekonomiktir. Fakat kullanım alnları diğerlerine göre daha az, birim alana isabet eden sıvı yükü az ve sıvı dağılımı daha güç olur. Çünkü sıvı aşağı doğru akarken yavaş yavaş kenarlarda toplanmaya başlar ve dolgulu kısmın ortalarındaki dolgu malzemelerine nüfuz dah güç olur. Kolondaki dolgular tarafından büyük bir temas yüzeyi ve dolayısıyla istenen operasyon teminini sağlar. Kolon tamamen boş bir silindirden ibaret olup, geniş yüzeye sahip dolgularla rastgele doldurulmuştur. İyi bir dolgu maddesi; hafif, birim hacim başına maksimum ıslanabilme yüzeyine sahip olmalı ve geçiş için yeterli boşluk bırakılmalı yani küçük basınç düşüşüne sebep olmalıdır. En fazla kullanılan dolgu maddesi Raschig halkasıdır. Raschig halkasının yüksekliği çapına eşittir. Püskütmeli ve dolgulu kulelerde fazların kolona giriş noktası iyi seçilmelidir. Aksi halde fazların birinin, diğerinin alışına mani olması ve onu sürüklemesi gibi bir durumla karşılaşılır. Bu kolonlarda fazlar birbirine zıt yönde akar ve yerçekimi kuvveti ile birbirinden ayrılır. Yapılacak deneyde yayılma katsayısı ve kütle transfer katsayısı aşağıdaki formüllerle hesaplanacaktır.
K=
Y X
KL =
(1)
dönüşümhızı dolguhacmi × iticigüç
(2)
Dönüşüm hızı = Ekstrakt fazdan elde edilen miktar = Rafinat fazdan elde edilen miktar
(3)
Yani
(4)
VW ( X1 − X 2 ) = V0 ( Y1 − 0)
ln(iticigüç) =
∆X 1 − ∆X 2 ∆X 1 ln ∆X 2
(5)
131
3. DENEY DÜZENEĞİ
Şekil 1. Sistemin Akım Diagramı
132
Şekil 2. Deney Düzeneği Çözücü, bir santrifüj pompa ile kolona beslenir ve kolonun üst tabağının yaklaşık 150 mm üstünden bir boru vasıtasıyla ekstraksiyon tankına gitmek üzere sistemi terkeder. Organik
133
çözelti, besleme tankından ayarlı bir pompa ile kolona üstten enjektörden geçerek girer ve kolonun altından bir selenoid vanayla rafinat faz tankına alınır. Bu vana, kolonun alt ve üstündeki elektrotlarla kontrol edilir. Distilasyon kazanı, ekstraksiyon kolonunun arka tarafına monte edilmiştir. Kazan kolonu, dört elek tabak içeren cam bir bölmeden yapılmıştır. Distilasyon kazanı, deneyden sonra rafinat fazdaki karışımı ayırmak için sisteme ilave edilmiştir.
4. DENEYİN YAPILIŞI 4.1 Ekstraksiyon Kolonu ile Yapılan Deneyler Deneye başlamadan önce çözücü ve besleme tankları doldurulur ve ayarlı pompa, kalibre edilir. Çözücü (su), kolona santrifüj pompa ile dolgunun üzerine gelene kadar beslenir. Dolgunun üzerine geldikten sonra hızı 0.1 lt / dk ya ayarlanır. Aynı anda ayarlı pompa da aynı hıza ayarlanarak besleme kolona pompalanır. 15-20 dk kadar çalıştırılır. Besleme, rafinat ve ekstrakt tanklarından 10 ml numune alınır ve fenolftalein indikatörü katılarak 0.1 M NaOH ile titre edilir. Deney 0.2 lt / dk hız için tekrarlanır.
4.2 Yayılma Katsayısının Belirlenmesi 25 ml trikloroetilen ve 25 ml su bir ayırma hunisine alınarak karıştırılır. Üzerine 0.5 ml propionik asit ilave edilir ve 5 dk kadar karıştırılır. Karıştırma işlemi esnasında ara sıra huninin havası alınır. Huni kendi haline bırakılır böylece iki faz birbirinden ayrılır. Bu fazlardan 5 ml alınır fenolftalein katılarak 0.1 M NaOH ile titre edilir. Deney propionik asitin 1 ve 2 ml leri için tekrarlanır.
5. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ Deney 3.1.1 den elde edilen verilerden besleme, ekstrakt ve rafinat fazlardaki propionik asit miktarı, dolgu hacmi ve itici güç hesaplanır.Bu hesaplamalardan kütle transfer katsayısı ve ekstraksiyon verimi bulunur ve yorum yapılır. Deney 3.1.2 den elde edilen verilerden ekstrakt ve rafinat fazlardaki propionik asit miktarı hesaplanır. Yayılma katsayısı üç farklı propionik asit miktarı için bulunur ve yorum yapılır.
6. SEMBOLLER
[mldk ] [mldk ] −1
F1 : flowmetre
−1
F2 : ayarlı pompa
[−] [−]
C1 : çözücünün akış kontrol vanası C2 : kondensatın akış kontrol vanası
134
C3 : elektrotlara duyarlı selenoid vana V1 : ekstrakt tankı tahliye vanası V2 : çözücü tankı tahliye vanası V3 : hava vanası V4 : bağlantı vanası V5 : bağlantı vanası V6 : besleme tankı tahliye vanası V7 : bağlantı vanası V8 : besleme tankından kolona çözelti besleyen vana V9 : ekstrakt tank tahliye vana
[−] [−] [−] [−] [−] [−] [−] [−] [−] [−]
V10: distilasyon kazanı tahliye vanası
[−]
B1 : kondenser
[−] [−] [−]
T : termometre
[ C]
V11: kolonun tahliye vanası V12:kondensatı saflaştırma tankına besleyen vana
o
[−]
R1 : güç düzenleyicisi
[Ls ] [Ls ] [kgL ] [kgL ] [kgL ] [kgL ] [kgL ] −1
Vw: Su akış hızı
−1
V0: Çözelti akış hızı
−1
X : Rafinat fazdaki propionik asit miktarı
−1
Y : Ekstrakt fazdaki propionik asit miktarı
−1
∆ X1: Kolonun üzerindeki itici güç (X2-0) ∆ X2: Kolonun altındaki itici güç (X1-X1*)
−1
X1*: Ekstrakt fazda Y1 konst. İle dengede olan rafinat fazdaki konsantrasyon
−1
7. YARARLANILACAK KAYNAKLAR 1. 2. 3.
ÇATALTAŞ, İ., 1972, Kimya Mühendisliğine Giriş, İstanbul McCABE, W.I., Smith, J.C., Unit Operations of Chemical Engineering, Third edition, Newyork PERRY,H.J., Chemical Engineers Handbook Solvent Extraction, 14-40
135
4.
TREYBAL, E.R., Mass Transfer Operations Mc Graw-Hill Company, Newyork
EVAPORASYON (YÜKSELEN FiLM BUHARLAŞTIRICI) 1.DENEYİN AMACI a) Bir şeker çözeltisinin, doğal ve zorlanmış devirli evaporasyon ünitesinde buharlaştırma işlemine ait, kütle ve enerji balanslarının kurulması ve meydana gelen kütle ve enerji kayıplarının hesaplanması, b). Doğal ve zorlanmış devirli evaporasyonda bir şeker çözeltisi için ısı transfer katsayısının hesaplanması 2. TEORİ Kontrol edilebilen ve bilinen bir orandaki besleme, buharlaştırıcının alt kısmından, konsentrik düzeneğin içindeki tüpe verilir. Buhar, laboratuvarda'ki buhar jeneratöründen bilinen bir basınçta, evaporatörün en dışındaki annulus'a verilir. Yoğunlaşan buhar, evaporatörün tabanında bir buhar yakalayıcısından dışarı verilir. Sistemden havayı uzaklaştırmak için bir ventilatör, evaporatörün tepesinde yer almaktadır. Buhar, tüpün içerisindeki kaynayan karışımdan siklon tipi bir ayırıcıya geçer ve su fraksiyonu bir akışmetre vasıtasıyle evaporatörün tabanına döner. Ayırıcıdan gelen buhar, su soğutmalı bir kondensere geçer ve su ile kalibre edilen bir kapta biriktirilir. Cihaz kesikli bir operasyon sistemi gibi kullanıldığında, bu kondensat, biriktirilebilir yada sürekli operasyon için doldurmalı besleme tankına tekrar döner. Sistem, atmosferik basınçta yada farklı vakum şartlarında çalıştırılabilir, bu nedenle basınç göstergeleri ve eminiyet vanalarına sahiptir. Hem buharlaştırıcı için hemde kondensör için enerji balansları yazabilmek için sistemde yeterli sayıda sıcaklık okuma noktaları mevcuttur. Bu sıcaklık okumaları termokapıllarla (termoelemanlar), bir okuma sistemi vasıtası ile ikili bir kanaldan yapılır. Böyle bir düzeneğe sahip olan buharlaşma prosesi, farklı basınçlarda, buhar debilerinde ve sıvı seviyelerinde çalışmaya uygundur. Bu cihazla, tipik endüstriyel şartların tam bir uygulaması, laboratuarda gerçekleştirilebilir. Şematik olarak şekil 1.’de gösterilen bir eveporatör ünitesinde; (seyreltik çözelti için kaynama noktası yükselmesi ihmal edilirse) bu sistem için kütle ve enerji denklikleri aşağıdaki şekilde yazılabilir:
2.1.Eveporasyon için Kütle ve enerji denkliklerinin yazılması : Su balansı : WF = We + Wc Şeker Balansı : SF = Se Entalpi Balansı: (WF +SF). HCOZ + WB .HB = (WC +SC). HCOZ + We.HB + WB .HSU + Qısı kaybı
136
(1) (2) (3)
Isı transfer denklemi: WB .(HB – HSU) = U1.A1.∆T
(4)
Şekil 1. Evaporatör Ünitesi 2.2.Kondanser (Isı değiştirici) için Kütle ve enerji denkliklerinin yazılması : Entalpi Balansı: We.(HB – HSU) = Wg.(HSU(çık) – HSU(gir))
(5)
Isı transfer denklemi: We .(HB – HSU) = U2.A2.∆Tm
(6)
Yazılan bu eşitliklerde; WF : Evaporatöre beslenen çözeltideki suyun kütlesi WB: Kondensat tankında biriktirilen kondensatın kütlesi Wc : Derişik(konsantre) çözeltideki suyun kütlesi We : Buharlaştırılan suyun kütlesi Sf : Evaporatöre beslenen çözeltideki şekerin kütlesi Sc : Derişik çözeltideki şekerin kütlesi U1 : Evoparatörde buhar ile çözelti akımı arasındaki ısı transfer katsayısı U2 : Kondanser (ısı değ.)de buhar ile çözelti akımı arasındaki ısı transfer katsayısı A1 : Evoparatör için toplam ısı transfer alanı A2 : Kondanser (ısı değ.) için toplam ısı transfer alanı Entalpiler ; HB : Buharın entalpisi, (kcal/kg) Hsu : Kondanse ve taze su akımlannın entalpisi, (kcal/kg) Hcoz : Şeker çözeltisinin entalpisi, (kcal/kg)
137
2.3.Entalpi Fonksiyonları: Şeker Çözeltisinin Entalpisi: H COZ = 2,24 X + 0,16(T + 273) + 6,6.10 −5 (T + 273) 2 − 0,0102 X (T + 273) + 7,7.10 −6 X (T + 273) 2
Su buharı entalpisi : H B = 448 + 045(T + 273) − 0,2910 −4 T 2 + 0,1810 −6 T 3
Suyun entalpisi : H SU = −311 + 1,34(T + 273) − 10,4.10 −4 (T + 273) 2 + 1,1.10 −6 (T + 273) 3
3. DENEY DÜZENEĞİ Bir buharlaştırıcı modül, alıcı modül ve elektriksel konsol'dan oluşan cihaz, taban üzerine oturtulmuş bir malzeme topluluğudur. Bütün sistem bileşenleri bir çerçeve içerisine monte edilmiş ve gerekli bağlantılarla bir bütün oluşturulmuştur. Derişiklendirilecek çözelti, alıcı modül üzerindeki besleme tankından (3) hareketine başlar. Bir besleme pompası (5), float muhafazalı ve termostatik olarak kontrol edilebilen bir ön ısıtıcıdan (6), buharlaştırıcı modülüne sıvı taşır. Isıtılan sıvı, bir kontrol vanası (C8) vasıtasıyle flowmetre'den (F2) buharlaştırıcı fabrikasyonunun (13) tabanına geçer. Kaynama, dıştaki ceket içerisinde bulunan buhar tarafından ısıtılan dikey tüp içerisinde oluşur. Cekete beslenen buhar bir düzenleyici vana (CI0) tarafından kontrol edilir ve ceketteki basınç 'da, bir basınç göstergesinden (P2) okunur. Buhar ceketinin tepesindeki ventilatör (12), sistemde kalabilecek havayı boşaltmak içindir ve tabana yakın olan buhar yakalayıcısı'da(14), yoğunlaşan buhann (kondensat), bir boşaltma tüpü vasıtası ile dışarıya atılmasını sağlar. Evaporatör içinde sürekli olarak kaynayan suyun buharları yukarıya doğru taşınarak tüpün iç cidarında bir film oluşur. Sıvı film buharlaştıncımn tepesindeki cam dirsekten kolaylıkla görülebilir. Yoğunlaşan sıvı ve su buharları vorteks ayıncının (9) dikey girişine geçer. Ayıncının tepesindeki su buharı, boru içerisinden yoğunlaşma tüpüne (kondensör) bir manifold (birden fazla giriş ve çıkışı olan vana) vasıtasıyle geçer. Yoğunlaştrıcı soğutma suyu, bir vana (C2) ile kontrol edilir ve soğutma suyu debisi bir akışmetre'den (Fl) okunur. Oluşan kondensat bir toplayıcı modülden bir toplayıcı kaba (2), yerçekimi (ağırlık) prensibine göre geçer. Ayıncının dip kısmına geçen yoğunlaşmış buhar(kondensat), içinde seviye elektrodları bulunan bir cam seviye kabından (10) aşağıya akar. Aşağıya akan sıvının düzgün (üniform) bir akışını sağlamak için vorteks ayıncısı ve seviye kabı arasına bir ventilasyon borusu yerleştirilmiştir.
138
Cam seviye kabı altında bulunan bir devirli (sirkülasyon) pompa (11), seviye kabından gelen yoğuşmuş buharı akış kontrol vanası (C6) vasıtasıyle akışmetreye (F3) iletir. Cam seviye kabındaki sıvı seviyesi, seviye elektrodlarına eriştiğinde, yoğuşmuş sıvı, bir kontrol vanası (C4) ve solenoid vanadan (C3), toplayıcı kaba (4) taşınır. Sıvı seviyesi cam kaptaki elektrodlara yükseldiğinde, elektronik kontrol panelindeki bir denetleyici (kontroller) solenoid vanasını açar. Solenoid vananın titreşimini azaltmak için küçük bir direnç, seviye sisteminin içinde yer almaktadır ve doğal devri (sirkülasyon) sağlamak için bir dolaşım (bypass) vanası (C5) gerektiğinde açılabilir. Buharlaştırıcı perforrnansını iyileştirmek ve sistemdeki basıncı azaltmak için, kondensat ve yoğuşma toplayıcı kaplarına (L2, L3) bağlanan bir vakum pompası (1) kullanılabilir. Vakum sistemine bir kontrol vanası (Cl) ve basınç göstergesi (P1) ilave edilmiştir. Besleme ve geri devir pompalarının çıkış borularına monte edilen vanalar (C7 ve C9), operasyon esnasında analiz için örneklerin alınmasını sağlarlar. Buharlaştırma sistemi, operatör hatası yada ekipman arızalanması durumunda bir basınç düşürücü vanası ile (8) korunur. Operasyonu basitleştirmek için bütün elektronik denetleyiciler (kontrollürler), bir ön panel üzerinde yer almaktadır. Sistemdeki sıcaklıklar, termoelemanlar (ısılçiftler) vasıtası ile bir doğrudan oC okuyucu konsol üzerinden yapılır. Okunacak sıcaklık, konsol üzerindeki uygun düğmeye basarak seçilir.
4. DENEYİN YAPILIŞI 4.1. Ön Hazırlıklar ** Kondensat (L3) ve yoğuşma (L2) tanklarının (2, 4) boşaltıldığını, elektrik, buhar ve soğutma suyunun temin edilebilirliğini kontrol ediniz. ** Yanda belirtilen vanaların AÇIK durumda olmasına dikkat ediniz: Vl,V4,V6,V8,Cl,C2. ** Yanda belirtilen bütün vanaları KAPALI duruma getiriniz: V2, V3, VS, V7, CS, C6,C7,C9. ** Besleme tankını (3) ihtiyaç duyulan bir sıvı yada su ile doldurun.
4.2. Başlangıç İşlemleri 1). Sistemi hazırlamak için S2 düğmesine basarak besleme pompasını (5) başlatın ve C8 vanasını tamamen açınız. 2). Besleme ön ısıtıcısını (6) çalıştırınız. 3). Akışmetre'de (F2), sıvı görüldüğünde, kararlaştınlan bir besleme debisini F2 akışmetresinde bulmak için C8 vanasını ayarlayınız. 4). F2 akışmetresindeki besleme akışının 40 katı bir soğutma suyu debisini, Fl akışmetresinde elde etmek için C2 vanasını açınız ve ayarlayınız. 5). P2 göstergesinde kararlaştınlan buhar basıncını bulmak için C10 vanasını açınız ve ayarlayınız. 6). Seviye tankında (10) sıvı görüldüğünde, S4 düğmesini açarak geridevir pompasının(11) başlamasına konsantre olunuz. 7). T6 ve T7 sıcaklıklannın mümkün mertebe birbirine yakın olabilmesi için besleme ön ısıtıcısı (6) üzerindeki termostat kontrolünü ayarlayınız.
139
8). Vakum altında operasyon için SS düğmesi çevrilerek vakum pompası (l) başlatılır ve C1 vanası ayarlanarak P1 göstergesindeki sistem basıncı bulunur yada atmosferik operasyon için C1 vanasını tamamen açık bırakınız.
4.3. Operasyon Metodları Bu dikey, yükselen konsentrik tüp buharlaştırıcısı, devirsiz, doğal devirli yada zorlanmış devirli modlannda çalıştınlır. Devirsiz modu, doğrudan akış temeline dayanır ve sistem yukanda belirtilen ön hazırlık ve başlangıç prosedürlerine göre çalıştınlır. Doğal devirli modunda, ön hazırlık ve başlangıç işlemleri takip edilir ve sonra C5 vanası açılarak F3 akışmetresinde maksimum kararlı hal geri devir oranı bulunur. Zorlanmış devirli operasyon'da yukandaki gibi ön hazırlık ve başlangıç prosedürleri takip edilir ve soma, V7 vanası açılır ve C4, C5 vanalan ile F3 akışmetresinden geçen geri devir oranı ayarlanır.
4.4. Deneysel Yöntem Bu deneyde kullanılmak için ağırlıkca %4 konsantrasyonunda şeker çözeltisi hazırlayınız. 10 L/h’lik bir besleme debisi ile ön hazırlık ve başlanğıç prösedürlerini takip ediniz. Evaporatörü, 1.5 bar'lık buhar basıncı, atmosferik basınç ve 400 mmHg vakum altında sistem basınçları ile çalıştırınız. 30 L/h’lik bir devir oranını(sirkülasyon debisi) kullanılarak doğal devirle ve zorlanmış devirle deneyler yapınız.
4.5. Gözlenecek Parametreler a). Evaporatörün kararlı hal operasyonuna erişmesini sağlandıktan sonra; İşlem süresi(30dak) boyunca sisteme giriş ve çıkış madde miktarlarını tayin etmek için L1, L2 ve L3 tanklarınının başlangıç ve bitişteki seviyelerini tesbit ederek , aşağıdaki tabloya değerlerini kaydediniz. b) Konsantrasyon tayini için ; Besleme (C9 vanası vasıtası ile) ve yoğuşma (C7 vanası vasıtası ile) örneklerini 30 dakika boyunca her 10 dakikada bir alarak, bir refrektrometre kullanarak bu örneklerdeki şeker konsantrasyonlarını (Cf ve Cc) tayin ederek aşağıdaki tabloya kaydeniniz. Sıcaklık ölçümleri için, 30 dakikalık süre boyunca her 10 dadikada bir, eveporatör giriş ve çıkışındaki çözelti sıcaklığını (T6 ve T7) ve kondansöre giriş ve çıkış sıcaklıklarını (T1, T2 , T3 ve T4) tesbit ederek aşağıdaki tabloya kaydediniz.
140
Tablo.1. Ölçüm Sonuçlarının Kaydedilmesi - Tank seviyelerinin tesbiti:
t (dakika) 0 (başlanğıç) 30 (bitiş)
L1(mm)
L2(mm)
L3( mm)
-Konsatrasyon ve Sıcaklık Tespiti:
t(dak) 10 20 30
Evaporatör İçin Cf (%) Cc (%)
T6(ºC)
Kondensat (ısı Değiştirici) için T1(ºC) T2(ºC) T3(ºC) T4(ºC)
T7(ºC)
ORT 4.6. Deney Sisteminin Durdurulması a). Bütün elektrik akımlarını kapatınız(Sl-S5 düğmelerini kapatınız) b). Buhar beslemesini kapatınız. c). Sistemdeki bütün suyu boşaltınız.
5. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ
Tablo 1’de ki ölçüm sonuçlarından yararlanarak aşağıdaki hesaplamaları yapınız:
1-) Besleme, kondensat ve Derişiklendirme tanklarındaki seviye değişimlerini (∆Ll, ∆L2, ∆L3) hesaplayınız. 2-) Evaporatöre beslenen şeker( Sf) ve suyun (WF), kütlelerini aşağıdaki eşitliklerden hesaplayınız.
Cf 100 − C f , WF = C1 ∆L1 ρ f S F = C1∆L1 ρ f 100 100
141
3-) Derişik şeker çözeltisi için, şeker( Sc) ve suyun (Wc), kütlelerini aşağıdaki eşitliklerden hesaplayınız. C 100 − C C S C = C 3 ∆L3 ρ C C , WC = C 3 ∆L3 ρ C 100 100
4-) Kondensat tankındaki suyun, We, kütlesini aşağıdaki eşitlikten hesaplayınız: We = C2 ∆L2 Burada; -- C1,C2 ve C3 tanklar için kalibrasyon faktörüdür. C1 = 0.154 ; C2 =0.019 ve C3 =0.019 -- ρ, şeker çözeltisinin spesifik ağırlığıdır (Şeker çözeltilerinin spesifik ağırlığını (ρf) Tablo2.’den bulunuz).
5-) Yukarıdaki hesaplamalardan faydalanılarak Evaporatör ve Kondansör için madde ve enerji denklikleri kurularak aşağıdaki hesaplamalar yapılır : a) Evaporatör için madde denkliklerini kurunuz. ((1) ve (2) nolu denklem) b) Evaporatör için enerji denkliğini kurunuz. ((3) nolu denklem) ve Isı kaybını hesaplayınız. c)Evaporatör için ısı transfer denklemini ((4) nolu denklem) yazarak Isı tarnsfer katsayısını (U1) hesaplayınız. A1 = 0.064 m2 d) Kondenser için enerji denkliğini kurunuz. ((5) nolu denklem) ve sisteme verilmesi gereken Soğutma suyu miktarını (Wg) hesaplayınız. e) Kondanser için ısı transfer denklemini ((6) nolu denklem) yazarak Isı tarnsfer katsayısını (U2) hesaplayınız. A2 = 0.03 m2 6. KAYNAKLAR 1. Instruction Manual ofClimbing Film Evaporatör, Armfield Limited, U.K.,(1993) 2. McCabe, W.L.; Smith, J.C.; Harriott, P., "Unit Operations ofChemical Engineering", 5th Ed., McGraw-Hill, Inc., New York (1993) 3. Kern, D.O., "Process Heat Transfer", International Ed., McGraw-Hill, Inc., Singapüre (1965) 4. Çataltaş, İ., "Kimya Mühendisliğine Giriş", İnkılap Kitapevi, (1986)
142
Tablo 2. Şeker Çözeltilerinin spesifik ağırlığı
143
144
Şekil 1. Evaporasyon Deney Düzeneği 145
RAFLI KURUTUCU
1. DENEYİN AMACI Bir maddenin kurutulması maddedeki sıvı içeriğini kabul edilebilir küçük bir değere azaltmak için maddedeki sıvı veya suyun uzaklaştırılmasıdır. Bu deneylerde sabit kurutma şartlarında önce tepsili bir kurutucuda kumun kurutulması incelenerek kurutma eğrisi elde
edilecek ve kurutma mekanizması aydınlatılacak sonra püskürtmeli kurutucuda sütten süt tozu elde edilecektir.
2. TEORİK BİLGİLER Kurutma herhangi bir madde içindeki sıvı veya suyun arzu edilen bir değere uzaklaştırılması olarak tanımlanır. Su veya diğer sıvılar maddeden mekanik olarak presleme
veya
santrifüjle
yada
termal
olarak
uzaklaştırılabilirler.
Kurutmada
evoparasyona nazaran çok daha az sıvı uzaklaştırılır ve son ürün katıdır. Kurutmanın gerçekleşebilmesi için nemin uzaklaşması gerekir. Bu yüzden her kurutma işlemi için ısı enerjisine ihtiyaç vardır. Aynı zamanda buharlaşacak nemi havanın kabul etmesi, bunun için de havanın doymamış olması gerekir. Yani kurutma olayında ısı aktarımının yanında kütle aktarımı da gereklidir. Kurutma genelde bir üretim prosesinde son basamaktır. Özellikle gıda üretim özelliklerini korumak ve ürün neminin mikrobiyal gelişme ve diğer reaksiyonları sınırlamak için yeterli nem seviyesine ulaşmak bakımından önemlidir. Kurutma çeşitli yöntemlerle gerçekleştirilebilir. Bu yöntemler kurutulacak maddedeki suyun uzaklaştırılması amacıyla gerekli ısının buraya taşınma şekliyle ilgilidir. Bu açıdan konveksiyon kurutma, radyasyon kurutma olmak üzere başlıca üç kurutma yöntemi söz konusudur. Konveksiyon Kurutma: bu yöntemde katının içerdiği suyun buharlaşması için gerekli ısı bir gaz tarafından çoğunlukla da hava tarafından taşınır. Bu yöntem genellikle tünel kurutucularda, akışkan yatak ve püskürtmeli kurutucularda kullanılır. Kontakt Kurutma: Kurutma için gerekli ısı kondüksiyonla taşınır. Yani kurutulacak madde ısıtma yüzeyi ile direkt temas halindedir ve ısı yüzeyden kondüksiyon ile iletilir.
146
Radyasyon Kurutma:
Kurutulacak maddeye ısı civardaki bir radyasyon alanından
ulaştırılır. Kurutma yönteminin seçiminde kurutulacak maddenin nitelikleri ve kurutulmuş ürünün kullanım alanları gibi çeşitli faktörler rol oynar. Bu hususta özellikle maddenin katı, sıvı, granül, toz veya lapa halde oluşu gibi fiziksel özelliği önemlidir. Bu özelliğe göre kurutucu tiplerinden; tepsili, döner, vakumlu, bant, püskürtmeli, akışkan yatak, kule vs. kurutucularından biri seçilir. Başlangıçtaki nem miktarı yüksek ve çözelti halinde bulunan maddelere uygulanacak en iyi kurutma yöntemi püskürterek kurutmadır. Bu işlemde kurutma hızlı ve ürünün kurutucuda kalma süresi kısadır. Ayrıca püskürtmeli kurutucuda sıcak gazlar kurutmada kullanılırken, kurutulan madde kurutma gazının yaş termometre sıcaklığının üzerine çok fazla çıkmaz. Bu durum meyva sularının, sütün, kahve ekstratının vs. lezzet ve kokularına zarar vermeksizin kurutulmalarını sağlar. Püskürtmeli kurutucular genellikle 4 sınıf altında toplanırlar. -
Ters hava akımlı tip
-
Eş yönlü akım tipi
-
Karışık akım tipi
-
Paralel akım tipi
Genel olarak püskürtmeli kurutma iki aşamalı bir proses olarak düşünülür. Birinci aşamada atomizasyon ve sıvı damlacıkların oluşumu, ikinci aşamada katı ürün üretimi amacı ile asıl kurutma ve buharlaştırma sistemi.
2.1. Kurutma İşleminde Kullanılan Bazı Terimler Mutlak Nem: 1 kg kuru havanın içerdiği kg olarak nem miktarıdır. Bağıl Nem: Havadaki su buharı kısmi basıncının, suyun aynı sıcaklıktaki buhar basıncına oranıdır. Doymuş Hava: Kurutma ortamından verilen şartlarda daha fazla giderilemeyen nemdir.
2.2. Kurutma Eğrileri Bir katı sabit kurutma şartlarında kurutulduğunda nem içeriği şekil 1’deki gibi değişir. Grafik başlangıçta lineerdir sonra yukarıya doğru konkavlaşır ve en sonunda yatay devam eder.
147
Kurutma hızı nemli bir maddenin birim alanından birim zamanda uzaklaştırılan nem miktarı olup şekil 2’de nem içeriğine karşı grafik edilmiştir ve aşağıdaki gibi tanımlanır.
R= (-LS / A) (dx / dt)
(1)
Şekil1’de nem içeriği belli bir değerde sabit kalmıştır. Bu nem değerine denge nemi denir
ve sabit kurutma şartlarında daha fazla giderilemeyen nem miktarı olarak ifade edilir. Denge nemi maddenin cinsine, kurutmada kullanılan havanın sıcaklık ve bağıl nemine bağlıdır. Şekil2’de ise kurutma hızı bir kararlı halden sonra sabit kalmakta ve belli bir nem değerinden sonra düşmektedir. Kurutma hızının düşmeye başladığı bu nem içeriğine ise kritik nem içeriği denir. Kurutma hızının grafik edildiği Şekil2’de de görüldüğü gibi kurutmada genellikle iki bölge gözlenir. Bunlar sabit hız bölgesi ve azalan hız bölgesidir.
Sabit Hız Bölgesi : Her bir kurutma hız eğrisi en azından iki kısımdan oluşur. Bir başlangıç peryodundan sonra maddenin kendi sıcaklığını kurutma ortamının sıcaklığına ayarladığı sürede eğri Şekil2’deki yatay olan BC bölgesine sahiptir. Bu bölgeye sabit hız bölgesi denir. Eğer katının başlangıçtaki nemi belli bir minimumdan az ise bu bölge
gözlenmez. Bu bölgede katı o kadar ıslaktır ki kurutma yüzeyi üzerinde sürekli bir film tabakası mevcuttur. Sabit hız bölgesi kritik noktada son bulur. Yüzey sıcaklıkları aniden yükselir ve kurutma hızı düşer. Sabit hız bölgesi için kurutma hızı aşağıdaki eşitlikten hesaplanır.
148
Azalan Hız Bölgesi : Nem içeriği azaldığı için sabit hız bölgesi belli bir hız değerinde (kritik nem) biter ve bu noktadan sonra kurutma hızı azalır. Bu noktada maddenin üzerindeki sıvı film kaybolmuştur. Buharlaşma maddenin içinden olacaktır. Isı ve kütle aktarımı artık difüzyon ile kontrol edilir. Düşen hız bölgesi doğrusal kabul edilirse kurutma hızı doğrusunun eğimi a olur ve kurutma hızı;
R = ax + b şeklindedir. Buradan dR = a . dx ve dx = dR / a olur.
Azalan hız bölgesi için kurutma hızı
şeklinde hesaplanır. Sabit hız ve azalan hız bölgesi birleştirilirse toplam kurutma süresi;
Kurutmada Transfer Mekanizmaları Kurutma işleminde ısı ve kütle transfer mekanizmaları bulunur. Isı transfer mekanizması; beslemeyi buharlaşma sıcaklığına getirmek, sıvıyı buharlaştırmak, katıyı ve buharı son sıcaklığına getirmek için kullanılır. Gazın katı yüzeyinden geçtiği bütün kurutucularda katıdan gaza bir kütle transferi mevcuttur. Katı açısından evaporasyona, gaz açısından adyabatik nemlendirmeye benzer.
149
3. DENEY DÜZENEĞİ 3.1. Tepsili Kurutucu İçin Deney Düzeneği Tepsili kurutma için deney düzeneği Şekil3’de gösterildiği gibidir. Sistem uzun bir tünel ve bu tünelin belli bir kısmına yerleştirilmiş kurutma vagonundan oluşmaktadır. Kurutucu hava tünelin giriş kısmında fan yardımı ile ısıtılmakta ve tünelin çıkış kısmında ortama verilmektedir. Tepsi üzerinden geçen havanın kuru ve yaş termometre sıcaklıkları hava tepsi üzerine gelmeden ve tepsi üzerinden geçtikten sonra pisikrometre yardımı ile okunacaktır. Takriben 200gr civarındaki kum örneği 10-15gr suyla homojen olarak karıştırılarak nemlendirilir. Tepsilerden birine düzgünce ve homojen olarak yayılır. Dijital terazi çalıştırılır. Kurutucu üzerindeki cam kapak açılarak tepsi yerleştirilir. Herhangi bir t=0 anında fan düğmesi açılır ve fan hız düğmesi saat yönünde çevrilerek istenen bir hızda sabit bırakılır. Isıtıcı düğmesi açılır ve anahtar max pozisyona getirilir. Düzenli aralıklarla tepsinin ağırlığı kaydedilir. Seçilen zaman aralıklarında aspiratin psycrometre kullanılarak düzenekte gösterilen 2 ve 3 noktalarında kuru ve yaş termometre sıcaklıkları ölçülerek kaydedilir. Dijital anamometre kullanılarak tünel çıkışında hava hızı ölçülür. Deney sonunda ısıtıcı sonra fan kapatılarak anahtarları sıfır pozisyonuna getirilir. Tepsi vagondan alınır terazi kapatılır. Aynı deney farklı akış hızlarında tekrarlanır.
4. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ Deney sonucunda elde edilen verilerden kurutma süresi-nem içeriği eğrisi çizilir. Bu eğride A, B, C, D noktaları tespit edilerek bu noktalardan geçen teğetlerin eğimleri alınır. Bu eğimler kurutma hızının verir. Daha sonra kurutma hızı-nem içeriği eğrisi çizilir. Elde edilen sonuçlar üzerinde yorum yapın. Sabit hız bölgesi süresince hava akış hızı ve kurutma hızı arasındaki ilişkiyi belirterek sonuçları değerlendirin. Hava hızı azalan hız bölgesinde direkt bir etkiye sahip midir? Kritik nokta ve denge nemi hava hızına bağımlılık gösterdi mi? Nem içeriği şu formülle hesaplanır; Xe=Sıvı Ağırlığı/Kuru Katı Ağırlığı =(yaş katı ağırlığı-kuru katı ağırlığı)/kuru katı ağırlığı Sabit hız bölgesi için kurutma hızı ısı transferi terimine göre ; Rc = Mv / A = hy (Tv-Ti) / λi
hy = 0,0176G0,8
150
formülünden hesaplanır ve teğetin eğiminden hesaplananla kıyaslanır. Ayrıca kütle transferi Mw = Ma (W3 – W2)
Mw = R.At
Ma = V.Aρ
ifadesi kullanılarak da kurutma hızı hesaplanır ve önce bulunan değerle kıyaslanır.
5. SEMBOLLER R : Kurutma Hızı Ls : Kuru Katı Kütlesi A : Kurutma Yüzey Alanı t : Kurutma Süresi x1 : Başlangıçtaki Nem Muhtevası xc : Kritik Nem İçeriği hy : Isı Transfer Katsayısı ρ : Havanın Yoğunluğu (kg/m3)
G : Havanın Kütlesel Hızı (kg/m2.h) λi : Yaş Termometre Sıcaklığında Suyun Gizli Isısı
Mv : Gaza Geçen Sıvının Kütlesel Hızı (kg/h) Ma : Tepsi Üzerinden Geçen Havanın Kütlesel Hızı (kg/h) W3 : 3 Noktasından Geçen Havanın Mutlak Nemi (kg nem/ kg kuru hava) W2 : 2 Noktasından Geçen Havanın Mutlak Nemi (kg nem/ kg kuru hava)
6. YARARLANILACAK KAYNAKLAR 1. Evranuz, Ö., Çataltaş,İ., 1983, Gıda İşletme Mühendisliği, İnkılap Kitabevi, İstanbul. 2. Keey, R.B., 1978, Introduction to Industrial Drying Operations, Pergamon Pres, England. 3. McCabe, W.L., Smith, J.C., 1976, Unit Operations of Chem. Eng. McGraw- Hill Company, (3nd ed.), Japan, p 782. 4. Treybol, E. Robert, 1988, Mass Transfer Operations. McGraw-Hill International Editions New York (3nd ed.) 5. Çataltaş, İ., Kimya Mühendisliğine Giriş
151
152
153
BOYUT KÜÇÜLTME VE ELEK ANALİZİ
1. DENEYİN AMACI Boyut küçültme, katı maddelerin kesilerek, kırılarak veya öğütülerek küçük parçacıklara bölünmesi olup, çok önemli bir temel işlemdir. Deneyimizdeki amacımız, boyut küçültmeyi laboratuardaki çeneli kırıcı ile gerçekleştirmek ve bu kırılan taneciklerin elek analizini yapmaktır.
2. TEORİK BİLGİLER Endüstride katı maddeler çeşitli amaçlar için çeşitli yöntemlerle ufaltılırlar. Parçacık boyutlarının küçültülmesi, katıların tepkimeye girme yeteneğini artırır, istenmeyen kısımlardan mekanik yollarla ayrılmayı sağlar ve katılara daha kolay işlenme olanağı verir. Katılarda boyut küçültme baskı, vurma, aşındırma ve kesme şeklindedir. Genellikle baskı kaba kırmada kullanılırken vurma ile orta yada ince ürünler elde edilir. Aşındırma ile yumuşak ve aşındırıcı olmayan malzemeden çok ince ürünler elde edilir. Kesme işlemi ile belirli parçacık büyüklüğü ve şekli elde edilir Boyut küçültme aygıtları, kırıcılar, öğütücüler, aşırı ince öğütücüler ve kesme makineleri olarak gruplara ayrılırlar. Kırıcılar; büyük katı parçalarını daha küçük parçalara kırarlar. Birincil bir kırıcı maden ocağından gelen tüm parçaları alır ve 15-25 cm lik parçalar halinde kırar. İkincil bir kırıcı ise bu parçaları yaklaşık 0,5 cm boyutuna küçüktür. Öğütücüler, kırılmış malzemeyi töz haline getirirler. Orta derece bir öğütücüden alınan ürün 16 mesh elekten geçmelidir. Kesiciler, belirli büyüklük ve şekilde 0,1-1 cm aralığında ürün verirler. Bu makineler işlerini tamamen farklı yollarla yaparlar. Yavaş baskı kırıcılara özgü bir harekettir. Öğütücüler vurma ve aşındırmayı bazen baskı ile birlikte uygularlar. Aşırı ince öğütücüler aşındırma ile çalışırlar. Kesme hareketi kesicilere özgüdür.
2.1 Boyut Küçültmenin Nitelikleri İdeal bir kırıcı yada öğütücü;
1. Büyük kapasiteli olmalı 2. Birim nicelikte ürün elde etmek için küçük bir güç gerektirmeli 3. Belirli bir büyüklükte veya istenilen boyut dağılımında ürün vermelidir.
2.2.Parçalamış Ürünlerin Özellikleri Parçalanma, boyut küçültmeye karşılık bir terimdir. Küçük tanecikler büyük yüzey alanına sahip olmaları veya şekil ve boyutları sebebiyle istenirler. Parçalanmış tanecikler, kırmadan sonra aşınma ile düzleşmedikçe hemen hemen düzlem yüzeyleri ve keskin kenar ve köşeleri olan çok yüzlüler şeklindedir. Ana yüzeylerin sayısı değişebilir fakat çoğu zaman dörtle sekiz arasındadır. Taneciklerin uzunluğu genişliği ya da kalınlığı hemen hemen eşit olabileceği gibi
154
levha ya da iğne şeklinde de olabilir. Hemen hemen eşit birkaç yüzey içeren bir tanecik küresel varsayılabilir ve genel olarak parçacık boyutu için ‘çap’ terimi kullanılır.
2.3 Benzer Şekilli Tanecikleri Geometrisi Bir tanecik düşünelim ve dikkatimizi büyüklük, hacim ve yüzey üzerinde toplayalım.Büyüklüğü nicel olarak ölçmek için, özgün uzunluk olarak önemli bir boyut seçmek gereklidir. Bir küp ya da küre için bir kenar uzunluğu ya da çap en kolay seçimdir. Düzensiz şekli bir tanecik için özgün boyutun seçimi istekseldir. Özgün boyutun uzunluğu Dp olsun;buna tanecik çapı diyelim. Taneciğin hacmi Dp3 ile, yüzeyi Dp2 ile orantılıdır. Örneğin bir küpün hacmi Dp3 ve yüzeyi ise 6Dp2 dir, kürenin ise (π/6) Dp3 ve πDp2 dir. Her iki şekil için de Yüzeyin hacme oranı 6/Dp dir. Herhangi bir şekildeki bir taneciğin hacmi; Vp=aDp3 (1) ve yüzeyi (2) Ap=6bDp2 şeklinde yazılabilir. Burada a ve b parçacığın şekline bağlı olan geometrik sabitlerdir. 1 ve 2 eşitliklerinden yüzeyin hacme oranı, Ap 6(b / a ) 6λ = = Vp Dp Dp
(3)
λ =b/a
(4)
Burada şekil etmeni ( λ ) parçacığın büyüklüğüne bağlı değildir ve yalnızca şeklin bir fonksiyonudur. Küp ve küre için şekil etmeninin değeri bire eşittir. Değişik şekilli parçacıklar için birden büyük değer alır. Parçalanma ile elde edilen ürünler için bu değer yaklaşık 1,75 dir. Dp çaplı, aynı şekilli taneciklerden oluşan bir örnekte, taneciklerin toplam hacmi m / ρ p dir. Burada m, örneğin toplam kütlesi; ρ p ise taneciklerin yoğunluğudur. Bir taneciğin hacmi aDp3 olduğuna göre, örnekteki taneciklerin sayısı N, N=
m/ρp
aDp 3 Parçacıkların toplam yüzey alanı 2,4 ve 5 eşitlerinden
A=N.Ap=
m/ρp aDp
3
.6bDp2=
6λm Dpρ p
(5)
(6)
2.4 Karışık Taneciklerin Büyüklükleri Ve Elek Analizi Çeşitli büyüklüklerde ve yoğunluklarda tanecikler içeren karışımlara 1 den 6 ya kadar olan eşitlikleri uygulayabilmek için, karışım her biri sabit yoğunlukta ve yaklaşık olarak sabit 155
büyüklükte tanecikler içeren kesimlere ayrılır. Sonra her bir kesim tartılır, içindeki tanecikler sayılır yada mikroskobik yöntemlerle ölçülür. Her bir kesime yukarıdaki eşitlikler uygulanabilir ve sonuçlar toplanarak ilk karışımın özellikleri bulunur. Karışımları yalnızca boyutlarına göre ayırtmak için en kolay ve çok yaygın yöntem, deney elekleri ile elemektir. Yöntem aynı yoğunluk ve şekilde olan 7,6 cm-0,0038 cm arasındaki büyüklüklerdeki taneciklere uygulanabilir. En çok kullanılan eleklerin delik boyut aralığı 2,50,0125 cm dir. Tyler elekler dizisinde delik açıklığı 0,0074 cm olan 200 mesh elek temel alınır. Serideki her hangi bir eleğin delik açıklığının alanı, bir sonraki daha küçük eleğinkinin tam iki katıdır. O halde herhangi bir eleğin gerçek delik boyutunun, kendinden hemen sonraki daha küçük eleğinkine oranı 2 =1,41 dir. Daha sık boyutlandırma için ara elekler vardır. Bunlardan her biri, bir sonraki daha küçük standart eleğinkinin 4 2 =1,189 katı delik boyutuna sahiptir. Genellikle ara elekler kullanılmaz. Burada çizelge 5 ile birlikte verilen Tyler elek serisi kullanılmaktadır. Ancak bir de DIN elek serisi vardır. Bu seride 1 cm deki delik sayısı mesh sayısı olarak tanımlanmıştır. Uygulamalarda standart eleklerin bir dizisi, en küçük delikli en altta, en büyük delikli en üstte olmak üzere seri olarak üst üste yerleştirilir. Analiz, örneği en üstteki eleğe koyarak ve diziyi belirli bir süre mekanik olarak titreştirerek yapılır. Her bir elekte kalan parçalar alınır, toplam örneğin kütle yüzdelerine çevrilir. En ince elekten geçen parçacıklar dizinin dibindeki bir tablada toplanırlar. Buna “elek altı” denir. Elek analiz sonuçları, her bir elekte kalan madenin kütle kesrini delik boyutunun bir fonksiyonu olarak göstermek için çizelge haline getirilir. Herhangi bir eleğin üstündeki parçacıklar bir üstteki elekten geçtiğinden dolayı, bir elek artığının boyut aralığını tanımlamak için iki sayı gerekir. Bunlardan biri elenen kesimin içerisinden geçtiği elek, değeri üstünde kaldığı elek içindir. Böylece 14/20 gösterimi “14 mesh lik elekten geçer ve 20 mesh lik eleğin üstünde kalır” anlamındadır. Bu aynı zamanda -14+20 şeklinde de gösterilebilir. Bu şekilde çizelge haline getirilen bir analize AYRIMSAL (DİFERANSİYEL) ANALİZ denir. Tipik bir diferansiyel analiz tablo 1 de verilmiştir. ∆Φn simgesi n eleği tarafından tutulan, toplam örneğe göre kütle kesri için kullanılır. Dizinin üstünden başlanarak elekler sırayla numaralanır; bu nedenle n-1 eleği n eleğinin hemen üstündedir. Üst üste iki eleğin delik açıklıklarının ortalaması Dn ile verilir. Diferansiyel elek analizinde ortalama parçacık boyutu olarak bu değer kullanılır. Dpn simgesi ise n eleğinin delik açıklığını gösterir. Elek analizinin ikinci türü TOPLAMLI (KÜMÜLATİF) ANALİZ dir. Toplamlı analiz ayrımsal analizden toplama ile elde edilir. Bu işlem en büyük delik açıklıklı elekte kalandan başlanarak gittikçe artacak şekilde ayrı ayrı eleklerde kalanları toplamak ve bu toplamları en son eklenen eleğin delik boyutuna karşı çizelge yada grafiğe geçirmekle yapılır. Eğer aşağıdaki bağıntı ile tanımlanırsa,
φ =∆ φ 1+∆ φ 2+....+∆ φ n=∑∆ φ n
(7)
Toplam analiz φ ile Dp arasında bir bağıntıdır. Burada Dp, n eleğin delik boyutudur. φ niceliği ise örnekte Dp den daha büyük taneciklerin kütle kesridir. Tüm örnek için φ ’nin
156
değeri bire eşittir. Tablo 1 deki ayrımsal analize karşı gelen toplamlı analiz, tablo 2 de gösterilmiş ve şekil 1 de grafiğe alınmıştır. Ayrıca konunu daha iyi anlaşılabilmesi için tablo 3’te bir örnek daha bulacaksınız.
Tablo 1. Ayrımsal elek analiz verileri Tane Boyutu (mesh) 4/6 6/8 8/10 10/14 14/20 20/28 28/35 35/48 48/65 65/100 100/150 150/200 Elek Altı
Dpn (cm) 0,3327 0,2362 0,1651 0,1168 0,0833 0,0589 0,0417 0,0295 0,0208 0,0147 0,0104 0,0074 -
∆Φn 0,0251 0,1250 0,3207 0,2570 0,1590 0,0538 0,0,210 0,0102 0,0077 0,0058 0,0041 0,0031 0,0075
Dpn (cm) 0,4699 0,3327 0,2362 0,1651 0,1168 0,0833 0,0589 0,0417 0,0295 0,0208 0,0147 0,0104 0,0074 -
∆Φn 0,0000 0,0251 0,1501 0,4708 0,7278 0,8868 0,9406 0,9616 0,9718 0,9795 0,9853 0,9894 0,9925 1,0000
Tablo 2. Toplamlı elek analiz verileri Tane Boyutu (mesh) 4 6 8 10 14 20 28 35 48 65 100 150 200 Elek Altı
157
Tablo 3. Elek analizi ile ilgili bir örnek
Tyler elek numarası(mesh)
Elekteki delik açıklığı (mikron)
6 8 10 14 20 28 35 48 65 100 150 200 200 geçen
3327 2362 1651 1168 833 589 417 295 208 147 104 74 -
Ortalama tanecik büyüklüğü (mikron)
Tutulan taneciklerin ağırlık yüzdesi
2845 2006 1410 1000 711 503 356 252 178 126 89 -
0,0 1,7 23,5 29,8 21,7 10,5 6,2 2,8 1,7 1,0 0,5 0,2 0,4
Büyük taneciklerin (elek üstü) toplamlı yüzdesi 0,0 1,7 25,2 55,0 76,7 87,2 93,4 96,2 97,9 98,9 99,4 99,6
Küçük taneciklerin (elek altı) toplamlı yüzdesi 100,0 98,3 74,8 45,3 23,3 12,8 6,6 3,8 2,1 1,1 0,6 0,4
2.5. Elek Analizine Dayalı Hesaplamalar Ayrımsal yada toplamlı analizin her ikisi de, bir karışımın yüzey alanı ve tanecik sayısını hesaplamada kullanılır. Ayrımsal analiz kullanılırsa bir kesimdeki tüm taneciklerin büyüklüğünün eşit olduğu varsayımı yapılır ve bu büyüklüğü tanımlayan iki eleğin delik boyutlarının aritmetik ortalamasıdır. Buna göre, standart 10 ve 14 mesh eleklerin delik boyutu sırası ile 0,1651 ve 0,1168 cm dir ve 10/14 kesiminin (0,1651+0,1168)/2=0,141 cm çaplı eş boyutlu taneciklerden oluştuğu varsayılır. Dn simgesi bu şekilde aritmetik ortalama çaplar için kullanılır. Toplamlı analiz kullanılırsa Dp ye karşı Φ grafiğine sürekli bir fonksiyon gibi bakılır ve grafiksel integral alınır. Toplamlı analize dayalı yöntem, ayrımsal analize dayalı olandan daha duyarlıdır. Çünkü toplamlı analiz kullanıldığında bir kesimdeki tüm taneciklerin büyüklükçe eşit olduğu varsayımı yapılmayabilir. Bununla birlikte elek analizinin doğruluğu fazla değildir.
2.6. Karışımın Özgül Yüzeyi Tanecik yoğunluğu ρp ve şekil etmenleri a ve b nin bilindiği ve bu niceliklerin parçacığın çapına bağlı olmadığı varsayılır. Ayrımsal analiz kullanılırsa, her kesimdeki parçacıkların yüzeyi 6 eşitliği ile hesaplanır ve tüm kesimlerin sonuçları toplanarak, örneğin birim kütlesinin toplam yüzeyi yani özgül yüzeyi (Aw) bulunur. Aw=
6λ∆φ1
ρ p D1
+
6λ∆φ 2
ρ p D2
+ …….
6λ∆φ n
ρ p Dn
=
6λ
ρp
nT
∆φ n
n =1
Dn
∑
158
(8)
Burada alt indisler ayrı ayrı her elekte kalanı gösterir. nT elek sayısı Dn; Dpn ve Dp(n-1)’ in aritmetik ortalamasıdır. Toplam işareti ayrı ayrı kesimlerin ∆ φ n / Dn niceliklerinin hepsinin toplamı anlamına gelir. Toplamlı analiz kullanıldığında 6 eşitliği diferansiyel olarak yazılır ve toplam yüzey, φ =0 ve φ =1 sınırları arasında grafiksel integrasyonla bulunur. Aw=
6λ
ρp
1
dφ
0
p
∫D
(9)
Grafiksel integrasyon, apsiste Φ ye karşı ordinatta 1/Dp grafiğe alınarak φ =0 ve φ =1 arasında eğrinin altında kalan alanın ölçülmesiyle yapılır. Özgül yüzey Aw, tüm karışım için ortalama bir tanecik boyutu ile ilgilidir. Bu ortalama boyuta HACİM YÜZEY ORTALAMA ÇAPI denir ve Dvs simgesiyle gösterilir. Dvs=
6λ Awρ p
(10)
2.7. Karışımda Taneciklerin Sayısı Bir karışımdaki taneciklerin sayısını, ayrımsal analizden hesaplamak için;5 eşitliği her bir kesimdeki taneciklerin sayısını hesaplama da kullanılır ve bunların tümünün toplanması ile örneğin birim kütlesindeki tanecik sayısı, yani özgül tanecik sayısı (Nw) elde edilir. Nw=
∆φ1 aρ p D1
3
+
∆φ 2 aρ p D 2
3
+……
∆φ n aρ p D n
3
=
1 aρ p
nT
∆φ n
∑D n =1
3 n
(11)
Toplamlı analiz kullanılması durumunda 11 eşitliği aşağıdaki şekle çevrilebilir: Nw=
1 aρ p
1
dφ
∫D 0
(12)
3 p
2.8.İnce Taneciklerin Boyut Dağılımı Genel olarak öğütülmüş bir üründeki ince boyutlar için Dp ye karşı φ grafiğinin eğiminin, tanecik çapı (Dp)’nin üslü bir fonksiyonu olduğu bulunmuştur. Bu matematiksel olarak aşağıdaki gibi yazılır.
−
dφ = BDp k dD p
(13)
Burada B ve km sabitlerdir. Eksi işareti φ artarken Dp nin azalması sebebiyle konmuştur. Bu eşitlik, doğru eleme yapıldığında, elde edilen analiz verileri ne kadar küçük boyutlar gösterirse göstersin kullanılır.
159
13 eşitliği φ = φ 1ve φ = φ 2 sınırları ve bunlara karşı gelen Dp=Dp1 ve Dp=Dp2 sınırları arasında integre edilirse aşağıdaki eşitlik bulunur.
(
B k +1 k +2 Dp1 − Dp 2 k +1
φ 2- φ 1=
)
(14)
k sabiti örnekteki çok ince boyutların bağıl önemine bağlıdır. Değeri öğütülmüş ürün için yaklaşık -0,5 ile 0,1 arasında değişir. Daha büyük k değerleri Dp1 ve Dp2 çapları arasındaki kesimde çok küçük tanelerin daha az önemli olduğunu gösterir. Eğer ürün aşırı öğütülmüş ise ince parçacıklar ön plana geçer ve k küçülür. B sabiti, tüm ürünün Dp1 ve Dp2 çapları arasına düşen kesrinin bir ölçüsüdür. B ve k sabitleri ayrımsal elek analizinden aşağıdaki yöntemle bulunur. Serideki herhangi bir eleğin delik açıklığının hemen onun altıdaki eleğinkine oranının sabit bir değer olduğu varsayılır. Tyler elek serisi bu varsayımı karşılar. Dpn ve Dp(n-1) sırası ile n ve (n-1) eleklerinin delik boyutları ise, n. Elekteki kütler kesri φ n- φ n-1 dir ve 14 eşitliği n eleği için aşağıdaki şekilde yazılır.
φ n- φ n-1=∆ φ n= −
(
B k +1 k +1 Dp n + Dp ( n −1) k +1
)
(15)
Dp(n-1) ile Dpn arasındaki oran “r” ise, Dp(n-1)=rDpn
(16)
Burada r>1 dir. 16 eşitliği yardımı ile 15 eşitliğinden Dp(n-1) yok edilirse ∆ φ n=
(
)
B r k +1 − 1 k +1 k +1 Dp n = B ' Dp n k +1
Burada B’=
(
(17)
)
B r k +1 − 1 k +1
(18)
Ayrımsal elek analizi, ∆ φ n ile Dpn arasındaki gerekli ilişkiyi verir. 17 eşitliği logaritmik olarak şöyle yazılabilir. log ∆ φ n=(k+1) logDpn+logB’ (19) B’ ve k sabitleri Dpn ye karşı ∆ φ n nin logaritmik koordinatlarda grafiğe geçirilmesiyle bulunur. Özgül yüzey ve parçacık sayısının hesaplanması için 13 eşitliği 9 ve 12 denklemleri ile birlikte kullanılır. 9 ve 13 denklemleri arasında ∆ φ n nin yok edilmesi ve integrasyon Aw özgül yüzey alanını verir. Aw= −
6λ B
ρp
Dp 2
∫ Dp
k +1
(20)
dDp
Dp1
160
Aw=
6λB k Dp1 − Dp 2k ρ pk
(
)
Bu eşitlik k=0 için belirsizdir. Bu durumda, Aw=
6 x 2,303Bλ
ρp
log
Dp1 Dp 2
(21)
Eşitliği kullanılır. 12 ve 13 denklemleri arasında d ∆ φ nin yok edilmesi ve sınırlar arasında ,integral alma Nw; karışımın birim kütlesindeki parçacık sayısını verir. Nw= −
Nw= −
B aρ p
Dp 2
∫
Dp1
dD p
(22)
Dp 3−k
B (2 − k )aρ p
1 1 − 2− k Dp12− k Dp 2
ÖRNEK 1. Tablo 1 ve 2 de verilen elek analizleri, kırılmış bir kuvars örneğine aittir. Parçacıkların özgül ağırlığı 2,65 ve şekil etmenleri a=2 ve b=3,5 dir. Özgül yüzey (cm2/g) olarak ve özgül tanecik sayısı (tanecik/g) olarak nedir? ÇÖZÜM 1. İnce boyutlar için Dn ye karşı ∆ φ n nin bir logaritmik grafiği şekil 2 de gösterilmiştir. açıkça görüldüğü gibi, 0,0417 cm den daha küçük çaplar için, veriler 19 eşitliğine uyar. O halde bu sınır değerden daha küçük tanecikleri ilgilendiren hesaplamalarda 14 den 22 ye kadar olan eşitlikler kullanılabilir. 0,0417 cm den daha büyük tanecikler için 8 den 12 ye kadar olan eşitlikler kullanılmalıdır. λ sabiti 3,5/2=1,75 dir. 0,4699-0,0417 cm boyut aralığındaki hesaplamalar için ayrımsal analiz doğrudan doğruya kullanılırsa, 8 eşitliği aşağıdaki gibi yazılır.
Aw= ∆φ 6 x1,75 ∆φ n = 3,96∑ n ∑ 2,65 Dn Dn 11 denklemi ise, Aw=
Nw=
∆φ n ∆φ 1 = 0,189∑ 3n ∑ 3 2 x 2,65 Dn Dn
Bir elekte kalanlar için o kesimi tanımlayan eleklerin delik boyutlarının aritmetik ortalaması ( Dn ) ekte verilen delik boyutlarından hesaplanır. Sonra 1/ Dn ve 1/ Dn3 büyüklükleri her kesim için hesaplanarak ∆ φ n değerleri ile çarpılır ve sonra da ∆ φ n/ Dn ve ∆ φ n/ Dn3 toplamları bulunur. Bu hesaplar tablo 4 te gösterilmiştir.
161
Tablo 4. Örnek 1 için Aw ve Nw nin bulunması Mesh
Dn (cm)
∆φ n
1/ Dn
4/6 6/8 8/10 10/14 14/20 20/28 28/35
0,4013 0,2844 0,2006 0,1409 0,1000 0,0711 0,0503
0,0251 0,1250 0,3207 0,2570 0,1590 0,0538 0,0210
2,49 3,52 4,98 7,10 10,0 14,1 19,9
1/ Dn3 15,5 43,5 124 358 1000 2800 7860
∆ φ n/ D n
0,063 0,439 1,599 1,824 1,590 0,757 0,417 6,690
∆ φ n/ Dn3 0,4 5,4 39,7 92,0 159 150 165 611,0
Aw=3,96x6,69=26,5 cm2 Nw=0,189x611=115 tanecik Aw ve Nw nin hesaplanması için toplamlı analiz kullanılırsa 9 ve 12 eşitlikleri aşağıdaki şekli alır. 0 , 9616
Aw=3,96
∫ 0
dφ Dp
0 , 9616
dφ Dp 3 0 Eşitlikleri grafiksel olarak integre etmek için 1/Dp ve 1/Dp3 değerleri φ ’ ye karşı grafiğe geçirilir ve φ = 0 ve φ =0,9616 sınırları arasında eğrilerin altında kalan alanlar ölçülür.Bu grafikler Şekil3 ve 4’de gösteriliyor. Şekil 4’de grafiğin bütün bölümlerinde en yüksek duyarlılığı elde edebilmek için φ =0,7 ve φ =0,925’de ordinatın skalasında değişiklik yapılmıştır. İntegrallerin sayısal değerleri sırasıyla 6,71 ve 626 bulunur. Buna göre, Aw=(3,96)(6,71)=26,6 cm2 Nw=0,189
∫
Nw=(0,189)(626)=118 tanecik bulunur. Sonuçlar ayrımsal analize dayalı hesaplamalardan bulunanlara oldukça yakındır. 35 mesh elekten geçen kesimde taneciklerin alanı ve sayısının bulunması için 13 eşitliğindeki k ve b sabitlerinin bulunması gerekir. Bu sabitler Şekil 2’deki eğriden bulunur. Eğrinin doğrusal kısmının eğimi, k+1= 0,886’dır. Böylece k=-0,114 olarak bulunur. B’ nün değerini bulmak için eğri üstündeki herhangi bir noktanın koordinatları kullanılabilir. Örneğin; ∆ φ n=0,004 olduğu zaman Dpn=0,01’dir. Bu değerler 19 eşitliğinde yerine konulursa, log(0,04)= 0,886 log(0,01)+ logB’ buradan B’ = 0,237 olarak bulunur.Tyler elek serisi için eşitliğinden
162
2 =1,414 olduğuna göre 18
B=
(0,237)(0,886) = 0584 (1,414) 0,886 − 1
bulunur. Elek altı kesiminin en büyük boyutlu taneciği 0,0074 cm delik açıklığından geçer. Bu kesim için φ ile Dp nin ilişkisinin 13 ve 14 eşitliğine uyduğu varsayılırsa, elek altındaki en küçük taneciklerin çapı aşağıdaki gibi bulunur. 0,0075=
0,584 0 ,886 0,0074 0886 − Dp 2 0,886
(
)
Dp2=0,00072 cm 0,0417-0,00072 cm boyut aralığına sahip kesimin alanı 20 eşitliğinden hesaplanırsa, Aw=
6 x0,584 0,0417 −0114 − 0,00072 −0114 2,65(− 0,114 )
(
)
Aw=9,7 cm2 Tüm örneğin toplam alanı =26,6+9,7=36,3 cm2/g olarak bulunur. 22 eşitliğinden,
Nw=
0,584 0,00072 −2,114 − 0,0417 − 2,114 2,114 x 2 x 2,65
(
)
Nw=229400 tanecik Buna göre tüm örnekteki toplam tanecik sayısı=118 + 229400 = 229518 tanecik/g olarak bulunur.
3.DENEY DÜZENEĞİ Deneyde bir çeneli kırıcı ile maddemizi kırdıktan sonra kırılan ürünün elek analizi yapılacaktır. Kırma işlemine geçilmeden önce kırıcının iyice temizlenmesi gerekir. Çünkü daha önceden aynı makinede başka bir madde kırılmış olabilir ve bu da bizim maddemize karışarak hatalara sebep olabilir. Makinemizin temizlendiğinden emin olduktan sonra elde etmek istediğimiz ürün boyutu için kırıcımızın ayarlarının yaparız. Kırıcıyı çalıştırdıktan sonra, çeneli kırıcı içerisine kırmak istediğimiz maddeden bir miktar boşaltılır. O miktar kırıldıktan sonra dikkatli bir şekilde biraz daha boşaltırız. Bu işlem elemek istediğimiz miktar bitene kadar devam eder. Kırma işlemi tamamlandıktan sonra çeşitli mesh sayılarına sahip elekler daha önce anlatıldığı gibi en üste en büyük delikli (en küçük mesh sayılı) elek gelecek şekilde yerleştirilir. Sonra elekler titreşim makinesine yerleştirilerek sıkıca üzeri kapatılır. Bu makinede elekler titreşim vasıtasıyla elenerek çeşitli boyutlara ayrılır. Bu boyutlar hesaplamalarda kullanılmak üzere kaydedilir.
4.SONUÇLAR
163
Burada deneyden elde edilen sonuçlar tablo halinde sunulur. Ayrıca örnek birde verildiği gibi daha sonraki hesaplamalarda kullanılmak üzere bir tablo daha hazırlanır. Bu tablodaki verilerle şekil 2,3 ve 4 dekine benzer grafikler çizilir. Burada tablolar numaralandırılarak tablo üst yazıları belirlenir.
5. HESAPLAMALAR Burada ayrımsal analiz ve toplamlı analiz yöntemleriyle kaba taneciklerin özgül yüzey ve özgül tanecik sayıları hesaplanacak ayrıca hacim yüzey ortalama çapı bulunacaktır. Ayrıca, • Tutulan toplamlı kesim –delik açıklığı • log delik açıklığı-log elek üstünde kalan kesim • Tutulan toplamlı kesim-1/Dp • Tutulan toplamlı kesim-1/Dp3 Grafikleri çizilecektir. 6. TARTIŞMA VE YORUM Elde edilen sonuçlar tartışılacak ve yoruma gidilecek varsa deney eksikleri ve hataları belirtilecektir. Elek analizi sonuçlarına göre ince taneciklerin oluşup oluşmadığı saptanıp sonucu yorumlanacaktır. 7. SEMBOLLER ∆ φ n: n eleği tarafından tutulan toplam örneğe göre kütle kesri
Dn : iki eleğin delik açıklıklarının ortalaması Dpn: n eleğinin delik açıklığı Dp: tanecik çapı φ : Örnekte Dp den daha büyük taneciklerin kütle kesri ρp: tanecik yoğunluğu λ: şekil etmeni Aw:özgül yüzey Nw:örneğin birim kütlesindeki tanecik sayısı B,k: sabit R:Dp(n-1) ile Dpn arasındaki sabit oran 8. KAYNAKLAR -Çataltaş, İ., Kimya Mühendisliğine Giriş, İnkılap ve Aka Yayınevi, İstanbul, 1987 -Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi Temel İşlemler Laboratuarı Ders Notları, Ankara, 1978 -İstanbul Teknik Üniversitesi Temel İşlemler Laboratuarı Ders Notları, İstanbul, 1986
164
165
Tablo 5. Tyler standart elek serisi Mesh sayısı + + + 2½+ 3 3½+ 4 5+ 6 7+ 8 9+ 10 12 + 14 16 20 24 + 28 32 + 35 42 + 48 60 + 65 80 + 100 115 + 150 + 170 + 200
Net delik açıklığı (in) 1,050 0,883 0,742 0,624 0,525 0,441 0,371 0,312 0,263 0,221 0,185 0,156 0,131 0,110 0,093 0,078 0,065 0,055 0,046 0,039 0,0328 0,0276 0,0232 0,0195 0,0164 0,0138 0,0116 0,0097 0,0082 0,0069 0,0058 0,0059 0,0041 0,0035 0,0029
Net delik açıklığı (mm) 26,67 22,43 18,85 15,85 13,33 11,20 9,423 7,925 6,680 5,613 4,699 3,962 3,327 2,794 2,362 1,981 1,651 1,397 1,168 0,991 0,833 0,701 0,589 0,495 0,417 0,351 0,295 0,246 0,208 0,175 0,147 0,124 0,104 0,088 0,074
Yaklaşık delik açıklığı (in) 1 7/8 ¾ 5/8 ½ 7/16 3/8 5/16 ¼ 7/32 3/16 5/32 1/8 7/64 3/32 5/64 1/16 3/64 1/32
1/64
Tel çapı (in) 0,148 0,135 0,135 0,120 0,105 0,105 0,092 0,088 0,070 0,065 0,065 0,044 0,036 0,0328 0,032 0,033 0,035 0,028 0,025 0,0325 0,0172 0,0141 0,0125 0,0118 0,0122 0,0100 0,0092 0,0070 0,0072 0,0056 0,0042 0,0038 0,0026 0,0024 0,0021
+ işaretli elekler ara eleklerdir ve standart elek serisindeki eleklerin arasına konulmuştur. Bu eleklerin konulması ile ardı ardına gelen iki eleğin delik açıklıkları oranı 1/ 2 değil de 1/ 4 2 olmaktadır.
166
Şekil 5. Elek analizini değişik gösterilme metodları
167
KÖMÜR VE PETROL ANALİZLERİ KÖMÜR 1.DENEYİ AMACI Günümüzde giderek artan enerji tüketimi, bazı enerji kaynaklarının kısa bir süre sonra tükeneceği endişesini doğurmuştur. Özellikle doğal gaz ve petrol rezervlerinin azalması, kömürün önemini daha da artırmaktadır. Son yıllarda kömür üzerine yoğun araştırmalar yapılmakta ve bu araştırmaların önemli bir kısmı kömürün daha temiz ve verimli kullanımını amaçlamaktadır. Piyasada satılan kömürlerin kalite kontrolünde kaba analize ihtiyaç duyulmaktadır.
2.DENEYSEL TEORİ Oksidasyonla ısı ve ışık vererek önemli ölçüde enerji sağlayan maddeler yakıt olarak isimlendirilir. Yakıtlar enerji ihtiyacımızın yaklaşık olarak %90’ından fazlasını karşılamaktadırlar. Endüstride kullanılan yakıtlar 3 ana grupta toplanmaktadır. 1.Katı Yakıtlar a. Tabii Katı Yakıtlar : Antrasit, taş kömürü, linyit, turbo ve odun. b. Suni Katı Yakıtlar: Kok, semikok, petrol koku ve odun kömürü. 2. Sıvı Yakıtlar a.Tabii Sıvı Yakıtlar : Benzin, petrol, mazot, fuel oil. b.Suni Sıvı Yakıtlar: Petrol fraksiyonları ve artıkları, kömür katranı ve fonksiyonları, alkol. 3.Gaz Yakıtlar a. Tabii Gazı Yakıtlar : Tabii gaz ve fraksiyonları, sıvılaştırılmış petrol gazları. b.Suni Gaz Yakıtlar: Kok fırın gazı, asetilen, su gazı, jeneratör gazı. Kömürler oluşum devrelerine göre; antrasit, taş kömürü, esmer kömür, linyit ve turb sırasını takip eder. Kömürler genellikle iki maksatla kullanılmaktadır: 1. Isıtıcı, enerji verici olarak 2. Kimya Endüstrisinde hammadde kaynağı olarak. Antrasit, taşkömürü, linyit gibi katı yakıtlar, gerek konut ısıtmalarında, gerek güç santrallerinde ve gerekse metalürji ve diğer birçok sanayi dallarında çok miktarda tüketilirler. Antrasit, yüksek kalorili bir kömürdür. Pahalı olduğu için ancak sınırlı alanlarda kullanılır. Endüstride en çok kullanılan kömür taş kömürüdür. Linyit oluşumunun ilerlemiş bir şekli olan esmer kömür, ısı değeri yönünden daha düşük olup, çoğu zaman çıkarıldıkları yerlerde kullanılırlar. Bu yakıtlar ocaktan ilk çıkarıldıklarında genel olarak taş ve toprakla karışık haldedir. Buna “Tüvenan kömür” adı verilir. Kömür çeşitli fiziksel işlemlerle taş, toprak ve tozlardan arındırılır ve” kriple kömür” olarak piyasaya verilir.
168
3.DENEYİN YAPILIŞI Kömür Analizleri Piyasada satılan kömürlerin kalite kontrolünde kaba analize ihtiyaç duyulmaktadır. Kömürün kaba analizinde yapılan tayinler şunlardır; 1. Nem Tayini 2. Kül Tayini 3. Uçucu Madde Tayini 4. Sabit Karbon Tayini 5. Toplam Kükürt 6. Isı Değeri Tayini
Kömürden Numune Alınması ve Analize Hazırlanması Ufak taneli antrasitler için 5-15 kg kömürden, diğer kömür cinslerinde en az 500 kg. kömürden örnek alınmalıdır. Kömür bütününün 500 tonu başına bir ana örnek oluşturulmalıdır. Kömür örneği alınırken dikkat edilecek en önemli husus, kömürün nemidir. Bazı kömür satıcıları, kömür tartılıp teslim edileceği zamandan önce, fazla miktarda su katarlar. Eğer kömürün teslim alınma tarihi ile örneğin alınma tarihi arasında 1-2 gün geçmişse hava ve güneş ışığı ile üst kısım nemin çoğunu kaybetmiştir. Bu durumda kömür yığınının ortasından açılan derince bir kuyudan bir miktar örnek alınır ve ağzı sıkıca kapalı bir kaba koyularak analize gönderilir. Bu örnekte önce nem tayini yapılır. Kok için toplanacak ana örnek, tane büyüklüğüne göre 60-250 kg. arasında olmalıdır. Laboratuara gelen kömür numunesinin bütünü geniş yüzeyli kaplara yayılarak oda sıcaklığında birkaç gün kurutulur. Uygun görülen elekten geçirilen numune sonuçta 5 kg. oluncaya kadar dörtleme usulü ile azaltılır. Dörtleme usulünde numune 10-20cm. yüksekliğinde kare şeklinde yayılır, karenin köşegenleri çizilir. Karşılıklı iki üçgen atılır. Geri kalan iki üçgen birleştirilip ince öğütülerek tekrar dörtleme usulü ile miktarı azaltılır. Bu işlemle numune, arzu edilene kadar azaltılır. Laboratuarda analizi yapılacak kömür 196-255 mesh’ lik elekten geçebilecek şekilde öğütülmesi tavsiye edilir.
1. Kömürde Nem Tayini Kömürde nem iki şekilde bulunur. Mekanik olarak bağlı “kaba nem” ve absorptif olarak bağlı “bünye suyu”. Genelde kaba nem tayini yapılır. Bu amaç için kurutma ve ksilol metodu kullanılır. A) Kurutma Yöntemi İle Nem Tayini: Bu metodun az da olsa hatalı yönleri vardır.Özellikle linyitler, etüvde oksidasyona uğrayabilir. CO2 ortamda yapılması tavsiye edilse bile CO2 in kömür tarafından absorblanması, hatalara neden olabilir. a) Kaba Nem Tayini: Yakıtın, ortam sıcaklığında sabit tartıma gelene kadar kurutulması ile yapılır. Numune darası alınmış bir kaba konulur ve homojen olarak yayılır. (Relatif Rutubeti %60 ± 10 olan ) havada 20 0C de sabit tartıma gelene kadar kurutulur. %KabaNem=
Nemli Kömür(g) − Kurutulmuş Kömür(g) × 100 Nemli Kömür(g)
(1)
b) Higroskopik Nem Tayini: Bu amaçla genellikle petri kabı ( veya porselen, cam kaplarda) kullanılır. Kap açık olarak 104-110 0C de bir etüvde (2-3 saat ) sabit tartıma gelinceye kadar kurutulur ve desikatörde soğuyuncaya kadar (yaklaşık 10-15) bekletilip
169
tartılır. Daha sonra 1-5 g kadar numune petri kabına konularak tekrar etüvde aynı şartlarda kurutulur. Desikatörde soğutulduktan sonra hassas tartı ile tartılır. % Nem =
Kömürün İlk Tarıar − Kömürün Son Tartıar × 100 Kömürün İlk Tartıar
(2)
B) Ksilol (Destilasyon) Yöntemi İle Nem Tayini: Bu metot da ksilol su tayin cihazı kullanılmaktadır. 50 g kömür numunesi cihazın balonuna konarak üzerine su ile doldurulmuş 100ml ksilol ilave edilerek 0.01 ml taksimatlı özel ölçü kabı ile soğutucu takılır. Balon elektrikli ısıtıcı veya kum banyosunda önce yavaş, bir miktar destilat geçtikten sonra da hızlı bir şekilde ısıtılır. Tuzaktaki su seviyesi sabit olana kadar ( yaklaşık 3 saat) işleme devam edilir ve taksimatlı bölmede toplanan su miktarı okunur. Toplanan suyun üzerindeki ksilol baskısından ileri gelen okuma hatası düzeltilerek suyun gerçek hacmi ve buradan da ağırlığı bulunur ve % neme geçilir. % Nem =
Örnekteki Su Miktarı × 100 Örneğrn Miktarı
(3)
2.Kömürde Kül Tayini İyi öğütülmüş yaklaşık 1-2 g kömür numunesi, sabit tartıma getirilmiş bir porselen veya platin bir krozeye konularak bir kül fırınına yerleştirilir. 1 saat içinde 500 0C ye kadar yavaşça, sonra 750-850 0C de (kok kömüründe 950 0C ) 1-2 saat ısıtılır. Karışım zaman zaman bir platin telle karıştırılarak tam yanma sağlanabilir. Sabit tartıma getirilen numune tartılarak kül miktarı bulunur.
% Kül =
Kömür Numunesinin Son Tartıart × 100 Kömür Numunesinin İlk Tartıar
(4)
3.Kömürde Uçucu Madde Tayini Kömür havasız ortamda kuru kuruya ısıtılırsa daha gaz çıkışı olmayan ve kok adı verilen bir bakiye elde edilir. Bu tayin için geliştirilmiş birçok metot vardır. Bu metotların birisinde 25mm çaplı ve 35mm derinlikli bir porselen kroze sabit tartıma getirilerek içine yaklaşık 1 g. kömür konur. İnert bir atmosferde ( örneğin N2 atmosferi) 950 0C ye kadar ısıtılır. Bu sıcaklıkta 7-10 dk beklenir. Sonra kroze muhtevası desikatöre alınarak soğutulur ve tartılır. % Uçuculuk =
A−B × 100 A
(5)
A: Numunenin başlangıç ağırlığı (g) B: Numunenin son ağırlığı (g) Gerçek Uçucu Madde (%) = % Uçuculuk - % Nem
170
4. Sabit Karbon Tayini Sabit karbon tayini yukarıdaki analiz sonuçlarından belirlenir. % Sabit Karbon = 100- % Kül- % Uçuculuk = 100- % Kül- % Uçucumadde - % Nem
5.Toplam Kükürt Tayini a) Bu tayin için genel olarak Eschka Metodu kullanılmaktadır. 1 g. kömür numunesi Eschka karışımı ( 1 kısım Na2CO3 + 2 kısım MgO) ile karıştırılıyor. Porselenin dip kısmına bir miktar “Eschka” karışımı, üzerine “kömür+ Eschka” ve bunun üzerine de yine bir miktar Eschka karışımı ( dolu kısım %50-55 i geçmeyecek şekilde) konularak 25 0C lik bir kül fırınında 850 ± 25 0C ye kadar ısıtılır ve bu arada karışım, bir platin telle karıştırılabilir. Mevcut sıcaklıkta 1.5-2 saat bekletilir. (Kroze içinde siyah noktalar kalmayıncaya kadar ) Fırından çıkarılan kroze muhtevası sıcak su ile bir behere alınıp ( üzerine biraz derişik HCl yaklaşık 15 dk.) kaynatılarak çözeltiye bir miktar H2O2 katılır ve H2O2 fazlası tamamen buharlaşıncaya kadar ısıtılır. Varsa çökelek süzülüp, süzüntüye amonyak ilave edilerek Fe, Al vs. çöktürülür. Karışım süzülür. Süzüntünün PH sı 3-4 olacak şekilde ayarlanır. Kaynayıncaya kadar ısıtılır. Sonra sıcak çözelti üzerine % 10 luk BaCl2 çözeltisinden bir büretle damla damla (10-15 ml ) ilave edilerek tüm SO4, BaSO4 şeklinde çöktürülür. Yaklaşık 45-60 dk. Çökme tamamlanıncaya kadar sıcakta beklenir ve mavi bant süzgeç kağıdından süzülen çökelek önce kağıtla birlikte etüvde yaklaşık 110 0C de kurutulur. Sonra porselen krozeyle birlikte 20 dk. Kül fırınında 600 0C ye kadar ısıtılır. Kağıt tamamen yanıncaya kadar beklenir. Fırın sıcaklığı 850 ± 25 0C e getirilerek bu sıcaklıkta 1- 1.5 saat beklenir. İyi yanmış olan kütle, desikatöre alınarak soğutulur ve kroze muhtevası tartılır ve S % si hesaplanır. S Miktarı = BaSO4 ağırlığı ×
%S =
32 233
S Miktarı (g) × 100 Numune Aıırlığ
b) Kükürt tayini için kullanılan diğer bir yöntem ise karbon kükürt cihazıdır. Karbon kükürt cihazı iki bölümden oluşmaktadır. 1) Analizer kısım ( C ve S miktarlarının gösterildiği bölüm) 2) Fırın kısmı Analize başlamadan önce *Analizerin sıcaklığı kararlı hale getirilir. (1-2 saat anahtarı 1 konumunda tutunuz.) *Nem tutucular kontrol edilir. (CO2 tutmak için NaOH, H2O tutmak için magnezyum perklorat kullanılır. Magnezyum perklorat aktivitesini kaybetmişse kurutularak reaktive edilemez.) *Gerekli oksijen 1.5 bar/ 22 psi olmalıdır. Bunun için 2-4 bar /30-40 psi basınçta oksijen gönderilir. * Gaz giriş hızı 210 l/h, düzenlenmiş gaz hızı ise 180 l/h olmalıdır. *Ana anahtar 2 konumuna getirilir ve 10-15 dakika beklenir. Fırın sıcaklığının ayarlanması ise şu şekildedir: • Fırın kısmındaki ana anahtar iki konumuna getirilir. • Sıcaklık göstergesinin altındaki küçük anahtar “set point” konumuna getirilir.
171
İstenilen sıcaklık potansiyometre ile ayarlanır. ( Kömür için fırın sıcaklığı 1350 0C, petrol için 1300 0C olmalıdır) • Sıcaklık göstergesinin altındaki küçük anahtar “ Furnace Temperature” pozisyonuna getirilir. • Artık gösterge fırın sıcaklığını gösterecektir. Analizin Yapılması Gerekli miktarda madde tartılır.(Kömür için 300 mg civarı, fuel oil ve kalın yağlarda 100 mg’ ı aşmayacak, ince petrol ve yağlarda ise 50 mg’ ı aşmayacak şekilde tartım alınmalıdır.) Cihaza miktar yazılıp enter tuşuna basılır. Bu arada içinde numune bulunan kayıkcık fırının girişinde hazır bulunur. Start düğmesine basılarak örnek fırına yavaşça beslenir. Hızlı verilirse bazı uçucular tam yanmadan uzaklaşabilir. Buda gaz akış sistemini kirletebilir. Yaklaşık 90 saniye sonra göstergede %S (g/g) miktarı okunur. Karbon kükürt cihazının fonksiyonlarının tanımlandığı şema aşağıda verilmiştir.
•
KARBON-KÜKÜRT CİHAZI FONKSİYONLARININ TANIMLANMASI
172
4.DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ Kömürün nem analizini yaparak, % nem değerini hesaplayınız. Kömürün kül analizini yaparak, % kül değerini hesaplayınız. Kömürün uçucu madde analizini yaparak, kömürün % uçuculuk miktarını hesaplayınız. Tüm bu sonuçlardan yararlanarak kömürün % sabit karbon miktarını hesaplayınız.
SEMBOLLER A: Numunenin başlangıç ağırlığı (g) B: Numunenin son ağırlığı (g)
KAYNAKLAR 1. Alpar, S., Hakdiyen, M. İ., “ Sınai Kimya Analiz Metodları”, Birsen Yayınevi, İstanbul, 1982. 2. Civelekoğlu, L., Tolun, R., Kimya Laboratuarı Öğrenci Çalışma Yönergeleri, İTÜ Kimya Metalurji Fak. Yayını, İstanbul, 1983. 3. Kural, O., Kömür, İTÜ Maden Fakültesi, Maden Mühendisliği Bölümü, İstanbul. 4. Temel İşlemler Laboratuarı Deney Föyü, Atatürk Ünv. Mühendislik Fak.Kimya Bölümü, Erzurum.
173
PETROL 1.DENEYİN AMACI Piyasada satılan petrolün kalite kontrolünde bazı analizlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu deney yakıtın yanabilme özelliğinin belirlenmesi, minimum kritik çözünme sıcaklığının ölçülmesi, donma noktasının belirlenmesi ve akıcılığının tespit edilmesini içermektedir.
2.DENEYSEL TEORİ Petrolün denizlerdeki organik maddelerden çeşitli organik süreçler sonucunda oluştuğu bilinmektedir. Genellikle organik maddelerin yüksek sıcaklık ve basınç altında anaeorobik bozunmaları sonucu petrolü oluşturdukları kabul edilmektedir. Önceleri sınai kimyanın başlıca enerji ve hammadde kaynağı olan kömür, 20. yüzyılın başlarında eski önemini kaybedip yerini petrole bırakmıştır. Petrolün ucuz ve bol bulunmasından daha önemlisi onun sıvı halde olup az yabancı madde içerip daha kolaylıkla işlenebilir ve arınabilir olmasıdır. Petrol kapanları yeryüzünde birkaç yüz metre derinlikte olabileceği gibi binlerce metre derinde de olabilir. Petrol aranacak yerlerde aranan başlıca özellikler şunlardır: A) Arazinin geçmiş jeolojik çağlarda deniz olması B) Hayvansal ve bitkisel parçacıklar bakımından zengin bir çöküntü tabakasının bulunması ve bunun oluşabilecek petrolü koruyabilecek biçimde gözenekli bir kum tabakası ile temasta olması C) Petrolün toplandığı gözenekli tabakanın sızdırmaz başka bir tabakanın üzerinde bulunması D) Arazinin katlanma ve eğilme gibi kuvvetlerin etkisi altında petrolün toplanabileceği sınırlı tabakalar meydana getirmiş olmasıdır. Petrolün bileşimi bulunduğu yere göre değişir. Hatta aynı yerden çıkarılan petrol bile bazen farklı bileşimde olabilir. Petrol, içerdiği komponentlere göre çok kaba olarak dört sınıfa ayrılır: 1) Parafinik yapılı 2) Naftenik yapılı 3) Aromatik yapılı 4) Karışık yapılı
3.DENEYİN YAPILIŞI Petrol Analizleri Piyasada satılan petrolün kalite kontrolünde bazı analizlere ihtiyaç duyulmaktadır. Petrolün kalite kontrolü analizinde yapılan tayinler şunlardır: 1) Viskozite 2) Spesifik Gravite 3) Alevlenme Noktası Tayini 4) Anilin Noktası 5) API Gravitesi
174
6) Setan Sayısı Hesabı 7) Bulutlanma Noktası Tayini 1.Viskozite Tayini Viskozite; akışkanın akmaya karşı gösterdiği direnç olup, akışkanların en önemli ve belirgin özelliklerinden biridir. Endüstride viskozite önemli bir özellik olup, pek çok alanda (yağ, gres, matbaa mürekkebi, boya, polimer, sıvı gıda maddeleri, fuel oil, motorin vs.)etkisini hissettirir.
a)Dinamik Viskozite Şekil 1 de belirtildiği gibi × istikametinde τ×y kayma gerilimine sahip, kararlı düzlemsel bir paralel akımı göz önüne alalım. Bu akımdan kayma kayma istikametine dikey yöndeki hız azalması, bir birine komşu 1 ve 2 hayali düzlemleri arasındaki hız farkı ∆V× = V×2 V×1 ile bu iki tabakanın birbirine ortalama mesafesi ∆y arasındaki oranın limit değeri olarak tarif edilir. dV× V = lim × (lim y → 0) dy y (1)
Şekil 1- Viskozitenin Newton’a göre tarifi
Newton’a göre, özellikle küçük moleküllü akışkanlar için kayma gerilimi ile yukarıda izah edilen hız azalması arasında bir oran mevcuttur. Bu tanıma göre kayma gerilimi ile hız azalması arasında eşitlik 2 ile verilen bağıntı geçerlidir. τ×y =η
dV× dy
(2)
Burada η ile gösterilen bağıntı katsayısı, dinamik viskozite olarak isimlendirilir. Viskozitesi sadece sıcaklık ve basınca bağlı olan maddelere “NEWTON AKIŞKANLAR” veya “NEWTONİYEN AKIŞKANLAR” denir. CGS birim sisteminde τ×y ; dyn/cm 2 hız azalması dV 1 = dinamik viskozite η; g/cm.s= Poise (p), pratikte centipoise (cp)= 1/100 Poise d× S kullanılır.
175
b) Kinematik Viskozite Kinematik viskozite dinamik viskozite ile yoğunluğun oranı olup aşağıda gösterilen eşitliğe göre hesaplanır. η g / cm.s cm 2 V= ( = stokes ) (3) ρ g / cm.s s CGS sisteminde kinematik viskozitenin birimi Stokes (St) olup 1 St= 1 cm2 /sn dir. 1/100St ise 1 centistokes olarak isimlendirilir. Centistokes’ in MKSA sistemindeki birimi m2/s dir. 1 m2/s = 104 St olarak hesaplanır.
c)Saybolt Universal Viskozite Saybolt viskozite 60 ml lik petrolün ayarlı bir delikten akması için geçen zamanın ‘saniye’ cinsinden miktarı olarak nitelendirilir. Bu ölçümün birimi saybolt universal saniye olup genellikle SUS veya SSU olarak gösterilir. Saybolt değerleri ASTM tarafından hazırlanan cetveller yardımı ile kinematik veya aksine çevrilir. Ayrıca saybolt universal viskozimetresinden okunan değerler 4 numaralı eşitlik yardımı ile mutlak viskoziteye dönüştürülebilir. η 180 = 0,22 − (4)
ρ
θ
*Sıcaklığın Viskozite Üzerine Etkisi Viskozite ile sıcaklık arasındaki ilişki çok önemli olup petrolde viskozitenin sıcaklık değişimlerinden mümkün oldukça az etkilenmesi istenir. Petrol ürünleri için kinematik viskozite ve sıcaklık arasındaki ilişki aşağıdaki eşitlik ile ifade edilir: log(log(v+0.7))= A+B logT (5)
*Basıncın Viskozite Üzerine Etkisi Basınç viskoziteyi arttırır.Ancak basıncın viskozite üzerindeki etkisi yalnızca yüksek basınç durumlarında önem kazanır. Basınç ve viskozite arasındaki ilişki akışkanın kimyasal yapısına bağlı olduğundan viskozite ilişkisindeki gibi tam ve kesin olarak geliştirilemez. Basınç ve viskozite arasındaki ilişki basit olarak aşağıda verilmiştir. ηp= η0 eάp (6)
Petrol Ürünlerinde Saybolt Viskozimetresi İle Viskozite Tayini Akaryakıtların viskozite tayinine yarayan bu metot, akış süresi 32 s ile 1000s arasında olan bütün yakıtların viskozitesini ölçmek için kullanılır. Analize başlamadan önce viskozimetrenin temiz benzen ile yıkanmış ve hava akımında kurutulmuş olması gerekir. Daha sonra alet viskozitesi tayin edilecek olan yakıt numunesi ile bir kere doldurulup boşaltılarak iç yüzeyinin tamamen numune ile ıslatılması sağlanır. Alet sabit sıcaklık banyosuna yerleştirilerek alttaki vida ile sıkıştırılır. Banyo suyunun seviyesi kontrol edilir. Hazne yakıt ile doldurulur. Yakıt, Saybolt viskozimetresi ile deneyin yapılacağı uygun sıcaklığa göre seçilmiş uygun bir termometre ile sıcaklık sabit kalıncaya kadar karıştırılır. Banyo ve numune sıcaklık ölçümünün yapılacağı sıcaklık istenilen dereceye geldiğinde hazne içindeki termometre çıkarılır. Toplama kabı haznenin altına yerleştirilir. Cihazın mantarı çıkarılırken aynı anda kronometreye basılır. Kabın işarete kadar dolması için geçen zaman tespit edilir. Sonuç tayininin yapıldığı sıcaklık için Saybolt saniyesi olarak verilir.
176
2.Piknometre ile Yoğunluk ve Spesifik Gravite Tayini Piknometreler yüksek hassasiyet istendiği veya numune miktarının az olması halinde kullanılr. Regnault şişesi genellikle 25 ml hacmindedir ve ince uçlu sıvılar için kullanılır. Kapiler kapaklı piknometreler 5 ile 50 ml arasındaki hacimlerde imal edilirler. Ağız kısımları ince sıvılar için dar, viskoz sıvılar için geniş tutulur. Konik geniş ağızlı piknometre balonu ise çok viskoz olan veya parafinli yağlarda kullanılır. Piknometre ile yoğunluk tayininde; önce piknometre kurutulur. Daha sonra piknometrenin boş ve petrol ile dolu ağırlıkları tespit edilir. Dolu ve boş piknometre ağırlıkları arasındaki fark, piknometre içindeki sıvının havada ve deney sıcaklığındaki ağırlığıdır (mL). Sıvının havada ve deney sıcaklığındaki hacmi ise VL ile gösterilir. Buna göre yoğunluk aşağıdaki formül ile hesaplanır. ρ=
mL
(g/cm3)
(7) VL Spesifik gravite t1 sıcaklığındaki bir maddenin belirli bir hacminin kütlesinin; t2 sıcaklığındaki aynı hacme sahip suyun kütlesine oranı olarak tanımlanır. Bu tanıma göre spesifik gravite bir orandır ve bu nedenle birimsizdir.Alınan referans sıcaklığı 60 F dir. Bu değerde yaklaşık 15 0 C olarak kabul edilir. Sonuç olarak; t1 oC t1 oC de sıvının mutlak yoğ Sp.gr. o = o (8) 15 C 15 C de suyun mutlak yoğ
3. Alevlenme Noktası Tayini Sıvı bir yakıtın yanabilmesi için bu yakıtın buharı ile havanın belirli oranlarda karışması gerekir. Bir yakıt ne kadar kolay buharlaşırsa hava ile yanıcı bir karışım meydana gelmesi o kadar kolay olur. Yakıtın yanabilme özelliğinde kolaylık derecesi alevlenme noktası olarak belirlenir. Yanıcı bir sıvının alevlenme noktası, bu sıvının kapalı bir kapta hava ile yanıcı karışım meydana getiren buharın verdiği en düşük sıcaklık derecesi olarak tanımlanır. Bu yöntem alevlenme noktası 65-200 oC arasında olan madeni yağların ve yanıcı sıvıların muayenesi için uygulanır. Alevlenme noktası genel olarak iki gaye için belirlenir. a- Bu yakıtın depolanma ve taşınması esnasında, yanma ve patlama tehlikesine karşı korunma yöntemlerinin tespiti. b- Yakıtın saflığının belirlenmesi.
Deney haznesi: Pirinçten yapılmış bir kaptır. Kabın seviye çizgisinin üstünde kalan kısmının iç çapı bu çizginin altındaki çaptan biraz daha büyüktür. Kap, elektrik enerjisi ile ısıtılan hava banyosu içerisine oturtulur. Hazne kapağı : Deney haznesi üzerine yerleştirilen kapağın ortasında yanıcı sıvı içerisine dalabilecek boyutlarda yapılmış karıştırıcı ve termometrenin yerleştirileceği birer yuva vardır. Kapağın özelliği : Kapak kısmı pirinçten yapılmış olup kabın dışına sıkıca geçip oturabilecek şekilde faturalıdır.
177
Ateşleme ağızlığı : Hazne kapağının üzerinde pirinç bir hareketli kapakçık bulunur. Bu kapakçık bir mil yardımı ile döndürülerek ihtiyaca göre açılıp kapatılabilir. Pilot ateşleme kandili : Yakıtın ısınması ile açığa çıkan buharların hava ile meydana getirdiği karışımın alev alması bu düzenekte ateşlenen yakma alevi ile sağlanır. Hava banyosu : Deney haznesi doğrudan doğruya ısıtıcı üzerine oturtulmaz. Isıtıcı ile hazne arasında bulunan hava ile ısıtılır. Termometreler : Cihazda iki standart termometre kullanılır. Alevlenme noktası 49-93 oC arasında ise standart alçak bölgeli P-M termometresi, alevlenme noktası 110-371 oC arasında ise standart yüksek bölgeli P-M termometresi kullanılacaktır. Petrol Ürünlerinde Alevlenme Noktası Tayini yapılırken; hazne seviye çizgisine kadar petrol ile doldurulur. Hazne, üzerine kapağı takıldıktan sonra hava banyosunun içine yerleştirilir ve termometre yerine takılır. Pilot ateşleme kandilinde, yakma alevi küçük bir huzme şeklinde ayarlanır. Bu huzmenin boyu 4 mm olmalıdır. Haznedeki numune, dakikada 5 oC den az ve 6 o C den fazla olmayacak şekilde ısıtılır. Karıştırıcı saniyede 90 ila 120 devir yapacak şekilde ayarlanır. İlk alev tatbikine beklenen alevlenme noktasından en az 16 oC aşağıda başlanmalıdır. Alev 0,5 sn içinde aşağıya inerek 1 sn müddetle bu durumda kaldıktan sonra çabucak yukarıya çıkması için, ateş kapağının ve alev bekinin hareketi iyi kontrol edilmelidir.
4. Anilin Noktası Tayini Anilin aromatik hidrokarbonları her zaman, parafinikleri ise yalnızca sıcakta eritebilen bir eriktendir. Anilin noktası, eşit hacimde anilin ve numunenin minimum çözünme sıcaklığıdır. Anilin ile sıvı karıştırılır ve ısıtılır. Sıcakta sıvı anilin içinde tamamen erir fakat eriyik soğumaya bırakıldığında parafinlerin yavaş yavaş ayrılmaya başladığı görülür. Ayrılmanın sonuçlanıp eriyik içindeki iki ayrı tabakanın meydana geldiği sıcaklık derecesi “Anilin noktası” olarak tarif edilir. Anilin noktası testi sıvı içindeki parafinik yapılı hidrokarbonların oranını gösterir. Anilin noktasının yüksek oluşu sıvı içerisindeki parafinik hidrokarbon oranının yüksek olduğu sonucunu verir. Anilin noktası yüksek ise dizel indeksi de yüksektir.
5. API Gravite Tayini Hidrometre Yöntemi İle Tayin Esasları: Bu yöntem normal olarak sıvı halde bulunan ve Reid buhar basıncı 1,82 kg/cm2 veya daha az olan ham petrol veya petrol ürünlerinin API gravitelernin tayinini açıklamaktadır. Değerler 60 F (15,56 oC) de tayin edilir. Standart tablolardan yararlanarak 60 F da ki değere çevrilir. API =
141,5 - 131,5 sp.gr.
(9)
Cihazlar : Hidrometreler: Camdan yapılmış, 60 F/60 F için kalibre edilmiş ASTM E-100 spesifikasyonlarına uygun olan hidrometreler kullanılır. Petrol ürünlerinin testi uzun yassı hidrometreler ile yapılır.
178
Termometreler : Aralıkları -20 oC olan ASTM E-1 spesifikasyonlarında 12 F termometreleri için verilen şartlara uygun olan termometrelerdir. Hidrometre ile ölçüm için sıvı silindirleri : Bunlar metalden, şeffaf camdan veya plastikten yapılmış olabilir. Boşaltmak için üst kenarında bir ağızlık bulunabilir. Silindirin iç çapı, kullanılacak hidrometrenin dış çapından en az 25 mm fazla olmalıdır. Hidrometre sıvı içine batırıldıktan sonra sıvının üst yüzeyi silindirin ağzından en az 25mm altta olmalıdır. Hidrometre yöntemi ile gravite tayini, yaklaşık 60 F = 15,56 oC de yapılır.
Deneyin Yapılışı : Hidrometre silindiri ve termometre, numune ile yaklaşık olarak aynı sıcaklıkta olmalıdır. Bu sıcaklıkta numuneyi temiz hidrometre kabına hava kabarcıkları meydana gelmeden ve köpürtmeden, çok uçucu maddelerde ise alçak kaynayan bileşiklerin buharlaşması minimum miktara inecek şekilde dökülür. Daha çok uçucu numunelerde, numune hidrometre silindirine sifon yaparak akıtılır. İçinde numune bulunan silindir dikey konumda, hava akımı olmayan bir yere koyulur. Ölçmeyi yapmak için hidrometre yavaşça numuneye daldırılır ve durduğu zaman sıvının içine iki skala bölümü kadar batırılır. Hidrometrenin serbestçe yüzerek dengelendiği ve numune sıcaklığı 0,1 oC ye kadar sabit olduğu zaman hidrometre en yakın skala değerine kadar okunur. Doğru okuma sıvı yüzeyinin skala işaretini kestiği noktadır. Numunenin sıcaklığı, tayinin yapılmasından hemen önce ve hemen sonra 0,1 oC yaklaşıkta tespit edilir. Bu ölçmede silindirin içindeki sıvı devamlı termometre tarafından karıştırılır ve bütün civa sütunu sıvı içine daldırılır. Sıcaklık okumaları 0,5 oC den daha farklı olursa deney şartları sabitleninceye kadar deney tekrar edilir. Deney sıcaklığı olarak deney başlangıcı ve deney sonundaki sıcaklıkların ortalanmasına en yakın sıcaklık alınır. Belli çalışma sıcaklığında bulunan bütün hidrometre okumaları, ASTM-IP petrol ölçme cetvelleri kullanılarak 60 F (=15 oC) da ki değere çevrilir.
6. Setan Sayısının Hesaplanması Dizel yakıtının kendi kendine tutuşabilme kabiliyetini gösteren ölçüye “Setan sayısı” denir. Setan sayısı yakıtın yanma kalitesini gösteren ve oktan sayısı gibi ölçülebilen bir birimdir. Setan sayısı tayininde iki ayrı sıvı değişik oranlarda karıştırılarak numune yakıtın vuruntusuna eşit vuruntu yapan durum setanın % si olarak tespit edilir. Örneğin % 45 setan ve % 55 alfametil naftalin karışımının standart test motorundaki vuruntusu, setan sayısı tayin edilecek dizel yakıtın vuruntusuna eşit ise bu yakıtın setan sayısı 45 tir denir. Setan sayısının tayini zor, pahalı ve zaman alan bir yöntem olduğundan dolayı, bunun yerine bu değer hakkında bilgi verebilecek olan “Dizel indeks” adı verilen bir sayı kullanılmaktadır. Dizel indeks formüller vasıtasıyla veya Nomograf denilen tablolar vasıtasıyla hesap edilir. Anilin noktası ve API gravite gibi ifadelerin bilinmesi durumunda; API gra.(60 o F ) * Anilin nok .( oF ) Dizel indeks = 100
Formulü ile hesaplanabilir.
7. Bulutlanma Noktası Tayini
179
Bulutlanma noktası, deney numunesi belirli şartlar altında soğutulduğunda prafin kristallerinden oluşan bir sis veya bulutun gözlendiği ilk sıcaklıktır. Bulutlanma noktası tayini, deney numunesinin belirli bir hızda soğutulup belirli aralıklarda izlenerek deney tüpünün dibinde ilk defa gözlenen bir sisin (bulutun) oluştuğu ilk sıcaklığın bulutlanma noktası olarak kaydedilmesi prensibine dayanır.
Cihazlar : Deney tüpü : Silindirik, şeffaf camdan, tabanı düz, 33,2mm ile 34,8 mm dış çapında ve 115mm ile 125 mm boyunda bir tüptür. Termometreler: Kısmi daldırmalı termometrelerdir. Mantar tıpa : Deney tüpüne uygun olan, deney termometresini merkezde tutabilecek şekilde ortasında deliği olan mantar tıpadır. Gömlek : Su sızdırmaz, silindirik, metal, tabanı düz, yaklaşık 115 mm derinliğinde, iç çapı 44,2 mm ile 45,8mm arasında olan. Tabla : Mantar veya keçeden yapılmış olmalı, 6mm kalınlıkta ve gevşek bir şekilde gömlek içine yerleştirilmelidir. Conta : Yaklaşık 5 mm kalınlığında deney tüpünün dışına sıkıca, gömlek içine rahatça uyacak şekilde olmalı. Soğutma banyoları : Genellikle sıcaklıkları sağlamaya uygun bir tipte olmalıdır. Banyo sıcaklığı, termometre yardımı ile gözlenebilmelidir. Bulutlanma noktaları 10 oC nin altındaki tayinler için iki yada daha fazla banyo gereklidir. Gerekli banyo sıcaklıkları soğutma yada uygun soğutucu karışımlar kullanılarak sağlanabilir. Deneyin yapılışı : Deney numunesi tahmini bulutlanma noktasının en azından 14 oC üzerine kadar ısıtılır. Numune tamamen berraklaşıncaya kadar kuru ve lifsiz süzgeç kağıdından geçirme gibi uygun bir filitrasyon metoduyla numunede bulunabilecek nem uzaklaştırılır. Bu işlem numunenin tahmini bulutlanma noktasından 14 oC üzerinde fakat 49 oC yi aşmayacak sıcaklıkta yapılmalıdır. Deney tüpü seviye çizgisine kadar şeffaf numune ile doldurulur. Deney tüpü uygun bir deney termometresi ihtiva eden bir tıpa ile sıkıca kapatılır. Disk, conta ve gömleğin iç kısmı temiz ve kuru olmalıdır. Disk gömleğin tabanına yerleştirilir. Deney tüpü yerleştirilmeden en az 10 dk önce conta deney tüpünün etrafına tabandan 25 mm lik mesafede yerleştirilir. Soğutma banyosunun sıcaklığı -1 oC ile +2 oC arasında tutulur. 1 oC katları şeklindeki her termometre okumasında deney tüpü gömlekten çabuk bir şekilde çıkartılır bulutlanma olup olmadığı kontrol edilir ve tekrar aynı şekilde gömleğe yerleştirilir. Bu işlemin yapılması için geçen sürenin 3 saniyeden fazla olmamasına dikkat edilir. Deney numunesi 10 oC ye kadar soğutulduğunda bulutlanma göstermiyorsa deney tüpü sıcaklığı -18 oC ile -15 oC arasında tutulan ikinci bir gömleğe aktarılır. Deney numunesi -7 oC ye kadar soğutulduğunda bir bulutlanma göstermiyorsa deney tüpü sıcaklığı -35 oC ile -32 oC arasında tutulan ikinci bir banyoya konur. Deney tüpünün altında bulutlanmanın görüldüğü sıcaklık derecesi 1 oC yaklaşımla bulutlanma noktası olarak rapor edilir. Bu noktanın doğrulanması için soğutmaya devam edilir. Sıcaklık en düşük olduğunda deney tüpünün dibinde ilk olarak daima bir parafin bulutu veya sis görülür. Sıcaklık düşürüldükçe yavaş yavaş daha saydam olan ve numunenin her tarafını
180
kaplayan hafif bir sis genellikle numunedeki eser miktardaki sudan ileri gelir. Bulutlanma noktası tayininin yapıldığı cihaz aşağıda gösterilmiştir.
Şekil 2. Bulutlanma Noktası Tayin Cihazı
4.DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ Saybolt Universal Viskozite cihazı ile petrolün viskozite analizini yaparak sonucu kaydediniz.
5. SEMBOLLER
181
Gerilimi (dyn/ cm2 ) η : Viskozite (Cp) ρ : Yoğunluk ( g/cm3) θ : Saybolt Viskozimetresinde okunan değer (s) V: Kinematik Viskozite (cm2/s) T : Sıcaklık (K) A, B: Sıvı için özel sabitler ηp : P basıncındaki dinamik viskozite ηo : Atmosferik basınçtaki dinamik viskozite α : İncelenen sıvının karakteristiği olan ve sıcaklığa bağlı olan ampirik sabit P : Basınç ML : Sıvı ile dolu piknometrenin ağırlığı- Piknometrenin boş ağırlığı(g) VL : Sıvının havada ve deney sıcaklığındaki hacmi (cm3 ) ×y: Kayma
6. KAYNAKLAR 1.Yorulmaz, Y., Petrol İşleme Teknolojisi ve Rafineri Üniteleri, O.D.T.Ü. Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Ankara, 1983. 2.Kuleli, Ö., Petrol Arıtım Teknolojisi, Hacettepe Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümü, Çağlayan Kitabevi , İstanbul, 1981. 3.Aksoy, A., Petrol Rafinasyonunda Uygulanan Modern Üretim Yöntemleri, İTÜ. KimyaMetalurji Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü, İstanbul,1990. 4. Temel İşlemler Laboratuarı Deney Föyü, Atatürk Ünv. Mühendislik Fak. Kimya Bölümü, Erzurum.
182
TRİGLİSERİD (DOĞAL) YAĞLARDA ANALİZ YÖNTEMLERİ 1. DENEYİN AMACI Yağların cinslerinin teşhisinde, saflığının kontrolünde ve sınıflandırılmalarında kullanılan iki önemli kimyasal karakteristik değer vardır. Bunlar 1. iyod indisi, 2. sabunlaşma indisi dir. Bu indislerden faydalanarak yağlarının ortalama molekül ağırlıkları ve çift bağ sayılarının tespit edilerek kimliklerinin ve sınıflarının belirlenmesi deneyin amacıdır.
2. TEORİ Yağlar bitki ve hayvanların genellikle iç yapılarında oluşan, suda çözünmeyen ve ana komponenti trigliseridler olan doğal maddelerdir. Trigliseridler yağ asitlerinin gliserinle yaptığı esterlerdir. Örnek olarak oleik asit, stearik asit ve linoleik asitlerinin gliserinle esterleşme reaksiyonunu verebiliriz: H H H C
OH
H C
OH
H C H
OH
O
H
C
O
C C17H35 O
H
C
O
C C17H33
C17H31COOH(Linoleik asit)
+
C17H33COOH(oleik asit) C17H35COOH(stearik asit)
+ 3H2O
O H
C
O
C C17H31
H
Görüldüğü gibi bir trigliserid molekülünde gliseril (C3H5) kısmının molekül ağırlığı 41 dir. Yağ asidi radikallerinin (R-COO) toplam molekül ağırlıkları ise 650 ile 970 arasında değişir. Böylece yağ asitleri, bir trigliserid molekülünün ağırlıkça %94-96 sını teşkil eder. Sonuç olarak yağ asitleri trigliserid molekülünün en büyük kısmını ve bununla reaktif kısmını oluşturduklarından, bir yağın kimyasal ve fiziksel özellikleri, büyük ölçüde bünyesinde içerdiği yağ asitlerinin özelliklerine bağlıdır. Doğal olarak bulunan yağ asitleri genellikle, içerdiği tek karbonil grubu düz hidrokarbon zincirinin sonuna bağlı alifatik maddelerdir.bazı istisnalar dışında bunların hepsi çift sayıda karbon atomu içerirler. Her bir asidin bir diğerinden farkı, zincirdeki karbon atom sayısı ve eğer mevcut ise karbon atomları arasındaki çift bağların yeri ve sayısıdır.hiç çift bağ içermeyen yağ asitleri doymuş yağ asitleridir. Yağlarda en çok rastlanan doymuş yağ asitleri şunlardır: Adı Miristik asit Palmitik asit
Erime noktası C 0 54,4 62,9
Formül CH3 (CH2)12 COOH CH3 (CH2)14 COOH
183
Stearik asit CH3 (CH2)16 COOH 69,6 Bir ve daha çok çift bağ içeren yağ asitleri doymamış yağ asitleridir. Yağlarda en çok rastlanan doymamış yağ asitleri şunlardır: Oleik asit Erime noktası C 0 14,16 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH Linoleik asit CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH -5 Linoleik asit CH3(CH2)CH=CHCH2CH=CHCH2=CH(CH2)7COOH -11 Yağlar, cinslerine göre bu çok çeşitli yağ asitlerini değişik miktarlarda trigliseridleri halinde içerirler. Örnek olarak zeytin yağı, ayçiçek yağı ve keten yağının yağ asitleri bileşimi bazı teknolojik özellikleri aşağıda açıklanmıştır: Yağ asitleri miktarı (%) Yağ asitleri Zeytin yağı Ayçiçek yağı Keten yağı Miristik asit …… 0,1-1,2 Palmitik asit …… 7-16 3-6 4-7 Stearik asit……. 1-3 1-3 2-5 0,1-0,3 0,6-4 0,3-1 Araşidik asit …… Oleik asit……. 65-85 14-43 12-34 Linoleik asit……. 4-15 41-75 17-24 Lilolenik asit…… 1-2 35-60 Yağ asitleri İyot indisi Sabunlaşma indisi Refraksiyon indisi
Bazı yağların teknolojik özellikleri Zeytin yağı Ayçiçek yağı 80-88 125-136 188-196 188-194 1,469(20 oC) 1,4736(20 oC)
Keten yağı 165-204 189-195 1,477-1,482 -25 oC Yağlarda trigliseridlerden başka, çok daha az miktarlarda başka maddelerde bulunur. Bunlar esas olarak şunlardır: 1- Fosfatitler: Bunlar, gliserinin iki molekül yağ asidi ve bir molekül fosforik asitle yaptığı esterlerdir . Diğer taraftan aynı molekül fosforik asit, kolin ve atanolamin gibi azotlu maddelerle birleşmiş haldedir. Fosfaditler en fazla soya ve mısır yağında (%2 -3 ) bulunurlar. En önemli fosfaditlerden lesitin, endüstriyel ölçüde soya yağından elde edilir ve margarin, çikolata, boya sanayilerinde emülgatör olarak kullanılır. 2- Antioksidanlar: Bitkisel yağlar atmosferik oksidasyona ve bunun sonucu acılaşmalarına engel olan bazı antioksidan maddeleri çok düşük miktarlarda (%0,05-0,20) içerir. Hayvansal yağlarda genellikle antioksidanlar bulunmaz. Bitkisel yağlarda en çok rastlanan antioksidanlar, tokoferollerdir. Bunlar aynı zamanda E vitamini de olduklarından yağların en önemli yararlı elemanıdırlar. 3- Pigmentler: Yağlara sarıdan kırmızıya kadar değişen renkleri veren maddeler karotenoidlerdir. Zeytin yağı ve soya yağı gibi yeşil tonundaki yağlarda ise klorofil bu rengi sağlamaktadır. 4- Vitaminler: A, D ve E vitaminlerinin en önemli kaynakları yağlardır. Özellikle tere yağı ve balık yağları, A ve D vitaminleri bakımından zengindirler. 5-Steroller:
184
Yağların sabunlaşmayan maddelerinin büyük bir kısmını steroller oluşturur. Hayvansal yağlarda sadece kolesterol, bitkisel yağlarda ise en çok â sitostorol ve stigmasterol bulunur. 6-Yağ alkolleri. Gerek serbest halde gerekse yağ asitleriyle ester halinde (vakslar) daha çok deniz ürünleri yağlarında bulunurlar. 7-Hidrokarbonlar: Birçok yağlarda %0,1-1 miktarında doymuş ve doymamış hidrokarbonlar bulunur. Bunlarda yağın sabunlaşmayan maddelerini oluştururlar. En çok rastlanan hidrokarbon squalendir (C 30 H 50 ) . 8- Serbest yağ asitleri: Ham yağlarda, trigliseridlerin enzimatik hidrolizi sonucunda oluşan bir miktar serbest yağ asitleri de bulunur. Bunların miktarı yağ içeren ilkel maddelerin cinsine, kalitesine ve genellikle mesela tohumların parçalanmasıyla ekstraksiyonu arasında geçen süreye bağlıdır. Yağların cinslerinin teşhisinde, saflığının kontrolünde ve sınıflandırılmalarında kullanılan önemli iki kimyasal karakteristik değer vardır. 1- İyod sayısı (indisi) : Standart deney koşullarında 100 gram yağın absorbladığı iyodun veya daha doğru olarak absorblanan halojene ekivalent iyodun gram miktarı şeklinde tariflenir ve yağların doymamışlık derecesinin bir ölçüsüdür. Klor, brom, iyod monoklorür veya iyod monobromür, doymamış yağ asitlerinin çift bağlarına aşağıdaki reaksiyon gereğince katılırlar: H R
C C H
+ Br2
COOH
R
Br C H
Br C H
COOH
(1)
Bu katılma reaksiyonu ancak özel koşullarda hemen hemen kantitatif olarak meydana gelir. Bu reaksiyon prensibine dayanarak kullanılan reaktiflere ve deney koşullarına göre değişen farklı iyod indisi tayini yöntemleri vardır. Bunlar arasında en çok kullanılan Kaurfmann yöntemi, Hanus yöntemi, Wijs yöntemidir. Trigliserid yağların sanayide değerlendirilmesi yönünden doymamışlık derecelerine ve buna bağlı olarak kuruma veya polimerizasyon özelliklerine göre sınıflandırma yapılırken iyod sayıları temel olarak alınır. buna göre yağlar üç sınıfa ayrılır: a) Kurumayan yağlar: İyod indisleri 90' dan küçük yağlardır. Zeytin yağı gibi. b) Yarı kuruyan yağlar: İyod indisleri 90 ile 130 arasında olan yağlardır. Ayçiçek yağı gibi. c) Kuruyan yağlar: İyod indisleri 130'dan büyük olan yağlardır.Keten yağı gibi. 2- Sabunlaşma sayısı (indisi) : 1 gram yağı sabunlaştırmak için gereken KOH'ın miligram cinsinden miktarıdır ve ortalama molekül ağırlığının bir ölçüsüdür. Sabunlaşmanın genel reksiyonu aşağıda belirtilmiştir:
185
H H
H
C
C
O O O
H
C R O C R
+ KOH
O H
C
O
C R
H C
OH
H C
OH
H C H
OH
O
+
(2)
R C OK
H
3. DENEYİN YAPILIŞI Bu çalışmanın amacı yağların sabunlaşma indisi, Kaufmann yöntemiyle iyod indisi ve refraksiyon indisi gibi teknolojik yönden en önemli kimyasal ve fiziksel karakteristiklerinin tayinidir.
3-1-Sabunlaşma İndisi Tayini: Tanım: 1 gram yağı sabunlaştırmak için gereken KOH'ın miligram cinsinden miktarı sabunlaşma indisidir. Yani 1 gram yağdaki hem serbest yağ asitlerini hem de gliserid halinde bulunan yağ asitlerini nötralize etmek için gereken KOH miktarıdır. Deneyin prensibi: Yağ, ayarlı ve bilinen miktarda potasyum hidroksitle tamamen sabunlaştırılır, ortamdaki kullanılmayan KOH, ayarlı asit çözelti ile titre edilerek bulunur. Gereken reaktifler: 1- 0,5 N Hidroklorik asit çözeltisi 2- 0,5 N Alkollu KOH 3- Fenolftaleyn indikatörü (alkolde %1 'lik) Deneyin yapılması : 4 gram civarında yağ, hassas olarak bir (300ml) erlenmayere tartılarak konur. Üzerine hassas olarak,bir pipetle 50 ml 0,5 N Alkollu KOH ilave edilerek bir geri soğutucuya bağlanır.Su banyosu üstünde ısıtılır.Ara sıra karıştırılarak yağın tamamen çözünmesi sağlanır.Bu şekilde en az yarım saat kaynatılır.Sonra geri soğutucudan alınan sıcak sabun çözeltisine 1 ml fenolftalein indikatörü ilave edildikten sonra ilk renk kaybına kadar 0,5 N HCI ile yavaşca titre edilir. Aynı miktar alkollu KOH ile aynı sürede ve erlene yağ örneği alınmadan aynı şartlarda bir şahit deneme yapılır. Deneyler daima bir çift paralel örnekler üzerinde yürütülür ve sonuçlar arasında uyumluluk bulunması gereklidir. Deney aşamasında meydana gelen reaksiyonlar: Sabunlaşma esnasında Eş:1 deki reaksiyon gerçekleşir. KOH fazlası HCl ile geri titre edilir. KOH
+ HCl
KCl
+ H2O
(3)
3.2. Kaufmann yöntemiyle iyod indisi tayini: Tanm : Deney koşullarında ,100gr yağa katılan iyodun gram olarak miktarıdır. Deneyin prensibi : Belirli miktarda yağa, belirli miktarda brom çözeltisi ilave edilerek ,yağ asitlerindeki çift bağlara brom katılması sağlanır. Harcanmayan brom miktarı, titrasyonla tayin edilerek, çift bağlara katılan brom miktarı iyod cinsinden hesaplanır.
186
Gereken reaktifler : 1- Brom çözeltisi : sodyum bromürün metanoldaki doymuş çözeltisinin 1 litresine 5,2 ml brom ilave edilerek hazırlanır. 2- 0,1 N sodyum tiyosülfat çözeltisi 3- %10 potasyum iyodür çözeltisi 4-Kloroform 5- Nişasta indikatörü Deneyin yapılışı : Tartılacak yağ miktarı (gr)
Beklenen iyod indisi 0 -20 20-60 60-120 120' nin üstünde
0,5 -1,0 0,3- 0,5 0,2 0,1- 0,12
Bu cetvelde belirtilen miktarlara uyumlu ve hassas olarak küçük tartım kaplarına tartılan yağ, 250 ml' lik bir balona konur ve 10 ml kloroform ilave edilerek yağ çözülür. 25 ml brom çözeltisi dikkatle balona konur ve balonun ağzı kapatılarak en az 30 dakika, fakat yüksek iyod indisli yağlarda 2 saat karanlıkta bekletilir. Bu süre sonunda 15 ml %10 'luk KI çözeltisinden ilave edilir ve 0,1 N Na2S2O3 çözeltisiyle açık sarı renge kadar titre edilir. Bu titrasyonun sonuna doğru 1 ml nişasta indikatörü ilave edilerek, karışım renksiz olana kadar dikkatle titrasyona devam edilir ve sarfiyat okunur. Aynı şartlarda bir şahit deneme de yapılır. Daneyde meydana gelen reaksiyonlar Brom bağlanma aşamasında Eş.1 deki reaksiyon gerçekleşir Ortamda kalan bromun fazlası aşağıdaki şekilde tayin edilir (4) Br2 KI I KBr
+
I2
+
+ 2Na2S2O3
2
2NaI
+ Na2S4O6
(5)
Deneyle ilgili Hesaplamalar: Sabunlaşma indisi =
İyod indisi =
M KOH N KOH (V2−V1 ) KOH W
(6)
12,69 × N Na2 S2O3 × (V2 − V1 ) Na2 S 2O3
(7)
W
3 xM KOH x1000 Yağın Ortalama Molekül Ağırlığı= S .İ . Myağ + Msu − Mgliserin Yağ Asidinin Ortalama Molekül Ağırlığı= 3
187
(8) (9)
Yağın Ortalama Çift Bağ sayısı:
Msux( I .İ .) 1000 x 2 xM I
(10)
Not : Bu deneyler birer çift örnekle paralel olarak yürütülür ve sonuçlar arasında belli bir uyumluluğun bulunması beklenir.
4. SEMBOLLER W= Yağ miktarı (gram) V1 = Deneyde kullanılan çözeltinin hacmi(ml) V2= Şahit denemede kullanılan çözeltinin hacmi (ml) N= Deneyde kullanılan çözeltinin normalitesi M=Molekül veya atom ağırlığı(g/mol)
KAYNAKLAR 1) Alper, S.R, Organik Sınai Kimya, İstanbul Üniversitesi Yayınları 2) Civelekoğlu,H., et al, Sinai Kimya Öğrenci laboratuarı Çalışma Yönergeleri,İTÜ yayınları,1983
Deney İçin Hazırlık Soruları 1)Yağ nedir? Yağın oluşum reaksiyonunu yazarak tarif ediniz? 2)Yağın fiziksel ve kimyasal özellikleri neye bağlıdır? Niçin? 3)Yağ asidi nedir?Açıklayınız 4)Yağlarda ençok rastlanan doymuş yağ asitleri nelerdir? 5)Yağlarda ençok rastlanan doymamaış yağ asitleri nelerdir? 6)Yağın doğal kaynakları nelerdir? Yağlar bu doğal kaynaklardan hengi metodlarla elde edilir? 7)Yağların genel özellikleri nelerdir? Açıklayınız. 8)Yağlar hangi kriterlere göre sınıflandırılır? Açıklayınız 9)Katı yağlarla sıvı yağlar arasındaki kimyasal yapı açısından fark nedir? Açıklayınız 10)Hangi sınftan yağ hangi endüstri dallarında kullanılır? 11)Trigliserid nedir? Açıklayınız 12)Yağlarda trigliseridden başka hangi maddeler bulunur açıklayınız? 13)Fosfadit nedir?Formülünü yazarak açıklayınız 14)Antioksidan nedir? Yağlarda bulunan antioksidan hangisidir?Önemi nedir? 15)Yağlarda bulunan boyar maddeler hangileridir? 16)Yağlarda hangi vitaminler bulunur? 17)Steroller nelerdir?Ençok duyduğunuz sterol hangisidir? 18)Yağlarda bulunan sabunlaşmayan madde nedir? 19)Yağların enzimatik hidrolizi sonucu hangi maddler oluşur? 20)iyod sayısı(indisi) nedir? Yağın hangi özelliğinin bir ölçüsüdür? 22)Trigliserid yağların sanayide değerlendirilmesi yönünden doymamışlık derecelerine ve buna bağlı olarak kuruma veya polimerizasyon özelliklerine göre sınıflandırma yapılırken temel olarak alınan kriter nedir? Bu kritere göre yağlar nasıl sınıflandırılır? 23)Sabunlaşma indisi nedir? Yağın hangi özelliğinin bir ölçüsüdür?
188
24)Sabunlaşma indisi farklı iki yağ karşılaştırıldığında hangi konuda bir karşılaştırma yapılmış olur? 25)Sabunlaşma indisinin genel reaksiyonunu yazınız? 26)Sabunlaşma indisi tayini nasıl yapılır kısaca açıklayınız? 27)İyot indis tayini nasıl yapılır? Açıklayınız 28)0.5 N 2 L HCl asit nasıl hazırlanır ve nasıl ayarlanır? Açıklayınız 29)0.5 N alkollü 2 L KOH nasıl hazırlanır ve nasıl ayarlanır açıklayınız 30)Brom çözeltisi nasıl hazırlanır? Niçin doygun NaBr hazırlanır? 31)0.1 N sodyum tiyosülfat nasıl hazırlanır? Nasıl ayarlanır? 32)Sabunlaşma ve iyot indisinden çıkarak yağın ortalama molekül ağırlığı ve çift bağ sayısı nasıl hesaplanır? 33)yağ asitinin molekül ağırlığı ve çift bağ sayısı nasıl hesaplanır? 34)Sıvı bir yağdan katı bir yağ ve katı biryağ nasıl elde edilir?
ELEKTROLİTİK YÖNTEMLE METAL KAPLAMA 1. DENEYİN AMACI Verilen herhangi bir parçanın elektrolitik olarak bir metalle kaplanması ve akım veriminin bulunması.
2. TEORİ Elektrolitik olarak genellikle metalin bir metal tabakayla kaplanması 3 esas amaç için yapılır. 1. Korozyona karşı koruma 2. Metal yüzeylerinin aşınmaya karşı dayanıklılıklarını artırma 3. Dekoratif amaçlar
2.1.Elektrolit Hücresi: Elektrolitler, elektrik akımı geçirilişiyle parçalanır. Bu olaya elektroliz denir. Elektroliz bir doğru akım kaynağı ile birleştirilmiş elektrotlarla gerçekleştirilir. Elektrokimyasal anlamda elektrot, elektron iletkeni ile iyonik iletkeni birleştiren sistemdir. Doğru akım kaynağının (+) kutbuna bağlı olan elektrota anot (A), (-) kutbuna bağlı olan elektroda ise katot (K) denir. Elektroliz sırasında çözeltide bulunan (-) yüklü iyonlar (anyonlar) anoda, (+) yüklü iyonlar (katyonlar) katoda gider. Anyonlar anot yüzeyinde yükseltgenirken (oksitlenirken), katyonlar katot yüzeyinde indirgenir (redüklenir). Anotta meydana gelen oksidasyon sonucu, Ag
——→
H2O ——→ Cr
——→
Ag+ + e2 H+ + ½ O2 2 eCr+3 + e-
189
Reaksiyonlardan da görüldüğü gibi elektronlar serbest hale gelir. Bu elektronlar doğru akım kaynağı ile katoda taşınır ve orada, Ag+ + e- ——→ Ag 2 H+ + 2 e- ——→ H2 Cr+3 + e- ——→ Cr+2 redüksiyon reaksiyonlarının oluşumunu sağlar. Gerektiğinde anot ve katodun bulunduğu kısımlar bir diyaframla birbirinden ayrılarak anolit ve katolitin birbirine karışması önlenir. Elektroliz başlangıcında anot ve katot odaları aynı elektrolitle doldurulduğu halde, elektroliz sırasında anot ve katotta meydana gelen ürünler farklı olduğundan, anolit ve katolitin bileşimi de farklıdır. Bir sistemde elektrolizin gerçekleştirilebilmesi için doğru akım kaynağı ile iki elektrot arasına uygulanması gereken en küçük gerilime parçalanma gerilimi denir. Elektroliz devresinden geçen akımın anot yüzey alanına oranına anodik akım yoğunluğu, katot yüzey alanına oranına ise katodik akım yoğunluğu denir. Akım yoğunluğu pratikte A/dm2 birimiyle kullanılır. Elektroliz sırasında elektrotlarda meydana gelen elektrokimyasal olaylar, sisteme bağlı doğru akım kaynağına sağlanan elektrik enerjisiyle gerçekleştirilmektedir. Bu nedenle elektroliz, elektrik enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştürüldüğü bir yöntemdir. Bunun tersi, yani kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi de mümkündür. Bu amaçla kullanılan sistem, EMK hücresi veya galvanik hücre olarak bilinir. EMK hücresinde anot (-), katot (+) işaretlidir.
2.2.Elektrot Reaksiyonları: Metal kaplamacılığında çözünen veya çözünmeyen anotlarla çalışılır. Çözünen anotlar kullanıldığında anodik oksidasyon sonucu metal iyonları çözeltiye geçer. Çözünmeyen anotlarla çalışma durumunda ise anodik reaksiyon elektrodun veya çözeltideki anyon veya katyonların oksidasyonuna neden olur. Çözünen anotlarda da çözünmeyen anotlarda meydana gelen oksidasyon türlerinin bazıları meydana gelebilir. Anodik reaksiyonlar içinde üzerinde durulması gereken en önemli yan reaksiyon O2 çıkışıdır. Asit çözeltilerde; 2 H2O ——→ 4 H+ + O2 + 4 ebazik çözeltilerde ise 4 OH- ——→ 2 H2O + 4 eşeklinde formüle edilebilen O2 çıkışının gerektirdiği fazla voltaj, oksijen fazla voltajı olarak bilinir. Bu değer metal anot yüzeyinde O2 çıkışının başladığı andaki potansiyeldir.
Galvanoteknikte genel olarak genel olarak katotta metal toplama amaçlandığından, bu yarım hücre reaksiyonuna paralel meydana gelebilen hidrojen redüksiyonu reaksiyonu çok önemlidir. Bu durumda hem metal toplama verimi düşer ve hem de kaplama kalitesi olumsuz yönde etkilenir. H+ iyonlarının redüksiyon reaksiyon oluşum mekanizması üzerinde bir çok teori geliştirilmiştir. Genel olarak H2 çıkışı asit çözeltilerinde,
190
2 H+ + 2 e- ——→ H2 bazik çözeltilerde, 2 H2O + 2 e- ——→ 2 OH- + H2 şeklinde gösterilir. Her iki reaksiyon sonucunda da H2 çıkışıyla çözelti pH değerinin artacağı görülmektedir.
2.3.Metal Kaplama Öncesi Uygulanan İşlemler: Yapışık ve dayanıklı bir tabakanın elde edilmesi için etkili ilk etken yüzeyin temizliğidir. Her şeyden evvel metalin kimyasal olarak meydana çıkması gereklidir. Kaplanacak yüzey çok temiz değilse, kaplamada diğer faktörler etkili olmaz. Kaplama öncesi uygulanacak işlem aşamaları şunlardır: 1. Mekanik Yüzey İşlemleri (Polisaj): Bu işlemde çelik telden yapılmış fırçalarla zımpara taşları ve törpüler kullanılır ve metalin yüzeyi düzeltilip yabancı maddeler kaldırılır. Zımpara maddesi olarak genellikle Al2O3 (koront), SiC (karborandum), B4C, SiO2 (kuvars) kullanılır. Aşındırıcılarla yüzey düzeltildikten sonra parlatma pastaları döner disk ve fırçalar yardımıyla iç parçalarına uygulanarak yüzey parlatılır. Ayrıca bu işlemler elektrolitik yolla da yapılabilir. 2. Yağ Giderme ve Temizleme: Parça yüzeyine polisaj sırasında sıvanan yağlı pasta artıklarının tamamen giderilmesi gereklidir. Yağlar üç yöntemle çıkarılır: a. Organik Çözücülerle: Gazyağı, benzin gibi organik malzemeler yağları kolaylıkla çözebilmesine karşılık koku ve yanma tehlikesi ve yüksek fiyatları nedeni ile tercih edilmezler. Bu yaygın kullanım, iş parçalarının tri- veya perkloretilen tanklarına daldırılması veya bunların buharına tutulmasıdır. b. Alkalilerle Yağ Giderme: Sıcak alkalilerle yağlar sabunlaştırılıp yıkamakla çıkarılır. Alkali olarak Na2CO3, NaOH, Na3PO4, Na2SiO3, maddelerinden iki veya daha fazlasını içerir. c. Dağlama ve Nötralizasyon: Mekanik yüzey ve yağ giderme işlemlerinden sonra parça yüzeyindeki oksitli kısımların temizlenmesi amacıyla bir dağlama işlemi gerekir. Dağlayıcı banyolar malzeme cinsine göre değişik özelliklerdedir. Demir ve çelik esaslı malzemelerle seyreltik HCl, kaynak ve lehimli parçalarda %20 - %30’ luk H2SO4, dökme demir ve paslanmaz çeliklerde HNO3, bakır ve alaşımlarında, HNO3 ve H2SO4 karışımları, alüminyum ve alaşımlarında sıcak NaOH sulu çözeltileri kullanılır. Dağlama sonrası iş parçalarının iyice yıkanması ve nötralize edilmesi için seyreltik alkali veya asit banyolarına daldırılması gerekir.
2.4.Metalik Kaplamalar: 1. Bakır Kaplama: Genellikle dekoratif amaçlarda korozyonu önlemek, diğer metal kaplamalara ait tabaka oluşturması için elektronik basılı devrelerde ve elektro şekillendirme de bakır kaplama uygulanır. 4 şekilde yapılır:
191
a. b. c. d.
Asit banyoları (sülfat, fluoborat banyoları) Alkali siyanür banyoları (seyreltik) Pirofosfat banyolar (nötr karakterli banyolar) Özel banyolar (etilendiamin, sülfamat, fosforik asit)
Banyo bileşimi (g/l) 150 – 250 CuSO4 60 – 75 H2SO4 Parlatıcı olarak (melas, dekstrin)
Banyo bileşimi (g/l) 225 - 450 Cu(BF4)2 15 – 30 HBF4 15 – 30 H3BO3
SÜLFAT BANYOLARI Çalışma şartları pH = 1 – 2 T = 18 – 60 °C Ak. Yoğ. = 3.5 – 5.5 A/dm2 Anot = E – Cu, sert Pb
FLUOBORAT BANYOLARI Çalışma şartları pH = 1 T = 25 – 40 °C Ak. Yoğ. = 8 A/dm2 Anot = E – Cu
Kaplama özelliği Kalın Kaplamalar
Kaplama özelliği Çok Kalın Kaplamalar
SEYRELTİK SİYANÜR BANYOLARI Banyo bileşimi (g/l) Çalışma şartları Kaplama özelliği 19 - 26 CuCN pH = 11 - 12 İnce Kaplamalar 15 – 60 Na2CO3 T = Oda sıcaklığı ve üzeri 30 – 35 NaCN Ak. Yoğ. = 2.2 A/dm2 Anot = E – Cu
2. Nikel Kaplama: Nikel kaplamada beyaz renkli yüksek mekanik mukavemet ve havada zor oksitlenen bir metal kaplama amaçlıdır. Atmosferle temas edince yüzeyinde bir oksit tabakası oluşur. Hem dekoratif amaçla hem de korozyon direncinin artırılması için ayrıca bir krom kaplama ile kaplanır. Çok düşük kalınlıklardan 0.5 mm kalınlığa kadar elde edilir. Ayrıca renkli (siyah) Ni kaplama imkanı mevcuttur. Banyolarda çözünür anotlar kullanılır. Bunlar saf elektrolitik Ni veya çok z katkılı nikeldir. Ni anotlar; a. Haddelenmiş Ni anotlar b. Döküm Ni anotlar c. Elektrolitik levha anotlar şeklindedir. Nikel banyoları genellikle Watts banyolarının esasına göre kurulur. Çalışma ortamına göre yüksek pH’lı veya yüksek miktarda Cl iyonu kapsayan banyolardır. Başlıca bileşenleri NiSO4, NiCl2 ve H3BO3 (borik asit)’tir. Normal bir kaplama için şartlar: 250 – 300 g/l NiSO4 40 – 50 g/l NiCl2 35 – 45 g/l H3BO3
pH = 3.9 – 4.2 T = 45 – 50 °C Ak. Yoğ. = 3 – 10 A/dm2
192
Ayrıca banyo bileşimlerine ve kullanım amaçlarına göre Ni kaplama banyoları için şu sınıflandırma yapılır: 1. 2. 3. 4. 5.
Tüm klorlu banyolar Tüm sülfatlı banyolar Nikel sülfanat banyolar Parlak, yarı parlak Ni banyoları Siyah Ni kaplama banyoları
3. Krom Kaplama: Krom kaplama genellikle şu iki amaç için yapılır: Parlak ve kararmaz bir yüzey elde etmek veya parça yüzeylerine sertlik, aşınmazlık ve düşük sürtünme katsayısı gibi bazı mekanik özellikleri kazandırmak. Krom daha ziyade bir üst kaplama olarak kullanılmaktadır. Daha önceden kaplanmış parçaların atmosfer etkisinden zarar görmelerini ve çatlakları kapattığından alt kaplama ile birbirini tamamlayıcı bir unsur gösterir. En iyi kaplamalar, bakır – nikel – krom üçlüsünden oluşmaktadır. Siyah krom kaplama da yapılır. Banyolarda çözünmeyen anotlar kullanılır. %6 – 8 Sb’lu, Pb, platin, demir (düşük C’lu çelik) başlıcalarıdır. DEKORATİF KROM KAPLAMA BANYOLARI 250 g/l kromik asit (CrO3) T = 40 – 50 °C 25 g/l H2SO4 Ak. Yoğ. = 9 – 19 A/dm2 SERT KROM KAPLAMA BANYOLARI 250 g/l kromik asit (CrO3) T = 50 – 60 °C 2.5 g/l H2SO4 Ak. Yoğ. = 30 – 60A/dm2
2.5.Kaplamanın Kalitesine Etki Eden Faktörler: 1. Akım Yoğunluğu: Akım yoğunluğu artınca kaplama hızı artar ve ince taneli yapı oluşur. Fakat akım yoğunluğu daha da artınca katot dolayında deşarj olan metal iyonları çözelti içinden gelenlerle karşılanamadığından katotta bir fakirleşme meydana gelir ve bunun sonucu kaplama homojen olmaz. Siyah ve süngerimsi kaplama oluşur ki, buna yanmış kaplama denir. 2. Konsantrasyon ve Karıştırma: Kaplamanın yapısı üzerine konsantrasyonun etkisi büyüktür. Tanelerin oluşum hızı büyük olacağından ince yapılı, yapışık bir kaplama elde edilir. Katottaki bölgesel fakirleşmeyi karşılamak amacıyla banyonun karıştırılması yararlıdır. Fazla karıştırmak, kaplama gücünü azalttığı gibi, çamur v.s. banyoda süspansiyon halinde kalmasına neden olur ve kaplama kalitesini bozar. Bu nedenle banyoların sık sık süzülmesi gereklidir. 3. Sıcaklık: Sıcaklığın iki zıt etkisi vardır. Bir taraftan difüzyonu artırdığından küçük taneli yapıların hızı artar. Fakat öte yandan katot polarizasyonunu azaltır ve büyük taneli yapının oluşmasına neden olur. Ayrıca kaplama süngerli olur. Orta sıcaklıklarda
193
birinci etki, yüksek sıcaklıklarda ikinci etki kendini gösterir. Deneme ile uygun sıcaklık bulunur.
4. Kaplanan Metalin Etkisi: Kaplanacak metalin cinsi kaplamanın yapışıklığı bakımından önemlidir. Kimi metaller diğer metallerle birleşebilirler. Örneğin bakır öyledir. Bu bakımdan bakır, galvanoteknikte destek metal olarak kullanılır. Ni, Fe, Zn, Pb, Sn gibi birçok metale güçlükle yapışır, kabuk şeklinde toplanır ve kolayca kopar. Fakat nikelin bakır üzerindeki yapışıklığı diğerlerine göre daha fazladır. 5.
Elektrolitin Tabiatı: Kompleks tuzların elektroliziyle elde edilen kaplamalar, normal tuzlarla elde edilenlerden üstün özellikler gösterir. Özellikle Cu, Ag ve Au kaplamalar bu metallerin potasyum siyanür çift tuzlarından elde edilir. Ayrıca kompleks tuzların elektrolizinde, basit tuzların elektrolizine oranla katot polarizasyonu daha fazla olur. Yani daha yüksek bir potansiyel uygulanır ve bu da taneciklerin oluşumunu kolaylaştırır.
2.6.Deneyde Kullanılan Alet ve Malzemeler:
Doğru akım kaynağı Beherler Isıtıcı manyetik karıştırıcılar Pb anotlar Kaplama yapılacak katotlar Kurutma fırını Terazi
3. DENEY DÜZENEĞİ
+
Güç Kaynağı
-
Anot
Çözelti Banyosu
Katot
194
Magnet
4. DENEYİN YAPILIŞI Karıştırıcıların üzerine beherleri yerleştirin. Katotların yüzeyini zımpara ile iyice temizleyip yıkayın. Yağ giderme işlemini yapın. Katot cinsine göre dağlama yapın ve iyice yıkayıp kurutun. Katodun ilk ağırlığını kaydedin. Kaplama çözeltisini hazırlayıp, behere boşaltıp gerekli şartları sağlayın. Kaplama işlemine başlayın. Kaplama bitiminde katodu çıkarıp su ve etanol ile yıkayın. Etüvde kurutup tartın ve ağırlık değişimini kaydedin. Kaplama kalitesi ve dağılım üzerine inceleme yapın.
5. HESAPLAMALAR Kaplanan metal miktarı Faraday Kanunu’na göre hesaplanabilir. m=
I .t. A n.F
Akım Verimi = Kaplanan metal ağırlığı / Teorik olarak kaplanan metal ağırlığı
6. DEĞERLENDİRME Deney sonucunun değerlendirilmesinde aşağıdaki hesaplamalar yapılmalıdır.
Katot yüzeyi başına düşen akım yoğunluğunun hesaplanması. Kaplama kalınlığının hesaplanması. Akım randımanının hesaplanması. Kaplama kalitesinin değerlendirilmesi.
7. SEMBOLLER m : Toplanan madde miktarı (g) 195
I : Uygulanan akım (amper) t : Elektrolit süresi (saniye) A : Atomik ağırlık (g.atom) F : Faraday sabiti (96500 coulomb) n : Ekivalan başına elektron sayısı
8. KAYNAKLAR • •
Sarıkaya, Y., Fizikokimya, Gazi Kitabevi, Ankara, 2000. Mortimer, C.E., Modern Üniversite Kimyası, cilt I, Çağlayan Kitabevi, İstanbul, 1993.
SU ANALİZLERİ
1. DENEYİN AMACI Su, hayatın her evresinde olduğu gibi, sanayide de büyük öneme sahiptir.Bu nedenle, su sertliği hakkında bilgi vermek ve su sertliği tayini yeteneğini kazandırmak.
2. TEORİ Su, yeryüzünde en yaygın olarak bulunan kimyasal bileşiktir. Sıvı halde bulunan bileşiklerden formül ağırlığı(18,015) en düşük alanıdır. Suyun özgül ısısı 4,184 j/g o C, erime ısısı 34,72j/g ve buharlaşma ısısı 2259,36 j/g 'dır. Su, çoğu anorganik ve organik bileşikler için iyi bir çözücüdür. Bu durum suyun kullanım alan ve önemini daha da çok artırmaktadır. Örneğin, vücut için gerekli maddelerin çoğunluğu, su içinde çözünmüş kimyasal bileşiklerin niteliklerinin ve niceliklerinin bilinmesi çok önemlidir. İçme ve kullanma suları tabiatta dört şekilde bulunur; 1- Meteor suları; Yağmur, kar, v.b. suları 2- Yer altı ve kaynak suları 3- Yeryüzü suları; Nehir, göl, baraj, deniz suları 4- Maden(mineral) suları
Su, temas ettiği çoğu maddeyi az veya çok çözdüğünden, tabiatta kimyasal olarak saf halde bulunamaz. Kaynağına göre tabii sular, çeşitli miktarda, çözünmüş veya süspansiyon halinde yabancı madde içerirler. Bunlar, anorganik ve organik katı veya sıvı maddeler ile çözünmüş gazlar olabilirler. Bu maddelerin cins ve miktarı suyun kullanma yeri ve gayesini tayinde önemli rol oynar. Tabii suda çözünen başlıca anorganik maddeler; klorürler (NaCI, KCI), sülfatlar (Na2S04, CaSO4), bikarbonatlar (Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2), silisler ve silikatlardır. Bunların yanında az miktarda fosfatlar, alkali ve toprak alkali nitratları, florur, iyodür ve nitrat bileşikleri ile demir ve mangan tuzları da tabii sularda bulunabilirler. Organik maddeler; kolloidal pislikler, yosunlar, mantarlar, mikroorganizmalar ve bakterilerdir. Sularda çözünmüş gazlar
196
başlıca azot, azotoksitler, oksijen, karbondioksit, az miktarlarda hidrojen sülfür, amonyak, kükürtdioksit, v.s.'dir. Meteor (yağmur) suları, mevcut tabii suların en saf olanıdır. Bununla birlikte çözünmüş atmosfer gazlarını, toz!arı, mikropları içerirler ve yere ulaştığında toprak ve kayaların bazı bileşenlerini çözer. İçinde 1-2 ppm'den 1000 ppm'e kadar çözünmüş madde bulundurabilir. Yeraltı sularının içeriği; suyun geçtiği katmanların bileşimine, sıcaklığına, geçiş zamanına ve özellikle suyun içerdiği CO2 miktarına bağlıdır. Genel olarak bu sular, çözünmüş halde kalsiyum,magnezyum,sodyum, demir, mangan, alüminyum, karbonat, bikarbonat, sülfat, klorür, bileşikleriyle süspansiyon halinde silisyum, demir ile aluminyumoksit ve hidroksitleri içerirler. Yeryüzü suları; üstlerinin açık olması nedeniyle organik ve anorganik maddeleri almaya çok yatkındırlar. Bileşimleri mevsimlere göre değişebilir. Maden suları; tabii sulara göre çözünmüş madde miktarları belli bir sınırı aşmış veya sıcaklık ve radyoaktivitesi tabii sınırı geçmiş olan sulardır. Gazların sudaki çözünürlükleri birbirlerinden farklıdır ve sıcaklığa bağlıdır.Yer altından geçen CO2' li sular kireç, demir, manganı vs. bileşiklerini çözerler. Sularda CO2 bağlı (bikarbonat halindeki) ve serbest olmak üzere iki şekilde bulunmaktadır. Su içinde bulunan serbest CO2’ in korozif etkisi vardır. Bu sular boruları ve kazanlan tahrip ederler. .
2.1.Suların Tüketim Alanlarına Göre Özellikleri ve Sert Suların Sakıncaları: Su; içme, çözme, yıkama, reaksiyon, kazan besleme, soğutma, taşıma işlemlerinde v.s. kullanılmaktadır. Kullanıldığı alana göre suların değişik özelliklere sahip olması gerekir. Bir amaç için kullanılan su diğer bir amaç için kullanılmayabilir. - İçme sularında pisliklerin, sağlık için zararlı tuzların ve hastalık yapan canlıların giderilmiş olması gerekir. - Kazan besleme sularında, kazanlarda çamur ve taş oluşumuna sebep olan Ca+2 ve Mg+2 iyonları uzaklaştırılmalıdır. - Boya ve dokuma fabrikalarında sertliği düşürülmüş sular kullanılır. Sert suların kullanıldığı dokuma sanayinde boyaların dokular içerisine tam olarak nüfuz etmesi güçleşir. - Biracılıkta kullanılan suyun organik maddeleri, mikroorganizmaları, mikropları, amonyum ve azotoksitleri içermemesi istenir. - Şeker endüstrisinde, şekekrin kristallenmesini güçleştiren alkali sülfat, nitrat ve karbonatları az olan sertliği düşük sular kullanılır. - Dericilikte (dibağlamada), mikroorganizmasız fakat sert sular tercih edilir. Kağıt ve nişasta endüstrisinde yumuşak sular kullanılır. Çimento harcında kullanılan suların asidik olması özellikle CaSO4 içermesi istenir. - Sert sularda sabun sarfiyatı fazladır, sabun geç köpürür.Eğer sodyum ve potasyum bileşikli sabunlar bu tür bir suya eklenirse sadyum ve potasyum iyonlan magnezyum ve katsiyum iyonlarıyla yer değiştirerek çökelek oluşumuna neden olurlar. Bu durum sertliğe neden olan iyonların hepsinin çökmesine kadar devam eder. Ortamda bulunan kalsiyum ve magnezyum iyonlarının hepsi çöktükten sonra sabun köpürmeye başlar. - Sert sular ısıtma tekniği bakımından uygun değildir. Bilhassa sıcak su tesisatı, buhar kazanları gibi tertibata ait boruların kısa zamanda kireçtaşı bağlanmasıyla kesitlerinin daralmasına sebep olur.
197
- Sert sular mutfak işleri bakımından da elverişli değildir. Baklagiller gibi bazı yemekler sert sularda iyi pişmezler, sert kalırlar. Karbonat sertliği çay ve kahvenin tadını bozar. - Sert sular çiçek ve bitki sulaması bakımından da uygun değildir. - Bir suyun sertliğinin çok düşük olması da istenmez. Çünkü çok yumuşak sular aşındırıcı etki yaparlar.
2.2.Sularda Sertlik Ve Sertlik Birimleri: Suyun içerdiği alkali tuzların dışındaki bütün metal tuzlarının suya sertlik özelliği verdiği kabul edilir. Sertlik, esas itibariyle sudaki kalsiyum ve magnezyum iyonlarından ileri gelmektedir. Demir, mangan, çinko, kurşun gibi iki değerlikli metal iyonları da suya sertlik verirler. Ancak bunlar sularda önemli miktarlarda bulunmazlar. Sulardaki sertlik kalıcı ve geçici sertlik olmak üzere ikiye ayrılır; -Geçici Sertlik: Bu sular bikarbonat (HCO3-) iyonu içerirler. Bikarbonat içeren su ısıtılırsa, bikarbonat iyonu CO3-2 , CO2 , ve H2O vermek üzere kolayca bozunur. CO3-2 sudaki çok değerlikti katyonlarla tepkimeye girerek CaCO3-MgCO3 karışık çökeltisini ve kazan taşı adı verilen tortuyu oluşturur: Ca(HCO3)2 → CaCO3 + CO2 + H2O Mg(HCO3)2 → MgCO3 + CO2 + H2O Geçici sertlik içeren sular ısıtıldığında, bikarbonatlar karbonatlara dönüşerek kazan taşını oluştururlar ve suyun geçici sertliği giderilmiş olur. Evlerde kullandığımız çaydanlıklarda veya su kaynatmada kullanılan diğer kaplarda birikmiş olan bu taşlara alışığız. Sirke (asetik asit) koyup kaynatmakla kazan taşı giderilebilir. (Alüminyum esaslı kaplara sirke konması uygun olmayabilir. Aluminyumda biraz çözünme olur.) Geçici sert su, su arıtma tesisinde suya sönmüş kireç (Ca(OH)2) katıp metal karbonat çökeltisini süzmekle yumuşatılabilir. Baz, bikarbonat iyonu ile tepkimeye girerek su ve karbonat iyonu oluşturur. Karbonat iyonu , Ca++ ve Mg++ iyonları ile tepkimeye girerek metal karbonatları halinde çöker. HCO3- + OH- → H2O + CO3-2 CO3-2 + M+2 → MCO3(k) -Kalıcı Settllk: Isıtıldıkları zaman değişiklik göstermeyen tuzlar suya kalıcı sertlik verirler. Bunlar kalsiyum ve magnezyum klorür, sülfat, fosfat veya silikat tuzlarından meydana gelen sertliktir. Bu tuzlar, suyun çok fazla buharlaştırılmasıyla kazan taşı halinde çökerler.,
Kalıcı ve geçici sertlik toplamına, toplam sertlik veya sertlik bütünü denir. Suyun sertliğini ifade etmek için değişik ülkelerde farklı birimler kullanılmaktadır. Birimler ifade edilirken, suyun içerdiği sertlik verici tuzun ekivalenti olan CaO veya CaCO3 miktarı esas alınmıştır. Sertlik Birimleri: 1 Alman Sertlik Derecesi (ASo ) = 10mg CaO /L 1 Fransız Sertlik Derecesi (FSo ) = 10 mg CaCO3 /L
198
1 İngiliz Sertlik Derecesi (ISo ) 1 USA Birimi 1 Val 1 Milival
= = = =
10 mg CaCO3 /0,7L mg kuru madde /L g ekivalent tuz /L mg ekivalent tuz /L
Suların Sertlik Derecelerine Göre Sınıflandırılmaları: Özellik
ASo
Çok Yumuşak Su Yumuşak Su Orta Yumuşak Su Sert su Çok Sert Su
0-4 4-8 8-12 12-18 18-30
FSo 0-7,2 7,2-14,5 14,5-21,5 21,5-32,5 32,5-54,0
2.3.Suları Yumuşatma Yöntemleri: 1) Kaynatarak sertliği giderme 2) Kimyasal metodlarla sertliği giderme
2.3.1- Kaynatarak Sertliği Giderme: a- Bikarbonatlar bozunarak karbonat haline geçerler; Ca(HCO3)2 → CaCO3 + CO2 + H2O Mg(HCO3)2 → MgCO3 + CO2 + H2O Daha sonra suda güç çözünen MgCO3 hidrolize uğrayarak Mg(OH)2’ e dönüşür. MgCO3 + H2O → Mg(OH)2 + CO2 b- Çözünmüş haldeki sodyum silikat magnezyum, kalsiyum veya demir tuzuna etki eder. Na2SiO3 + CaSO4 → Na2SO4 + CaSiO3 Na2SiO3 + MgSO4 → Na2SO4 + MgSiO3 Na2SiO3 + FeSO4 → Na2SO4 + FeSiO3 c-Bikarbonatlardan hasıl olan karbonatlar sodyum sülfata etki eder; CaCO3 + Na2S04 → CaSO4 + Na2CO3 MgCO3 + Na2S04 → MgSO4 + Na2CO3 d- Bütün bu olaylardan başka magnezyum ve demir tuzlarıda su karşısında sıcakta bozunurlar MgCl2 + 2H2O → Mg(OH)2 + 2HCl FeCl2 + 2H2O → Fe(OH)2 + 2HCI Fe + H2O → FeO + H2 Fe(OH)2 + MgCl2 → FeCl2 + Mg(OH)2
199
Bu gibi olaylar suyun kaynatıldığı kaba kötü tesir edeceği gibi, suda çözünür hale geçen bileşiklerde çökelek halde kazanın dibinde toplanırlar. Bilhassa Ca(HCO3}2 ve Mg(HCO3)2 sıcaklıkla bozunarak sudan ayrılırlar. Eğer bunların miktar çoksa, suyun sertlik derecesi düşer. Böylece bu tuzlar kaynatılarak sudan ayrılıp dibe çöktürülmüş olurlar. Bütün sertliği bikarbonat (HCO3-) sertliğinden ibaret olan suları kaynatmak suretiyle birkaç sertlik derecesine kadar düşürmek mümkündür. Aksi halde, kimyasal metodlarla sertlik giderilmesine başvurulur.
2.3.2- Kimyasal Metodla Sertliği Giderme: Kimyasal metodlarla yumuşatma yaparken ya çöktürme prosesleri kullanılır veya iyon değiştirme prosesi kullanılır.
2.4.Çöktürme Prosesleri: Burada suya sertlik veren tuzlar suda suda çözünmeyen bileşikler haline getirilip sudan mekanik yolla uzaklaştırılması esasına dayanır. Başlıca Çöktürme Yöntemleri Şunlardır: a) Kireç- Soda ve Neckar Yöntemi: b) Reisert Yöntemi: c) Trifosfat yöntemi: a) Kireç- Soda Yöntemi: Kalsiyum bikarbonat, magnezyum bikarbonat, magnezyum klorür ve serbest karbondioksitin bağlanması kalsiyum hidroksit ile, alçı ve magnezyum sülfatın çöktürülmesi ise soda ile yapılır. Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3 + 2H2O Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + MgCO3 + 2H2O CO2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3 + H2O MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaCl2 CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2SO4 MgSO4 + Na2CO3 → MgCO3 + Na2SO4 60-70 °C' lik bir temperatürde bu dönüşme 2 ila 3 saat içinde tamamlanır. Bu usule benzeyen Neckar metodunda soda fazlası tatbik edilir ve böylece: Ca(HCO3)2 + Na2CO3 → CaCO3 + 2NaHCO3
200
reaksiyon denklemi gereğince sodyum bikarbonat teşekkül eder. Bunun sonucunda ise kazanda Na2CO3, CO2 ve H2O' ya parçalanır veya bu parçalanma; Na2CO3 + H2O → 2NaOH + CO2 reaksiyonu gereğince NaOH teşekkülü lehine de cereyan eder. Bu suretle kazanda ayrılmış bulunan kireç çamuru, sodanın fazlası ve teşekkül eden hidroksit kazandan bir miktar su ile beraber çekilir ve su tasfiye apareyine tekrar gönderilir. Burada soda yerine sodyum hidroksit de vazife görebilir. Bu durumda; Ca(HCO3)2 + 2NaOH → CaCO3 + Na2CO3 + 2H2O Mg(HCO3)2 + 4NaOH → Mg(OH)2 + 2Na2CO3 + 2H2O reaksiyonları neticesinde teşekkül eden karbonat, alçıyı da karbonat olarak çöktürür. CaSO4 + Na2CO3 → Na2SO4 + CaCO3 Kireç soda yönteminde ve keza Neckar yönteminde devamlı kontrol yapıldığı taktirde suyun sertliğini 3 ile 5 Alman sert1iğine kadar düşürmek mümkün olur. Burada bakiye sertlik olarak kalan kısım çözünmüş bulunan CaCO3 ve Mg(OH)2' den ileri gelir. b) Reisert Yöntemi:
Reisert-Baryt yönteminde baryum tuzları kullanılır. Bu maksatla çöktürme vasıtası olarak taze çöktürülmüş baryum karbonat, baryum klorür veya baryum hidroksit' den istifade edilir. Bu yöntemde sertlik bir Alman sertlik derecesinden aşağı düşürülür. CaSO4 + BaCO3 → BaSO4 + CaCO3 c)Trifosfat Yöntemi:
Bu yöntemde trisodyumfosfat (Na3PO4.12H2O) kullanılarak aşağıda gösterilen reaksiyon denklemlerine göre su saflaştırılması yapılır. 3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2 + 6NaHCO3 3Mg(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2 + 6NaHCO3 3CaSO4 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2 + 3Na2SO4 3MgCl2 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2 + 6NaCI Burada ham suyun metre küpü ve her bir sertlik derecesi başına 16-20 gr trifosfat kullanılır ve 70oC temperatürde bir saatlik zaman zarfında sertlik hemen hemen sıfır Alman sertlik derecesine kadar düşer. Bu yöntem kireç-soda yöntemine göre daha üstündür ve ayrılan çöketti kaba lapa şeklinde olup cidarlara ısının tesiri altında kaynayarak yapışmaz. Kullanılan trifosfatın fazlası ise mevcut kazan taşını çözebilir. Ancak trifosfatın fiyatı yüksek olduğu için genel olarak ham suyun bir ön yumuşatılması yapılır ve bu işlemde kireç soda yöntemi tatbik edilir.
3. DENEYİN YAPILIŞI 1- Sabun Çözeltisi Kullanarak Bir Su Numunesinin Sertliğinin Belirlenmesi 201
Gerekli Ekipman
Büret (100ml), spor, mezür (250 ml), Kapaklı erlen (250ml), Sabun Çözeltisi (1L) Prosedür
Sabun çözeltisi ile büreti doldurunuz ve spora büreti tutturunuz. Mezür kullanarak su numunesinin hacmini ölçünüz (50 veya 100 ml). Su numunesini kapaklı erlene transfer ediniz. Kapaklı erlene 1 ml sabun çözeltisi titre ediniz ve erlen muhtevasını çalkalayınız. Sabun köpüğü oluşana kadar sabun çözeltisi ilavesini tekrarlayınız. Su numunesine ilave edilen sabun çözeltisinin miktarını hesaplayınız. Seriliğin Hesaplanması
Sabun çözeltisinin 1 ml = 1 mg CaCO3'a denktir. İlave edilen sabun çözeltisinin hacmi (ml) x 1000 mg CaCO3 Suyun sertliği = --------------------------------------------------------------------------------Su numunesinin hacmi (ml) .
Örneğin, eğer köpük oluşumundan önce 100 ml su numunesi için 10 ml çözeltisi titre edilmişse, o zaman sertlik: 20x1000 ----------- = 200 mg CaCO3 / L su 100
2-Geçici Sertlik Tayini Gerekli Malzemeler; 500 ml erlenmayer, büret, HCl (0,1N), metil oranj indikatör çözeltisi Deney Yontemi ; 100 ml. örnek alınarak 2-3 damla metil oranj damlatılır. Renk dönünceye kadar 0.1 N HCl ile titre edilir. Tepkimeler;
Ca(HCO3}2 + 2HCI → CaCl2 + 2H2O + 2CO2 Mg(HCO3)2 + 2HCI → MgCl2 + 2H2O + 2CO2 Kullanılan HCl miktarı a ml. ise suyun geçici sertliği (a - 0,15), 2,8 ASo dir. Burada 0,15 metiloranj renk dönüşümü için düzeltme faktörüdür.
3- EDTA Titrasyonu ile Toplam Sertlik Tayini Etilendiamintetraasetik asit ve onun sodyum tuzları (kısa adı EDTA}, metal katyonları ile chelat kompleksleri oluştururlar. Bu maddenin Ca+2 ve Mg+2 ile verdiği kompleksler renksizdir. Ca - EDTA kompleksi Mg-EDTA kompleksinden daha sağlamdır . İndikatörler; Erio Chrome Black T: Bu maddenin Mg+2 indikatör kompleksi, Ca+2 indikatör kompleksinden daha sağlamdır. Indikatörün pH aralığı 8,5 - 11,5'tir. İndikatörün damıtık su
202
ile yapılan çözeltisinde mavi Mg++ ve Ca++ kompleksleri halinde ise şarap kırmızısı rengindedir. Ca++ ve Mg++ nin EDTA kompleksleri indikatör ile vermiş olduğu komplekslerden daha sağlam olduğundan, EDTA Ca+2 ve Mg+2'yiu indikatörle vermiş oldukları komplekslerden çekebilir. Ca++ ve Mg++ içeren tamponlanmış çözeltiye 2-3 damla erio chrome black T indikatöru ilave edilince çözelti şarap kırmızısı olur. EDTA çözeltisi ilave edilince önce Ca++ yi sonra da Mg ++ yi indikatörle vermiş olduğu komplekslerden çeker. Ca++ ve Mg++ nin tümü ile kompleks verecek miktarda EDTA ilave edildiğinde çözelti mavi renge döner. Bu renk indikatörün kompleks vermediği renktir. Dönüm noktasında renk değişimi kesindir (şarap kırmızısı-mormavi). Amonyum purpurat (mürexit): Bu madde pH: 12 dolayında mor renk verir Ca++ varlığında ise renk pembeye döner. EDTA Ca++ yi purpuratla vermiş olduğu kompleksten çeker. Böylece amonyum purpuratın mor rengi geri gelir. Mg++ bu pH'da purpuratla kompleks vermediğinden Mg++ varlığında da Ca++ titre edilebilir. Titrasyanda EDTA çözeltisi, indikatör olarak da amonyumpurpurat kullanılır.
3.1- Toplam Sertlik Tayini: Gerekli Çözeltiler:
a) EDTA titrasyon çözeltisi (0,02 N) : 3,72 9 EDTA (Molekül ağırlığı 372,25 g) tartılır. 1 litre damıtık suda çözütür. Bu çözeltinin bir ml'si 0,4004 mg kalsiyuma eşdeğerdir. standart kalsiyum çözeltisi ile ayarlanır. b) Standart kalsiyum çözeltisi: 100 mg saf CaCO3 biraz hidroklorik asitte çözülür ve damıtık su ile 100 ml'ye tamamlanır. Bu çözelti EDTA çözeltisini ayarlamada kullanılır ve EDTA çözeltisi faktörü şu farmülden hesaplanır. ' CaCO3 (mg) Faktör (f) =------------------EDTA (ml) c) İndikatör Çözeltisi: 0,5 g erio chrome black T tartılarak 100 ml %60-80'lik etil alkolde çözülür. d) Tampon Çözeltisi: 67,5 g amonyum klorür (NH4Cl) 570 ml derişik amonyak (NH3) da çözülür ve damıtık su ile litreye tamamlanır. Deney Yöntemi: 25 ml örnek, bir erlende damltık su ile yaklaşık 50 ml'ye seyreltilir. 1 ml tampon çözeltisi ve 1-2 damla indikatör çözeltisi ilave edilir. EDTA çözeltisi ile renk şarap kırmızısınden mavi renge dönünceye kadar titre edilir.
Hesaplama: EDTA (ml) x 1000 xf Toplam Sertlik =------------------------------ (ppm CaCO3) Örnek (ml)
3.2-Kalsiyum Sertliği Tayini: Gerekli Çözeltiler: 203
a) N NaOH çözeltisi b) Indikatör çözeltisi: 50 mg amonyum purpuratın 50 ml mutlak alkolle süspansiyonu yapılır. Deney Yöntemi: 50-100 ml örnek alınır.1-2 ml N NaOH çözeltisi ilave edilip 3-5 damla indikatör süspaniyonu damlatllır.Renk pembeden leylak moruna dönünceye kadar EDTA çözeltisi ile titre edilir.
Hesaplama: EDTA (ml) . 1000. f Kalsiyum Sertliği= ---------------------------- (ppm CaCO3) Örnek (ml) EDTA (ml) . 400,4. f Kalsiyum = ------------------------------(ppm Ca) Örnek (ml)
3.3-Magnezyum Sertliği Tayini: Toplam sertlikten (ppm CaCO3), kalsiyum sertliği (ppm CaCO3) çıkarılırsa magnezyum sertliği (ppm CaCO3) bulunur. Eğer sonuç magnezyum cinsinden istenirse; Magnezyum sertliği (ppm CaCO3) . 0,24 = Magnezyum sertliği (ppm Mg) ya da sonuç MgO cinsinden verilir. Mg Sertliği (ppm. Mg) . 40,31 Mg Sertliği (ppm MgO) = ----------------------------------------24,31 Kaynaklar: 1- Sınai Kimya Öğrenci Laboratuvarı Çalışma Yönergeleri, Komisyon, ITÜ.,Yayınlarl, 1982. İstanbul. 2- Sınai Kimya Analiz Metodları, S.R.Alpar, M.I.Hakdiyen, T.Bigat, Istanbul. 1982 3- Selçuk Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Sınai Kimya Laboratuvar Notları, 1980, Konya,. 4- Organik Sınai Kimya ,S.R:Alpar. 1982, İstanbul. 5- Genel ve Anorganik Kimya, H.i. Özdemir, 1981, İstanbul. 6- Kimyasal Proses Endüstrisi, A.I.Çataltaş, 1985, İstanbul. 7- Anorganik Sınai Kimya, A.Özbek. n. Kinay~lu, 1980, İstanbul.
204
KARBONATLI BAKIR CEVHERLERİNİN ASİT LİÇİNGİ
1. DENEYİN AMACI Sülfürik asit çözeltileri kullanılarak malahit cevherinin liç edilmesi ve çözünmeye etki eden parametrelerin (karıştırma hızı, zaman, asit konsantrasyonu, tane boyutu, sıcaklık v.s.) etkilerinin incelenmesi.
2. KURAMSAL TEMELLER 2.1) Hidrometalurjik Ekstraksiyon Hidrometalurjik ekstraksiyon; cevher içerisindeki metallerin sulu ortamda(çeşitli metalurjik işlemler uygulanarak)kazanılması işlemidir. Günümüzde bakırın büyük bir kısmı pirometalurjik (Ön işlemler sonucu elde edilen zenginleştirilmiş konsantre cevherler metal üretim aşamasında hammadde niteliği taşımaktadır. Bu konsantre cevherler bir takım ısıl işlemlerden geçirilerek metal elde edilir) yöntemlerle elde edilmektedir. Buna rağmen, hidrometalurjik yöntemler ekonomik yönden alternatif teşkil ettiği gibi, yaş metotlara kolayca tatbik edilmesinden dolayı da oksitli metaller için uygundur. Uzun yıllar bakır üretim teknolojisinde kayda değer bir ilerleme görülmemiştir. Fakat bir yandan cevherdeki metal yüzdesinin devamlı azalması, pirometalurjik metotların artan maliyetleri ve diğer yandan pirometalurjinin hava kirliliğine neden olması hidrometalurjinin gelişmesinde önem kazanmıştır. Hidrometalurji eski metal üretim sanatı olan pirometalurji ile karşılaştırıldığında, nispeten yeni bir gelişmedir. 205
Modern metalurji bilimi olan hidrometalurji, cevher içindeki altını çözmek ve çinko tozu ile çöktürmek için kullanılan “Siyanürleme Prosesi” ve yüksek basınç ve sıcaklıkta alümina üretmek için kullanılan “Bayer Prosesi” adlı iki prosesin ortaya çıktığı 19. yüzyılın sonlarına doğru kullanılmaya başlanmıştır. Bundan sonra hidrometalurji ilerlemeye devam etmiş, hatta pirometalurjinin yerini almıştır. Günümüzde bakıra olan büyük ihtiyaç, düşük yüzdeli cevher yataklarının işletilmesini zorunlu kılar. Bu yatakların işletilmesi sadece hidrometalurji ile ekonomik olmaktadır. Düşük yüzdeli oksitli bakır cevherlerinin rezerv durumu oldukça yüksektir. Bu tip cevherlere pirometalurjik yöntemlerin uygulanması işletme maliyetlerini arttırmaktadır. Bu nedenle, bu tip cevherlerin işletilmesi hemen hemen imkansızdır. Günümüzde hidrometalurjinin ilerlemesi ve bu metodun bilhassa oksitli cevherlere uygulanabilmesi hidrometalurjik prosesleri cazip hale getirmiştir. Bugün hidrometalurjik yöntemler dünya bakır üretim piyasasında önemli bir yer oluşturmaktadır. Son zamanlarda yapılan çalışmalar hidrometalurjiyi daha da ileri seviyelere taşıyacak derecededir. Pek çok ülke hidrometalujinin gelişimi için araştırma ve geliştirme projelerini desteklemektedir. Hidrometalurjinin gelişmesinde birçok önemli faktör bulunmaktadır. Pirometalurjik yöntemlerin yerini alabilecek derecede olan hidrometalurjinin avantajları aşağıda verilmiştir. Hidrometalurjide kullanılan başlıca üç temel işlem vardır: 1) Liçing işlemi; uygun bir reaktif kullanılarak cevherin bir kısmının veya tamamının çözündürülme işlemidir. Liçing sonucunda çözünebilen metal çözeltiye geçer, çözünmeyen kısımlarda atık içinde kalır. Atık süzme işlemiyle ortamdan uzaklaştırılır. 2) Çözeltinin saflaştırılması; liçing işlemi sonucunda, atık kısımlardan ayrıştırılmış çözelti saflaştırma işlemine tabi tutulur. 3) Çöktürme işlemi; liç çözeltisindeki çözünmüş metal veya bileşikler çöktürücü reaktifler kullanılarak çöktürme işlemleri sonucunda elde edilir.
2.2) Liç Reaktifleri Oksitli bakır cevherleri için geniş ölçüde kullanılan liç reaktifi seyreltik sülfürik asittir. Zira bu asit çözelti bakırı iyi derecede çözmekle kalmaz, aynı zamanda bakırı, çökeltme ve elde etme işlemleri içinde uygun hale getirir. Fakat bu asit, bakır mineralleri ile birlikte karbonat, silikat ve oksit gibi bileşiklerden ibaret olan gang malzemesini de etkilemektedir. Bu bileşiklerden başka bakır içeren cevherler için kullanılan çeşitli liç reaktifleri de vardır. Bu reaktifler: HNO3, HNO3+HCl, Fe2(SO4)3, FeCl3+CuCl2, KCN, NaCN çözeltileri ile SO2, H2S, Cl2 gibi endüstriyel uygulamaları olan gazlardır. Liçing işlemi uygulanırken yukarıdaki reaktiflerden herhangi birisi kullanılabilir. Reaktiflerin belli konsantrasyondaki cevherlerle muamelesi sonucu çözme işlemi gerçekleştirilir. Reaktif konsantrasyonu ve çözündürme süresinin arttırılması liç verimini artırır. Aşırı çözücü kullanılması veya zamanın fazlası safsızlıkların (çözeltide bulunması istenmeyen demir, alüminyum v.s.) çözeltiye geçmesine sebep olur. Bunun için, çözündürme süresi ve reaktif konsantrasyonunun dikkatli olarak seçilmesi gereklidir. Aynı zamanda, sıcaklık da
206
çözündürme verimini artıran bir parametredir. Fakat ısıtma masraflarından dolayı bazı işletme şartları için ekonomik olmayabilir. Reaktif seçiminde, dikkat edilmesi gerekli olan faktörler şunlardır: 1) Cevherin fiziksel ve kimyasal özellikleri 2) Reaktifin maliyeti 3) Reaktifin rejenere edilerek kazanıldıktan sonra yeniden kullanılabilme özelliği 4) Reaktifin toksit olup olmaması 5) Reaktifin korozif özelliği, konstrüksiyon malzemesinin maliyeti
2.3) Liç Yöntemleri Bir katı sıvı ekstraksiyon olan liçing, çeşitli yöntemlere göre yapılmaktadır. Bir liç yönteminin seçiminde en etkili faktör, cevherin tenör ve tonajıdır. Ayrıca; mineralin cinsi, cevher ve yantaşlar tarafından tüketilen asit miktarı, sertlik derecesi, yan ürünlerin değerlendirilmesi de liç yönteminin seçiminde etkili faktörlerdir. Endüstride Kullanılan Liçing Yöntemleri: 1) Yerinde (mahallinde) liçing 2) Yığın halinde liçing 3) Süzme liçingi 4) Karıştırmalı liçing 5) Basınç altında liçing 6) Bakterilerle liçing (Biyoliçing) 7) Amonyak liçingi
2.3.1) Yerinde (mahallinde) liçing (in situ): Maden işletme giderlerini karşılamayacak derecede fakir olan bakır yataklarına uygulanan bir işlemdir. Geçirgenlik ve mineral çözünebilirliği, yerinde liç işlemi için uygun şartları oluşturur. İşlemin uygulandığı yataklarda büyük fayların varlığı aşırı çözelti kaybına neden olabilir. Yataktaki dolomit, kalsit, biotit ve kil mineralleri yerinde liç işlemini zorlaştırmaktadır. Yerinde liçing, yer altı bakır ocaklarının göçükler sonucunda çatlamış olan bölgelerinde, rutubet ve hava ile temas sonucunda oksitlenen cevherlere uygulanır. Cevher bulunduğu yerde parçalarına ayrıştırılır ve hidrostatik basınç altında oksijen verilerek çözücüyle temas ettirilir. Kullanılan çözücü genellikle seyreltik sülfürik asittir. Bu liçing işlemi çok uzun süreli olup ortalama 5-15 yıl devam etmektedir. Elde edilen bakır sülfat bir tünelde toplanır. Bu yöntem ile ilgili yapılan son uygulamalar aşağıda verilmiştir. 1) Yerinde liçing işlemine tabi tutulacak cevher, maden sahasında injeksiyon sistemi ve yüzeye doğrudan çözücü ilavesiyle yapılır. Oluşan doygun çözeltiler alt bölgelerdeki havuz ve tanklar içerisinde toplanır. 2) Liç çözeltisi cevher içine injeksiyon vasıtasıyla oksijen basıncı uygulanarak verilir. Bu durumda elde edilen çözelti basıncın etkisi ile yukarıya doğru
207
hareket edeceğinden üst kısımlarda toplanır ve bakır kazanma ünitelerine gönderilir. Yerinde liçing işleminin uygulanabilmesi için, elde edilmek istenen metal liç reaktifi ile fazla miktarda çözülebilir türden olmalıdır ve yerinde liç işleminin uygulandığı maden sahasında liç çözeltisinin cevher içindeki akışı ve cevher parçacıklarıyla olan temasının iyi derecede olması gereklidir.
2.3.2) Yığın halinde liçing (heap ve dump) : Bu metotta yukarıda anlatılan yerinde liçing işleminin aksine, cevher maden ocağından uzaklaştırılmalıdır. Bu işlemin uygulanabilmesi için cevherin belli boyutlara ayrıştırılması gereklidir. Boyutlandırılmış cevher geçirgen olmayan bir tabaka üzerine yığınlar halinde yerleştirilir. Liç çözeltileri yığın üzerine değişik şekillerde (yağmurlama, duş vs.) uygulanabilir ve üst taraftan ilave edilen çözeltiler cevher içerisinden geçtikten sonra altta toplanır. Liç işleminden sonra elde edilen çözeltide bakır sülfat oluşur. Liçing işleminin tamamlanmasının ardından cevher elektrik ve buharla çalışan kazıyıcılar yardımıyla kamyonlara yüklenerek kırma ve eleme tesislerine sevkedilirler. Bakırın sülfürlü bileşiklerini sülfata dönüştürmek için gerekli olan oksijen, cevherin yeteri derecede havalandırılması ile sağlanabilir. Liçing esnasında yerçekiminin etkisiyle çözelti, cevher içerisine çok iyi derecede nüfuz eder. Bu işlemde verimi arttırmak için yığınların havalanması kolaylaştırılmalı ve liç çözeltisinin yığın içindeki her bölgeye çok iyi bir şekilde dağılmasını sağlamak gereklidir. Oksidasyon potansiyeli ve pH kontrolü ile verim daha da yükseltilir. Heap ve Dump liçingi arasında birkaç farklar aşağıda verilmiştir. 1) Heap liçingi yüksek tenörlü cevherler için uygundur. Heap liçinginde bakır oranı %0.5-0.2 olmalıdır. Dump liçingi tenör oranı düşük olan cevherler için kullanışlıdır. Bu tip cevherlerde bakır oranı genelde %0.2’dir. Ayrıca Dump liçingi atık durumdaki kayalara da uygulanabilmektedir. 2) Heap liçing işleminde cevher madenden çıkarıldığı boyutlarda kullanılmaz. Bunun belli boyutlara öğütülmesi gereklidir. Oysa Dump liçinginde ise cevherler öğütülmeye gerek kalmadan doğrudan kullanılabilir. 3) Heap liçinginde cevher özel tabakalar halinde istiflenir. Dump liçinginde ise cevher topoğrafik yöntemlerle yığılır. 4) Heap liçingi oksitli, sülfürlü ve silikatlı cevherlere kolaylıkla uygulanabilir. Dump liçingi ise oksitli ve sülfürlü cevherler için uygundur. 5) Heap liçingi için gerekli olan süre gün ve ay şeklindedir. Dump liçingin de bu süre yıllar sürebilmektedir. Yığın liçingi bakır haricindeki diğer metaller için de kullanılabilir. İspanyanın Rio-Tinto tesislerinde bakır cevherleri yığın halinde liç edilmektedir. USA Nevada maden ocaklarında ise bakır dışı metaller kullanılır. Bu ocaklar günlük 24 saat çalışarak %76 oranında NaCN’le Heap liçingi yapılır ve altın elde edilir.
2.3.3) Süzme liçingi (Vat Liçingi=Tekne Liçingi): Bu liçing işlemine tabanı geçirgen malzeme ile kaplanmış tanklar içinde yapılır. Bu tanklar şekil olarak prizmatik olup, genellikle betondan yapılmıştırlar. Tank içine yüklenecek olan cevherin bakır oranı %1-2 ve boyutu –1 cm’ye kadar öğütülmüş olmalıdır. Çözücü, tank içine üst veya alt kısımdan verilir ve cevher ile iyi bir karışım meydana gelmesi sağlanır. Liçing işleminde genelde birden fazla tank (4-7 tank) seri halde birbirine bağlanır. Tanklar ters akım prensibine göre çalışır. İlk iki
208
ve üçüncü tanktan gelen doygun çözeltiler elektrolit olarak kullanılır. Sürekli çalışan vatta çözelti devamlı akış halindedir. Süzme liçinginde süre 5-10 gün ile sınırlıdır. Liçing işlemi sonucunda vatlar bol miktarda su ile yıkanarak, çözeltinin temiz olması sağlanır.
2.3.4) Karıştırma liçingi (Agitation): Liçing işlemlerinde en çok kullanılan metottur. Karıştırma işlemi mevcut tanklar içerisinde ortam basıncında veya otoklav içinde yüksek basınç altında gerçekleştirilir. Karıştırma liçinginin uygulanabilmesi için cevherin ince öğütülmesi gereklidir. Öğütülmüş cevherler karıştırma işlemine tabi tutularak liç edilirler. Karıştırma işlemi mekanik veya basınçlı hava yardımı ile yapılır. Tanklar genellikle 50-200 m3 hacimli ve kullanılan tank sayısı 3-4 tanedir. Karıştırmalı liçing işleminde liç verimi oldukça yüksektir. Buna bağlı olarak liç süresi (ortalama 2-5 saat) de oldukça kısadır. Liç süresinin kısa olması önemli bir avantaj teşkil etmektedir. Liçing işleminde çeşitli şartlar sağlanırsa %100 oranında verim elde edilebilir. Verimi yükseltebilmek için; katı ince öğütülmeli, asit konsantrasyonu yüksek olmalı ve karıştırmanın uygun yapılması gereklidir. Liç işleminin daha hızlı olması için de, yüksek sıcaklıkta çalışılır. Elde edilen çamur dinlendirilerek berraklaştırılır. Karıştırma işlemi yapılırken ortam sıcaklığının arttırılması liçing verimini yükseltir ve liç süresini kısaltır. Fakat sıcaklık enerji maliyetlerini ortaya çıkardığı için çözme (liçing) işlemlerinde kullanılması istenmez. Elde edilen çözelti dinlendirildikten sonra gang kısımlar dibe çöker, çözelti berraklaşır. Karıştırma liçinginin üstün yönleri ve süzme liçinginden ayıran özellikleri aşağıda sıralanmıştır. 1) Karıştırma liçinginde yığın haline getirme işlemi yapılmamakla birlikte, ince öğütülmüş cevherler sürekli çalışan tanklarda devamlı karıştırma işlemi yapılarak yürütülür. 2) Sistemde meydana gelen pulpun kum ve çamur halinde ayrıştırılması klasifikatörler yardımıyla yapılmaktadır. 3) Çamurun yıkanma işlemi ters akımlı dekantasyon metotlarının uygulandığı koyulaştırıcılarda yapılır. 4) Kullanılan reaktifin özelliğini göre, yapılan liç işleminde çözelti içinde bulunma ihtimali olan demir ve alüminyum gibi safsızlıkların sistemden uzaklaştırılması mümkün olabilmektedir. Oksitli bakır cevherlerinin liçinginde kullanılan en önemli reaktiflerden biri sülfürik asittir. Bakırın iki değerlikli oksitlerini kolayca çözmesi, maliyetinin düşük olması, geri kazanılabilme özelliği (elektrolizle kazanma), düşük konsantrasyonlarda bile yüksek liç veriminin elde edilmesi, diğer çözünmesi istenmeyen safsızlıkların seyreltik sülfürik asit çözeltilerinde az çözünmeleri ve korozyon özelliğinin az olması diğer reaktiflere göre sülfürik asitin en önemli avantajlarıdır. Sülfürik asit ile oksitli bakır minerallerinin kimyasal reaksiyonları şöyledir. CuCO3.Cu(OH)2 + 2 H2SO4 → 2 CuSO4 + CO2 + 3 H2O 2 CuCO3.Cu(OH)2 + 2 H2SO4 → 3 CuSO4 + 2 CO2 + 4 H2O CuSiO3.2H2O + H2SO4 → CuSO4 + SiO2 + 3 H2O CuO + H2SO4 → CuSO4 + H2O 209
Cu2O + H2SO4 → CuSO4 + Cu + H2O O2 + Cu2O + H2SO4 + SO2 → 2 CuSO4 + H2O Bakırın karıştırma metodu kullanılarak üretimi Kongo’da Union Miniere du Haut Katanga şirketi tarafından yapılmaktadır. Şirketin günlük kapasitesi 10.000 tondur. Bundan başka bu yörede kurulmuş ikinci tesis Nothern Rhodesian Copper firması diğer tesisten 20 misli daha fazla kapasitede üretim yapmaktadır.
2.3.5) Basınç altında liçing: Basınç altında liçing işlemi hidrometalurjide en avantajlı görülen bir teknolojidir. Bu teknoloji hızlı bir şekilde ilerlemektedir. Pulp liçingi için kullanılan otoklavlar yatay, dikey, küresel veya uzun yatay borular şeklinde olabilir. Bu tip tanklarda karıştırma işlemi otoklavın kendi yatay ekseni etrafında dönmesi sonucu meydana gelir. Basınç altında liçing işlemi genellikle sülfürlü bakır cevherlerine uygulanır. Yüksek sıcaklıklarda çözünmeyen metal sülfürler, basınç altında oksijenle kolayca çözünürler. Liçing işlemi otoklav içinde gerçekleştirildiği için ortamın sıcaklığı ve pH sının etkisi oldukça fazladır. Bu şekilde gerçekleştirilen işlemde metal sülfürler oksijenin etkisiyle metal oksitlere, kükürt ise elementel kükürt, hidrojen sülfür, polisülfür, tiosülfat ve sülfat formlarına dönüştürülür. 2.3.6) Bakterilerle liçing (bio-liçing): Bakteriler kullanılarak gerçekleştirilen liçing işlemi daha çok 1940’ta bakterilerin keşfedilmesi ile ortaya çıkmıştır. 1960’lı yıllardan sonra endüstriyel anlamda ilerleme kaydedilmiştir. Bu metot daha çok tenör oranı düşük olan sülfürlü mineraller için uygulanmaktadır. Sülfürlü mineralleri yükseltgeyen birçok bakteri mevcuttur. Bunlardan başlıca olanları aşağıda verilmiştir. -
Thibacillus Thioxidan (Th. t.) Thibacillus Concretivorus (Th. c.) Thibacillus Ferrooxidan (Th. f.) Ferrobacillus Ferrooxidan (F. f.)
Sülfürlü minerallerin bakteri liçinginde, bakterilerin yanı sıra seyreltik sülfürik asitin kullanılmasıyla çözünme hızı artmıştır. Bu olay, bakterilerin asitli ortamda asit tarafından beslendiklerine işaret etmektedir. Bakteriler, tenör oranı düşük olan sülfürlü cevherlerin liçinginde kullanılan ferrik sülfat ve sülfürik asit üretmektedirler. Son zamanlarda bu alanda yapılan çalışmalar daha çok özel bakterilerin kullanıldığı liçing işlemleri içindir. Bakteri liçingi işlemiyle çalışan tesisler; İngiltere’de Warren Spring laboratuarı, USA’da Battelle, Şili’de Chuquicamata maden işletmeleridir. Bu tesislerde liçing işlemi, düşük tenörlü cevherlerin oksitlenmesine yöneliktir.
2.3.7) Amonyak liçingi: USA’nın Alaska eyaletinde kurulan Kennecott Copper şirketinin işletmiş olduğu bakır cevherlerinin yarısı sülfürlü, diğer yarısı da malahit ve azuritten oluşmaktadır. Cevherler flotasyon işlemi gördükten sonra bakırın yaklaşık %1’i karbonat halinde teylingde kalmıştır. Teyling içindeki bakırın kazanılması için iki yöntem uygulanmıştır. Birinci yöntemde, teylingler sülfürleştirilip, yüzdürme işlemi yapılır. İkinci yöntemde ise, amonyak ile liç edilir. Bu liçing işlemi sonunda yüksek tenörlü konsantre elde edilir. Konsantre çözeltideki bakır %70 oranındadır. 210
Bakır amonyakla liç edildikten sonra, çözeltideki bakır ve amonyağın kazanılması işlemleri yapılmaktadır. Bu yüzden tesislerde distilasyon cihazları kurulmuştur. Amonyağın uçucu özelliğinden dolayı liç tankları tamamen kapalı olup, buhar sızdırmaz özelliğe sahiptir. Bu tesislerde günlük 500 ton cevher işlenmektedir. Liç işlemi 12 saat sürmektedir. Konsantrasyon tesislerinden alınan suyu giderilmiş teylingler mevcut bir delikten tank içine şarj edilir. Kullanılan amonyak çözeltisi ise tankın alt kısmından gönderilir. Gerekli olan liç süresinin sonunda bakırca zenginleştirilmiş konsantre çözelti dışarı alınır ve ihtiva ettiği bakırın kazanılması için buharlaştırma ünitelerine gönderilir.
3. DENEY DÜZENEĞİ ve DENEYİN YAPILIŞI
3.1) Liç İşleminin yapılacağı düzenek Liç işlemi, sabit hacimli bir cam reaktörde gerçekleştirilecektir. Deney esnasında karıştırma işlemi; karıştırma hızı ayarlanabilen dijital göstergeli bir mekanik karıştırıcı yardımıyla yapılacaktır. Deney esnasında sıcaklığı devamlı sabit tutmak amacıyla sabit sıcaklıklı ve dijital sıcaklık kontrollü bir su banyosu kullanılacaktır. Ayrıca, buharlaşma kayıplarını önlemek amacıyla cam reaktöre bir geri soğutucu bağlanacaktır.
3.2) Cevherdeki bakır analizi İnce öğütülmüş cevherden 1 g alınır. 10 mL derişik HCl çözeltisi ilave edilir. Çözeltiyi atık kısımlardan ayırmak amacıyla süzülür. Süzüntü belli bir hacme tamamlanır. Bu çözeltiden belli hacimde alınır. Çözeltiye geçme ihtimali olan Fe+2 iyonlarını Fe+3’e yükseltgeyip çöktürmek için birkaç damla H2O2 ilave edilir. H2O2’in fazlalığı uçurulduktan sonra, pH ayarlanarak demirin çökmesi sağlanır. Karışım, mavi bant süzgeç kağıdından süzülür ve süzüntünün pH’sı 6,5’a ayarlanır,sonra müreksit indikatörü eşliğinde renk portakal sarısından koyu menekşeye dönünceye kadar (renkte değişim olmayana kadar) Triplex-III çözeltisi ile titre edilir.
3.3) Deneyin Yapılışı Diğer parametrelerin değerleri sabit tutularak reaktif konsantrasyonunun etkisini incelemek amacıyla; değişik konsantrasyonlarda (%3-5-10 v.s.) sülfürik asit çözeltileri hazırlanır. Katı/sıvı oranına bağlı olarak, tane boyutu belli olan katı ve belli konsantrasyondaki sülfürik asit çözeltisi reaktöre konularak aynı anda karıştırma işlemi sabit hızda başlatılır. Reaksiyon süresi sonunda, reaktör muhtevaları bekletilmeden süzülür. Liç çözeltisindeki bakır ve demir miktarları kompleksometrik yöntemle tayin edilerek çözünme yüzdesi hesaplanır.
211
3.4) Liç çözeltisindeki bakır analizi Belirli hacimde alınan çözeltiye hidrojen peroksit (H2O2) ilavesiyle Fe+2, Fe+3’e yükseltgendikten sonra, çöktürülen Fe(OH)3 süzülür. Süzülen çözeltinin pH’sı 6,5’e ayarlanır ve müreksit indikatörü ilave edilir, 0,01 M’lık Triplex-III çözeltisi ile renk portakal sarısından koyu menekşeye dönünceye kadar titre edilir. Harcanan 0,01 M’lık 1 ml Tripleks-III çözeltisi 0,6354 mg bakıra eşdeğerdedir. Harcanan komplekson çözeltisinin ml’si aşağıdaki gibi hesaplanır.
belirlendikten sonra çözeltideki bakır miktarı
Çözünen bakırın cevher ağırlığına göre yüzdesi: % Cu =
0,6354 x Harcanan Triplex - III (ml) x Çözelti hacmi (ml) x100 Alınan hacim (ml) x Cevher ağırlığı (mg)
Cevherde mevcut bakırın çözündürülen yüzdesi: Bakırın Çözünme % si =
Çözeltideki bakır miktarı x100 Toplam bakır miktarı
3.5) Liç çözeltisinde demir tayini Bu analizin yapılabilmesi için çözeltideki demir iyonlarının Fe+3 halde olması gereklidir. Şayet çözeltide Fe+2 iyonları varsa, çözeltiye birkaç damla H2O2 ilave edilerek, Fe+2 iyonlarının Fe+3’e yükseltgenmelidir. 20 mg Fe+3/100 mL konsantrasyonuna sahip çözeltiden belli hacimde alınır. Seyreltik HCl çözeltisi ile çözeltinin pH 2,5’a ayarlanır. 1 mL sülfosalisilik asit çözeltisi (indikatör) ilave edilir. Oluşan kırmızı renk kayboluncaya kadar, 1/10 veya 1/100 M’lık Triplex III çözeltisi ile titrasyon yapılır. Harcanan (1/100 M) 1 mL Triplex-III çözeltisi 0,5584 mg Fe ihtiva eder. İndikatör Çözeltisi: Sülfosalisilik asit çözeltisi= 5 g sülfosalisilik asit + 95 ml H2O
Harcanan komplekson çözeltisinin ml’si aşağıdaki gibi hesaplanır.
belirlendikten sonra çözeltideki demir miktarı
Çözünen demirin cevher ağırlığına göre yüzdesi: % Fe =
0,5584 x Harcanan Triplex - III (ml) x Çözelti hacmi (ml) x100 Alınan hacim (ml) x Cevher ağırlığı (mg)
Cevherde mevcut demirin çözündürülen yüzdesi:
212
Demirin Çözünme % si =
Çözeltideki demir miktarı x100 Toplam demir miktarı
BAKIR SÜLFATLI ÇÖZELTİLERDEN BAKIRIN SEMENTASYONU
1- DENEYİN AMACI Bakır üretim metalurjisinde, seyreltik bakırlı çözeltinin demir tozuyla sementasyon edilmesi ve toplam bakır kazanma veriminin tartışılması.
2- TEORİ Sementasyon : Elektrokimyasal çöktürme metodu ve bir yer değiştirme reaksiyonudur. Çözelti veya eriyikteki bir metal çözelti veya eriyikte bulunan daha elektronegatif bir metalin yüzeyine çökmesi olayıdır. Semente bakırın işlenmesinin en yaygın metodu, eritme fırınlarında veya konverterlerde eritilmesi ve daha sonra alternatif bir metotda semente bakırın bazik sulu bir çözeltide çözmek ve takiben H2 gazı ile indirgemektir. Bu şekilde indirgenen ürün toz halinde (<150 mm) olup %99.9 saflıktadır. Demirden başka alüminyum, çinko gibi diğer metallerde sementasyon için kullanılır. Ancak daha pahalıdır. Bu sebeple demir kullanılmaktadır. Bakır endüstrisinde uygulandığı gibi bakır yüklü çözelti hurda demir yığını üzerinden geçirilerek bakır, demir üzerine çöktürülür. Çöken bakır levha ve toz şeklinde olabilir. Sement bakırın bileşimi %85-90 Cu, %0.2-2 Fe, %0.5
213
SiO2+H2O3, geriye kalan çeşitli safsızlıklardır. Ancak sement bakırın rafine edilmesi gerekmektedir. Sementasyon kimyası : Genel olarak sementasyon reaksiyonu şu şekilde gösterilebilir. M 1+2 + M 20 ↔ M 2+2 M 10
Burada M1 soy metali, M2 ise daha az soy metali temsil eder. Bu prosesin yürütücü kuvveti onların standart elektrokimyasal potansiyeli ve çözeltideki iyonların aktifliklerine bağlıdır. Bu potansiyel M1 ve M2 ‘nin yarı hücre potansiyelleri arasındaki farktır. E = E( M + 2 + 2e− ) − E ( M + 2 + 2e − ) 1
2
Eğer bir demir parçası bakır iyonları içeren sulu bir çözeltiye daldırılırsa metalik bakır çökmeye meylederken, demir çözeltiye geçme eğilimindedir. Bu reaksiyonun elektrokimyasal potansiyeli sürücü kuvvettir.
Cu +2 + Fe 0 → Cu 0 + Fe +2 E = E( Cu + 2 / Cu 0 ) − E ( Fe + 2 / Fe 0 ) E (Cu + 2 / Cu 0 ) = E(0Cu + 2 / Cu 0 ) −
RT 1 ln 2 F a Cu + 2
E ( Fe + 2 / Fe 0 ) = E (0Fe + 2 / Fe 0 ) −
RT 1 ln 2 F a Fe + 2
E = E(0Cu + 2 / Cu 0 ) − E (0Fe + 2 / Fe 0 ) −
RT a Fe + 2 ln 2 F a Cu + 2
Burada, T: Sıcaklık, F: Faraday sabiti (96500 culomb/ekivelant gram), R: Gaz sabiti (8.31 Joule/Kmol) dir. Standart redükleme potansiyeli bakır ve demir için sırası ile +0.34 ve -0.44 volttur. Bu değerler formülde yerine yazılırsa,
E = 0.78 −
RT a Fe + 2 ln 2 F aCu + 2
E sıfıra yaklaşıncaya (metaller ve iyonlar dengeye ulaşıncaya) kadar reaksiyon devam edecektir. Bu şartlar iyon konsantrasyonlarının dengeye geldiğinde belirlenir. İyonik denge oranı k hemen tamamen sağa yöneleceğini göstermektedir. Atmosferik oksijen M2’yi direkt olarak etkileyerek fazladan M2 tüketimine katkıda bulunur. Keza M1 ‘in bir kısmıda oksitlenebilir ve yeniden çözünebilir. Sementasyon prosesini etkileyen yan reaksiyonlar suyun ve çözünmüş oksijenin indirgenmesi yönündedir. 2H2O + 2e- → 2OH- + H2 O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
214
Reaksiyonuna göre bir mol demir (55.85 g) bir mol bakırı (63.54 g) semente eder. Bu değer 1 kg bakır başına 0.88 kg demir demektir. Endüstriyel uygulamalarda 1.5-2.5 kg demir aşağıdaki yan reaksiyonlardan dolayı alınmaktadır. FeO + 2Fe+3 → 3Fe+2 FeO + 2H+ → Fe+2 + H2O Yan reaksiyonların oluşumunu nispeten engellemek amacı ile sementasyon proseslerinin hemen hemen hepsinde sistem inert gazla (genellikle N2 gazı) beslenmektedir. Sementasyon reaksiyonu çözünen bir metal ile çöken soy metal arasında elektron transferi ile olur. Sementasyon reaksiyonu aşağıdaki genellemelere bağlıdır. a) M1 in çökme hızı çözeltide bulunan M2 konsantrasyonu kullanılan M2 metalinin alanı ve spesifik hız sabiti ile orantılıdır. b) M2 nin M1 iyonuna oranı ne kadar yüksek ise semantasyon reaksiyonunda M2 tüketimi de o kadar yüksek olur. c) Sistemden oksijen uzaklaştırılması M2 tüketimini azaltabilir. d) Türbülent akışlara ve kısa kalma zamanına göre ayarlanmış sementasyon reaktörleri tüketilen M2 için elde edilen M1 miktarını maksimum yapar. Havanın oksijeni doğrudan +2 değerli demiri oksitleyerek metalik demirin harcanmasına neden olur. Referans olarak hidrojen elektrodu kullanılarak inert Pt metal çubuğu 1M H+ çözeltisine daldırılmış ve içinden 1 atm basınçta ve 25OC H2 gazı geçirilerek ölçülen bazı maddelerin standart indirgenme elektrot potansiyelleri aşağıda verilmiştir.
Metal
Eo (volt)
K Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H2
-2.925 -2.866 -2.714 -2.363 -1.662 -1.185 -0.763 -0.744 -0.440 -0.403 -0.280 -0.250 -0.136 -0.126 0.000
215
Cu Ag Pt Au
+0.337 +0.799 +1.200 +1.498
Çökeltme Yöntemleri : 1. Yığın Çökelmesi : Su geçirmez bir alana yığılan kullanılmış demir parçaları üzerinden bakır içeren çözeltilerin geçirilmesi suretiyle yapılır. 2. Teknede Çökeltme: Çökeltme tekneleri uzunlukları 150 m, genişlikleri 6 m, derinlikleri ise 3 m olan içinde hücrelere bölünmüş tahta beton şeklinde büyük reaksiyon kaplarıdır. Üst bölüme çöktürücü olarak kullanılan hurda demir, sünger demir, demir levhalar veya kalayı alınmış teneke kutular yüklenir. Liç çözeltisi yüksek hızlarda çöktürücüler içinden geçer ve çöken bakır elekten geçerek eğimli tabanda toplanır. 3. Döner tamburla Çökeltme : Hurda demir yüklenen armut şeklindeki tamburların dönüşüyle çöken bakır çamur halinde dışarı akar ve filtre edilir. 4. Konik Çöktürücüler : Silindirik bir tank içine monte edilmiş ters koni şeklindeki reaksiyon kaplarıdır. Hurda veya toz demir kullanan iki tipi vardır. Koninin alt ucundaki bir borudan basınçla verilen bakırlı çözelti çöktürücü üzerine fıskiye halinde püskürtülür. Silindirik tankın içindeki ters koninin üst kısmını elek çevrelemektedir. Çöken bakır bu elekten geçerek 45o eğimli tabanda toplanarak çıkış borusuna doğru kayar.
3. DENEYİN YAPILIŞI CuSO4 çözeltisi hazırlanır. Bu çözeltideki bakır konsantrasyonu kompleksometrik yöntemle (pH 6.5, indikatör müreksit ve renk portakal sarısından koyu menekşe rengine dönene kadar EDTA ile titrasyon) tayin edilir. Üç tane beher alınır ve CuSO4 çözeltisinden eşit hacimde konulur. Her çözeltinin pH’sı sırasıyla 0,1 ve 2 olacak şekilde ayarlanır. Çözeltideki bakıra karşı gelen teorik miktardaki demir hesaplanır ve ayrı ayrı tartılarak beherlere ilave edilir, karıştırılır. Renk değişimleri ve gaz çıkışları izlenerek reaksiyonun bitişi beklenir. Çökme tamamlandıktan sonra çözelti filtre edilerek süzülür, oksitlenmenin önlenmesi için alkol+eter karışımı ile yıkanır. Elde edilen sement bakırlar etüvde kurutulduktan sonra tartılır ve böylece her bir pH için çökme verimi hesaplanır. Ayrıca çözeltide kalan bakır miktarı da kompleksometrik olarak tayin edilerek çöken bakır miktarları karşılaştırılır.
4. DENEYLE İLGİLİ HESAPLAMALAR 1.Her bir pH ya karşı gelen çökme verimini hesaplayınız. 2. pH ve çökme verimi grafik ediniz. 3. Deney sonuçlarını yorumlayınız.
216
5. KAYNAKLAR -
Cankut Sezai, Ekstraktif Metalurji, İ.T.Ü. Kütüphanesi, Sayı 884, İstanbul, 1972 Üretim Metalurjisi Laboratuarı El Kitabı, İ.T.Ü. Vakfı, Kitap No 23, 1988
217
