1
1. LİTERATÜR TARAMA 1.1. BENZENİN TANIMI VE ÖZELLİKLERİ Aromatik bileşiklerin en basiti benzendir. Ayrıca bilinen en eski organik bileşiklerden biridir. Benzenin nicel element analizi, % 92,3 C ve % 7,7 H olup bileşim formülü ‘’CH’’ dir. Buhar yoğunluğuna göre tayin edilen molekül ağırlığı 78 g/ mol’dür. Buna göre kapalı molekül formülü C6H6 olur. Bu kapalı formüle, düz zincirli ve halkalı olmak üzere birçok açık molekül formüllü karşılık gelebilir. Halkalı olan iki yapı formülünü aşağıda verilmiştir. Bunlardan biri Kekule öteki Dewar formülüdür.
Şekil 1.1.1. Benzen Molekülünün Birbirinden Farklı İki Yapısal Formülü
Genelde Kekule formülü benimsenmiştir. Halkalı bileşiklerde genellikle halkadaki C atomu ve buna bağlı olan H atomu yazılmayıp geometrik şekillerle gösterme geleneği vardır. Buna göre benzenin Kekule formülü aşağıdaki şekilde gösterilir.
Şekil 1.1.2. Kekule Formülünün Geometrik Gösterimi
2
Benzen; berrak, oda sıcaklığında renksiz, aromatik yapıda hoş kokulu bir sıvıdır. Son derece yanıcıdır.
İyi bir organik çözücüdür. Kan hücrelerini öldürme etkisi olduğundan
kanser yapan bileşikler arasına girer. Alkol, kloroform, eter, aseton, karbon tetra klorür, glasiyal asetik asit ve yağlara karışır. Organik çözücülerin çoğunda çözünür. Suda çözünürlüğü çok düşüktür. Buharları dumanlı bir alev çıkartarak yanar. Benzen, benzol, siklohekzatrin, fenilhidrit, kömür katranı naftası olarak da adlandırılır.[1] Çizelge 1.1.1. Benzenin Genel Özellikleri ÖZELLİKLER
BİRİM DEĞERİ
MOLEKÜL AĞIRLIĞI
78,11 g /mol
ÖZGÜL AĞIRLIĞI (200C)
0,879 g / L
KAYNAMA NOKTASI
80,1 0C
DONMA NOKTASI
5,5 0C
VİSKOZİTESİ (200C)
0,654 mPa.S
ALEVLENME NOKTASI (Kapalı Kap)
-11 0C
KENDİLİĞİNDEN TUTUŞMA NOKTASI
595 0C
Benzenin yapısının kimyasal reaksiyonlara ne şekilde bir tepki gösterdiği üzerine yapılan çalışmaların organik kimya teorilerinin gelişmesinde önemi büyük olmuştur. Hidrojen atomlarının karbon atomlarına oranının böyle düşük olduğu bir bileşikten umulan katılma reaksiyonları benzende olmaz. Benzenin gösterdiği tipik reaksiyonlardan biri, substitüsyon (yer değiştirme) reaksiyonlarıdır. Bu reaksiyon bir aktif grubun benzendeki bir hidrojeni çıkarıp onun yerine geçmesi şeklinde gerçekleşir. Bu davranışı açıklamak altı elektronun (benzende varmış gibi gösterilen 3 tane çifte bağdan ileri gelen) belli karbonlarda değil bütün benzen karbonlarına dağılmış olduğunu düşünmekle mümkün olur. Elektronların böyle dağılmış olması (belli karbonlarda olmaması) molekülün kararlı olmasını sağlar.
3
Benzen, büyük ölçüde stiren üretimi için ayrıca etilbenzen, kümen, siklohegzan, lineer alkil benzen sülfonik asit (LABSA), nitrobenzen ve maleik anhidriti gibi önemli kimyasal maddelerin üretiminde kullanılır. Ayrıca çözücü olarak kullanımı da vardır. 1.1.1. Benzenin Homologları ve Benzen Halkasında Sübstitüentler* Benzen halkasına düz veya dallanmış bir hidrokarbon kökü bağlanmışsa buna ‘’yan zincir’’ denir.Benzen halkasına bir takım yan zincirler bağlanarak benzenin homologları meydana gelir. Bunların genel formülü n=6’dan başlamak üzere CnH2n-6 şeklindedir.
n= 6 için C6H6
bulunur, bu benzendir. Homolog sıranın bundan sonraki üyesi n=7 için C7H8 metil benzen veya özel ve en çok kullanılan adı toluendir.
Şekil 1.1.1.3. Toluenin
Yapısal Formülü n=8 için C8H10 olup 4 farklı izotopu vardır.
Şekil 1.1.1.4. Etil Benzen ve İzotopları n= 9 için C9H11, 8 izomeri vardır. Aromatik halkaya bağlı doymamış gruplar da bulunabilir. Örneğin vinil grubunun bağlanmasıyla özel adı
“stiren” olan vinil benzen,
asetilen grubunu bağlanmasıyla fenil asetilen meydana gelir. [2]
Şekil 1.1.1.5. Vinil Benzen ve Fenil Asetilen •
Sübstitüent; Molekülün asıl bileşimde bulunan atomun yerini alan başka atom.
4
1.2. TOLUENİN TANIMI VE ÖZELLİKLERİ Çok polar olmasa da bir çok organik madde için çok iyi bir çözücüdür. Ama tepkime sonrası ortamdan uzaklaştırılması biraz zor olmaktadır.Benzen'in aksine kanserojen olmaması, sanayide de çözücü olarak daha çok tercih edilmesine olanak sağlar. Kuvvetli oksitleyicilerle ve kuvvetli asitlerle şiddetli reaksiyona girer. Üzerindeki metil gurubu tolueni benzene göre 25 kat daha reaktif yapar. Endüstriyel üretimi fosil yakıt kaynaklarından olduğu için nispeten ucuz olarak büyük miktarlarda üretilebilir. Dünyanın yıllık toplam toluen üretimi yaklaşık 12 milyon tondur. Toluen eldesinin esas (ilk) kaynağı olan fırın gazından toluen eldesinin yerini, gazyağının katalitik bozunması ve buhar ayrımı (destilasyon )sayesinde sıvı (ham) maddelerin piroliz benzinden eldesi almıştır. Piroliz benzin, sıvı hidrokarbonların (gazyağı ve petrol benzeri) buhar ayarımı yolu ile ayrılmasından elde edilir. Bu yöntemin tercihi hızla artan bir grafik göstermektedir. Tolueni elde edebilmek için bu ayrılmış likit hidrokarbonlar stabil olamamaları sebebiyle, aromatiklerin çekip ayrılmasından mutlaka önce, hidrojene edilmelidirler. Katalitik bozunma yoluyla toluen eldesinde, aromatik yönden zengin bir hidrokarbon karışımı, 17 bar ile 21 bar arası basınç; 530 °C sıcaklık altında dehidrojenasyon katalizöründen geçirilir. Fraksiyon yolu ile hafif (kolay uçucu) hidrokarbon gazlarının uzaklaştırılması ardından, aromatiklik yönünden daha da zengin bir distilat elde edilir. Katalitik Bozunma sonucu elde edilen hidrokarbonlar açısından zengin karşım maddelerin ayrılması için destile edilir. Toluen, bu destilatın azeotropik destilasyondan ya da daha çok kullanılmakta olan (yine bu maddeden) çözücü ekstraksiyonu ile elde edilebilir. Benzen (%99 saflıkta) Toluen (%95 saflıkta) elde edilir. Cyclar denilen ve BP ile UOP tarafından kullanılmakta olan yeni bir proses ise kısaca; Lpg'lerdeki propan ve bütanları aromatiklere dönüştürmeyi ifade eder. Şimdiye dek bu amaçlı kurulan tek fabrika Suudi Arabistanda kurulmuştur. Çok az miktar da olsa toluen, hala taşkömürü karbonizasyonu yöntemiyle, hafif yağ formunda üretilmekteyken, bazı ufak miktarlar ise stiren üretiminde yan ürün olarak geri kazanılmaktadır.
5
Çizelge 1.2.2. Toluenin Genel Özellikleri ÖZELLİKLER
BİRİM DEĞERİ
MOLEKÜL AĞIRLIĞI
92,14 g / mol
FİZİKSEL GÖRÜNÜŞ
Berrak , Tortusuz
KAYNAMA NOKTASI
110,6 - 111,6 0C
YOĞUNLUK
0,86 - 0,87 g / ml
SUDA ÇÖZÜNÜRLÜK
Çözünmez (200C'de 1 g / 100 ml)
KENDİLİĞİNDEN TUTUŞMA
536 0C
1.3. BENZENİN TOLUEN KULLANARAK ELDE EDİLME PROSESİ Üretim yöntemleri; •
Toluenin hidrodealkilasyonu ile,
•
Toluenin disproporsiyonu ile,
•
Etilen üretiminde yan ürün olarak,
•
Petrol rafinerilerinde katalitik reforming operasyon ile,
•
Kömürün karbonizasyonu 'dur.
1.3.1. Toluenin Hidrodealkilasyonu HDA bir benzen üretme prosesidir.Toluen ve hidrojen;benzen ve metan üretimi için katalizör ile donatılmış reaktörler içerisinde dönüştürülür. Toluenin hidrodealkilasyon reaksiyonu hidrojenle metil grubunun benzenden ayrılması olup toluenin 550-800
0
C ve 30-100 bar basınç altında veya katalizör
mevcudiyetinde (Cr2O3 , Mo2O3 veya CoO / Al2O3 ) 500-650 0C'de veya 400-480 0C'de (Rh/Al2O3) pirolizi ile gerçekleşir.Yüksek sıcaklıktan dolayı iki reaktör kullanılarak birinde reaksiyon gerçekleştirilirken diğerinde katalizör rejenere edilir.
6
+ H2 -30 kcal / mol - CH4 Toluen
Benzen Şekil 1.3.1.5. Toluenden Benzen Eldesi
Teşekkül eden metandan yararlanmak için düşük sıcaklıkta metan H2 ayrılır ve H2O ile parçalanarak H2 üretilir ve bu H2 tekrar kullanılır. Dealkilasyon sonucu elde edilen reaksiyon karışımından ise benzen destilasyonla ayrılır. Bifenil ve floren gibi aromatlar yan ürün olarak teşekkül eder. Bunlar ya ayrılır ya da benzene dönüştürülür. Gulf, Arco ve Mitsubishi Petrochemical termal prosesi kullanırken ; Shell, BASF, VOP, Detol ve Pyrotol katalitik prosesi kullanılmaktadır.[3]
Bifenil
Difenil
Floren
Şekil 1.3.1.6. Bifenil, Difenil ve Florenin Geometrik Gösterimi
Toluenden hidrodealkilasyon ile benzen üretmek için meydana gelen başlıca reaksiyonlar şunlardır; Toluen + H2 2 Benzen
Benzen + CH4 Difenil + H2
(3.1 - 1) (3.1 - 2)
Reaksiyonlar homojen reaksiyonlar olup, 1150 F (bu ısının altında reaksiyon çok yavaştır) ve 1300 F (bu ısının üzerinde koklaşma olur) arasında 500 psia'lık bir basınçta gerçekleştirilir. 5/1 oranında fazla H2 kullanılır (koklaşmayı önlemek için) ve reaktör çıkış gazları hızla 1150 F'a indirilir ki ısı değiştiricilerde koklaşma olmasın. Tipik olarak reaksiyonda %90 dönüşüme ulaşılır.Reaksiyon oldukça egzotermik ve homojendir.Çalışma koşulları 500oC ve 600oC arasında ve 20-60 bar arasındadır.
7
HDA prosesi taze toluen karışımı ile reaksiyona girmemiş toluenin karışmasıyla başlar,karışma işlemi bir tankta gerçekleşir.Toluen;sonra hidrojen karışımı ve taze hidrojen gaz akışı ile karıştırılmak için pompalanır.Bu hidrojen ve toluen karışımı ön ısıtmaya tabi tutulur.Daha sonra fırın içerisinde tepkime sıcaklığına ısıtılır.Şu reaksiyon gerçekleşir; C7H8 + H2
C6H6 + CH4
Bu reaksiyon geri dönüşü olmayan bir reaksiyondur ve katalizör gerektirir. Katalizör;silika ya da alümina üzerinde krom ve molibden oksitler,platin ya da platin oksitten oluşur.Tersinir olan şu yan tepkime de görülmektedir; 2 Benzene
Diphenyl + H2
Katalitik süreç daha düşük sıcaklıklarda gerçekleşir,ancak sık rejenerasyon gerektirir. Ürün daha sonra soğutulur,daha sonra reaksiyona girmemiş hidrojen seperatörde ayrılır,sıkıştırılır ve reeaktöre geri beslenir.Reaktörü terk eden akım hidrojen, toluen, metan, benzen, toluen ve istenmeyen difenili içerir.Hidrojenin çoğu ve metan aromatiklerden kısmi yoğuşturucu yardımıyla ayrılıp,gazlar uzaklaştırılır.Ayrılma ürünleri toluen akımından ayrılır ve geri beslemek için bir distilasyon kolonuna girmeden önce ısıtılır.Bu işlem daha yüksek dönüşüm sağlamak için yapılır.[4] Isıtma ihtiyacı düşük,yüksek ve orta basınçı buhar ile soğutma ihtiyacı ile soğutma suyu ile sağlanır. Muhtemel bir akış diyagramları aşağıda gösterilmiştir.Toluen ve hidrojen akımları ısıtılıp , geri döndürülen hidrojen ve toluenle birleştirilip reaktörü beslemektedir. Reaktörü terk eden akım hidrojen, toluen , metan, benzen ve istenmeyen difenil'i içermektedir. Hidrojenin çoğunu ve metanı aromatiklerden kısmi yoğuşturucu yardımıyla ayırıp, gazları uzaklaştırırız. Bu ayırma kabını terk eden sıvı sıcak reaktör gazlarını soğutmak için kullanılır (diyagramda gösterilmemiştir). Flaş kabını terk eden hidrojeni geri döndürmek isteriz fakat (3.1 - 1) reaksiyonu ile üretilen metan hidrojenle birlikte safsızlık olarak gaz fazına geçer ve geri döndürme prosesinde döngü içinde birikir. Bundan dolayı , gaz atık akımı önemlidir ve böylece bu birikmeyi zaman zaman atarak konsantrasyonunu kontrol edebiliriz. Gaz geridönüş döngüsündeki optimum metan konsantrasyonunu tahmin etmek için hiç bir kestirme metot yoktur. Bu tasarım değişkenini daha sonra ayrıntılı olarak inceleyeceğiz.
8
Flaş tankında ayrışan hidrojenin ve metanın tamamı aromatiklerden ayrılamaz ve bundan dolayı kalan miktarın çoğunu distilasyon kolonunda (stabilizer ; hafif bileşenleri uzaklaştırmak için kullanılır) ayırırız. Benzen daha sonra ikinci distilasyon kolonundan ayrılır ve nihayet geri döndürülen istenmeyen difenil'den ayrılır. Başka alternatif akış diyagramları çizilebilir, ancak bunları ilerleyen derslerde göreceğiz. Enerji Entegrasyonu Aşağıdaki şekilde gösterilen akış diyagramı pek gerçekçi ve ekonomik değildir, çünkü her proses akımı için ısıtma ve soğutma gereksinimlerinin ayrı ayrı ısı değiştiricilerde gerçekleştirildiğini görmekteyiz. Son yıllarda bir proses için gerekli minimum ısıtma ve soğutma yükünü ve en iyi enerji entegrasyonunu veren ısı değiştirici ağını bulmaya imkan veren yeni tasarım süreçleri geliştirilmiştir.
Şekil 1.3.1.7. HDA Prosesi (J.M.Douglas, AlChE J, 33:353 )
Bu yeni tasarım süreçlerini uygulamak için her bir proses akımının giriş ve çıkış ısılarını , her bir proses akımının bileşimi ve akış hızını bilmek zorundayız. Böyle bir enerji entegrasyonundan ortaya çıkan alternatif bir akış diyagramı ise Şekil 3.4'te gösterilmiştir.
9
Şekil 1.3.1.8. Toluenin hidrodealkilasyonu; maksimum enerji geri kazanımı gösteren akış diyagramı Bu çözüm D.W.Townsend (Imperial Chemical Industries, Runcorn, UK) tarafından geliştirilmiştir. Reaktör ürün akımının reaktör besleme akımını kısmen ön ısıtmak için kullanıldığı görülmektedir.Sıcak reaktör gazları toluen geri-dönüş kolonunun kaynatıcısını çalıştırmak için, besleme akımını biraz daha ön ısıtmak, stabilizer kolonunun kaynatıcısını çalıştırmak , benzen ürün kolonunun kaynatıcı ısı yükünün bir kısmını sağlamak ve son olarak da gazlar kısmi yoğuşturucuya girmeden önce besleme akımını biraz daha ön ısıtmak için kullanılmaktadır. İlaveten toluen kolonu da basınç altında çalıştırılmakta, böylece toluenin yoğunlaşma ısısının benzen kolonundaki dip akımının kaynama noktasından daha yüksek olması sağlanmıştır. Bu düzenlemeyle ,yoğunlaşan toluen , buhar ve soğutma suyu gibi dış kaynaklar kullanmak yerine benzen kaynatıcı yükünün bir kısmını sağlamak için kullanılabilir. Enerji-bütünleşik akış diyagramı ve sadece ısıtma-soğutma ihtiyaçlarını gösteren akış diyagramını karşılaştırırsak eğer, enerji entegrasyonunun akış şemasını daha karmaşık yaptığını görürüz (daha fazla ara bağlantıların varlığı açıkça görülmektedir). Enerji entegrasyon sistemini tasarlamadan önce hemen hemen tüm akış diyagramını sabitleştirmek
10
zorundayız. Çünkü enerji entegrasyonu proses akış diyagramına daha büyük karışıklıklar ekler. Bu sebeple de, enerji entegrasyonunu proses tasarım sürecimizin son adımı olarak kabul edeceğiz.
Şekil 1.3.1.9.Alternatif Distilasyon Zinciri
Şekil 1.3.1.10. Alternatif Farklı Bir Distilasyon Zinciri
Distilasyon Zinciri Gösterilen distilasyon kolonları zincirini göz önüne alalım. İstenmeyen yan ürün difenil (3.1-2) eşitliği ile oluştuğundan, difenili toluenle birlikte geri döndürebiliriz ve böylece kimyasal bir dengenin oluşmasına izin veririz. Bu alternatif tasarım distilasyon kolonlarından birini kaldırmamıza izin verse de reaktörden geçen akış hızını artırmaktadır. Eğer difenili şekildeki gibi ayırmaya karar verirsek
11
toluen-difenil ayrımının çok daha kolay olmasını bekleriz.Benzen - toluen - difenil ayrımınıyapmak için yan akımlı bir kolon kullanabiliriz.Bir başka deyişle benzeni tepeden, tolueni besleme akımının üzerindeki yan akımdan , difenili de dip akımı olarak alabiliriz. Tolueni beslemenin hemen altındaki yan çıkıştan alarak da çok saf benzeni tepeden alabiliriz. Eğer toluen tepe ürününden ziyade yan çıkıştan geri kazanılırsa toluen geri-dönüş akımının saflığı azalacaktır. Geri döndürülen toluen için hiç bir sınırlama olmadığından saflık o kadar önemli olmayabilir ve böyle bir tasarım gelecek kazançlarda önemli bir miktar teşkil edebilir. Benzer şekilde stabilizerdeki metan-benzen ayrımının kolay olacağını bekleyebiliriz, o zaman (benzenin yan çıkıştan geri kazanıldığı) H 2 ve CH4-bezen-toluen ve toluen-difenil ayrımı (pastörizasyon kolonu) yukarıda gösterilen orjinal akış diyagramından daha ucuza mal olabilir. Buhar Geri Kazanım Sistemi Geri dönüp flash tankını terk eden buhar akışını göz önüne alırsak, flash tankında keskin ayırımların gerçekleşmediğini biliyoruz ve bundan dolayı aromatiklerin bazıları flash buharı ile flash tankından gaz fazında çıkıp gidecektir.İlaveten bu aromatiklerin bazıları gaz atık akımında kaybolacaktır.Şüphesiz bu kaçak aromatikleri ya da flash tankı buhar çıkışında ya da gaz atık akımının üzerinde bir buhar geri kazanım sistemiyle geri kazanabiliriz.Buhar geri kazanım sistemi olarak da aşağıdakilerden birini kullanabiliriz; •
Yoğuşturma (Yüksek basınç veya düşük ısı veya her ikisi)
•
Absorbsiyon
•
Adsorbsiyon
•
Membran Prosesi
Bir buhar geri kazanım sisteminin ekonomik olup olmadığını tahmin etmek için gaz atık akımındaki hidrojen ve metan akışıyla birlikte atık akımında kaybolan aromatiklerin akış hızlarını tahmin etmeliyiz.Böylece bir buhar sisteminde akış diyagramının geri kalanını tanımlayıp, proses akışlarını tahmin etmek zorundayız.Buhar geri kazanım sistemini sıvı ayırma sisteminden önce tasarlamayı düşünmeliyiz.Çünkü yukarıda listesi verilen buhar geri kazanım (gaz absorblayıcısı gibi) sistemlerinden çıkan çıkış akımları sıvı ayırma sistemlerine gönderilmesi gereken sıvı akımlarını da içerirler.
12
Şekil 1.3.1.11.HDA Ayırma Sistemi
Ayırma Sistemleri İçin Basitleştirilmiş Akış Diyagramı Amaçlarımızdan biri de akış diyagramını basitleştirmektir. Şekil 3.3'ün Şekil 3.4'ten daha basit olduğu görülür.Bundan dolayı enerji entegrasyonunu son adım olarak kabul ettik. Benzer şekilde buhar ve sıvı geri kazanım sistemlerini tasarlamak için proses akış hızlarını bilmemiz gerektiğinden tasarımın bu kısmını enerji entegrasyonundan önce yaparız. Şekil 1.3.1.11'deki akış diyagramı hem gaz ve sıvı geri döndürme döngüleri içerdiğinden, fakat bazı prosesler herhangi bir gaz bileşenler içermediğinden neticelerin genel kapsamlı olmasını bekleyemeyiz. Bu akış diyagramını buhar ve sıvı ayırma sistemini tek bir kutuda göstererek
daha da basitleştirebiliriz. Bundan dolayı ayırma sistemlerinin genel
yapısını buhar veya sıvı geri kazanım sistemlerinin yapısını tanımlamadan önce tanımlarız. Akış Diyagramının Geri-Dönüş Yapısı Şekil 1.3.1.11'de proses için basit bir akış diyagramı elde ettik. Bu basit gösterim şeklini geri-döndürülecek akımları bu akımların reaktöre ek maliyetlerini ve gaz geridöndürme kompresörlerinin
maliyetini hesaplamakta kullanabiliriz. Ayrıca bu diyagramı
13
ilave karmaşıklıklar hakkında endişelenmeden, hangi tasarım sorularının bu basit gösterimli akış diyagramı elde etmek için önemli olduğunu anlamak için kullanırız. Mesela kaç tane geri döngü akımı olacağını, reaktördeki ısı etkilerini, reaktördeki kimyasal denge sınırlandırmaları ve diğer faktörleri bu diyagram üzerinde inceleriz. Böylece ayrıntıları ayırıp uzaklaştırmaya devam edersek, ayırma sisteminin ayrıntılarından önce akış diyagramının geri döngü yapısını incelemek istediğimizi fark ederiz.
Şekil 1.3.1.12. HDA Geri Döngü Yapısı
Şekil 1.3.1.13. HDA Girdi - Çıktı Yapısı Akış Diyagramının Girdi - Çıktı Yapısı Şekil 1.3.1.13.de gösteriminin çok basit olduğu düşünülebilir, fakat bu gösterim hiç bir karmaşıklık eklemeden tüm madde dengesini etkileyen tasarım değişkenlerini anlamamıza yardımcı olur. Hammadde maliyetinin normal olarak toplam ürün maliyetinde %33 ile %85
14
arasında bir katkıya sahip olduğu düşünülürse tüm madde dengesinin tasarımında etkin bir faktör olduğu görülür.Şunu da hatırlatalım hammaddeden daha az kıymete sahip ürün ve yan ürünlerin tasarım değişkenlerini inceleyerek vaktimizi harcamak istemeyiz. Bundan dolayı, herhangi bir geri- döndürme sistemini incelemeden önce bu yapıyı etkileyen kararları ve akış diyagramının girdi- çıktı yapısını göz önüne alırız. Muhtemel Sınırlandırmalar Bir akış diyagramını basitleştirerek tasarım problemlerini çözmek için genel bir süreç geliştirmiş bulunmaktayız. Orjinal akış diyagramımız sürekli bir prosesi tek bir ürün içeren buhar-sıvı prosesini ve sadece basit kimyasal maddeleri içermektedir. Bu sınırlandırmaları tatmin eden birçok proses vardır ve bundan dolayı daha geniş kapsamlı bir tasarım süreci geliştirmeye çalışacağız. Kesikli prosesler bir açıdan farklı bir altyapıya sahiptir ve kesinlikle matematiksel model açısından da farklıdır. Bundan dolayı ilk karar kesikli veya sürekli bir proses mi olacağı konusunda olmalıdır. [5]
Şekil 1.3.1.14. HDA Prosesinde Kullanılan Üniteler Çalışma Sırasındaki Kısıtlar: Üretim hızı: Dben ≥ 265 lbmol / h. Reaktör girişindeki Hidrojen fazlalığı: Fhyd / (Fben + Ftol + Fdiph) ≥ 5. Reaktör giriş basıncı: Preactor, ≤ 500 psia içinde.
15
Reaktör giriş sıcaklığı: Treactor, ≥ 1150 ° C. Reaktör çıkış sıcaklığı: Treactor, ≤ 1300 ° F. üzerinden Quencher çıkış sıcaklığı: Tquencher, ≤ 1150 dereceye F. üzerinden Ürün saflık: xDben ≥ 0,9997. Ayırıcı giriş sıcaklığı: 95 ° F ≤ Tseparator ≤ 105 ° C. Kompresör gücü: WS ≤ 545 hp Fırın ısı görevi: Qfur ≤ 24 MBtu Soğutucu ısı görevi: Qcool ≤ 33 MBtu + Damıtma ısı görevleri (kondansatörler ve reboilers) Kestirme Çözümler Eğer tüm ihtimaller göz önüne alınırsa bu proses için çok sayıda alternatif üretmek mümkündür.Bu nedenle dikkate almak zorunda olduğumuz alternatiflerin sayısını hızla azaltmak oldukça önemlidir. Proses madde dengelerini, ekipman tasarım hesaplamalarını ve maliyet analizlerini basitleştirmek için normal olarak mertebe seviyesinde argümanlar kullanırız. Çözümleme yaparken sistematik olarak planlama yapmamız gerekmektedir. 2.REAKTÖR SEÇİMİ 2.1.REAKSİYON KİNETİĞİ Termodinamik olarak belirli bir yöne doğru kendiliğinden yürümesi gereken bir kimyasal tepkime, bulunduğu koşullardaki hızının çok yavaş olması nedeniyle yürümüyor görülebilir. Başlangıçtan denge konumuna ulaşılana dek geçen süre içinde bir kimyasal tepkimenin hızı, bu hızın hangi niceliklere nasıl bağlı olduğu, hızın değiştirilmesi için yapılması gereken işlemler ve tepkimenin izlediği yol kimyasal kinetik içinde incelenir. Bu inceleme, fiziksel ve kimyasal yöntemlerin birlikte uygulanmasıyla yapıldığından tepkime kinetiği de denilen kimyasal kinetik fizikokimyanın bir dalıdır. Bir tepkimenin nereye gittiği kimyasal termodinamik, hangi hızla oraya gittiği ise kimyasal kinetik içinde incelenir. Yapılan araştırmalar, bazı tepkimelerin bir basamak, bazılarının ise iki ya da daha çok basamak üzerinden yürüdüğünü ortaya çıkarmıştır. Bir basamaklı olanlara basit tepkime, çok basamaklı olanlara ise basamaklı tepkime, karmaşık tepkime yada kompleks tepkime adı verilmiştir.
16
Basit tepkimeler bir yönlü ya da iki yönlü olabildiği gibi karmaşık tepkimelerin basamaklarından bazıları iki yönlü diğerleri ise bir yönlü olabilmektedir. Bir yönlü olan tepkimeye tersinmez tepkime, iki yönlü olan tepkimeye ise tersinir tepkime denir. Tersinmez tepkimeler tümüyle tamamlandığı halde tersinir tepkimeler ancak bir denge konumuna ulaşılana kadar yürümektedir. Toplam tepkimenin hızını hız belirleyen basamak adı verilen en yavaş basamağın hızı kontrol etmektedir. Başka bir deyişle, bir zincir nasıl en zayıf halkası kadar sağlam ise bir karmaşık tepkime de en yavaş basamağı kadar hızlıdır. Basamak tepkimeleri ve hız belirleyen basamak, deneyler yardımıyla belirlenerek bir karmaşık tepkimenin yürüdüğü yol anlamına gelen tepkime mekanizması ile aydınlatılır. Gaz ya da sıvı karışımlar gibi bir faz içinde yürüyen kimyasal olaylara homojen tepkime, iki ya da daha fazla faz içeren karışımlarda yürüyenlere ise heterojen tepkime denir. Bazı tepkimeler gibi karmaşık tepkimeler de homojen ya da heterojen nitelikte olabilmektedir. Bir tepkimenin başlayabilmesi için tepkimeye giren bileşenlerin sahip olmaları gereken en düşük enerjiye aktivasyon (etkinleşme) enerjisi denir. Aktivasyon enerjisi tepkimeye giren maddelerin iç enerjisini yükselterek onları daha aktif hale getirmektedir. Aktivasyon enerjisi verilmedikçe bir tepkime yürüyemez. Aktivasyon enerjisi ancak bir katalizör kullanılarak düşürülebilir. Bir tepkimenin hızını yükseltmek için uygulanan işleme kataliz, bu işlem için kullanılan maddelere katalizör adı verilir. Katalizörün tepkime karışımı ile aynı fazda olduğu işleme homojen kataliz, ayrı fazda olduğu işleme ise heterojen kataliz denir. Basamak tepkimelerinde yer alabilen bir katalizör toplam tepkimede yer almadığından tepkime sonunda kimyasal bir değişikliğe uğramadan yeniden ortaya çıkmaktadır. Tepkime mekanizmasını değiştirerek hızın yükseltilmesine yol açan katalizörler toplam stokiyometrik tepkimenin termodinamik niceliklerini değiştirmezler. Tersine tepkime hızını düşürme işlemine inhibasyon, bu işlem için kullanılan maddelere ise inhibitör denir. Yaklaşık %90’ı katalizörlü olarak tasarlanan endüstriyel kimyasal tepkimelerin yürütüldüğü aygıtlara kimyasal reaktör adı verilir. Kimyasal reaktör tasarımında büyük ölçüde kimyasal termodinamik ve kimyasal kinetikten yararlanılır.[6] 2.2. REAKTÖR ÇEŞİTLERİ Reaktör arzu edilen kimyasal reaksiyonların gerçekleştirildiği ekipmanların genel adıdır. İçlerinde meydana gelen reaksiyonların tipine göre çeşitli adlar alır.
17
Kimyasal reaktörler hacim , şekil ve operasyon metodu bakımından ikiye ayrılır: •
Kesikli reaktörler (Tam Karıştırmalı Kesikli Reaktör)
•
Sürekli reaktörler (Piston Akışlı Reaktör)
Bunlara ilaveten günümüzde kullanılmakta olan ileri reaktörler de (izotermal olmayan kesikli reaktörler, izotermal kesikli reaktörler, sabit yataklı ( fixed bed ) katalitik reaktörler, tubular reaktör) mevcuttur. 2.2.1. Tam Karıştırmalı Kesikli Reaktör (TKSR) Reaksiyona girecek bileşenler reaksiyon başlangıcında reaktöre beslenir. Reaksiyon süresince reaktöre tekrar bir besleme yapılmaz ve ürün çıkışı gerçekleşmez. Reaksiyon belli bir süre sonra sona erdirilir ve ürünler ile reaksiyona giren bileşenlerin kalanları reaktörden alınır. Bu şekilde çalışan reaktör sistemine kesikli reaktör adı verilir. Reaktör kabından belli aralıklarla örnek alınırsa geçen süreyle birlikte reaktörde gerçekleşen dönüşüm belirlenir. Eğer reaksiyon süresince belirli aralıklarla besleme yapılırsa veya ürün alınırsa bu şekilde çalışan reaktör sitemine yarı kesikli reaktör adı verilir.[7] Tam Karıştırmalı Kesikli Reaktörlerin Avantajları ve Dezavantajları TKSR'nin Avantajları ; •
Kolay kurulum
•
Küçük maliyetler
•
Rahat operasyon şartları
Kesikli reaktörlerin en önemli dezavantajları işletim maliyetidir. Reaktörün doldurulması boşaltılması sırasında ve yeni bir besleme yapılmadan önce temizleme işlemlerinde geçen zaman kaybı büyük bir işletim maliyeti sorunudur. Ayrıca bir reaksiyon oluşurken belirli bir sıcaklığa ısıtılması gerekebilir. Reaksiyon tamamlandığında ise ürünün soğutulması istenebilir. Bunları sağlamak için de ciddi bir enerji ve zamana ihtiyaç duyulur. Diğer bir dezavantaj da ısı transferinin kontrolünün zorluğu ve ürün kalitesinin devamlılığını sağlayabilmenin güçlüğüdür. Kimyasal reaksiyon hızı genellikle sıcaklık artışı ile artar. Reaktanlar arasındaki baskın temaslar da hızı artırır. Mekanik karıştırıcılar kütle iletimini ısı
18
akışı itici gücü ile sağlayarak kap çeperlerinde film direncinin oluşmasını azaltmaya çalışır. Buna ek olarak karıştırıcılar küçük katı parçacıkların da topaklanmasını önler.[8] 2.2.2. Piston Akışlı Reaktör (PAR) Endüstride en çok kullanılan reaktör tipidir.Silindir şeklinde bir borudan ibarettir.En homojen gaz fazlı akış reaktörü borusal akış reaktörüdür. Piston Akışlı Reaktörlerin Avantajları ve Dezavantajları •
TKSR gibi kararlı bir halde çalışır.
•
Bakımı hiçbir parçası hareket etmediği için nispeten kolaydır.
•
Akış reaktörlerinin herhangi birisinin birim reaktör hacmi başına en yüksek dönüşüm oranını sağlar.
•
Reaktör içinde sıcaklık kontrolünün zor olmasıdır.
•
Tepkime ısı veren tepkime olduğu zaman sıcak noktalar olabilir. [2]
3.REAKTÖR BOYUTLANDIRMA Toluen + 2 Hidrojen 2 Benzen
Benzen + Metan
Difenil + 2 Hidrojen
r1 = k1.PT.PH0,5 r2 = k2.PB2- k2'.PD.PH k1 = 3,326.106.exp (-50445/RT) k2 = 3,114.105.exp (-50445/RT) k2'= 8,833.105.exp (-50445/RT)
Şekil 3.15. Piston Akımlı Reaktör [10]
19
V
= Reaktör Hacmi
FAo
= Giren Reaktantın Akış Hızı
XA
= Dönüşüm
-rA
= Reaksiyon Hızı
Sistemde mol denkliği kurulursa; GİREN - ÇIKAN + DÖNÜŞEN = BİRİKİM V
FA0 − FA + ∫ rA .dV = 0
dN A dt
……………………………………………… ( Denklem 1.1)
dN A Sistem için yatışkın hal kabulü yaparsak Denklem 1.1'de dt = 0 yazarız. O halde şu
eşitlikler elde edilir ; V
∫ r .dV A
FA - FA0 =
0
dFA = rA dV
…………………………………………………( Denklem 1.2)
………………………………………………….( Denklem 1.3)
Mol denkliğinin diferansiyel ifadesi; dX FA0 dV
=
-rA
…………………………………………………( Denklem 1.4)
İntegral olarak ifadesi; X
V=
dX − rA 0
FA0. ∫
…………………………………………………..( Denklem 1.5)
20
Amacımız FA0 = besleme akış hızı ve X A = dönüşüm kullanılarak reaktörün hacminin bulunmasıdır. Difenilin akış hızı bilinmediğinden dolayı bütün akış hızlarını toluen üzerinden FT0 (toluen besleme hızı) , hT (harcanan toluen) ve FD (difenil akış hızı) cinsinden ifade ederiz. Ayrıca maksimum benzen üretimi sağlanmalıdır.[9] Benzen için; hız = oluşan benzen - harcanan benzen rB = r1-2r2 rB = k1.PT.PH0,5 + 2.k2'.PD.PH - 2.k2.PB2 Yazılan benzenin hız ifadesi ortak bir değişken cinsinden ifade edilmelidir. Örneğin toluenin harcanma miktarı üzerinden ifade edilebilir. Toluen için ; V FA0 =
XT
∫
0
dxT − rT
ve
-rT = r1
Benzen için ; Giren benzen + Üretilen Benzen = Çıkan Benzen FB ( ) + A. ∆ .rB = FB.( + ∆ )
lim ∆ → 0
FB ( + ∆ ) − FB () ∆L = A.rB
dFB = A.rB d dFB = A.d = V rB
FB, difenil beslemesi (FD) üzerinden ortak değişken cinsinden yazılır. Başlangıçta FT0 , FH0 , FM beslemesi yapılmaktadır. Reaksiyona giren toluen akış hızına hT dersek akış hızları difenil beslemesi cinsinden şu şekilde yazılır ;
21
FT = FT0 - hT FH = FH0 - 2.hT + 2.FD FM = FM0 + hT FB = hT - 2.FD FD = ? FD = f (hT) cinsinden yazılamadığı için ;
rD r = 2 rT − r1
dFD r2 = dFT r1
⇒
1 dN D . V dT = r2 1 dN T − r1 . V dT
FD
⇒
∫
⇒
F
dFD =
FD 0
r2 (FD - FD0) = r1 .(FT - FT0)
r2 T . dFT r1 F∫T 0
⇒
⇒
FD r2 = hT r1
dN D r = 2 dN T − r1
⇒
dFD r2 = dFT r1
r2 (FD - FD0) = r1 .(FT - FT0)
eşitliği elde edilir.
Besleme hızlarını kısmi basınca çevirmek için
Pi F = i PTop FTop
formülü kullanılır. FD
değeri için bir varsayımda bulunularak işleme başlanır. FD değişkeni içeren diğer akış hızları da varsayılan FD değeri ile tek tek hesaplanarak , akış hızlarından kısmi basınçlara geçilir. Bulunan kısmi basınç değerlerinden tepkimenin hız ifadelerinin hesaplanmasında yararlanılır.
r2 FD r Hız ifadelerinin oranı 1 bulunur. Bulunan hız ifadelerinin oranı hT ile karşılaştırılır. Burada FD terimi varsayım yaptığımız değer hT ise FT0.xT 'dir. Varsayılan dönüşümlere (xT) göre hT'ler hesaplanır.Yapılan varsayımlar iyileştirilerek hız ifadeleri oranı mümkün FD olduğunca hT 'ye eşit bulunmaya çalışılır. Farklı sıcaklık ve toplam basınç değerleri için bu
22
FD r2 = hT r1 eşitliğinin mümkün olduğunca en az hatayla hesaplandığı
işlemler tekrarlanır.
şartlarda (sıcaklık ve toplam basınç) farklı dönüşümler için tepkime hızları bulunur. 1 dönüşüme (x) karşı çizilen − r grafiğinin altında kalan alan optimum koşullar için seçilen
piston akımlı reaktörün hacmini verir. Yapılan hesaplamalar çizelge haline getirilirse; Çizelge 3.3. 700oC, 25atm ve H/T=4 için yapılan hesaplama sonuçları FT0 FH0 FM0 P T R
2,416667 Xt 9,183333 0,483333 25 973,15 1,987
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
h 0,241667 0,483333 0,725 0,966667 1,208333 1,45 1,691667 1,933333
FT 2,175 1,933333 1,691667 1,45 1,208333 0,966667 0,725 0,483333
FM 0,725 0,966666 1,208333 1,45 1,691666 1,933333 2,175 2,416666
Fdif enil 0,000264 0,002149 0,007348 0,01754 0,034347 0,05923 0,09342 0,13795
FB 0,241138 0,479035 0,710304 0,931587 1,13964 1,33154 1,504827 1,657433
FH 8,700528 8,220964 7,748029 7,28508 6,83536 6,401793 5,98684 5,592566
Ftoplam 11,84193 11,60215 11,36568 11,13421 10,90935 10,69256 10,48509 10,28795
Çizelge 3.4. 700oC, 25atm ve H/T=4 için yapılan hesaplama sonuçları Ptoluen 4,591735 4,165895 3,720997 3,255733 2,769032 2,260138 1,728646 1,174513
PH2 18,36805 17,71431 17,0426 16,35743 15,664 14,96786 14,27466 13,59009
Pbenzen 0,509078 1,032213 1,562388 2,091722 2,611614 3,113239 3,588017 4,027609
Pmetan 1,530577 2,082947 2,657854 3,255732 3,876645 4,520275 5,185937 5,872566
Pdifenil 0,000558 0,004631 0,016163 0,039383 0,078709 0,138484 0,222745 0,335222
Ptoplam 25 25 25 25 25 25 25 25
k1 1,56E-05 1,56E-05 1,56E-05 1,56E-05 1,56E-05 1,56E-05 1,56E-05 1,56E-05
k2 1,46E-06 1,46E-06 1,46E-06 1,46E-06 1,46E-06 1,46E-06 1,46E-06 1,46E-06
k2' 4,13E-06 4,13E-06 4,13E-06 4,13E-06 4,13E-06 4,13E-06 4,13E-06 4,13E-06
23
Çizelge 3.5. 700oC, 25atm ve H/T=4 için yapılan hesaplama sonuçları r1 r2 r2 / r1 varsayım r2 / r1 hesaplanan % hata rbenzen 1/rB H/T B/D 0,000306 3,35E-07 0,001095 0,001093 -0,17812 0,000306 3268,973 4,000243 913,0574 0,000273 1,21E-06 0,004447 0,004446 -0,0161 0,000272 3681,367 4,252223 222,9108 0,000239 2,42E-06 0,010116 0,010135 0,190463 0,000237 4226,028 4,580116 96,6663 0,000205 3,71E-06 0,018117 0,018145 0,153398 0,000201 4970,247 5,024193 53,11212 0,000171 4,84E-06 0,028392 0,028425 0,115838 0,000166 6034,947 5,656849 33,18058 0,000136 5,55E-06 0,040823 0,040848 0,0615 0,000131 7661,794 6,622544 22,48084 0,000102 5,62E-06 0,055259 0,055224 -0,06464 9,6E-05 10414,6 8,25771 16,10819 6,74E-05 4,81E-06 0,07134 0,071353 0,018771 6,26E-05 15981,52 11,57083 12,01474
Elde edilen verilerden FB ye karşı 1/rB grafiğe geçirilip, eğrinin altında kalan alandan hacim hesaplandı.
Şekil 3.16. FB ye karşı 1/rB grafiği Buradan hesaplanan hacim, V=8,7m3 tür. 4. YAZILIM KULLANIMI Yazılım için VB ve CHEMCAD programları kullanıldı. VB programı yazılımı aşağıdaki gibidir. CHEMCAD programı ise maliyet hesaplama kısmında verilmiştir. Private Sub Form_Load() Dim FT0 As Double
24 Dim FH0 As Double Dim FM0 As Double Dim P As Double Dim T As Double Dim Xt As Double Dim h As Double Dim FT As Double Dim FH As Double Dim FM As Double Dim FD As Double Dim FB As Double Dim HToranı As Double Dim Ftoplam As Double Dim PT As Double Dim PH As Double Dim PB As Double Dim PM As Double Dim PD As Double Dim Ptoplam As Double Dim k1 As Double Dim k2 As Double Dim K As Double Dim r1 As Double Dim r2 As Double Dim rB As Double R = 1.987 Show FT0 = InputBox("Toluen Beslemesini Giriniz (kmol/dk)") HToranı = InputBox("Hidrojen / Toluen Oranını Giriniz") FD = InputBox("Difenil Beslemesi Giriniz(kmol/dk)") P = InputBox("Basınç Değeri Giriniz (atm)") T = InputBox("Sıcaklık Değeri Giriniz (K)")
25 FH0 = FT0 * HToranı * 0.95 k1 = 3.326 * 10 ^ 6 * Exp((-50445) / (R * T)) k2 = 3.114 * 10 ^ 5 * Exp((-50445) / (R * T)) K = 8.833 * 10 ^ 5 * Exp((-50445) / (R * T)) Print "FT0=", FT0, "H/T Oranı=", HToranı, "Basınç=", P, "Sıcaklık=", T Print "
"
Print "k1=", k1 Print "k2=", k2 Print "k2'=", K Print "
"
Print "Xt", " ", "h", " ", "F Toluen", " ", "F Metan", " ", "F Benzen", " ", "F Difenil" For Xt = 0.1 To 0.8 Step 0.1 h = FT0 * Xt FT = FT0 * (1 - Xt) FM = FM0 + h FB = h - (2 * FD) FH = FH0 + ((2 * h) + (2 * FD)) Ftoplam = FT + FM + FD + FB + FH Print Xt, " ", h, " ", FT, " ", FM, " ", FB, " ", FD Next Print "
"
Print "Xt", " ", "F Hidrojen", " ", "F Toplam" For Xt = 0.1 To 0.8 Step 0.1 h = FT0 * Xt FT = FT0 * (1 - Xt) FM = FM0 + h FB = h - (2 * FD) FH = FH0 - (2 * h) + (2 * FD) Ftoplam = FT + FM + FD + FB + FH Print Xt, " ", FH, " ", Ftoplam Next Print "
"
26 Print "Xt", "", "P Toluen", "", "P Hidrojen", "", "P Benzen" For Xt = 0.1 To 0.8 Step 0.1 PT = FT / Ftoplam PH = FH / Ftoplam PB = FB / Ftoplam PM = FM / Ftoplam PD = FD / Ftoplam Ptoplam = PT + PM + PD + PB + PH Print Xt, "
", PT, "
", PH, "
", PB,
Next Print "Xt", "", "P Metan", "", "P Difenil" For Xt = 0.1 To 0.8 Step 0.1 PT = FT / Ftoplam PH = FH / Ftoplam PB = FB / Ftoplam PM = FM / Ftoplam PD = FD / Ftoplam Ptoplam = PT + PM + PD + PB + PH Print Xt, "
", PM, "
", PD
Next
5.MALZEME SEÇİMİ-GÜVENLİK VE ÇEVRESEL AÇIDAN DEĞERLENDİRME 5.1.MALZEME SEÇİMİ Tasarlanan
reaktörün,
tepkimenin
gerçekleşme
koşullarına
dayanıklı
olması
gerekmektedir.Piyasada cam, aluminyum, karbon ve paslanmaz çelik gibi pek çok malzemeden yapılmış reaktörler bulunmaktadır.Alüminyum dayanıksızdır,camın ise kurulum maliyeti yüksektir,ayrıca kırılgan olduğu için özel önlmeler gerektirir.Tasarlanacak reaktör için seçilen malzeme paslanmaz çeliktir bunun nedeni; çoğu organik sistemlerle kullanımı için mükemmel bir malzeme olması,seçilen malzemenin oksitlenmeye karşı , korozyona karşı ve tepkime koşullarındaki ani değişimlerine dayanıklı olmasıdır.
27
Paslanmaz Çelik Paslanmaz çelik, yüksek alaşımlı çeliğin ağırlıklı olarak anti-korozyon özellikleri için kullanılan adıdır. Paslanmaz çelik ailesinin temel özelliği hepsinin en az % 10,5 krom içermesidir. Bu özellik çeliğin aşındırıcı atmosferler veya aşındırıcı kimyasal ortamlara karşı koymasını sağlar. Paslanmaz çeliğin 5 farklı kategoriye ayrılmış 60 farklı çeşidi vardır. Paslanmaz çelik, karbon çeliğinden ve alaşımlı çelikten pahalı olmasına ve de global pazarda kullanımının daha az olmasına rağmen dünya piyasalarında çok önemli bir yere sahiptir Diğer Metallerden Üstün Özelliği; --Üstün korozyon dayanıklığı --Yüksek ve düşük sıcaklıklarda kullanılabilme özelliği --Mevcut imalat proseslerinde kolayca kullanılabilmesi --Yüksek mekanik dayanımlarının iyi olması --Hijyenik amaçlı kullanım özellikleri --Üstün estetik görünüm özellikleri --Uzun ömürlü ve ekonomik olmaları Paslanmaz Çelik Ana Kategoriler 300 Serisi Ostenitik– Alaşımlar: 301, 302, 303, 304, 305, 308, 309, 310, 314, 316, 321 seri paslanmaz çelikler krom ve nikel içerirler. Isıl işlem uygulamak mümkün değildir ve de mıknatıs tutmazlar. Şekil alabilme kabiliyetleri yüksektir. 300 serisi veya östenitik paslanmaz çelikler dünya paslanmaz çelik üretiminin yaklaşık %70 ‘ini oluştururlar. Östenitik yapı yaklaşık olarak %8–10 ‘luk bir nikel ilavesiyle oluşur.Fakat, nikel tek başına östenitik yapıyı oluşturmaz.Mangan, nitrojen, karbon ve bakır gibi diğer elementlerin de yardımıyla östenitik özellik
oluşturulur.
Molybdenum
takviyesi
ile
paslanma
dayanıklılığı
arttırılan.
Dekorasyonda,makine imalatında, beyaz eşyada, kimya sanayinde ve evye imalatında kullanılır. 400 Serisi Ferritik– Alaşımlar: 405, 409, 429, 430, 434, 436, 442…Bu serideki paslanmaz çelikleri ise krom içerir. Mıknatıslanabilir fakat ısıl işleme tabi tutulmazlar. Ferritik paslanmaz çelikler genelde nikel içermeyip yüksek krom içeren (%12 ile %30 arasında),
28
molibden, titanyum vanadyum gibi karbür yapıcı ve ferritik yapıyı istikrarlı kılan alaşım elementleri içeren bir paslanmaz çelik gurubudur. Genelde içerdikleri yüksek krom oranı, ferritiklere çok yüksek bir korozyon direnci sağlar. Daha çok yakın akrabaları olan karbon çeliklerin özelliklerine yakın mekanik ve fiziksel özelliklere sahip olan ferritik paslanmaz çelikler, östenitiklerin tersine manyetiktirler, düşük karbon içerikleri nedeniyle ısıl işleme tabii tutulamazlar ve kolayca haddelenebilirler. Bu tür çeliklere tek uygulanabilen ısıl işlem tavlama işlemidir.Ostenitikler kadar şekillendirilmeye uygun değildirler. Çizelge 5.1.6. Paslanmaz Çelik Kullanım Alanları[11]
29
AISI 321-DIN 1.4541 Paslanmaz Çelik Boru Özellikleri: Yapacağımız proje için 321 tipi paslanmaz çelik boru seçildi.Bunun nedeni yüksek sıcaklıklarda kullanılabilir olmasıdır.Ayrıca 425-850derece sıcaklıklarda bile karbür çökelmesi oluşmamaktadır. Korozyon dayanımı; 425-900 derece aralığında çalışacak olan uygulamalar için idealdir. Isı dayanımı;Aralıklarla 900 derecede ve sürekli olarak 925 derecede çalışması mümkündür.İyi oksidasyon dayanımı vardır.321 kalite paslanmaz çelikler,425-900 derece arasında iyi performans sergiler ve özellikle sulu ortamlarda iyi korozyon kondisyonu gösterirler. 5.2.GÜVENLİK VE ÇEVRESEL AÇIDAN DEĞERLENDİRMELER Benzen İçin Güvenlik ve Çevresel Açıdan Değerlendirmeler Tehlike Tanıtımı Kansere neden olabilir. Yüksek mertebede yanıcıdır, üstelik zehirlidir. Teneffüs edilmesi, deri ile teması ve yutulması vasıtasıyla uzun dönemde sağlığa çok ciddi zarar verir. Profesyonel kullanıcılarla sınırlandırılmıştır. İlk Yardım Tedbirleri Teneffüs ettikten sonra : Temiz havaya çıkarılır. Eğer solunum durursa hemen mekanik solunum uygulanır. Gerekliyse oksijen maskesi takılır. Cilt temasından sonra : Bol su ile yıkayın. Polietilen glikol 400 karışımı ile ıslatın. Hemen kirlenen giysiyi çıkarın. Göz temasından sonra: Bol su ile en az 10 dakika göz kapağı açık olarak yıkayın. Göz uzmanı çağırın. Yuttuktan sonra: Kusmayı engelleyin. Hemen doktor çağırın. Yangınla Mücadele Tedbirleri Uygun yangın söndürme maddeleri : karbondioksit, köpük, toz.
30
Özel riskler : Yanıcıdır. Buharlar havadan daha ağır olduğundan atmosfer sıcaklığındaki hava ile patlayıcı karışımlar oluşturur. Yangın durumunda tehlikeli yanıcı gazlar veya buharlar gelişebilir. Yangınla mücadelede özel koruyucu ekipmanlar : Nefes alma aparatı ve kimyasal koruyucu giysi olmadan tehlikeli bölgelerde kalmayınız. Diğer bilgiler : Yangın söndürme suyunun yüzey suyuna ya da yeraltı suyuna sızmasını engelleyin. Güvenli bir uzaklıktan su püskürterek kabı soğutun.
Kaza Sonucu Yayılmaya Karşı Tedbirler Kişisel önlemler : Buharları/ aerosolleri solumayın. Madde temasını engelleyin. Çevresel önlemler : Patlama riski olduğundan kanalizasyon sistemine girmesine izin vermeyin. Kullanma ve Depolama Kullanma : Tutuşturucu kaynaklardan uzak tutunuz. Elektrostatik yüklenmeyi önlemek için önlem alınız. Maddeyi teneffüs etmeyin. Buharların/aerosollerin anlık oluşmasını engelleyin. Depolama : Tutuşturucu ve ısı kaynaklarından uzak olarak iyi havalandırılmış bir yerde sıkıca kapalı olarak tutunuz. Depo sıcaklığında sınırlama yok. Yalnızca yetkili kişiler tarafından ulaşılabilir. Maruz Kalma/Kişisel Korunma Kişisel koruyucu ekipmanlar : Koruyucu giysi, kullanılan tehlikeli madde konsantrasyonu ve miktarına bağlı olarak seçilmelidir. Kimyasallardan korunmak için, koruyucu giysilerde bulunan rezistanslar her bir tedarikçi tarafından saptanmalıdır. Solunum koruması : Buharlar/aerosollerin solunmaması gerekir. Solunursa solunum cihazı ile müdahele edilmelidir. El koruması : Mutlaka yapılan işe göre eldiven kullanılmalıdır.
31
Endüstriyel hijyen : Derhal kirlenen giysiyi değiştirin. Cilt koruyucu krem uygulayın. Madde ile çalıştıktan sonra ellerinizi ve yüzünüzü yıkayın. Hiçbir koşulda iş sahasında yemeyin ve içmeyin. Stabilite ve Reaktivite Kaçınılması gereken durumlar : Isıtma Kaçınılması gereken maddeler : mineral asitleri, sülfür, halojenler, halojen-halojen bileşikler, ozon, peroksit bileşikler, oksihalojenik bileşikler, CrO3), halojenler, hidrokarbonlar, uranyum hekzaflorür, perkloratlar. Toksikoloji Bilgileri Teneffüs ettikten sonra: Emilim, solunum sistemindeki tahriş edici semptomlar. Cilt temasından sonra : Hafif tahriş, ciltte kurutucu etki, ardından ikincil bir iltihabin oluşumu. Göz temasından sonra : Hafif tahriş. Yuttuktan sonra : Mide bulantısı. Maddenin kazayla yutulması aspirasyon riskine neden olabilir. Emiliminden sonra : Ajitasyon, zinde hissetme hali (öfori), baş ağrısı, aşırı baş dönmesi, sarhoşluk, yorgunluk, CNS rahatsızlıkları, narkoz, solunumun kesilmesi. Ekolojik Bilgiler Biyolojik etkiler : Suda yaşayan organizmalar için zehirlidir. Toprak veya suya karışmasına izin verilirse içme suyu kaynaklarını tehlikeye sokar. Doğadan Uzaklaştırma(Bertaraf Etme) Ürün : Kimyasallar ulusal kurallara uygun şekilde atılmalıdır. Ambalaj : Ürün ambalajı ülkeye ait spesifik kurallara uygun bir şekilde imha edilmeli yada ambalaj geri dönüşüm sistemine gönderilmelidir.[13] Toluen İçin Güvenlik ve Çevresel Açıdan Değerlendirmeler Tehlike Tanıtımı En önemli tehlikeleri : Patlayıcıdır.
32
Spesifik tehlikeleri : Kuvvetli oksidanlar ile şiddetli reaksiyona girerek yangın ve patlamaya neden olabilir.Buharları havadan ağır olduğundan zeminde yayılarak uzak mesafelerde tutuşmalara neden olabilir. İlk Yardım Tedbirleri Teneffüs edilirse : Hastayı temiz havaya çıkarın.Solunum durmuş veya zayıf ise suni solunum uygulayın. Gerekiyorsa oksijen verin ve derhal doktor çağırın. Deri ile temas ederse : Bulaşan elbiseler çıkarılarak cilt bol su ile yıkanır. Tahrişi azaltan kremler sürülür. Gözle temas ederse : Hemen bol su ile 15 dk.yıkanır.Gerekirse göz kliniğine sevk edilir. Yutulursa : Kusturmaya yeltenmeyin ve ağızdan bir şey vermeyin.Hasta hemen tam teçhizatlı hastaneye kaldırılarak midesi yıkanır. Yangınla Mücadele Tedbirleri Spesifik tehlikeleri : Kuvvetli oksitleyicilerle şiddetli reaksiyona girer.Yangın ve patlamaya sebep olabilir. Uygun yangın söndürme maddesi : Küçük yangınları kuru toz kimyasal, köpük, karbondioksit veya su ile söndürülür.Büyük yangınlarda köpük veya su sisi kullanılır.Basınçlı su kullanılmaz.Su, etrafı serin tutmak için kullanılabilir. Yangınla mücadelede gerekli koruyucu teçhizat : Tam yüz maskeli solunum cihazı, lastik yada pvc eldiven,bot ve koruyucu elbise kullanılmalıdır. Kaza Sonucu Yayılmaya Karşı Tedbirler Kişisel önlemler : Tam koruyucu elbise ve solunum cihazı kullanın.Buhar ve zerreciklerini solumaktan sakının. Gözlere, cilde ve elbiselere temasından kaçının. Çevresel önlemler : Temizlik işi tamamlanıncaya kadar alana girişi yasaklayın. Risksiz olarak yapabiliyorsanız kaçağı önleyin. Alanı havalandırın.Toprak yada diğer yanıcı olmayan bir madde ile çevirin.Az miktarda döküldüğünde bol su ile yıkayın.Asla yanıcı maddelerle örneğin talaş gibi absorbe etmeyin.
33
Kullanma ve Depolama Kullanma : Gözle, deriyle ve elbiselerle temasından kaçının. Buhar ve zerreciklerini solumaktan sakının.Çalışırken kauçuk önlük, eldiven,gözlük ve gerekirse hava tüplü maske kullanın.Kan,karaciğer ve böbrek rahatsızlığı olan kimselerin bu madde ile çalışmamaları gerekir.Devamlı çalışma durumunda yılda bir defa Göz, merkezi sinir sistemi, kan, karaciğer ve böbrek testlerinin yapılması gerekir. Teknik önlemler : Kapalı ve iyi havalandırılmış yerlerde kullanılmalıdır. Taşıma, doldurma ve boşaltma esnasında basınçlı hava kullanmayın. Depolama : İyi havalandırılmış,kuru yerlerde;ısı,ışık,alev ve kıvılcım kaynağından, oksitleyici maddelerden uzak depolayın. Kapları fiziksel hasarlardan koruyarak kapalı ve dik tutun. Ambalaj malzemesi : PVC Diğer önlemler : Çalışma anında bir şey yiyip içmeyin. Sigara içmeyin. Hamile kadınların bu maddeye maruz kalmamaları gerekir. Maruz Kalma/Kişisel Korunma Solunum sisteminin korunması : Kullanım noktasında buhar ve zerrecikler için NIOSH onaylı uygun maske kullanın. Uygun solunum cihazları; tüm yüzü koruyan filtre takılmış yarı maske, pozitif basınç modlu solunum cihazı yada havalı maske olabilir. Ellerin korunması : Lastik yada kauçuk eldiven kullanın. Gözlerin korunması : Kimyasal gözlük ve tam yüz siperi veya tam solunum cihazı kullanılabilir. Genel olarak kimyasal maddelerle meşgul olurken kontak lens kullanılmamasının gereği kabul edilir, çünkü kontak lensler gözdeki yaranın ciddiyetini artırabilir. Cilt ve vücudun korunması : Kauçuk önlük,elbise ve bot kullanın. Stabilite ve Reaktivite Stabilite : Stabil
34
Reaktivite : Kuvvetli oksitleyicilerle ve kuvvetli asitlerle şiddetli reaksiyona girerek yangın ve patlamaya neden olabilir. Kaçınılması gereken durumlar : Isı ve ışık kaynağı,nem,açık alev ve kıvılcım. Temas etmemesi gereken maddeler : Kuvvetli oksitleyiciler ve kuvvetli asitler. Toksikoloji Bilgileri Akut Toksisite : LD 50 : 50 g/kg Soluma : Solunum yolu ile alındıktan sonra vücut tarafından emilerek kana karışır ve beyinde baş dönmesi,dengenin bozulması,şuur kaybı gibi toksit etkilere neden olabilir. Deri ile temas : Uzun süreli maruz kalma durumunda kızarıklık ve alerji yapar, cildi kurutur. Gözle temas : Göz dokularında tahriş ve yanma yapar. Yutma : Oral doz LD 50; 10 g/kg. Sindirim yoluyla az miktarda toksittir. Bu miktarda alındığında bulantı, kusma iştah bozukluğu,halsizlik ve uyku hali yapar. Ekolojik Bilgiler Akut Balık Toksisitesi : TLV : 100 cm3 buhar/m3 hava Doğadan Uzaklaştırma(Bertaraf Etme) Kullanma, depolama, taşıma ve bertaraf mutlaka yerel ve merkezi yasal düzenlemeler takip edilerek yapılmalıdır. Yüzey sularına ve kullanma suyu sistemine boşaltılmaz. [14] Metan İçin Güvenlik ve Çevresel Açıdan Değerlendirmeler Tehlike Tanıtımı Koku: Kokusuz Görünüm: Sıkıştırılmış gaz Gözle temas: İritasyona yol açabilir. Deriye temas: Şiddetli maruziyet durumlarında iritasyon görülebilir. Soluma: Şiddetli maruziyet durumlarında baş ağrısı görülebilir.
35
Yeme: Potansiyel koruyucusuz geçiş olarak addedilmez. İlk Yardım Tedbirleri Deriyle temas: Bu ürün için özel bir tedbir gerekmemektedir. Gözle temas: Bu ürün için özel bir tedbir gerekmemektedir. Yeme: Potansiyel koruyucusuz geçiş olarak addedilmez. Soluma: Hastayı temiz havaya çıkarın. Herhangi bir kuşkunuz varsa ya da semptomlar devam ediyorsa, tıbbi müdahale için başvurun. Genel: Kaza durumunda ya da kendinizi iyi hissetmiyorsanız, hemen doktorunuza danışın. (mümkünse etiketi gösterin) Yangınla Mücadele Tedbirleri Oto ateşlenme noktası # °C 760 mm/Hg’de alev almaz. Taşınabilir konteynerler mümkünse ve risk almadan taşınmalıdır. Ateşe maruz kalan konteynerleri su sıkarak soğuk tutun. İtfaiyeyi potansiyel tüp patlama ve fırlama tehlikesinden haberdar edin. Kaza Sonucu Yayılmaya Karşı Tedbirler Kişisel Tedbirler : Güvenli ise sızıntı kaynağını kapatın. Çevresel Tedbirler: Bu ürün için özel bir tedbir gerekmemektedir. Temizleme Eylemleri: Güvenli ise sızıntı kaynağını kapatın. Ürünü buharlaşmaya bırakın. Alanı havalandırın. Kullanma ve Depolama Yükleme-boşaltma:
Profesyonel kullanıcılarla kısıtlıdır. Yeterli havalandırma
olmasına dikkat edin. Depolama : Serin, kuru ve iyi havalandırılan bir yerde saklayın.Basınçlı konteyneri güneş ışığından uzak tutun ve 50 C dereceyi aşan sıcaklıklara maruz bırakmayın. Maruz Kalma/Kişisel Korunma
36
Maruziyet Limitleri : Bu ürünün önerilen ya da oturmuş herhangi bir kontrolü yoktur. Mesleki Maruziyet kontrolleri : Bu ürün için özel bir tedbir gerekmemektedir. Stabilite ve Reaktivite Bu madde normal şartlar altında stabil sayılır. Aşırı ısınmayı önleyin. Toksikoloji Bilgileri Toksikolojik Bilgi : Toksik değil Soluma: Şiddetli maruziyet durumlarında baş ağrısı görülebilir. Deriyle temas: Tehlikeli değil Gözle temas: Tehlikeli değil Yeme: Potansiyel koruyucusuz geçiş olarak addedilmez. Karsinojenisite: Karsinojenik etkiler üzerine kanıt bulunamamıştır. Ekolojik Bilgiler Ekotoksisite: Mevcut verilerde, madde akuatik yaşama zararlı değildir. Mobilite: Bu madde uçucudur. Suda çözünmez. Diğer Advers Etkiler: Çevre için tehlike teşkil etmez. Tasfiyede dikkat edilmelidir. Doğadan Uzaklaştırma(Bertaraf Etme) Kontamine olmamış materyal geri verilebilir. Tedarikçiye danışın. Atma işlemi yerel, ulusal ve devlet yasalarına uymalıdır. Kullandıktan sonra bile kabı delmeyin ya da yakmayın.[15] Hidrojen İçin Güvenlik ve Çevresel Açıdan Değerlendirmeler Tehlike Tanıtımı Renksiz, kokusuz,zehirsiz, boğucu, son derece parlayıcı , yüksek basınç altında çelik
37
tüpler içersine sıkıştırılmış gazdır. Hava ile parlama sınırı % 4-74,5 dur. Isı, kıvılcım ve alevden uzak tutulmalıdır. Hidrojen , oksijen içermez ve kapalı alanlara sızarsa boğulmaya neden olabilir. Tüpler, 45 °C ‘nin altında kullanılmalı ve muhafaza edilmelidir. Bilinen en hafif gazdır. İlk Yardım Tedbirleri Teneffüs edilmesi : Çalışanın riskini en aza indirerek kazazede derhal temiz bir sahaya götürülmelidir. Hava girişinde herhangi bir engel olmamalıdır. Eğer solunum zayıflığı varsa veya durmuşsa, derhal suni teneffüs uygulanmalıdır. Kurtarma personelinde solunum cihazı bulunmalıdır. Kazazede sıcak ve rahat tutulmalıdır. Daha sonraki tedavi semptomatik ve destek tedavi olmalıdır. Hidrojenin hava içindeki konsantrasyonunun %4 seviyeye geldiği zaman parlama ve yanma riskinin olduğu unutulmamalıdır. Yangınla Mücadele Tedbirleri Uygun söndürme yöntemi : Oldukça parlayıcı bir gazdır. Hidrojen bilinen en hafif gazdır ve sızan gaz bulunduğu yerin en üst noktasında toplanır. Hidrojen, hava ile hemen hemen gözle görülmez, açık mavi bir alevle yanar. Yüksek kaplardaki gaz kaçağı, herhangi bir ateşleme kaynağı yokken bile, statik elektrikten tutuşabilir. Hızlı bir alev yayılması ve alev geri tepmesi olabilir. Havada geniş bir konsantrasyon aralığında kolayca tutuşabilir. Yangın mahalline yetkisiz şahıslar sokulmamalıdır ve yangın mahalli izole edilmelidir. Kaçak ihtimali bulunan ortamlardan tutuşturma kaynakları uzak tutulmalıdır. Yangına maruz kalan hidrojen tüpleri, yangın esnasında ve sonrasında emniyetli bir mesafeden su ile soğutulmalıdır. Yangın söndürmede su, kuru kimyasallar ve karbondioksit kullanılabilir.
Kaza Sonucu Yayılmaya Karşı Tedbirler Kişisel önlemler : Ürünün yayıldığı bölge derhal boşaltılmalıdır. Ürünün yayıldığı bölgeye girişlerde, uygun koruyucu ekipman kullanılmalıdır. Tehlike bölgesinde sigara içilmemeli, hiçbir alev, ateş veya kıvılcım olmamalıdır. Uygun havalandırma sağlanmalıdır. Kusurlu tüplere muamele ederken, oldukça dikkat edilmelidir. Aksi takdirde herhangi bir tutuşma meydana gelebilir ve alevi gözle zor görüldüğü için
38
tüple temasa geçen kişiye zarar verebilir. Hidrojen alevinin en kolay tesbit etme yöntemi bir çalı süpürgesi ile alev ihtimali olan kısma yaklaşmaktır. Çevrede alınacak önlemler : Gaz kaçağı yapan tüp, dikkatlice emniyetli bir alana götürülmeli ve üzerinde hiç bir tamirat yapılmadan yetkili aranmalıdır. Temizlik yöntemleri: Etkilenen bölge havalandırılmalıdır. Eğer sızıntı kullanıcının donanımında ise , onarıma başlamadan önce, kesinlikle gaz boruları inert gaz ile süpürülmelidir. Kullanma ve Depolama Kullanma: Tüpler işletme içinde nakledilirken vanaları kapalı ve kapakları takılı olarak nakledilmelidir. Nakil esnasında tüpler yan yatırılmamalı, tercihen dik vaziyette, bir araba üzerine ve bağlı olarak nakledilmelidir. Tüpler kapağından ve ventilinden kaldırılarak taşınmamalıdır. Tüpleri kaldırmak için mıknatıs, halat veya zincir kullanılmamalıdır, tüpler düşmemeli ve birbirine çarpmamalıdır. Kullanım mahalline getirilen tüpler dik olarak kullanılmalı, tüpün üzerindeki etiketten doğru gazın kullanıldığı kontrol edilmelidir. Kapağı sökülüp vana dişleri kontrol edilmelidir. Uygun basınç düşürücü ( regülatör ) ve ekipman monte edilmelidir. Monte işleminde kıvılcım çıkarmayan türden ekipman kullanılmalıdır. Regülatör takmadan önce, ateşe yakalanma ihtimalinden dolayı tüp valfi hemen açılmamalıdır. Vanası asla yağlanmamalı ve yavaşça açılmalıdır. Uygun bir yöntemle (sabun köpüğü, kaçak tesbit solusyonu vb.) gaz kaçakları kontrol edilmelidir. Tüpü kullanıma sokmadan önce, sisteme geri besleme olmamasına dikkat edilmelidir. Bir tüpün basıncını arttırmak için asla direkt çıplak alev veya elektrikli ısıtıcı cihazlar kullanılmamalıdır. Tüp asla 45 °C ‘nin üzerindeki bir sıcaklığa maruz bırakılmamalıdır. Tüp içindeki gaz tamamen bitmeden, tüpün vanası zorlanmadan kapatılmalı ve kapağı takılmalıdır. Üzerine boş yazılı bir etiket yapıştırılıp, depoya götürülmelidir. Tüpler takoz, rulo, mesnet v.s. gibi amaçlar için kullanılmamalıdır. Depolama : Tüpler; paslanmaya ve sert havaya karşı korunaklı, çok iyi havalandırılmış bir sahada depolanmalıdır. Tüp depoları yanmayan türden malzemeden yapılmalı, hafif çatılı, kapıları dışarı doğru açılır olmalıdır. Alttan ve üstten havalandırma kanalları bulunmalıdır. Deponun üst kısmı gazın kaçacağı şekilde meyilli yapılmalıdır. Statik elektriklenmeye sebebiyet verecek her türlü koşul ortadan kaldırılmalıdır. Tüm
39
donanım kıvılcım çıkartmaz ve patlama-korumalı (explosion-proof) olmalıdır. Depolama esnasında tüp sıcaklığının – 40 °C’nin altına inmeyecek, 45 °C’nin üstüne çıkmayacak şekilde önlem alınmalıdır. Tüpler yangın riskinden ari ve ısı/tutuşturucu kaynaklardan uzak bir yerde muhafaza edilmelidir. Hidrojen tüpleri, oksijen gibi oksitleyici tüplerden uzak depolanmalıdır. Depolama sahası temiz tutulmalı ve yalnızca yetkili personel girebilmelidir. Depolama sahası uygun tehlike uyarıcı işaretlerle işaretlenmelidir. ‘Sigara İçilmez veya Açık Alevle Girmeyiniz” uyarı yazısı asılı bulundurulmalıdır. Depolanan tüpler, devrilmeyecek ve yuvarlanmayacak şekilde tutulmalıdır. Tüp valfleri sıkıca kapatılmalı ve koruyucu kapakları yerinde olmalıdır. Dolu ve boş tüpler ayrı ayrı depolanmalı ve ilk önce eski stok kullanılacak şekilde dolu tüpler ayarlanmalıdır. Maruz Kalma/Kişisel Korunma Mesleki maruz kalma limiti : Havadaki Oksijen seviyesinin % 19,5 altına düşmesi engelleyecek şekilde havalandırma yapılmalıdır. Mesleki maruz kalma kontrolleri : Hidrojen zehirli değildir, fakat yüksek konsantrasyonda basit bir boğucu gaz olarak davranır. İstenilerek solunulmamalıdır. Ürün kullanılırken sigara içilmemeli ve çıplak alev kullanılmamalıdır. Solunum sisteminin korunması : Havadaki konsantrasyonu, solunum için gerekli oksijen konsantrasyonundan fazla ise tüplü solunum cihazları kullanılmalıdır. Ellerin korunması : Sağlam iş eldivenleri kullanılmalıdır. Gözlerin korunması : Yüz siperliği veya göz maskesi kullanılmalıdır. Cildin korunması : Uygun iş elbiseleri ve çelik burunlu ayakkabı giyilmelidir. Stabilite ve Reaktivite Kaçınılması gereken durumlar : Havayla patlayıcı karışım meydana getirebilir. Kaçınılması gereken materyaller : Oksitleyicilerle şiddetli reaksiyona girebilir.
40
Toksikoloji Bilgileri Hidrojen zehirli değildir, fakat toksik etkisini yüksek konsantrasyonlarda basit bir boğucu gaz olarak gösterir. Boğulma belirtileri; hızlı ve güçlükle teneffüs, hızlı yorulma, mide bulantısı/kusma ve muhtemelen bilinç kaybının ardından ölümdür. Ekolojik Bilgiler Bu konuda herhangi bir veri bulunmamaktadır. Doğadan Uzaklaştırma(Bertaraf Etme) Tehlikeli miktarlarda birikmelerin olabileceği hiç bir ortama boşaltma ve tahliye yapılmamalıdır. Tüplerde kalan gazların bertarafı için yetkili ile irtibata geçilmelidir. Kontrollü bir şekilde imha edilecektir.[16] 6.REAKTÖR BOYUTLANDIRMASI Çeşitli sıcaklık ve basınç değerleri için birçok hacim hesaplanmıştı.Seçim yapılırken maliyet göz önünde bulunduruldu.Bunun sonucunda 700oC sıcaklık ve 25 atm basınç hesaplanan 8,7m3 değeri reaktör hacmi olarak seçildi. Seçilen 321 kalite paslanmaz çelik boruların dış çap genişliği 2mm-609mm arasındadır.[12] Tasarladığımız reaktörde dış çapı 609mm ve et kalınlığını 9mm aldık. D=609mm=0,609 m Et kalınlığı=9mm=0,009m r=(0,609-0,009) / 2 = 0,3m bulundu. Kullanılacak reaktörün uzunluğunu bulmak için; V=πr2L
8, 7 = π x(0, 32 ).L
Burada reaktör uzunluğu, L= 31m bulundu. Kullanılacak dış ceket boyutlandırması;
41
D = 0,762m Et kalınlığı = 0,009m seçildi. Proseste gerçekleşen tepkime egzotermik olduğu için soğutma sistemi kullanılması gerekir. Bunun için fan kullanılarak soğuk akışkan olan oda sıcaklığındaki hava ceket içerisinden geçirildi. Reaktörün dış yüzeyindeki ısı sebebiyle ısınarak yükselen hava,soğutma ceketinin yüzeyine açılan deliklerden borular vasıtasıyla,besleme girişine gönderildi.Burada beslemeyi ısıtmak amacıyla kullanıldı.Kullanılan fanlar ise reaktörün alt kısmına konuldu.Planlanan sistemin şekli aşağıda verilmiştir;
Şekil 4.1. Tasarlanan Reaktör Sistemi
42
Şekil 4.2. Tasarlanan Reaktör Sisteminin 3D Çizimi
7. MALİYET HESAPLAMALARI Yapacağımız proje için 321 tipi paslanmaz çelik boru seçildi. Optimum şartlara göre tasarlanan piston akışlı reaktörün hacmi 8,7 m3 olarak hesaplandı.Standart boru çaplarına göre reaktörün uzunluğu 31 m olarak bulundu. Seçilen borunun dış çapı 0,609 m, et kalınlığı ise 0,009 m' dir. Böylece kullanılan reaktörün yarıçapı 0,3 m olmaktadır. Maliyet hesabının yapılabilmesi için besleme ve çıkış akımı değerleri ChemCAD programında HDA prosesi için oluşturulmuş olan piston akımlı reaktörde yerlerine yazılarak Q değeri bulundu.
43
Şekil 7.17. Besleme akımı değerleri
Şekil 7.18. Çıkış akımı değerleri
Şekil 7.19. Reaktör için bulunan değerler
44
7.1. Reaktör (Boru) Maliyetinin Hesaplanması AISI 321 (Paslanmaz Çelik) için veriler; [1] Yoğunluk ( ρ ) = 8027 kg/m3 Isıl İletkenlik (500 0C ve üzeri için) = 22,02 W/m.K Özgül Isı = 500 J/kg.K 9mm et kalınlığında 1m2 ' lik 321 stainless steel birim fiyatı 69,60 $/m 2 olarak bulunmuştur. [2] 8,7 m3 hacminde , D= 0,6 m ve L= 31 m boyutlarındaki reaktörün toplam alanı bulunarak birim alan başına bulunan maliyet ile çarpılır. Toplam Yüzey Alan; 2 π rL + 2 π r2 = 2. π .(0,6/2).(31) + 2. π .(0,6/2)2 = 58,99 m2 Reaktör için kullanılan paslanmaz çeliğin maliyeti (AISI 321) = (69,60 $/m2).(58,99 m2) Reaktör Maliyeti = 4105,704 $ Günlük kura göre 1$ = 1,7839 TL ise reaktör maliyeti (4105,704 $).(1,7839 TL/$) = 7324,165 TL olarak hesaplanır. 7.2. Kullanılacak Hammadde Maliyetinin Hesaplanması Toluenin birim maliyeti Coulson & Richardson Chemical Engineering Design kitabından (EK 1) 0,47 $/kg olarak okunur. 1998 yılındaki birim maliyet Marshall Swift maliyet göstergeleri kullanılarak 2011 yılı fiyatlarına çevrilir; bm toluen = 0,47
$ 1520,0 $ = 0,673 . kg 1061,9 kg
Toluen beslememiz 2,416667 kmol/dk olduğundan FT0 =2,416667 kmol/dk 'dır. Buna göre toluenin maliyeti;
45
Mtoluen = 2,416667
kmol 60dk 92,14kg 0,673$ . . . = 8991,48 $/saat 1kg dk 1st 1kmol
Mtoluen = 8991,48 $ .
1,7839TL = 16039,91 TL/saat 1$
7.3. Dış Ceketin Maliyetinin Hesaplanması D = 0,762m Et kalınlığı = 0,009m alınmıştır. Buradan toplam yüzey alanını bulursak; 2 π rL + 2 π r2 = 2. π .(0,377).(31,5) + 2. π .(0,377)2 = 76 m2 Ceket için kullanılan paslanmaz çeliğin maliyeti (AISI 321) = (69,60 $/m2).(76 m2) Ceket Maliyeti = 5289 $ Günlük kura göre 1$ = 1,7839 TL ise reaktör maliyeti (5289 $).(1,7839 TL/$) = 9435 TL olarak hesaplanır. 7.4. Soğutma Sistemi (Fan) Maliyetinin Hesaplanması Sistem egzotermik olduğundan dolayı ortamda sürekli ısı açığa çıkmaktadır. Isının 700 0
C’de sabit tutulması gerekmektedir. Bunun için kapalı bir ortamda bulunan reaktörde
soğutucu olarak VB Hücreli Tip Santrifüj Fan kullanılır.[19] Santrifüj Fanlar Santrifüj fanların avantajları aşağıdaki gibidir: Geniş bir uygulama aralığı Yüksek sıcaklık, korozif ve aşındırıcı ortam uygulamaları, Direk tahrikli aksiyal fanlara göre, motora daha kolay ulaşım, Özellikle değişken akış direncine sahip yerlerde, daha verimli ve daha sessiz çalışma
olanakları . Yüksek bir yapısal kararlılık Çok yüksek basınç ve debiler [20]
46
Fanın kapasitesinin hesaplanması; Q değeri Chemcad programında bulunmuştu. Q=150240000 cal/dk=1502400 kcal/dk Reaktörün yüzeyinden yayılan ısı hesaplandı; Yanal alan=58,04m2 Uortdeğerini bulmak için Isı kütle kitabının denklem (10.6-31) formülünden yararlanılır. k=24,5W / mK ısı kütle kitabı Çizelge 6.2ısıl iletkenlik değeri alınır. Toluen, benzen ve metanın hodeğerleri chemcad programından bulunmuştur. Aşağıdaki formülden yararlanılmıştır. Y = A.T^B/(1+(C/T+D/T^2)) Örnek hesaplama sadece toluen için gösterilmiştir. Toluen için A = 2,392 x e-005 B = 1,2694 C= 537 D=0 T = 973,15 K Denklemle yerine yazıldığında hotoluen = 64,496 W/m.K bulunmuştur. Aynı şekilde benzen ve metan değerleri de bulunur. hoBenzen =61,463 W/m.K hometan =0,160 W/m.K ro=boşluktaki yarıçap ro=ıçap – et kalınlığı rı=ıçap Her bir standartlara göre rove rıdeğerleri bulunur.
47
Oradan da her biri için Uodeğerleri bulunur. UoBenzen= ,01927W/m.K Uotoluen=,01927 /m.K Uometan=,01721 /m.K Uort= ,01859/m.K
Fabrika koşulları 20°Colarak alınır. Sıcaklığımız 700ºCdir. ∆T=700-20=680°C Uort= ,01859/m.K 58,04 2 q=U.A.∆T =733,7cal/dk= 0,734 kcal/dk Bu bulunan değerimiz PAR’ ın dışarıya yaydığı ısı enerjisidir.Tepkime sonucu oluşan ısı ise chemcad programında 1502400 kcal/dk bulunmuştu.Bu yüzden PAR'ın yaydığı ısı ihmal edildi. Havanın 20oC deki ısı kapasitesi cp= 1,006 kj/kg.K = 0,240 kcal/kg.K[17] Q=m.c.∆T 1502400 kcal/dk = m.( 0,240 kcal/kg.K).(700-20)K m = 9206 kg/dk ⍴ = 1,2 kg/m3 [18] Q(debi) =m/⍴ Q(debi) = 9206kg/dk/1,2 kg/m3 = 7672 m3/dk =460320 m3/sa 460320 m3/sa kapasiteyi sağlayacak olan fan ya da fanlar kullanılmalıdır. Bu sisitem için 125500 m3/sa Hücreli Tip Santrifüj Fanından 4 tane kullanılacaktır. Fanın adeti 1121 $ olarak alınmıştır.[19]
48
Fanın toplam maliyeti = 4*1121 $ = 4484 $ = 8000 TL Sistemin toplam maliyeti = Reaktör maliyeti+Dış ceket maliyeti+Fan maliyeti = 7324,165+9435+8000=24760TL
8.SONUÇ Reaktör seçiminde reaktörlerin avantaj ve dezavantaj özellikleri de göz önünde bulunduruldu. PAR reaktörü endüstride en çok kullanılan reaktör tipidir.En homojen gaz fazlı akış reaktörü borusal akış reaktörüdür.Akış reaktörlerinin herhangi birisinin birim reaktör hacmi başına en yüksek dönüşüm oranını sağlar. Dezavantajı ise; reaktör içinde sıcaklık kontrolünün zor olmasıdır. Bunun için sisteme fan sistemi eklendi ve bu da bir ek maliyet getirmiş oldu.Yapılan projede maliyet göz önünde bulunduruldu.Buna bağlı olarak reaktör hacmi hesabında basıncın ve sıcaklığın optimum olduğu nokta belirlendi. Reaktör için malzeme seçimi paslanmaz çelik olarak seçildi. Boru ve borunun dışındaki ceket için 321 kalite paslanmaz çelik seçildi. Paslanmaz çelik çoğu organik sistemleriyle kullanım için mükemmel bir malzemedir. Paslanmaz çelik yıllarca bozulmadan bütün özelliklerini koruyarak dayanabilen bir malzemedir. Farklı kimyasal, fiziksel ve mekanik
özelliklerde
üretilebilen
paslanmaz
çelikler;
yüksek
korozyon
dayanımı,
düşük/yüksek sıcaklıklarda kullanılabilmesi, mekanik mukavemeti, imalat kolaylığı, estetik yüzey görünümü, hijyenik ve uzun ömürlü olma gibi üstün özelliklere sahiptir. Reaktörde kullanılan benzen,toluen,metan ve hidrojenin sağlık ve çevresel yönleri belirtildi. Reaktör
boyu
endüstride
kullanılanlarla
karşılaştırıldığında
kabul
edilebilir
olduğundan spiral haline getirmeye veya tüp yerleştirmeye gerek duyulmadı.Çünkü bu iyileştirmeler de ek maliyet getirecektir. Sistemde tepkimeden dolayı oluşan ısı chemcad programında hesaplandı.Isıyı uzaklaştırmak için ortamdaki hava kullanıldı. Hesaplanan ısı değerinden yararlanılarak sistemi soğutmak için kullanılması gereken hava debisi bulundu.Bu hava debisine uygun kapasitedeki fan piyasa araştırması yapılarak seçildi.
49
9.KAYNAKLAR 1. TÜZÜN Celal, '' Organik Kimya '', Okan Yayın Dağıtım, Ankara,1988 2. ÇATALTAŞ İhsan, '' Sınai Stokiometri '', İnkılap ve Aka Basımevi, İstanbul, 1972 3. YAŞLAK Salih, '' Organik Sınai Kimya'' , Dahi Yayınları , İstanbul , 2008 4.TURTON R.,BAILIE R.C.,WHITING W.B.,SHAEIWITZ J.A.,''Analysis, Synthesis and Design of Chemical Processes '',Third Edition , Prentice Hall, 2009 5. James M. Douglas,''Kimyasal Proseslerin Kavramsal Tasarımı '', Çeviren: İsmail Boz , İstanbul, 2005 6. CONNORS C.A., “Chemical Kinetics : The Study of Reaction Rates in Solution”, VCH, New York (1990). 7. FOGLER H.S., “Elements of Chemical Reaction Engineering”, 2nd ed, Prentice-Hall International (1992). 8. COKER A.,K., ''Modelling of Chemical Kinetics and Reactor Design'' , Texas, 2001. 9. STANISLAV VALERIEVICH EMETS, B.S., "An Examination Of Modified Hierarchical Design Structure For Chemical Processes" , A Thesis In Chemical Engineering Submitted to the Graduate Faculty of Texas Tech University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master Of Science, 2003 10. http://megproduction.blogspot.com/design-of-reactor.html (Erişim Tarihi: 18.11.2012) 11.http://www.somcelik.com.tr/tr/paslanmaz-celik-kullanim-alanları (18.11.2012) 12.http://www.nurpaslanmaz.com/PASLANMAZ-CELIK-BORU.php (18.11.2012) 13. http://www.kimyaevi.org/d02/101789.pdf (25.11.2012) 14. http://www.tekkim.com.tr/lib_g_sertifika/105.PDF (09.12.2012) 15. http://www.wilhelmsen.com/services/maritime (09.12.2012) 16. http://www.ozsengaz.com/?sayfa=formhidrojen (09.12.2012) 17. http://biltek.tubitak.gov.tr/merak_ettikleriniz/index.php?kategori_id=4&soru_id=5190
50
18. http://www.mf.hitit.edu.tr/mak/belgeler/dogal_ve_zorlanmis_tasinim.doc (20.12.2012) 19. http://www.altayisisistem.com.tr/uploaded/_5699426532.pdf 20. http://www.alfer.com.tr/files/fantech.pdf (21.12.2012)
(21.12.2012)
