REAKTÖR TASARIMI
Etilen, oksijen ve metan metan
katalitik borular borular içerisine beslenmeden beslenmeden önce geri
besleme akımından gelen gazlarla bir karışım tankında karıştırılır. Etilen % 100 saflıkta olup oksijen % 99,5 ve metan da % 95 saflıktadır. Oksijen % 0,05 oranında argon, metan ise %5 oranında azot azot gazı ihtiva eder. Metan, reaksiyon reaksiyon hızlarını kontrol altında tutabilmek için inert madde olarak beslenir. Geri besleme akımından gelen gazlar ana beslemeden beslemeden gelenler gelenler dışında karbondioksit , su ve etilen oksit ihtiva eder. Etilen oksit üretiminde aşağıda ki reaksiyonlar meydana gelmektedir.
C2H4 + O2 C2H4
+
C2H4O 3O2
2CO2+ 2H2O
Reaksiyonlar sonucu oluşan C 2H4O ve CO 2’ye göre reaksiyon hızları aşağıdaki gibidir (Rahimpour and Shayanmehr and Nazari 2011).
( ) ( ) ) ( ) (
1
Prosesimizde var olan türler: C2H4 – A O2 – B C2H4O -C CO2 -D H2O –E CH4 –me N2 –i Ar – ar
sembolleriyle gösterildi.
4.2 MOL BALANSI Dolgu yataklı reaktör için reaktör için genel mol balansı aşağıda ki denklemle verilir (Fogler 2010).
∫
Kararlı halde çalışan bir PBR’de birikim terimi ‘0’ olur ve E ve Eşitlik şitlik (4.1) (4.1) aşağıdaki hale gelir.
∫
Eşitlik (4.2)’de (4.2)’de bütün b ütün terimlerin katalizör ağrlığına göre diferansiyeli alınırsa, PBR için gerekli tasarım eşitliği aşağıdaki aşağıdaki gibi olur.
2
4.2.1.1 Performans eşitlikleri Diferansiyel Diferansiyel eşitlikler, Eşitlik (4.3) yardımıyla hesaplanır.
Hız ifadesindeki basınçlar;
3
denklemleriyle hesaplanır . Toplam molar akış hızları Eşitlik (4.17) ve (4.18) ile hesaplanır.
Kütle balansı balansı Reaktör sistemine ait akım şeması Şekil.1’de verilmiştir.
5 6
Absorpsiyon Kolonu
C2H4 +1/2 O2→C2H4O
1 2
C2H4 +3 O2→2CO2+2H2O
3
4
Şekil.1 Şekil.1 Reaktör sistemine ait akım şeması Şekil.1’de 1 noktası ana beslemenin yapıldığı nokta, 2 noktası reaktörün girişi, 3 noktası reaktör çıkışı, 4 noktası etilen oksitin alındığı nokta, 5 noktası geri besleme akımı, 6 noktası ise atık gazların atıldığı noktayı göstermektedir. Her bir nokta için molar ak ış ış 4
hızları Çizelge.1’de verilmiştir.Reaktör verilmiştir.Reaktör içerisinde içerisinde molar akış değişimleri Şekil.2 ve Şekil.3’de verilmiştir.
Geri Besleme + Ana Besleme = Giriş Akımı
Çizelge.1 Reaktör Sisteminde Molar Akış Hızları (Kmol/h) C2H4
1 noktası
2 noktası
3 noktası
4 noktası
5 noktası
6 noktası
111,8401
201,0161
99,08437
-
89,17593
9,908437
O2
74,36698
201,0161
140,7212
-
126,6491
14,07212
C2H4O CO2
-
1,80 67,16872
100 74,63192
98 -
1,8 67,16873
0,2 7,463192
H2O
-
2,815948
10,27864
-
2,815948
-
CH4
40,20321
402,0321
402,0321
-
361,8289
40,20321
N2
2,115959
21,15895
21,15895
-
19,04306
2,115895
Ar
0,373703
3,737291
3,737291
-
3,363552
0,373729
5
Şekil.2 Şekil.2 Etilen ve Oksijenin Molar Akış Hızları
Şekil.3 Şekil.3 Etilen Oksit, Karbondioksit, Suyun Molar Akış Hızları
6
BASINÇ DÜŞÜŞÜ Gaz fazı reaksiyonlarının çoğu reaktanların, reaktanların , katalizör partikülleri ile dolu bir dolgulu yataktan geçerken katalizlenir. Poroz dolgulu yataklarda basınç düşüşünü hesaplamak için Ergun Eşitliği kullanılır (Fogler (Fogler 2010). Ergun Eşitliği;
[ ]
şeklinde ifade edilir. P= basınç (atm) Ø= porozite gc=1 Dp= yataktaki partiküllerin çapı (m) μ=yatak boyunca gecen gazın viskozitesi ( z= borunun dolgulu yatak uzunluğu (m)
) u=superfizial hız ( )
)
ρ= gaz yoğunluğu (
G= ρ x u (superfizial kütlesel hız) ( W= katalizör ağırlığı (kg)
)
Ergun Eşitliğinde gerekli düzenlemeler yapılığında;
̇
̇
7
elde edilir. Eşitlik (4.25) ile Eşitlik (4.19) ile birleştirilirse aşağıdaki eşitlik elde edilir.
[ ] [ ]
Eşitlik (4.28) katalizör katalizör ağırlığına göre düzenlenirse düzenlenirse;;
8
elde edilir. Denklemi biraz daha basitleştirip
dersek , başlangıç basıncına göre gö re
bağıl basınç düşüşü ifadesi elde elde edilir .
Hesaplamalar
9
Değerleri Eşitlik (4.33)’de kullanılarak paket programda çözüme gidildi. Elde edilen bağıl basınç düşüşünün katalizör katalizör ağırlığı ile değişimi Şekil. Şekil.3’te 3’te görüldüğü görüldüğü gibidir.
Şekil.4 Şekil.4 Katalizör Ağırlığına Göre Bağıl Basınç Düşüşü
10
SICAKLIK Etilen oksit üretimi için kullandığımız reaktör dolgulu yatak reaktördür. Reaksiyonun egzotemik olması dolayısıyla oluşan ısının uzaklaştırılması için reaktör boru demetli tasarlanmıştır. Reaktör boyunca basınç(P) ,dönüşüm(X) ve sıcaklık(T) değişmektedir. Bu üç parametre reaksiyon hızını doğrudan etkilemektedir. doğrudan etkilemektedir.
Enerji Balansı Sürekli akış reaktörleri açık sistemler olarak düşünülür . düşünülür . Eğer sistem sınırları içinde birden fazla türün giriş ve çıkışı söz konusu ise enerji balansı enerji balansı aşağıdaki aşağıdaki gibi yazılır ( Fogler 2010)
̇ ̇
Fi i türünün molar debisi ve E i’de bu türe ait enerjidir. İş terimlerini akış ve şaft işi olarak ayırır ve akış işini mevcut enerji balansındaki diğer terimlerle birleştirilirse aşağıdaki denklem elde edilir.
̇ ̇
Ei, Ei, iç enerji, potansiyel enerji ve diğer enerjilerin diğer enerjilerin toplamıdır.
Tüm kimyasal reaktörler için; kinetik, potansiyel ve diğer enerjiler entalpi, ısı t ransferi ve iş verimi ile karşılaştırıldıklarında ihmal edilir.
11
Yukarıda elde edilenler enerji balansında yazılırsa, aşağıdaki ifade elde edilir.
̇ ̇
Giriş şartlarını ‘0’ indisi ile gösterelim.
̇ ̇
Kararlı hal için enerji balansı yazılırsa, birikim terimi ‘ 0’ olacaktır. Burada F i ve Fi0 molar akış hızları, H i ve Hi0 molar entalpilerdir.
̇ ̇
Kararlı Hal Molar Akış Hızlarından Reaksiyon Reaks iyon Entalpisinin Elde Edilmesi aA + bB
cC denklemi C reaktanına göre düzenlenirse aşağıdaki denklem
elde edilir ve bu denklem üzerinden işlemler açıklanacaktır.
A + B
C
İstenen Reax.
Belirli sıcaklık ve basınçtaki basınçtaki i türünün molar entalpisi Belirli bir sıcaklık ve basınçtaki i türünün molar entalpisi (H i), TR referans sıcaklığında i türünün molar entalpisi (H i0) ve referans sıcaklıktan belirli bir sıcaklığa yükseldiği zaman entalpideki entalpideki değişimin toplamıdır.
12
∫
Reaktan akışkanın faz değişimi olmaksızın giriş sıcaklığı T 0’dan T sıcaklığına ısıtıldığı zaman molar entalpisinde ki değişim aşağıdaki şekilde olur.
∫ ∫
∫
T Sıcaklığında Reaksiyon Entalpisinin Hesaplanması T sıcaklığında reaksiyon entalpisi hesaplanırken ürünlerin entalpileri toplamından girenlerin entalpileri toplamı çıkarılır.
Eşitlik (4.43), (4.43), Eşitlik Eşitlik (4.46) (4.46) nolu denklemde her bir terim için yazılıp yerine konursa, aşağıda ki eşitlik elde edilir.
∫ ∫ ∫ Eşitlik (4.47) (4.47) için;
13
yazılırsa eşitliğin son hali, aşağıda ki şekilde olur.
∫
Özgül Isı Kapasitesinin (Cp) Hesaplanması; Isı kapasitesi hesaplanırken aşağıdaki formül kullanılır. (www.nist.gov)
Burada a,b,c,d ve e korelasyon sabitleridir ve her madde için farklıdır.
Çizelge.2 Özgül ısı kapasitesi için katsayılar C2H4
O2
C2H4O
CO2
H2O
CH4
N2
Ar
a
b
c
d
e
g
298-1200K
-6.387880
184.4019
-112.9718
28.49593 28.49593
0.315540
163.1568
1200-6000K
106.5104 106.5104
13.73260
-2.628481
0.174595
-26.14469
275.0424
100-700K
31.32234
-20.23531
57.86644
-36.50624
-0.007374
246.7945
700-2000K
30.03235
8.773972
-3.988133
0.788313
-0.741599
236.1663
298-1200K
-23.25802
275.6997
-188.9729
51.03350
0.386930
142.7777
1200-6000K
131.3483 131.3483
13.80594
-2.645062
0.175820
-30.03639
313.4276
298-1200K
24.99735
55.18696
-33.69137
7.948387
-0.136638
228.2431
1200-6000K
58.16639 58.16639
2.720074
-0.492289
0.038844
-6.447293
263.6125
500-1700K
30.09200
6.832414
6.793435
-2.534480
0.082139
223.3967
1700-6000K
41.96426 41.96426
8.622053
-1.499780
0.098119
-11.15764
219.7809
298-1300K
-0.703029
108.4773
-42.52157
5.862788
0.678565
158.7163
1300-6000K
85.81217 85.81217
11.26467
-2.114146
0.138190
-26.42221
224.4143
100-500K
28.98641
1.853978
-9.647459
16.63537
0.000117
226.4168
500-2000K
19.50583
19.88705
-8.598538
1.369784 1.369784
0.527601
212.3900
298-6000K
20.78600
2.826*10
-7
-7
-1.464*10
-8
1.092*10
-8
-3.661*10
179.9990
14
BORUSAL REAKTÖRLER ( PFR/PBR ) Isı akısı değişmediğinden reaktöre ilave edilen veya reaktörden transfer edilen toplam ısı bulmak için reaktör boyunca ısı akısı eşitliği integre edilir. (Fogler 2010)
̇ ∫ ∫
Burada a reaktörün birim hacmi için ısı değişim alanıdır. Reaktör boyunca ilave edilen
̇
ısıdaki değişim nun nun V ye göre integrasyonu ile bulunur.
̇
Dolgu yataklı reaktörler için reaktör hacmini katalizör ağırlığı cins inden yazarsak;
̇ ̇
eşitlikleri elde edilir.
15
İzotermal Olmayan Sürekli Akış Reaktörler Reaktörl er R eaktörün eaktörün silindirik duvarları boyunca ısı ilave edildiğini veya uzaklaştırıldığını düşünüp ve radyal gradyentin olmadığını varsayarak sistem modellemesini yaparız. İş terimlerinin ihmal edildiği enerji balansı aşağıdaki gibidir (Fogler (Fogler 2010).
Katalizör ağırlığına göre diferansiyel alalım.
̇
Yerine yazalım ve düzenleyelim.
Hesaplamalar Çoklu reaksiyonlarımız için katalizör ağırlığı boyunca sıcaklık değişimi Eşitlik 4.64 ile hesaplanır. Reaktör içersinde gerçekleşen istene n ve istenmeyen reaksiyonlar
16
ekzotermik olduğundan ve sıcaklık reaksiyon hızlarını doğrudan etkileyen parametre olduğu için açığa çıkan enerjiyi kontrol etmek için soğutma sisteminden yararlanılır.
Soğutma Sistemi Etilen oksit üretim reaksiyonu kuvvetli egzotermi k bir reaksiyon olduğundan ısı değiştiricili reaktör kullanım zorunluluğu ortaya ortaya çıkar. Bu tip reaktörler, reakt örler, boru demetli, reaktörlerdir. Reaktör ün ün içine döşenen ve reaksiyonun gerçekleştiği gerçekleştiği boruların etrafından sıcaklığı uygun değerde tutmak için deiyonize su geçirilmiştir . Reaktöre soğutucu akışkanın besleme sıcaklığı ortalama 25 ⁰C dir. Reaktöre içersinde soğutucu akışkan 500 K de kaynar. Soğutma sistemi sistemi için hesaplamalar:
U toplam ısı transfer katsayısı, aşağıdaki eşitlikle hesaplanır.
17
Reaktör uzunluğu boyunca sıcaklık değişimi Şekil.4’te verilmiştir.
Şekil.5 Şekil.5 Katalitik Boruda Sıcaklık Değişimi
18
REAKTÖR TASARIMI EŞİTLİKLERİ Yukarıda çıkarılan diferansiyel eşitlikler bir diferansiyel denklem çözücü programı olan polymath polymath programı tarafından çözülür .
Diferansiyel Eşitlikler 1 d(Fa)/d(W) = -rc - 0.5 * rd kmol/h 2 d(Fb)/d(W) = -0.5 * rc - (3 / 2) * rd kmol/h 3 d(Fc)/d(W) = rc kmol/h 4 d(Fd)/d(W) = rd kmol/h 5 d(Fe)/d(W) = rd kmol/h 6 d(y)/d(W) = -(a / (2 * (y))) * (Ft / Fto) * (T / To) 1/kg d(T)/d(W) = (U * alfa * (Ta - T) / (rq * (1 - fi)) + ((rc * -1 * deltaHr1) d eltaHr1) + ((1 / 2) * rd) 7 * (-1 * deltaHr2))) / (Cpa * Fa + Cpb * Fb + Cpc * Fc + Cpd * Fd + Cpe * Fe + Fi * Cpi + Fme * Cpme + Far * Cpar) K/kg 8 d(Q)/d(W) = (U * alfa * (Ta - T) / (rq * (1 - fi))) kj/kg.h Sabit ve Değişken Değerler 1 Fao = 0.05 kmol/h 2 Fbo = 0.05 kmol/h 3 Fme = 0.1 kmol/h 4 Ekme = Fme - Fme * 0.9 kmol/h 5 Ekb = Fbo - Fb * 0.9 kmol/h 6 Eki = (5/95) * Ekme kmol/h 7 Fdo = 0.0167073 kmol/h 8 Fco = 0.0004477 kmol/h 9 kontrolco2 = (Fd - Fdo) * 9 kmol/h 10 Eka = Fao - Fa * 0.9 kmol/h 11 Ekar = Ekb * (0.5 / 99.5) kmol/h 12 ureto = Fc - Fco kmol/h 13 urCo2 = Fd - Fdo kmol/h 14 Feo = 0.0007003 kmol/h 15 Fi = 0.005263 0.005263 kmol/h 16 Far = 0.0009296 0.0009296 kmol/h 19
Fsu = (Fa * 0.9 + Fb * 0.9 + Fc * 0.02 * 0.9 + Fd * 0.9 + Fi * 0.9 + Far * 0.9 + Fme * 0.9) * (4.2469 / (101.325 * 10 - 4.2469)) kmol/h 18 Po = 20 atm 19 To = 500 K 20 Di = 0.05 m 21 Dp = 0.0075 0.0075 m 22 Ta = 500 K 23 X = (Fao - Fa) / Fao 24 Ft = Fa + Fb + Fc + Fd + Fe + Fi + Far + Fme kmol/h 25 P = y * Po atm 26 Pe = P * (Fe / Ft) atm 27 Pd = P * (Fd / Ft) atm Dn = 1 + (exp((9812.8 ( exp((9812.8 / T) - 21.68)) * Pd + (exp((16129.2 / T) - 34.58)) * Pd ^ (0.5) 28 * Pe 29 Pa = P * (Fa / Ft) atm 30 Pb = P * (Fb / Ft) atm 31 Pc = P * (Fc / Ft) atm rc = ((exp(((10.38 - 8358.5) / T)) * Pa * Pb ^ 0.75) / (1 + Dn)) * 3600 * 2.48 32 kmol/kg.h 33 rd = ((exp(((12.54 - 9835.2) / T)) * Pa * Pb) / (1 + Dn)) * 3600 * 2.48 kmol/kg.h 34 pi = 3.14 35 nu1 = 1886 * 10 10 ^ -8 kg/m.s 36 Fto = Fao + Fbo + Fi + Fco + Fdo + Feo + Far + Fme kmol/h 37 Ak = pi * (Di ^ 2) / 4 m2 38 rq = 890 kg/m3 39 fi = 0.5 G = (Fa * 28 + Fb * 32 + Fc * 44 + Fd * 44 + Fe * 18 + Fi * 28 + Fme * 16 + Far * 40 40) / Ak kg/m2.sa 41 gc = 3600 ^ 2 birim 2 birim dönüşüm katsayısı katsayısı 42 nu = nu1 * 3600 kg/m.h ro = (Po * (Fao * 28 + Fbo * 32 + Fco * 44 + Fdo * 44 + Feo * 18 + Fi * 28 + Fme * 43 16 + Far * 40)) / (Fto * 0.082 * To) kg/m3 E = If (T < 1200) Then ((0.386930) - ((0.315540) + (0.5 * -0.007374))) Else ((44 30.03639) - ((-26.14469) + (0.5 * -0.741599))) S = If (T < 1200) Then (2 * (-0.136638 ( -0.136638 + 0.082139) - (0.315540 - 3 * 0.007374)) 45 Else (2 * (-6.447293 - 11.15764) - (-26.14469 - 3 * 0.741599)) 46 Cpa = If (T < 1200) Then (-6.387880 + (184.4019 * (T / 1000)) - (112.9718 (112.9718 * (T / 17
20
1000) ^ 2) + (28.49593 * (T / 1000) ^ 3) + (0.315540 / (T / 1000) ^ 2)) Else (106.5104 + (13.73260 * (T / 1000)) - (2.628481 * (T / 1000) ^ 2) + (0.174595 * (T / 1000) ^ 3) - (26.14469 / (T / 1000) ^ 2)) Cpb = If (T < 700) Then (31.32234 - 20.23531 * (T / 1000) + 57.86644 * (T / 1000) ^ 2 - 36.50624 * (T / 1000) ^ 3 - 0.007374 / (T / 1000) ^ 2) Else (30.03235 + 47 8.772972 * (T / 1000) - 3.988133 * (T / 1000) ^ 2 + 0.788313 * (T / 1000) ^ 3 0.741599 / (T / 1000) ^ 2) Cpc = If (T < 1200) Then (-23.25802 + 275.6997 * (T / 1000) - 188.9729 * (T / 1000) ^ 2 + 51.03350 * (T / 1000) ^ 3 + 0.386930 / (T / 1000) ^ 2) Else (131.3483 + 48 13.80594 * (T / 1000) - 2.645062 * (T / 1000) ^ 2 + 0.175820 * (T / 1000) ^ 3 30.03639 / (T / 1000) ^ 2) Cpd = If (T < 1200) Then (24.99735 + (55.18696 * (T / 1000)) - (33.69137 ( 33.69137 * (T / 1000) ^ 2) + (7.948387 * (T / 1000) ^ 3) - (0.136638 / (T / 1000) ^ 2)) Else 49 (58.16639 + (2.720074 * (T / 1000)) - (0.492289 * (T / 1000) ^ 2) + (0.038844 * (T / 1000) ^ 3) - (6.447293 / (T / 1000) ^ 2)) Cpe = If (T < 1700) Then (30.09200 + 6.832514 * (T / 1000) + 6.793435 * (T / 1000) ^ 2 - 2.534480 * (T / 1000) ^ 3 + 0.082139 / (T / 1000) ^ 2) Else (41.96426 + 50 8.622053 * (T / 1000) - 1.499780 * (T / 1000) ^ 2 + 0.098119 * (T / 1000) ^ 3 11.15764 / (T / 1000) ^ 2) Cpi = If (T < 100) Then (28.98641 + 1.853978 * (T / 1000) - 9.647459 * (T / 1000) ^ 2 + 16.63537 * (T / 1000) ^ 3 + 0.000117 / (T / 1000) ^ 2) Else (19.50583 + 51 19.88705 * (T / 1000) - 8.598535 * (T / 1000) ^ 2 + 1.369785 * (T / 1000) ^ 3 0.527601 / (T / 1000) ^ 2) Cpar = 20.78600 + 2.825911 * (10 ^ -7) * (T / 1000) - (1.464191 ( 1.464191 * (10 ^ -7) * (T / 52 1000) ^ 2) + (1.092131 * (10 ^ -8) * ((T / 1000) ^ 3)) - (3.661371 * 10 ^ -8) / ((T / 1000) ^ 2) Cpme = If (T < 1300) Then (-0.703029 + 108.4773 * (T / 1000) - 42.52157 * (T / 1000) ^ 2 + 5.862788 * (T / 1000) ^ 3 + 0.678565 / (T / 1000) ^ 2) Else (85.81217 + 53 11.26467 * (T / 1000) - 2.114146 * (T / 1000) ^ 2 + 0.138190 * (T / 1000) ^ 3 26.42221 / (T / 1000) ^ 2) 54 Tref = 298 K A = If (T < 1200) Then (-23.25802 - (-6.387880 + 0.5 * 31.32234)) Else (131.3483 55 (106.5104 + 0.5 * 30.03235)) B = If (T < 1200) Then (275.6997) - (184.4019 + 0.5 * -20.23531) Else ((13.80594) 56 - ((13.73260) + (0.5 * 8.772972))) C = If (T < 1200) Then ((-188.9729) - ((-112.9718) + (0.5 * 57.86644))) Else ((57 2.645062) - ((-2.628481) + (0.5 * -3.988133))) D = If (T < 1200) Then ((51.03350) - ((28.49593) + (0.5 * -36.50624))) Else 58 ((0.175820) - ((0.174595) + (0.5 * 0.788313))) deltaHr1 = -105070 + A * ((T / 1000) - (Tref / 1000)) + (B / 2) * ((T / 1000) ^ 2 59 (Tref / 1000) ^ 2) + (C / 3) * ((T / 1000) ^ 3 - (Tref / 1000) ^ 3) + (D / 4) * ((T / 1000) ^ 4 - (Tref / 1000) ^ 4) + ((-E / (T / 1000)) - (-E / (Tref / 1000))) kj/kmol 21
60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85
F = If (T < 1200) Then (2 * (24.99735 ( 24.99735 + 30.09200) - (-6.387880 + 3 * 31.32234)) Else (2 * (41.96426 + 58.16639) - (106.5104 + 3 * 30.03235)) J = If (T < 1200) Then (2 * (55.18696 + 6.832514) - (184.4019 + 3 * -20.23531)) Else (2 * (2.720074 + 8.622053) - (13.73260 + 3 * 8.772972)) H = If (T < 1200) Then (2 * (-33.69137 ( -33.69137 + 6.793435) - (-112.9718 + 3 * 57.86644)) Else (2 * (-0.492289 - 1.499780) - (-2.628481 - 3 * 3.988133)) I = If (T < 1200) Then (2 * (7.948387 ( 7.948387 - 2.534480) - (28.49593 - 3 * 36.50624)) Else (2 * (0.038844 + 0.098119) - (0.174595 + 3 * 0.788313)) deltaHr2 = -1323170 + F * ((T / 1000) - (Tref / 1000)) + (J / 2) * ((T / 1000) ^ 2 (Tref / 1000) ^ 2) + (H / 3) * ((T / 1000) ^ 3 - (Tref / 1000) ^ 3) + (I / 4) * ((T / 1000) ^ 4 - (Tref / 1000) ^ 4) + ((-S / (T / 1000)) - (-S / (Tref / 1000))) Z = If (T < 1200) Then (142.7777 - (163.1568 + 0.5 * 246.7945)) Else (313.4276 (275.0424 + 0.5 * 236.1663)) R = If (T < 1200) Then (2 * (228.2431 + 223.3967) - (163.1568 + 3 * 246.7945)) Else (2 * (263.6125 + 219.7809) - (275.0424 + 3 * 236.1663)) alfa = 4 / Di 1/m vo = Fto * 0.082 0.082 * To / Po m3/h Bo = (G/(ro * gc * Dp)) * ((1 - fi) / (fi ^ 3)) * (((150 * (1 - fi) * nu) / Dp) + 1.75 * G) / 101325 atm/m u = (vo/Ak) * (Ft / Fto) * (T / To) * (Po / P) * (1 / 3600) m/s L = W / ((1 - fi) * rq * Ak) m Do = Di + 0.005 m SE = If (Fd > Fdo) Then (Fc - Fco) / (Fd - Fdo) Else (0) bs = If (Fc > 0) Then 100 / (Fc) Else (0) Qt = bs * Q kj/h Lb = 4.18 * 540 540 kj/kg m = -0.97*Qt/(1835.4 + 4.18 * (500 - 298)) kg/h K = 0.07996 0.07996 J/mKs a = (2 * Bo) / (Ak * rq * (1 - fi) * Po) Re = Dp * ro * u / nu1 U = (1.77 * 1000 * (exp(-6 * Dp / Di)) * (Re ^ 0.8) * (K / (1000 * Di))) * 3.6 kj/Km2h Ai = 2 * pi * (Di / 2) * L m2 deltaS1 = A * ln(T / 1000) + B * T / 1000 + C * (T / 1000) ^ 2 + D * (T / 1000) ^ 3 / 3 + E / (2 * (T / 1000) ^ 2) + Z deltaS2 = F * ln(T / 1000) + J * T / 1000 + H * (T / 1000) ^ 2 + I * (T / 1000) ^ 3 / 3 + S / (2 * (T / 1000) ^ 2) + R deltaG1 = deltaHr1 - T * deltaS1 22
86 87 88 89 90 91 92
deltaG2 = deltaHr2 - T * deltaS2 nkb = 2.207 kare kare dizilis için sabit Ck = 0.215 kare dizilis için sabit Drkk = Do * (bs / Ck) ^ (1 / nkb) m (kare dizilis için çap) nub = 2.142 üçgen dizilis için sayisi sayisi Cu = 0.319 üçgen dizilis için sabit sabit Drku = Do * (bs / Cu) ^ (1 / nub) m (üçgen dizilis için çap)
Tasarım Hesabı Sonuçları
Parametreler
Giriş Değeri
En Düşük En Yüksek Çıkış Değer Değer Değeri
1
W
0
0
10.
10.
2
Fa
0.05
0.0246403
0.05
0.0246403
3
Fb
0.05
0.0349992
0.05
0.0349992
4
Fc
0.0004477
0.0004477
0.0248791
0.0248791
5
Fd
0.0167073
0.0167073
0.0185641
0.0185641
6
Fe
0.0007003
0.0007003
0.0025571
0.0025571
7
y
1.
0.9997003
1.
0.9997003
8
T
500.
500.
508.2493
503.0978
9
Q
0
-3763.428
0
-3763.428
10
Fao
0.05
0.05
0.05
0.05
11
Fbo
0.05
0.05
0.05
0.05
12
Fme
0.1
0.1
0.1
0.1
13
Ekme
0.01
0.01
0.01
0.01
14
Ekb
0.005
0.005
0.0184979
0.0184979
15
Eki
0.0005263
0.0005263
0.0005263
0.0005263
16
Fdo
0.0167073
0.0167073
0.0167073
0.0167073
17
Fco
0.0004477
0.0004477
0.0004477
0.0004477
18
kontrolco2 kontro lco2
0
0
0.0167074
0.0167074
19
Eka
0.005
0.005
0.027819
0.027819
20
Ekar
2.513E-05
2.513E-05
9.295E-05
9.295E-05
21
ureto
0
0
0.0244262
0.0244262
22
urCo2
0
0
0.0018564
0.0018564
23
Feo
0.0007003
0.0007003
0.0007003
0.0007003
24
Fi
0.005263
0.005263
0.005263
0.005263
25
Far
0.0009296
0.0009296
0.0009296
0.0009296
23
26
Fsu
0.0008444
0.0007004
0.0008444
0.0007004
27
Po
20.
20.
20.
20.
28
To
500.
500.
500.
500.
29
Di
0.05
0.05 0. 05
0.05
0.05
30
Dp
0.0075
0.0075
0.0075
0.0075
31
Ta
500.
500.
500.
500.
32
X
0
0
0.5070879
0.5070879
33
Ft
0.2240479
0.2118348
0.2240479
0.2118348
34
P
20.
19.99401
20.
19.99401
35
Pe
0.0625134
0.0625134
0.2413122
0.2413122
36
Pd
1.491404
1.491404
1.752131
1.752131
37
Dn
1.198643
1.147142
1.224693
1.224693
38
Pa
4.463331
2.326173
4.463331
2.326173
39
Pb
4.463331
3.303691
4.463331
3.303691
40
Pc
0.0399647
0.0399647
2.347721
2.347721
41
rc
0.0031219
0.0014222
0.0039584
0.0014222
42
rd
0.0002377
0.0001023
0.0003143
0.0001023
43
pi
3.14
3.14
3.14
3.14
44
nu1
1.886E-05
1.886E-05
1.886E-05
1.886E-05
45
Fto
0.2240479
0.2240479
0.2240479
0.2240479
46
Ak
0.0019625
0.0019625
0.0019625
0.0019625
47
rq
890.
890.
890.
890.
48
fi
0.5
0.5
0.5
0.5
49
G
2829.031
2829.031
2829.031
2829.031
50
gc
1.296E+07 1.296E+07 1.296E+07 1.296E+07
51
nu
0.067896
0.067896
0.067896
0.067896
52
ro
12.08795
12.08795
12.08795
12.08795
53
E
0.075077
0.075077
0.075077
0.075077
54
S
-0.402416
-0.402416
-0.402416
-0.402416
55
Cpa
62.39427
62.39427
63.11443
62.66567
56
Cpb
31.07852
31.07852
31.16423
31.11068
57
Cpc
75.27551
75.27551
76.24924
75.64278
58
Cpd
44.61498
44.61498
44.85761
44.70657
59
Cpe
35.21836
35.21836
35.30471
35.25069
60
Cpi
25.36054
25.36054
25.52965
25.42456
61
Cpar
20.786
20.786
20.786
20.786
62
Cpme
46.35234
46.35234
46.84302
46.53669
63
Tref
298.
298.
298.
298.
64
A
-32.53131
-32.53131
-32.53131
-32.53131
24
65
B
101.4155
101.4155
101.4155
101.4155
66
C
-104.9343
-104.9343
-104.9343
-104.9343
67
D
40.79069
40.79069
40.79069
40.79069
68
deltaHr1 deltaH r1
-1.051E+05 -1.051E+05 -1.051E+05 -1.051E+05
69
F
22.59956
22.59956
22.59956
22.59956
70
J
0.342978
0.342978
0.342978
0.342978
71
H
-114.4234
-114.4234
-114.4234
-114.4234
72
I
91.8506
91.8506
91.8506
91.8506
73
deltaHr2 deltaH r2
-1.323E+06 -1.323E+06 -1.323E+06 -1.323E+06
74
Z
-143.7764
-143.7764
-143.7764
-143.7764
75
R
-0.2607
-0.2607
-0.2607
-0.2607
76
alfa
80.
80.
80.
80.
77
vo
0.4592982
0.4592982
0.4592982
0.4592982
78
Bo
0.0005351
0.0005351
0.0005351
0.0005351
79
u
0.0650104
0.061866
0.0657904
0.061866
80
L
0
0
11.4465
11.4465
81
Do
0.055
0.055
0.055
0.055
82
SE
0
0
13.15796
13.15796
83
bs
2.234E+05 4020.277
84
Qt
0
-1.513E+07 0
-1.513E+07
85
Lb
2257.2
2257.2
2257.2
2257.2
86
m
0
0
5475.4956
5475.4956
87
K
0.07996
0.07996
0.07996
0.07996
88
a
6.127E-05
6.127E-05
6.127E-05
6.127E-05
89
Re
312.5034
297.3888
316.2529
297.3888
90
U
410.3905
394.4329
414.325
394.4329
91
Ai
0
0
1.797101
1.797101
92
deltaS1 deltaS 1
-94.90345
-95.39128
-94.90345
-95.0864
93
deltaS2 deltaS 2
-41.3376
-41.69817
-41.3376
-41.4711
94
deltaG1
-5.762E+04 -5.762E+04 -5.659E+04 -5.723E+04
95
deltaG2
-1.302E+06 -1.302E+06 -1.302E+06 -1.302E+06
96
nkb
2.207
2.207
2.207
2.207
97
Ck
0.215
0.215
0.215
0.215
98
Drkk
29.27489
4.741757
29.27489
4.741757
99
nub
2.142
2.142
2.142
2.142
100 Cu
0.319
0.319
0.319
0.319
101 Drku
29.45945
4.51522
29.45945
4.51522
2.234E+05 4020.277
25
Paket Programında Kullanılan Simgeler W= katalizör ağırlığı (kg ) Fi= molar akış hızları ( T=sıcaklık (K) Q= ısı enerjisi
)
Fio= başlangıçtaki molar akış hızları (
)
Eki= besleme akımından gelen molar akış hızları(
) urCo2= reaksiyonda üretilen karbondioksit ( )
)
ureto=reaksiyonda ureto=reaksiyonda üretilen etilen oksit (
Po=reaktör girişindeki basınç (atm) To=reaktör girişindeki sıcaklık (K) Di=bir borunun iç çapı (m) Dp=partikül çapı (m) Ta=soğutucu akışkan sıcaklığı (K) X=dönüşüm ri=reaksiyon hızları (
)
pi= ᴨ nu1= gazın viskozitesi(saniye cinsinden) Ak= borunun iç kesit alanı (m2 ) rq= katı katalizör yoğunluğu yoğunluğu fi= boşluk kesri
G= Birim zamanda birim alandan akan kütle( gc=1 nu= gazın viskozitesi (saat ( saat cinsinden) ro= gazın yoğunluğu
)
A,B,C,D,E,F,J,H,I,Z,R= A,B,C,D,E,F,J,H,I,Z,R= korelasyon sabitleri 26
Cpi=ısı kapasiteleri
Tref= referans sıcaklık (K)
deltaHri=reaksiyon entalpileri
alfa= Karakteristik uzunluk (1/m) vo=boru girişinde hacimsel debi Bo= Bir metredeki bas ınç(
)
u= Süperfizial hız
L= boru uzunluğu (m) Do= boru iç çapı (m) SE= seçicilik bs=boru sayısı sayısı Qt= tüm reaktördeki ısı enerjisi Lb= buharlaşma entalpisi
m= soğutucu akışkan kütlesel debi K= gazın ısı iletim katsayısı
a= Basınç düşüşü parametresi (
)
Re=Reynold sayısı
U= ısı transfer katsayısı
Ai= borunun iç iç yanal alanı (m2 )
deltaGi= gibbs enerjisi değişimi
deltaSi= entropi değişimi
nuu= üçgen dilim için sabit
Cu= üçgen dizilim için sabit Drku= reaktör çapı (m)
27
SONUÇ Reaktör de 4021 tane ,iç çapı 5 c m ve et kalınlığı 5 mm olan, 11,5 m uzunluğunda borular kullanılmıştır. Boruların içleri katalazör peletleriyle doldurulmuş olup, toplam katalizör ağırlığı 40 tondur. Reaktörün beslemesi 20 atm basınç ve 500 K sıcaklıktadır. Reaksiyonlar aşırı derece egzotermik olduğu için, izotermal şartlara yaklaşabilmek için katalizör peletleriyle dolu borular 500 K sıcaklıktaki kaynayan suyun içerisine daldırılmıştır. Su beslemesi 298 K de olup, 5645,5 kg/h’lik debi ile ile besleme yapılmaktadır. Reaktör içerisinde ki etilenin dönüşümü %50,7, CO 2’ ye gore seçicilik ise, 13,15’tir.
Şekil.6 Şekil.6 Üçgen dizilim için enine kesit Boruların reaktör içerisine yerleştirilmesi üçgen şeklinde yapılmış olup, üçgen şeklinde yerleştirme için reaktör çapı hesabı aşağıdaki şekilde yapılmıştır. Boruların yerleşim planı Şekil Şekil.6 .6 da gösterilmiştir.
28
Şekil.7 Şekil.7 Dönüşümün Katalizör Ağırlığınca Değişimi
Şekil.8 Şekil.8 Seçiciliğin Katalizör Ağırlığına Göre Değişimi 29
