etilen tankı tasarımı

BİLGİSAYAR
UYGULAMASI
Etilen Depolama Tankı
Tasarımı
&
Isı Değiştirici Tasarımı
Amaç
• Amacımız depolayacağımız maddelerin fiziksel
özelliklerini anlayıp bu özellikler ve kapasitemiz
doğrultusunda uygun ve güvenli depolama tankı
tasarımını yapmak.
• Kapasitemiz ve sıcaklık değerlerimiz
doğrultusunda tek basamaklı Wacker Prosessi
için uygun ısı değiştiriciyi seçmek ve tasarlamak.
Neleri Depolayacağız?
Etilen
Asetaldehit
Etilen Nedir?
• Formülü C2H4 olan doymamış bir
hidrokarbondur.
• En basit alkendir.
• Yapısı;
Etilenin Kullanım Alanları
• Dünyada yılda yaklaşık 141 milyon ton üretim var.
• En büyük üreticiler Orta Doğu ve Çinde.
• En fazla;
Etilen Oksit, Etilendiklorür, Etil Benzen ve Polietilen
üretiminde kullanılır.
Etilenin Fiziksel Özellikleri
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Renksizdir.
Kokusu saf halde iken tatlıdır.
Yanıcı bir gazdır.
Suda orta derecede çözünür.
MA etilen = 28,05 g/mol
ρ= 1,178 g/m3 (15 Co )
Kaynama Noktası: -103,7 Co
Ergime Noktası: -169,4 Co
Standart oluşum entalpisi ∆H= 52,47 kj/mol
Etilenin Fiziksel Özellikleri
Etilen için patlama konsantrasyonları limitleri
• Lower Explosive or Flammable Limit: %2,75
• Upper Explosive or Flammable Limit: %28.6
Bu limitler 20 Co ve atmosferik basınç için
geçerlidir.
Asetaldehit Nedir?
• Formülü CH3CHO olan organik bir bileşiktir.
• Endüstriyel olarak etilenden veya etilen oksitten
üretilebilir.
• Doğal olarak kahve, ekmek ve bozulmuş
meyvelerin içinde mevcuttur.
• Yapısı;
Asetaldehitin Fiziksel Özellikleri
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Renksizdir.
Oda sıcaklığında fiziksel durumu likittir.
Tatlı bir kokusu vardır.
Suda ve organik çözücülerde kolay çözünür.
MA astaldehit = 44,05 g/mol
ρ= 0,783 g/cm3 (20 Co)
Kaynama Noktası: 20,2 Co
Ergime Noktası: -123,5 Co
Standart oluşum entalpisi ∆H= -166 kj/mol
Asetaldehitin Fiziksel Özellikleri
• Yanıcıdır
Asetaldehit için patlama konsantrasyonları limitleri
• Lower Explosive or Flammable Limit: %4
• Upper Explosive or Flammable Limit: %60
Bu limitler 20 Co ve atmosferik basınç için
geçerlidir.
Oksijenin Fiziksel Özellikleri
• Başka materyallerle karıştığında yanıcıdır.
• Yanma Teorisi;
Oksijen
Kıvılcım
Yanıcı
Madde
Yanma
Depolama Tankları ve Özellikleri
• Üç farklı depolama tankı kullanacağız;
Etilen
•Yüksek
Basınçlı Tank
•Silindirik
Asetaldehit Tank
Etilen Depolama Şartları
• Tank iyi havalandırılmış serin bir ortamda
bulunmalı.
• Tüm kıvılcım ya da ısı kaynaklarından uzak
tutulmalı.
• İçeride ki sıcaklık 52 Co yi geçmemeli.
• Aşırı basınçta güvenlik uygun için check valf
olmalı.
Yüksek Basınç Tankı
• Yüksek basınçlara dayanıklı olmaları için uygun
geometride tasarlanırlar.
• Yüksek basınçta dayanıklılık için kompozit
malzemelerden üretilebilirler.
• Yüksek basınçta dayanıklılık için dikişsizdirler.
• İyi havalandırılmış serin ortamda tutulmalıdır
tank.
• Güvenlik için check valfleri vardır.
Yüksek Basınç Tankı
Yatay
Dikey
Silindirik Tank
•
•
•
•
•
Likit deoplamak için idealdir.
Basınç için check valf vardır.
Taşkan (overflow) bulunur.
Havanaldırma için vent kullanılır.
Depolanan malzeme yanıcı ise sıcaklık kontrolü
için ceketli tasarım yapılabilir.
• Yanıcı malzemelerin ventlerinde flame arrestor
bulunur.
Silindirik Tank
Silindirik Tank
Asetaldehitin Depolanma Şartları
• Tamamen kapalı iyi havandırılmış bir alanda
tutulmalı.
• Güvenlik için check valf ve yanıcı maddelere
uygun taşkan kullanılmalı.
• İçeriye hava girmemeli. (kararsız peroksitlerle
verdiği reaksiyon sonucu patmaya sebep oluyor.)
Tank Tasarımı için Algoritma
1.
Adım : Beslenecek hacimsel debinin hesaplaması.
𝑚
𝜌=
𝑉
2. Adım : 15 gün için tank hacmi belirlenmesi.
𝑚3 24 ℎ
𝑉
.
ℎ 1 𝑔ü𝑛
3. Adım : Depo çapının hesaplanması.
4 3
𝑉 = 𝜋𝑟
3
4. Adım : Et kalınlığının Hesaplanması
𝐷𝑖 . 𝑃
𝑇=
+ 𝐶1 + 𝐶2
𝐾
40. . 𝑉 + 𝑃
𝑆
5. Adım : Depo içinde kullanılacak plakaların kalınlıklarının hesaplanması.
Tank Tasarımı için Algoritma
• T = Et kalınlığı ( mm )
• Di = Deponun iç çapı ( mm)
• P = Dizayn veya test basıncı (N
• K = Malzeme dayanımı (N
mm2 )
mm2 )
• V = Kaynak dikiş zayıflama katsayısı
• S = Dizayn veya test koşullarındaki emniyet katsayısı
• C1 = Ezilme ilavesi ( mm )
• C2 = Korozyon ilavesi ( mm )
• P = 55 atm = 5,5
• K = 500
N
mm2
N
mm2
(Test basıncı alınmıştır)
(Karbonlu çelik için malzeme dayanımı)
Isı Değitirici Seçimi
Bu bölümde ısı değiştirici tiplerinden,
hangi tip ısı değiştiricinin ne sebeple seçildiğinden
ve hesaplama algoritmasının nasıl olacağından
bahsedeceğiz.
Son olarak hesaplamalarda kullanılacak olan
değerler tablolar şeklinde verilecektir.
Isı Değiştiriciler
• Isı değiştiriciler, sıcaklıkları farklı olan iki veya ikiden fazla
akışkan arasında ısı transferini sağlayan cihazlardır.
• Üretim, soğutma, ısıtma ve havalandırma, kimyasal ve
benzeri bütün sistemlerde, değişik kapasite ve tiplerde ısı
değiştiricileri kullanılır.
Isı Değiştirici Tipleri
• Isı değiştiricileri; transfer prosesine, yüzey kompaktlığına,
konstrüksiyon geometrisine, akış düzenlemesine, akışkan sayısına,
ısı transfer mekanizmalarına ve uygulama alanlarına göre
sınıflandırılırlar. Isı değiştiricileri, konstrüksiyon geometrisine göre
4 temel sınıfa ayrılır ;
A.
B.
C.
D.
Borusal ısı değiştiricileri
Plakalı ısı değiştiricileri
Genişletilmiş yüzeyli ısı değiştiricileri
Rejeneratif ısı değiştiricileri
Gövde Borulu Isı Değiştiriciler
• Proses endüstrisinde en yaygın olarak kullanılan ısı
değiştirici tipidir; yaklaşık olarak kullanılan tüm ısı
değiştiricilerinin % 60’ı gövde borulu ısı değiştiricidir.
• Akışkanlardan birisi boruların içinden geçerken diğer
akışkan ise gövde tarafından zıt,paralel veya çapraz olarak
akar.
Gövde Borulu Isı değiştiriciler
Gövde borulu ısı değiştiricinin belli başlı elemanları:
 Gövde
 Boru veya boru demeti
 İki baştaki kafalar
 Boruların tesbit edildiği ön arka aynalar
 Baffle lardır.
Gövde Borulu Isı Değiştiriciler
Tüp Aynaları
• Ayna , tüplerin gövdeye açıldıgı bölgede
tüp uçlarını bir arada tutan çelik plakalardır.
• Tüpler aynadaki deliklere geçirilerek kaynak
yapılır.
• Bilindiği gibi ısınan metal genişler ve uzar. Tüpler
ısınınca uzar bu uzama ayna ile tüpler arasında
bir zorlanmaya sebep olur , bu zorlanma etkisiyle
bazı tüplerin aynayla olan bağlantısı gevşeyebilir.
Bunun sonucu bir sızıntı veya kaçak meydana
gelebilir. Bu durumda çift ayna kullanılır.
• Tasarım yapılırken göz önüne alınması
gereken en önemli husus ısı değiştiricinin işletme
şartlarını karşılaması ve maliyetinin ucuz olması.
• Isı değiştiricinin boyu uzadıkça maliyeti artar.
Avantajları & Dezavantajları
Avantajları




Hemen hemen tüm uygulamalar için kullanılabilir.
Temizleme için, sökülebilecek şekilde dizayn edilebilir.
Bakımı ve tamiri kolaydır.
Piyasadan çok kolay bir şekilde bulunabilir.
Dezavantajları
x Yüksek plan alanı gerektirir.
x 16 bar basınç ve 200 °C sıcaklığın altındaki
koşullarda maliyeti artabilir.
Neden Gövde Boru Tipi
Isı değiştiriciler?
 Sıcaklık ve basıncın geniş bir aralığı için dizayn
edilebilirler.
 Farklı malzemelerden kolaylıkla yapılabilirler.
 Tamir ve bakımı fazla uzmanlık gerektirmez.
 Yapım ve dizaynı ile ilgili yeterince tecrübe vardır.
 Temizlenmesi kolaydır.
Gövde Boru Tipi Isı değiştirici için
Çalışma Koşulları
• Maksimum basınç
• Gövde tarafı için ; 300 bar (4500 psia)
• Boru tarafı için ; 1400 bar (20000 psia)
• Sıcaklık aralığı
• Maksimum 600 C
• Minimum -100 C
• Akışkanlar
• Malzemeye bağlı
• Boyut
• (10 - 1000 m2)
Tasarımda Korelasyonların
Kullanımı
• Korelasyonların çoğu deneysel çalışmalar ile elde
edilmiştir.
• Boyutsuz grupların fonksiyonu olarak verilir. (Re, Pr, Nu
etc.)
• Verilen koşullar için geçerlidir.
• Uygun korelasyon verilen aralıklar ve koşullar için seçilir.
Tasarımda Korelasyonların
Kullanımı
Akış hızının büyük olması;
• Isı transfer katsayısını artırır
• Daha kompakt (sıkıca,sağlam) ısı değiştirici tasarımına
imkan sağlar
• Kirlenmeyi azaltır fakat pompa gücünü büyütür
Bu yüzden önerilen değerler aşağıdaki gibidir.
• Kullanılan boru çapı çoğunlukla 16 mm veya 25 mm tercih
edilir.Eğer akışkan kirli ise boru çapı büyük olmalı. Bakır ve
çelik boru için satndart et kalınlıkları Ek I de verilmiştir (bknz
Genceli kitap).
Tasarımda Korelasyonların
Kullanımı
• Gövde çapı 600 mm üzerindedir ve genelde 1 m
civarındadır.
• Boru uzunluğu gövde çapının genellikle 5-10 katı
arasında değişir. Standart boru anma Uzunlukları Ek
J.2 de verilmiştir (bknzGenceli kitap).
Tasarımda Korelasyonların
Kullanımı
Boru demeti dizilişi;
•Eşkenar üçgen(30o),
•Kare (90o),
•Döndürülmüş üçgen (60o) veya döndürülmüş kare
(45o) olabilir.
Tasarımda Korelasyonların
Kullanımı
*Üçgen ve döndürülmüş kare büyük ısı transfer
katsayısını verir fakat basınç kaybı ise artar.
*Kare ve döndürülmüş düzenlemeler kirletici akışkanlar
için uygundur. (Çünkü temizlenmeleri kolaydır.)
*Üçgen diziliş daha kompakt yüzey sağlar ve iki
akışkan arasında basınç farkı büyükse bu diziliş tercih
edilir.
*Boru eksenleri arası uzaklık boru çapının 1.25 katıdır.
Temizlik isteniyorsa mesafe en z 6-7 mm olmalıdır.
Tablo
Akışkanlar
• Kirli akışkan boru tarafına konur çünkü temizlenmeleri
daha kolaydır
• Yüksek basınçlı akışkan boru tarafına konulur
• Özel malzeme gerekli ise boru tarafına konulur
• Çapraz akış daha yüksek ısı transfer katsayısı verir,
bundan dolayı taşınım katsayısı düşük olan akışkan
gövde tarafına konulur.
Tasarımda Kabuller
• Isı değiştirici çevreden yalıtılmış ısı kayıpları İhmal.
• Boru boyunca eksenel ısı aktarımı ihmal.(Radyal yönde
aktarım var)
• Potansiyel ve Kinetik enerji ihmal.
• Akışkanların özgül ısıları sabit.
• Toplam ısı transfer katsayısı sabit.
• Sistem kararlı halde.
• Isı değiştirici içinde ısı üretimi yoktur.
Tasarımda Kabuller
• Zıt ve paralel akımlı ısı değiştiricide akışkan sıcaklığı akış
boyunca uniform.
• Akışkanda faz değişimi olması durumunda basınç ve
sıcaklık sabit.
• Akış tam gelişmiş akıştır.
Isı Değiştici için Algoritma
Soğutucu akışkan ve sıcak akışkanın kütlesel debileri mc ,
mh
Akışkanların giriş ve çıkış sıcaklıkları Tc1 , Tc2 ,Th1 , Th2
Tüp uzunluğu L
Tüp iç çapı=do
Tüp iç çapı=di
“K” ve “n” değerleri için literatürden bakınız
Isı Değiştici için Algoritma
Tort1’ de ρ , μ , cp Pr, Re değerlerine bakınız
Tort2’ de ρ , μ , cp , Pr, Re değerlerine bakınız
Kf ve Kw değerlerine bakınız
Baffle arası mesafeyi hesaplayınız (Lb)
Isı Değiştirici için Algoritma
• Qalınan= Qverilen
(mc) x (Cpc) x (tc,ç-tc,g) = (mh) x (Cph) x (Th,g-Th,ç)
Değerleri çözümlenerek Q bulunur.
Isı Değiştirici için Algoritma
Q=U.A.ΔTm.F
Formulünü çözümlemek için ;
ΔTm = [(ΔT1 ) – (ΔT2 )] / ln[(ΔT1 ) / (ΔT2 ) ]
Akışkan yığın sıcaklığı, TB
Paralel Akış
Sıcak akışkan
Tgiriş = Th1-Tc1
Soğuk akışkan
Alan, A
Tçıkış = Th2-Tc2
Zıt Akış
Akışkan yığın sıcaklığı, TB
Sıcak akışkan
Tgiriş = Th1-Tc2
Soğuk akışkan
Alan, A
Tçıkış = Th2-Tc1
Isı Değiştirici için Algoritma
F düzeltme faktörü için ;
R=(Tc2-Tc1)/(Th1-Tc1)
S=(Th1-Th2)/(Tc2-Tc1)
değerleri hesaplanarak grafikten okunur.
(bknz GENCELİ ISI DEĞİŞTİRİCİ ek F)
Isı Değiştirici için Algoritma
• Isı değiştirici alanı “A” hesaplanır.
(Tahmini U veya hesaplanmış U değeri ile)
A= Q/(U.ΔTm.F)
• Tüp sayısı hesabı yapılır
Atüp= π.D.L (Tek tüpün alanı)
Ntop= A/Atüp
Isı Değiştirici için Algoritma
• Tüp demet çapı bulunur (Ds)
Ds=Db+Dboşluk
Db=do.(Ntop/K1)^(1/n1)
- K ve n değerleri tüp demeti ve boru geçiş sayısına göre
grafikten okunur.
- Dboşluk= hesaplanan Db değerine karşılık Bundle diameter
tablosundan okunur.
Isı Değiştirici için Algoritma
• Tüp içine giren akışkanın giriş-çıkış sıcaklığına göre Tort
hesaplanır.
• Tort değerine karşılık gelen ρ , μ , cp Pr, Re, jh değerleri
tablolardan okuyunuz.
Re= (ρ.V.Di)/ μ formülünden Reynolds Sayısını
hesaplayınız.
jh=Re-Heat transfer factor grafiğinden okuyunuz.
Isı Değiştirici için Algoritma
• Tek tüpün akışa dik alanı bulunuz.
Ax=(π.Di^2)/4
• Atüp top=Ntop.Ax
• Çizgisel hızı hesaplayınız.
G=m/Ax , Vt=G/ρ (m/s)
• hi hesabı için;
hi.di/Kf=jh.Re.Pr0,3.(μ/μW)0,14
(sıvı,su değilse)
hi=(4200.(1,3540,02.t).Vt0,8)/di0,2 (sıvı; su ise)
Isı Değiştirici için Algoritma
• Gövde için h hesabı yapılır.
Ds= gövde çapı
Lb=baffle’lar arası mesafe (%25 alınız)=Ds/5
Pt=1,25.do
As=((Pt-do).Ds.Lb)/Pt hesaplayınız.
• Çizgisel hızı hesaplayınız.
• Gs=m/As , Vs=Gs/ρ
Isı Değiştirici için Algoritma
• de değeri hesaplanır.
de=(1,10/do).(Pt2-0,917.do2) (üçgen tüp demeti için)
de=(1,27/do).(Pt2-0,875.do2) (kare tüp demeti için)
• Tort2’ye göre ρ , μ , cp Pr, Re, jh değerlerini tablolardan
okuyunuz.
Re= (ρ.V.Di)/ μ formülünden Reynolds Sayısını
hesaplayınız.
jh=Re-Heat transfer factor grafiğinden okuyunuz
Isı Değiştirici için Algoritma
• hs’i formülden hesaplayınız;
Nu=(hs.de/Kf)=jh.Re.Pr1/3 .(μ/μW)0,14
• Uo değerini hesaplayınız;
1/Uo=1/ho + 1/hod + (do.ln(do/di))/2Kw +(do/di).(1/hid) +
(do/di).(1/hi)
ho=hs=Gövde içindeki taşınım
hi=Tüp(boru) içindeki taşınım
hod=Gövde içi(dış) kirlilik
hid=Tüp içindeki kirlilik
Isı Değiştirici için Algoritma
• U değerinin tahmini doğruluğunu kontrol ediniz.
(Uo-Ut)/Ut.100=%X
-X %30’u geçmediği sürece tasarımı kabul ediniz.
-U Tahmini değerini tablodan,kullanılan akışkan çeşidine
göre okuyunuz(bknz CHEMİCAL ENGİNEERİNG DESING
COULSON)
U için Tablo
Toplam ısı transfer katsayısı (U)
Sıcak
akışkan
t
TB1
Soğuk akışkan
TB2
TB1
TB2
Ri
RW
R0
Basınç Düşüşünün Hesaplanması
Formülü yardımıyla basınç düşüşü hesaplanır.
Özellikle vizkoz sıvılarda ve büyük çaplı ısı değiştiricilerde basınç
düşüşü önemlidir.