kesikli prosesler
TRANSCRIPT
KESĠKLĠ PROSES AKIM DĠYAGRAMLARI
• Kesikli Prosesler Ġçin Tasarım Hesaplamaları
• Gannt Diyagramları ve Zaman Programı (scheduling)
• Çakışma Olmayan Operasyonlar, Çakışmalı
Operasyonlar ve Çevrim Süreleri
KMM 431 KĠMYA MÜHENDĠSLĠĞĠ
TASARIMI-I 2011
Kesikli Prosesler Ġçin Tasarım Hesaplamaları
• Kesikli proses hesaplamaları kararlı (steady state)
proseslerdekinden falklı kararsız hal (unsteady state)
ÖRNEK:
Aktif ilaç maddesi (API) üretiminde
1. adım: 500 kg reaktan A (MA=100 kg/kmol), ikinci
reaktan B’yi (MA=125 kg/kmol), gerekenin %60
aşırısında içeren 5000 kg çözücüye (MA=200 kg/kmol)
ilave ediliyor. Ceketli reaktör kullanılıyor (R-301).
Isıtma için cekette buhar kullanılıyor. Ġlk adımda
karışım 95 °C’ye ısıtılıyor. Süre 1.5 saat. Karışımın
yoğunluğu 875 kg/m3.
Kesikli Prosesler Ġçin Tasarım Hesaplamaları
2. adım: Reaksiyon karışımı 95 °C’ye ısınınca katı bir
katalizör ilave ediliyor. Karıştırma uygulanarak reaksiyon
gerçekleştiriliyor. Gerekli dönüşüm % 94 ve süre 2 saat.
3. adım: Reaksiyon karışımı reaktörden boşaltılıyor ve
reaksiyonun durdurulması amacıyla katalizörün ayrılması
için bir elek filtreden (Sc-301) geçiriliyor. Süre 0.5 saat.
4. adım: Reaksiyon karışımı (API, çözücü ve reaksiyona
girmeyen reaktanlar) vakumda çalıştırılan bir distilasyon
(T-301) kolonuna alınıyor. Reakanların hemen tamamı ve
çözücünün yaklaşık % 50’si baş ürün olarak alınıyor (Süre
3.5 saat). Distilasyon kolonda kalan karışımda B reaktanı
derişimi % 1 (molar) oluncaya kadar sürdürülüyor. Bu
durumda sonraki adımda kristalizasyonda elde edilen ürün
API istenen spesifikasyonu sağlıyor.
Kesikli Prosesler Ġçin Tasarım Hesaplamaları
5. adım: Distilasyon kolonunda kalan karışım bir
kristalizöre (CR-301) pompalanıyor ve vakum altında
soğutularak API’nın yaklaşık % 60’ı kristallendiriliyor
(Süre: 2.0 saat)
6. adım: Kristallenen API filtre edilip raflı bir kurutucuya
(TD-301) gönderiliyor. Kristallerin tuttuğu çözücü
kurutularak uzaklaştırılıyor (Süre: 4.0 saat)
7. adım: Kurutulan API ambalajlanıp, paketleniyor ve ürün
deposuna gönderiliyor. Bu işlem paketleme makinasında
(PK-301) yapılıyor ve süre: 1saat)
Kesikli Prosesler Ġçin Tasarım Hesaplamaları
1. Adım Tasarım Hesapları-Reaksiyon Kabı-Ön Isıtma
Tek çevrimdeki üretim kapasitesi için
• reaktördeki sıvı hacmi: V=
• reaktör doluluk oranı: % 60
•reaktör hacmi: Vtank= = 2768 gal
Piyasada mevcut standart reaktör boyutu seçilebilir:3000
gal=11.35 m3
3
3m 6.286
][kg/m 875
[kg] 5500
33
m 48.010.60
][m 6.286
Kesikli Prosesler Ġçin Tasarım Hesaplamaları
1. Adım Tasarım Hesapları-Reaksiyon Kabı-Ön Isıtma
Ceketli karıştırıcılarda kararsız hal ısı transfer eşitliği:
: sıvı yoğ, Cp: sıvı ısı kapasitesi, T: tanktaki sıvı sıcaklığı
(95 °C 1.5 saatte), U: ceketten tanktaki sıvıya tüm ısı iletim
katsayısı, A: ısı transfer alanı (silindirik yüzey), Ts: ısıtma
buharı sıcaklığı
T0: karışım başlangıç sıcaklığı (25 °C) , U=300W/m2.°C,
Cp= 2000 J/kg.°C, Ts=120 °C (200kPa doy.su buharı), Tank
H/D oranı=3
)TT(UAdt
dTVC sp
p0s
finals
VC
tUA
)TT(
)TT(ln
Kesikli Prosesler Ġçin Tasarım Hesaplamaları
1. Adım Tasarım Hesapları-Reaksiyon Kabı-Ön Isıtma
Tankın silindirik ve eliptik tabanlı. Bu problemde taban
hacmi basitleştirme için ihmal ediliyor.
Isı transfer alanı A= DHdolu =14.89 m2 (sıvı yüzeyinden ısı
kaybı ihmal)
t=3288 s (55 min)
Bu adım için 1.5 saat uygun.
32
ktan D34/HDV
3D335.11 m 1.689D
3
dolu
2 m 6.286/4HπDV m 806.2Hdolu
2000286.6875
t89.14300
)25120(
)95120(ln
Kesikli Prosesler Ġçin Tasarım Hesaplamaları
2. Adım Tasarım Hesapları-Reaksiyon Kabı-Reaksiyon
A + B Ürün (reaksiyon toplam mertebesi 2, her reaktan
için 1, hız sabiti k=7.0910-4 m3/kmol.s, A sınırlayıcı reaktan
CA=CA0(1-X), CB=CA0(-X)
CA0=(500 kg/100kg/kmol)(875kg/m3)/5500kg=0.796 kmol/m3
B reaktanının % 60 aşırısı var. =1.60, Ġstenen dönüşüm
Xfinal= 0.94, başlangıç anı t=0’da X=0
t= 7082 s= 118 min (2 saat)
BAA CkC
dt
dC
)X)(X1(kCdt
dX0A
tkCX1
Xln
1
10A
final
final
Kesikli Prosesler Ġçin Tasarım Hesaplamaları
3. Adım Tasarım Hesapları-Reaksiyon Kabının Boşaltılması
ve Katalizör Filtrasyonu
Bu adımda gerçekçi bir hesaplama için filtrasyon ile ilgili
deneysel veri gereklidir. Filtrasyon normalde gerekli süreyi
belirleyen adımdır. Basitleştirme için hesaplama tankın
boşaltılması için yapılacaktır.
Reaktör çıkış borusu (2-in sch 40akış için kesit alanı
0.00216 m2.
ppt Am
dt
)HA(d
dt
dm
2
22112
1PgzPgz 2
21212
1)PP()zz(g
2/12 )gH2(2
1gH
Kesikli Prosesler Ġçin Tasarım Hesaplamaları
3. Adım Tasarım Hesapları-Reaksiyon Kabının Boşaltılması
ve Katalizör Filtrasyonu
t=0, H=2.806 m; t=t, H= 0
t=785 s=13 min (30 min alınır )
ppt Am
dt
)HA(d
dt
dm
2/1)gH2(
2/1
pt )gH2(Adt
)H(dA
2/12/1
t
pH)g2(
A
A
dt
dH
Δt
4
])π(1.689[m
])(0.00216[m])(9.81[m/s22H
2
20.520.50
2.806
0.5
Kesikli Prosesler Ġçin Tasarım Hesaplamaları
4. Adım Tasarım Hesapları-Distilasyon
Reaksiyon sonunda reaktör için kütle denkliği:
Bileşen, i kmol xi MA Kütle (kg)
Reaktan A =(1-0.94)(5.0)=0.3 0.0106 100 30.0
Reaktan B =(1.6)(5.0)-(5.0-0.3)=3.3 0.1166 125 412.5
Çözücü S =20.0 0.7067 200 4000.0
Ürün P =(0.94)(5.0) =4.7 0.1661 225 1057.5
Toplam 28.3 1.0000 5500.0
Kesikli Prosesler Ġçin Tasarım Hesaplamaları
4. Adım Tasarım Hesapları-Distilasyon
Önce reaksiyon karışımı KN’na (115°C) ısıtılıyor. Isıtma için
120°C’deki doymuş buhar kullanılıyor. Karşımı 95°C’den 115
°C’ye ısıtmak için gereken süre belirlenmelidir.
T0: karışım başlangıç sıcaklığı (95 °C) , U=420W/m2.°C,
Cp= 2000 J/kg.°C, Ts=120 °C (200kPa doy.su buharı), A=10
m2
T=4215 s=70.3 dak
p0s
finals
VC
tUA
)TT(
)TT(ln
2000286.6875
10420
)95120(
)115120(ln
t
Kesikli Prosesler Ġçin Tasarım Hesaplamaları
4. Adım Tasarım Hesapları-Distilasyon
Gerekli süre yaklaşık 2.3 saat
70.3 dak. Isıtma için gerekliydi
Toplam süre : 3.5 saat
5. ve 6. adımlar
Laboratuar ölçeğinde yapılan çalışmalarla soğutmalı
kristalizasyon ve filtrasyon, kurutma süreleri belirlenmiş.