Proses Ekipmanları

Giriş   

Mesleğimiz itibariyle; laboratuarlarda yeni ürünlerin elde edilişi, ayırma, ısıtma-soğutma vb. işlemleri gerçekleştirmek için kullandığımız bazı ekipmanlarımız vardır. Büyük ölçekli üretime geçtiğimizde bu ekipmanlar biraz karmaşık hale gelir. Proseslerimizin doğru işleyebilmesi ve kolay kontrol sağlayabilmemiz için ekipmanların tasarımlarının doğru yapılması ve malzemelerinin doğru seçilmesi gerekir.

Vanalar ve ısı değiştiriciler fabrikalarda karşımıza çıkabilecek önemli ekipmanlardır. Bu ekipmanlarla ilgili genel bilgi içeren bir yazı oluşturmaya çalıştım. Her ne kadar kendi cümlelerimi kullanmaya çalıştıysam da çoğunluk kaynaklardan aktarım şeklinde oldu. Umarım tüm okurlarımız için faydalı bir paylaşım olur. Vakit ayırdığınız için teşekkürler.

Proses Ekipmanları Nelerdir?

Proses ekipmanlarının anlaşılabilmesi için önce prosesin tanımı yapılmalıdır. Girdileri alıp bir çıktıya dönüştüren her bir aktivite veya operasyon proses (süreç) olarak isimlendirilebilir.[1]

                                                               Üretim Prosesi

Şekil 1 :  Üretim Sürecinin Şematik Hali [2]

Proseslerde kullanılan ekipmanlar, özellikle kimya sektörü için önemlidir. Prosesteki akışkanların fiziksel, kimyasal özelliklerine göre uygun malzeme seçiminin sağlanamaması nedeniyle proses düzgün çalışmayabilir, ürünler kalitesizleşebilir, maliyetler artar, kazalar yaşanabilir ve hatta can kayıplarına neden olabilir.

Proseslerde kullanılan ekipmanlara:

• Isı Değiştiriciler (eşanjörler),
• Pompalar ve Kompresörler,
• Vanalar, Filtreler ve Regülatörler,
• Distilasyon Kolonları, Reaktörler,
• Tanklar, Boru Hatları,
• Debimetre, Monometre, Termocouple vb. ölçü kontrol ürünleri örnek verilebilir.

ISI DEĞİŞTİRİCİLER (EŞANJÖRLER)

Isı değiştirici ya da sanayi diliyle eşanjör; farklı sıcaklıklardaki iki akışkanın birbirlerine karışmadan ısılarını aktarmalarını sağlayan cihazlardır.[3] Isı değiştiricilerin sanayide birçok çeşidi bulunmaktadır. Bunlardan bir tanesi de plakalı tip ısı değiştiricilerdir.

Resim 1 : Plakalı Tip Isı Değiştirici[4]

Plakalı ısı değiştiricilerin kullanım alanları şöyle sıralanabilir:

• Isıtma-soğutma sektöründe (HVAC, Sıcak Su Uygulamaları, Enerji Santralleri, Isı Merkezi Uygulamaları, Soğutma Kuleleri, Basınç Kırıcı, Isı Geri Kazanımı, Buz Deposu, Yerden Isıtma Sistemleri, Güneş Enerjisi Sistemleri vb.)
• Endüstriyel Uygulamalarda (Hidrolik Yağ Soğutma, Su Soğutma, Boya Kabinleri, Yüzey İşleme Sistemleri, Buhar Uygulamaları, Pastörizasyon Sistemleri, Tekstil Uygulamaları, İlaç Endüstrisi, Gıda Endüstrisi, Kimya Endüstrisi, Gemi Uygulamaları, Petrol Rafinerileri, Termik Santraller vb.)

Plakalı Tip Isı Değiştiriciler

Plakalı ısı değiştiricilerde sıcak ve soğuk akışkanın geçtiği iki farklı devre bulunur. Bunlar primer ve sekonder olarak adlandırılır. Akışkanlar farklı devrelerden geçtiği için birbirine karışmazlar.

Resim 2 : Plakalı Eşanjör Plakası

Plakalı ısı değiştiricilerin avantajları şu şekildedir:

• Yatırım maliyetleri, kurulum maliyetleri, bakım maliyetleri diğer tip ısı değiştiricilere göre daha düşüktür.
• Az yer kaplarlar, taşımaları daha kolaydır, kapasiteleri plaka ekleme işlemiyle arttırılabilir ve 1⁰C’ye kadar sıcaklık yaklaşımı bu tip ısı değiştiricilerde sağlanabilir.

Günümüzde plakalı ısı değiştirici tasarımı için firmalar kendi tasarım programlarını kullanırlar. Bunların temelinde birkaç formül vardır:

 

 

Q= m.Cp.∆T
Q_{Verilen Isı Miktarı} = Q_{Alınan Isı Miktarı}
m_p.Cp_p.(T_pg –T_pç) = m_s.Cp_s.(T_sç-T_sg)

 

 

Şekil 2 : Plakalı Isı Değiştirici Boyunca Akışkan Akış Doğası[5]

Burada;

Q= Aktarılan Isı Enerjisi Miktarı

m_p, m_s = Primer, Sekonder Devre Debisi

Cp_p, Cp_s = Primer, Sekonder Devre Özgül Isısı

T_pg, T_sg= Primer, Sekonder Devre Giriş Sıcaklığı

T_pç, T_sç = Primer, Sekonder Devre Çıkış Sıcaklığı

Q=U.A. ∆T_lm
Burada;
A= Isı Aktarım Alanı
U= Toplam Isı Transfer Katsayısı
∆T_lm= Logaritmik Sıcaklık Farkları
∆T_lm’nin açılımı şu şekildedir:
∆T₁ = T_pg – T_sç
∆T₁ = T_pç – T_sg

 

Şekil 3 : Karşıt Akışlı Isı Değiştirici Diyagramı[6]

Plakalı ısı değiştiricilerin temel bileşenleri plakalar ve contalardır. Plakalar geçecek akışkanlara göre aşağıdaki malzemelerden imal edilebilirler:

• 304 Kalite Paslanmaz Çelik
• 316 Kalite Paslanmaz Çelik
• Titanyum, Paladyum
• Incoloy 825
• Hastelloy
• Nikel
• Alüminyum Bronz
• Molibden, SMO254

Pek çok ısı değiştirici üreticisi standart olarak 304 kalite ve 316 kalite paslanmaz çelik plakalar kullanırlar. Deniz Suyu, Tuzlu Su, Jeotermal su gibi agresif akışkanların olduğu proseslerde Titanyum gibi malzemeler seçilir. Derişik Sülfürik Asit, Hidroklorik Asit ve Fosforik Asit uygulamalarında hastelloy alaşımları tercih edilir.

Plakalı ısı değiştiricilerin en önemli parçalarından bir diğeri de contalardır. Contalar akışkana ve akışkanın sıcaklığına göre uygun malzemeden seçilir. Plakalı ısı değiştiricilerde kullanılan contalardan bazıları şöyledir:

1-) Stiren Bütadien Kauçuk (SBR, Buna-S):

Yaklaşık 85⁰C’ye kadar dayanıklıdır. Aşınma, yaşlanma ve ısıya karşı dayanımı doğal kauçuğa göre daha iyidir. Polar olmayan çözücülere, seyreltik asit ve bazlara dayanıklı; yakıt ve yağlara dayanıklı değildir. [7]

2-) Kloropren (Neopren) Kauçuk (CR):

Yaklaşık 125⁰C’ye kadar dayanıklıdırlar. Aşınmaya karşı direnci ve mekanik özellikleri çok iyidir. Su ve kimyasallara karşı uzun süre dayanırlar.[7]

3-) Akrilonitril Bütadien Kauçuk (NBR, Buna-N):

Plakalı ısı değiştiricilerde en çok kullanılan contalardandır. Yaklaşık 110⁰C’ye kadar dayanım sağlarlar. Özellikle yağa ve yakıtlara karşı dayanıklıdırlar. [7] Sanayide geniş bir kullanım alanına sahiptir.

4-) Etilen-Propilen Kauçuk (EPM-EPDM):

Sanayide en çok kullanılan conta malzemelerinden diğeri de EPDM’dir. Yaklaşık 150⁰C’ye kadar dayanım sağlarlar. Ozon ve Oksijene karşı dayanıklıdır. Sıcak su, buhar, alkali ve asitlerde kullanılabilirler. [7] Yağ uygulamalarına pek uygun değildirler.

5-) Florokarbon Kauçuk (FKM, Viton): Yaklaşık 180⁰C’ye kadar dayanım sağlarlar. Gres yağı, yakıt, çözücü, kimyasal maddelerin büyük çoğunluğuna, buhara dayanıklıdırlar. Diğer contalara göre fiyatları daha pahalıdır. Keton, Amin, Ester ve Eter içeren akışkanlara karşı dayanımları iyi değildir. [8]

Şekil 5 :  Bazı conta malzemelerinin, çeşitli kimyasallara dayanımları [9]

A= Mükemmel Dayanım

B= İyi, Düşük Etki, Hafif korozyon veya renk solması oluşabilir.

C= Orta Etki, Sürekli kullanım için önerilmez. Dayanım kaybı, yumuşama ve şişme oluşabilir.

D= Şiddetli Etki, Herhangi bir kullanım için önerilmez.

Isı değiştiriciler zamanla akışkandaki kirlilikten ötürü tıkanırlar ve yeterli ısı aktarımını gerçekleştiremezler. Prosesin sağlıklı çalışması için ısı değiştiriciler belirli periyotlarla kontrol edilmeli, plaka temizliği, conta yenilemesi vb. işlemleri yaptırılmalıdır.

VANALAR

Vanalar, akışkanlara yön vermek, durdurmak, ayarlamak kısacası akışkanı kontrol etmek amacıyla kullanılırlar. Vanalar sanayine valf ve ventil isimleriyle de kullanılırlar. Prosesteki vana seçimi için aynı eşanjörlerdeki gibi akışkanın cinsi, basıncı, sıcaklığı gibi bilgilere ihtiyaç duyulur. Özellikle akışkanın buhar olduğu sistemlerde buharın basıncının yanı sıra çıkabildiği maksimum sıcaklığı da bilmemiz gerekir. Vananın uygunsuz seçilmesi ile prosesin düzgün çalışmaması, akışkanların sızması, karışması gibi durumlar meydana gelebilir ve bu durum kazalara ve patlamalara sebep olabilir.

Resim 3 :  Dişli Küresel Vana [11]

Vana seçiminde cevap verilmesi gereken temel sorular şöyle sıralanabilir:

• Akışkan nedir?
• Akışkanın minimum ve maksimum sıcaklığı nedir?
• Akışkanın minimum ve maksimum basıncı nedir?
• Bağlantı çapı ne olacak?
• Vana bağlantı şekli nasıl olmalı? (Dişli, flanşlı, kaynaklı…)
• Akışkanı kontrol etmek mi yoksa sadece açıp kapatmak mı isteniliyor?
• Vana çalışması manuel (kollu) olarak mı yoksa aktüatör ile mi yapılacak?

Tüm bu sorulara verilen cevaplara göre vana seçimi yapılabilir. Ancak bilinmelidir ki tüm istenilen özellikler tek bir vanada bulunamaz. Bizim için en önemli özellik ne ise ona öncelik vermeliyiz. Örneğin akışkanı sadece açıp kapamak mı; yoksa belirli açılarda durmasını sağlayarak hassas kontrol etmek mi istiyoruz? Eğer sadece açma kapama yapılacaksa kelebek vana, küresel vana… kullanılabilir. Hassas kontrol yapılmak isteniyorsa glob vanalar ve diğer kontrol vanaları uygun olacaktır. Bazı vana çeşitleri aşağıdaki gibidir:

• Gate (Sürgülü) Vanalar
• Globe (Tablalı) ve Açılı Vanalar
• Çek Vanalar
• İğne Vanalar
• Emniyet Vanaları
• Pistonlu Vanalar
• Küresel Vanalar
• Diyafram Vanalar
• Kelebek Vanalar
• Kontrol Vanaları

Çek vanalar diğer isimleriyle çek valfler tek yönlü akışı sağlarlar ve akışkanın geriye kaçması istenmediği durumlarda kullanılabilirler.

Prosesteki vanalar her zaman manuel olarak kontrol edilmezler. Günümüzde artık küçük tesislerden büyük petrokimya tesislerine kadar çoğu fabrika otomasyon ile proseslerini kontrol ediyorlar. Vanaların manuel (kollu) olarak değil de otomatik olarak kullanılması için aktüatör denilen bir ürün vananın üzerine takılır. Aktüatörler pnömatik, elektrikli vb. olabilirler. Pnömatik aktüatörde hava verilerek, elektrikli aktüatörde elektrik verilerek aktüatörün vanayı açması ve kapatması sağlanır. Vana çeşitlerinden küresel ve kelebek vanalardan kısaca bahsetmek gerekirse:

Küresel Vanalar bir milin ucuna yerleştirilmiş ortasında bir veya birden fazla delik olan, çoğunlukla elastomer (ihtiyaca göre metal de olabilir) iki conta arasında dengelenmiş bir kürenin, akışkan geçiş delik ekseni üzerinde 90⁰ döndürülmesi ve deliğin geçişe açık veya kapalı konuma getirilmesi ile akışkan geçişini kesip, açarak görevlerini yerine getirirler. [12] Küresel vanalarda kullanılan akışkanların temiz olması, katılaşmaması gerekir. Su ve doğalgaz, nötr veya agresif sıvılar için kullanılabilir.

Resim 4 : Küresel vana ve boru hattına bağlanması[13]

Küresel vanalarda basınç düşümü azdır. Proses akışkanlarına göre gövde paslanmaz çelik, prinç, pik döküm, sfero döküm, bronz, pvc… malzemelerden yapılabilir.

Contalar akışkanın özelliklerine göre belirlenir. Yüksek sıcaklıklarda karbon grafit denilen özel contalar kullanılabilir. Su gibi normal akışkanlarda teflon keçeli olarak kullanılabilirler.

Küresel vanaların kullanım alanları şebeke suları, arıtma tesisleri, kimya ve petrokimya tesisleri, doğalgaz petrol taşıma ana hatları, kâğıt sektörü… şeklindedir.

Kelebek Vanalar: Kelebek vanalar; merkezinden veya eksantrik olarak yataklanmış düz bir diskin, akışkan geçiş deliği ortasında 90⁰ döndürülmesi ile akışkan geçişini kesip, açarak görevlerini yerine getirirler. [14] Hassas akış için küresel vanalar gibi kelebek vanalar da uygun değildirler.

Lug tipi, wafer tipi gibi çeşitleri bulunmaktadır. Kullanım alanları aşağıdaki gibi sıralanabilir:

• Sıcak Soğuk su Tesisatları,
• Kimyasal ve Petrokimya Tesisleri,
• Gıda Sanayi,
• Kâğıt Sanayi,
• Arıtma Tesisleri,
• Viskoz Akışlanlarda,
• Asit, baz ve tuz ortamlarında,
• Gaz ve egsoz hatlarında

Resim 5 : Wafer (1) ve Lug Tip (2) Kelebek Vana [15]

Kısacası çok kirli, çok sık açma kapama ihtiyacı ve yüksek sıcaklığın olmadığı hemen hemen tüm uygulama alanlarında kullanılabilir.

Kaynaklar

[1] http://proses.nedir.com/#ixzz2cAUBKW4Z

[2] http://www.sabittuncel.com/main.php?kid=410

[3], [6] Y. A. Cengel, Heat Transfer: A Practical Approach, 2nd ed., McGraw-Hill, 2003. ISBN 0072458933

[4] Fiorini Plate Heat Exchangers Edition 2009 – Rev.00

[5] Kevin D. Rafferty, P.E. Gene Culver, Heat Exchangers, Geo-Heat Center, Klamath Falls, Oregon 97601

[7] Megep Kimya Teknolojisi, Lastik Hamuru Hammaddeleri-2, Ankara, 2009

[8] http://www.beksankaucuk.com.tr/malzemebilgisi.htm

[9] http://www.coleparmer.com/Chemical-Resistance

[10] www.jeotes.com

[11] http://www.or-fa.com/wp-content/uploads/2013/03/k%C3%BCresel-vana-su.jpg

[12], [14] Mak. Yük. Müh. Serdar Gürel, Vanalar

[13] Megep Kimya Teknolojisi, Akışkanlar Mekaniği, Ankara, 2008

[15] http://www.asteknikvana.com

http://axiom.com.my/index.php/engineering/chemical-engineering/

 

Yazar : Sevgi GÜLTEKİN

Üniversite : Hitit Üniversitesi

Bölüm : Kimya Mühendisi

Dergi : Sayı 2– Sayfa 16