Derinlemesine Makale ‖ Eski ekipmanları enerji tasarrufu ve verimlilik artışı sağlayacak şekilde nasıl makul bir şekilde dönüştürülür!

Thread Content

Derinlemesine Makale ‖ Eski ekipmanları enerji tasarrufu ve verimlilik artışı sağlayacak şekilde nasıl makul bir şekilde dönüştürülür! 2016-08-13 Petrokimya Bağları: Yaşam Tarzı ve Petrokimya Bağları. Kulenin işleme kapasitesini artırmak için dönüşüm çalışmalarına başlanırken, eski ekipmanların ne kadar potansiyele sahip olduğu, eski ekipmanların işleme kapasitesini sınırlayan temel faktörlerin neler olduğu ve hem ekonomik olacak hem de üretimi artırma gereksinimlerini karşılayacak dönüşüm yöntemlerinin neler olabileceği gibi bazı sorunların çözülmesi gerekmektedir. Buradaki asıl anahtar sorun, kulenin maksimum işleme kapasitesinin tahmin edilmesidir. Ancak bu aşamada tasarım aşamasından farklı olarak, kapasite artırımı ve yenileme sırasında daha kesin tahminler yapılması gerekmektedir. Tasarım aşamasında %10–20’lik bir hata genellikle kabul edilebilirken, kapasite artırımı ve yenileme sırasında bu tür bir hata çok büyüktür. Bu aşamada avantajlı olan nokta, mevcut eski cihazların ve zengin operasyon deneyimlerinin ile ilgili bilgilerin bulunmasıdır. Bu olumlu koşullar, tahminleri daha doğru ve gerçekçi kılmak için tam olarak kullanılmalıdır. Bottleneck aşamasının maksimum kapasitesi tahmini, genel ilişkiler yerine güvenilir ölçümlere dayanmaktadır. Bunun, eski cihazların yenilenmesinde uygulanması gereken temel bir yaklaşım olduğu söylenebilir; ürün kalitesini artırmak ve enerji tasarrufu açısından da aynı durum geçerlidir. Eski cihazın maksimum işleme kapasitesine, yani en yüksek hammadde işleme kapasitesine veya en yüksek ürün miktarına ulaşabilmek için iki test yapılmalıdır. Öncelikle, besleme konumunu değiştirin ve en iyi besleme konumunu belirleyin ； Dönüş oranı R’yi kademeli olarak daha da azaltırken, ürünün kalitesini de kontrol ederek, kaliteli ürünler üretmek için gerekli olan en düşük işletim dönüş oranını belirleyin. Bu değerin normal üretim işlemlerindeki R’den küçük olması, kulenin belirli bir kapasite fazlasına sahip olduğunu gösterir. Son olarak, bu minimum işlem geri akış oranında kule için sıvı taşma testi yapılır ve kulenin maksimum debisi belirlenir. Yukarıdaki deneyler yoluyla eski cihazın maksimum hammadde işleme kapasitesi veya maksimum ürün miktarı hesaplanabilir; eğer bu işleme kapasitesi artış gereksinimlerini karşılıyorsa, sorun tamamen çözülmüş olur. Eğer hâlâ bir fark varsa, kule yeniden düzenlenmelidir. Bu aşamada, kulenin işleme kapasitesini sınırlayan faktörler belirlenmeli ve ardından yenileme planı kararlaştırılmalıdır. Kuleler için simülasyon hesaplamaları, ekipman yenileme sürecinde önemli bir rol oynar; ancak simülasyon hesaplamalarında kullanılan çeşitli ilişkiler ve temel veriler, simülasyon sonuçlarının kulenin gerçek çalışma koşullarını yansıtmasını sağlamak amacıyla damıtma kulesine ait gerçek ölçüm verileriyle doğrulanmalıdır. Damıtma kulesi simülasyon hesaplamalarında en temel ilişkiler ve veriler aşağıdaki alanlardır. 1. Faz dengesi ilişkisi: İlişki, mümkünse ölçülen faz dengesi verilerinden türetilmelidir ve ölçülen verilerin kalitesi yüksek olmalıdır. Yani termodinamik tutarlılık testinden geçebilmek için, kurulan ilişkiler kullanılarak tahmin edilen faz dengesi verileri ile ölçülen değerler arasındaki hata küçük olmalı ve ölçülen verilerin konsantrasyon aralığı, dışa doğru tahmin yapılmasını önlemek amacıyla kuledeki tüm konsantrasyon aralığını kapsamalıdır. Örneğin, ürünün konsantrasyonu %99,5 iken ölçülen değerler sadece %95 veya daha düşükse, bu tür ölçüm aralığı yetersizdir. %95 ile %99,5 arasında bir dış tahmin pek fazla olmasa da, bu aralıkta saflaştırma yapmak için çok sayıda kolon plakası gereklidir ve küçük bir hata hesaplama değerlerini belirgin şekilde etkiler. 2. Kütle aktarımı verimliliği verileri: Tabla tipi kulelerde genellikle kule verimliliği kullanılır; ayrıca damıtma ve geri damıtma bölümleri için farklı değerler alınabilir. Dolgu tipi kulelerde ise HETP kullanılır. Doğru faz dengesi ilişkileri sayesinde, ölçülen ürün bileşimi, giriş bileşimi ve termal durum, giriş miktarı ve çıkış miktarı, geri akış oranı ve işletme basıncı ile yan hat konumu, çekilen miktar ve bileşimi (varsa), simülasyon hesaplamaları yoluyla tüm kolanın (ve her bir bölümünün) gerçekte sahip olduğu teorik plaka sayısı belirlenebilir. Böylece kola verimliliği (veya her bir bölümün verimliliği) veya HETP elde edilir. Bu testte, kritik bileşenlerin ayrılması sırasında “pin noktası” sorunlarının ve yanlış sonuçların ortaya çıkmasını önlemek için geri akış oranının biraz daha yüksek tutulması uygundur. Dolgu kulesi testlerinde ise sıvı dağıtıcısının dağıtım kalitesine özellikle dikkat edilmesi gerekir. Yapısal çizimlerin incelenmesi, dağıtıcının dağıtım kalitesini belirlemeye yardımcı olur. Genel olarak, normal şekilde çalışan ve tasarım kriterlerini karşılayan kulelerdeki sıvı dağıtıcıların dağıtım kalitesi, tasarım gerekliliklerini karşılayabilir. Üretim sürecinde sıvı dağıtıcının dağıtım kalitesi konusunda şüpheler olursa, bu durum saha testleri yoluyla tespit edilebilir. Denge verilerinin ve verimlilik ile üretim işlemlerinin uyumlu olup olmadığını titizlikle kontrol etmek için, saha testlerinde kule yüksekliği boyunca sıcaklık dağılımının ölçülmesi gerekir; elbette kule yüksekliği boyunca konsantrasyon dağılımının da ölçülebilmesi daha iyidir. Bu veriler, simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırılarak kullanılır ve ilişkiler tekrar tekrar analiz edilip ayarlanarak daha gerçekçi faz dengesi ilişkileri ve verimlilik verileri elde edilebilir. 3. Gaz-sıvı iki fazının entalpi ilişkisi: Doğrulama için ölçümlenmiş verilerin olması en iyisidir, ancak bu alanda çok fazla veri bulunmamaktadır; genellikle yalnızca literatürde oldukça tutarlı bir şekilde önerilen bazı ilişkiler seçilebilmektedir. Enthalpi doğruluğu, kuledeki gaz-sıvı faz akış hızlarını ve soğutucu, yeniden buharlaştırıcıların ısı yüklerini önemli ölçüde etkiler; eğer ısı yükündeki hata küçükse, bunun kullanılarak yapılan simülasyon hesaplamalarının sonuçları kabul edilebilirdir. 4. Kule diskleri veya dolgu kulelerinin bazı akışkanlar mekaniği özellikleri arasındaki ilişkiler; en önemlisi sıvı taşma buhar hızı ile tork düşüşü arasındaki ilişkidir. Öncelikle sıvı taşmanın nedenleri belirlenmeli, ardından kullanılacak ilişki biçimi seçilip kontrol edilmelidir. Keister, dolgu kulesi tedarikçisinin aşırı iyimser akış taşma ilişkisi nedeniyle, yeniden yapılandırma sonrasında elde edilebilecek üretim artış oranları konusunda yanıltıcı bilgiler verildiğine dair bir örnek sundu. Literatürdeki çeşitli ilişkilerin hangi deneysel verilere dayandığını, değişkenlerin değişim aralıklarını ve deney sistemlerini bilmek, güvenilir ilişkilerin doğru bir şekilde seçilmesi için son derece önemlidir. Uygun çeşitli ilişkilerin doğru bir şekilde seçilmesi, fabrika ekipmanları ve gerekli test ölçüm verilerinin kullanılarak bu ilişkilerin doğrulanmasıyla simülasyon sonuçlarının kuledeki gerçek durumu doğru bir şekilde yansıtması sağlanır; ancak bunun ardından simülasyon hesaplamaları, ekipmanların işleme kapasitesini belirleyen temel faktörleri tespit etmede ve iyileştirme planları oluşturmada faydalı bir araç haline gelebilir. Kulenin işleme kapasitesini artırma yolları ► Kule ekipmanının iç parçalarını değiştirmek. ►Süreci yerel koşullara göre dönüştürün. ►Kolonun çalışma basıncını artırmak ve ayrıca kolon plakalarını çoğaltarak geri akış oranını azaltmak da üretimi artırmada etkili olabilir. 1. Kule ekipmanlarının iç parçalarının yenilenmesi (1) Eski tip dolgu maddeleri veya kule plakalarının yerine yeni, yüksek verimli dolgu maddelerinin kullanılması. Üçüncü nesil dolgu maddeleri ve düzenli dolgu maddeleri, ikinci nesil dolgu maddelerine kıyasla daha düşük basınç düşüşüne, daha yüksek verime (Daha düşük HETP) ve daha yüksek akış hızına (Daha düşük FP) sahiptir; eski dolgu maddelerinin yerine konulmasının ardından kulenin sıvı buharlaşma hızı (yani akış hızı) doğrudan artmıştır ； Ayrıca, aynı yükseklikteki dolgu tabakasının teorik plaka sayısı arttığı için işletme geri akış oranı azaltılabilir ve bu da dolaylı olarak hammadde işleme miktarını ve üretimi artırır. Vurgulanması gereken bir nokta ise, yeni ve yüksek verimli doldurucuların gereksinimlerine uyum sağlamak için sıvı dağıtıcılarının ve yeniden dağıtıcılarının da modifiye edilmesi gerektiğidir. Doldurmalı kuleler ve plaka tipi kuleler en uygun koşullarda çalışır; azaltılmış basınç, normal basınç ve düşük basınç altında işletilirler. Düzenli doldurucular hem verimlilik hem de akış hızı açısından avantajlıdır ； Yüksek basınç koşullarında (>2MPa), düzenli doldurucuların yukarıda belirtilen avantajları ortadan kalkar ve yüksek verimli toz doldurucular belli bir üstünlüğe sahip olur. Kulenin yeniden yapılandırılmasında, levhaların yerine dolgu maddeleri kullanıldığında verim artışı daha belirgin olur; çünkü her teorik levhanın basınç düşüşü neredeyse %90 oranında azaltılabilir. Genellikle her bir plakanın basınç düşüşü 0,4–1,05 kPa arasındadır; basınç azaltmalı damıtma işlemlerinde bu değer daha düşüktür. Metal kemerli dolgu malzemeleri gibi serbest dolgu malzemelerinde basınç düşüşü 55 Pa/teorik plaka seviyesine kadar inebilirken, düzenli dolgu malzemelerinde bu değer 13 Pa/teorik plaka olabilmektedir. Bu belirgin avantaj, yüksek vakum distilasyon kulelerinin yeniden tasarımında önemli bir üstünlük sağlar; çünkü bu durumda kule çapı, belirlenen basınç düşüşüne göre hesaplanır ve düşük basınç düşüşüne sahip dolgu maddeleri daha yüksek buhar hızları kullanabilir. Strieger’e göre, aynı basınç düşüşü altında, metal kare şeklindeki dolgu elemanları, plaka tipi kulelere kıyasla yaklaşık %70 daha yüksek bir işleme kapasitesine sahip olabilir; düzenli dolgu elemanları kullanıldığında ise daha da yüksek bir üretim kapasitesi elde edilebilir. Stiren damıtma kulelerini yüksek verimli dolgu maddeleri kullanarak dönüştürmek, büyük ekonomik faydalar elde etmenin tipik bir örneğidir; Tianjin Üniversitesi, plaka dalgalı düzenli dolgu maddelerini kullanarak ondan fazla bu tür kuleyi başarıyla dönüştürmüştür. Bu tür bir dönüşüm yalnızca üretimi artırmakla kalmaz; aynı zamanda kule tabanındaki sıcaklık ve tüm damıtma bölümündeki ortalama sıcaklığın düşmesi ile kuledeki sıvı miktarının azalması (buna bağlı olarak kalış süresinin kısalması) sayesinde stiren polimerizasyon kayıplarını neredeyse tamamen ortadan kaldırarak stiren verimliliğini artırır. Normal ve yüksek basınçlı damıtma işlemlerinde, dolgu kulesinin düşük direnci ve az sıvı tutma kapasitesi gibi avantajları artık önemli değildir; ancak plaka tipi kulelerin yerine dolgu kuleleri kullanılması yine de oldukça belirgin bir verim artışı sağlayabilir. Bryerley, uzun süreli başarılı uygulama deneyimleri nedeniyle yüksek basınçta (>2MPa) plaka tipi kulelerin daha güvenilir olduğunu düşünse de, yüksek basınçta toz dolgu malzemelerinin de belirgin faydalar sağlayabileceğini kabul etmektedir. Düzenli dolgu malzemeleri ise plaka tipi kulelere kıyasla, düşük basınçlı bölgelerdeki neredeyse tüm durumlarda daha yüksek işleme kapasitesine ve verimliliğe sahiptir. Strieger’e göre, yüksek basınçlı kulelerde plaka yerine metal kemer halkaları kullanılması yaklaşık %25’lik bir verim artışı sağlayabilir. Bunun başlıca nedeni, yüksek basınç altında plaka tipi kulelerin taşma bölümü için oldukça geniş bir alan gerektirmesidir; oysa dolgu tipi kulelerdeki tüm alan iki fazın teması yoluyla madde transferi için kullanılabilir. 300.000 tonluk etilen tesisinin yüksek basınçlı demetan ayırma kulesinde, üretimi sınırlayan bölgedeki yüzer valfler metal kemer halkalarıyla değiştirilerek yaklaşık %20’lik bir üretim artışı elde edildi. Yüksek basınçlı bölgelerde düzenli doldurucuların kullanımı henüz yaygın değildir ve kullanılırken dikkatli olunmalıdır. Literatürde, 3 MPa basınçlı kuru metan ayırma kolonu, 1,8 MPa basınçlı propan ayırma kolonu, 2 MPa basınçlı etilen ayırma kolonu ve 3,2 MPa basınçlı C3/C4 kolonu gibi ekipmanların kullanılarak başarılı dönüşüm örnekleri bulunmaktadır; verimlilik artışı %20–25 seviyesine ulaşmıştır. Ancak ayrım verimliliği düşük basınçlarda olduğu kadar iyi değildir ve bu konuda daha fazla araştırma gerekmektedir. Bazı literatür çalışmalarında, American Distillation Research Company’nin 3,2 MPa basınç altında Telox 2T düzenli doldurucular üzerinde endüstriyel ölçekte deneyler yaptığı, deneyde kullanılan sistemin izobütan-n-bütan olduğu ve ayrıştırma verimliliği ile akış hızı konusunda tutarlı ve tatmin edici sonuçlar elde edilemediği bildirilmektedir. Kolon plakalarının yerine dolgu maddesi kullanıldığında, kolon içindeki mevcut plaka destek halkaları sökülmelidir ve kalan genişlik 12 mm’den küçük olmalıdır; aksi takdirde sıvının dağılımında büyük ölçekli bozulmalar meydana gelir, ayrıştırma verimliliği düşer ve aynı zamanda kolonun akış kapasitesi de azalır. Ayrıca, hammadde girişleri, buhar bağlantıları ve basınç/ sıcaklık ölçüm cihazlarının bağlantı noktaları da dikkatlice yerleştirilip kontrol edilmelidir; bazen de yerlerinin değiştirilmesi gerekebilir. Belirtilmesi gereken bir nokta var: Şu an tartışılan konu, kulede üretimin artırılmasıdır. Kule iç parçalarının değiştirilmesi yoluyla üretim artırımı ihtiyacı karşılanabilir; bu, yeni bir tesis inşa etmeye kıyasla daha ekonomiktir. Hatta kullanılacak iç parçaların fiyatı biraz daha yüksek olsa bile bu yöntem mantıklıdır. Bu, yeni bir fabrika kurma tasarımından farklıdır; hiçbir durumda dolgu kulesi her zaman plaka tipi kuleden daha iyi değildir. (2) Mevcut tabaka yapısının boyutlarında değişiklik yapılması veya yüksek verimliliğe ve büyük işlem kapasitesine sahip yeni tip tabakaların kullanılması; genellikle orijinal tasarımlarda çeşitli ilişkili hatalar nedeniyle tasarımın daha güvenilir olması için güvenlik faktörleri uygulanır. Bu da üretimi artırmak için olanak sağlar. Ancak genellikle belirli bir faktörün kısıtlamaları nedeniyle, uygun değişiklikler yapılmadan büyük bir verim artışı sağlanması zordur. Tabaka plakalarının hidrodinamiğine ilişkin ilişkiler, ölçülen verilerle doğrulandıktan sonra, yeniden tasarım hesaplamalarını gerçekçi hale getirir, kısıtlayıcı faktörleri ortaya çıkarır ve en iyi yapıya ulaşılmasını sağlar. Kapust, karar vermek için plaka yük performans grafiğinin kullanılmasını önermektedir (Şekil 7-1). Şekil 7-1: Kule plaka yapısının boyutlarının en iyi hale getirilip getirilmediğini gösteren performans grafiği. Şekil 7-lb’de, sıvı indirme borusundaki taşma olayının erken meydana geldiği görülmektedir; bu durum, plaka delik oranlarının, taşma setinin yüksekliğinin, sıvı indirme borusunun altındaki boşluğun veya plaka aralıklarının ayarlanmasıyla en iyi hale getirilebilir ； Şekil 7-1c’de gösterildiği gibi, sıvı indirme borusunun kesiti çok küçüktür ve bunun nedeniyle meydana gelen tıkanıklık, kulenin işleme kapasitesini sınırlamaktadır ； Şekil 7-ld’de gösterildiği gibi, aşırı miktardaki sisleme veya taşınan sıvının etkisi kulesinin işleme kapasitesini sınırlamaktadır; bu durum, plaka aralıkları, set yüksekliği ve delik çapları gibi parametrelerin ayarlanmasıyla en iyi şekilde giderilebilir. Plakalar makul bir şekilde modifiye edildikten sonra, gereksinimleri karşılayacak ölçüde daha yüksek verim elde etmek mümkün olabilir. Belirli ayrıştırılan sistemler, işletme koşulları ve buhar-sıvı faz yükleri göz önünde bulundurularak özellikle uygun yeni tip kolon plakalarının seçilmesi de, gerçek kolonların verimliliğini artırma yöntemlerinden biridir. Kılavuzlu yüzer valfler, eleme plakaları ve yüzer valfli kolon plakalarının yerine geniş ölçüde kullanılarak verimlilik artışı sağlanabilir. 2. Dönüşüm süreci: Boş duran kulelerin ayrıştırma ve işleme kapasiteleri gereklilikleri karşılamadığında, ancak mevcut üretim kulesiyle birleştirildiğinde işleme kapasitesi belirgin şekilde artar. Şekil 7-2’de üç olası kombinasyon seçeneği gösterilmektedir; en uygun kombinasyon, akış simülasyonu yoluyla belirlenebilir. Şekil 7-2: Boş kule ile üretim kulesinin birleştirilme şekilleri 1-Üretim kulesi ； 2- Boşta kalan kule: Bir ürünün ayrıştırılması, ardışık olarak inşa edilmiş iki kulenin seri bağlanmasıyla gerçekleştirildiğinde, damıtma bölümü olarak kullanılan kule, çekme bölümüne kıyasla açıkça daha yüksek bir işleme kapasitesine sahiptir. Aynı zamanda çekme bölümündeki sıvı taşması durumu, tüm kulenin işleme kapasitesini ciddi şekilde sınırlar. Tüm kulenin işleme kapasitesini artırmak için, damıtma bölümünün alt kısmına ara bir reboiler eklenerek, çıkarma bölümündeki buhar-sıvı yükünün bir kısmının damıtma bölümüne aktarılması sağlanır. Böylece her iki bölümdeki yük dengelenir ve üretim artırılır. Enerji kullanımı açısından bakıldığında, ara kaynama ısıtıcısının sağladığı ısı, damıtma bölümünde ayrıştırma işlevi görebilir; ancak verimliliği düşüktür. Eğer fabrikada kullanılabilir fazla düşük sıcaklıklı ısı kaynağı varsa, enerjinin mantıklı bir şekilde kapsamlı olarak kullanımı sağlanabilir. Kule yüksekliğinde artış izin verildiği durumlarda, uygun miktarda kule plaka sayısının artırılması (bu da R değerini düşürebilir), giriş noktasının en uygun konuma getirilmesi ve giriş malzemesinin termal durumunun ayarlanması (örneğin, damıtma bölümü işlem kapasitesini sınırlayan bir faktördür; bu nedenle bu bölümde buhar-akışkan karışımı veya sadece buhar şeklinde giriş yapılabilir), hepsi üretimi uygun şekilde artırmaya yardımcı olur. 3. Kuledeki işletim basıncının artırılması: Basınçlı işletim yöntemi, kule üstündeki yoğuşma kondansatörünün sıcaklığını yükseltmek amacıyla kullanılır; böylece hava soğutması, su soğutması veya daha yüksek sıcaklıkta soğutucular kullanılabilir ； Basınç azaltma işleminin kullanılmasının nedeni ise, malzemenin aşırı ısınarak bozulmasını veya kökleşme, polimerizasyon gibi olayların meydana gelmesini önlemek için kule tabanı sıcaklığını düşürmektir; ayrıca bu yöntem sayesinde su buharı veya biraz daha düşük sıcaklıktaki ısıtıcılar kullanılabilir. Bundan anlaşıldığı üzere, kule altı sıcaklığı malzemenin bozulması, polimerizasyonu veya kömürleşmesi nedeniyle belirlenmiyorsa, kule basıncının artırılıp artırılamayacağı bir ekonomik değerlendirme meselesidir. Eğer basınç artırılarak üretim artırılabilir ve böylece yeni tesisler için gerekli yatırımlardan tasarruf edilebilirse, bu genellikle ekonomik açıdan caziptir. Basıncın artırılmasının üretimi artırmasının nedeni, basınç yükseldikçe buharın yoğunluğunun orantılı olarak artmasıdır. Kule basıncının artması, kuledeki sıvı taşma buhar hızını biraz azaltsa da, kulenin izin verilen gaz akış hızı önemli ölçüde artacaktır. Eğer geri akış oranı değişmezse, yani kuleden elde edilen üretim miktarı veya işlenen hammadde miktarı aynı şekilde artacaktır. Ancak basınç katlanarak arttıkça göreceli uçuculuk da hafifçe azalır; bunun sonucunda minimum geri akış oranı artar ve işletme geri akış oranı da buna bağlı olarak yükselir. Bu durum, pG değerini ve artan üretim etkisini kısmen dengeleyecektir. Genel olarak, basınç azaltmalı damıtma ve yaklaşık atmosferik basınçlı damıtma, basınç artırarak üretimi artırma uyarlamalarını kolayca gerçekleştirebilir; çünkü sadece küçük bir mutlak basınç artışıyla pG değeri katlanarak artırılabilir ve ekipmanın dayanıklılığı konusunda herhangi bir sorun olmaz. Yüksek basınçlı damıtma işleminde pG değerinin katlanarak artırılması, ekipmanın dayanıklılığı açısından sorunlara yol açar; ayrıca yüksek basınçlı dolgu kulelerinde normal işletim daha zordur ve plaka tipi kuleler de düşüş borusunun çok küçük olması sorununa neden olabilir. Bu makale Kimya Mühendisliği 707’den alınmıştır; yeniden paylaşım yalnızca bilgi paylaşımı amacıyladır ve telif hakkı orijinal yazarına aittir