• Sonuç bulunamadı

AKIŞKANLAŞTIRMA VE AKIŞKAN YATAK ISI TRANSFERİ ÜNİTESİ

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "AKIŞKANLAŞTIRMA VE AKIŞKAN YATAK ISI TRANSFERİ ÜNİTESİ"

Copied!
9
0
0

Yükleniyor.... (view fulltext now)

Tam metin

(1)

AKIŞKANLAŞTIRMA VE

AKIŞKAN YATAK ISI

TRANSFERİ ÜNİTESİ

(2)

1. Amaç

Akışkan yatakta tanecik hareketlerinin gözlenmesi, yataktaki akış hızının önemi ve ısı transfer özelliklerinin incelenmesi

Öğrenme çıktıları

a. Akışkanlaştırma kavramının öğrenilmesi

b. Akışkan yatak reaktörlerin uygulama alanlarının öğrenilmesi c. Akışkan yataklı reaktörde ısı transfer hesaplarının yapılması

2. Genel Bilgiler

2.1. Akışkan Yataklı Reaktör

Akışkan yataklı reaktörlerin Kimya ve Petrol mühendisliğinde çok sayışa uygulama alanı vardır. Tipik bir akışkan yatak; yukarı doğru çıkan gaz ve katı parçacıklar içeren silindir bir kolon şeklindedir. Akışkan yatak reaktörün ilk sanayi uygulamalarından biri 1920’de Fritz Winkler’in kömür gazlaştırma prosesidir. Bir başka örnek; propan, hava ve amonyağın bir katalizörle akrilonitril ürettiği Sohio Prosesidir [1].

Şekil 1. Tipik bir akışkan yatak reaktör [2]

Tüp şeklindeki tanecikli yatak içerisine düşük hızla giren akışkan, tanecikleri hareket ettirmeksizin aralarından yukarı doğru akarken taneciklerin üzerine sürtünme kuvveti uygulanır. Akışkanın hızının (yüzeysel hızın) artmasıyla sürtünme kuvveti artar, yatak içinde basınçta bir düşme meydana gelir. Akışkan hızı artırılmaya devam ettirildiğinde öyle bir noktaya ulaşır ki bu noktada tanecikler artık hareketsiz kalamaz ve akışkanlaşır. Bu nokta basınç düşmesinin tanecikler üzerindeki

(3)

akışkan hızı artsa bile yatak akışkanlaştıktan sonra sabit kalacaktır. ∆p değerini hesaplamada kullanılan bazı teorik formüller vardır. Bir tanesi aşağıdaki gibidir;

∆𝑝 = (M/𝑝𝑝 *Sb)(𝑝𝑝 − 𝑝𝑓)𝑔 (1) Denklemde;

M : Taneciklerin toplam ağırlığı (kg) pp : Taneciklerin yoğunluğu (kg/m3)

Sb : Yatak içinde yükleme yapılabilen kesit alanı (m2) pf : Akışkanın yoğunluğu (hava) (kg/m3)

g : Yerçekimi ivmesi (m/s2)

p : Yataktaki basınç düşüşü (Pa)

Akışkan yatak ısı transferi deney ünitesinde akışkan havadır ve ünite atmosferik basınç üstende bir basınçta çalışmaktadır. Bu nedenle pf, pp

ile karşılaştırıldığında ihmal edilebilir. Yatakta kullanılan tanecikler, ortalama tanecik boyutu 200 μm ve yoğunluğu 4000 kg/m3 olan alümina’dır. Akışkanlaştırma ile alakalı literatürde çok sayıda teorik formül mevcuttur.

Akışkanlaştırma şartı için yüzeysel hızı (U) arttırmak gereklidir. Bir yatağın akışkanlaştırmak için gerekli olan minimum yüzeysel hıza minimum akışkanlaştırma hızı (Umf) denir. Bu değerinin altında yatak sabit yatak gibi davranırken bu değerin üstünde yatak akışkanlaşır ve tanecik büyüklüğüne bağlı olarak da farklı yatak davranışları göstermeye başlar. Genellikle tanecik büyüklüğü 100-1000 μm’den büyük olan tanecikler akışkanlaşırken baloncuk ya da kabarcık oluşur. Oluşan kabarcıklar kaynayan bir akışkanın buhar kabarcıkları gibidir. Bu akışkanlaştırma şartına “Agregatif Akışkanlaştırma” denir.

Yatak içerisinde taneciklerin büyüklüğü akışkan davranışını önemli ölçüde etkiler. Daha ince, daha hafif ve birbirine kolay yapışma özelliği gösterten tozlarla yatakların tamamıyla akışkanlaştırılması oldukça zordur. Çünkü tanecikler arası kuvvetler yerçekimi kuvvetinden daha büyük olduğundan tanecikler birbirine yapışma eğilimindedir ve akışkan kanalların içinde eser gibi yatağın içinden geçer. Bu duruma kanallama denir. Kanallama genellikle tanecik çapı 0-30 μm olan taneciklerde gözlemlenir [3].

(4)

Tablo 1. Akışkan yatak uygulama alanları [3]

Fiziksel Prosesler Kimyasal Prosesler

Isı Değişimi Katalitik Kraking (FCC)

Kurutma Sentez Reaksiyonları (vinil asetat, flatik anhidrit, akrilonitril)

Kaplama Olefinlerin polimerizasyonu (etilen, propilen)

Granülleme Silikon Üretimi

Adsorbsiyon ile gaz saflaştırma Fischer-Tropsch sentez reaksiyonu

Kömür/Biyokütle/Atık tutuşturma

3.Deneysel Çalışma Amaç

• Farklı akış hızları ve farklı ısıtıcı sıcaklıklarında; gerekli formülasyonlar kullanılarak ve tablolar oluşturarak akış hareketlerini gözlemlemek, ısı transfer katsayısını bulmak ve ısı transfer etkinliğini hesaplamak

Sonuç olarak; iki farklı sıcaklıkta, ve her sıcaklık için çok sayıda akış hızında (azalan ve artan şekilde) ölçümler alınacaktır.

3.1. Gerekli Aletler ve Kimyasal Maddeler:

• Deney seti

Şekil 3. Deney düzeneğinden bir kesit

(5)

3.2. Deneyin Yapılışı

1) Reaktörün içindeki ısıtıcının sıcaklığı istenilen bir değere getirilir ve ısıtma için ne kadar watt harcandığı deney düzeyinden kontrol edilip not alınır.

2) Hava akış hızı yüksek bir değere ayarlanır ve yatağın 2-3 dakika kadar karışmasına izin verilir. Hava akış hızı değiştirmeden aşağıdaki değerler tabloya yazılır.

I. Hava giriş sıcaklığı t1 II. Yatak sıcaklığı t3 III. Isıtıcı sıcaklığı t2 IV. Yatak yüksekliği

V. Yatak boyunca basınç düşüşü

3) Adım adım hava akış hızını düşürerek aynı değerleri almaya devam edilir. Hava akışını kapattıktan sonra cam bölmeye hafifçe vurarak yatağın başlangıç yüksekliğine dönmesi sağlanır ve bu yükseklik kaydedilir.

4) Aynı adımlar hava akış hızı yavaş yavaş arttırılarak tekrarlanır. Bu sırada yatak davranışı gözlemlenerek not alınır.

5) Minimum akışkanlaştırma hızı üzerine sıcaklık etkisini gözlemlemek için deney biraz daha yüksek bir sıcaklıkta hava akış hızı adım adım düşürülerek ve arttırılarak tekrarlanır.

6) Gözlenen verilerden aşağıdaki tablolara kaydedilir. Grafik üzerinde eğrilere çizilen teğetlerin kesim noktalarından inilen dikme ile minimum akışkanlaştırma hızı belirlenir.

7) Farklı sıcaklık ve akış hızlarında ısı transfer katsayısı ve etkinliği hesaplanır.

(6)

3.3. Hesaplamalar

Hesaplamaları yapabilmek için bazı bilinmesi gereken değerler;

Tablo 2. Deney için gerekli bilgiler

Malzeme : Alumina parçacıkları

Ort. parçacık büyüklüğü (dp) : 200 μm Ort. katı parçacık yoğunluğu (pp) : 4000 kg/m3

Yatak çapı : 100 mm

Yatak yüksekliği : 250 mm

Isıtıcının yüzey alanı : 0.0012 m2

Isıtıcının çevreye yaydığı ısı (Qısıtıcı) : Cihazın ilgili yerinde watt cinsinden yazıyor

Parçacık kütlesi (M) : 1,5 kg

Havanın Cp değeri : 1006 J/kg °C

Havanın yoğunluğu (dhava) : 1,229 kg/m3

Deneyde hesaplama yapabilmek için gerekli olan formüller;

Sb = π * r2 (2) Sb : Yatak kesit alanı (m2)

r : Yatak yarıçapı (m)

Vb = Vm * (t3/t1) (3) Vb : Yatak boyunca geçen hava akış hızı (lt/s)

Vm : Hava akış hızı (lt/s) t3 : Yatak sıcaklığı (oC) t1 : Hava giriş sıcaklığı (oC)

U = (10-3 * Vb) / Sb (4) U : Yüzeysel hız (m/s)

Vb : Yatak boyunca geçen hava akış hızı (lt/s) Sb : Yatak kesit alanı (m2)

(7)

dhava * 10-3 = mhava /Vm (5) dhava : Havanın özkütlesi (kg/m3)

mhava : Havanın kütlesel akış hızı (kg/s) Vm : Hava akış hızı (lt/s)

Qhava= mhava∗ Cp ∗∆Thava (6)

Qhava : Havanın ısı değeri (J/s)

mhava : Havanın kütlesel akış hızı (kg/s) Cp : Havanın ısı kapasitesi (J/kg∙°C)

∆Thava : Havanın giriş ve çıkış sıcaklıkları arası fark (°C)

Qkayıp= Qısıtıcı–Qhava (7) Qkayıp : Kaybolan ısı miktarı (J/s)

Qısıtıcı : Isıtıcının çevreye yaydığı ısı (J/s) Qhava : Havanın ısı değeri (J/s)

Qısıtıcı= h ∗ A ∗ ∆T (8) Qısıtıcı : Isıtıcının çevreye yaydığı ısı (J/s)

H :Isı transfer katsayısı (J/m2∙°C∙s) A : Isıtıcının alanı (m2)

∆T : Isıtıcının son sıcaklığı ile ilk sıcaklığı arası fark (°C)

E = Qhava/Qısıtıcı (9) E : Isıtıcıdan havaya ısı transfer etkinliği

Qhava : Havanın ısı değeri (J/s)

Qısıtıcı : Isıtıcının çevreye yaydığı ısı (J/s)

(8)

Şekil 4. Yatak basınç düşüşü ve Şekil 5. Farklı sıcaklıklardaki yüzeysel hız arasındaki ilişki [3] akışkanlar için yatak basınç

düşüşü ve yüzeysel hız ilişkisi [3]

Tablo 3. Deneysel ölçümler

Birim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Hava akış hızı (Vm) lt/s Havanın kütlesel akış

hızı (mhava)

kg/s

Hava giriş sıcaklığı (t1) oC Yatak sıcaklığı (t3) oC Isıtıcı sıcaklığı (t2) oC

Havanın ısı değeri (Qhava)

J/s

Isıtıcının çevreye yaydığı ısı (Qısıtıcı)

J/s

Kaybolan ısı miktarı (Qkayıp)

J/s

Etkinlik (E) -

Yatak boyunca geçen hava akış hızı (Vb)

lt/s

Yüzeysel Hız (U) m/s Yatak boyunca basınç mm H2O

(9)

Not: Akışın azaldığı ve arttığı durumlarda iki farklı ısıtıcı sıcaklığında çalışılacağı için bu tablodan 4 taneye ihtiyaç vardır. Laboratuvara gelirken uygun sayıda çıktı ile geliniz.

4.Araştırma/Ödev Kısmı

1) Hava akışına karşı (Vm - lt/s) – Isı transfer etkinliği (E) grafiğini çizin ve yorumlayın.

2) Arşimet sayısının minimum akışkanlaştırma hızı ile ilişkisini veren denklemi yazarak açıklayınız.

3) Sabit ve akışkan yatakların avantaj ve dezavantajları nelerdir, detaylı açıklayınız.

4) Akışkan yatak uygulamasına örnek bir prosesi seçerek, literatürden uygun bir makaleyi seçerek özetleyiniz.

Not: Akışkan yatakla ilgili değişik uygulama alanlarının gösterildiği aşağıdaki videoları izleyebilirsiniz.

• https://www.youtube.com/watch?v=FcNuxk8vDu8

• https://www.youtube.com/watch?v=EdrA7XmhNY4

• https://www.youtube.com/watch?v=zU9J30OKp3E

KAYNAKLAR

1. M.J. Baird and S Shannon. Fluid Bed Laboratory Manual.

University of Pittsburgh, Department of Chemical Engineering, Apr. 2013.

2. https://en.wikipedia.org/wiki/Fluidized_bed_reactor (Erişim:

12.01.2018)

3. İstanbul Üniversitesi, Ders Kodu KIMU4110, Kimya Mühendisliği Laboratuvarı II Deney Föyü, Akışkanlaştırma ve Akışkan Yatak Isı Transfer Ünitesi, Bahar 2016

Arş. Gör. NUMAN YÜKSEL

Referanslar

Benzer Belgeler

(b) Alt kenarı, g¨ oz seviyesinden 1 metre y¨ uksekte olan ve 2 metre y¨ uksekli˘ ginde olan bir tabloyu en iyi (en geni¸s a¸ cıyla) g¨ orebilmek i¸ cin tablodan ka¸ c

Araban is located in the north-east of Gaziantep, North of Besni, west of Pazarcik, the east of Halfeti and at the south of Yavuzeli district.. Başlıca Geçim Kaynağı/ : The

Sabah otelde aldığımız açık büfe kahvaltı sonrası günümüzün ilk fotoğraf molası Güvercinlik Vadisi – Uçhisar Kalesi olacak. Panoramik olarak çekilen fotoğraf

Sonntag, Sekizinci Baskıdan Çeviri, (Hüseyin Günerhan, çeviri editörü yardımcıları arasında yer almaktadır) , Palme Yayıncılık, 2018, Ankara.. “Principles of Engineering

Windows XP iş letim sisteminde Bilgisayarı m / SağKlik / Özellikler / Geliş miş/ Ayarlar(Baş langı ç ve Kurtarma) / Varsayı lan iş letim sistemi kı smı ndan kurulu iş

Yine aynı 5000 lik dosyayı ÜTS ekranında Mevcutlar ve Satılmış ürünler diye ayırt et dediğimizde burada da TITUBB kökenli ürünlerin bakanlıktan gelen listede

KAYITDIŞI ÇALIŞANLAR Şubat ayında sosyal güvenlik kuruluşuna bağlı olmadan çalışanların toplam çalışanlar içindeki payını gösteren kayıtdışı çalışanların oranı,

Takvim üzerinde kontenjanınızı güncellemek için farenizi seçmek istediğiniz tarih aralığı boyunca sürükleyin.. Tarihleri sayfanın sağ üst köşesinden de