Tasarım Ders Notu 2

REAKTÖR TASARIMI Kimyasal reaksiyonları gerçekleştirmek üzere tasarlanan kaplara REAKTÖR adı verilir. Bir proseste hammaddelerin ürünlere dönüştüğü adım olup proseslerin kalbi olarak adlandırılmıştır. Prosesin genel ekonomisini en fazla etkilediğinden, tüm tasarım işleminin en hayati basamağıdır. Reaktörleri çeşitli biçimde sınıflandırmak ve tasarlamak mümkündür. 1. Operasyon Biçimine Göre; Kesikli (Batch), Sürekli ( Continuous) ve Yarı Kesikli (Semi Batch) Reaktörler. 2. Mevcut Fazlara Göre; Homojen (Homogeneous) veya Heterojen (Heterogeneous) Reaktörler. 3. Akış Şekli ve Temas Biçimlerine Göre; Karıştırmalı Tank Tipi Reaktörler, Borusal Reaktörler, Sabit Yatak Reaktörleri, Hareketli Yatak Reaktörleri, Akışkan Yatak Reaktörleri, Kabarcıklı Kolon Reaktörleri, Spray Reaktörler, Sıvı Film Reaktörleri, Döner Fırınlar. Temel reaktör tipleri olan Kesikli Reaktör, Sürekli Tank Tipi Reaktör ve Borusal Reaktörlerin karşılaştırılması Tablo 1’de verilmiştir. Operasyon biçimlerine göre reaktörler aşağıdaki gibi özetlenebilir.

a. Kesikli (Batch) Reaktörler: Kesikli reaktörde reaktanlar reaktöre başlangıçta yüklenir, reaksiyon süresi sonunda da boşaltılır.

b. Sürekli Reaktörler: Reaktanlar reaktöre devamlı olarak belli bir besleme hızında verilir ve oluşan ürünler yine sürekli olarak reaktörden alınır. Kararlı halde çalışılması durumunda reaktör çıkışında veya reaktörün herhangibir noktasındaki şartlar zamanla bir değişiklik göstermez.

Yukarıdaki şekilde (a) Sürekli çalışan bir Borusal Reaktör, (b) Sürekli çalışan Tank Tipi Reaktör (CSTR) ve (c) Seri Halde (Cascade) düzenlenmiş CSTR tipi reaktörler gösterilmiştir.

c. Yarı Kesikli Reaktörler: Sürekli veya kesikli proses tanımlarına uymayan işletme biçimleri yarı kesikli veya yarı sürekli proses olarak adlandırılır. Bu tip işletmelerde reaktanların biri önceden yüklenip diğeri sürekli ilave edilebilir (Aşağıdaki örnek) veya reaktanlar önce yüklenip, ürünlerin bir kısmı reaksiyon devam ederken alınabilir. Veya, reaksiyona belli periyodlarda müdahale edilebilir.

Aşağıdaki şekilde Kesikli (a), Yarı Kesikli (b) ve oluşan gaz ürünün sürekli olarak reaktörden alındığı (c) Yarı Kesikli Reaktör uygulamaları gösterilmiştir.

Mevcut fazlara göre ise aşağıdaki reaktör türlerinden bahsetmek mümkündür.

a. Homojen Reaktörler: Reaktörde tek bir faz vardır ve reaktan, ürün ve katalizörler gaz veya sıvı olan bu tek fazda yer alır. Homogen gaz faz reaksiyonları her zaman sürekli çalışan reaktörlerde gerçekleştirilir ve genellikle borusal reaktörler tercih edilir. Homogen sıvı faz reaktörleri kesikli, yarı kesikli veya sürekli reaktörlerde gerçekleştirilebilir. Karıştırma ve ısıtma veya soğutma için ısı değiştirici donanımlarına genellikle ihtiyaç vardır.

b. Heterojen Reaktörler: Reaktörlerde iki veya daha fazla faz söz konusudur ve bu tip sistemlerde kimyasal reaksiyon hızı ile birlikte kütle transferi de önemli bir hız belirleyici parametredir. Mümkün faz kombinasyonları aşağıdaki gibi verilebilir. 1. Sıvı-Sıvı Reaksiyonları: Nitrolama, polimerizasyon, sabunlaşma gibi bir çok endüstriyel öneme sahip prosesi bu kapsamda değerlendirmek mümkündür. Çok farklı geometrik yapıya sahip reaktörler bu amaçla kullanılabilir.

2. Katı-Sıvı Reaksiyonları: Katı reaktan veya katalizör olabilir. (AlCl3 katalizörlüğünde alkilasyon işlemleri) Katı-sıvı teması sabit yatak veya akışkan yatak türü reaktörlerde sağlanabilir.

3. Katı-Sıvı-Gaz Reaksiyonları: Reaktörde gaz, sıvı ve katı olmak üzere üç faz mevcuttur. Katı faz genellikle gözenekli bir katıdır. Reaksiyon sıvı fazda veya sıvı-katı ara yüzeyinde gerçekleşir. Sabit veya akışkan yataklı reaktörler kullanılabilir. Gaz ve sıvı akışkanlar reaktörde yukarıdan aşağıya doğru akacak şekilde bir düzenleme de gerçekleştirilebilir.

4. Katı-Katı Reaksiyonları: Endüstriyel olarak uygulanan bir çok katı-katı reaksiyonu mevcuttur. Reaksiyon genellikle çok yüksek sıcaklıklarda, yanma gazları ile doğrudan temas ile gerçekleştirilir. (çimento sanayii) Isı ve kütle transferi reaksiyon hızı üzerinde önemli rol oynar.

5. Gaz-Katı Reaksiyonları: Bazı reaksiyonlarda katı reaktan veya katalizör olarak rol alır. (Demir oksidin indirgenmesi, katı yakıtların yanması, metalik demir ve su buharı ile hidrojen üretilmesi).

6.Gaz-Sıvı Reaksiyonları: Bu tür reaksiyonlarda sıvı reaktan veya katalizör olabilir. Bu reaksiyonlar endüstride gazların saflaştırılması veya CO , CO, SO , H S, NO gibi safsızlıkların 2

2

2

hava, doğal gaz veya amonyak üretiminde kullanılan hidrojenden uzaklaştırılması amacıyla uygulanabilir. Ayrıca, amonyak, sülfürik asit üretimleri de bu tip reraksiyonlara örnek olarak verilebilir. Heterojen reaktörler genellikle farklı fazların birbirleri ile temas biçimlerine göre sınıflandırılmış ve adlandırılmıştır. Heterojen reaksiyonların gerçekleştirilmesinde kullanılan bazı reaktör tipleri aşağıdaki gibi özetlenebilir. a. Sabit Yatak Reaktörü: Katı reaktan veya katalizör (genellikle çap 1 cm’den büyük pelet şeklinde) reaktöre yüklenir ve akışkan alttan verilerir ve peletlerin arasındaki boşluklardan geçerken reaksiyon gerçekleşir. Isı ve kütle transferinin çok iyi olmadığı reaktör tipleridir. b. Hareketli Yatak Reaktörü: Bu tip reaktörlerde katı ve akışkan karşı akım şeklinde her ikisi de sürekli olarak hareket eder. c.

Akışkan Yatak Reaktörü: Reaktör küçük taneciklerle (genellikle 1 mm’den küçük) doldurulmuştur ve bu tanecikler alttan verilen akışkan içinde suspansiyon

şeklinde hareket ederler. Bu tür reaktörlerde iyi bir karıştırma ile birlikte yüksek derecede ısı ve kütle transferi mümkün olur. Reaktörde homojen bir sıcaklık dağılımı elde edilir.

d.

Kabarcıklı Kolon Reaktörü:

e.

Spray Reaktör: Gaz alttan verilirken sıvı üstten spray şeklinde püskürtülür. Reaksiyon

Sıvı reaktan ile doldurulmuş dikey kolon şeklindeki reaksiyon kabında sıvı kabarcıklar halinde yükselir. Sıvı reaktan üstten beslenir ve alttan ürün alınır. Gaz reaktan sıvıda absorplanarak reaksiyon sıvı fazda gerçekleşir.

çoğunlukla gaz-sıvı ara yüzeyinde gerçekleşir. f.

Döner Fırın:

Genellikle yüksek sıcaklıkta gerçekleşen katı-katı ve gaz katı reaksiyonlarında kullanılır. Yüksek sıcaklık fırına verilen yakıt gazı ile sağlanır ve katı reaktanlar fırın boyunca ilerlerken reaksiyon gerçekleşir.

g.

Sıvı Film Reaktörü: Gaz-sıvı reaksiyonlarında gaz sıvı teması ince sıvı film tabakası ara yüzeyinde de gerçekleştirilebilir. Gaz reaktörün altından beslenirken, sıvı üstten verilir.

g. Sıvı Film Reaktörü

Ceketli Isı Değiştirici

Reaktör tasarımında reaksiyon sıcaklığının kontrol altında tutulabilmesi ve reaksiyon sırasında oluşan ısının uzaklaştırılabilmesi veya reaksiyon için gerekli ısının sağlanabilmesi için reaktörle birlikte ne tür bir ısı değiştirici donanımı gerektiği hususununda kararlaştırılması gerekir. Bu amaçla, Şekillerde bazı örnekleri gösterildiği gibi, ceketli, spiral, borulu vs. ısı değiştirici düzenlemeleri gerçekleştirilebilir.

Spiral Isı Değiştirici

Borulu Isı Değiştirici

Harici Isı Değiştirici

Hava Isıtıcılı

Reaktör Tasarımının Temelleri Kimyasal proseslerin ve dolayısıyla kimya fabrikalarının amacı, kimyasal dönüşümlerden yararlanarak arzu edilen bir ürünü, arzu edilen bir kapasitede, arzu edilen bir maliyetle üretmektir. Reaktörün konfigürasyonu ve işletme koşullarının bu amaca ulaşmak üzere seçilmesi gerekir. Reaktör performansı, elde edilebilecek karı, doğabilecek çevresel problemleri, işletme güvenliğini ve kontrol edilebilirliğini doğrudan etkilediğinden, reaktör tasarımı ve seçimi yatırımların en önemli aşamasını teşkil eder. Bu nedenle, reaktörler aşağıdaki şartları sağlamalı ve tasarım aşamasında bu faktörler ayrıntılı biçimde irdelenerek karar verilmelidir. 1. Kimyasal Faktörler (Reaksiyon Kinetiği): Tasarım arzulanan ürünün veya dönüşümün elde edilebilmesi için gerekli reaksiyon süresini sağlamalıdır. 2. Kütle Transferi Faktörleri: Heterojen reaksiyonlarda hız kimyasal reaksiyon hızı dışındaki faktörler (reaktan veya ürün kütle transfer hızı, difüzyon vb.) tarafından belirlenebilir. Hatta, homojen reaksiyonlarda karıştırma hızı da önemli olabilir. Bu durumda, istenen verimin sağlanabilmesi için reaktanların uygun temas biçimi ve yeterli kütle transfer hızlarının sağlanması gerekir. 3. Isı Transferi Faktörleri: Reaktör, gerekmesi durumunda, reaksiyon ısısının uzaklaştırılması veya reaktöre ısı verilmesi için gerekli düzenlemeleri içermelidir.

4. Emniyet (Güvenlik) Faktörleri: Reaktörlerin korrozif, zehirli veya sağlığa zararlı reaktan veya ürünler ile, reaksiyon ve proses şartlarının kontrol altında tutulması için gerekli donanımı içermelidir. 5. Ekonomik Faktörler: Reaktörün satın alınması ve işletme giderlerinin finansman imkanlarını aşmaması gerekir. İşletme giderleri olarak enerji sarfiyatı, hammadde giderleri, saflaştırma giderleri, işçilik giderleri gibi kalemler dikkate alınabilir. Tüm bu faktörlerin dikkate alınması gereği reaktör tasarımını oldukça karmaşık ve zor bir görev haline getirir. Ancak, birçok durumda bazı faktörler daha önemli hale geçer ve görev daha kolay hale gelebilir.

Tasarım Yöntemi: Reaktör tasarımında genel olarak aşağıdaki prosedüre uygulanır. 1. Arzulanan reaksiyona ait işletme şartlarındaki (Basınç, sıcaklık, besleme hızı, katalizör konsantrasyonu vb.) kinetik ve termodinamik veriler toplanır. Bu veriler laboratuar veya pilot tesis çalışmalarından elde edilir. 2. Reaksiyonda rol alan maddelerin fiziksel özellikleri (yoğunluk, viskozite, gözeneklilik, yüzey alanı, tanecik boyutu, gözenek dağılımı vb.) ile ilgili veriler toplanır. Bu amaçla, literatürden, laboratuar ölçümlerinden faydalanılabilceği gibi çeşitli yöntemlerle hesaplamalar da gerçekleştirilebilir. 3. Prosesle ilgili hız kontrol eden basamak (kimyasal reaksiyon hızı, kütle transferi veya ısı transfer hızı) belirlenir. 4. Benzer çalışmalarla ilgili deneyimler, laboratuar veya pilot tesis araştırmalarına dayanarak uygun bir reaktör tipi seçilir. 5. Arzu edilen verime ulaşılabilmesi için gerekli en uygun reaksiyon şartları belirlenir. 6. İlgili matematiksel modelden yararlanarak reaktör büyüklüğü ve performansı belirlenir. (Tasarım eşitliklerinin her zaman analitik çözümü olmayabileceğinden, nümerik yöntemlerden faydalanmak gerekebilir.) 7. Reaktör ve gerekli diğer donanımların imal edileceği malzeme seçimi yapılır. 8. Reaktör geometrisi ve gerekli ısı transfer yüzeyleri belirlenerek tasarlanır. 9. Tasarım optimize edilir ve uygulanabilir hale getirilir. (Bu sırada tüm proses optimizasyonu önemlidir.) 10. Gerçekleştirilen ve teklif edilen tasarım için yaklaşık bir maliyet analizi yapılır. Reaktör Tasarımının en önemli adımlarından biri reaktör büyüklüğünün belli matematiksel modellerden yararlanarak reaktör büyüklüğünün belirlenmesidir. Bu işlemin nasıl gerçekleştirildiği aşağıda şematik olarak gösterilmiştir.

Başarılı bir reaktör tasarımı için, tasarım öncesi, tasarım esnasında veya tasarımdan sonra aşağıdaki soruların ilgili aşamalarda açıklığa kavuşturulması ve karara bağlanması gerekir. 1. Besleme bileşimi ve şartları nedir? Beslemenin reaktöre verilişinden önce her hangi bir saflaştırma veya işlem gerekli midir? 2. Üretim Kapasitesi ne olacaktır? 3. Reaksiyon için katalizör gereklimidir? Katalizörlü ve katalizörsüz durumda reaksiyon kinetiği nedir? İki farklı durum için reaktör tipleri ne olabilir? 4. En ekonomik üretim için üretim şartları (sıcaklık, basınç, karıştırma hızı vs.) ne olmalıdır? 5. Verimi arttırmak, ısı etkilerini kontrol altında tutmak veya katalizör ömrünü uzatmak amacıyla, beslemeye inert veya başka bir madde katmak uygun olur mu? 6. Proses sürekli mi, yoksa keskli mi olacaktır? Yarı kesikli bir uygulama daha uygun olabilir mi? 7. Proses için en uygun reaktör tipi hangisidir? Farklı reaktör tiplerini aynı anda kullanmak daha yararlı olabilir mi? Veya, aynı reaktör tipinden birden fazla reaktörü seri veya paralel halde kullanmak verimi arttırabilir mi? 8. Reaktör geometrisi ve büyüklüğü ne olacaktır? 9. Proses için gerekli ısı transfer donanımı en uygun şekilde nasıl düzenlenebilir? Proses adyabatik, izotermal veya bunların arasındaki şartlarda mı gerçekleştirilmelidir? 10. Arzulanan dönüşüme ulaşmak için geri dönüşüme ihtiyaç varmıdır? Veya, geri dönüşümle verim arttırılabilir mi? 11. Katalizör reaktöre nasıl yüklenecek ve nasıl yerleştirilecektir? Gerekmesi durumunda katalizör kativasyonu ve rejenerasyonu nasıl gerçekleştirilecektir? 12. Reaktör çıkış bileşimi ve şartları ne olacaktır? Son ürün eldesi için fiziksel ayırma veya saflaştırma işlemleri gerekecekmidir? 13. Proseste kullanılan kimyasal veya akışkanlar korrozifmidir? Aşırı sıcaklık veya basınç gerekmektemidir? Bu nedenle, özel malzeme veya ekipmana ihtiyaç varmıdır?