ENERJİ VERİMLİLİĞİ AÇISINDAN ENDÜSTRİYEL REAKTÖR DİZAYNINDA ENDÜSTRİ 4.0 UYGULAMALARI

1.Giriş

Endüstri 4.0 devrimini yaşayan küresel dünya bizimde teknolojik anlamda uyumlu ve pratik konuların açığa kavuşmasını zorunlu kılmaktadır.

Reaktör seçiminde endüstri 4.0 uygulamalarına geçmeden önce optimize edilmesi gereken temel başlıkları verelim bunlar;

- Sıcaklık

- Basınç

- Çözücüler

- Konsantrasyonlar

- Katalizörler[3]

Bu başlıklarla birlikte statik karıştırıcılar ve karışım kaplarının tasarımları önem arz etmektedir. Isıtma ve soğutma işlemleri, çok fazlı reaksiyonlar için reaktörlerin tasarımı, biyolojik süreçler için reaktör tasarımı, akışkan yataklı reaktörler ve fermenterler için reaktör tasarımı karıştırmalı tank reaktörler ve dolgulu yatak reaktörleri enerji üretiminde kullanılan süreçlerdir[3]. Reaktör tasarımı ile birlikte karıştırıcı tasarımı, sürekli karıştırmalı tank reaktörü, reaksiyon ısısı, entalpsi, denge sabiti, minimum gibbs serbest enerjisi optimizasyonu, ısı transferi, kütle transferi, difüzyon, çözücü konsantrasyonu optimizasyonu, seyreltici konsantrasyon optimizasyonu, statik karıştırıcı optimizasyonu, rushton türbini, kürek tipi karıştırıcı, pervane tipi karıştırıcı, çok fazlı reaktörler, buhar-sıvı reaktörü, buhar-katı reaktörü, sabit yataklı reaktör, akışkan yatak, ergun denklemi, hareketli yatak reaktörü, bulamaç reaktörü, damlama yatak reaktörü, kataliz, homojen katalizör, heterojen katalizör, katı katalizör, gözeneklilik, langmuir-inshelwood-hougen-watson kinetiği, katalizör deaktivasyonu, katalizör rejenerasyonu, koklaşma, biyoreaktör, fermentör, enzim teknolojisi, mikroorganizma, substract, kofaktör, michaelis-menten denklemi, immobilizasyon, hücre büyüme döngüsü, doku kültürü, sterilizasyon, temizleme döngüsü, metabolizma, besin maddeleri, fermentör tasarımı, sürekli fermentasyon, fermentör enstrümantasyonu, kalite kontrol, temiz üretim uygulamaları, çok fonksiyonlu reaktörler, reaktör performansı, ölçek büyütme, izleyici çalışmaları, tomografi, kesikli reaktörler gibi konular hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözümü ile endüstri 4.0 kapsamında akademik çalışmalara sahiptir. Burada altı çizilen ölçek büyütmeden kasıt laboratuvar ölçeğinde tasarlanan yakıt üretimi reaktörlerinin pilot ve sanayi ölçeğe geçişlerinde hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanımının söz konusu olduğudur. Bu durum sanayinin ar&ge ihtiyacının karşılanması bakımından hem zaman hem de maddi avantaj sağlar[3].

Yazı serimizin ilk bölümünde ham maddeden ürüne dönüştüren kimyasal reaksiyonların gerçekleştiği bir işlemin yeri olan reaktörün geleneksel tasarımlarından iç karıştırma düzeni, besleme ilave noktalarının tasarımı, ısı transfer yüzeyinin ve kontrol cihazlarının optimizasyonunda hesaplamalı akışkanlar dinamiğinin (HAD) temelleri aşağıda anlatılmıştır[3].

2.Endüstri 4.0 Kapsamında Genel Tasarım İlkeleri

Reaktör tasarımı, kurgulanan ekipman ile tam ölçekte çalışıldığı zaman istenen verim ve ürün seçiciliğini elde etmeyi amaçlar. Endüstriyel reaktörler kinetik ve hidrodinamiğin detaylı modellenmesine dayanarak tasarlanır. İlk tasarım laboratuvar ölçekli olmalıdır. Laboratuvar ölçekli bir reaktör tasarlanırken ısı transferi, kütle transferi, kalma süresi gibi parametreler reaktör boyutuna göre optimize edilmelidir. Daha sonra pilot ölçekli ve nihai endüstriyel ölçekli boyutlara geçerken kalış süresinden daha önemli olan karıştırma, ayrıştırma ve ısı transferi gereksinimleri göz önüne alınmalıdır. Böylelikle, sermaye maliyetinin küçük bir kısmını oluşturan reaktör tasarımı, HAD tekniği ile optimize edilerek işletme maliyeti üzerinde çok önemli faydalar getirecektir.

2.1.Deneysel verilerin toplanması

Endüstri 4.0 için gerekli geometrik dizayn ve deneysel verilerin elde edilmesi önemlidir. Ancak reaktör tasarımı diğer üretim yöntemlerinden farklı bir şekilde daha fazla deneysel veri girdisi ister. Örneğin reaksiyon ısıları, faz denge sabitleri, difüzyon katsayıları, ısı ve kütle transferi katsayıları gibi veriler simülasyon için gereklidir. Bazı veriler literatürdeki bazı korelasyonlarla tahmin edilebilir. Ancak bütün reaksiyon hız sabitleri deneysel olarak ölçülmelidir. Verilerin toplanması hep tekrar ister. Tasarımcı ve araştırmacılar (sanayi ar&ge vb.) reaktörü pratikte çok kullandıkları için daha farklı çalışma koşullarını tercih edebilirler. Ancak reaksiyon hızlarını etkileyen yan ürünlerden ve safsızlıkların bilgisine sahip olan araştırmacı yapılacak ilk deneyde bu koşullardan bağımsız bir simülasyon çalışmasına ihtiyaç duyabilir. İlk deneme ve literatür taraması belirlenen yeni çalışma koşullarında yetersiz kalacağından yeni laboratuvar verilerine ihtiyaç duyulacağından yeniden deneysel çalışmaya zaman içinde dönülmelidir[3].

3.Sonuçlar

Yazı serimizin bu ilk bölümünde endüstri 4.0 uygulamalarının enerjiyi minimum kullanan bir reaktör tasarımında yer almasının temel koşulları özetlenmiş, genel girişten sonra yapılacak reaktör tasarımının ana başlıkları verilerek deneysel verilerin toplanması yöntemi verilmiştir. Bir sonraki çalışmamız reaksiyon koşulları, reaktörün kurulum malzemelerinin tespiti, hızı kontrol eden mekanizma ve kurulumun kritik koşullarının belirlenmesi verilecektir. Esenlikler dilerim.