Enerji Verimliliği Açısından Endüstriyel Reaktör Dizaynında Endüstri 4.0 Uygulamaları - 3: Reaktör Performansının Tahmini

1. Reaktör Performansının Tahmini

Reaktör tasarımının aslında ana ürünler ve yan ürünler için hedef dönüşüm ve seçiciliklere ulaşacağını doğrulamak önemlidir. Ne yazık ki çok pahalı bir teklif olan tam ölçekli bir reaktör inşa etmeden ve test etmeden tamamen emin olmak çoğu zaman imkânsızdır.

Tarihsel olarak, kimyasal şirketler reaktör tasarımlarını doğrulamak için pilot tesislerin ölçeklendirilmesinin birçok adımından geçmiştir. Birbirini izleyen pilot tesisler, üretim ölçeğinin her seferinde bir veya iki derece artarak inşa edilmesini sağlamıştır. Ölçeklendirmeye yönelik bu kademeli yaklaşım pahalıdır ve yeni ürünlerin ve süreç teknolojilerinin piyasaya sürülmesini geciktirmiştir.

Günümüzde kabul edilen daha yaygın bir yaklaşım, tam ölçekli performansı tahmin etmeye çalışmak için deneysel yöntemlerin ve bilgisayarlı modellemenin bir kombinasyonunu kullanmaktır. Bu, tasarım ekibinin ölçek büyütmedeki bazı ara adımları ortadan kaldırmasına ve iyi tasarlanmış küçük pilot tesislerden tek bir adımda tam ölçeğe yaklaşabilecek bir tanıtım birimine geçmesine izin verir. Reaktör analizi için bilgisayar simülasyon yöntemleri tartışılmaktadır ve gerçek reaktör performansının saptanması için gereken yöntemler literatürde tarif edilmiştir.

2. Optimizasyon

Gerekirse, tasarımı optimize etmek için 2. bölümde bahsedilen Adım 2 ile 6 tekrarlanabilir. Reaktör maliyetini düşürmek için yapılacak olan optimizasyon genellikle zaman kaybıdır çünkü reaktörün maliyeti tipik olarak toplam sermaye maliyetinin nispeten küçük bir kısmını oluşturur; bununla birlikte, reaktörün validasyon deneyleri beklenmedik bileşenlerin varlığını gösterdiğinde veya daha küçük ölçekte bulunandan farklı seçicilikler gösterdiğinde, genel proses optimizasyonunun yeniden değerlendirilmesi ve hedef dönüşümün, verimlerin ve seçiciliğin uygulama ile doğrulanması gerekecektir.

3. Ayrıntılı tasarım için ölçek çizimlerinin hazırlanması

Reaktör mühendisi için son adım, tasarımın uzman makine mühendisliği tasarımcısı veya tasarım ekibine etkili bir şekilde teslim edilmesidir. Reaktörlerin çoğu, önemli miktarda iç kısım ve karıştırıcıların, ısı transfer bobinleri vb. gibi yardımcı ekipman gerektirdiğinden, rektör gövdesinin mekanik tasarımı nadiren önemsizdir. Makine mühendisi, nozulların, takviye halkalarının, iç ve dış destek braketlerinin ve diğer özelliklerin ayrıntılı tasarımlarını yapabilmek için ana gövde ve iç kısımların tam bir özelliğine ihtiyaç duyar. Gerekli özelliklerin tümünü iletmenin en iyi yolu genellikle reaktör tasarımcısı ve mekanik tasarımcının gerekli tüm özellikleri gösteren ölçekli çizimler üretmek için disiplinler arası iş birliği yapmasıdır.

4. İdeal ve Gerçek Reaktörler

Reaktörler, ideal reaktörlerin davranışlarına ne kadar yakın olduklarına göre tanımlanırlar. Geçişli reaktör ve iyi karışımlı reaktörler ideal reaktörler olarak adlandırılırlar. Dolayısıyla gerçek reaktörler kesikli reaktör ve iyi karışımlı reaktörlere göre modellenir.

5. Geçişli reaktörler

Mükemmel geçişli reaktör operasyonunda, reaktöre giren her malzeme grubu, reaktörden birlikte hareket eder, sadece aynı anda girilen malzeme ile karıştırılır ve reaksiyona girer. Sonra tüm girenler ve ürünler reaktörden ayrılır. Tübüler geometriye sahip bir geçişli reaktörde mükemmel radyal karıştırma vardır ancak eksenel karıştırma yoktur. Reaktörden akan tüm malzeme, tam olarak aynı kalma süresine (τ ) sahiptir ve tüm materyal, reaktör boyunca hareket ettikçe aynı sıcaklık ve konsantrasyon profilini yaşar. Mükemmel karıştırılmış kesikli bir reaktör, malzeme boşluk yerine zaman içinde hareket ederken bir geçişli reaktör ile aynı şekilde davranır.

6. İyi Karışmış Reaktör

Mükemmel iyi karıştırılmış bir reaktörde, kabın tüm içeriği aynı sıcaklık ve konsantrasyondadır ve herhangi bir karışım özelliğinde uzamsal bir değişiklik yoktur. İyi karıştırılmış reaktörden ayrılan sıvı bu nedenle kap içerikleriyle aynı konsantrasyon ve sıcaklıktadır. İyi karıştırılmış reaktöre giren malzeme derhal içerikle karıştırılır ve aynı koşullara gelir. Giren malzemenin bir kısmı hemen ayrılabilir, bazıları daha sonra ayrılır, bu nedenle kalma süresinde geniş bir dağılım vardır.

7. Reaktör malzemelerinin belirlenmesi

Reaksiyon koşulları belirlendiğinde, tasarımcı, reaktör için yapı malzemelerinin ön analizini yapabilir. Sıcaklık, basınç veya belirli bir bileşenin varlığı reaktörün pahalı bir alaşımdan yapılması gerekeceğini gösteriyorsa, tasarımcı araştırma ekibine geri dönmeye ve yeni reaktör koşullarını belirlemeye çalışmaya özendirilebilir.

8. Gerçek Reaktörler

Pek çok reaktör, modelleme amaçları için ideal reaktör performansının kabul edilebileceği kadar yakın olmasına rağmen, az sayıda gerçek reaktör ideal reaktör performansını elde edebilir. 

Tübüler veya serpantinde yakın geçişli akış koşulları elde edilebilir ancak bir dereceye kadar eksenel dağılım için izin verilmelidir. Basit tübüler (boru hattı) reaktörler normal olarak homojen gaz fazı reaksiyonları için kullanılır (Örneğin; ham petrol fraksiyonlarının etilene termal olarak parçalanması ve dikloroetanın vinil klorüre termal olarak ayrışması). Tübüler reaktörler aynı zamanda homojen sıvı-faz reaksiyonları için de kullanılabilir. Paketli yataklar veya ısı eşanjörü veya fırın tüpleri boyunca tek fazlı akış, bir nakil fazı akışkanlaştırılmış yataktaki akış gibi, fiş akışının iyi bir tahminidir. Bir reaktörün uzun ve ince olması fiş akışında olmak gerekli değildir. İnce bir katalizör yatağı genellikle radyal akışlı bir reaktöre yüklenir. Burada sıvı delikli elekler arasında tutulan bir katalizör yatağından radyal olarak akar. Yatak boyunca yol uzunluğu kısa olmasına rağmen geri karıştırma için çok az fırsat vardır ve geçişli akış iyi bir yaklaşımdır.

Sürekli karıştırılan tank reaktörler, karıştırma asla mükemmel olmamasına rağmen genellikle iyi karıştırılmış reaktör performansının makul bir tahminini sağlar. Kötü karışımın etkisi genellikle kalış süresi dağılımını yaymak ve sürenin dağılımına daha uzun bir esneklik vermektir. Kademeli tanklar ve kaldırma borusu reaktörleri sıvı fazda iyi karıştırılır ancak buhar fazına göre geçişli akış sağlanır. Kabarcık yataklı modda çalıştırılan bir akışkanlaştırılmış yatak iyi karışım sağlar ve akışkanlaşmaya neden olan sıvı veya buhara göre daha iyi bir karışım sağlayabilir veya geçişli bir akış olabilir.

Yazar: Cemil Koyunoğlu – Öğretim Üyesi
Yalova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Enerji Sistemleri Mühendisliği