laboratuvar el k tabı - Kimya Mühendisliği Bölümü

Transkript

Ankara Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi
Kimya Mühendisli§i Bölümü
LABORATUVAR
EL KTABI
(KYM342, KYM351, KYM453, KYM454)
2012 - 2013
Contents
çindekiler
ii
1 Laboratuvar Kurallar
1
2 Laboratuvar Defteri
4
3 Rapor Yazm Klavuzu
6
3.1
Rapor Format
3.2
Rapor Bölümleri
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
4 Laboratuvar Güvenli§i
13
4.1
Emniyetli Çal³ma Kurallar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.2
Genel Laboratuvar Kurallar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
5 KYM342 Enstrumental Analiz
21
6 KYM351 Kimya Mühendisli§i Lab. I
22
6.1
Dikey Hidrolik ebeke
6.2
Laminer - Türbülent Akm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
6.3
Borusal Akm ve Huni
33
6.4
Svlarn Kar³trlmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
6.5
Ak³kanla³trma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
6.6
Kondüksiyonla Is Aktarm
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
6.7
Çapraz Akm Is De§i³tirici
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
6.8
Havadan Suya Is Aktarm
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
6.9
Do§al ve Zorlanm³ Konveksiyon
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.10 Ak³kan Yatak Is Aktarm
23
. . . . . . . . . . . . . . . . .
69
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
7 KYM453 Kimya Mühendisli§i Lab. II
83
7.1
Reaksiyon Kineti§i
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
7.2
Adsorpsiyon Dengesi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
7.3
Ya§ Analizleri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
98
7.4
Sv Yaktlar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104
7.5
Orsat Yöntemi ile Gaz Analizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
111
7.6
Kat Yaktlar
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
117
7.7
Kalorimetre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
124
i
7.8
eker Analizleri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
132
7.9
Su Analizleri
136
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.10 Ksmi Molar Özellikler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
148
7.11 Üç Bile³enli Sistemlerde Faz Dengesi . . . . . . . . . . . . . . .
153
7.12 statistiksel Veri Analizi
159
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8 KYM454 Kimya Mühendisli§i Lab. III
165
8.1
Dolgulu Damtma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
166
8.2
Kademeli Damtma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
172
8.3
Absorpsiyon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
177
8.4
Seviye Kontrolu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
182
8.5
Kat - Sv Ekstraksiyonu
188
8.6
Kurutucular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
193
8.7
Atomizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
217
8.8
Kat - Kat Ayrma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
223
8.9
Siklon Ayrclar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
252
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chapter 1
LABORATUVAR
KURALLARI
1. Laboratuvarlara katlabilmek ve deney yapabilmek için bu kitapç§n
Laboratuvar Güvenli§i bölümü dikkatlice okunmu³ ve laboratuvarlarda
çal³ma kurallar ö§renilmi³ olmaldr.
2. Laboratuvarlara zamannda gelinmeli ve ilgili deney sisteminin ba³nda
hazr bulunulmaldr. Geç gelen ö§rencinin deneye katlm ilgili ö§retim
üyesinin iznine ba§ldr.
3. Beyaz önlük giyilmesi zorunludur.
Önlüksüz olarak kesinlikle deney
yaplamaz.
4. lgili ara³trma görevlisinin izni olmakszn laboratuvar d³na çklamaz.
5. Laboratuvarlarda cep telefonu ile konu³ulmaz.
6. Laboratuvarlarda yemek-içmek ve sakz çi§nemek ho³ görülmeyen ciddiyetsiz ve yak³ksz davran³lardandr.
7. Deney sonrasnda, masa, cihaz ve malzemeler temiz braklmaldr.
8. Deneyden bir hafta önce, ilgili ö§retim üyesi veya ara³trma görevlisinden Deney Hazrlk / Tasarm Sorular alnmal, çözüm ve cevaplar her
ö§rencinin kendi laboratuvar defterine kendi el yazs ile yazlmaldr.
9. Deney verileri, deney esnasnda cihaz ve sitemlerden alnm³ olan her
türlü, okuma, ölçüm ve tartmlardr. Deney verileri her ö§rencinin laboratuvar defterine kendi el yazs ile yazlmal ve grup raportörü tarafndan
ayr bir ka§da da yazlarak laboratuvar terk etmeden önce ilgili ö§retim
üyesi veya ara³trma görevlisine imzalatlmal ve deney raporuna eklenmelidir.
10. Deney sonuçlar, hesaplamalar, çizelgeler ve graklerden olu³ur ve Ek
1'de verilen formata göre hazrlanarak ilgili ö§retim üyesi veya ara³trma
görevlisine en geç deneyden sonraki gün teslim edilir. Bu sonuçlar kabul/red
³eklinde de§erlendirilir.
11. Deney raporu, istenen formata uygun olarak deney grubu tarafndan
ortak hazrlanmas gereken kapsaml bir dokümandr.
1
Hangi gruplarn
Laboratuvar Kurallar
hangi deney için rapor hazrlamak zorunda olduklar laboratuvar dönem
plannda belirtilir.
12. Deney sonuçlar kabul edilen gruplar deney raporunu en geç bir sonraki
deney günü saat 12:00'a kadar ilgili ö§retim üyesine teslim etmelidir. Geç
teslim edilen her gün için rapor notundan 10 puan dü³ürülür. Bir hafta
geciken rapor kabul edilmez.
13. Her deney için farkl ö§renci raportör olarak seçilir ve grup çal³mas ve
rapor hazrl§ organizsayonundan raportör sorumludur.
14. Grup, ilgili ö§retim üyesi tarafndan belirlenen tarih ve saatte rapor sözlüsüne alnr.
Ö§rencilere sözlüdeki performans ve rapora katklarna
göre farkl rapor notu takdir edilebilir.
15. Grup raporlar özgün olmak zorundadr.
Raporun (küçük bir parças
dahi olsa) ba³ka bir yerden kopyaland§ tespit edildi§i takdirde notu
sfr olarak de§erlendirilir ve telasi yoktur. Ba³kasna ait bir materyalin
kopyalanmas büyük bir suçtur.
Herhangi bir kopyalama (veya kes-
yap³tr) olaynn, raporu de§erlendiren ö§retim üyesinin gözünden kaçma
olasl§na kar³, dönem sonunda Bölüm Etik Kurulu tarafndan rastgele
seçilecek raporlar üzerinde ayrntl inceleme yaplacaktr. Bu inceleme
sonunda kopyalama yapld§ tespit edilirse grup önceki notlarna baklmakszn deneyden ba³arsz saylacaktr.
Bu durumda ilgili deneyin /
raporun telasi mümkün de§ildir.
16. Deney raporunda Web sayfalar kaynak olarak gösterilemez ve bu sayfalara atf yaplamaz.
17. Deney raporu yetersiz görülürse tekrar edilmesi ve/veya deneyin tekrar
istenebilir.
18. Raporlarn puanlamas a³a§daki kriterler göz önünde bulundurularak
yaplr.
Puan
Düzen
15
Özen
15
Hesaplamalar ve Tasarm
30
Yorum
20
Kaynaklar ve atar
10
Grup raporu olma özelli§i
10
Geç gün (n)
RAPOR NOTU
-10
100 - n x 10
19. Dönem notu, laboratuvar defterinden belirlenen ön hazrlk, deney öncesi
yaplan ksa snavdaki ba³ar durumu, deney performans ve rapor notundan olu³an deney notu ile arasnav notu kullanlarak belirlenir.
20. Dersi tekrar eden, devam alm³ ö§renciler sadece arasnavlara girerler.
Dersin devamn aldklar yla ait deney notlar geçerli saylr ancak
dersin yeni kapsamndan sorumlu tutulurlar.
21. Laboratuvara devam zorunludur.
Habersiz ve onaysz olarak deneye
gelmeyen ö§renciler deneyden ba³arsz saylrlar. Bu durumda deneyin
Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisli§i Bölümü
2
Laboratuvar Kurallar
telasi söz konusu de§ildir.
Ba³ka bir nedenle deneyden ba³arsz olan
ö§renciler ilgili ö§retim üyesi onay verdi§i takdirde deneyi tela edebilirler.
22. Tela haftasnda veya ö§retim üyesinin uygun gördü§ü ba³ka bir zamanda en fazla bir deneyin telasi yaplabilir.
23. Deney tarihinden bir hafta önce ilgili ö§retim üyesi veya ara³trma görevlisinden Deney Hazrlk / Tasarm Sorularn almayan grup deney yapamaz.
24. Deney Hazrlk / Tasarm Sorularn yetersiz cevaplayan veya deney
öncesi yaplacak yazl/sözlü snavda bilgisi yetersiz görülen ö§renciler
deneye katlamazlar.
25. Deney sonuçlar de§erlendirmesinde Red alan ö§rencilerden sonuçlarn
tekrarlamas veya tela haftasnda deneyi tekrarlamas istenebilir.
26. Herhangi bir nedenle tela haftasnda deney yapmasna onay verilen grup
laboratuvar koordinatörüne bildirilmelidir.
27. Dönem sonunda, birden fazla deneye katlmayan, deney sonuçlarn veya
deney raporunu zamannda teslim etmeyen, deney sonuçlarndan veya
deney raporundan sfr not alan ö§renciler devamsz saylrlar ve dönem
sonu snavna giremezler.
3
Chapter 2
LABORATUVAR DEFTER
1. Ö§renciler her laboratuvar için, deney öncesi hazrlklarn, deney srasnda
alnan verileri ve sonrasndaki hesaplamalar ile gerekirse rapor hazrlklarn yazacaklar ayr bir laboratuvar defteri tutmaldr.
2. Laboratuvar defteri diki³li ciltli (yap³trma de§il) ve çizgili (veya kareli)
olmaldr.
3. Defterin doldurulmasnda a³a§daki kurallara uyulmaldr.
(a) Bütün sayfalar önceden numaralandrlmaldr.
(b) Bilgiler siyah veya mavi çkmayan mürekkepli kalemle ve okunakl
yazlmaldr.
(c) Defterde bo³ sayfa braklmamaldr.
(d) Hatal bir bilgi giri³i yaplm³ ise silinmeye çal³lmamal sadece üzeri
tek çizgi ile çizilmelidir.
(e) Sayfann bo³ kalan ksm, bo³luk büyüklü§ünde çarp i³areti ile kapatlmaldr.
(f ) Her sayfann altna yazld§ günün tarihi ve isim yazlarak imzalanmaldr.
(g) Deftere ³ekil veya tablo eklenirse güvenle yap³trlmal ve mutlaka
numaras ve ba³l§ olmaldr. Bu tablo/ve ³ekilllere ilgili yerlerden
atf yaplmaldr.
(h) Yeni deneye yeni bir sayfa ile ba³lanmaldr.
(i) Defterin ilk sayfasnda laboratuvar ve defter sahibini tantc bilgiler
yer almaldr.
(j) Sonraki iki sayfa, çindekiler sayfasdr ve defter kullanldkça ,
deney ve alt-bölümlerinin sayfa numaralar da belirtilerek doldurulmaldr. Örnek:
4
Laboratuvar Defteri
ÇNDEKLER
Sayfa
1. SU ANALZLER DENEY
(a) Ki³isel Çal³ma
(b) Hazrlk Sorularnn Cevaplar
(c) Deney Ko³ullar ve Verileri
(d) Hesaplamalar
(e) Rapor Hazrlklar
2. ADSORPSYON DENEY
1
1
2
3
4
5
7
4. Deftere yazlmas gerekli bilgiler:
(a) Deneyin ad, amac ve ö§rencinin kendi cümleleri ile deney yöntemi
(b) Yaplacak deneye ili³kin teorik çal³ma bilgileri (tanmlar, denklemler, grakler vb).
Bu bilgilere MUTLAKA uygun ³ekilde kaynak
gösterilmelidir.
(c) Deneyin ko³ullar ve ortam ko³ullar
(d) Deney verileri (Grubun tüm üyelerinin kaydetti§i deney verileri ayn
olmaldr.)
(e) Ön hesaplamalar (laboratuvardan çkmadan yaplmas önemlidir,
sonuçlarn do§rulu§unu de§erlendirmeye yardmc olur; böylece gerekirse deney tekrar edilebilir)
(f ) Deney verileri, raportör tarafndan ayr bir ka§da yazlarak ilgili
ö§retim üyesi veya ara³trma görevlisine imzalatlr ve MUTLAKA
laboratuvar raporuna eklenir.
5
Chapter 3
RAPOR YAZIM KILAVUZU
3.1
•
•
Rapor Format
Deney raporlar bilgisayar kullanlarak hazrlanr.
A4 ebadnda standard beyaz ka§t kullanlr ve ka§dn yalnzca bir yüzüne
yazlr.
•
•
Sayfann sol kenarndan 3.5 cm, di§er kenarlardan 2.5 cm bo³luk braklr.
12 punto büyüklü§ünde Times New Roman veya Arial karakterleri kullanlr.
•
Rapor metni 1.5 satr aral§nda ve sayfann her iki yanna göre hizalanm³ olarak yazlr.
•
ekil ve çizelgelerin ba³lklar ile kaynak listesi 1 satr aral§nda olmaldr.
•
•
ekil ve çizelge içleri yazlrken en fazla 12, en az 8 punto kullanlabilir.
ekil ve çizelgeler yataya göre sayfa ortasna yerle³tirilir. Bir sayfadan
daha küçük boyuttaki ³ekil ve çizelgeler dikeye göre sayfann ya en üstüne
ya da en altna gelecek ³ekilde ve rapor metni ile 2 satr ara verilerek
yerle³tirilir.
•
Alt ve üst indislerin yazmnda düz yaz büyüklü§ünden daha küçük bir
karakter kullanlr.
•
•
Noktalama i³aretlerinden sonra bir vuru³luk bo³luk verilir.
Bölümlerin yazmna yeni bir sayfadan ba³lanr.
Alt bölümler ise, alt
bölüm ba³l§ d³nda en az 2 satr ayn sayfada yer almak ³artyla ayn
sayfadan devam edilir.
•
Ana ba³lklar büyük harerle koyu ve sola dayal olarak yazlr ve metne
ba³lamadan önce iki ara verilir.
•
Alt ba³lklar önceki metinden bir ara ile ayrlr ve her kelimenin ilk
har büyük di§erleri küçük olacak ³ekilde sola dayal olarak koyu yazlr.
•
Giri³ bölümüne kadar olan ön sayfalar i, ii, iii ³eklinde küçük harf Romen
rakam ile di§er sayfalar 1, 2, 3 ³eklinde numaralandrlr. Sayfa numaralar 10 punto ile sayfann en alt ksmnda ve ortal olacak ³ekilde yazlr.
6
Rapor Yazm Klavuzu
Rapor Format
Sayfa numaralarnn önünde ve arka yannda ayraç, çizgi vb. gibi karakterler kullanlmaz.
•
•
•
Paragraf ba³lar yazm alanndan 1 cm içerden ba³lamaldr.
çindekiler sayfas bu klavuzun ba³ndaki gibi düzenlenir.
ekil ve çizelge tüm rapor boyunca tek sra takip edecek ³ekilde numaralandrlr, her bölüm için ayr alt numaralar kullanlmaz.
•
A³a§da ³ekil ve çizelgeler için birer örnek gösterilmi³tir.
Çizelge 1.
Laminer Türbülent Akm deney sisteminde hacimsel ak³ hznn
zamanla de§i³imi. T=23
Zaman
mmHg
Hacimsel Ak³ Hz
(s)
ekil 1.
o C , P=680
(m
3 /s)
5
0.10
10
0.20
15
0.26
20
0.28
25
0.29
Borusal Akm deney sisteminde hacimsel ak³ hznn zamanla
de§i³imi. T=23
o C , P=680
mmHg
7
Rapor Yazm Klavuzu
3.2
Rapor Bölümleri
Rapor Bölümleri
Deney raporlar a³a§da bölümlerden olu³ur.
Kapak
Örnek kapak bölüm sonunda verilmi³tir.
Önsöz
Yaplan deneyin ad, deneyin yapld§ tarihler, raporun sunuldu§u yer ve sunan
ki³iler Önsöz de yer almaldr. Ayrca Önsöz 'de raporun grup tarafndan nasl
hazrland§na ait tüm detaylar verilmeli, toplanma tarihleri, çal³ma süreleri ve
yöntemi, grup üyeleri arasndaki i³ bölümü, çal³mann yapl³nda kar³la³lan
zorluklar ve önerilen çözümler belirtilerek grup üyelerinin rapor için kendi
takdir ettikleri not ile herbir grup üyesinin gerçekle³tirilen çal³malara katks
yüzde olarak ifade edilmelidir.
Özet
Özet deneyin de§il raporun özetidir.
Özet 'te yaplan deneyin amac ve bu
do§rultuda ne tür bir sistemin kullanlad§, uygulanan yöntemin dayand§
temel prensipler ksaca belirtilir. Deneyin ko³ullar ksaca tanmlanr ve gerekiyorsa bulunan saysal sonuçlar da (fazla ayrntya girmeden) verilebilir.
Ra-
porda nelerin bulundu§u ksaca belirtilerek varsa çarpc yorumlar da Özet 'e
eklenebilir. Sonuçlarn anlam ve duyarll§ yorumlanr. Özet 'te kaynak, tablo
vb verilmez ve toplam uzunluk 100 - 150 kelimeyi a³mamaldr.
çindekiler
Raporu olu³turan bölüm, ksm ve alt ksm ba³lklar sayfa numaralar ile
birlikte verilir.
8
Rapor Yazm Klavuzu
Rapor Bölümleri
1. Giri³
Bu bölümün ba³l§ Giri³ olabilece§i gibi konuya ili³kin genel bir ba³lk da
tercih edilebilir.
Bu bölümde konu ile ilgili genel bir bilgi verildikten sonra
deneyin amac çok açk ve ayrntl bir ³ekilde belirtilir.
2. Kuramsal Temeller
Bu bölümün ba³l§ Kuramsal Temeller olabilece§i gibi konuya ili³kin özel bir
ba³lk da tercih edilebilir. Gerçekle³tirilen deneyin dayand§ kuramlar ksaca
anlatlr, önemli e³itlik ve ba§ntlar ilgili kaynaklara atf yaplarak verilir.
3. Deneysel Yöntem
3.1 Deney Sistemi
Kullanlan deney sistemi ayrntl olarak tantlr, sistemin ³ematik çizimi ve
gerekiyorsa ba³ka çizimler de bu bölüme eklenerek okuyucunun deney sistemi
hakknda bilgilenmesi sa§lanr. Herhangi bir ³ekil veya çizelge verilmi³se metin
içinde bunlara mutlaka atf yaplmal ve atar ³ekil veya çizelgeden önceki
metin ksmnda olmaldr. Okuyucu ne oldu§u ve ne amaçla raporda bulundu§u belli olmayan bir ³ekil veya çizelge ile kar³la³mamal raporu okurken
önüne gelen ³ekil veya çizelge hakknda önceden bilgilendirilmelidir. ekiller,
³eklin altnda ve çizelgeler, çizelgenin üstünde olmak üzere srasyla numaralandrlmal ve açk tantc ba³lklar bulunmaldr.
3.2 Deney/Analiz Yöntemi
Deneyin gerçekle³tirilmesi için uygulanan yöntem ve/veya analiz metotlar
maddeler halinde sralanr ve ayrntl olarak açklanr. Deneyi hiç bilmeyen bir
ki³inin burada verilen bilgiler ³§nda kendi ba³na deney yapabilecek duruma
gelmesi temel hedeftir. Bu bölümde açklanan deney ve analiz yöntemlerinin
anla³lmas için gerekli teorik bilgiler raporun Kuramsal Temeller bölümünde
verilmi³ olmaldr.
9
Rapor Yazm Klavuzu
Rapor Bölümleri
4. Hesaplama ve Sonuçlar
Yaplan deney tüm ko³ullaryla tanmlanr.
Deney verileri çizelge ve/veya
³ekiller halinde sunulur. Deney verilerinin kullanlmasyla varlacak olan sonuçlarn nasl hesapland§ Kuramsal Temeller bölümündeki e³itlik ve ba§ntlara
atf yaplarak birer örnekle gösterilir.
Her deney verisi için yaplan benzer
hesaplamalar tekrar tekrar yazlarak rapor doldurulmasna çal³lmaz.
Grup
üyeleri, yaratclk, özen, zerafet ve becerilerini ortaya koyarak hesaplama sonuçlarn kolay anla³labilir çizelgeler ve grakler halinde sunmaldrlar.
Grak-
ler ve çizelgelerdeki yaz fontlarnn, raporun geneliyle uyum içinde olmasna
dikkat edilmeli, çe³itli bilgisayar programlar vastasyla elde edilen grak ve
çizelgeler için programlarn default de§erlerini kullanmak yerine grup üyeleri
kendi zevk ve zerafetlerini gösterecekleri tasarmlar geli³tirmelidirler. Yukarda
da söz edildi§i gibi çizelge ve grakler srasyla numaralandrlmal ve metin
içinde atf yaplmayan, metnin hiç bir yerinde söz edilmeyen çizelge veya grak
raporda bulunmamaldr.
5. Tart³ma ve Yorum
Deney ko³ullar ve verilerine dayanarak bulgular ve sonuçlar detayl olarak ve
gerekti§inde kaynaklara atf yaplarak tart³lr. Sonuçlarn anlam ve mümkünse
hassasiyet, do§ruluk ve tekrarlanabilirlik ölçüleri verilir. Deneyin gerçekle³irilmesi esnasnda ortaya çkan aksaklklar ve zorluklar, bunlarn sonuçlara ne
ölçüde, nasl yansd§ ve deneyin amaçlarna ne ölçüde ula³ld§ tart³larak
gerekiyorsa iyile³tirme önerileri yaplr.
Kaynaklar
Rapor yazmnda yararlanlan tüm kaynaklar ilgili numaralar ile a³a§da örneklerle gösterilen kurallara uygun olarak yazlr. Bu kaynaklara rapor içinde ilgili
yerde cümle sonundaki noktadan önce kö³eli parantez içinde kaynak numaras
ile mutlaka atf yaplmal, raporun herhangi bir bölümünde atf yaplmam³
kaynaklar bu listede bulunmamaldr.
Çe³itli makale ve yazlarda web sayfalarna da atf yaparak kaynak göstermek gittikçe yaygn bir adet haline gelmekle birlikte, Kes Yap³trcl§n önlenememesi ve ayrca ö§rencilerin web de bulduklar tüm bilgilere kesin do§ru
muamelesi yapmalar nedeniyle Kimya Mühendisli§i Laboratuvarlar için hazrlanacak deney raporlarnda web sayfalarnn kaynak gösterilmesi kabul edilmemekte ve rapor notunun dü³mesine yol açmaktadr.
10
Rapor Yazm Klavuzu
Rapor Bölümleri
Makale
[1] G. S. Beavers, D. D. Joseph, H. H. Al-Ali, Flow of homogeneous uids
through porous media,
J. Fluid Mechanics, 18:537-553 (2000)
Kitap
[2] J. O. Hirschfelder, C. F. Curtiss, R. B. Bird,
and Liquids, Wiley, New York (1964), p.534.
Not:
Molecular Theory of Gases
Çeviri kitaplarda orijinal kitabn de§il çeviri kitabn yayn tarihi esas
alnr.
Baslm³ Tez
Konveksiyonla s aktarmndaki kstlayc basamaklar,Yüksek Lisans Tezi, Ankara Üniversitesi, Ankara, (2001).
[3] A. Bayramo§lu, Kongre Bildirisi
[4] Durcan B., Ersen Ç.S., Karacan M. ve Tahsin A., Variation of Chem-
ical Species Prole in a Plug Flow Reactor,
Congress, Mersin, 12-22 May (2011).
1st International Reaction
Rapor
[5] Osman, A. ve Tertemiz, A., Barajlarmzdaki ta³ma tehlikeleri,
lk Dönem Raporu, Ankara, 23-32, (2011)
DS Yl-
Ekler
Raporun birinci Ek'i (Ek A) deney verileridir.
Varsa rapor ana metni içine
girmeyen ancak onu destekleyici özellikte olan di§er ek bilgiler, hesaplamalar,
denklem çkarmlar vb, Ek-B, Ek-C ³eklinde isimlendirilerek verilebilir. Tüm
eklere rapor metni içinde MUTLAKA atf yaplm³ olmaldr.
11
ANKARA ÜNVERSTES
KMYA MÜHENDSL BÖLÜMÜ
BORUSAL AKIM VE HUN DÜZENE
Grup 2
04290137 Ali Koçer
04290242 Esra Kaya (
Raportör
04290151 Gül Özer
KYM351
Kimya Mühendisli§i Laboratuvar I
Deney Raporu
Aralk 2011
ANKARA
)
Chapter 4
LABORATUVAR GÜVENL
Laboratuvarda bulunmanz ya da oradan geçiyor olmanz, potansiyel bir tehlike
içermektedir. Kendinizin ve çevrenizdeki di§er insanlarn güvenli§i açsndan
Laboratuvar Kurallarna uymanz bu potansiyel tehlikeyi azaltacak en güzel
yakla³mdr. Güvenli bir ortamn sa§lanabilmesi için a³a§da çe³itli ba³lklar
altnda toplad§mz kurallar hepiniz tarafndan okunmu³ ve ö§renilmi³ olmal,
hatta bu kurallar gelecek ya³antnzda görev alaca§nz i³ yerlerine de götürerek herkesin bu kurallara uymas için elinizden geleni yapmalsnz.
4.1
Emniyetli Çal³ma Kurallar
ACELE ETMEYN.
skele, tezgah vs ÜZERNE ÇIKMAYIN, MERDVEN KULLANIN.
Bir malzeme veya aleti fazla UZANARAK ALMAYA ÇALIMAYIN.
KSEL SALIK/GYM kurallarna uyun.
1. Gereksiz yere
2.
3.
4.
•
•
•
Laboratuvardan çknca ellerinizi mutlaka ykayn.
Ellerinizi sk sk özellikle yemeklerden önce ykayn.
Ellerde açk yara, kesik, çatlak vs. varsa çal³maya ba³lamadan önce
mutlaka bandajla kapatn ve yapaca§nz i³e uygun eldiven giyin.
•
Zararl, zehirleyici, tahri³ edici kimyasallarla çal³rken mutlaka uygun ki³isel koruyucu donanmlar (maske, gözlük, eldiven vb.) kullanlmaldr.
•
•
Laboratuvarda çal³rken uzun saçlar toplanmaldr.
Laboratuvarda yüzük, künye, kolye, bilezik gibi e³yalar ile çal³mak
tehlikeli olabilir. Çal³maya ba³lamadan önce çkarn.
•
Laboratuvarda çal³rken mutlaka uzun kollu önlük ve kapal laboratuvar ayakkabs giyin.
•
Önlük ve pantolon ceplerinde kesici ve batc aletler ta³mayn.
13
Laboratuvar Güvenli§i
•
Önlük içindeki kyafetiniz ve ayakkabnz rahat hareket etmenize
engel olmamaldr.
5. Laboratuvarlarda
YYECEK / ÇECEK BULUNDURULMAZ
YENMEZ / ÇLMEZ.
6. Ki³isel masa, yemekhane ve benzeri yerlere kimyasal madde, numune vb.
KOYMAYIN.
KAPATMAYIN.
Elektrik dü§melerinin veya izolatörlerinin önünü KAPATMAYIN.
7. Yangn söndürme teçhizat ve çk³larnn önünü
8.
9. Yürüyü³ alanlarn bo³ ve temiz tutun.
10. Tüm dosya ve tezgah alt
DOLAPLARI KAPALI TUTUN.
11. Elektrik motorlarnn havalandrlmas gereklidir, çevresinin bo³ olmasn
sa§layn.
12.
13.
BEDEN VE EL AKALALARI YAPMAYIN.
LABORATUVARLARI GÜVENL, TEMZ VE DÜZENL TUTUN.
•
•
Deneysel çal³ma sonunda temizlik ve düzen için zaman ayrn.
Düzenli bir yerde çal³mak morali yükseltir, verimi artrr, kaza risklerini ve yangn zararlarn azaltr.
14.
15.
16.
17.
GAZ TÜPLERNN snmayacak yerlere yerle³tirilmesini sa§layn.
Kullanlmayan gaz vanalarn tamamen KAPATIN.
Yanc gazlar kullanlrken sisteminizi asla TERK ETMEYN.
KOLAY ALEV ALAN / PARLAYICI ÇÖZÜCÜLERLE çal³ma
kurallarna uyun.
•
Tüm alev alc çözücüler kapal kaplarda saklanmal ve gerekti§i
³ekilde etiketlenmi³ olmaldr.
•
Bu çözücüler kullanlmadklar zaman güvenlik dolaplarnda muhafaza
edilmelidir.
•
Alev alc çözücüler etiketlerinde belirtilen scaklklarda ve havalandrlmal ortamlarda saklanmaldr.
•
Miktar 50 litreyi a³an çözücüler döküntülerin birikece§i tepsiler bulunan metal güvenlik dolaplarnda ve özel olarak hazrlanm³ ya
da bu amaca uygun olarak yeniden düzenlenmi³ odalarda saklanmaldr. Miktar 50 litreyi a³an çözücülerin herhangi bir laboratuvarda saklanmas yasaktr.
•
18.
Alev alc çözücüler ate³leme kaynaklarndan uzak tutulmaldr.
ELEKTRKLE LGL GÜVENLK tedbirlerine uyun.
•
Islak ellerle veya slak zemin üzerindeyken elektrikli aletlere dokunmayn.
•
Elektrikli bir aletin üzerine su döküldü§ünde elektrik hatt ile ba§lantsn kesin ve gerekli temizli§in yaplmasn sa§layn. Tekrar kullanmadan önce kontrolünü yaptrn.
•
Frn gibi yüksek akm çeken aletleri çoklu uzatma kablolar ile kullanmayn.
14
•
Kablo tesisat sk sk kontrol edilerek kar³mas ya da dü§ümlenmesi
engellenmelidir.
•
Ön stma süresi olmayan aletler kullanldktan hemen sonra kapatlmaldr.
•
Ana ³ebeke ile ilgili veya tehlikeli voltajlarn söz konusu oldu§u
elektrik tesisat i³leri yetkili bir elektrik teknisyeni tarafndan yaplmaldr.
•
Elektrik ³alter kutularn kesinlikle açmaynz ve müdahalede bulunmaynz. Bir arza durumunda elektrikçiye haber veriniz.
15
4.2
Genel Laboratuvar Kurallar
1. Çal³malarda dikkat ve itina ön planda tutulmaldr.
2. Laboratuvarlarn giri³ çk³ denetlenmeli ve çal³anlar d³nda ki³ilerin
girmeleri engellenmelidir.
3. Laboratuvarn faaliyet gösterdi§i konulara göre ortaya çkan atklar do§rudan alc ortama verilmemeli, tekni§ine ve mevzuata uygun bir biçimde
etkisiz hale getirilmelidir.
4. Atlacak kat maddeler çöp kutusuna atlmaldr. ³i bitmi³, içinde sv
bulunan beher, erlen, tüp gibi temizlenecek cam kaplar da lavaboya
konulmal, masa üzerinde braklmamaldr.
5. Su, gaz musluklar ve elektrik dü§meleri, çal³lmad§ hallerde kapatlmaldr.
6. Malzemeler özenle ve dikkatle kullanlmaldr.
7. Laboratuvarda gürültü yaplmamaldr. Asla ³aka yaplmamaldr.
8. Laboratuvarda meydana gelen her türlü olay, laboratuvar yönetenlere
annda haber verilmelidir.
9. Laboratuvar yönetenlerin izni olmadan hiçbir madde ve malzeme laboratuvardan d³ar çkarlmamaldr.
10. Kat haldeki maddeler ³i³elerden daima temiz bir spatül veya ka³kla
alnmaldr.
Ayn ka³k temizlenmeden ba³ka bir madde içine sokul-
mamaldr.
i³e kapaklar hiçbir zaman alt taraar ile masa üzerine
konulmamaldr. Aksi taktirde, kapak yabanc maddelerle kirlenece§i için
tekrar ³i³eye yerle³tirilince bu yabanc maddeler ³i³e içindeki saf madde
veya çözelti ile temas edip, onu bozabilir.
11. i³elerden sv aktlrken etiket taraf yukar gelecek ³ekilde tutulmaldr.
Aksi halde ³i³enin a§zndan akan damlalar etiketi ve üzerindeki yazy
bozar. i³enin a§znda kalan son damlalarn da ³i³enin kendi kapa§ ile
silinmesi en uygun ³ekildir.
12. Kimyasal maddelerin geli³igüzel birbirine kar³trlmas çok büyük tehlikeler
yaratabilir.
13. Baz kimyasal maddeler birbiriyle reaksiyona girerek yangna veya ³iddetli patlamalara yol açarlar ya da toksik ürünler olu³tururlar. Bunlar
her zaman ayr ayr yerlerde muhafaza edilmelidir. Bu maddeler Çizelge
4.2.1 'de özetlenmi³tir.
14. Çözelti konulan ³i³elerin etiketlenmesi gerek görünü³ ve gerekse yanl³lklara meydan verilmemesi için gereklidir. Ka§t etiket kullanlyorsa
yazlarn slannca akmamas için çini mürekkep kullanlmas iyi sonuç
verir. Etiketlerin arkas nemlendirilirken a§za ve dile sürülmemelidir.
15. Kimyasal maddeler risk gruplarna ve saklama ko³ullarna göre, havalandrma sistemli ayr oda, dolap veya depolarda bulundurulmaldr. Kimyasal maddelerin bulundu§u yer kilitli olmal, anahtar depo sorumlusu
olmaldr.
16. Organik çözücüler lavaboya dökülmemelidir.
17. Tartm veya titrasyon sonuçlar küçük ka§tlara yazlmamaldr.
Bu
16
ka§tlar kaybolabilir ve analizin tekrarlanmas zorunlulu§u ortaya çkabilir.
18. Ecza dolabnda neler bulundu§u, yangn söndürme cihaznn nasl çal³t§
bilinmelidir. Bu konuda e§itim yaplmaldr.
19. i³elerin kapak veya tpalar de§i³tirilmemelidir. Çözelti ³i³elere doldurulurken dörtte bir kadar ksm geni³leme pay olarak braklr.
20. Etiketsiz bir ³i³eye veya kaba, kimyasal madde konulmaz.
Ayrca bo³
kaba kimyasal bir madde koyunca hemen etiketi yap³trlmaldr, bütün
³i³eler etiketli olmaldr.
Üzerinde etiketi olmayan ³i³elerdeki kimyasal
maddeler, deneylerde kesinlikle kullanlmamaldr.
21. Cam keserken ve ³i³e a§zna mantar takarken ellerin kesilmemesi için özel
eldiven veya bez kullanlmaldr. Ucu sivri, krk cam tüplerine, borulara
lastik tpa geçirilmemelidir. Böyle uçlar; havagaz oca§, zmpara veya
e§e ile düzgün hale getirilmelidir.
22. Lastik tpalara geçirilecek cam borularn uçlar su ile slatlmal veya gliserin, vazelin ile ya§lanmaldr. Cam borular lastik tpaya direkt bastrlarak
de§il de döndürülerek sokulmaldr.
23. Tüp içinde bulunan bir sv stlaca§ zaman tüp, üst ksmdan a³a§ya
do§ru yava³ yava³ stlmal ve tüp çok haf ³ekilde devaml sallanmaldr.
Tüpün a§z kendinize veya yannzda çal³an ki³iye do§ru tutulmamal
ve asla üzerine e§ilip yukardan a³a§ya do§ru baklmamaldr.
Yüze
sçrayabilir.
24. Zehirli ve yakc çözeltiler, pipetten a§z yolu ile çekilmemelidir. Bu i³lem
için vakum ya da puar kullanlmaldr.
25. Genel olarak toksik olmad§ bilinen kimyasal maddeler bile, a§za alnp
tadna baklmamaldr.
26. Benzin, eter ve karbonsülfür gibi çok uçucu maddeler ne kadar uzakta
olursa olsun açk alev bulunan laboratuvarda kullanlmamaldr.
Eter
buharlar 5 metre ve hatta daha uzaktaki alevden yanabilir ve o yanan
buharlar ate³i ta³yabilir.
27. Sülfürik asit, nitrik asit, hidroklorik asit, hidroorik asit gibi asitlerle
bromür, hidrojen sülfür, hidrojen siyanür, klorür gibi zehirli gazlar içeren
maddeler ile çeker ocakta çal³lmaldr.
28. Tüm asitler ve alkaliler sulandrlrken daima suyun üzerine ve yava³
yava³ dökülmeli, asla tersi yaplmamaldr.
29. Civa herhangi bir ³ekilde dökülürse vakum kayna§ ya da köpük tipi
sentetik süngerlerle toplanmaldr. E§er toplanmayacak kadar eser miktarda ise üzerine toz kükürt serpilmeli ve bu yolla sülfür haline getirilerek
zararsz hale sokulmaldr.
30. Termometre krklarnn cival ksmlar ya da civa artklar asla çöpe ya
da lavaboya atlmamal, topra§a gömülmelidir.
31. Elektrikle u§ra³rken eller ve baslan yer kuru olmal, metal olmamal,
elektrik ³leri kordondan çekilerek çkarlmamaldr.
Gerekti§inde baz
i³lemleri hemen yapabilmek için gerekti§i kadar elektrik bilgisi edinilmeli,
büyük onarmlar mutlaka ehliyetli teknisyenlere yaptrlmaldr.
17
32. Kimyasallar ta³nrken iki el kullanlmal, bir el kapaktan skca tutarken,
di§eri ile ³i³enin altndan kavranmaldr.
Desikatör ta³nrken mutlaka
kapak ve ana ksm birlikte tutulmaldr.
Desikatör kapaklar arasra
vazelin ile ya§lanmaldr.
33. Laboratuvar terkedilirken bula³klar ykanmal, tüm kimyasallar güvenlik
altna alnmal, gaz musluklar ana musluktan kapatlmaldr.
34. Gözler daima korunmaldr. Emniyet gözlükleri takmak yararldr. Gazlardan dolay gözlerin herhangi bir tahri³inde buna engel olmak için
gözleri sk sk so§uk su ile ykamak veya bol su aktmak gereklidir.
35. Asit, baz gibi a³ndrc yakc maddeler deriye damlad§ veya sçrad§
hallerde derhal bol miktarda su ile ykanmaldr.
36. çinde kültür bulunan tüp, petri kutusu gibi malzeme açk olarak masa
üzerine braklmamal, tüpler önlük cebinde ta³nmamal, masa üzerine
geli³igüzel konulmamaldr. Tüpler tüplükte tutulmaldr.
37. Pipetleme yaplrken kesinlikle üenmemelidir.
38. Etil alkol gibi yanc, tutu³ucu maddeler Bunzen beki alevi çevresinden
uzak tutulmaldr.
39. Ellerde kesik, yara ve benzeri durumlar varsa bunlarn üzeri ancak su
geçirmez bir bantla kapatldktan sonra çal³lmal, aksi takdirde çal³lmamal ve son durum sorumluya iletilmelidir.
40. Çal³ma bittikten sonra kirli malzemeler kendilerine ait kaplara konulmaldr. Örne§in; kullanlm³ pipetler, lam ve lamel hemen, içinde dezenfektan çözeltisi bulunan özel kaplara aktarlmaldr.
41. Laboratuvar terkedilirken bula³klar ykanmal, tüm kimyasallar güvenlik
altna alnmal, gaz musluklar ana musluktan kapatlmaldr.
42. Çal³ma bittikten sonra eller sabunlu su ve gerekti§inde antiseptik bir
sv ile ykanmaldr.
43. Laboratuvarda tek ba³na çal³lmamaldr.
18
Çizelge 4.2.1: Birbirleri ile kar³trlmamas gereken kimyasallar
Kimyasal
Kar³mamas Gereken Kimyasallar
Aktif karbon
Alkali metaller (Na,
K.vb.)
Amonyak
Kalsiyum hipoklorit, oksidan maddeler
Amonyum nitrat
Anilin
Asetik asit
Asetilen
Aseton
Bakr
Brom
Civa
Flor
Gümü³
Hidroorik asit
Hidrojen peroksit
Hidrojen sült
Hidrokarbonlar
Hidrosiyanik asit
yot
Kalsiyum oksit
Klor
Kloratlar
Kromik asit
Kükürtlü hidrojen
Nitrik asit
Oksijen
Okzalik asit
Perklorik asit
Potasyum permanganat
Sodyum nitrat
Sülfürik asit
Yanc svlar
Hidrokarbonlar ve sulu çözeltileri, su
Civa, klor, iyot, brom, kalsiyum
Toz halindeki metaller, yanc svlar, kükürt, kloratlar,
tüm asitler, nitritler
Hidrojen peroksit, nitrik asit
Kromik asit, nitrik asid, hidroksil içeren bile³ikler, etilen
glikol, perklorik asit, peroksitler, permanganatlar
Flor, klor, brom, bakr, civa, gümü³
Deri³ik nitrik asit, deri³ik sülfürik asit
Asetilen, hidrojen peroksit
Amonyak, asetilen, butan ve di§er petrol gazlar, turpentin
Asetilen, amonyak
Bütün maddeler
Asetilen, okzalik asit, tartarik asit, amonyak, karbondioksit
Amonyak
Bakr, krom, demir, metal ve metal tuzlar, yanc svlar,
anilin, nitrometan
Nitrik asid, oksidan maddeler
Flor, klor, brom, kromik asit, sodyum peroksit (benzen,
eter)
Nitrik asit, alkaliler
Asetilen, amonyak
Su
Amonyak, asetilen, butan ve di§er petrol gazlar, turpentin
Amonyak,toz halindeki metaller
Asetik asit, gliserin, baz alkoller, yanc svlar, turpentin
Nitrik asit, oksidan gazlar
Asetik asit, anilin, kromik asit, hidrosyanik asit, hidrojen
sült, yanc svlar ve gazlar
Ya§lar, grees, hidrojen, yanc svlar, yanc katlar ve
yanc gazlar
Gümü³, civa
Asetik anhidrit, alkoller, karbon tetraklorür, karbon
dioksit
Gliserin, etilen glikol, benzaldehit, sülfürik asit
Amonyum nitrat, di§er amonyum tuzlar
Kloratlar, perkloratlar, permanganatlar
Amonyum nitrat, kromik asit, hidrojen peroksit, nitrik
asit, halojenler
19
20
Chapter 5
KYM342
ENSTRUMENTAL ANALZ
KYM342 Enstrumental Analiz Dersi için oldukça kapsaml bir kitapçk halen
mevcuttur.
Dersin i³leyi³i hakknda birtakm de§i³iklikler gündemde oldu§u
için KYM342 deneylerinin bu kitapç§a ilavesi Bölüm ders programnn güncellenmesi tamamlandktan sonra gerçekle³tirilecektir.
21
Chapter 6
KYM351
KMYA MÜHENDSL
LABORATUVARI I
22
KYM351 Kimya Mühendisli§i Lab. I
6.1
DKEY HDROLK
EBEKE
23
Genel Bilgiler
Bir ak³kann akm srasnda kat snrlarda sürtünme nedeniyle bir miktar
mekanik enerji sya dönü³ür.
Uzun düz bir borudan akmakta olan ak³kan
için akmn toplam mekanik enerjisindeki böyle bir azalma, basnç dü³mesi ³eklinde gözlenecektir. Akm srasnda boru üzerindeki farkl iki nokta arasnda
görülen bu basnç dü³mesi sürtünme kayb veya sürtünme basnç kayb olarak
adlandrlr. Sürtünme kayb borudaki ani daralma ve geni³lemeler ile ba§lant
elemanlarnn varl§na ba§l olarak ta de§i³ir. Bir proseste ak³kanlarn akm
olayna ço§unlukla rastlanaca§ için sürtünme kayplarnn hesaplanmas Kimya
Mühendislerinin yapaca§ tasarm açsndan oldukça önemlidir.
Amaçlar
•
Ak³kanlarda sürtünme kayplarnn incelenmesi ve bu kayplarn deneysel ve teorik olarak hesaplanmas
Materyal ve Metot
Dikey hidrolik ³ebeke deney düzene§i, üzerinde basnç musluklarnn bulundu§u deney borularndan ve bunlar birbirine ba§layan dirsekler, büküntüler
ve çe³itli vanalardan olu³maktadr. Deney düzene§inde 244 cm uzunlu§unda iç
çaplar 3/4 inç olan iki adet ve 1/2 inç olan bir adet olmak üzere üç tane PVC
boru vardr. 3/4 inç borulardan birisinin içi yapay olarak pürüzlendirilmi³tir
(
= 1mm).
Borular üzerinde bulunan denetim vanalar ile suyu istenilen
boru sistemine gönderme olana§ vardr. Her boru üzerinde 100 cm aralkla üç
tane basnç ölçer muslu§u vardr. Ayrca sürtünme faktörünün debi ile de§i³imini incelemek için 6.25 mm iç çapl paslanmaz bir çelik boru düzenek üzerine
yerle³tirilmi³tir. Borulardan biri üzerinde ani geni³leme bölgesi, ani daralma
bölgesi, bir tane ventürimetre ve de§i³ik çapta oris plakas taklabilen an³l
bir oris bulunmaktadr. Sistemde bir toplama tank, bir hacimsel ölçüm tank
ve akm sa§layan bir pompa vardr. Toplama tank alt tarafndan bir hortumla
pompann emi³ine ba§ldr.
Ölçüm tank iki bölmeli olup hareketli bo³altm
ucu kullanlmas istenen bölmeye çevrilir.
Her bölmenin litre ölçekli sv se-
viye göstergesi vardr. Ayrca her iki bölme birer bo³altma deli§i ile toplama
tankna ba§ldr. Boru ³ebekesine su gönderen pompa tek fazl olup 1.8 BG
gücündedir. Pompa ba§l bulundu§u elektrik anahtar aracl§ ile en çok 10
amper çekecek ³ekilde ayarlanm³tr. Deneyde iki tür ölçüm yaplmaktadr:
•
•
Basnç ölçer ile çe³itli noktalar arasndaki basnç farklarnn ölçümü
Sistemde akan ak³kann debisinin ölçümü
24
Çizelge 6.1.1: Deney sistemine ait veriler
AG
B
BM
Bo
D
BV
Di
DÖ
DAV
H
V
KV
KV
Ani geni³leme bölgesi
1 in büküntü 90◦
Basnçölçer musluklar
Bo³altm kanal
1 in dirsek 45◦
1 in bilyal vana
1 in dirsek 90◦
Düzey ölçer
Düzey ayarlama vanalar
1 in giri³ hortumu
§neli vana
1 in klapeli vana
1 in kelebek vana
OM
ÖT
P
S
SrV
TT
V
VM
1
2
3
4
5
Orismetre
Ölçme tank
Pompa
Süzgeç
Sürgülü vana
Toplama tank
Açma kapama vanas
Venturimetre
3/4 in çapl boru
3/4 in çapl pürüzlü boru
1/2 in çapl boru
625 mm çapl paslanmaz çelik boru
1 in çapl boru
Kaynaklar
[1] Perry, R.H., Chilton, C.H., Chemical Engineering Handbook, 1973, 5th
edition, Mc Graw-Hill K, New York.
[2] Mc-Cabe, W. L., Smith, J. C. and Harriot, P., Unit Operations of Chemical
Engineering, Sixth edition, McGraw Hill Book Company, 2001
[3] Berber, R., Ak³kanlar Mekani§i, 1982, Ankara
25
Figure 6.1.1: Dikey hidrolik ³ebeke deney sistemi
26
Hazrlk Sorular
1. Borularda sürtünme kayplarn ayrntl olarak anlatnz.
2. Akm yönünün ve boru kesitinin de§i³mesinin neden oldu§u sürtünme
kayplarn ayrntl olarak anlatnz.
3. Sürtünme faktörünün Reynolds says ile de§i³imini anlatnz.
4. Bernoulli e³itli§ini yaznz ve terimlerini açklaynz.
5. Enerji denkli§ini yaznz ve terimlerini açklaynz.
6. Ventüride hz ve debi ölçümü için e³itlik türetiniz.
7. Dikey hidrolik ³ebeke deney düzene§ini anlatnz.
Deney Tasarm Sorular
1. Sürtünme kayplar üzerine pürüzlülü§ün etkisini göstermek üzere bir
deney tasarm yapnz ve hesaplama sonuçlarn graksel olarak gösteriniz.
2. Sürtünme faktörünün Reynolds says ile de§i³imini göstermek üzere bir
deney tasarm yapnz ve f de§erine kar³ Re saysn grak üzerinde
gösteriniz.
3. Sürtünme kayplar ile hz arasndaki ba§lanty göstermek üzere bir deney
tasarm yapnz ve grak çizerek hesap sonuçlarn gösteriniz.
4. Basnç dü³mesi ile debi arasndaki ba§lanty göstermek üzere bir deney
sistemi tasarlaynz ve grak çizerek hesaplama sonuçlarnz gösteriniz.
Prof.Dr. Mustafa Alpbaz
Prof.Dr. Hale Hapo§lu
Ara³.Gör. Adnan Aldemir
27
6.2
Laminer - Türbülent Akm
LAMNER - TÜRBÜLENT
AKIM
28
Genel Bilgiler
Laminer - türbülent akm deneyi, ak³kanlar mekani§i dersinde kuramsal olarak
ele alnan birçok konunun uygulamasn gösteren ve ö§rencilerin bu konular
daha iyi kavramasna yardmc olan bir deneydir. Deneyde, laminer, geçi³ bölgesi ve türbülent rejimler görsel olarak incelenebilmekte; manometreler yardmyla
düz bir borunun farkl noktalar arasnda basnç farklar ölçülerek çe³itli faktörlerden kaynaklanan basnç dü³meleri hesaplanabilmekte; kütlesel ak³ hz
ölçülerek ortalama hz hesaplanabilmekte; pitot tüpü yardm ile noktasal hzlar ölçülerek boru kesitindeki hz proli elde edilebilmekte; Hagen-Poiseuille
denkleminin uygulamas olarak ak³ hz ile basnç dü³mesi arasndaki ili³ki incelenmekte ve Bernouilli ve genel enerji denkliklerinin uygulamalar ile pompa
gücü ve sürtünme kayb hesaplamalar yaplabilmektedir.
Amaçlar
•
•
•
•
•
Farkl ak³ hzlarnda çal³larak ak³ rejimleri görsel olarak incelenir.
Boru boyunca basnç dü³mesi (L;
∆P)
gra§e geçirilir.
Boru üzerinde farkl noktalar arasndaki sürtünme kayplar hesaplanr.
Boru kesiti boyunca hz proli
Ak³kan hzna kar³ pompa gücü gra§i (Q; P) çizilir.
Materyal ve Metot
Laminer - türbülent akm deney sisteminde geni³ bir besleme tankndan bir
pompa vastas ile emilen ya§, pompa çk³ndaki baypas vanasnn ayarna
ba§l olarak besleme tankna ve/veya boru sistemine gönderilmektedir. Ya§,
alttaki geni³ borudan geçerek ³eaf toplama odac§na alnmakta ve toplama
odac§ndaki çan a§z yardm ile karga³asz bir ³ekilde alüminyum boruya
girmesi sa§lanmaktadr. Alüminyum boru üzerinde farkl konumlarda bulunan
basnç tapalar çok kollu manometre sistemine ba§lanm³ durumdadr. Borunun çk³na yakn bir bölgede bir pitot tüpü bulunmaktadr.
Boruyu terk
eden akm ³eaf saptrcya bo³alrken ak³ rejimi görsel olarak incelenebilmektedir.
eaf saptrcnn altnda bulunan tartma tank bir kantar üzerine
monte edilmi³ olup içinde biriken ya§ tartlabilmekte ve tekrar besleme tankna
bo³altlarak sistemin sürekli i³letimi sa§lanmaktadr. Deney sisteminin ³ematik
gösterimi ekil 6.2.1 de ve sisteme ait veriler a³a§daki çizelgelerde verilmi³tir.
Pompadan çkan ak³kann tamamn besleme tankna gönderebilmek için baypas vanas tam açk konuma getirilir ve pompa çal³trlr. Ak³kan alt da§tm
borusundan geçerek ³eaf toplama odac§na dolmaya ba³lar. eaf toplama
odac§nn üstündeki küçük musluk yardm ile havas bo³altlarak odac§n
29
ak³kan ile dolmas sa§lanr. Hava bo³altma esnasnda odack ya§ ile doldu§unda
muslu§u kapatmad§nz takdirde ya§n d³arya ve üzerinize dökülece§ini unutmaynz. Çan a§z yardm ile alüminyum boruya giren ak³kan borudan çk³ta
³eaf saptrcya bo³alarak ak³ rejiminin gözlenmesini sa§lar. eaf saptrc
altnda bulunan tartma tanknda belirli bir sürede biriken ya§ tartldktan
sonra tekrar besleme tankna bo³altlr. Baypas vanasnn ayar de§i³tirilerek
farkl ak³ hzlarnda ve dolaysyla farkl ak³ rejimlerinde çal³labilir.
Ak³
hzn artrrken manometre seviyeleri kontrol edilmeli, a³r basnç dü³mesi
yaratarak manometre svs olarak kullanlan civann ya§ ile sürüklenmemesine
dikkat edilmelidir.
lgili konumlardan basnç verilerini okumadan önce sis-
temin yat³kn hale gelmesi ve manometrelerdeki dalgalanmalarn durulmas
beklenmelidir
Aluminyum boru iç çap
Aluminyum boru uzunlu§u
Ak³kann yo§unlu§u
Ak³kann viskozitesi
19 mm
6.1 m
860 kg/m3
8.77 x 10−3 Pa.s
Çizelge 6.2.2: Basnç Tapalarnn boru giri³inden uzaklklar
Tapa No
1
2
3
4
5
Uzaklk
(cm)
15
30
45
60
75
Tapa No
6
7
8
9
10
Uzaklk
(cm)
90
105
120
135
150
Tapa No
11
12
13
14
15
Uzaklk
(cm)
180
210
240
275
350
Tapa No
16
17
18
19
Uzaklk
(cm)
425
500
550
575
Kaynaklar
Unit Operations of Chemical
Engineering, Mc Graw Hill, New York, (2005).
[1] W.L. McCabe, J.C. Smith, P. Harriott,
Introduction to Fluid Mechanics, John Wiley & Sons, New York, (2003).
[2] R.W. Fox, A.T. McDonald, P.J. Pritchard,
[3] B.R. Munson, D.F. Young, T.H. Okiishi,
chanics, (1994).
[4] R.H. Perry, D.Green,
Fundamentals of Fluid Me-
Perry's Chemical Engineers' Handbook,
7th
ed., McGraw Hill, New York, (1997).
30
Figure 6.2.1: Laminer - türbülent deney sistemi
31
Hazrlk Sorular
1. Laminer ve türbülent ak³ mekanizmalar arasndaki farklar nelerdir?
Ak³kann hangi rejimde akt§ nasl belirlenir?
2. Viskozite, Eddy viskozitesi, kesme gerilimi nedir ve birimleri nelerdir?
3. Boru içinden laminer ve türbülent ak³ta, hz ve kesme gerilimi prolleri
(de§i³ken; boru çap ili³kisi) nasldr?
Bu ili³ki deneysel olarak nasl
belirlenir?
4. Geçi³ uzunlu§u ne demektir? Pratikte uygulamas önemli midir?
5. Düz bir borudaki toplam basnç dü³mesi nasl hesaplanr?
6. Hagen-Poiseuille denklemi nasl çkarlm³tr; uygulama alan nedir?
7. Manometre yüksekli§i ne demektir, ölçülen iki nokta arasnda manometre
yüksekli§inden basnç fark nasl hesaplanr?
Laboratuvarda bulunan laminer-türbülent akm deney düzene§ini kullanarak;
1. Boru pürüzlülü§ünü () bulmak için bir deney tasarlaynz.
2. Ak³kan vizkozitesini (µ) bulmak için bir deney tasarlaynz.
3. Sistemdeki boru çapn (D) bulmak üzere bir deney tasarlaynz.
4. Moddy (Re ; fm ) gra§ini çizmek üzere bir deney tasarlaynz.
5. Laminer akm için Reynolds says (Re) ile sürtünme katsays (fF ) arasndaki do§rusal ili³kiye bulmak üzere bir deney tasarlaynz.
6.
D ∆P
Dvρ b
= a (
)
2
ρv
µ
ifadesindeki a ve b katsaylarn bulmak için bir
deney tasarlaynz.
7. Hagen- Poiseuille denklem katsaysn bulmak üzere bir deney tasarlaynz.
Prof.Dr. Serpil Takaç
Prof.Dr. Burhanettin Çiçek
Ara³.Gör. Baran Özyurt
32
6.3
Borusal Akm ve Huni
BORUSAL AKIM VE HUN
DÜZENE
33
Borusal Akm ve Huni
Genel Bilgiler
Ak³kan üzerine bir kuvvet uyguland§ zaman ³ekli de§i³tirme e§iliminde olan
maddelerdir ve kat, sv ve gaz olarak gruplanabilmektedir. Bir ak³kan üzerine uygulanan kuvvetler bu elemanda hz de§i³imi ile ili³kilidir.
Ak³kan-
larn hareketsizli§inin incelendi§i konular ak³kanlar stati§i kapsamnda iken,
bir kuvvet varl§nda ak³kanlarn hareketini inceleyen konu ak³kanlarn dinami§i olarak tanmlanr. Ak³kanlar katlardan ayran en önemli özellik durgun haldeyken te§etsel gerilime sahip olmamalardr. Ak³kanlar birbirinden
ayran en önemli özellik viskositedir ve viskozitesine göre Newtonian ve non-
Newtonian ak³kan olarak gruplanr. Newtonian ak³kanlar Newton'un viskozite
kanununa uyarken, non-newtonian ak³kanlar uymazlar.
Borusal akm ve huni düzene§i deneyi kapsamnda kullanlan ak³kan havadr.
Bu tür ak³kanlarn noktasal (lokal, yerel) hzlarnn bulunmasnda ak³ ölçerlerden biris olan pitot borusu kullanlabilir. Pitot borusu sürtünmezsi olarak
sadece kinetik enerji de§i³imi ile basnç dü³mesi meydana getiren oldukça basit düzenektir.
Pitot borusunda alnan basnç dü³mesi de§erleri ile noktasal
hz hesab yaplabilir. Statik ve durgunluk basnc olarak tanmlanan iki de§er
pitot borusundan ölçülebilir. Statik basnç akm ile birlikte hareket etmekte
olan bir düzenek tarafndan ölçülebilmekte iken, durgunluk basnc akan bir
ak³kanda sürtünme yaratlmakszn sfr hza yava³latld§ zaman elde edilir.
Sistemde yer alan di§er bir ak³ ölçer orsmetredir ve orsmetre basnç dü³mesi
verilerinden yararlanlarak ortalama hz hesab yaplmasna olanak sa§lar.
Amaçlar
Durgun havann sk³trlmasnn ihmal edilebilece§i kadar dü³ük bir basnç
fark altnda genle³mesinden do§an akm olayn çe³itli ak³ ölçerlerde ve düz
boruda incelemektir.
Materyal ve Metot
Ek'de verilen deney düzene§i 75 mm çapl boru ve 38 mm çapl orsmetreden
olu³maktadr. Borunun sonunda bulunan sürgülü vana yardmyla istenen debide hava akm sa§lamaktadr. Hunideki eksenel basnç de§i³imleri mikrometreye ba§l ve eksen boyunca hareketli bir manometre kolu ile ölçülebilmektedir. Boruya giri³ten itibaren çe³itli uzaklklarda statik basnç ölçüm tapalar
yerle³tirilmi³tir.
Ayrca boru kesitindeki basnç da§lmn ölçmeye yarayan
bir mikrometre konumu ölçülüp ayarlanabilen bir pitot borusu svs su olan
34
manometreye ba§lanm³tr.
Borusal Akm ve Huni
Pitot borusu belli noktalarda basnç fark oku-
masn sa§layarak yerel hz hesabna olanak sa§lamaktadr.
Deneyde hava ak³ hz sürgülü vana yardmyla ayarlanr. Fark vana açklklarnda 0-1. tapalar orismetre 14-15. tapalar pitot borusu olmak üzere 0-15.
tapa aras için her noktada basnç fark ölçümleri alnacaktr. Deney sisteminde
manometre svs sudur.
Be³ farl vana açkl§nda yakla³k be³ tane basnç
okumas yaplmaldr. Pitotda noktasal hz verilerinin okunmas merkeze konumlanm³ pitot borusunun üzerindeki göstergesinin belli aralklarla de§i³tirilerek cidara kadar getirilmesi ile yaplabilmektedir. Deney tamamland§nda
düz boru için hangi noktalarda sürtünme kayb yaplacaksa kuramsal sürtünme
kayb için o tapalar arasndaki mesafenin okunup kaydedilmesi gerekmektedir.
Havaya ait özellikler de laboratuarda yer alan termometre ve barometreden
alnmaktadr.
Borusal akm ve huni deneyi kapsamnda:
1. Orsmetrenin ba§l oldu§u basnç tapalarndan alnan basnç dü³meleri
yardmyla ortalama hz hesab ve orsmetre katsays (Co ) do§rulanmas
2. Orsmetrede kalc basnç dü³mesi hesab
3. Düz boruda deneysel/kuramsal basnç dü³mesi hesaplanmas
4. Pitot ölçümlerinden yola çklarak noktasal hz hesab ve bu verileri kullanarak saysal yöntemlerle ortalama hz ve debi hesaplanmas
5. 4. Maddede yaplan ortalama hz hesaplamasnn maksimum hz ölçümlerine göre (Re
− Vort /Vmax )
gra§i ile kar³la³trlmas
6. Havann bastrlabilir/bastrlamaz oldu§u varsaymnn Mach says hesaplanarak do§rulanmas
eklinde deney verileri de§erlendirilecektir.
Ek Bilgiler
Hesaplamalarda a³a§daki ek bilgiler kullanlabilir.
ρhava
: havaya ait scaklk ve basnç de§erlerinden tablolardan okunabilir
ρsu
: suyun scakl§na ba§l olarak tablolardan okunmaldr.
35
Borusal Akm ve Huni
Figure 6.3.1: Borusal akm ve huni deney sistemi
36
Borusal Akm ve Huni
Kaynaklar
Engineering, Mc Graw Hill, New York, (2005), p.225
[2] R. Berber,
Kimya Mühendisli§inde Ak³kanlar Mekani§i,
Ankara
Üniversitesi Fen Fakültesi, Ankara, (1982)
Hazrlk Sorular
1. Ak³kan nedir? Nasl snandrlr? Açklaynz
2. Viskozite nedir? Newton'un viskozite kanununu açklaynz.
3. Manometre nedir? Ne i³e yarar? Kaç tüp manometre vardr? Deney sisteminizde kullanlan hangi tipe girer? Basnç farkn nasl hesaplarsnz?
4. Orismetre nedir? Ne i³e yarar. Çal³ma prensibinin anlatnz.
5. Pitor borusu nedir? Orismetreden fark nedir? Açklaynz.
6. Mach says nedir. Ne amaçla hesaplanr.
7. Düz boruda sürtünme kayplarn nasl hesaplarsnz.
1. Deney sisteminde nasl bir deneysel çal³ma yapmay planlyorsunuz?
2. Pitot tüpünde ortalama hz hesab için deney tasarmn nasl yapacaksnz?
3. Orismetrede ortalama hz hesab için nals ölçümler almalsnz?
4. Düz boruda deneysel sürtünme kayb hesaplamak için nasl bir deney
tasarm yaplmaldr
5. Sürgülü vana ile ilgili bir deney tasarm yapnz.
Prof.Dr. Emine Bayraktar
Prof.Dr. Süleyman Karacan
Ara³.Gör. Eda Semizer
37
Svlarn Kar³trlmas
6.4 SIVILARIN
KARITIRILMASI
38
Svlarn Kar³trlmas
Genel Bilgiler
Svlarn kar³trlmas, ak³kanlar mekani§ine dayanr ve birçok endüstride
yer alr.
Kar³trma; birbirine kar³mayan iki svnn bir arada tutulmasn
sa§lamak, katlarn sv içinde çözünmesini sa§lamak, sv ile etrafndaki ceket
arasnda s aktarmn sa§lamak, bir gazn sv içinde küçük kabarcklar halinde
da§tlmas gibi çe³itli maksatlar için yaplr.
Amaçlar
•
•
•
•
•
Kar³ma düzenini incelemek
Güç hesab
Kat partiküllerin sv içerisinde da§lm hzlarn gözlemlemek
Birbirine kar³mayan iki svnn kar³ma rejimini gözlemlemek
Homojen kar³m de§i³ik tip ve hzlardaki kar³trclar ile elde etmek
Materyal ve Metot
1. Deney:
De§i³ik kar³ma düzenini görmek maksadyla, a³a§daki kar³trc
tiplerinin denenmesi (Tank yüzeyden 0.3 m a³a§ kadar su ile doldurulur)
•
•
•
•
Pervane tipi kar³trc
Düz kar³trc
Türbin tipi kar³trc
Engelli ve engelsiz tanklarda
2. Deney:
Yukarda verilen kar³trclarn, de§i³ik hzlarda güç tüketiminin
hesaplanmas
Kar³trma svs: Ya§
Kar³trma seviyesinde kar³trcnn ucuna (0.075 x 0.06 m)' lik düz bçak
kar³trc yerle³tirilir. Denge ayar mengenesi serbest braklr ve dinamometre
kolunun serbest hareket etmesine izin verilir. Nötral pozisyonda dinamometre
kolunu set etmek için gerekti§inde gerilim ipi ayarlanr. Kar³trcya 25 rpm'
lik art³larla kar³trma hz artrlr.
Tankn a§zna svnn gelmesine veya
kar³trc merekzinden hava girene kadar hz ve güç kaydedilir. Deney türbin
kar³trc kullanlarak tekrar edilir ve her iki kar³trcyla engelli ve engelsiz
durumlar için deney tekrar edilir. Seçilen ya§n viskozitesine ba§l olarak daha
küçük çapl kar³trclarn özgün e§rilerini çizmek için yeterli do§rulukta güç
ölçümlerin bulunmasnda baz zorluklar ortaya çkabilir.
39
Svlarn Kar³trlmas
Deney verilerinin de§erlendirilmesi
A³a§daki e³itlikler kullanlarak kar³trcnn harcad§ güç hesaplanr.
T or kolu (r) = 0.11m
Açsal hz
2π
) = rad s−1
60
T or = Kuvvet x T or kolu (r)
(ω) = rpm (
G (W ) = T or (N m−2 )
Her bir kar³trc için açsal hz (rad s
x Açsal hz
(ω, rad s−1 )
−1 )-güç (W) çizelgesini olu³turunuz,
verileri gra§e geçiriniz. E§rilerin ³eklini tart³nz.
Düz bçak (0.09x0.06 m) engelsiz
Düz bçak (0.09x0.06 m) engelli
Türbin engelsiz
Türbin engelli
3. Deney:
Farkl tiplerde ve farkl hzlardaki kar³trclarn sv içerisindeki
kat partiküllerin da§lm hzlarna etkisini gözlemlemek
Kar³trma svs: Su ve 14-100 mikron kömür partikülleri
4. Deney:
Birbirine kar³mayan svlarn kar³trlmas, farkl tip ve hzlarda
kar³trclar ile engelli ve engelsiz tanklarda gözlemlemek
Kar³trma svs: Su ve Ya§
5. Deney:
Farkl kar³trc ve hzlarda engelli ve engelsiz tanklarda potasyum
klorür (KCl) gibi bir tuz ilavesi ile suyun homojenli§inin ölçülmesi
Tank yüzeyden 0.3 m a³a§ kadar su ile doldurulur ve (0.075x0.06 m)' lik düz
kürek kar³trc ³aft' n ucuna karga³a seviyesinde taklr. 25 g KCl iletkenlik duyargacnn kar³ tarafndaki bir noktadan kar³trc çeperine yakn yerden su yüzeyine yava³ça eklenir.
hznda kar³trc çal³trlr.
125, 250, 375 ve 500 rpm' lik 4 kar³trma
Her bir hzda yat³kn duruma gelinceye kadar
aralkl zamanlarda alnan iletkenlik de§erleri gözlenir ve kaydedilir. Bu yöntem, türbin kar³trcyla 125, 250, 375 ve 500 rpm' lik kar³trma hzlarnda ve
her bir kar³trma hznda 25 g' lk tuzun eklenmesiyle deneyler tekrar edilir.
Pervane kar³trc içinde 125, 250, 375 ve 500 rpm lik kar³trma hzlarnda
deney tekrarlanr. Dört kar³trma hz içinde yöntem engelli ve engelsiz durumda tekrarlanr. Deney sonunda tam kar³m³ çözeltiye ula³mak için engel
ve kar³trc tipi etkileri tart³lr.
40
Svlarn Kar³trlmas
Kaynaklar
[1] W.L. Mc Cabe, J.C. Smith,
Unit operations of Chemical Engineering,
McGraw Hill, 4th Ed. (1985).
Figure 6.4.1: Kar³trmal tank deney sistemi
41
Svlarn Kar³trlmas
Çizelge 6.4.1: Kar³trc tiplerine göre güç hesab
Kar³trc tipi
Açsal hz
(Angular speed)
(rpm)
Açsal hz, ω
(Angular speed)
(rad s−1 )
Kuvvet, F
(Force)
(N )
Tor, T
(Torque)
(N m−2 )
Güç, P
(Power)
(W )
Figure 6.4.2: Güç hz ili³kisi
Prof.Dr. Gülay Özkan
Doç.Dr. Zehra Zeybek
Ara³.Gör. Özlem Aydo§an
42
6.5
Ak³kanla³trma
AKIKANLATIRMA
43
Ak³kanla³trma
Genel Bilgiler
1.
Sabit Yataklarda Basnç Dü³mesi
Sabit yatakta basnç dü³mesi a³a§daki e³itlik (ERGUN Denklemi) ile
verilebilir. Buna göre; Yataktaki toplam basnç dü³mesi, VSKOZ kayplar ve KNETK kayplarn toplam ³eklinde ifade edilmektedir.
(Toplam Basnç Dü³mesi) = (Viskoz Kayplar) + (Kinetik Kayplar)
∆P
(1 − m ) ρu2o
(1 − m )2 µ uo
+ 1.75
= 150
3
2
L
m
(ϕs dp )
3m
ϕs dp
Burada ;
∆P
L
m
µ
uo
ϕs
:
:
:
:
:
:
Sabit yataktaki basnç dü³mesi
Dolgu yüksekli§i
Yatak bo³luk (voidage) kesri
Ak³kan (hava) viskozitesi
Bo³ kolon bazl çizgisel hz
Küresellik ³ekil (shape) faktörü
(
dP
ρ
2.
:
:
Hacmi bilinen düzgün bir kürenin yüzey alan
Ayn hacimli parçac§n yüzey alan
)
Parçack çap
Ak³kan (hava) yo§unlu§u
Ak³kan Yatakta Basnç Dü³mesi
Ak³kan yatakta basnç dü³mesi a³a§daki e³itlik ile verilebilir.
Dolgu
a§rl§nn yatak kesitine oran olarak da verilebilen bu e³itlik, ayn zamanda ak³kanla³trma havas ile askda tutulan kat a§rl§na zt yönde
etkiyen kuvveti ifade etmektedir.






Y atak
Katnn
Y atak
Y ataktaki
 kesitinde 
Y
atak

  kesit  =

  spesif ik 
kat
 basnç 
hacmi
alan
kesri
a§rl§
dmesi

(∆P ) (Sb ) = (Sb Lmf ) (1 − mf ) [(ρp − ρ)g]
∆P
= (1 − mf )(ρp − ρ) g
Lmf
44
Burada;
∆P
Lmf
mf
ρp
ρ
g
3.
:
:
:
:
:
:
Ak³kanla³trma
Ak³kan yatakdaki basnç dü³mesi
Minimum ak³kanla³ma ko³ullarndaki yatak yüksekli§i
Minimum ak³kanla³ma ko³ullarndaki yatak bo³luk (voidage) kesri
Parçack yo§unlu§u
Ak³kan yo§unlu§u
Yerçekimi ivmesi
Minimum Ak³kanla³ma Hz
Minimum ak³kanla³ma hz a³a§daki e³itlik ile verilebilir.
Minimum
ak³kanla³ma hznn formülasyonu, ak³kan yataktaki basnç dü³mesi ile
sabit yataktaki basnç dü³mesinin birbirine e³itlenmesi ile bulunmu³tur.
Ar =
Burada;
4.
Ar
Remf
:
:
mf
ϕ
g
dp
ρ
ρp
µ
Umf
:
:
:
:
:
:
:
:
150(1 − mf )
1.75
(Remf )3 +
(Remf )2
3
2
ϕ mf
ϕ 3mf
ARCHIMEDES says (Ar = gd3p ρ(ρp − ρ)/µ2 )
Minimum ak³kanla³ma ko³ullarndaki REYNOLDs says
(Remf = dp Umf ρ/µ)
Minimum ak³kanla³ma ko³ullarndaki yatak bo³luk (voidage) kesri
Küresellik ³ekil (shape) faktörü
Yerçekimi ivmesi
Parçack çap
Ak³kan yo§unlu§u
Parçack yo§unlu§u
Ak³kan viskozitesi
Minimum ak³kanla³ma hz
Yatak Bo³luk Kesri
Yatak bo³luk kesri, yatakta bulunan kat hacmi d³ndaki bo³luk hacminin
yatak hacmine oran olup a³a§daki e³itlik ile verilebilir.
=
ρb
Vb − Vp
Vp
VBOLUK
ρb
=1−
=1−
=⇒ mf = 1 − mf
=
VYATAK
Vb
Vb
ρp
ρp
Amaçlar
Bu deneysel çal³mada, belirli büyüklükte kat parçack (ak³kan yatak dolgu
maddesi) içeren bir ak³kan yatakta, basnç dü³mesinin (∆P , mmH2 O) ve
yatak yüksekli§inin (H, mm), gaz geçi³ hz (U, m/s) ile de§i³iminin graksel
olarak ortaya konmas amaçlanmaktadr. Bu amaçlar a³a§da sralanm³tr.
•
Yataktaki basnç dü³mesinin, gaz geçi³ hz ile de§i³iminin (Artan/Azalan)
belirlenmesi (Artan yönde ve azalan yönde U-P de§i³iminin graksel
olarak çizilerek kyaslanmas)
45
•
Ak³kanla³trma
Yatak yüksekli§inin, gaz geçi³ hz ile de§i³iminin belirlenmesi (Artan
yönde ve azalan yönde U-H de§i³iminin graksel olarak çizilerek kyaslanmas)
Materyal ve Metot
1. Kompresör çal³trlr.
2. Sisteme hava beslemesi yaplmadan önce hava ak³ hz sfr de§erinde
iken yatak yüksekli§i, oristeki basnç dü³mesi (Orice Dierential Pressure) ve yataktaki basnç dü³mesi (Bed Chamber Pressure) de§erleri
deneysel ölçüm ve tespit listesine i³lenir.
3. Sisteme hava besleyen vana (Air Flow Control Valve) kademeli olarak
açlr, her kademede sistemdeki veriler artan yöne ait olan deneysel ölçüm
ve tespit listesine i³lenir.
4. Hava ak³ hz belli bir de§ere ula³t§nda da§tc (Distributor) üzerindeki
yatak (Bed) bölgesinde katlarn hareketlendi§i gözlenir.
5. Artan yönde veri alnmas tamamland§nda, hava ak³ hz kademeli
olarak azaltlarak gerekli veriler azalan yöne ait olan deneysel ölçüm ve
tespit listesine i³lenir.
6. Veri alnmas tamamlandktan sonra sisteme hava besleyen kompresör ve
vana srasyla kapatlr.
Kaynaklar
[1] J. F. Davidson, D. Harrison,
[2] S. Ergun,
Fluidisation, Academic Pres, London, (1971).
Chem. Eng. Prog., 48, 89, (1952).
[3] D. Geldart,
Gas Fluidisation Technology,
Wiley Interscience Pub.,
Britain, (1986).
[4] D. Geldart,
Powder Technology, 7, 285, (1972).
[5] J.R. Howard,
Fluidized Beds-Combustion and Applications,
Appl.
Sci. Pub. London, (1983).
[6] D. Kunii, O. Levenspiel,
46
Ak³kanla³trma
Figure 6.5.1: Ak³kanla³trma ünitesi deney sistemi
A
Amper
EPRS
A³r basnç çk³
(+)
Positif elektrik yükü
AFCV
Hava ak³ kontrol vanas
F
Sigorta
R
Rotametre
AI
Hava giri³i
FB
Ak³kan yatak
S
Açma-kapama
Atm.
Atmosferik basnç
H
Istc
T1
Istc scakl§
B
Yatak
HAFO
Oris
T2
Yatak scakl§
BCP
Yatak basnc
HC
Istc kontrol
T3
Hava giri³ scakl§
BH
Yatak yüksekli§i
HTC
Yüksek scaklk kontrolü
TI
Scaklk göstergesi
C
Siklon
(-)
Negatif elektrik yükü
TP
Scaklk probu
D
Da§tc
ODP
Oris diferansiyel basnç
V
Volt
DC
Da§tc odas
PL
Panel Lambas
X-Y
Maks-Min. scaklk
Yatak Verileri
Yatak Dolgu Maddesi (Materyal)
:
Alümina Parçacklar
Ort. Parçack Büyüklü§ü (dp )
:
µm
3
3770 kg/m
−3
8.66x10 m2
1.3 kg
−3 m2
1.6 x10
Kat Parçack Yo§unlu§u (ρp )
:
Yatak Kesit Alan (Sb )
:
Parçack Kütlesi (M )
:
Istc Yüzey Alan (A)
:
Not:
1
= 14
ϕ3mf
250
1 − mf
= 11
ϕ2 3mf
47
Ak³kanla³trma
Hazrlk Sorular
1. Ak³kan yatak sistemlerini tanmlaynz.
2. Ak³kan yatak hangi endüstriyel alanlarda kullanlrlar?
3. Avantajlar ve dezavantajlar nelerdir?
4. Minimum ak³kanla³trma hz nedir?
5. Reynolds saysnn ziksel anlam nedir?
6. Archimedes saysnn ziksel anlam nedir?
7. Teorik ve deneysel olarak minimum ak³kanla³ma hz nasl hesaplanr?
8. Bulgularn do§rulanmas ve kar³la³trlmas nasl yaplr?
1. Minimum ak³kanla³ma hznn scakl§a ba§ll§n incelenmek için deneysel bir çal³ma tasarlaynz.
2. Sistemde güvenli çal³ma basnç aral§nn belirlenmesi için bir tasarm
yapnz.
Prof.Dr. Yahya Suyadal
Ara³.Gör. A.Ezgi Ünlü Büyüktopçu
48
Ak³kanla³trma
AKIKANLATIRMA ÜNTES
DENEYSEL ÖLÇÜM ve TESPT LSTES
Deney Tarihi
.../.../201..
Yatak Verileri
Ortalama Parçack Büyüklü§ü
Kat Parçack Yo§unlu§u
Yatak Kesit Alan
Parçack Kütlesi
dp )
(ρp )
(Sb )
(M )
(
:
Alumina Parçacklar
:
250
:
3770
:
:
µm
kg/m3
−3 2
8.66 x 10
m
1.3 kg
Hava ak³ hz de§i³im yönü :
YATAIN
Art³ Yönü
ÖZEL-
DENEMELER
LKLER
1
GÖZLEMLER
=⇒
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Oristeki basnç fark
x,
(mm
H2 O)
Havann
ölçülen
hacimsel ak³ hz
{0.229
√
x }, Qb , (L/s)
Gaz geçi³ hz (supercial velocity)
10−3 Qb /Sb
(m/s)
{
},
Yataktaki
dü³mesi
U,
basnç
∆P ,
(mm
H2 O)
Yatak yüksekli§i
H,
(
mm)
NOTLAR
Hareketsiz parçacklar, yatak genle³mesi, da§tc
üzerinde olu³an küçük kabarck hareketleri,
büyük kabarcklar
49
Ak³kanla³trma
AKIKANLATIRMA ÜNTES
Deney Tarihi
.../.../201..
Yatak Verileri
Ortalama Parçack Büyüklü§ü
Kat Parçack Yo§unlu§u
Yatak Kesit Alan
Parçack Kütlesi
dp )
(ρp )
(Sb )
(M )
(
:
Alumina Parçacklar
:
250
:
3770
:
:
µm
kg/m3
−3 2
8.66 x 10
m
1.3 kg
Hava ak³ hz de§i³im yönü :
YATAIN
Azal³ Yönü
ÖZEL-
DENEMELER
LKLER
1
GÖZLEMLER
=⇒
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Oristeki basnç fark
x,
(mm
H2 O)
Havann
ölçülen
hacimsel ak³ hz
{0.229
√
x }, Qb , (L/s)
10−3 Qb /Sb
(m/s)
{
},
Yataktaki
dü³mesi
U,
basnç
∆P ,
(mm
H2 O)
Yatak yüksekli§i
H,
(
mm)
NOTLAR
Büyük kabarcklarn patlamas, büyük kabarcklarn
kaybolmas, hareketsiz parçacklar
50
6.6
KONDÜKSYONLA
ISI AKTARIMI
51
Genel Bilgiler
Kondüksiyonla s aktarm birbirine biti³ik atom veya moleküller arasnda gözlemlenebilir hareket veya kar³ma olmadan enerji geçi³i anlamna gelir. Enerji,
yüksek ve dü³ük enerjili parçacklar arasndaki kar³lkl etkile³imler sayesinde
ta³nmaktadr. Kondüksiyon olay kat, sv ve gaz bütün maddelerde oluyorsa
da özellikle katlardaki s aktarmnn kondüksiyon a§rlkl oldu§unu belirtmek gerekir.
Borular ve s de§i³tiriciler çevreye s kaybn azaltmak üzere
yaltlrlar. Yaltm tabakasnn kalnl§ sl direnci arttrd§ için kondüksiyonu
azaltr. Fakat bu arada, ayn zamanda yaltm d³nda serbest konveksiyonun
gerçekle³ti§i yüzey büyür. Bu ise konveksiyon s aktarmn arttrc yönde etki
yapar. Öyleyse, bir kritik kalnl§a kadar yaltm tabakasn daha da arttrmak
fayda yerine zarar getirebilir. Bu kalnl§a `'kritik yaltm kalnl§ ad verilir.
Amaçlar
•
Kondüksiyonla s aktarmnn temel ilkelerinin deney düzene§i üzerinde
uygulanmas,
•
Aktarlan s ve ara yüzey scaklklarnn bulunmas
Materyal ve Metot
Deney düzene§inde s kayna§ bir direnç telidir.
Direnç teli, 80 cm uzun-
lu§unda, iç çap 8 mm ve d³ çap 10mm olan bakr boru içerisinden geçmektedir.
Bakr borunun üzerinde 1 cm kalnl§nda asbest yaltkan bulunmak-
tadr.
Asbest yaltkan da 2 cm kalnl§nda cam pamu§u ile kaplanm³tr.
Cam pamu§unun uygun bir yerine, haznesi cam pamu§u ile iyi ³ekilde temas
eden bir termometre yerle³tirilmi³tir. Direnç telinin stlmas için gerekli gerilim fark, bir varyak yardmyla istenilen bir de§erde sa§lanmaktadr. Varyak
³ehir akmna ba§lanr.
Direnç teline uygulanacak gerilim fark, varyak üz-
erindeki sürgü ile istenilen bir de§ere ayarlanr ve bu de§er kaydedilir. Sisteme
akm verilerek direnç telinin snmas sa§lanr ve bu arada termometre sürekli
olarak izlenir. Scaklk önce devaml artar ancak belirli bir de§ere ula³tktan
sonra sabit kalr, de§i³mez. Bu durum, sistemin kararl hale ula³t§n gösterir.
Bu scaklk de§eri de okunarak kaydedilir. Deney srasnda alnan bu veriler
yardmyla, direnç telinin verdi§i s ve ara yüzey scaklklar hesaplanacaktr.
•
•
•
Deneyde gerekli ölçümler sonucunda ara yüzey scaklklar hesaplanr.
Scakl§n kesitteki de§i³imi grak ve çizelge halinde gösterilir.
Kritik yaltm kalnl§ hesaplanr.
52
W
mK )
Malzeme
k (
Bakr
381.98
Asbest
0.166
Cam pamu§u
0.038
lgili E³itlikler
rkritik =
k
h
q=V I
V =I R
q=
V2
R
Kaynaklar
[1] Berber, R., O§uz, H., Erol, M., 1991. Is Aktarm, A.Ü.F.F., Ankara
[2] Erol, M., 1996. Is Aktarm Dersi için Gerekli ekil ve Çizelgeler, A.Ü.F.F.,
Ankara
Hazrlk Sorular
1. Fourier Yasasna göre kondüksiyonla s aktarm e³itli§ini yaznz ve yaltlm³
bir duvar, bir boru ve içi bo³ küreye uygulaynz.
2. Konveksiyon, radyasyon ve kondüksiyonu açklaynz.
3. çeride so§uk hava bulunduran bir boru d³ardan scak hava ile temastadr. Is transferini açklaynz, tüm s transfer katsaysn yaznz.
4. Bir boru içinden s kayna§ olan direnç teli geçmektedir.
yaltkan ile kaplanm³tr.
Bu boru iki
Is transferini açklaynz ve tüm s aktarm
katsaysn yaznz.
5. Bir silindirik yüzey yaltm malzemesi ile kaplanm³tr.
Minimum sl
direnç hangi kalnlkta sa§lanr? Is aksnn maksimum oldu§u durumu
açklaynz.
6. Kritik yaltm yarçap 1 cm olan bir yaltkan ile 2 cm d³ çapndaki bir
boruyu kapland§nda s kayb azalr m? Açklaynz.
1. Açk havada do§al konveksiyona maruz d³ çap 32 cm olan bir çelik
boru, silindirik olarak 1 cm kalnl§ndaki betonla kaplanyor. Boru ve
53
Figure 6.6.1: Kondüksiyonla s aktarm deney sistemi
hava arasndaki scaklk fark 40
h = 12
o C dir. Çelik-hava ve beton-hava için
W
alnz. Buna
k = 1.4 mK
W
ve beton için sl iletkenlik katsays
m2 K
göre;
(a) 24000 W s kayb toplam kaç metrelik boruda gerçekle³ir?
(b) Beton kalnl§na kar³ s kayb de§i³im gra§ini hazrlaynz. Grak
üzerinde kritik yaltm yarçapn gösteriniz.
(c) Ayn uzunluktaki boruda daha az s kayb olmas için hangi yaltm
malzemelerini önerirsiniz?
(d) En az bir yaltkan (yaltm malzemesi) adn vererek bu yaltkan için
ayn ko³ullarda ve uzunluktaki s kaybn hesaplaynz.
2. 300
K scakl§nda havaya maruz kalan 1.5 mm çapndaki elektrik kablosu
I ) Plastik bir yaltkan ile 2.5 mm kalnl§nda kaplanyor.
II ) Yünsü bir yaltkan ile 2.5 mm kalnl§nda kaplanyor.
W
K , ho = 20 mW
2 K , plastik yaltkan için k = 0.4 mK ,
W
yünlü yaltkan için k = 0.029
mK alnz. Kablo yüzey scakl§nn 400 K
Hava scakl§ 300
oldu§u ve yaltkandan etkilenmedi§i varsaylyor. Buna göre;
(a) Kritik yarçap de§erini,
(b) Yaltmsz durum için 20 m kablodan s kaybn,
(c) Plastikle kapl 20 m kablodan s kaybn,
(d) Yünsü yaltm malzemesi ile kapl 20 m kablodan s kaybn hesaplaynz.
(e) 300
K scakl§nda, hareketli hidrokarbonlardan olu³an ortama maruz
54
kalan, 1.5 mm çapndaki bir elektrik kablosu için ayn problemi
tekrar çözünüz.
ho = 1200
W
alnz.
m2 K
Sonuçlar kar³la³trnz
ve yorumlaynz.
3. D³ çap 0.0508 m ve iç çap 0.0254 m olan kaln duvarl 0.305 m uzunlu§undaki çelik bir boru 0.0254 m kalnl§nda amyant ile kaplanyor.
Yaltmn d³ yüzey scakl§ 310.8
dir.
Çelik için
k = 21.63
K
ve boru iç yüzey scakl§ 811
W
mK , amyant için
k = 0.2423
K
W
mK 'dir. Buna
göre;
(a) Is kaybn hesaplaynz.
(b) Boru ve yaltm arayüzey scakl§n hesaplaynz.
(c) Önerece§iniz iki farkl yaltm malzemesi ile s kaybn ayn durum
için hesaplaynz.
(d) Her yaltm malzemesi için boru-yaltm arayüzey scaklklarn hesaplaynz.
4. 1.050 in d³ çap ve 0.824 in iç çapa sahip metal bir boru içinden 267
o F s-
caklkta doygun buhar geçmektedir. Bu boru 1.5 in kalnl§nda yaltm
malzemesi ile kaplanm³tr.
Borunun buharla temas etti§i iç yüzeyde
hi = 1000 f t2Btu
, d³ ortamda konh oF
Btu
veksiyonla s aktarm katsays ho = 2
, metalin s iletim katsays
f t2 h o F
Btu
k = 26 f t h o F dr. Boru uzunlu§unu 1 ft, borunun içinde bulundu§u
o
hava scakl§n 80 F olarak alnz. Buna göre;
konveksiyonla s aktarm katsays
(a) Borudan s kaybn bulunuz.
(b) Önerece§iniz iki farkl yaltm malzemesi ile ayn problem için s
kayplarn bulunuz.
Bir yaltm malzemesi öneriniz ve di§eri ile
kar³la³trnz.
(c) Boru iç yüzey alanna
Ai 'ye
dayal
Ui 'yi
farkl yaltm malzemesi
kullanm durumlarna göre ayr ayr hesaplaynz.
Ara³.Gör. Adnan Aldemir
55
6.7
ÇAPRAZ AKIM
ISI DETRC
56
Genel Bilgiler
Çe³itli ³ekillerde (üçgen ya da dikdörtgen dizili³) sralanm³ scak silindirler
demeti üzerinden çapraz akmla geçirilen havann stld§ sistemlerde s aktarm olaynn incelenmesidir.
Amaçlar
•
Bakr çubuk sabit konumda iken s aktarm katsaysnn hava ak³ hz
ile de§i³imi, Nusselt ve Reynolds saylar arasndaki deneysel ili³kinin
saptanmas.
•
Belirli bir çubuk düzeninde ve sabit hava akm hznda s aktarm katsaysnn çubuk sralarna göre de§i³imi.
•
Çubuklar üçgen ya da dikdörtgen gibi de§i³ik düzenlerde dizilmi³ken,
sabit hava ak³ hzndas aktarm katsaysnn çubuk düzenine göre de§i³imi.
Materyal ve Metot
Düzenek esas olarak havann bir santrifüj üeç (fan) yardm ile içeriye emildi§i
çal³ma bölgesinden olu³mu³tur.
Çal³ma bölgesinin içine, akm yönüne dik
gelecek ³ekilde perpeks çubuklar yerle³tirilir.
Deney esnasnda bu çubuk-
lardan biri, so§uma hznn kaydedilece§i, önceden stlm³ olan bakr çubuk
ile de§i³tirilir.
Hava, düzene§e uç taraftaki geni³ a§zdan girer.
Üeç çk³
düzenek içindeki hava hznn ayarlanabildi§i sürgülü bir vanaya ba§ldr. Ayrca
tüp demetinin ön ksmndaki akm düzenini incelemek amacyla hz yüksekli§inin okunaca§ bir basnç-ölçer vardr.
Bakr çubuk elektrikli bir stcda
stlarak, scakl§ göstergeden do§rudan okunmaktadr.
Perpeks çubuklar çal³ma bölgesine istenilen düzende yerle³tirilir, basnçölçer ba§lantlar yaplr, sürgülü vana açkl§ ayarlanr.Bakr çubu§un sl çift
uçlar scaklk göstergesindeki giri³ uçlarna taklr, çubuk elektrikli stcda
yerine yerle³tirilerek stc çal³trlr. Çubu§un 60-70
◦ C scakl§a kadar sn-
mas sa§lanr.Üeç çal³trlr, bakr çubuk stcdan alnarak çal³ma bölgesindeki yerine yerle³tirilir.Kronometre çal³trlr, belli zaman aralklarnda
(örne§in her 10 s'de bir) çubu§un scakl§ okunarak kaydedilir.
Deney sonunda a³a§daki hesaplamalar yaplr.
1. Bakr çubu§un so§uma e§risi çizilir.
2. Is aktarm katsays hesaplanr.
57
3. Hava akmnn Nusselt ve Reynolds saylar bulunur.
Deney düzene§i tasarlanrken silindirik bakr çubuktan kaybolan tüm snn,
üzerinden geçen hava akmna aktarlaca§ varsaylm³tr.
Ayrca, çubu§un
içindeki scaklk de§i³imlerinin ihmal edilebilece§i varsaym ile merkeze yerle³tirilmi³ sl çift, etkin yüzey scakl§n vermektedir.
Çubuktan havaya s aktarm hz:
q = h.A1 (T − Th )
dt zaman aral§nda çubuk scakl§ndaki dü³me:
−q.dt = m.c.dT
³eklinde yazlabilir. Burada
alann,
T
çubuk scakl§n,
h s aktarm katsaysn, A1 çubu§un etkin yüzey
Th hava scakl§n, m çubuk kütlesini ve c bakr
çubu§un özgül ssn göstermektedir.
ki denklemin birlikte çözümünden,
−
dT
= h.A1 mcdt
T − Th
ve bu denklemin integrali alnp
t = 0'da T = To
ba³langç ko³ulu yerine
konulursa
ln (T − Th ) − ln (To − Th ) = h.A1 mcdt
denklemi elde edilir. Bu denkleme göre t'ye kar³
ln (T −Th ) gra§i e§imi
−hA1
m.c
olan bir do§ru vermektedir. So§uma e§risi olarak isimlendirilen bu grakten
s aktarm katsays
h
bulunur.
Çubuk demetini geçen havann çizgisel hzn saptamak amacyla çal³ma bölgesi giri³indeki hz yüksekli§inden yararlanlr.
etkisiyle genle³en
oldu§u gibi
∆P
ρ
V1
hz
∆P
basnç farknn
yo§unlu§undaki havann hz olarak dü³ünülebilir. Burada
de§eri çok küçükse, sk³trlabilme de ihmal edilecek kadar
küçük olaca§ndan a³a§daki e³itlik yazlabilir.
V1 22 = ∆P ρ
Hz yüksekli§i,
H1 cmH2 O cinsinden ölçülür.
1
cmH2 O = 98.1 N/m2 oldu§un-
dan a³a§daki ³ekli alr.
V1 22 = (98.1H1 )ρ
58
PA
basncnda,
Th
scakl§ndaki havann yo§unlu§u:
ρ = PA .MA RTh
ve
MA
= 29 kg/kmol, R=8314 j/kmol.K de§erleri yerine konulursa
V1 = 237.3H1 Th PA
bulunur. Genellikle bir çubuk sras boyunca etkin hz hesaplanaca§ zaman
bu de§ere temel olarak en az akm alan seçilmelidir.
Bütün çubuklar kul-
lanld§ zaman bu alan, 5 çubuk içeren bir sra halinde çapraz bir düzlemden
olu³mu³tur.
Çubuklarn çaplar 1.25 cm ve çal³ma bölgesinin geni³li§i 12.5
cm oldu§una göre; etkin alan çal³ma bölgesinin yarsdr ve bu durumda
V2 = 2V1
yazlabilir. Tek bir çubukla çal³ld§ zaman ise en az akm alan tüm çal³ma
bölgesi alannn 9/10'udur.
V =
V1 = Çal³ma bölgesi giri³indeki
V = Çubuk demeti bölgesindeki
10
V1
9
hz
hz
Konveksiyonla s aktarm temellerine göre;
h
s aktarm katsays,
V 'nin
ve
a³a§daki ba§msz de§i³kenlerin fonksiyonu olmaldr.
h = f (V, Do , Cp, k, ρ, µ)
Boyut analizi yaplarak
h
ve ba§msz de§i³kenler arasndaki ba§ntnn a³a§-
daki gibi oldu§u görülmü³tür.
hDo
ρV Do Cpµ
= f(
,
)
k
µ
k
Buradaki boyutsuz gruplar Nusselt (N u), Reynolds (Re)ve Prandtl (P r ) saylardr.
Aslnda geni³ bir aralktaki ko³ullar altnda gazlar için Prandtl says pratik
olarak sabittir ve s aktarm hz sadece Reynolds saysnn bir fonksiyonudur.
Kaynaklar
[1] Perry, R.H. and Chilton C.H. (2000). Chemical Engineer's Handbook, 7nd
Ed., Mc Graw-Hill, USA.
[2] Geankoplis, C.J. (1983). Transport Process and Unit Operations, 2nd Ed.,
USA
59
[3] Coulson, J.M. and Richardson J.F. (1977). Chemical Engineering, Vol. 1,
3rd Ed., USA
Hazrlk Sorular
1. Kondüksiyon ve konveksiyon terimlerini açklaynz.
2. Gazlarda ve svlarda kondüksiyonla s aktarm olabilir mi?
3. Isl iletkenlik katsays (k) nedir?
Gaz, sv ve katlarn sl iletkenlik
katsaylar scaklk ile nasl de§i³ir? k kat, k gaz ve k sv büyüklükleri
arasnda nasl bir ili³ki vardr?
4. Paralel akm, ters akm, çapraz akm ve yo§u³ma için konuma kar³ scaklk e§rilerini çiziniz.
5. Is aktarmna direnç gösteren lm tabakas nasl olu³maktadr? Is aktarm katsays (lm katsays) nedir ve nelerin fonsiyonudur?
6. Is aktarm katsaysn bulmak için kullanlan korelasyonlarn ortak özelli§i nedir?
7. Istlm³ kat bir levha üzerinden geçirilen hava sistemindeki s aktarmn
anlatnz ve matematik ifadesini yaznz.
8. Çapraz akm de§i³tiricisi için pratikte uygulanan bir örnek bulunuz. Di§er
gruplarn yazdklar ile ayn olmamaldr.
9. Çapraz akm sisteminde 12.5 cm geni³li§inde bir bo³luk içine 5 adet 1.25
cm çapl çubuk yerle³tirilmekte ve hava çubuklara dik olarak çubuklar
üzerinden geçirilmektedir.
Bo³lu§a giren havann çizgisel hz V1 ise,
sistem içindeki havann hz V ne olacaktr? Çubuk says 1 olursa V ne
olur?
1. Dörtgen dizili³ ile çal³an çapraz akm s de§i³tirici sisteminde, havay
stan çubuk belli bir konumda iken Reynolds says ile Nusselt says
arasndaki ili³kiyi bulmak üzere bir deney tasarlaynz.
Bu ili³kide Pr
saysn sabit alabilme varsaymnz belirtiniz.
2. Çapraz akm s de§i³tirici sisteminde türbülansn s aktarmna etkisini
göstermek üzere bir deney tasarlaynz
Prof.Dr. Serpil Takaç
Prof.Dr. Burhanettin Çiçek
60
Figure 6.7.1: Çapraz akm s aktarm deney sistemi
Çal³ma Bölgesi Geni³li§i
Çal³ma Bölgesi Yüksekli§i
Çubuklarn Çap
Çubuklarn Dikey Uzunluklar
Çubuklarn Yatay Uzunluklar
Bakr Çubu§un Çap
Bakr Çubu§un Uzunlu§u
Bakr Çubu§un Etkin Uzunlu§u
Bakr Çubu§un Kütlesi
Bakr Çubu§un Özgül Iss
12.5 cm
12.5 cm
1.25 cm
2.5 cm
1.875 cm
D=1.242 cm
L=12.5 cm
L1=L+0.84=13.34 cm
m=0.1093
c=380 j/kg ◦ C
61
6.8
HAVADAN SUYA
ISI AKTARIMI
62
Genel Bilgiler
Endüstride scak baca gazlar do§rudan atmosfere verilmeyip duyulan slarndan yararlanlarak so§uk bir proses svsn belli scakl§a getirmek için kullanlr. Bu amaçla çift borulu s de§i³tirici, boru-ceket tipi s de§i³tirici gibi
sistemler kullanlmaktadr. Havadan-suya s aktarm deneyi kapsamnda çift
borulu s de§i³tirici sistemi ile so§uk proses svs olan suyun scak ak³kan
olan hava ile stlmas amaçlanmaktadr.
Çift borulu s de§i³tiriciler genel-
likle standart demir ya da bakr borulardan olu³maktadr. Bir ak³kan içteki
borudan akarken, di§eri d³taki borudan dola³r.
Bu tür s de§i³tiricilerin
görevi scak olan ak³kan so§utmak, so§uk olan ise stmaktr. Özellikle fazla
yüzey alannn gerekmedi§i durumlarda uygundur. Daha büyük kapasiteli yani
daha geni³ yüzey alan gereken durumlarda ise boru-ceket tipi s de§i³tiriciler
kullanlmaldr.
Çift borulu s de§i³tiriciler paralel ya da zt akmla çal³abilmektedir. Paralel
akm tek geçi³li bir s de§i³tiricide nadiren kullanlr. Çünkü paralel akm ile
stcdan çkan ak³kann scakl§n, di§erinin giri³ scakl§na kadar çkarmak
olanakszdr. Ayrca aktarlabilen s, ters akml s de§i³tiricininkinden azdr.
Ancak baz özel durumlarda çok geçi³li s de§i³tiricilerde, mekanik yapsal
nedenlerden dolay paralele akm gerekli olabilir. So§uk ak³kann çk³ scakl§nn snrlanmasnn gerekti§i ya da ani so§utmann istendi§i durumlarda
paralel akm tercih edilmelidir. Havadan suya s aktarm deneyi kapsamnda
zt akmla so§uk ak³kan olan ³ebeke suyu scak ak³kan olan hava ile stlacak
ve sisteme ait deneysel/kuramsal hesaplamalar yaplacaktr.
Amaçlar
•
Scak hava akmndan so§uk proses svs olarak dü³ünebilecek suya s
aktarm hzn etkileyen dirençlerin göstergesi olan lm s aktarm katsaylar ve tüm s aktarm katsaylarnn deneysel ve kuramsal olarak
belirlenmesi
•
•
Deneysel olarak Nusselt=f(Reynolds, Prandtl) ili³kisinin bulunmas
Deneysel ili³kinin literatürde yer alan Sieder-Tate, Dittus-Boelter korelasyonlar ve ampirik ba§ntlarla kar³la³trlmas
Materyal ve Metot
Deney düzene§i e³ merkezli bakr ve pirinç borulardan olu³maktadr.
çteki
borudan scak hava d³taki ksmdan so§uk ak³kan olan su geçmektedir. Sistem çift borulu s de§i³tirici ve zt akmla çal³maktadr. Hava ak³ hz, su
ak³ hz ve hava scakl§ de§i³tirilebilmektedir. Sistem, hava giri³ scakl§n
63
en yüksek 270
bilmektedir.
◦ C ve ak³ hz Reynolds says 30000 olacak ³ekilde çal³trla-
Bunu sa§layan kontrol panosu üzerinde, stc ve fan kontrol
dü§meleri, elektrik akm-voltaj göstergeleri ve ana elektrik ³alteri stc vardr.
Sistemde scaklk de§eri okumalar 4 adet sl çiftten yaplmakta ve Çizelge 6.8.2
ye kaydedilmektedir. Deney sistemine ait veriler Çizelge 6.8.1 de verilmi³tir.
Deney sistemi uzunlu§u
1.85 m
Bakr borunun (iç boru) iç çap
1.91 cm
Bakr borunun (iç boru) d³ çap
2.08 cm
Bakr borunun (iç boru) iç yüzey alan
0.1108 m
Bakr borunun (iç boru) d³ yüzey alan
0.1208 m
2
Pirinç borunun (d³ boru) iç çap
2.54 cm
Suyun geçti§i halkann e³ de§er çap
1.04 cm
2
Deneyin Yapl³
Sistemde so§uk ak³kan olan su üst ksmda yer alan tanktan sa§lanr. Öncelikle sisteme su sa§layacak musluklar açlr.
Belli süre sonra sisteme üeç
yardmyla hava beslenir ve stc istenilen de§ere getirilerek hava stlmaya
ba³lanr. Suyun giri³ scakl§ tanktan alnan örnekten termometre yardmyla
yaplr. Sistem yakla³k 40 dakika kadar yat³kn ko³ula gelmesi için beklenir.
Sistem yat³kn ko³uldayken yakla³k birer dakika aralklarla 3 adet veri alnr
ve Çizelge 6.8.2 ye kaydedilir. Suyun çk³ scakl§ ve debisi sistemden ayrlan
hortumdan termometre ve mezür yardmyla yaplr. Deney tamamlandktan
sonra stc kapatlr ve sistem so§utulmak üzere üeç sonuna kadar açlr.
Çizelge 6.8.2: Deney verilerinin kaydedilmesi
Birim
Hava giri³ scakl§
Hava çk³ scakl§
Giri³te hava taraf cidar scakl§
Çk³ta hava taraf cidar scakl§
Su giri³ scakl§
Su çk³ scakl§
◦
◦
◦
◦
◦
◦
1
2
3
C
166
206
275
C
72
78
72
C
68
73
65
C
42
42
34
C
13,7
13,5
13,6
C
25
33
32.3
Toplanan su hacmi
L
3
2
2
Su toplanma zaman
s
202.9
132.9
134.4
Hava stc elektrik akm ³iddeti
A
8,5
8,5
7
Hava stc volta j fark
V
230
230
190
16
16
17
Laboratuar ortam scakl§
◦
C
64
Deneyin Verilerinin De§erlendirilmesi
Is aktarm kitaplarnda yer alan bilgiler kullanlarak a³a§daki hesaplamalar
yaplr:
1. Suyun kütlesel ak³ hz
2. Suya verilen s
3. Havann kütlesel ak³ hz
4. Deneysel olarak hava taraf s aktarm katsaysnn bulunmas,
5. Deneysel su taraf s aktarm katsaysnn bulunmas
6. Deneysel olarak tüm s aktarm katsaysnn bulunmas
7. Deneysel olarak Nusselt=f(Reynolds, Prandtl) ili³kisinin bulunmas
8. Deneysel ili³kinin literatürde yer alan Sieder-Tate, Dittus-Boelter korelasyonlar ve ampirik ba§ntlarla kar³la³trlmas
Örnek Hesaplama (Çizelge 6.8.2 de yer alan örnek deney verileri kullanlarak
yaplm³tr)
Suyun Kütlesel Ak³ Hz:
Tc =
Tci + Tco
13.6 + 25
=
= 19.3 ◦ C
2
2
ρ = 1000kgm3
ṁc =
(19.3
◦ C)
V
0.002
ρ=
1000 = 53.6 kg/h
t
0.00373
Suya verilen s:
qc = ṁCpc (Tcb − Tca ) = 53.6 (4.183)(25 − 13.6) = 2556 kj/h
Havann Kütlesel Ak³ Hz:
Th =
Thi + Tho
275 + 72
=
= 137.5 ◦ C
2
2
Cph = 1.07 kj/kg o C
ṁh =
2556
= 11.77 kg/h
1.07(275 − 72)
65
Hava taraf s aktarm katsays (hi ):
Hava y§nndan boru cidarna scaklk dü³mesinin deneysel olarak ölçülen giri³
(T4
− T3 )
ve çk³ de§erlerinin (T1
− T2 )
logaritmik ortalamas kullanlarak
Newton so§uma yasasna göre belirlenmektedir. Buna göre
∆TLi =
210 − 38
2556
= 100.6o C =⇒ hi =
= 229.3 kj/m2 ho C
ln(210/38)
0.1108(100.6)
Su taraf s aktarm katsays (ho ):
çteki bakr boru cidarndan kaynaklanan direnç ihmal edilerek giri³te ve çk³ta
ölçülen hava taraf cidar scaklklar (T3 ve
varsaylabilir.
T2 )
su taraf cidar scakl§ e³it
Bu durumda suyun bulundu§u boru cidarndan y§na olan
scaklk dü³mesininin deneysel olarak ölçülen giri³ (T3
lerinden (T2
− Tcb )
− Tca )
ve çk³ de§er-
s aktarm yönündeki (radyal yön) logaritmik ortalama
scaklk dü³mesi hesaplanarak Newton So§uma yasasna göre ho belirlenmektedir. Buna göre:
∆TLo =
51.4 − 9.0
2556
= 24.3o C =⇒ ho =
= 870.7 kj/m2 ho C
ln(51.4/9.0)
0.1208(24.3)
Tüm s aktarm katsays (Uo ):
Hava y§nndan su y§nna toplam scaklk dü³mesinin deneysel olarak ölçülen
giri³ (Tha
− Tca ) ve çk³ de§erlerinin (Thb − Tcb ) logaritmik ortalamas Newton
So§uma yasasna göre belirlenmektedir.
Buna göre yukarda verilen tüm s
aktarm katsays de§eri; bu tür sistemdeki toplam dirence göre ifade edilen
genel tam e³itli§inden yararlanarak kontrol edilip kirlenme faktörleri açsndan yorumlanabilir. Di§er yandan bulunan deneysel lm katsaylar, Reynolds
saysnn de§erine göre literatürde yer alan ampirik ba§ntlar ya da JH-Re
gra§i kullanlarak kar³la³trlmal ve yorumlanmaldr.
∆TL =
261.4 − 47
2556
= 125o C =⇒ Uo =
= 169.3 kj/m2 ho C
ln(261.4/47)
0.1208(125)
Kaynaklar
[1] R. Berber, H. O§uz, M.Erol,
Is Aktarm,
Ankara Üniversitesi Kimya
Mühendisli§i, Ankara, (1991), p.48-50.
66
Hazrlk Sorular
Hava suya s aktarm deney düzene§inde paralel akmla çal³aca§nz deney
verilerine dayal olarak;
1. Konveksiyonla aktarm lm katsaysnn büyüklü§ü nelere ba§ldr.
2. Deney sistemi gibi bir sistemde s aktarm hzn nasl artrrsnz.
3. Hava taraf için s aktarmn ifade eden boyutsuz gruplar arasnda ili³kiyi deneysel olarak nasl belirlesiniz?
4. Hava suya s aktarm deney düzene§inde s aktarm dirençleri nedir, s
aktarm hangi mekanzmaya göre gerçekle³ir.
Hava suya s aktarm deney düzene§inde çal³arak alaca§nz deney verilerine
dayal olarak;
1. ç taraf lm katsaysn,
2. D³ taraf lm katsaysn,
3. Tüm s aktarm katsaysn belirlemek için hangi deneyleri yaparsnz,
4. Is aktarmnda etkili olan boyutsuz gruplar arasndaki deneysel ili³kiyi
nasl belirlersiniz, tasarlaynz.
Prof.Dr. Süleyman Karacan
67
Figure 6.8.1: Havadan suya s aktarm deney sistemi
68
6.9
DOAL VE ZORLANMI
KONVEKSYON
69
Genel Bilgiler
Bir ak³kann makroskobik elemanlar arasndaki kar³ma sonucunda gerçekle³en s aktarm olay konveksiyon olarak tanmlanr. Konveksiyon ile s aktarmnda s enerjisi, ak³kann ta³nmas ile bir noktadan di§erine götürülür.
Konveksiyonu sa§layan kar³ma, ya gazlarda oldu§u gibi moleküllerin rastgele
hareketleri ya da daha büyük ölçekteki ak³kan elemanlarnn y§n hareketleridir.
Y§n hareketi, ak³kan elemanlar arasnda scaklklarn de§i³ik ol-
masna ba§l yo§unluk fark sayesinde gözlenen hareket ve pervane, fan, pompa
gibi d³ardan ek bir zorlama ile yaplan hareket olmak üzere, iki ksmda incelenebilir. Bunlardan birincisi `Do§al Konveksiyon' ile s aktarm, ikincisi ise
`Zorlanm³ Konveksiyon' ile s aktarm olarak nitelendirilir.
Amaçlar
•
Dü³ey borularn içinde ve d³nda su ve havaya do§al konveksiyon ile s
aktarm
•
•
Boru içinden geçen suya zorlanm³ konveksiyon ile s aktarm
Dü³ey borularn içinde ve d³nda su buharnn yo§u³masnn incelenmesidir.
Materyal ve Metot
ekil 6.9.1 de gösterilen deney düzene§inde, buhar üretecinde su buhar üretilerek yo§u³ma kulesine gönderilir. Su buharnn ss, so§utma suyu, buharn
yo§unla³mas ile olu³an su (kondensat) ve çevre tarafndan alnr.
Su buhar, elektrikle stlan bir buhar üretecinde elde edilir. Bu üreteçte kzgn
su buhar üretmek de mümkündür. Buhar üretecini durdurmak ve içindeki su
düzeyini sabit tutmak için bir besleme tank vardr. Düzenekte ayrca, kütlesel
akm niceliklerini ve scaklklar ölçen cihazlar bulunmaktadr.
Deney srasnda üç ayr denetim yaplr:
1. Sisteme verilen elektrik gücünü denetleyen ve niceli§ini belirleyen bir
araç gereklidir.
Bu amaçla `güç denetim ve scaklk ölçüm göstergesi'
kullanlr.
2. Besleme suyu tankndan buhar üreteci tankna akan suyun hz, ilgili
vana ile üreteçte sabit bir su düzeyi sa§lanacak ³ekilde ayarlanmaldr.
3. So§utma suyunu denetleyen tanktaki su düzeyi ile konveksiyon mekanizmas, do§al veya zorlanm³ olarak ayarlanabilir.
70
Yo§u³ma kulesi uzunlu§u,
L
Dii
ç borunun d³ çap, Dio
D³ borunun iç çap, Doi
D³ borunun d³ çap, Doo
ç borunun iç çap,
55.88 cm
1.89 cm
2.22 cm
5.25 cm
6.03 cm
Deneyin Yapl³
Deneyde küçük, dalgç tip, 117 V akmla çal³an bir pompa ve 9.5 mm iç çapl
plastik hortum gereklidir. Büyük bir kap, sistemin altna yerle³tirilerek su ile
doldurulur.
Bir parça hortum, bir ucundan pompa çk³na, di§er ucundan
so§utma suyu basnç denetim tanknn giri³ borusuna ba§lanr. Pompa 117 V,
su buhar üreteci ise 220-240 V de§erinde enerji kayna§ndan beslenir. Pompa
çal³rken tümüyle suya batm³ olmaldr.
Su buhar üretecinin besleme tank saf su ile doldurulur.
A vanas açlarak,
kazann DOLU çizgisine kadar doldurulmas sa§lanr. Vana kapatlr. Yo§unla³trcya giren su buharn scakl§nn okunabilmesi için sl çift seçici dü§meleri
T1
scakl§n okuyacak konuma getirilir. Bu scaklk 105-120
◦ C arasnda belli
bir de§ere ula³t§nda A vanas dikkatlice ayarlanarak buhar üreteci yeniden
doldurulur ve bundan sonra su düzeyi hep bu çizgide tutulur. Çal³ma srasnda
su buhar üretecinin suyunun bitmesine hiçbir zaman izin verilmemelidir. Bu
i³lemler srasnda elektrik akm de§i³ken transformatör yardmyla istenilen
belli bir de§erde tutulur.
So§utma suyu pompas çal³trlr ve do§al konveksiyon deneyi için su düzeyi,
basnç denetim tankndaki alt çizgiye ula³ncaya kadar B vanas yava³ça açlr.
Deney boyunca bu sv seviyesi sabit tutulmaldr.
Belli bir süre sonra iç borunun d³ yüzeyinde ve d³ borunun iç yüzeyinde
m3 ve m4 kaplar içine akmaya ba³lar.
m2 kabnda toplanr. Sistemin snmas ve kararl hale
T2 so§utma suyu çk³ scakl§ da aralkl olarak okunur.
yo§unla³an buhar srasyla
So§utma
suyu ise
ula³mas
srasnda
T1
scakl§ 105-120
◦ C arasnda sabit kald§ zaman ve so§utma suyu çk³ s-
cakl§ giri³ scakl§ndan daha yüksek oldu§u zaman deneye ba³lanabilir. Bu
kararl duruma geçi³ yakla³k 30 dk sürer.
ve
m4
alnr.
Deney ba³lamadan önce
kaplar bo³ halde yerlerine yerle³tirilir.
T1 'den T10 (Tor )'a
m2 , m3
Deneyin ba³lama zaman not
kadar bütün scaklklar birer dakika aralklarla be³er
kez okunmaldr. So§utma suyu ve oda scaklklar da termometre ile ölçülmelidir. Deney srasnda toplanan so§utma suyunun tümünün yazlmasna dikkat
edilerek,
m2
kab doldukça bo³altlmaldr. Isnm³ olan so§utma suyu yeniden
71
kullanlmayp atlmaldr. Ölçülen süre sonunda kaplar toplanmal ve sv miktarlar dikkatlice ölçülmelidir. Deney verileri a³a§da verilen çizelgelere yazlmaldr. E§er istenirse, ardndan bir deney daha yaplabilir. Yeni deney do§al
konveksiyon veya zorlanm³ konveksiyon mekanizmas ile gerçekle³tirilebilir.
Böylece snma süresi ortadan kalkm³ olur. Ancak kararl duruma geçi³ için
yine beklenmesi gerekmektedir.
E§er ba³ka bir deney yaplmayacaksa, tüm
güç dü§meleri ve A vanas kapatlarak sistemin so§umas sa§lanr.
Sistem
so§uduktan sonra B vanas yardmyla sistemdeki su bo³altlmaldr.
Deney Verilerinin De§erlendirilmesi
Is aktarm kitaplarnda yer alan bilgiler kullanlarak a³a§daki hesaplamalar
yaplr:
1. Yo§unla³trc iç borusu iç lm katsays,
hii
hio
2. Yo§unla³trc iç borusu d³ lm katsays,
3. Yo§unla³trc iç borusunun iç yüzey üzerinden tanmlanm³ tüm s aktarm katsays,
Uii
4. Yo§unla³trc iç borusunun d³ yüzey üzerinden tanmlanm³ tüm s aktarm katsays,
Uio
5. Yo§unla³trc d³ borusu iç lm katsays,
hoi
hoo
6. Yo§unla³trc d³ borusu d³ lm katsays,
7. Yo§unla³trc d³ borusunun iç yüzey üzerinden tanmlanm³ tüm s aktarm katsays,
Uoi
8. Yo§unla³trc d³ borusunun d³ yüzey üzerinden tanmlanm³ tüm s
aktarm katsays,
Uoo
A
ç boru metalinin sl iletkenli§i, kmi
D³ boru metalinin sl iletkenli§i, kmo
9. Yo§unla³trcda etkin yüzeyler,
10.
11.
12. Buharla³trc verimi
13. Yo§unla³trc verimi
Ek Bilgiler
Hesaplamalarda a³a§daki ek bilgiler kullanlabilir.
h1 :
Yo§unla³trcya giren kzgn buharn entalpisi (Kzgn buhar tablosundan
bulunur)
h3
ve
h4
:
T3
ve
T4
scaklklarnda suyun entalpisi (Doygun buhar tablosundan
bulunur)
Yo§unla³trcda enerji dengesi kurularak qk bulunur:
m1 h1 = m2 h2 + m3 h3 + m4 h4 + qk
Buharla³tcya verilen s:
q=V I
72
Kaynaklar
Engineering, Mc Graw Hill, New York (1967) p.279.
[2] C. J. Geankoplis,
Transport Processes and Unit Operations, 3rd ed.,
Prentice Hall PTR (1993).
[3] J. P. Holman,
Heat Transfer,
9th ed., Mc Graw Hill, New York (2002)
p.265.
6th
ed., McGraw Hill, New York (1984) p.10-1.
Hazrlk Sorular
1. Prandtl saysnn tanmlayarak, scaklk ve basnca ba§l olup olmad§n
belirtiniz ve gazlar ve svlar için yakla³k de§erlerini yaznz.
2. Hidrodinamik snr tabakas ve termal snr tabakas terimlerini tanmlaynz.
3. Newton'un so§uma yasasn açklaynz.
4. Boru içinden akan bir ak³kana zorlanm³ konveksiyon ile s aktarmnda
a³a§daki durumlar için, Nusselt saysnn hangi boyutsuz gruplara ba§l
oldu§unu yaznz.
(a) laminer akm
(b) türbülent akm
(c) geçi³ bölgesi
5. Do§al konveksiyon ile s aktarmnda Nusselt saysnn hangi boyutsuz
gruplarn fonksiyonu oldu§unu belirtiniz.
6. Peclet saysn tanmlaynz.
7. Bir yo§unla³trcda iç boruya ait olan iç ve d³ s aktarm lm katsaylar
nasl hesapland§n yaznz.
8. Tüm s aktarm lm katsaysnn nasl hesapland§n belirtiniz.
9. Yo§u³turucu etrafnda (tüm sistem) enerji denkli§i yazarak, kayp sy
ifade ediniz.
1. Zorlanm³ konveksiyon ile s aktarmnda
N u = cRem P rn denklemi
için
gerekli olan katsaylarn hesaplanmas için bir deney tasarlaynz.
2. Do§al konveksiyon ile s aktarmnda
N u = b(Gr.P r)n
denklemi için
gerekli olan katsaylarn hesaplanmas için bir deney tasarlaynz.
73
3. So§utma suyunun ak³ hzna ba§l olarak s aktarm lm katsaysnn
de§i³imini inceleyen bir deney tasarlaynz.
4. Ceketin d³ yüzeyinden havaya zorlanm³ konveksiyon ile s aktarmnn
incelenmesi için bir deney sistemi tasarlaynz.
5. Deney sistemninin yatay durumda oldu§u varsayarak hesaplamalarn yenileyiniz.
6. Yo§u³turucunun veriminin arttrlmas için deney sisteminde yaplabilecek de§i³iklikler öneriniz.
Figure 6.9.1: Do§al ve zorlanm³ konveksiyon deney sistemi
74
m1
m2
m3
m4
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
T10
Tor
T0
I
V
Su buhar üreteci besleme suyu = m3 + m4 (g)
So§utma suyu (g)
ç boru yüzeyinde yo§unla³an buhar çk³ (g)
Ceket iç yüzeyinde yo§unla³an buhar çk³ (g)
Su buhar giri³ scakl§ (◦ C)
So§utma suyu çk³ scakl§ (◦ C)
ç boru yüzeyinde yo§unla³an buhar çk³ scakl§ (◦ C)
Ceket iç yüzeyinde yo§unla³an buhar çk³ scakl§ (◦ C)
Ceket d³ yüzey scakl§ (◦ C)
Su buhar üreteci d³ yüzey scakl§ (◦ C)
So§utma suyu giri³ scakl§ (◦ C)
ç boru duvar scakl§ (üst ksm) (◦ C)
ç boru duvar scakl§ (alt ksm) (◦ C)
Yo§unla³an su buhar scakl§ (◦ C)
Ortam scakl§ (◦ C)
Besleme tankndaki so§utma suyu scakl§ (◦ C)
Elektrik akm ³iddeti (amper)
Elektrik gerilim fark (volt)
75
Do§al ve Zorlanm³ Konveksiyonla Is Aktarm Deney Veri Çizelgeleri
76
6.10
Ak³kan Yatak Is Aktarm
AKIKAN YATAK ISI
AKTARIMI
77
Genel Bilgiler
Parçack Temelinde Ak³kan Yatak Is Aktarm Film Katsays
Ak³kan yatakta, srasyla gaz ve parçac§ esas alan konvektif s aktarm lm
katsaylar a³a§daki e³itliklerle verilebilir.
Ar =
ARCHIMEDES says:
hgc dp0.5
= 0.86 Ar0.39
kg
g d3p ρ (ρp − ρ)
µ2
hpcmax dp
= 0.843 Ar0.15
kg
ve
Bilindi§i gibi s aktarmnda lm katsays boyutsuz bir grup olan NUSSELT
says (hd/k) içinde yer almaktadr. Ak³kan yatakta da NUSSELT says (Nu),
ARCHIMEDES (Ar) saysnn bir fonksiyonudur.
tarm lm katsays olan
hmax
noktasnda,
Ancak maksimum s ak-
h de§eri Re saysndan ba§mszdr.
Buna göre; ak³kan yatakta parçac§ esas alan maksimum s aktarm lm
katsays a³a§daki e³itlik ile basitle³tirilmi³ olarak verilmi³tir.
hpcmax = 35.8 (ρp )0.2 (kg )0.6 (dp )−0.36
Burada ;
hpcmax
ρp
kg
dp
:
W/m2 .K )
Parçac§ esas alan maksimum s aktarm lm katsays (
kg/m
3
:
Parçack yo§unlu§u (
:
Ak³kann sl iletkenlik katsays (
)
:
Parçack çap (
W/m.K )
m)
Amaçlar
Bu deneysel çal³mada, belirli büyüklükte kat parçack (ak³kan yatak dolgu
maddesi) içeren bir ak³kan yatakta, s aktarm lm katsaysnn (h, W/m
2 .K ),
gaz geçi³ hz (U, m/s) ile de§i³iminin graksel olarak ortaya konmas amaçlanmaktadr. Bu amaçlar a³a§da sralanm³tr.
•
Is aktarm katsaysnn (h), gaz geçi³ hz (U , supercial velocity) ile
de§i³iminin belirlenmesi (N u
= a Reb
ili³kisinde, a ve b katsaylarnn
bulunmas)
•
•
Yatak scakl§nn basnç dü³mesine etkisinin belirlenmesi
Yatak scakl§nn minimum ak³kanla³ma hzna etkisinin belirlenmesi
78
Materyal ve Metot
1. Deney sistemine beslenen enerjiyi kontrol eden açma/kapama dü§mesi
(Switch) açlr.
2. Sisteme hava besleyen vana (Air Flow Control Valve) hafçe açlr.
3. Da§tc (Distributor) üzerindeki yatak (Bed) bölgesinde katlarn hareketlendi§i gözlenir.
4. Hava besleme vanas ayarlanarak (artan ve azalan hz periyodu için) sisteme ba§l oristeki basnç dü³mesi (Orice Dierential Pressure) yardm
ile hava ak³ hz ölçülür.
Bu srada, yataktaki basnç dü³mesi (Bed
Chamber Pressure) okunarak ekte verilen deneysel ölçüm ve tespit listesine i³lenir.
5. E§er, s aktarm katsaysnn hava ak³ hz ile de§i³imi ölçülmek isteniyorsa, yatak içindeki stcy kontrol eden enerji besleme hz ayar (Heater
Control) voltaj ve amperaj göstergeleri izlenerek ayarlanr. Bir süre beklendikten sonra, yat³kn hal scaklklar (T1 ,
T2 , T3 )
scaklk göstergesi
(Temperature Indicator) yardm ile okunur.
6. Sisteme ili³kin tüm ayarlamalar ve i³letim parametreleri ekte verilen
deneysel ölçüm ve tespit listesine i³lenir.
Kaynaklar
Fluid-Bed Heat Transfer,
Academic Press, London,
[2] J.S.M. Botterill, Y. Teoman and K.R. Yuregir,
Powder Technology, 31,
[1] J.S.M. Botterill,
(1973).
101, (1982).
[3] J.S.M. Botterill, Y. Teoman and K.R. Yuregir,
Powder Technology, 39,
177-189, (1984).
[4] D. Geldart,
Gas Fluidisation Technology,
Wiley Interscience Pub.,
Britain, (1986).
[5] J.R. Howard,
Fluidized Beds-Combustion and Applications,
Appl.
Sci. Pub. London, (1983).
[6] D. Kunii, O. Levenspiel,
Fluidization Engineering, John Wiley & Sons
Inc., USA, (1969).
[7] Y. Suyadal,
Fuel Processing Technology, 91, 9, 1055-1061, (2010).
79
Figure 6.10.1: Ak³kanla³trma ünitesi deney sistemi
A
Amper
EPRS
A³r basnç çk³
(+)
Positif elektrik yükü
AFCV
Hava ak³ kontrol vanas
F
Sigorta
R
Rotametre
AI
Hava giri³i
FB
Ak³kan yatak
S
Açma-kapama
Atm.
Atmosferik basnç
H
Istc
T1
Istc scakl§
B
Yatak
HAFO
Oris
T2
Yatak scakl§
BCP
Yatak basnc
HC
Istc kontrol
T3
Hava giri³ scakl§
BH
Yatak yüksekli§i
HTC
Yüksek scaklk kontrolü
TI
Scaklk göstergesi
C
Siklon
(-)
Negatif elektrik yükü
TP
Scaklk probu
D
Da§tc
ODP
Oris diferansiyel basnç
V
Volt
DC
Da§tc odas
PL
Panel Lambas
X-Y
Maks-Min. scaklk
Yatak Verileri
:
Alümina Parçacklar
Ort. Parçack Büyüklü§ü (dp )
:
µm
3
3770 kg/m
−3
8.66x10 m2
1.3 kg
−3 m2
1.6 x10
Kat Parçack Yo§unlu§u (ρp )
:
Yatak Kesit Alan (Sb )
:
Parçack Kütlesi (M )
:
Istc Yüzey Alan (A)
:
Not:
1
= 14
ϕ3mf
250
1 − mf
= 11
ϕ2 3mf
80
Hazrlk Sorular
1. Ak³kan yatak sistemlerini tanmlaynz.
2. Ak³kan yatak hangi endüstriyel alanlarda kullanlrlar?
3. Avantajlar ve dezavantajlar nelerdir?
4. Minimum ak³kanla³trma hz nedir?
5. Reynolds saysnn ziksel anlam nedir?
6. Archimedes saysnn ziksel anlam nedir?
7. Yatak bo³luk kesri nasl hesaplanr?
8. ekil faktörü nedir?
9. Ak³kan yataktaki s aktarm basamaklar ve yönü nasldr?
Scaklk
prolini çizerek açklaynz.
10. Havann yakla³ma hacimsel hz nasl hesaplanr?
11. Is aktarm katsaysnn ak³ hz ile nasl de§i³mesini beklersiniz? Açklaynz.
12. Ak³kan yataktaki s aktarmn di§er s aktarm sistemleriyle kar³la³trnz.
1. Ak³kan yataklarda maksimum s aktarmn tanmlamak için nasl bir
deneysel çal³ma yaplmaldr?
Prof.Dr. Yahya Suyadal
81
Deney Tarihi:
Deney verileri
Hava ak³ hz art³ yönü
1
2
3
4
5
6
7
8
9
=⇒
10
Da§tc-stc
mesafesi, (
mm)
Oristeki
fark,
x
basnç
(mm H2 O)
Havann
ölçülen
hacimsel ak³ hz
√
0.229 x (Qm
L/s)
Hava giri³ scakl§
◦
T3 ( C)
Yatak scakl§
◦
T2 ( C)
Istc scakl§
◦
T1 ( C)
Istc gerilim fark
EMK, (E) Volt
Istc akm ³iddeti
amper, (I) amp
Hesaplamalar
Havann
yakla³ma
hacimsel ak³ hz
Qb
=
Qm
T2
T3
(L/s)
−3
b
U = Q
Sb 10
(m/s)
Is aktarm hz
q=E I
(W )
Is aktarm lm katsays
h = q/A(T1 − T2 )
2
(W/m .K )
82
Chapter 7
KYM453
KMYA MÜHENDSL
LABORATUVARI II
83
KYM453 Kimya Mühendisli§i Lab. II
7.1
Reaksiyon Kineti§i
REAKSYON KNET
84
Reaksiyon Kineti§i
Genel Bilgiler
Bir tepkimenin kineti§i ve ilgili reaksiyonun gerçekle³ece§i rektörün tasarm
hemen tüm endüstriyel ürünlerin üretimi için anahtar bilgi niteli§indedir. Kimyasal kinetik ve reaktör tasarm bilgisi, kimya mühendislerini di§er tüm mühendislerden ayran bir özellik ta³r. Bir ya da birden fazla molekülün kimyasal
bütünlüklerini de§i³tirerek yeni molekül ya da moleküllere dönü³mesi i³lemi
olarak ifade edilebilen kimyasal tepkimelerin hz; birim zamanda birim sistem
büyüklü§ü ba³na olu³an ya da kaybolan i-bile³eni mol says olarak tanmlanabilir. Ancak unutulmamaldr ki girdilerin ürünlere dönü³ümü hangi ölçüde
gerçekle³mi³ olursa olsun toplam kütlede bir de§i³iklik olmayacaktr; yani reaksiyona girecek bile³enlerin toplam kütlesi reaksiyon sonucu olu³an ve dönü³meden kalan bile³enlerin toplam kütlesine e³it olacaktr.
Reaksiyon Kineti§i terimi bir tepkimenin hznn ilgili de§i³kenlere ba§ll§n
ifade eder.
lgili ba³lca de§i³kenler scaklk, girdi deri³imi ve varsa katal-
izörün deri³imi ya da yüzey alan gibi özellikleridir. Bu ba§llk tablo verilerine
ya da graklere kyasla daha kullan³l olan cebirsel denklemlerle ifade edilir.
Kinetik model olarak adlandrlabilecek olan bu denklemlerin matematiksel
yaps mutlaka deneysel gözlemlere dayanlarak belirlenir. Bu amaçla, herhangi
bir reaktörde gerçekle³tirilecek tepkime için izlenmesi gereken yol a³a§da verilmi³tir:
1. Tepkimeye uygun bir laboratuvar reaktörü (kesikli, yar-kesikli, geri kar³mal, piston ak³l- integral-, ya da diferansiyel reaktör) seçilir.
2. Reaktörde kütle korunum denklemi kurularak tepkime hznn saysal
de§erinin hangi reaktör özellikleri/ba§ml ve ba§msz de§i³kenler yardmyla
bulunabilece§i belirlenir [1,2].
3. lgili özellikler de§i³tirilerek farkl ko³ullarda hz verileri elde edilir. Bunun
için örne§in hzn deri³ime ba§ll§ belirlenecekse scaklk ve katalizör deri³imi sabit tutulmal; yani de§i³kenler sistematik de§i³tirilmelidir.
4. Bir hz modeli (hz deri³im ve scakl§a ba§layan denklem) varsaylarak
deneysel olarak elde edilen hz verileri ile uyumu ara³trlr. Olas denklemler içinde deney verileri ile en uyumlu model, kinetik model olarak
belirlenir; modelin kinetik parametreleri bulunur.
Unutulmamaldr ki scaklk, girdi deri³imi, katalizör deri³imi gibi de§i³ken
de§erlerinin çok geni³ aralklarnda ayn kinetik model geçerli olmayabilir.
Kinetik modeller ya da ba³ka bir deyi³le hz modelleri denklemlerin matematiksel yaplar açsndan üç tür olabilir:
85
1.
Reaksiyon Kineti§i
Üstel kinetik modeller:
Hem homojen hem de heterojen katalitik
tepkimeler için geçerli olabilir.
Tersinmez tepkimelerde hzn scakl§a
ba§ll§ hz sabiti (k) içinde, Arrhenius modeline göre tanmlanr; girdi
deri³imine/deri³imlerine ba§llk ise belli bir üs ya da üsler iledir. Bir
kinetik parametre olan üs de§erlerine (n) mertebe denir.
A
→
Ürünler
tersinmez tepkimesi için örnek bir hz modeli a³a§da verilmi³tir:
n
−rA = kCA
Arrhenius modeline göre k, mutlak scaklk T'ye a³a§daki gibi ba§ldr:
k = Ao e−E/RT
Burada kinetik parametreler Ao ve E, srasyla, frekans faktörü ve aktivasyon enerjisi olarak adlandrlrlar ve gerçek tepkime hz modellerinde
scakl§a ba§l de§illerdir.
Tepkime tersinir ise hz scakl§a, her iki yöndeki hz sabiti (k ve k') ile, ya
da ileri yönde tepkime hz sabiti (k) ve denge sabiti (K) ile ba§l olacaktr.
Örne§in, her iki yönde de birinci mertebe olan A
→
Ü tepkimesi için
kinetik model:
−rA = rÜ = kCA − k 0 CÜ
veya
C
−rA = rÜ = k(CA − Ü )
K
2.
Michaelis-Menten tipi kinetik modeller:
Enzimler tarafndan katal-
izlenen biyokimyasal tepkimeler için kullanlan kinetik modellerdir. Örne§in
E enzimi ile katalizlenen S
→
Ü tepkimesi için a³a§daki denklem geçerli
olabilir:
−rS = rÜ =
Burada
3.
rmaks
ve
KM
rmaks Cs
KM + CS
kinetik parametrelerdir.
Langmuir-Hinshelwood tipi kinetik modeller:
Heterojen katalitik
tepkimeler için geçerli olabilen, üstel modellere kyasla daha karma³k
hz modelleridir.
A
→
Ü ak³kan-kat/katalitik tepkime için a³a§daki
denklem örnek olarak verilebilir:
CÜ
K
−rA = rÜ = k
1 + KA CA + KÜ CÜ
CA −
86
Burada
KÜ
k
ve
k0
Reaksiyon Kineti§i
denklemin scakl§a ba§l kinetik parametreleri;
KA
ve
srasyla, A ve Ü'nün adsorpsiyon denge sabitleridir.
A³a§daki stokiyometrik denklemle verilen homojen bir sv faz tepkimesinin
kineti§i kesikli bir reaktörde inceleniyorsa yukarda verildi§i üzere izlenmesi
gereken yol a³a§daki gibidir:
Soyum hidroksit (A) + Etil asetat (B)
→
Sodyum asetat (Ü) + Etil alkol (S)
1. Sv faz tepkimesine uygun olarak kesikli reaktör seçilmi³tir.
2. Sabit hacml kesikli reaktörde (SH-KT) A bile³eni için kütle korunum
denklemi:
−rA = −
dCA
dt
3. Bu denklem hz de§erlerinin bulunabilmesi için deri³imin zamanla de§i³iminin bulunmas gerekti§ini göstermektedir. lgili e§rinin farkl noktalardaki te§et e§imleri o noktalara (o
CA
deri³imlerine) kar³ gelen hz
de§erlerini verecektir. Hzn deri³ime ba§ll§n bulmak için veriler sabit
scaklkta alnmaldr.
4.
nCm
−rA = kCA
B
³eklinde bir hz modeli varsaylarak kinetik parametreler
k, n ve m bulunabilir ya da girdilerden birinin çok yüksek deri³im de§erlerinde çal³larak deri³imlerden birine ba§llk ortadan kaldrlp model
denklem basitle³tirilerek de analiz yaplabilir [1,2].
Amaçlar
•
•
•
Bir sv faz tepkimesi için kesikli sistemde hz verilerinin üretilmesi
Tepkime kinetik modelinin belirlenmesi
Verilecek bir ba³ka tepkime için kinetik analiz amacyla sistemin ve/veya
analiz ko³ullarnn nasl düzenlenmesi gerekti§inin ara³trlmas.
Materyal ve Metot
ekil 7.1.1 'de verilen, sürekli ya da kesikli çal³trlabilen sistemin reaktörü,
maksimum çal³ma hacm 1500 ml olan, s aktarm reaktör içine yerle³tirilmi³ bir helezon (serpantin) yardmyla yaplan engelli, düz kanatl türbin
kar³trcl silindirik cam bir kaptan ibarettir.
1. Belli deri³imde hazrlanan girdi çözeltileri/çözeltisi istenen scakl§a (birden fazla ise ayr ayr) getirilerek reaktöre doldurulur.
87
Reaksiyon Kineti§i
Figure 7.1.1: Kar³trmal reaktör sistemi
2. Sistemin elektrik ba§lants yaplarak istenen scaklk ve kar³trma hz
de§erleri ayarlanr.
3. Belli zaman aralklarnda sistemden örnek alnarak ya da hat üzerinde
(on line) girdi ve /veya ürün deri³imleri ölçülür.
4. Veriler analizlenerek kinetik model ya da reaktör tasarm de§i³kenlerinin
tepkime hzna etkileri belirlenir.
Kaynaklar
[1] O. Levenspiel,
Chemical Reaction Engineering,
3. Bask, John Wiley
& Sons, New York, (1999).
[2] H.S., Fogler,
Elements of Chemical Reaction Engineering, 2.
Bask,
Prentice Hall Int., New Jersey, (1992).
Y.Doç.Dr. Suna Ertunç
88
7.2
Adsorpsiyon Dengesi
ADSORPSYON DENGES
89
Adsorpsiyon Dengesi
Genel Bilgiler
Adsorpsiyonun Tanm
adsorpsiyon,
tutunan taneciklerin yüzeyden ayrlmasna desorpsiyon, katya adsorplayan,
kat yüzeyinde tutunan maddeye ise adsorplanan ad verilir.
Atom, iyon ya da moleküllerin bir kat yüzeyinde tutunmasna
Sabit scaklk ve basnçta kendili§inden oldu§undan dolay adsorpsiyon srasnda
adsorpsiyon serbest entalpisi ∆G
daima eksi i³aretlidir.
Di§er yandan,
gaz ya da sv ortamnda daha düzensiz olan tanecikler kat yüzeyinde daha
düzenli hale geldiklerinden
adsorpsiyon entropisi ∆S ' de daima eksi i³aret-
lidir. Adsorpsiyon serbest entalpisi ve adsorpsiyon serbest entropisinin daima
eksi i³aretli olmas
∆H = ∆G + T ∆S
e³itli§i uyarnca adsorpsiyon entalpisi (adsorpsiyon ss)
i³aretli olmasn gerektirmektedir.
∆H 'n
daima eksi
Bu da adsorpsiyonun ekzotermik bir olay
oldu§unu göstermektedir [1-8].
Adsorpsiyon Türleri
Adsorpsiyon, ziksel ve kimyasal olmak üzere iki türde gerçekle³ebilir [2,4-6,8].
Bu iki olayn kar³la³trlmas Çizelge 7.2.1 de verilmi³tir.
Adsorplayan türü ve gözenek çe³itleri
Adsorplama gücü yüksek do§al katlar kömürler, killer, zeolitler ve çe³itli mineral madde lizleri; yapay katlar ise aktif kömürler, moleküler elekler (yapay
zeolitler), silikajeller, metal oksitleri, katalizörler ve baz özel seramikler olarak
sralayabiliriz [4,7,8].
Adsorplama güçleri yüksek olan katlar süngeri andran gözenekli yapya sahiptir.
Katlarn içinde ve görünen yüzeyinde bulunan bo³luk, oyuk, çatlak ve
kanallara genel olarak gözenek ad verilir. Gözenekler, gerçekte ideal bir geometrik yapya sahip de§ildir. ekil 7.2.1 'de görüldü§ü gibi, silindir, mürekkep
³i³esi, koni ya da V ³eklinde olabilece§i ileri sürülmektedir [2,4].
90
Adsorpsiyon Dengesi
Gözenekler;
•
•
•
mikrogöezenek
mezogözenek
geni³li§i 50 nm den büyük ise makrogözenek olarak adlandrlrlar.
geni³li§i 2 nm'den küçük ise
geni³li§i 2 nm ile 50 nm arasnda ise
Çizelge 7.2.1: Fiziksel ve kimyasal adsorpsiyonun kar³la³trlmas [2]
Özelikler
Adsorplayanadsorplanan
ili³kisi
Scaklk
Etkin kuvvetler
Adsorpsiyon ss
Fiziksel Adsorpsiyon
Kimyasal Adsorpsiyon
Herhangi bir adsorplayan adsorplanan ikilisi arasnda yürüyebilir. Olay ikilinin türüne ba§l
de§ildir.
Dü³ük (adsorplanann kritik scakl§nn altndaki) scaklklarda gerçekle³ir. Scaklk yükseldikçe azalr.
Van der Waals çekim kuvvetleri
etkindir.
Adsorplanann yo§unla³ma ss
düzeyinde olup dü³üktür. (≈
20 kJ/mol)
Adsorplayan-adsorplanan
arasnda özel bir kimyasal ilgiyi
gerektiri. Olay ikili sistemin
türüne ba§l de§ildir.
Genellikle yüksek scaklklarda
gerçekle³ir. Scaklk yükseldikçe
artar.
Kimyasal
etkindir.
ba§
kuvvetleri
Tepkime ss düzeyinde olup
yüksektir. (≈ -200 kJ/mol)
Olayn hz ve aktienme enerjisi
Çok hzl olup sfra yakn bir
aktienme enerjisine sahiptir.
Yüzeyin
örtülmesi
Hz,
aktienme enerjisinin
büyüklü§ü belirler.
Dü³ük
aktienme enerjisi söz konusu
oldu§unda olay hzldr. Yüksek
aktienme enerjisinde ise hz
dü³üktür.
Tek ya da çok tabakal olabilir.
Yalnzca tek tabaka örtülebilir.
Tersinirlik
Adsorpsiyon dengesi tersinirdir.
Fiziksel olarak adsorplanm³
bir gaz, scakl§n yükseltilip
basncn dü³ürülmesiyle kolayca
ve tümüyle desorplanabilir.
Ço§u
kez
tersinmezdir.
Kimyasal olarak adsorplanm³ bir gazn desorpsiyonu
çok zordur ve desorpsiyon
ürünleri, adsorplayan ile adsorplanan arasndaki bir kimyasal
tepkimenin ürünü olabilir.
Kat yaktlarda gözeneklerin büyüklükleri, mikrometre düzeyindeki makrogözenekler ile Helyumun bile giremedi§i (Helyumun atom çap 0.178 nm) mikrogözenekler arasnda de§i³mektedir. Gözenek hacmi ve boyutu, karbon içeri§i ile de§i³ti§i
gibi, yaktlarn yeraltndan çkarlmas, hazrlanmas ve kullanlmas srasnda
uygulanan ziksel i³lemlere ba§l olarak da de§i³ebilir [2].
özgül gözenek hacmi,
özgül yüzey alan denir.
Katlarn bir gramnda bulunan gözenek hacmine
bu gözeneklerin duvarlarnn toplam yüzeyine ise
Bir gram adsorplayan yüzeyinin tek tabaka olarak kaplanabilmesi için gerekli
madde miktarna
tek tabaka kapasitesi
denir ve genellikle nm (mol/g) ya
örtülü
yüzey kesri olarak tanmlanr ve ( 1- θ ) çplak yüzey kesini gösterir [1].
3
da vm (cm /g) olarak verilir.
θ
= n/nm = v/vm ifadesi adsorplayann
91
Adsorpsiyon Dengesi
Figure 7.2.1: Katlarda rastlanan gözenek çe³itleri [2]
Adsorplanan madde miktar
Adsorplayann bir gramnda adsorplanan madde miktar; kütle, mol ya da gaz
veya buhar olmas durumunda normal ko³ullarda indirgenmi³ hacim olarak
verilmektedir. Adsorplanan madde miktar için genellikle x/m oran kullanlmaktadr. Burada m deneylerde kullanlan adsorplayan maddenin kütlesini, x
ise adsorplanan maddenin kütlesini, molar miktarn ya da normal ko³ullara
indirgenmi³ gaz hacmn göstermektedir.
Adsorblayan maddenin kütlesindeki artma ya da adsorplanann kütlesindeki
azalmadan adsorplanan madde miktarna geçilebilir. Çözeltiden adsorpsiyon
srasnda çözeltinin deri³imindeki dü³meden, gaz adsorpsiyonu srasnda ise
sabit scaklk ve sabit hacimdeki gazn basncnn azalmasndan ya da sabit
scaklk ve sabit basnçtaki gazn hacmnn azalmasndan adsorplanan madde
miktarna kolaylkla geçilebilir [1].
Adsorpsiyon izotermleri
Adsorplayc ve adsorplanann yannda scaklk da sabit tutuldu§unda gaz
fazndan adsorpsiyon yalnzca basnca, çözeltiden adsorpsiyon ise deri³ime ba§ldr.
Bu durumda adsorplanan madde miktarnn basnçla ya da deri³imle de§i³imini
veren çizgilere adsorpsiyon izotermi denir [1-3, 5-7]. Gaz fazndan ve çözeltiden adsorpsiyon için adsorplanan madde miktarlar deneysel olarak belirlenerek
srasyla
mol
) = f (P )
g
mol
n(
) = f (C)
g
n(
P
)
Po
C
n = f(
)
Co
ya da n
ya da
= f(
92
izotermleri çizilir. Burada
P
Adsorpsiyon Dengesi
denge basncn,
Po
adsorplanan madde svsnn
sabit tutulan adsorpsiyon scakl§ndaki buhar basncn,
1 arasnda de§i³en ba§l denge basncn,
denge deri³imini,
Co
C
P/P o
de§eri sfr ile
çözeltiden adsorpsiyon srasnda
ise ayn çözeltinin doygunluk deri³imini göstermektedir.
Denel yoldan belirlenen adsorpsiyon izotermleri ekil 7.2.2 de ³ematik olarak
çizilen izoterm e§rilerinden birine daha çok benzer. Daha çok buhar fazndan
adsorpsiyon için çizilen bu bu izotermlerin bazlar çözeltiden adsorpsiyon için
de geçerlidir. Bu izotermlerde,
P/P o
ba§l denge basncna ya da
C/C o
ba§l
denge deri³imine kar³, birim adsorplayan madde ba³na adsorplanan madde
miktar verilmektedir.
Ayn izotermler,
P/P o
yerine
P
denge basnc ya da
C/C o yerine de C denge deri³imi alnarak da çizilebilir. ekildeki P/P o = 1
o
ya da C/C = 1 de§erlerinde adsorplanan madde y§n olarak ayrld§ndan
izoterm e§rileri dikey olarak yükselmeye ba³lamaktadr. Bu noktada adsorpsiyon tamamlanm³ demektir.
Figure 7.2.2: Adsorpsiyon izoterm tipleri [1,2]
1.tip izoterm, çap ancak birkaç molekül çap kadar olan, mikrogözenekli katlardaki ziksel ya da kimyasal adsorpsiyonu gösterir. Adsorplanan moleküllerinin
kat yüzeyinde tek tabaka halinde tutulmasndan ileri gelen bu izoterm, Langmuir izoterm denklemine (bkz. Bölüm 1.6.) uyar [2].
2.tip izoterm, gözeneksiz katlardaki ziksel adsorpsiyonu gösterir.
Birinci
tabakann adsorpsiyon ss yo§unla³ma ssndan daha büyük olan ve klcal
yo§unla³mann az oldu§u adsorpsiyon izotermleri bu e§riye benzemektedir.
Bu izotermde, 1.tip izotermin aksine çok tabakal ziksel adsorpsiyon olur.
2.tip izoterm, dü³ük ba§l basnçlarda bir dönüm noktasna (b) ve orta ba§l
basnçlarda (0.05 <
P/P o
< 0.35) do§rusal bir bölgeye (bc) sahiptir. zoter-
min ab parças boyunca tek tabakal adsorpsiyon, bc parças boyunca ise çok
93
Adsorpsiyon Dengesi
tabakal adsorpsiyon ve klcal yo§unla³ma tamamlanmaktadr.
Bu izoterm
BET izoterm denklemine (bkz. Bölüm 1.6.) uyar [1,2].
3.tip izoterm, gözeneksiz ya da makrogözenekli katlarn adsorpsiyonunu gösterir. Birinci tabakann adsorpsiyon ss yo§unla³ma ssndan daha küçük olan
ve klcal yo§unla³mann az oldu§u adsorpsiyon izotermleri bu e§riye benzer
[1]. Burada zayf gaz-kat etkile³mesi olan adsorpsiyon söz konusudur. Dü³ük
ba§l basnç bölgesindeizotermdeki art³ çok azdr. Bunun nedeni adsorplayanadsorplanan kuvvetlerinin çok zayf olmasdr.
Bu bölgede adsorpsiyon, kat
üzerinde adsorplanann bir molekülünün tutulmasyla ba³lar. Yüzeyde tutulan
bu molekül di§er molekülleri de çekerek yüzeyin kaplanmasn sa§lar. Uygulamada az görülen bir türdür [2].
4.tip izoterm, mezogözenekli katlardaki adsorpsiyonu gösterir. Birinci tabakann
adsorpsiyon ss yo§unla³ma ssndan daha büyük olan ve klcal yo§unla³mann çok oldu§u adsorpsiyon izotermleri bu e§riye benzer [1]. 4.tip ve 2. tip
izotermlerde baz benzerlikler ve farklar görülmektedir. Benzerlikleri, her ikisinde de çok tabakal adsorpsiyon olmas, b dönüm noktasnn elde edilebilmesi
ve adsorplayan-adsorplanan etkile³mesinin kuvvetli olmasdr. Fark ise, di§er
izotermlerde adsorpsiyon ve desorpsiyon izotermleri ayn yolu izlemesine kar³n,
4.tip izotermde orta ba§l basnçlarda izlenen yol farkldr.
Bu olaya his-
terezis, izotermler arasnda olu³an ilme§e de histerezis ilme§i ad verilir.
Bu bölgede klcal yo§unla³ma söz konusudur.
Klcal yo§unla³ma,
P
denge
o
o
basncnn P doygun buhar basncna ula³amad§ (P/P <1) durumda gözeneklerde görülen yo§unla³ma olaydr [2]. zotermin ab parças boyunca tek tabakal
adsorpsiyon, bc parças boyunca çok tabakal adsorpsiyon, cd parças boyunca
ise klcal yo§unla³ma olmaktadr.
Klcal yo§unla³ma tamamlandktan sonra
gözeneklerin a§zlarndaki çukur yüzeyler de dolmakta ve ef boyunca adsorplanan madde y§n olarak ayrlmaktadr [1].
5.tip izoterm, adsorplanma gücü dü³ük olan mezogözenekli katlardaki adsoprsiyonu gösterir.
Birinci tabakann adsorpsiyon ss yo§unla³ma ssndan
daha küçük olan ve klcal yo§unla³mann çok oldu§u adsorpsiyon izotermleri
bu e§riye benzer [1]. zotermin ac parças boyunca yüzey tek tabakal ya da çok
tabakal olarak kaplandktan sonra, cd boyunca klcal yo§unla³ma olmaktadr.
6.tip izoterm, izotermlerin çok az rastlanan basamakl bir türüdür. Mikrogözenekler yannda farkl boyutlarda mezogözenek gruplar içeren katlardaki adsorpsiyon izotermleri bu tipe benzemektedir.
Adsorpsiyon Denklemleri
Denel yoldan verilen adsorpsiyon izotermlerini ve di§er adsorpsiyon verilerini
de§erlendirmek için çok sayda adsorpsiyon denklemi türetilmi³tir [1-3,5,6].
94
Adsorpsiyon Dengesi
Adsorplanan ve adsorplayan maddelerin özeliklerine göre bir adsorpsiyon için
bu e³itliklerden biri ya da bir kaç uygun olmaktadr.
Çokça kullanlan adsorpsiyon denklemleri; Langmuir denklemi, Brunauer-EmmettTeller (BET) denklemi, Polonyi denklemi, Dubinin-Radushkevich-Kagener (DRK)
denklemi, De Boer-Lippens (BL) denklemi, Kiselev denklemi, Freundlich denklemi vb . dir [1].
Burada iki adsorpsiyon denklemi üzerinde durulacak ve çözeltiden adsorpsiyon
incelenece§inden deri³im cinsinden formlar yazlacaktr.
Langmuir Denklemi
Amerikal bilim adam Irwing Langmuir tarafndan kimyasal adsorpsiyon için
basit bir izoterm denklemi geli³tirilmi³tir. Tek tabakal ziksel adsorpsiyon için
ve çözeltiden adsorpsiyon için de geçerli olan bu e³itli§e Langmuir denklemi
denir. Çözeltiden adsorpsiyon için Langmuir denklemi
Cls =
s C
Cm
l
Cl + a
³eklindedir.
s = Tek tabakal adsorpsiyonda adsorplanan yüzey
Cm
Cl = Dengede sv fazdaki adsorplanan deri³imi
Cls = Dengede kat yüzeyinde adsorplanan deri³imi
deri³imi (mol/cm
0 2)
a = sabit
Ölçülemeyen de§erleri bulmak için bu denklem do§rusalla³trlr.
Burada do§ru denkleminin kaymas ise e§imdir. E§im ve kayma de§erlerinden
bu veriler belirlenir.
1
1
a
= s + s
Cls
Cm Cm Cl
Burada
1
s
Cm
do§ru denkleminin kaymas
a
s
Cm
ise e§imdir.
E§im ve kayma
de§erlerinden bu veriler belirlenir.
95
Adsorpsiyon Dengesi
Freundlich Denklemi
Alman zikokimyac Herbert Max Finlay Freundlich tarafndan türetilen yar
amprik e³itlik a³a§da verilmi³tir.
Cls = k(Cl )n
Bu e³itlik orta ve dü³ük deri³im aral§nda yaygn olarak kullanlmaktadr.
Deneysel çal³malara dayanlarak türetilen Freundlich denkleminin logaritmas
gra§e geçirilerek kayma ve e§imden k ve n bulunur.
ln Cls = ln k + n ln Cl
Amaçlar
Tekstil boyasnn adsorplayan madde (aktif karbon, kitosan vb) üzerindeki
denge süresini belirlemek, adsorpsiyon izotermlerini olu³turmak ve elde edilen
sonuçlara göre adsorpsiyonun hangi tür adsorpsiyon izotermine ve hangi tür
adsorpsiyon denklemine daha çok uydu§unu belirlemektir.
Deneyin Yapl³
I. A³ama
Belirli deri³imde hazrlanan tekstil boyas çözeltisi kapakl örnek ³i³elerine alnarak belirli miktarda adsorplayan madde eklenecektir.
Adsorplayan madde
içeren çözelti oda scakl§nda hz kontrollu çalkalaycda kar³trlarak adsorpsiyon dengesi izlenecektir. Bu amaçla belirlenen zaman aralklarnda çözeltiden örnekler alnarak UV Spektrofotometrede analizlenecektir.
Analiz için,
önceden belirli deri³imlerde hazrlanan tekstil boyas çözeltileriyle kalibrasyon
gra§i olu³turulacaktr.
Zamana kar³ adsorplanan madde miktar gra§e
geçirilerek, zamanla de§i³imin olmad§ yani dengenin kuruldu§u an ve denge
süresi belirlenecektir.
II. A³ama
5 farkl deri³imde hazrlanan tekstil boyas çözeltilerinin her birine yakla³k
kütlece % 1 adsorplayan madde eklenecek ve oda scakl§nda denge süresi
kadar çalkalama yaplarak adsorpsiyon gerçekle³tirilecektir. Denge süresi sonunda çözeltilerden alnan örnekler UV Spektrofotometrede analizlenecektir.
96
Adsorpsiyon Dengesi
Elde edilecek sonuçlarla çözeltideki denge deri³imine kar³ adsorplanan madde
deri³imi gra§e geçirilecek ve adsorpsiyon izotermi çizilecektir.
Ayrca, veriler Langmuir ve Freundlich adsorpsiyon denklemlerinde kullanlarak
denklemlerin uygunlu§u incelenecek ve tek tabaka deri³imi ile a,n,k sabitleri
bulunacaktr. Adsorpsiyon türü, izotermi ve denklemi hakknda yorum yaplacaktr.
Kaynaklar
[1] Y. Sarkaya,
Fizikokimya,
Geni³letilmi³ 2.
bask, Gazi Büro Kitabevi,
Ankara (1997).
[2] S. J. Gregg and K. S. W. Sing,
Adsorpsiyon, surface area and porosity,
Academic Press, London, New York (1982).
[3] J. M. Smith,
Chemical Engineering Kinetics,
3. Bask, McGraw-Hill,
Tokyo (1981).
[4] O. P. Mahajan and P. L. Jr. Walker,
ucts, Chap.
Porosity of coals and coal prod-
4, Academic Press, New York (1978).
[5] W. L. Mc Cabe, C. J. Smith, P. Harriott,
Engineering, 6.
Unit Operations in Chemical
Bask, McGraw-Hill, New York (2001).
[6] R. H. Perry and D. Green,
6. Bask, McGraw-Hill, New York (1984).
[7] J. D. Seader and E. J. Henley,
Separation Process Principles,
John
Wiley & Sons, New York (1998).
[8] R. E. Treybol,
Mass Transfer Operations,
3.
Bask, McGraw-Hill,
Auckland (1985).
Prof.Dr. Afife Güvenç
Ara³.Gör. Ceren Atila Dinçer
97
7.3
Ya§ Analizleri
YA ANALZLER
98
Ya§ Analizleri
Genel Bilgiler
Ya§lar kimyasal yap olarak genellikle uzun zincirli karboksilli asitler olan ya§
asitlerinin gliserin triesterleridirler. Ya§lar suda ve alkolde çözünmezler. Bir
çok organik çözücüde örne§in CS2 , CHCl3 , C6 H6 , benzin, tetralin, CCl4 'de
çözünürler. Kaynama noktalar çok yüksek oldu§undan dolay ya§lar yüksek
scaklklarda bozunurlar[1].
Elde edili³ kayna§na göre ya§lar do§al ya§lar ve sentetik ya§lar olarak snandrlr.
Do§al ya§lar ise; hayvansal (don ya§, domuz ya§, balina ya§ vb.)
ve bitkisel ya§lar (hint ya§, zeytin ya§, pamuk ya§ vb.)
olarak ayrlr.
Bulunduklar ziksel hale göre ya§lar kat ve sv ya§lar olarak ikiye ayrlr.
Ya§lar doymu³luk derecesine göre ve buna paralel olarak da kuruma derecesine göre doymu³, monoolenik ve poliolenik ya§lar olarak snandrlr.
Doymu³ ya§lar stearik (C17 H35 COOH), palmitik asit (C15 H31 COOH) gibi doymu³ ya§ asitleri içeren kurumayan ya§lardr ve iyot indisleri 90'nn altndadr.
Monoolenik ya§lar asit grubunda oleik asitte (C17 H33 COOH) oldu§u gibi bir
tek C=C çift ba§ içeren yar kuruyan ya§lardr ve iyot indisleri 90-130 arasndadr. Poliolenik ya§lar asit grubunda linoleik (C17 H31 COOH) ve linolenik
(C17 H29 COOH) asitlerde oldu§u gibi birden fazla C=C çift ba§ içeren kuruyan
ya§lardr ve iyot indisleri 130 un üzerindedir. Havada ya§larn kuruma olay
oksijen köprülerinin olu³mas ile ve çift ba§larn açlarak moleküllerin birbirine
eklenmesi ile olur.
Ya§n içerisinde yabanc maddeler bulunursa; özellikle azotlu maddeler ve fermentler bozunmay kolayla³trr. Bu bozunma tepkimeleri sonucunda ya§ yükseltgenir ve aldehitler, ketonlar olu³ur.
Ya§n içerisinde kalan su da ya§n
serbest ya§ asitleri ve gliserine dönü³mesine neden olur. Ya§lar kuvvetli asitlerle
veya basnç altnda su ile stldklar zaman hidrolize u§rayarak gliserin ve
serbest ya§ asitlerine ayr³rlar. Ya§lar ile kuvvetli bazik maddelerin tepkimesi,
gliserin ile ya§ asitlerinin tuzlar olan sabunlar olu³turur. Ya§larn bu ³ekilde
bölünmesine sabunla³ma denir.
Hayvansal ya§larn eldesinde, ya§ elde edilecek parçalar et ksmndan ayrlarak
kan gibi maddelerden temizlenir, gereken büyüklükte bölünür ve kuru veya ya³
eritme yaplr. Bitkisel ya§larn eldesinde, ya§ elde edilecek hammadde elekler,
aspiratörler ve magnetik tutuculardan geçirilerek yabanc maddelerden ayrlp
depolanr. Bu ³ekilde depolanan hammaddeye presleme ve özütleme i³lemleri
uygulanr.
Ya§l maddelerden elde edilen ya§lar esas trigliseritlerden ba³ka serbest ya§
asitlerini, fosfatitleri, reçineleri ve zamkl maddeleri içerirler. Ya§lar bunlardan temizlemek ve rengini iyile³tirmek için yaplan i³leme ranasyon denir.
Ranasyon admlar ekil 7.3.1 de verilmi³tir.
Ranasyon büyük kapasiteli
dibi konik kazanlarda yaplr. Kazann stlmas için sistem ya buhar ceketine
99
Ya§ Analizleri
alnr veya içine stc serpantini yerle³tirilir. Ya§ kazana 25
◦ C'da gönderilir
ve üzerine % 3'lük NaOH çözeltisi devaml kar³trlarak eklenir. Ya§n cinsine
göre kar³m 15 dakika ile 1 saat arasnda hzla kar³trlr. Kar³trmadan sonra
kazan içeri§i 8-20 saat durulmaya braklr. Rane olmu³ ya§ üstten, sabunlu
su faz alttan çekilir.
Ya§n içeri§inde kalan baz pigmentler a§artma (renk giderme) i³lemi ile giderilir.
A§artma genellikle atmosfer basncnda konik tabanl kazanlarda ya§n
toz haldeki adsorplayc toprakla muamelesi ile yaplr. Bunun için genellikle
do§al kil veya asitle aktive edilmi³ balçk topra§ kullanlr.
³lem sonunda
adsorplaycnn çökmesi için yeteri kadar beklenilir.
Figure 7.3.1: Ranasyon admlar
Hidrojenasyon Ni katalizörlü§ünde aktif hidrojen ile yaplr.
jen suyun elektrolizinden elde edilir.
Gerekli hidro-
Hidrojenasyon, hidrojen gaznn ya§n
içerisinden geçirilmesi (Normal sistem) yada ya§n hidrojen atmosferi içerisine püskürtülmesi ile (Wilbuschewitsch yöntemi) yada hidrojenin ya§a alttan
gönderilmesi (Normann yöntemi) ile gerçekle³tirilir.
Ya§larda ho³a gitmeyen kokuyu veren maddeler arasnda aldehit, keton, hidrokarbon ve terpenler bulunmaktadr. Koku giderilmesi vakum altnda dü³ük scaklklarda su buhar ile distilasyon i³lemi ile yaplr.
Koku giderme i³lemi bit-
tikten sonra ya§ kesinlikle kurutulmaldr. Aksi takdirde ya§ su ile reaksiyona
girer.
Bu deneyde sabunla³ma says, iyot says, serbest ya§ asitleri says ve peroksit says belirlenecektir.
Sabunla³ma says, 1 g ya§n sabunla³mas için
gerekli olan potasyum hidroksitin mg olarak a§rl§dr. Yani 1 gram ya§daki
hem serbest ya§ asitleri hem de gliserid halinde bulunan ya§ asitlerini nötralle³tirmek için gerekli KOH miktardr. Sabunla³ma says, ya§n sa§n ve
cinsini saptamak için belirlenir. yot says, ya§larn doymam³lk ölçüsü olup
uygulamada a§rlk olarak 100 ksm ya§n ba§lad§ iyodun a§rl§ olarak belirtilir. Ya§larda bulunan serbest ya§ asitleri toplam, oleik asit yüzdesi olarak
belirtildi§i gibi 1 g ya§n nötrle³tirilmesi için gerekli olan potasyum hidroksitin
mg olarak kütlesi ³eklinde tanmlanr. Peroksit says, ya§larda bulunan aktif
100
Ya§ Analizleri
oksijen miktarnn ölçüsü olup 1 kg ya§da bulunan peroksit oksijeninin milie³de§er gram cinsinden miktardr.
Amaçlar
•
•
Sabunla³ma, iyot, serbest ya§ asitleri ve peroksit saylarnn belirlenmesi
Belirlenen saylarn standartlarla kar³la³trlmas ve yorumlanmas
Materyal ve Metot
Deney sabunla³ma says, iyot says, serbest ya§ asitleri says ve peroksit says
olmak üzere 4 alt deneyden olu³maktadr.
Sabunla³ma says deneyinde 2 g
ya§ örne§i alt düz olan balonun içinde tartlr.
Buna 25 ml 0.5 N etanollü
KOH çözeltisi eklenir. Kaynama ta³ atlarak geri so§utucu altnda 1-1.5 saat
kaynatlr. So§uyunca 1-2 damla % 1'lik alkollü fenolftalein çözeltisi eklenip
0.5 N HCl çözeltisi ile titre edilir (V1 ). Ayn ³artlar altnda bir de tank deneme
yaplr ve harcanan 0.5 N HCl miktar belirlenir (V2 ) [2,3].
Sabunla³ma says
= 28.05
x
V2 − V1
mg KOH
m
Burada,
V1
V2
= Titrasyonda harcanan asit çözeltisinin miktar, ml
= Tank deneyde harcanan asit çözeltisi miktar, ml
m = Alnan ya§n miktar, g
yot says deneyinde cam kapakl ³i³e içine 0.25 - 0.3 g arasnda ya§ örne§i
tartlr. Üzerine 10 ml kloroform eklenerek örnek çözülür. i³eye 25 ml Hanus
çözeltisi eklenerek kapa§ kapatlr ve 1 saat karanlkta bekletilir. Sonra üzerine
20 ml % 10'luk KI çözeltisi konularak çalkalanr ve çeperleri ykanarak 100 ml
damtk su eklenir. 1-2 ml ni³asta çözeltisi eklenerek 0.1 N Na2 S2 O3 çözeltisi
ile renk sar oluncaya kadar titre edilir (V1 ). Ayn ³artlar altnda bir de tank
deneme yaplr (V2 ) [2,4].
yot says
= 1.269
x
V2 − V1
m
Burada,
V1
V2
= Titrasyonda harcanan tiyosülfat çözeltisinin miktar, ml
= Tank deneyde harcanan tiyosülfat çözeltisinin miktar, ml
m = Alnan ya§n miktar, g
Serbest ya§ asitleri deneyinde 2-3 g ya§ örne§i 250 ml'lik erlene tartlr, 2030 ml 1/1 (hacim/hacim) oranndaki etanol-dietil eter kar³m ile çözülür.
101
Ya§ Analizleri
Çalkalanarak fenolftalein 15 saniye kalc pembe renk verinceye kadar 0,1 N
etanollü KOH çözeltisi ile titre edilir [2,5].
Serbest ya§ asitleri
= 2.8
x
Asit says
= 5.6
x
V
m
V
m
(yüzde oleik asit olarak)
(1 g örnek için gerekli mg olarak KOH miktar)
Burada,
V = Harcanan 0.1 N etanollü KOH çözeltisi miktar, ml
m = Örne§in a§rl§, g
Peroksit says deneyinde 1-1.5 g arasnda ya§ örne§i erlenin içine tartlr. 10
ml kloroform katldktan sonra erlen hzla çalkalanarak ya§ çözülür ve sra
ile 15 ml asetik asit ve 1 ml doygun potasyum iyodür çözeltisi katlr. Erlen
hemen kapatlarak bir dakika çalkalanr ve 5 dakika karanlkta tutulur. 75 ml
su katldktan sonra serbest hale geçen iyot, ni³asta indikatörü e³li§inde 0.01
N sodyum tiyosülfat çözeltisi ile titre edilir [2,6].
Peroksit Says =
10
x
V
m
(1 kg ya§da milie³de§er g peroksit oksijeni olarak)
Burada,
V = Titrasyonda harcanan 0.01 N sodyum tiyosülfat çözeltisi miktar, ml
m = Örne§in a§rl§, g
Kaynaklar
[1] TS 342 Yemeklik zeytinya§-muayene ve deney yöntemleri, Türk Standard, Ankara,1-31, (2003)
[2] TS 4962 EN ISO 3657 Hayvansal ve bitkisel kat ve sv ya§lar-Sabunla³ma
saysnn tayini, Türk Standard, Ankara, 1-11, (2005)
[3] TS 4961 ISO 3961 Hayvansal ve bitkisel ya§lar - yot says tayini, Türk
Standard, Ankara, 1-13, (1997)
[4] TS EN ISO 660 Hayvansal ve bitkisel kat ve sv ya§lar - Asit says ve
asitlik tayini, Türk Standard, Ankara, 1-19, (2010)
[5] TS EN ISO 3960 Hayvansal ve bitkisel kat ve sv ya§lar Peroksit de§eri
tayini-diyometrik (görsel) son nokta tayini, Türk Standard, Ankara, 120, (2010)
102
Ya§ Analizleri
Hazrlk Sorular
1. Ya§ ve ya§ asitleri nedir, kimyasal formülleri ile açklaynz.
2. Ya§ standartlar nelerdir? Hangi analizler ne amaçla yaplmaktadr.
3. Ya§ üretim kaynaklar nelerdir?
4. Ya§ üretim yöntemleri nelerdir?
5. Ya§ bitkilerinden ya§ üretimi için uygulanan hazrlk i³lemleri nelerdir?,
6. Ya§a uygulanan ranasyon i³lemleri nelerdir?
Her bir i³lemin amac
nedir?
7. Vinterizasyon nedir?
8. Hidrojenasyon nedir? Hangi yöntemle yaplr?
Prof.Dr. Ali Y. Bilgesü
Ara³.Gör.Dr. Aylin Geçer
103
7.4
Sv Yaktlar
SIVI YAKITLAR
104
Sv Yaktlar
Genel Bilgiler
Sv yaktlar deneyi organik kimya, zikokimya, ak³kanlar mekani§i, ayrma
i³lemleri, kimyasal reaksiyon mühendisli§i gibi birçok derste kuramsal olarak
ele alnan birçok konunun uygulanmasn gösteren ve ö§rencilerin bu konular
daha iyi kavramasna yardmc olan bir deneydir. Deneyin ilk ksm olan Engler
damtmasnda bir hidrokarbon kar³m olan sv yakt damtlmakta, buhar scakl§na kar³ distilat hacmi ölçülüp gra§e geçirilmektedir. Deney ko³ullarndaki atmosferik basnç barometreden okunarak buhar scaklklar verilen e³itlikle düzeltildikten sonra 760 mmHg için yüzde buharla³ma e§risi çizilmektedir.
Deneyin ikinci ksmnda Engler vizkositesi tayin edilmektedir. Sv yaktn oda
scakl§ ve yüksek bir scaklktaki Engler derecesi olarak vizkositesi bulunabilmektedir. Deneyin üçüncü ksmnda hidrometreler kullanlarak sv yaktn
özgül a§rl§ belirlenmektedir. Deneyin dördüncü ksmnda ise sv yaktlarn
yancl§nn bir göstergesi olan ve depolamada dikkat edilmesi gereken önemli
bir ziksel özellik olan sv yakt buharlarnn alevlenme noktas tayin edimektedir.
Amaçlar
•
Sv yaktn ziksel özellikleri belirlenir. Bu ziksel özellikler,
•
Engler damtmasnda ölçülen verilerle çizilen sv yaktn oda scakl§ ve 760 mmHg basnçtaki yüzde buharla³ma e§risi
Oda scakl§ ve yüksek scaklktaki Engler vizkositesi
Özgül a§rlk
Alevlenme noktas
Her bir ziksel özelli§in standart özelli§inden % kaç farkl oldu§u belirlenir.
•
Sv yaktn ziksel özellikleri standart de§erler ile kar³la³trldktan sonra
sv yaktn kullanma uygun olup olmad§na karar verilir [1].
Materyal ve Metot
Deney setinde dört deney bulunmaktadr.
1. ekil 7.4.1 de yer alan Engler damtma deney sistemi üç ana ksmdan
olu³maktadr: Damtma balonu, so§utucu, stc. So§utma banyosu su
ve buz parçalaryla tamamen doldurulur. Distilatn toplanaca§ silindirik
ölçü kab ile ölçülen 50 ml sv yakt çk³ borusu üstte olmak üzere
e§ikçe tutulan Engler balonu içine konur.
Balonun tepesine bir man-
tara geçirilmi³ scaklk ölçer ve çk³ borusuna da so§utucu boruya skca
105
Sv Yaktlar
uyacak bir mantar geçirilir.
Scaklk ölçer çk³ borusu ek yerinin alt
hizas, cva haznesinin üst hizasna gelecek ³ekilde yerle³tirilir.
Dolu
olan balon, muhafaza içerisindeki amyant levha üzerindeki deli§e oturtulurken, balonun çk³ borusu içindeki mantar da so§utucu borunun
içine sokulur ve ileri geri hareket ettirilerek balonun yerinde dik durmas sa§lanr. Bu srada balon yan borusunun so§utucu boru içine 5.08
cm'den çok ve 2.54 cm'den az girmemesine dikkat edilmelidir. Örne§in
ölçüldü§ü ölçü silindiri hiç kurulanmadan distilatn akaca§ yere yerle³tirilir. So§utma borusunun silindir içine 2.54 cm girmesi gereklidir. E§er
oda scakl§ 12.8-18.3
◦ C arasnda de§ilse, ölçü silindiri ³eaf ve bu s-
caklkta olan bir so§uk su kabna üst i³aret çizgisine kadar batrlmaldr.
Damtma süresince silindirin a§z, ortas delik bir süzgeç ka§d ile kapal
tutulmaldr. Düzenek bu ³ekilde hazrlandktan sonra balon ilk distilat
damlasnn 5 dakikadan ksa ve 10 dakikadan uzun olmayacak bir zaman içinde akaca§ ³ekilde stlmaya ba³lanr. Istlmaya ba³ladktan iki
dakika sonra scaklkölçer okunarak kaydedilir. Bu düzeltme scakl§dr.
lk distilat damlasnn ölçü silindirine dü³tü§ü scaklk kaynama ba³langc
scakl§ olarak kaydedilir.
Bundan sonra silindir, iç kenar so§utma
borusuna de§inceye kadar hareket ettirilir. Böylece distilatn kenardan
szarak akmas sa§lanr. Sonra stma o ³ekilde ayarlanr ki 5 dakikada
4-5 mL distilat toplansn.
Her 5 ya da 10 ml distilat topland§nda s-
caklk kaydedilerek distilasyon balonunda 5 mL bakiye kalncaya kadar
devam edilir. E§er bu son 5 mL ksmn distillenmesi, uygulanan stma
hz ile 5 dakikadan daha uzun sürerse i³lem stma hzn arttrarak
yeniden yaplmaldr. Damtma sonunda balon içindeki scaklkölçer bir
en yüksek de§eri aldktan sonra stmaya devam edildi§i halde yava³ yava³
dü³meye ba³lar. Okunan en yüksek scaklk son kaynama noktas olarak
kaydedilir. Scaklk dü³meye ba³lad§ zaman ço§unlukla damtma balonunun dibinde hiçbir ³ey kalmaz.
tilmelidir.
E§er bir artk varsa raporda belir-
Toplam distilat hamc damtma verimidir.
Balon dibinde
kalm³ olan ksm ufak bir ölçü kabna bo³altlarak hacm okunur.
damtma bakiyesidir.
Bu
Damtma verimi ve damtma art§ toplam 50
ml'den çkarld§nda damtma kayb hesaplanr. E§er damtmann yapld§
anda hava basnc 760 mmHg'dan farkl ise okunan tüm scaklklara
a³a§da verilen Sydney-Young e³itli§i ile hesaplanan bask düzeltme de§eri
eklenmelidir.
C = 0.00012 (760 − P ) (273 + t)
Burada, P: deney annda damtmann yapld§ yerdeki hava basnc,
mmHg t: deney annda okunan scaklk,
◦C
2. ekil 7.4.2 de yer alan Engler viskositesi tayin düzene§i sv yaktn eklenece§i metalik bir kap (Çizelge 1) ve toplama kab olmak üzere iki
parçadan olu³maktadr.
vardr.
Metalik kabn etrafnda bir su/ya§ banyosu
Banyo elektrikle stlr.
Metalik kabn tam merkesinde belli
106
Sv Yaktlar
boyutlarda bir delik vardr (D=2.9 mm, L=20 mm). Kap ayn malzemeden bir kapakla kapatlr. Bu kapa§n tam ortasnda ve ufak deli§e girmek
üzere bir çubuk bulunur. Deneye ba³lamadan önce düzenek srasyla alkol
ve eterle temizlenip kurutulmaldr.
Kaptaki delik çubukla kapatldk-
tan sonra sv yakt bölgeye çentik hizasnda eklenir. Kabn kapa§ kapatldktan sonra kapaktaki deli§e termometre yerle³tirilir. Delik altna
özel Engler ³i³esi yerle³tirilir. Vizkosite tayini yaplacak scakl§a kadar
örne§in snmas sa§lanr.
Daha sonra deli§i kapatan çubuk kronome-
trenin e³ anl çal³trlmasyla birlikte yukar çekilerek alnr.
Kaptaki
delikten sv yaktn akarak alttaki ³i³enin i³aret çizgisine kadar geldi§i
süre kaydedilir.
Ayn i³lem su için de tekrarlanr.
Örnek için ölçülen
süre su için ölçülen süreye bölünerek Engler derecesi olarak vizkosite
hesaplanr. Cekette bulunan ya§a su sçratlmamas gerekmektedir.
Figure 7.4.1: Engler Damtma Düzene§i
Engler viskozitesi deneyinde kullanlan metalik kabn boyutlar Çizelge
7.4.1 de verilmi³tir.
Çap
160 mm
Derinlik
62 mm
Hacim
240
3. Hidrometrelerle yo§unluk tayini gerçekle³tirmek için uygun hacimli silindirik bir kab kullanmak yeterlidir. Bu kabn iç çab hidrometre d³ çapndan
25 mm büyük olmal; yüksekli§i ise daldrlm³ hidrometrenin tabanndan en az 25 mm yukarda kalmasn sa§layacak kadar olmaldr. Deney
srasnda örnek scakl§ ölçülmeli ve gerekirse sabit scaklk banyosu
kullanlmaldr.
maldr.
Yo§unluk tayininin yapld§ scaklk mutlaka saptan-
Genel olarak 15/20
◦ C'de çal³lmas uygundur.
Hidrometre
107
Sv Yaktlar
setiyle ya do§rudan yo§unluk ya da do§rudan özgül a§rlk ölçülebilmektedir.
4. ekil 7.4.3 te yer alan alevlenme noktas tayin düzene§i yakt buharlarnn
alevlenebilece§i en dü³ük scakl§ saptamak için kullanlr.
pirinç veya benzeri metallerden yaplr.
Düzenek
ç kenarnda örnek seviyesini
gösteren bir kab ile üzerine yerle³tirilen kapak sisteminden olu³ur. Kapa§n tam ortasndaki delikten geçip örne§in içine kadar uzanan, deviri
ayarlanabilen paslanmaz çelik bir kar³trc vardr. Kapak üzerinde scaklkölçerin girebildi§i bir delik ile alev düzene§i bulunur. Örnek kab,
scaklk denetimli ve hava üenerek so§utulmaya uygun bir stcyla
sarlm³tr.
Deneye ba³lamadan önce aygtn tüm parçalar temizlenip
kurutulmaldr.
Kab i³aret çizgisine kadar örnekle doldurulur.
yerine konularak stc içine yerle³tirilir.
Kapak
Scaklkölçerler taklr.
alev yaklr ve boyu 3.97 mm olacak ³ekilde ayarlanr.
Ufak
Istmaya örnek
◦ C yükselecek kadar bir hzla ba³lanr. Ayn
◦
anda kar³trcyla saniyede 1-2 devir yaplr. 108 C'ye kadar scakl§n
◦
◦
◦
her 1 C yükselmesi sonunda ve 108 C üzerinde her 2.5 C yükselmesi
scakl§ dakikada 4.5-5.5
sonunda ufak tutu³turma alevi ile örne§in alevlenmesi denetlenir.
i³leme örnek alevlenme noktasnn 15
Bu
◦ C yaknna kadar stldktan sonra
ba³lanr. Ufak alevin örne§e yakla³trlp uzakla³trlmas çok hzl ve 1
sn içinde yaplmaldr. Bu i³lem srasnda kar³trma geçici olarak durdurulur.
Örne§in ilk alevle yand§ scaklk ALEVLENME NOKTASI
olarak kaydedilir. Ayn anda hava basnc okunur. 760 mmHg'nin her 25
birim a³a§s için bulunan alevlenme noktas scakl§na 0.8
◦ C eklenir.
◦
Her 25 birim üst için 0.8 C çkarlr.
Figure 7.4.2: Engler viskozitesi tayin düzene§i
108
Sv Yaktlar
Figure 7.4.3: Alevlenme noktas tayin düzene§i
Kaynaklar
[1] M. Erol,
Petrol teknolojisi, ders notlar.
Hazrlk Sorular
1. Sv yaktlar denilince hangi tür yaktlar akla gelmektedir.
Nasl elde
edilmektedirler.
2. Neden sv yakt analizlerinde kimyasal özelliklerine göre incelenme
yaplamamaktadr. Açklaynz.
3. Ranasyonda uygulanan temel i³lemlerde neden ayrma i³lemleri sonrasnda en az bir dönü³üm i³lemi uygulanmaktadr. Üç önemli yöntemi
tanmlaynz. Açklaynz.
4. Laboratuvarda yaplan engler ya da saybolt viskozitesi deneylerinde elde
edilen sonuçlar ne tür viskoziteyi tanmlamaktadr.
Mutlak viskozite
nedir. Açklayn.
◦
5. Sp.gr., API , yo§unluk tanmlarn yaparak aralarndaki ili³kiyi belirtiniz.
6. Damtma deneyi sonras çizilen gra§in anlamn açklayn.
Nasl ol-
maldr.
7. Sv yaktlarda bulunan en yaygn bulunan hidrokarbon türleri hangileridir. Özellikleri neledir.
8. Dizel yakt ile benzin arasndaki yapsal ve teknik farkllklar nelerdir.
9. Neden petrol nakledilmesi petrol ürünü nakliyesine göre daha uygundur. Petrol ürünleri nakliyesi ne durumda ekonomiktir.
10. Analitik olarak ham petrol nasl snandrlmaktadr. Ksaca açklaynz.
11. Ham petrol nasl olu³maktadr. Ksaca açklaynz.
12. Ham petrol ve ürünlerine üç tür hidrokarbon grubu yaygndr. simlerini
yaznz.
13. Sv yakt deneylerinde neden dinamik (kinematik) viskozite saptanmaktadr.
109
Sv Yaktlar
◦ ne amaçla kullanlmaktadr.
14. API
15. Tek deney yapmanz istense hangisini seçersiniz. Neden.
16. Engler damtmas deneyinde belli bir süre sonra scaklk dü³er. Neden.
17. Alevlenme noktas deneyinde neden yakt belli bir scaklkta yanar.
18. Petrol ranasyonunda dönü³üm i³lemleri nelerdir. Ne amaçla yaplrlar.
19. Ham petrolün damtlmasnn nedeni nedir.
20. Kur³unsuz benzin üretilmesinin nedeni nedir.
21. Sv yaktlarn viskozitesinin saptanmasnn nedeni nedir.
22. Raneri gazlarnn yaklarak yok edilmesinin nedeni nedir.
23. Sadece yo§unluk tayini ile karar verilmesinin yanl³ olmasnn nedeni
nedir.
24. Bir zorunluluk durumunda hangi tek deney yaplarak sv yaktlar hakknda
do§ru karar verilebilmesinin nedeni nedir.
25. Petrol ve ürünleri neden bir bile³ik olarak kabul edilmemektedir.
26. Hangi hidrokarbon gruplar petrolün yapsna hakimdir.
27. Depolanan bir sv yakt hangi önlemler alnmazsa patlar. Neden.
28. Ham petrol ne demektir. Tanmlaynz.
29. Sv yakt deneylerini yapmanzn nedeni nedir.
30. Ham petrol neden çkarld§ yerde i³lenmemektedir. Açklaynz.
31. Ham petrolde olenik ve asetilenik hidrokarbonlar nadir bulunur. Neden.
32. Vakum damtma ürünleri nelerdir ve önemleri nedir.
33. Neden petrol yangnlar, yakt yangnlar su ile söndürülemez.
Yangn
emniyetinin üç önemli unsuru nedir.
34. Ham petrol neden nakledildikten sonra i³lenmektedir. Ham Petrol nasl
ve hangi yollarla nakledilmelidir.
En ekonomik olarak nasl nakledilir.
Açklaynz.
35. Laboratuvarda(sizin KYM 453 de yapaca§nz) yaplacak sv yakt deneyleri nelerdir. Bu deneyler hangi ziksel özellikleri temel almaktadr. Neden sv yaktlar ziksel özelliklerine göre incelenmektedir.
36. Gazya§ neden snma amaçl kullanm de§erini/önemini kaybetmi³tir.
37. Kalorifer yakt ile fuel oil arasndaki fark/farklar nelerdir.
Nasl elde
edilmektedirler.
38. Sv yakt deneylerini yaptktan sonra elde edece§iniz sonuçlar nasl de§erlendirmeniz gerekmektedir. Neden.
39. Dönü³üm i³lemlerini ismen yazarak, bir tepkime yazarak tanmlaynz.
Prof.Dr. Murat Erol
Ara³.Gör. Pnar Kocaba³
110
7.5
Orsat Yöntemi ile Gaz Analizi
ORSAT YÖNTEM LE
GAZ ANALZ
111
Genel Bilgiler
Gaz kar³mlarnn kantitatif analizleri, bile³enlerinin ziksel ve kimyasal özelliklerine ba§l olarak çok sayda yöntem ya da cihaz ile gerçekle³tirilebilir. Enstrümental yöntemler eski yöntemlerin yerini hemen hemen tamamen alm³
olmasna ra§men, az sayda analizin yapld§ laboratuvarlarda, enstrümentasyonun ekonomik olmad§ durumlarda, eski yöntemler halen kullanlmaktadr.
Absorpsiyon esasna dayanan bu yöntem, analiz sonuçlarnn kontrol edilmesi
amacyla da uygulanabilmektedir.
Orsat yöntemi gaz analizi için kullanlan en eski yöntemlerden biridir. Yöntemin esas atmosfer basncnda bile³imi bulunacak belirli hacim gazn, her bir
bile³enini ayr ayr absorplayan reaktierden belirli bir sraya göre geçirilmesi
ile hacim azalmas ölçümüne dayanr. Yöntem; frnlarn, kazanlarn, stclarn
veya organik maddenin hava ile yakld§ herhangi bir sistemin verimini kontrol etmekte yllarca kullanlm³tr.
Yanma veriminin bulunmas amacyla
baca gazndaki CO2 , CO ve fazla O2 belirlenebilir. Do§ru miktarda havann
beslenebilmesi için birçok frn ya da kazan çk³nda CO2 ve O2 deri³imlerini
sürekli olarak analizleyen cihazlar olmasna ra§men, Orsat yöntemi bu cihazlarn kontrol edilmesi amacyla yine de uygulanmaktadr.
Orsat analizi yaplabilecek gaz bile³enleri bir sv içinde tepkime vererek ya da
ziksel olarak absorplanabilmeli; absorpsiyon sonucu gaz çk³ olmamaldr.
Orsat ile analizlenebilecek gazlar ve ilgili reaktif/çözücüleri kaynaklardan bulunabilir [1-5]. Yöntemin uygulanmas srasnda dikkat edilmesi gereken önemli
hususlar vardr [1-4].
Bunlardan biri gazlarn absorplanma srasdr.
Genel
olarak bu sra: karbondioksit ve asidik gazlar, asetilenik bile³ikler, propilen
ve di§er doymam³ bile³ikler, etilen, oksijen, karbonmonoksit, hidrojen ve
paranik hidrokarbonlar ³eklindedir [2]. Orsat yöntemiyle do§al gaz analizine
ili³kin bir Türk Standard bulunmaktadr (TS 2389).
Doymu³ hidrokarbonlar gibi yanabilen gazlar Orsat sisteminde yaklarak analizlenirler.
Bu amaçla patlama, yava³ yanma, katalitik yanma gibi yöntem-
ler kullanlabilir.
³lemin detaylar bu amaçla kullanlacak sisteme ve gazn
bile³enlerine ba§ldr. Örne§in yakma i³lemi bir veya iki a³amal olarak uygulanabilir. Yakma i³lemi ve ilgili hesaplar a³a§da özetlenmi³tir:
Gerekli hususlara dikkat edilerek büret kapasitesine göre belli hacim (100 mL
olabilir) alnan gaz kar³m uygun sra ile ilgili reaktif/çözücülerden geçirilerek geride inert gaz ile yaklarak analizlenecek bile³en(ler)in kalmas sa§lanr
(ilk absorpsiyon i³lemi). Bu gaz gerekiyorsa bir ksm atlarak, tam yanmay
sa§layacak uygun miktarda hava ya da oksijen ile Orsat büretinde kar³trlr.
Bu i³lem kar³mn toplam hacmin büret hacmine e³it olacak ³ekilde yaplabilir.
Hazrlanan kar³m yakma pipetinden geçirilir ve bürete geri alnarak
yanma sonucu hacim de§i³imi belirlenir (V1 ).
Büretteki gaz kar³m bu kez
112
olu³an karbondioksit hacmini belirlemek üzere ilgili reaktif pipetinden geçirilir; hacim de§i³imi, olu³an CO2 hacmini verir (V2 ). Kalan gaz kar³m oksijen
absorplayan reaktiften geçirilerek fazla oksijen hacmi bulunur (V3 ).
Yaklan
bile³ikler için yanma tepkimeleri yazlp bilinmeyen maksimum üç bile³enin
hacmi, hacim azalmas, karbondioksit ve oksijen dengeleri ile belirlenebilir.
Örne§in gaz kar³mnda metan ve etan varsa:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2 O
7
C2 H6 + O2 → 2CO2 + 3H2 O
2
Yaklan gazda bilinmeyen metan ve etan hacimleri srasyla x ve y ml olsun. Buna göre olu³an su yo§unla³p hacmi çok küçülece§inden ihmal edilerek
yazlan hacim azalmas denklemi:
2x + 2.5y = V1
Karbondioksit denklemi:
x + 2y = V2
Oksijen denklemi:
7
2x + y = (yakma
2
amacyla bürete alnan oksijen hacmi)
− V3
ki bilinmeyenli üç denklem içeren a³r tanmlanm³ denklem sisteminde iki
denklem yardmyla bilinmeyenler bulunur; üçüncü denklem kontrol amaçl
kullanlabilir.
Bulunan x ve y yaklan gaz içindeki metan ve etan hacim-
leri oldu§undan ilk absorpsiyon i³leminden sonra gazn tamam yaklmad ise
gerekli düzeltme yaplr.
Amaçlar
•
•
•
Sistemin çal³ma prensiplerinin ö§renilmesi
Yakma gerektirmeyen bir gaz kar³mnn Orsat ile bile³iminin bulunmas.
Yaklarak analizlenmesi gereken ikinci bir gaz kar³mnn Orsat analizi
verilerinden gazn bile³iminin bulunmas
Materyal ve Metot
Reaktier absorpsiyon pipetlerine yar seviyelerine kadar doldurulur. Sisteme
yerle³tirilip seviye ³i³esi yardmyla basnç/vakum uygulayarak pipet üst seviyesine kadar reaktierin çkmas sa§lanr. Sisteme basnç/vakum testi yaplarak
kaçak olup olmad§ kontrol edilir.
113
Üç yollu musluk kanal ile bürette bulunan hava, seviye ³i³esi yardmyla d³ar
atlr ve bürete, büret kapasitesi kadar (100 mL) atmosfer basncnda gaz alnr.
Bu durumda büretten okunan de§er 0.0 mL olmaldr.
Büretteki gaz kar³m, seviye ³i³esi yukar kaldrlarak, absorpsiyon pipeti muslu§unun açlmas suretiyle ilk absorplanmas gereken gaz bile³en, o bile³ene özel
reaktiften geçirilir. i³e daha sonra a³a§ indirilerek gaz bürete geri alnr. Bu
i³lem birkaç kez tekrarlanr ve bürette okunan gaz hacmi de§i³inceye kadar
devam edilir. Bu de§er absorplanan gazn hacmini verir.
kinci srada absorplanacak gaz için ayn i³lemler yaplr. Bürette sabitlenen
okuma ile bir önceki sabitlenen okuma arasndaki fark ikinci gazn hacmini
verir. ³lemler üçüncü gaz bile³eni için de tekrarlanr. nert bile³en hacmi ise
di§er gazlarn toplam hacmi, bürete ilk ba³ta alnan gaz hacminden çkartlarak
belirlenir ve gazn bile³imi çizelge halinde olu³turulur.
Gazda yaklarak analizlenecek bile³enler varsa kalan gaz ya da bir ksm uygun miktarda hava ya da oksijen ile kar³trlr. Toplam hacim belirlenir. Gaz
yakma pipetinden geçirilerek bürete alnr ve yanmadan sonraki hacim belirlenir.
ki ölçüm arasndaki fark yanmadaki hacim azalmasn verir.
Gaz
kar³m KOH çözeltisinden geçirilerek yanmada olu³an karbondioksit hacmi,
pirogallol çözeltisinden geçirilerek yanmada kullanlmayan oksijen hacmi belirlenir. Yanma stokiyometrik denklemi, hacim azalmas, karbondioksit ve oksijen
denklemleri yardmyla yaklan gaz içindeki yanan bile³en miktarlar bulunur.
114
Figure 7.5.1: Orsat Deney Sistemi
Kaynaklar
[1] S. R. Alpar, M. .
Hakdiyen, T. Bigat,
Snai Kimya Analiz Metot-
lar, stanbul Üniversitesi Döner Sermaye Basmevi, stanbul (1976), p.185p.206.
Encyclopedia of Industrial Chemical Analysis, General Techniques, V:2, Interscience Publishers, New York (1966),
[2] F. D. Snell, C. L. Hilton,
p.139-p.156.
[3] W. W. Scott,
Standard Methods of Chemical Analyses, V:2, D.von
Nostrand Company Inc., New York (1955), p.2349-p.2359.
Encyclopedia of Chemical Technology,
V:7, The Interscience Encyclopedia Inc., New York (1951), p.73-p.83.
[4] R. E. Kirk, D. F. Othmer,
Fisher Gas Analysis Manual for Use with Apparatus of the Orsat Type, Fisher Scientic Co., New York (1940).
[5] M. P. Matuszak,
Hazrlk Sorular
1. Fiziksel ve kimyasal absorpsiyona örnek veriniz.
2. Kütle aktarm nedir? Kütle aktarm aksn yaznz. Kütle aktarmn
etkileyen parametreler nelerdir?
115
3. Orsat analizinde absorpsiyon hzn artrmak için neler yaplabilir?
4. Gazn absorpsiyon pipetlerinden geçi³ sras önemli midir? Neden?
5. Orsat ile hangi özelliklere sahip gaz bile³enlerinin analizi yaplabilir?
6. Orsat cihaz ile su buhar tayin edilebilir mi?
7. Orsat cihaz ile analizlenecek olan gaz kuru mu yoksa su buhar ile doygun
mu olmaldr neden?
8. Orsat sistemini olu³turan birimleri fonksiyonlar ile birlikte yaznz.
9. Orsat sistemindeki pipet iç dizayn önemli midir? Neden?
10. Analizde kullanlan cva ya da asitlendirilmi³ tuzlu suyun i³levi nedir?
11. Orsat yöntemiyle gaz analizinde nelere dikkat edilmelidir? Nedenleri ile
birlikte maddeler halinde yaznz.
12. Endüstriyel kaynakl baca gaz emisyonlar için alnacak tedbirler neler
olabilir?
Daney Tasarm Sorular
lgili ö§retim üye/yardmcsndan alnacaktr.
Prof.Dr. Nuray Yldz
Ara³.Gör. Furkan Soysal
116
7.6
Kat Yaktlar
KATI YAKITLAR
117
Kat Yaktlar
Genel Bilgiler
Kat yaktlar, do§al ve sentetik kat yaktlar olmak üzere iki grupta incelenirler.
1. Do§al Kat Yaktlar
(a) Odun
(b) Kömür ( Turba, Linyit, Ta³ Kömürü, Antrasit)
2. Sentetik Kat Yaktlar
(a) Kok
(b) Odun Kömürü
(c) Petrol Koku
(d) Briket
(e) Kolloidal Yakt ve Pulvarize Kömür
Bu yaktlar enerji ihtiyacmzn kar³lanmasnda önemli bir paya sahiptir. Bu
deney kapsamnda üzerinde durulacak olan kömür, genel olarak iki amaç için
kullanlr.
1. Enerji üretimi
2. Kimya endüstrisinde ana girdi olarak
Kullanm yerlerinin belirlenmesi için kömürlerin baz özelliklerin bilinmesi gerekir.
Bu özellikler:
1. Nem, kül, kokla³ma de§eri, uçucu madde içeri§i
2. Elementel bile³im ( C, H, N, O, S)
3. Is De§eri
Kömürlerin içerdikleri nem, kaba nem ve bünye nemi olarak iki türlüdür. Ancak linyitler, ta³ kömürü gibi etüvde kurutulmazlar.
Çünkü linyitler, ta³
kömürüne nazaran daha çok uçucu madde içeri§ine sahip olduklarndan daha
az kararldrlar.
Kömürün içerdi§i uçucu maddeler, yanma srasnda alevin
durumunu etkilerler (uzun ve ksa alev).
Alevin bu durumu ise ocaklarda,
frnlarda, kazan sistemlerinde oldukça önemlidir. Uçucu maddesi yüksek olan
kömürler uzun alevde yanarlar.
Kül miktar, külün kalitesi kömürün kul-
lanld§ yerlere do§rudan etki etmesinden dolay kömürlerde kül tayini son
derece önemlidir. Küller;
1. Kolay eriyen, 1200
◦C
118
2. Orta eriyen, 1200-1400
Kat Yaktlar
◦C
◦
3. Zor eriyen, 1400-1700 C
◦
4. Erimeyen, > 1700 C
olmak üzere dört türlüdür. Kokla³ma i³lemi, kokla³ma derecesinin tayini, dumansz kat yakt elde edilmesi ve uçucu maddelerden ayrca faydalanlmas
açsndan önemlidir.
Kömürlerin bile³imlerinin bulunmas için yaplan analizler;
1. Elementel (ultimate) analiz (C, H, O, N, S)
2. Ksa (proximate) analiz (nem, uçucu madde, kül, kokla³ma de§eri ve s
de§eri)
olarak snanr.
Amaçlar
Bu deneyde kullanlan kat yaktn ksa analizleri gerçekle³tirilir.
Materyal ve Metot
Kömürlere uygulanan analizler, elde edilen sonuçlarn dünyann her yerinde
kyaslanabilir olmas açsndan standartlara göre yaplmaldr.
Bu standart-
larda, linyitlere (srsz kroze çizildi§inde kahverengi iz brakr) uygulanan analizler ile ta³ kömürüne (srsz kroze çizildi§inde siyah iz brakr) uygulanan analizler farkllk gösterir.
A. Nem Tayini:
ki yöntemle tayin edilir. Etüvde kurutma metodu [3] ve
Ksilol (Volumetrik) metodu [4]
1.
Etüvde kurutma metodu:
Havada kurutulmu³ (kaba nemi giderilmi³)
0.01 hassasiyetle tartlm³ 25 g toz numune bir petri kabna alnr. Petri
kabnn üzeri bir saat cam ile kapatlarak tekrar tartlr. Petri kab, etüve
açk olarak (saat cam yannda) konur.
kadar kurutulur.
106
±
2
◦ C da sabit tartma
Desikatöre alnmadan önce petri kab saat cam ile
119
Kat Yaktlar
örtülür ve desikatörde so§utulur.
Bu metodun linyitlere uygulanmas
hatal sonuçlar verebilir. Neden?
% N em =
a:
a−b
x100
a
Havada kurutulmu³ kömür tartm, b:
Etüvde kurutulmu³ kömür
tartm
2.
Ksilol metodu:
Numuneden 3-6 ml su vermeye yetecek kadar bir (nemi
çok olan numunelerden 30 g, az olanlardan 50 g) toz kömür tartlr, ³ekilde gösterilen cihazn 500 ml hacmndaki balonunun içine konur. Bunun
üzerine daha önce su ile doyurulmu³ 100 ml ksilol ilave edilir.
Balona
0.01 ml hassasiyetteki ölçü kab taklr ve geri so§utucu altnda stlr.
Istma önce yava³ daha sonra nemin bir ksm geçtikten sonra, daha hzl
olarak ayarlanr. Çok süratli stmalarda destilat bulank olur (neden ?).
Destilasyon i³lemine, su tutucudaki su seviyesi sabit olana kadar devam
edilir. ³lem sonunda ölçü kabnda toplanm³ olan distilat oda scakl§na
(ksilol'ün suyla doyuruldu§u scaklk) so§umas beklenir ve daha sonra su
seviyesi hacim olarak okunur. Su ksilol faznn basks altnda oldu§undan okunan hacm,gerçek hacmdan farkldr. Bunun için bir düzeltme
gra§i hazrlanmaldr.
Ölçü kab okunan i³aretten biraz eksik olacak
³ekilde ksilol ile doldurulur ve buna sra ile 1, 2, 3,...
n ml su ilave
edilir. Her ilaveden sonra okunan su seviyesi kaydedilir. lave edilen su
miktarna kar³ okunan hacm gra§e geçirlir ve düzeltme gra§i olarak
kabul edilir.
% N em =
a
x100
b
a: Su miktar, ml , b: Balona konulmu³ kömür tartm, g
B. Kül Tayini
[5]
Havada kurutulmu³ ve toz haline getirilmi³ kömürden 2-3 g alnarak krozede
tartlr. Önce haf bek alevinde kroze meyilli olarak kzdrlr. Arada srada Pt
tel ile kar³trlr. Yanma bittikten sonra 750-800
◦ C da kzdrlr ve so§utularak
tartlp kül mikar bulunur.
%
Kül
=
kül, g
kömür, g
x100
C. Kok Tayini
1.
Ta³ Kömüründe Kok Tayini [6]:
Havada kurutulmu³ toz halinde 1 g
kömür numunesi standart platin krozeye konulur ve a§z kapatlr. Kroze
bir üçgen üzerine oturtulur.
Bek, alev uzunlu§u 20 cm olacak ³ekilde
120
Kat Yaktlar
ayarlanr. Mavi alev ile kroze arasnda 1 cm mesafe olmaldr. Kroze bu
³ekilde 7 dakika stlr. Kalnt koktur.
% Kok =
a
x100
b
a: Kalnt, g, b: Kömür tartm
2.
Linyitte Kok (çar) Tayini [6]:
Havada kurutulmu³ toz halindeki
kömürden 1 g numune standart srsz krozede tartlr.
Kroze kapatlr
ve ortamdaki havay uzakla³trmak için H2 SO4 'ten geçirilmi³ hava gaz
(do§al gaz ya da H2 de olabilir) krozeden geçirilir.
Hava gaznn hz
numuneyi toz halinde sürüklemeyecek ³ekilde olmaldr. Sonra 2 dakika
süreyle dü³ük bek alevinde stlr.
sarmas sa§lanr.
Alev zamanla büyütülerek krozeyi
Gazla³an maddelerin sar alevi kaybolunca kroze her
iki tarafndan ve altndan kuvvetle kzdrlr. Böylece kokla³trma i³lemi
10 dakika içinde tamamlanm³ olur. Kat kalnt koktur.
% Kok =
a
x100
b
a: Kalnt, g, b: Kömür tartm
D. Ksa Analiz Sonuçlar
Ksa analiz sonuçlar % Nem, % Kül, % Uçucu Madde ve % Sabit Karbon
olarak verilir.
Sabit karbon ve uçucu madde miktarlar a³a§daki gibi hesa-
planr.
% Sabit Karbon = % Kok - % Kül
% Uçucu Madde = 100 (% Sabit Karbon + % Nem + % Kül)
Kaynaklar
[1] N. Berkowitz,
An Introduction to Coal Technology, Academic Press,
London, (1979).
[2] O. Kural,
Kömür, Kurti³ Matbaas, stanbul, (1991).
[3] TS 690 ISO 589 Ta³kömürü - Toplam Rutubet Tayini, Türk Standard,
Ankara, 1-9, (2002).
[4] TS 1051 ISO 1015 Kahverengi Kömürler ve Linyitler- Rutubet Muhtevas
Tayini- Do§rudan Volumetrik Metot, Türk Standard, Ankara, 1-6, (2001).
[5] TS ISO 1171+Tech Cor 1 Kat Mineral Yaktlar-Kül Miktar Tayini, Türk
Standard, Ankara, 1-12, (2006).
121
Kat Yaktlar
[6] TS 711 ISO 562 Ta³ Kömürü ve Kok - Uçucu Madde Tayini, Türk Standard, Ankara, 1-10, (2002).
122
Kat Yaktlar
Hazrlk Sorular
1. Kömüre uygulanan analizleri ve bu analizlerde nelerin belirlendi§ini açklaynz.
2. Kok ve çar ne demektir? Açklaynz.
3. Kül ve mineral madde miktar ayn mdr? Açklaynz.
4. Linyitlerde kurutma metodu ile nem tayini yaplp yaplamayaca§n gerekçeleriyle
açklaynz.
5. Karbon içeri§ine gore kömürleri snandrnz.
6. Havada kurutulmu³ temel üzerinden ksa analizi % 10 kül, % 10 nem,
% 40 sabit karbon ve % 40 uçucu madde olan kömürün ksa analizini
kuru-külsüz temel üzerinden hesaplaynz.
Y.Doç.Dr. Emir Hüseyin im³ek
123
7.7
Kalorimetre
KALORMETRE
124
Kalorimetre
Genel Bilgiler
Gerek enerji, gerekse hammadde kayna§ olarak kullanlan kat, sv ve gaz
hidrokarbonlar do§ada yaygn olarak bulunmaktadr.
Enerji üretmede yakt
olarak kullanlan hidrokarbonlarn s de§erlerinin belirlenmesi, prosesin tasarm
ve verimi gerekir. Yaktn s de§eri, birim yaktn belirli ko³ullarda tam olarak
yanmas sonucunda olu³an s de§eridir. Kat ya da sv yaktlarn s de§erlerinin belirlenmesinde kullanlan en önemli metod Kalorimetre yöntemidir.
Bu amaca yönelik olarak geli³tirilmi³ olan standartlar [1,2] yaygn olarak uygulanmaktadr. Kalorimetre yönteminde [3], analizi yaplacak olan yakt örne§i
önceden hazrlanarak kapal bir ortam olan kalorimetre bombasna konur ve
saf O2 ile yaklarak aç§a çkan s nedeniyle yükselen scaklk art³lar tespit
edilir. Deneysel olarak belirlenen sl de§erlerin yansra, kuramsal olarak da
belirleme olana§ vardr. Bu amaçla ya amprik e³itliklerden yararlanlr ya da
yaktn elmentel bile³iminden çklarak oksidasyonu sonucu aç§a çkan enerjilerinden hesaplanr [4-6]. Böylece hem kuramsal hem de deneysel sonuçlarn
kar³la³trlmas yaplabilir.
Bir yaktn yanmas srasnda olu³an su, buhar haline geçmi³ ise verdi§i sya alt
s, olu³an su sv halde kalm³ ise verdi§i sya üst s de§eri denir. Bu iki de§er
arsnda yo§unla³ma entalpisi kadar fark vardr. Kalorimetrede yakma i³leminin oda scakl§nda yaplmas nedeniyle olu³an su yo§unla³r. Bu durumda
kalorimetrede hesaplanan s de§eri suyun yo§unla³ma ssn da içerdi§i için
belirlenen s de§eri yaktn üst s de§eridir.
Kalorimetrede yanma sonucu aç§a çkan s nedeniyle, ani scaklk yükselmesi
gözlenir. Bu scaklk de§i³iminin tamam yaktn yanmas sonucu aç§a çkan
snn tamamna ait de§ildir. Çünkü bu snn bir ksm da sistem tarafndan
tutulur. Örnekte azot ya da kükürt bulunmas durumunda, bunlarn HNO3 ve
H2 SO4 'e dönü³meleri nedeniyle belirlenen s de§eri bundan etkilenir. Bunun
için üst s de§eri kesin olarak belli olan (örne§in benzoik asit) bir madde
kullanlarak kalorimetrenin su de§eri belirlenir.
Amaçlar
KYM 453 Kimya Mühendisli§i Laboratuvar II kapsamnda yaplan bu deneyin
amac ekil 7.7.1 ve 7.7.2 de görülen Kalorimetre Sisteminde Kalorimetre Bombas yardmyla kat ve sv yaktlarn üst ve alt s de§erlerinin belirlenmesidir.
Materyal ve Metot
Basnçl O2 atmosferi altnda yakma i³lemi, özel olarak tasarmlanm³ paslanmaz çelikten üretilmi³ bombada gerçekle³tirilir. Kalorimetre bombas kendisini
125
Kalorimetre
olu³turan birimlerle birlikte ³ematik olarak ekil 7.7.1 de görülmektedir.
Figure 7.7.1: Kalorimetre bombas
A
a
b'
b
c ve c'
f
G
F
V2 A
V2 A
:
Paslanmaz
:
Paslanmaz
:
O2 gaznn girdi§i yolu açp kapayan sübap
:
Yanma gazlarnn çkt§ yolu açp-kapayan sübap
:
Kutuplar (c' den örne§in yaklmasn sa§layan elektrik akm geçer)
:
Metal kroze
:
çeli§inden veya fonttan yaplm³ gövde
çeli§inden veya fonttan yaplm³ kapak
Gövde ve kapa§, gazlarn kaçmasna engel olacak ³ekilde
skca kavrayp kapamaya yarayan sk ve ince di³li bilezik
:
Bombay tutan ayak
ekil 7.7.2 de kalorimetre sistemi gösterilmi³tir. Sistem kalorimetre bombas,
kalorimetre kab, sl iletkenli§i dü³ük olan ayaklar üzerine oturtulmu³ nikelajl
kap, motor, kar³trc, Beckmann termometresi (7-8
◦ C lk scaklk aral§ndaki
de§i³imleri çok büyük bir duyarlkla gösterir) ve kalorimetre kabnn scakl§n
ölçmede kullanlan termometreden (0,1
◦ C' gösterecek duyarlkta olmas yeter-
lidir) ibarettir.
Tayin için hazrlanan örnek yüksek basnçl saf O2 ile kapal bir ortamda
(kalorimetre bombasnda) yaklr.
Yakma sonucu aç§a çkan s nedeniyle
126
Kalorimetre
Figure 7.7.2: Kalorimetre sistemi
ani bir scaklk art³ gözlenir.
Yanma tamamland§nda scaklk sabit kalr.
Deneyde saptanan scaklk ölçümü ve tartm verileriyle, yaktn üst ve alt s
de§erleri hesaplanr.
A. Örne§in hazrlanmas
•
•
Örnek kat ise, iyice toz haline getirilir.
0,1 mm incelikteki yakma telinden uygun uzunlukta bir parça kesilir ve
hassas olarak tartlr.
•
Tel sk³trma (tablet) makinesindeki yerine yerle³tirilir.
Üzerine toz
halindeki örnekten bir miktar konur, teli koparmadan sk³trlarak tablet
haline getirilir.
•
E§er örnek sv halinde ise, tartm do§rudan metal kroze içinde gerçekle³tirilir. Tel, kroze içindeki svya daldrlr.
B. Kalorimetre Bombas ve Kabnn Hazrlanmas
•
Hazrlanm³ olan örnek bombann kapa§nda bulunan iki kutup arasna
direnç telinin iki ucundan ba§lanr.
•
•
•
Kapak gövdeye taklr ve sk³trlr.
(b) ve (b') sübaplar sonuna kadar açlr.
(b') sübabna oksijen tüpünden gelen borunun rekoru ba§lanr ve bombadaki hava tamamen bo³alncaya kadar oksijen geçirilir ve daha sonra
(b) sübab kapatlr.
127
•
Kalorimetre
Oksijen tüpünden gelen boru sökülerek kalorimetre bombasndan ayrlr.
Dikkatle hiç sarsmadan ekil 7.7.2 deki (k) kab içine yerle³tirilir.
•
(k) kabna bombay tamamen örtecek fakat kutuplar slatmayacak miktarda damtk su konur.
•
Kapa§n ve sübaplarn etrafndan herhangi bir gaz kaça§ olup olmad§
kontrol edilir.
E§er yoksa (k) kab, (C) kalorimetre kabnn içine yer-
le³tirilir.
•
•
•
Elektrik ba§lantlar yaplr.
Ayarlanm³ Beckmann termometresi ve kar³trc yerine taklr.
Kapak kapatlr.
C. Yakmann Yaplmas ve Scaklk Okunmas
Bu i³lem üç a³amada gerçekle³tirilir.
a. Birinci A³ama
•
•
Motor çal³trlr ve kar³trc harekete geçirilir.
Beckmann termometresindeki scaklk dü³ü³ü dikkatle izlenerek dakikada
bir kaydedilir.
•
³leme, scaklk sabit kalana ya da de§i³me çok az olana kadar devam
edilir. Bu i³lem için genellikle 6-8 dakika yeterlidir.
b. Yakma A³amas
•
Scakl§n sabit kald§ andan bir dakika sonra yakma devresinin ³alteri
kapatlarak örnek yaklr. Bu anda i³aret lambas da yanp sönmelidir.
Aksi halde yanma olmam³tr ve kalorimetre bombasnn bo³altlp yeniden
hazrlanmas gerekir.
•
Örne§in yaklmas ile Beckmann termometresinde ani bir yükselme görülecektir. Scaklk sabit kalana kadar her dakika kaydedilir. Yakla³k üç (3)
dakika içinde scaklk maksimuma ula³r ve tekrar dü³meye ba³lar.
c. Son A³ama
•
•
Beckman termometresindeki scaklk dü³ü³ü her dakika kaydedilir.
³leme scaklk sabit kalana ya da de§i³me çok az olana kadar devam
edilir; 6-8 dakika yeterli olacaktr.
128
Kalorimetre
D. Kalorimetrenin Su De§erinin Belirlenmesi
Gerekçe:
Örne§in yukarda anlatlan ³ekilde yaklmas ile aç§a çkan snn
ancak bir ksm (k) kab içindeki su tarafndan absorplanr. Di§er ksm ise,
kalorimetre bombas, (k) kab, kar³trc ve termometre gibi aletin parçalar
tarafndan absorplanr. Di§er taraftan, örnekteki azotun HNO3 ve kükürdün
de H2 SO4 'e dönü³ümü nedeniyle bir miktar s de§i³imi olur.
Bu durumda
Beckmann termometresinde okunan scaklk de§eri, yaktn yanmas sonucu
aç§a çkan snn tamamna ait de§ildir.
Bunun için bulunan s de§erinin,
kalorimetrenin su de§eri, HNO3 ve H2 SO4 için düzeltme faktörü ile gerçek
de§ere çevrilmesi gerekir.
Deney:
Kalorimetrede örnek yerine, yanma ss kesin olarak bilinen bir madde
(örne§in saf benzoik asit) yaklr. Deney (a, b, c) yukarda anlatlan ³ekilde
tekrarlanr. Böylece, kalorimetrenin su de§eri hesaplanr.
Verilerin De§erlendirilmesi
a. Üst Is De§erinin Hesaplanmas
Havada kurutulduktan sonra yaklan örnekte üst s de§eri a³a§daki e³itlikle
hesaplanr:
Ho =
Ho
W
:
:
W (tm + c − to ) − b
G
Üst s de§eri
Kalorimetrenin su de§eri (kalorimetre parçalarnn s kapasitesine
e³it olan düzeltme faktörü)
t
:
to
tm
b
:
Yakma a³amasndan önce kaydedilen son scaklk
:
Yakma a³amasnda kaydedilen son scaklk
Yakma a³amasnda ilk ve son okunan scaklklarn d³ndaki
scaklklarn toplam
:
Örnek d³ndaki maddelerin (yakma teli, kükürt, azot) yanmas
ile olu³an s de§i³imleri toplam
b = bD + bN + bS
129
bD
:
Kalorimetre
Örne§i komprime haline getirirken konulan telin yanmas ile
aç§a çkan s miktar. Bu miktar, 0,1 mm çapl 1 mg çelik tel için
1,6 kaloridir.
bN
:
Örnekteki azotun yanarak N2 O5 'e dönü³mesi ile aç§a çkan
s miktar. Bu miktar, N/10 HNO3 'ün 1 ml'si ba³na 1,45 kaloridir.
bS
:
Örnekteki kükürdün yanarak SO3 'e dönü³mesi ile aç§a çkan
s miktar. Bu miktar, N/10 H2 SO4 'ün 1 ml'si ba³na 3,6 kaloridir.
G
c
:
Havada kurutulmu³ yakt örne§i tartm
:
Kalorimetre ile d³ ortam arasndaki s al³veri³ini düzeltme
faktörü. Bu faktör, Regnault - Pfaundler formulü ile hesaplanr.
c = m n − (n + ν)F
F =m−
m
v
n
tν
tn
1
to + tm
(t +
m tν )
tn − tν
2
:
Deney için geçen toplam zaman (zaman sabit scaklktan itibaren, dk.)
:
lk a³amada dakikadaki scaklk dü³ü³lerinin ortalamas
:
Son a³amada dakikadaki scaklk dü³ü³lerinin ortalamas
:
lk a³amada kaydedilen scaklklarn ortalamas
:
Son a³amada kaydedilen scaklklarn ortalamas
F=1.0 : Yakma a³amasnda ilk dakikadaki scaklk yükselmesi, ikinci dakikadakinden
büyük oldu§u zaman,
F=1.25 : Yakma a³amasnda ilk ve ikinci dakikadaki scaklk yükselmeleri birbirine e³it oldu§u zaman,
F=1.5 : Yakma a³amasnda ilk dakikadaki scaklk yükselmesi, ikinci dakikadakinden
küçük oldu§u zaman,
b. Alt Is De§erinin Hesaplanmas
Havada kurutulduktan sonra yaklan örne§in alt s de§eri a³a§daki e³itlikle
hesaplanr:
Hu = Ho − 5.85(9H + K)
Hu
Ho
H
:
Alt s de§eri
:
Üst s de§eri
:
Yakt örne§inin elementel analizinde bulunan hidrojen miktarna
kar³ gelen % H2 O miktar
K
:
Yakt örne§inin % nem miktar
130
Kalorimetre
Kaynaklar
[1] TS 2678 Kat Mineral Yaktlarn Üst ve Alt Is De§erlerinin Bombal
Kalorimetre Yöntemi le Tayini, Türk Standard, Ankara, 1-17, (1977).
[2] TS 1740 Sv Hidrokarbon Yaktlar Yanma Issnn Tayini Kalorimetre
Metodu, Türk Standard, Ankara, 1-18, (2006).
[3] S.R. Alpar, M.. Hakdiyen, T. Bigat,
Snai Kimya Analiz Metodlar,
5. Bask, stanbul Üniversitesi Yaynlar, stanbul, (1976).
[4] Y. Sarkaya,
Fizikokimya, Geni³letilmi³ 3.
Bask, Gazi Kitabevi, Ankara,
(2000).
[5] J.M. Smith, H.C. Van Ness, M.M. Abbott,
gineering Thermodyanmics, 5.
[6] R.H. Perry, D. Green,
Introduction Chemical En-
Bask, McGraw-Hill, Nevada (1996).
7.
Bask, McGraw Hill, New York (1997).
Hazrlk Sorular
1. Kat bir yaktn sl de§eri kalorimetre bombasyla nasl belirlenir? Yakt
saf hidrokarbon oldu§unda ve % 25 yanmayan madde içerdi§inde sl
de§eri ne olur?
2. Linyitin ve saf karbonun sl de§eri nasl belirlenir, tart³nz.
3. H içermeyen kat bri yakt C yannda N ve S içermektedir.
Yanma
sonucu çkan baca gazndaki bile³enler nasl belirlenir? Bu kat yaktn
sl de§erinin belirlerken nasl bir düzeltme yaplmaldr?
4. Kalorimetre bombas tekni§i ile kat yaktlarn sl de§eri kolaylkla belirlenebilir. Sv yaktlar için ayn teknik uygulanabilir mi?
5. Duyulan s, yanma ss, alt yanma ss, alt ve üst s de§eri kavramlarn
açklaynz. Kalorimetre bombas ile yaktn hangi s de§eri belirlenir?
Neden?
6. Kalorimetrenin `su de§eri' nadir, nasl belirlenir?
7. Deney düzene§inde yer alan yakma teli, kar³trc ve Beckmann termometresinin i³levlerini açklaynz.
8. Deney srasnda gerçekle³en s aktarm mekanizmalrn açklaynz.
Prof.Dr. Zeki Akta³
Ara³.Gör. Yavuz Gökçe
131
7.8
eker Analizleri
EKER ANALZLER
132
eker Analizleri
Genel Bilgiler
Karbonhidratlar, bitkilerin fotosentezi yoluyla olu³an, vücuda enerji veren
besin ö§esidir. Monosakkaritler, disakkaritler ve polisakkaritlerden olu³mu³lardr.
Monosakkaritlerin yaplarnda serbest aldehit ve keton gruplar yer almaktadr.
Aldehit grubuna sahip monosakkaritler indirgen ³ekerlerdir.
Ayrca
disakkaritlerden sakarozun inversiyonundan sonra olu³an invert ³eker de indirgendir.
Bu özelliklerinden dolay indirgen ³ekerler fehling çözeltisini in-
dirger. eker tayini, tüm sebze ve meyve ürünleri, süt ve süt ürünleri, et ve
et ürünleri gibi yapsnda ³eker bulunduran tüm gdalara uygulanr.
Temel
besin maddelerinden biri olan ³eker, sanayide ³eker pancar ve ³eker kam³ndan elde edilmektedir. Piyasada beyaz kristaller halinde olan ³ekerin kimyasal
ad sakkaroz veya sukrozdur.
eker fabrikalarnn çe³itli birimlerinde ürün
kalitesinin kontrolü için analizler yaplmakta; böylece son ürünün standart özelliklerde olmas sa§lanmaktadr. Elde edilen ürün, ara ürün ve yan ürünlerin
çok çe³itli olmasna ra§men ba³lca yaplan analizler kat madde, sakaroz, invert
³eker, su, kül ve içerdi§i anorganik maddelerin tayinleri olarak snandrlabilir.
eker tayin yöntemlerinin ilkesi, karbonhidratlarn indirgen özelli§inden yararlanmaya dayanmaktadr. Tüm monosakkaritler indirgen özelliktedir. Bunun
yan sra disakkaritler kendilerini olu³turan monosakkaritlerin ba§lanma ³ekline
göre laktoz ve maltozda oldu§u gibi indirgen özelli§i gösterir ya da sakkarozda
oldu§u gibi göstermez.
Polisakkaritlerin indirgeme özelli§i, sadece zincirin
en ucundaki gruptan kaynakland§ ve bunlarn indirgeme gücü çok büyük
moleküllerine göre dü³ük düzeyde kald§ndan ço§u kez, bunlarn indirgeme
özelli§inin olmad§ varsaylr. eker tayininde karbonhidratlarn indirgen özelli§inden yararlanld§ için buna dayal metotlarda indirgen ³ekerlerin toplu
tayin edilebildi§i, ayr ayr miktarlarnn belirlenemezler (glukoz ve fruktozun
ayr ayr de§il, invert ³eker ad altnda beraber saptanmas gibi). Sakkaroz
önce invert ³ekere dönü³türülmekte, sonra olu³an invert ³ekerin indirgen özelli§inden yararlanlarak tayin edilmektedir (toplam ³eker tayini).
Ancak ³ek-
erlerin her birinin tayini için ba³ta enzimatik yöntemler olmak üzere di§er
yöntemler de kullanlr.
Amaçlar
•
•
•
Farkl gda maddelerinin kat madde tayinlerinin yaplmas.
Refraktometre ve polarimetre uygulamalarnn gerçekle³tirilmesi.
nvert ³eker ve sakkaroz tayini.
133
eker Analizleri
Materyal ve Metot
1.
Kat Madde Tayini:
ekerli maddede bulunan kat madde miktar,
farkl ortamlara giren ³§n krlmas özelli§ine dayanan refraktometre ile
ölçülür. ekerli maddeler, kat madde yüzdesini tarlada hemen ve kabaca
ölçmek için el refraktometreleri geli³tirilmi³tir.
0-30 arasna bölünmü³
skalas vardr ve % olarak ³eker miktar okunur.
Yöntem:
20 g numune suda çözülür ve 100 ml'ye tamamlanr. Hazr-
lanan bu % 20'lik çözeltiden prizmaya birkaç damla damlatlr, kapa§
kapatlr. Alet düz olarak ³k gelen yöne çevrilir. Snr çizgisinin skalay
kesti§i yerde % kat madde miktar JENA 236227 el reaktometresinden
okunur. Sfr noktas saf su ile ayarlanr.
2.
Sakkaroz Tayini:
³letmenin denetiminde, sakarz miktarnn tüm kademel-
erde yakndan izlenmesi gerekmektedir.
Optikçe aktif bir madde olan
sakarozun çevirme derecesi polarimetre ile ölçülerek deri³imi hesaplanabilir.
Kullanlan Çözeltiler: Bazik kur³un asetat çözeltisi (% 3), asetik asit
Yöntem: 200 ml hacminde temiz ve kuru beherde, 13 g numune üzerine
88,5 ml % 3'lük bazik kur³un asetat çözeltisi ilave edilerek kar³trlr.
Beher, 75-85
◦ C'deki su banyosunda 15-20 dk tutulduktan sonra 20 ◦ C'a
so§uk su ile dü³ürülür. Bu ³ekilde so§utulmaya brakldktan sonra birkaç
dakika hzla kar³trlr. Bu i³lem 2-3 defa tekrar edilir. 15 dakika sonra
beher so§uk sudan çkartlr. Son bir defa kar³trldktan sonra süzülür.
1 dm'lik tüpte polarize edilir.
JENA 246566 polarimetresi ile okunan
de§er yardm ile sakaroz deri³imi a³a§daki formülden hesaplanr.
C=
100 a
[a]20
D L
Sakkarozun spesik çevirmesi = +66.5
α:
⇒ [a]20
D = 66.5
gözlenen çevirme açs, C: sakaroz deri³imi, (g/100 ml), L: polarimetre
tüpünün uzunlu§u, (dm)
3.
nvert eker Tayini:
Sakkarozun asidik ortamda parçalanp glikoz ve
fruktoza ayrlmas olayna inversiyon, meydana gelen e³molar glikoz ve
fruktoz kar³mna da invert ³eker denir. nvert ³eker Ofner Metoduna
göre invert ³ekerin indirgeme özelli§inden yararlanarak titrasyon ile tayin
edilebilir.
Kullanlan Çözeltiler:
Bakr sülfat çözeltisi, 0,032 N Na2 S2 O3 çözeltisi,
0,0323 N I2 çözeltisi, 1 N HCl çözeltisi, Asetik asit
Yöntem:
20g numune suda çözülüp 100 ml'ye tamamlanr.
50 ml'si
300 ml'lik bir erlene alnr. 50 ml bakr sülfat çözeltisi ilave edilir, iyice
kar³trlarak 4-5 dk kaynatlr.
So§uk suya daldrlarak kar³trmadan
so§utulur. 1 ml asetik asit ilave edilir. Sürekli kar³trarak büretten 5-30
ml iyot çözeltisi ilave edilir (V1).
edilmesine dikkat edilmelidir.
yot çözeltisinin a³r miktarda ilave
Çözeltinin önce ald§ ye³il rengi yava³
134
eker Analizleri
yava³ kaybedip kahverengi eser bir renk ald§ anda iyot ilavesine son
verilmelidir. 15 ml HCl erlenin iç kenarndan çözeltiye eklenir. Erlenin
a§z kapatlr, arada bir çalkalayarak tepkimeye braklr. yodun açkta
kalan sodyum tiyosülfat ile ni³asta yannda geri titre edilir (V2 ).
nan iyot hacminden harcanan iyot hacmi (V2 ) çkartlr (V
Ko-
= V1 − V2 ).
Harcanan her 1 ml iyot 1 mg invert ³ekere e³de§erdir.
nvert ³eker miktar
(%) =
V 1
m 10
m: numunedeki ³eker miktar, g
Kaynaklar
[1] P. Güray,
eker Analizleri ICUMSA Metotlar
, Türkiye eker Fab-
rikalar A. . Yaynlar, Yayn No: 139, Ankara
Encyclopedia of Industrial Chemical
Analysis, Vol:18, Interscience Publishers, New York, 1966
[2] F. D. Snell ve C. L. Hilton,
[3] H. Keskin,
Gda Kimyas, stanbul Üniversitesi Yaynlar, No:41, stanbul
1975
[4] R. M. Roberts, J. C. Gilbert, L. B. Rodewald,
Modern Experimen-
tal Organic Chemistry, 4th Edition, Saunders College Publishing, New
York, 1985
[5] C. Dokuzlu,
Gda Analizleri, Marmara Kitabevi Yaynlar, Bursa, 2004
Meyve Sebze ³leme Endüstrisinde Temel Analiz
Metotlar, Biltav Yaynlar, Ankara, 1992.
[6] B. Cemero§lu,
Hazrlk Sorular
1. Sakkaroz niçin indirgen özellik göstermez?
2. 1 mol sakkarozun inversiyonundan kaç g invert ³eker olu³ur?
3. Sakkarozun kendini olu³turan ³ekerlere parçalanmas olayna ne denir?
4. Polarimetre cihaz çal³ma prensibi nasldr. Nerelerde kullanlabilir?
5. Refraktometre çal³ma prensibi nasldr? Hangi amaçla kullanlrlar?
6. Kaç tip refraktometre vardr? Kullanm alanlar nelerdir?
7. Toplam ³eker miktar ne demektir?
8. eker analiz yöntemlerinden olan Lane- Eynon metodu, Lu Schoorl
metodu, Bertrand metodlarn ara³trnz.
Prof.Dr. Ali Karaduman
Ara³.Gör. brahim Bilici
135
7.9
Su Analizleri
SU ANALZLER
136
Su Analizleri
Genel Bilgiler
çme ve kullanma amacyla yeterli miktarda su sa§lanmas, endüstri için oldu§u
kadar, günlük hayat için de gereklidir. Nüfusun gittikçe artmas ve gün geçtikçe
artan sayda fabrika in³as su ihtiyacn artrmaktadr. Di§er taraftan, son yllarda, teknikte kaydedilen geli³meler sonucunda çok daha yüksek kalitede suya
(çok yüksek basnçl kazanlarda oldu§u gibi) ihtiyaç duyulmaktadr. Do§ada
bulunan su, hemen hemen hiçbir zaman do§rudan do§ruya kullanlmaya elveri³li de§ildir. Do§ada farkl ³ekillerde bulunan suyun, kullanlaca§ yere göre bir
takm hazrlayc proseslere tabi tutulmas gerekmektedir. Do§ada su genellikle
iki ³ekilde bulunur.
1. Yeralt sular
2. Yüzeyde bulunan sular (denizler, akarsular ve göller)
Suyun kullanlaca§ amaca uygun olup olmad§, sertli§ine bakarak kontrol
edilebilir.
Sertlik veren maddeler ço§unlukla toprak alkali metallerinin tu-
zlardr. Suyun sertli§ini ifade etmek için, farkl sertlik dereceleri kullanlmaktadr.
Su sertli§ini belirtmek üzere en çok kullanlan sertlik dereceleri:
◦
Alman sertlik derecesi
1 AS
10 mg CaO/L su
Fransz sertlik derecesi
◦
1 FS
◦
1 IS
10 mg CaCO3 /L su
ngiliz sertlik derecesi
1 ppm (parts per million)
10 mg CaCO3 /0.7 L su
mg tuz/L su
1 val
e³de§er g tuz/L su
1 milival
e³de§er mg tuz/L su
10 mg CaO
100 mg CaCO3 = 17.9 mg CaCO3
56 mg CaO
10 mg CaO, 17.9 mg CaCO3 'a e³de§erdir. 1 AS
◦ =1.79 FS◦ veya
10 mg CaCO3
56 mg CaO = 5.6 mg CaO
100 mg CaCO3
◦ = 0.56 AS◦
10 mg CaCO3 , 5.6 mg CaO'e e³de§erdir. 1 FS
10 mg CaCO3
14.3 mg CaCO3
1 L su =
1 L su = 1.43 F S ◦
0.7 L su
1 L su
137
Su Analizleri
◦ =1.43 FS◦
1 IS
Suyun sertli§ine göre snandrlmas:
◦
0 4 AS
Çok yumu³ak
◦
4 8 AS
Yumu³ak
◦
8 12 AS
Biraz sert
◦
Oldukça sert
◦
Sert
12 18 AS
18 30 AS
◦
>30 AS
Çok sert
Yer alt sularnn sertlikleri de§i³iktir. Kireç ta³ ile temas eden su daha serttir. Yalnz, ayn kaynaktan alnan yer alt sularnn sertlikleri genellikle sabit
de§erler gösterir.
Yüzey sularnn sertlikleri ise, mevsimlere göre baz de§i³iklikler gösterir. Ya§murun çok ya§d§ ve karlarn eridi§i dönemlerde sertlik dü³er; buna kar³lk,
scakl§n fazla oldu§u dönemlerde, buharla³ma artaca§ için sertlik artar [1,2].
Hangi su kayna§ndan faydalanlaca§na karar verilirken, suyun kullanlma
amac göz önünde bulundurulmaldr.
Su ³ehir suyunun yan sra teknikte
so§utma, ykama, tepkime, kazan besleme ve ta³ma suyu olarak kullanlr.
çme suyu, her ³eyden önce, hastalk yapc mikroplar ve sa§l§a zararl maddeleri içermemelidir. çme suyu, berrak, kokusuz, serin (7 10
◦ C) ve lezzetli
olmal; H2 S içermemelidir. Fe ve Mn bile³iklerinin ise, suya kötü bir tat vermeleri ve çama³rlarda da leke brakmalar nedeniyle, ³ehir suyunda bulunmalar istenmez. Baz tuzlar, özellikle bikarbonatlar ise, suyun tadn düzelterek suya lezzet katarlar. Bu nedenle, tuzca fakir olan sular ve destile sular
tatszdr. çme suyundaki tuzlarn toplam miktar 600 mg/L'ye kadar çkabilir.
çme suyu olarak kullanlmak üzere, suyun mekanik olarak temizlenmesi yalnz
yüzey sularnda söz konusudur. Yer alt sularnda bulanklk veren maddeler
bulunmazlar. Yalnz yer alt sular korozif CO2 ve demir tuzlarn daha fazla
içerir.
Karbondioksit, suda farkl ³ekillerde bulunur.
Bir ksm bikarbonat
halinde ba§ldr. Buna ba§l karbondioksit denir. Toprak alkali metallerinin
bikarbonatlar, suda yalnz ba³na dayankl de§ildir. Dayankl olabilmesi için,
scakl§a ba§l olmak üzere, belirli miktarda serbest CO2 bulunmas gerekir.
Ca(HCO3 )2 CaCO3 + H2 O + CO2
M g(HCO3 )2 M gCO3 + H2 O + CO2
Bu dengenin sa§lanmas için gerekli olan CO2 miktarna, denge için gerekli olan
(Tillmanns'a göre) serbest karbondioksit denir. Denge için gerekli olan serbest
138
Su Analizleri
CO2 'in fazlas, mevcut kireç ta³n çözer, yani koroziftir. Bundan dolay, denge
için gerekli olan serbest karbondioksitten daha fazla olan serbest karbondioksite korozif karbondioksit denir.
Sudaki serbest CO2 miktar, geçici sertlik
veren maddelerle CO2 arasndaki denge için gerekli miktar a³t§ taktirde, su
korozif etkiye sahiptir. Az kireç içeren yumu³ak su, sert sudan daha korozif
olabilir. Korozif CO2 içeren su, demiri, bikarbonat halinde çözer ve böylece,
demir borular kolayca korozyona u§rayabilir. Dengenin mevcut oldu§u suda,
herhangi bir ³ekilde denge bozulursa, CaCO3 çöker ve boru cidarnda sk bir
tabaka olu³turarak borunun daha fazla korozyona u§ramasna mani olur. Bundan dolay, sudaki CO2 miktar, bu denge kuruluncaya kadar azaltlr.
Shhi bakmdan, sertli§in organizma üzerine zararl bir etkisi oldu§u ³imdiye
kadar tespit edilememi³tir. Suda sertlik veren maddeler, suyun stlmas srasnda
u§rayacaklar de§i³ikli§e göre ikiye ayrlrlar.
Geçici Sertlik (Bikarbonat sertli§i)
Suyun stlmas srasnda bozunan kalsiyum ve magnezyum bikarbonatlar geçici
sertlik veren maddelerdir. Geçici sertlik veren bu tuzlar, stldklarnda, karbonatlara dönü³erek, sar-kahverengi ta³ (kazan ta³) olu³tururlar.
Ca(HCO3 )2 CaCO3 + H2 O + CO2
M g(HCO3 )2 M gCO3 + H2 O + CO2
Kalc Sertlik
Suyun stlmas srasnda de§i³iklik göstermeyen tuzlarn sebep oldu§u sertli§e
ise, kalc sertlik veya karbonat olmayan sertlik ad verilmektedir.
Bunlar,
genellikle, toprak alkali metallerinin silikat, nitrat, klorür ve sülfatlardr. Kalc
sertlik veren tuzlar, ancak suyun çok fazla buharla³trlmas ile ta³ halinde
ayrlrlar. Bu tuzlarn büyük ksmnn çözünürlükleri scaklkla azalr. Buharla³trma srasnda stma yüzeyi ile temasta bulunan suda, tuzlar, çözeltiye
nazaran daha çabuk doygunlu§a eri³erek, özellikle stma borular ve kazan
cidarlarnda sert bir ta³ (kazan ta³) halinde ayrlrlar.
Toplam Sertlik
Geçici ve kalc sertliklerin toplamna, Toplam Sertlik denir.
139
Su Analizleri
SU BORULARININ KORUNMASI
So§utma suyu
Su, endüstride, en fazla so§utma suyu olarak kullanlr.
So§utma suyunda
aranlan özellikler pek fazla de§ildir. So§utma suyu öncelikle, bulanklk veren
maddeleri içermemelidir. Çünkü bu maddeler, zamanla borularn tkanmasna
sebep olabilirler. Di§er önemli nokta, geçici sertlik veren maddelerin, so§utma
suyundan mutlaka uzakla³trlmas gere§idir.
Aksi halde, so§utma suyunun
snmas ile so§utma yüzeylerinde ta³ olu³ur, bu da s aktarmn engeller.
So§utma suyundan, korozif etkiye sahip bulunan CO2 'in de uzakla³trlmas
gerekir. Ayrca, so§utma suyunda yosun ve bakterilerin bulunmas da, çe³itli
sorunlara yol açabilece§i için bu konuda da gerekli tedbirler alnmaldr. Bunlara ilaveten, so§utma suyunun scakl§nn dü³ük ve yaz k³ sabit olmas gerekmektedir.
So§utma suyunun geçici sertli§inin giderilmesi srasnda, içinde bulunan iri
taneler, bulanklk veren maddeler ve korozif etkiye sahip CO2 de uzakla³trlm³
olur.
Kazan besleme suyu
Yüksek basnçl kazanlarn yapmnda kullanlan yap malzemeleri yüksek basnç
ve scakl§a (160 atü ve 600
◦ C) dayanmaldr. Ayrca, kazan besleme suyunun
da çok iyi hazrlanm³ olmas gerekir. Önceki zararsz olan safszlklar, yüksek
basnçl kazanlarda zararl olmaktan öte tehlikeli oldu§undan, yüksek basnçl
kazanlarda kullanlan suyun hiç tuz içermemesi gerekmektedir.
Bu nedenle,
saf kondens suyu veya hiç tuz içermeyen kazan besleme suyu kullanlmaldr.
Kazan besleme suyu, her ³eyden önce, buharla³ma sonucunda, borularda ve
kazan cidarnda hiç kalnt brakmamaldr. Çünkü, olu³acak kazan ta³, s aktarmn kötüle³tirece§i gibi, baz noktalarda s y§lmasna da sebep olacaktr.
Kazan ta³larnn s aktarm katsays (kazan ta³ için, 0.37-0.84 ; dökme demir
2
◦
için, 52 kcal-m/m .h.C ) dü³ük oldu§u için, buralarda s y§lmas olur. Kazan
ta³ ani çatlad§ taktirde, s birden bu çok snm³ yüzeyden suya geçerek
suyun çok snmasna ve sonuçta suyun parçalanmasna neden olur.
Olu³an
ve yüksek scaklkta bulunan buhar ve gazlar da kazann patlamasna sebep
olur. Di§er taraftan, sertlik veren maddelerin çamur halinde ayrlmas borularn tkanmasna sebep olaca§ için, bu konuda gerekli tedbirler alnarak söz
konusu çökelmeye mani olunmaldr.
Kazan ta³ ve çamurlarn altnda kalan kazan korozyona u§rar ve borular zamanla zayar. Eski bir uygulama olan kazan ta³larnn mekanik olarak uzakla³trlmas da borular zarara u§ratabilece§inden, kazan besleme suyu olarak
kullanlacak suyun çok iyi temizlenmesi ve bu tür olu³umlarn ba³tan önlenmesi gerekmektedir. Tek ba³na kazan ta³, korozyona mani olmas bakmndan
bazen faydaldr.
140
Su Analizleri
Köpürme, alkalite
Demirin suda çözünmesi suyu alkalik tutmak suretiyle önlenebilir; ancak, kazan
suyunun alkalitesinin artmasyla su köpürece§i için, buhar rutubetli olur ve tuz
içerir. Doymu³ buharn a³r stlmas ise, içindeki tuzlarn kazan ta³ gibi boru
cidarnda birikmesine ve bu da korozyona sebep olur. Bu süreç içerisinde türbin
kanatlarnda da tuz ayrlr. Köpürmeye kolloidler ve yüzen maddeler de neden
olur.
Sertlik içermeyen kondens suyunda çözünmü³ bulunan CO2 çok fazla
koroziftir.
SU SERTLNN GDERLMES
Sertli§in giderilmesinde a³a§daki yöntemler kullanlr.
1. Kimyasal maddeler ilavesi ile sertlik veren maddelerin çöktürülmesi (kimyasal metot),
2. Katyon-anyon de§i³tiricilerle tuzlarn uzakla³trlmas.
Kimyasal Çöktürme Yöntemi
Bu yöntemin temeli, suya sertlik veren maddelerin kimyasal madde ilavesi ile
++ ve Mg++
çöktürülerek sudan ayrlmas olup; bu i³lem için, anyonlar, Ca
katyonlaryla suda zor çözünen tuzlar verebilecek kimyasal bile³ikler kullanlr.
Bu amaçla, en çok kullanlan bile³ikler ise, Ca(OH)2 , NaOH, NaCO3 ve Na3 PO4
dr.
Yaygn olarak kullanlmamakla birlikte, Ba(OH)2 veya BaCO3 da ayn
amaçla kullanlr. Yukarda bahsedilen bile³iklerin suya ilave edilmesiyle, suda
++ ; CaCO veya Ca (PO ) halinde, Mg++ ise, Mg(OH) veya
3
3
4 2
2
bulunan Ca
Mg3 (PO4 )2 halinde çöker.
Sertli§in ne dereceye kadar giderilebilece§i ise,
çökeltme i³lemi srasnda olu³an tuzlarn çözünürlü§ü ile ili³kilidir.
Nitekim
CaCO3 , Ca3 (PO4 )2 ye nazaran daha kolay çözündü§ü için, NaOH, Ca(OH)2 ,
Na2 CO3 ün ilavesiyle elde edilen suyun sertli§i, Na3 PO4 ilavesi ile elde edilen
suyun sertli§inden daha fazladr. Ayn iyonlarn ortamda bulunmas ile çözünürlük azalaca§ için, çöktürme i³leminde kullanlan kimyasal fazlaca kullanmak
suretiyle sertli§in giderilmesi daha iyi olabilir. Ancak, bu yol, kazan besleme
suyundaki toplu tuz miktarn artraca§ için çok tercih edilmez. Ayrca, sertli§in
giderilmesi, çöken tuzlarn yüzey alanlar ile de ili³kilidir. ri taneler halinde
çöken tuzlarn çözünürlü§ü, ince taneli çökeltilere nazaran daha dü³üktür.
yi kar³trma ve yüksek scaklkta çal³mak suretiyle iri taneli çökelti elde
etmek mümkün oldu§undan, çöktürme i³lemi de scak suda yaplr.
Çök-
türme i³leminde, çöktürme vastasnn uygun deri³imdeki sulu çözeltisi veya
süspansiyonu, sertli§i giderilecek olan suya kar³trlr.
Kar³trma kaplarn-
daki kar³trma i³lemi genellikle mekanik kar³trclarla yaplr.
zlarn ayrlmas i³lemi ise dekantasyon kaplarnda yaplr.
Çöken tu-
Çökeltme i³lemi
srasnda, kaba taneli çökeltiler, koloidal bulanklk veren maddelerin etrafn
141
Su Analizleri
sararak bunlarn da çökelmesini sa§ladklarndan, haf bulank sular için ön
temizleme i³lemi yaplmas gerekmez.
Scak Kireç-Soda Yöntemi
En çok bilinen yöntemdir. Bu yöntemde, geçici sertlik veren kalsiyum tuzlar
ile geçici ve kalc sertlik veren Magnezyum tuzlar Ca(OH)2 ilavesiyle, kalc
sertlik veren kalsiyum tuzlar da Na2 CO3 ilavesi ile uzakla³trlr.
Ca(HCO3 )2 + Ca(OH)2 2CaCO3 + 2H2 O
CaSO4 + N a2 CO3 CaCO3 + N a2 SO4
Bu yöntemde, suda bulunan Ca
++ iyonlar yukardaki dengede görüldü§ü gibi
++ iyonlar da a³a§daki dengede görüldü§ü gibi Mg(OH) halinde
CaCO3 ve Mg
2
çöker.
M g(HCO3 )2 + Ca(OH)2 M gCO3 + CaCO3 + 2H2 O
M gCO3 + Ca(OH)2 M g(OH)2 + CaCO3
M gSO4 + Ca(OH)2 M g(OH)2 + CaSO4
Magnezyum karbonatn çözünürlü§ü yüksek oldu§undan (1/500), magnezyumu,
ancak hidroksit halinde çöktürerek uzakla³trmak mümkündür (1/100 000).
Bu yöntemde kullanlan kireç, doymu³ çözelti, soda ise, uygun deri³imdeki
çözelti halinde kullanlr.
Ham sudaki geçici ve kalc sertlikler birbirine e³it oldu§u taktirde, suyun
sertli§i yalnz sodyum hidroksit kullanlarak giderilebilir. Geçici sertlik veren
tuzlarn sodyum hidroksit ile verdi§i reaksiyonda olu³an Na2 CO3 kalc sertli§in
uzakla³trlmas için yeterlidir.
Ca(HCO3 )2 + 2N aOH CaCO3 + N a2 CO3 + 2H2 O
CaSO4 + N aCO3 CaCO3 + N a2 SO4
Bu iki denklemin toplam ise a³a§daki sonucu verir:
Ca(HCO3 )2 + CaSO4 + 2N aOH CaCO3 + N a2 SO4 + 2H2 O
◦
Elde edilen suyun sertli§i, kireç soda usulünde oldu§u kadardr (3.3 FS ).
Sodyum hidroksit yerine alkalik kazan suyu kullanlarak da sertlik giderilebilir.
Kazan besleme suyunda bulunan soda, kazanda su ile hidrolize u§rad§ndan,
N a2 CO3 + H2 O → 2N aOH + CO2
142
Su Analizleri
Sodyum hidroksit içermesi nedeniyle, alkalik olan kazan suyu ile kazan besleme
suyu hazrlanabilir. Fakat bu i³lem sonunda, kazan suyundaki tuzlardan dolay
kazan besleme suyundaki tuz miktar artaca§ndan, kazan suyunun kullanlmas uygun de§ildir.
Sertlik veren maddeler karbonat halinde de§ildir, tersiyer fosfat halinde çöktürüldükleri takdirde kalsiyum fosfat [Ca3 (PO4 )2 ] ve magnezyum fosfatn
[Mg3 (PO4 )2 ] çözünürlü§ü daha az oldu§u için kazan besleme suyunun sertli§i
hayli dü³ük olur. Bu suya, Na3 PO4 ilave edildi§i takdirde a³a§daki tepkimeler
gerçekle³ir:
3CaSO4 + 2N a3 P O4 → Ca3 (P O4 )2 + 3N a2 SO4
3Ca(HCO3 )2 + 2N a3 P O4 → Ca3 (P O4 )2 + 6N aHCO3
◦
Bu i³lemden sonra elde edilen suyun sertli§i 0.3 AS dir. 100
◦ C'nin üzerinde
◦
ve az bir alkalite ile 0.05 0.1 AS eri³mek de mümkündür. Çünkü bu ³artlar altnda, çok güç çözünen hidroksil apatit [(3 CaO
· P2 O5 )3 · CaO · H2 O]
olu³ur.
Katyon Anyon De§i³im Yöntemi
++ ve Mg++ iyonlarn
Bu yöntem ile sertli§in giderilmesinde, tepkime, Ca
alkali metal iyonlarna de§i³tiren maddelerin yüzeylerinde gerçekle³ir.
Baz
hidratize alkali-toprak metallerinin silikatlar, bu de§i³imi yapabilirler. Bunlar
tabiatta zeolit ad altnda mevcuttur. Tipik bir zeolitin formülü,
Na2 O
· Al2 O3 · 2 SiO2 · 3 H2 O dur.
Genel formül ise, Me2 O
· R2 O3 · 2 SiO2 · 3 H2 O
dur. Sert su Na-zeolitten geçirildi§i taktirde a³a§daki tepkimeler gerçekle³ir
[3].
N a2 Ze + Ca(HCO3 ) → 2N aHCO3 + CaZe
N a2 Ze + CaSO4 → N aSO4 + CaZe
Burada suyun sertli§inin bilinmesi gerekli de§ildir. Bu tepkimelere göre; katyon
de§i³tiriciden çkan suda, sudaki geçici sertli§e e³de§er miktarda NaHCO3 ve
kalc sertli§e e³de§er miktarda Na2 SO4 veya NaCl bulunur. Suda geçici sertlik
bulunmas halinde NaHCO3 olu³masndan dolay pH yükselebilir, bu istenmez.
Bunu önlemek için su önceden kireçle muamele edilmelidir. Zeolitteki de§i³tirilebilecek Na iyonlar bitti§i taktirde, katyon de§i³tiricisinin rejenere edilmesi
gerekir. Bu da % 30'luk NaCl çözeltisi ile yaplr. Bu durumda de§i³im ters
yönde cereyan eder.
Tepkimeye göre kullanlmas gereken sodyum klorürün
2.5-3.0 kat kullanld§ takdirde denge tamamen sa§ tarafn lehinedir.
CaZe + 2N aCl → N a2 Ze + CaCl2
++ iyonlar, CaCl halinde uzakla³trlm³ olur.
2
Böylece, ham suda bulunan Ca
Zeolitin rejenerasyonu sonsuz olarak yaplabilir.
Çünkü herhangi bir kayp
143
olmaz.
Su Analizleri
Süzme i³lemleri srasndaki mekanik a³nmalar nedeniyle meydana
gelebilecek kayp ylda % 1'i geçmez. Katyon de§i³tiriciden çkan suyun sertli§i
devaml ölçülür, sertlik yükselmeye ba³lad§ taktirde de§i³tirici rejenere edilir.
Katyon de§i³imi yaplan sularda geride kalan anyonlar da anyon de§i³tiricilerde
tutulurlar. Bu amaçla, melamin tipi plastikler grubu eklenerek kullanlabilirler.
A³a§daki tepkimeler ile anyonlar tutulur.
RN4 − OH + HCl → RH4 Cl + H2 O
RN4 − OH + H2 SO4 → (RH4 )4 SO4 + 2H2 O
Anyon de§i³tiricileri rejenere etmek için de NaOH çözeltileri kullanlr.
Su içinde çözünmü³ halde oksijen de bulunmamaldr. Korozyona neden olur.
2F e 2F e++ + 4e−
2H2 O + O2 + 4e− 4OH −
2F e(OH)2 + H2 O + 12 O2 2F e(OH)3
Fe(OH)3 çöker ve demir sürekli a³nr.
Suya ölçülü miktarda Na2 SO3 ya da hidrazin (H2 N−NH2 ) ilave edilerek bu
etki önlenebilir.
1
N a2 SO3 + O2 N a2 SO4
2
H2 N − N H2 + O2 → N2 + 2H2 O
Oksijenin çözünerek suya geçmesini önlemek için, yukardaki denklemlerden
anla³laca§ gibi suyu haf bazik yapmak gereklidir.
Suyun kullanlaca§ yerlere göre baz testlerden geçirilmesi gereklidir. Su analizleri olarak adlandrlan bu deneyler a³a§da verilmi³tir.
Materyal ve Metot
SU ANALZLER (SERTLK TAYNLER)
Geçici Sertlik Tayini
Gerekli alet ve çözeltiler:
a. 500 ml'lik erlenmayer
144
Su Analizleri
b. Büret
c. 0.1 N HCl çözeltisi
d. Metiloranj indikatör çözeltisi (0.5 g metiloranj 1 litre damtk suda çözülür).
Deney Yöntemi:
100 ml su örne§i alnarak 2-3 damla metiloranj damlatlr ve renk dönü³ümü
gözleninceye kadar 0.1 N HCl çözeltisi ile titre edilir.
Tepkimeler:
Ca(HCO3 )2 + 2HCl CaCl2 + 2H2 O + 2CO2
M g(HCO3 )2 + 2HCl M gCl2 + 2H2 O + 2CO2
Kullanlan HCl çözeltisi miktar a ml ise suyun geçici sertli§i a³a§daki e³itlikten hesaplanr.
◦
Geçici sertlik (AS ) = (a 0.15)*2.8
Buradaki 0.15 katsays, metiloranj renk dönü³ümü için düzeltme faktörüdür.
Toplam Sertlik Tayini
Sabun çözeltisi ile toplam sertlik tayini
Gerekli alet ve çözeltiler:
Hidratimetre ³i³esi: 40 ml'yi gösterecek ³ekilde taksimatl ve kapakl bir ³i³edir.
Hidratimetre büreti: Do§rudan Fransz sertlik derecesini gösteren 22 taksimat
vardr. Bu 22 derece 2.4 ml çözeltiye kar³ gelir.
Baryum klorür çözeltisi: 0.55 g BaCl2
· 2 H2 O
damtk suda çözülerek litreye
◦
tamamlanr. Bu çözeltinin 40 ml'si 22 hidratimetreye (FS ) tekabül eder.
Ayarl sabun çözeltisi: D³ ksmlar kaznarak atlan iyi cins bir beyaz sabun
iyice çentildikten veya rendelendikten sonra kurutulur. Kurutulan bu sabundan 20 g alnarak bir balona konulur.
Üzerine 300 ml % 95'lik alkol ilave
edilerek geri so§utucu altnda su banyosunda sabunlar çözününceye kadar tutulur.
Çözelti, damtk su ile 500 ml'ye tamamlanr ve 12 saat durulmaya
braklr (böylece, sabun, % 60'lk alkolde çözünmü³ olur). Sabun çözeltisinin
ayarlanmas: Hidratimetre büretinin üst sfrna kadar sabun çözeltisi doldurulur.
Büretteki, üstteki sfrdan alttaki sfra kadar olan sabun çözeltisi 40
ml damtk suyu köpürtmek için gereklidir. Hidratimetre ³i³esine 40 ml BaCI2
çözeltisi konur ve büretten damla damla sabun çözeltisi aktlr. Aralklarla,
³i³enin kapa§ kapatlr ve iyice çalkalanr. Olu³an köpük 5 dakika kalacak ve
145
Su Analizleri
köpük kalnl§ yakla³k 1 cm olacak ³ekilde sabun çözeltisi ilavesine devam
◦
edilir. Sabun çözeltisi düzgün olarak hazrlanm³ ise 22 FS de ilk kalc köpük
elde edilir.
E§er çözelti deri³ikse, yani 22'den daha az harcanm³sa; çözelti
tartlr ve 22'den az olan her hidratimetre derecesi için a§rl§nn 1/23'i kadar
% 60'lk alkol ilave edilir.
Örne§in: Bir ayarlamada sabun çözeltisinden 22 yerine 18 harcanm³ olsun.
Sabun çözeltisinin a§rl§ da 490 g bulunsun. Buna göre ilave edilmesi gereken
alkol miktar;
490
(22 − 18) = 85.2 g
23
Deney Yöntemi:
Önce, hidratimetre ³i³esine 40 ml su örne§i konur. Hidra-
timetre büreti de üstteki sfra kadar ayarl sabun çözeltisi ile doldurulur.
Hidratimetre ³i³esinde 1 cm kalnl§nda ilk kalc köpük elde edilene dek, ³i³eye
hem damla damla sabun çözeltisi ilave edilir ve hem de bu ³i³e iyice çalkalanr.
Hidratimetre ³i³esinde yukarda bahsedilen 1 cm kalnl§ndaki ilk kalc köpük
◦
görüldü§ünde, hidratimetre büretinden okunan say, do§rudan FS cinsinden
suyun toplam sertli§ini verir.
EDTA titrasyonu ile toplam sertlik tayini
Etilen diamintetraasetik asit ve onun sodyum tuzlar (EDTA), metal katyonlar
ile ³elat kompleksleri olu³tururlar.
++ ve Mg++ ile verdi§i
Bu maddenin Ca
kompleksler renksizdir. Ca-EDTA kompleksi, Mg- EDTA kompleksinden daha
sa§lamdr.
ndikatörler:
++ - indikatör kompleksi Ca++ - in-
Eriochrome Black T: Bu maddenin Mg
dikatör kompleksinden daha sa§lamdr. ndikatörün pH aral§ 8.5 11.5 tir.
ndikatörün damtk su ile yaplan çözeltisinde mavi, Mg
++ ve Ca++ komplek-
++ ve Mg++ un EDTA komsleri halinde ise ³arap krmzs rengindedir. Ca
pleksleri, indikatör ile vermi³ olduklar komplekslerden daha sa§lam oldu§undan EDTA, Mg
++ ve Ca++ u indikatör ile vermi³ olduklar komplekslerden
çekebilir.
++ ve Ca++ içeren tamponlanm³ çözeltiye 2-3 damla Eriochrome Black T
Mg
ilave edilince çözelti ³arap krmzs olur.
EDTA çözeltisi ilave edilince önce
++ u sonra da Mg++ u indikatörle vermi³ oldu§u komplekslerden çeker.
++ ve Mg++ un tümüyle kompleks verecek miktarda EDTA ilave edildi§inde
Ca
Ca
çözelti mavi renge döner.
Bu renk indikatörün kompleks vermedi§i renktir.
Dönüm noktasndaki renk de§i³imi (³arap krmzs-mor-mavi) kesindir.
++
Amonyum Purpurat: Bu madde pH'n 12 oldu§u aralkta mor renk verir; Ca
++ u purpurat ile vermi³ oldu§u
varl§nda ise renk pembeye döner. EDTA, Ca
146
Su Analizleri
++
kompleksden çeker. Böylece amonyum purpurat mor rengi geri gelir. Mg
++ varl§nda da Ca++ titre
bu pH'da purpuratla kompleks vermedi§inden Mg
edilebilir. Titrasyonda EDTA çözeltisi, indikatör olarak da amonyum purpurat
kullanlr.
Gerekli Çözeltiler:
EDTA Titrasyon Çözeltisi (0.02 N): 3.72 g EDTA (Molekül a§rl§ 372.25)
tartlr. 1 L damtk suda çözülür. Bu çözeltinin 1 ml'si 0.4004 mg kalsiyuma
e³de§erdir. Standart kalsiyum çözeltisi ile ayarlanr.
Standart Kalsiyum Çözeltisi: 100 mg saf CaCO3 biraz hidroklorik asitle çözülür
ve damtk su ile 100 ml'ye tamamlanr. Bu çözelti EDTA çözeltisini ayarlamada kullanlr ve EDTA çözeltisinin faktörü a³a§daki formülden hesaplanr.
ndikatör Çözeltisi: 0.5 eriochrome black T tartlp 100 ml % 60'lk etil alkolde
çözülür.
Tampon çözeltisi: 67.5 g amonyum klorür (NH4 Cl) 570 ml deri³ik amonyakta
(NH3 ) çözülür ve damtk su ile litreye tamamlanr.
Deney Yöntemi:
25 ml örnek, bir erlende damtk su ile yakla³k 50 ml'ye seyreltilir.
1 ml
tampon çözeltisi ve 1-2 damla indikatör çözeltisi ilave edilir. EDTA çözeltisi
ile renk ³arap krmzsndan mavi renge dönünceye dek titre edilir.
Hesaplama:
Toplam sertlik (ppm
CaCO3 ) =
EDT A (ml) 1000 f
rnek(ml)
Kaynaklar
[1] A..,Çatalta³,
Kimyasal Proses Endüstrileri 1, 4.
Bask, nklap ve Akar
Kitapevleri A.., stanbul, 1983.
[2] G.T.,Austin,
Shreve's Chemical Process Industries, Fifth Ed., McGraw-
Hill Int. Ed., 1984.
[3] A.Olcay,
Kimyasal Teknolojiler, Gazi Büro Kitabevi Tic.Ltd.ti., Ankara,
1998.
Y.Doç.Dr. Emine Ya§mur
147
7.10
Ksmi Molar Özellikler
KISM MOLAR
ÖZELLKLER
148
Genel Bilgiler
Bir bile³enin bulundu§u kar³m içindeki molar hacmi, molar entropisi, molar
entalpisi, molar serbest iç enerjisi ve molar serbest entalpisi gibi hal fonksiyonlarna genel olarak ksmi molar özellik denir. Ksmi molar özellikler genellikle
normal molar özelliklerden farkldr.
Örne§in, ksmi molar hacimlerin nor-
mal molar hacimlere göre küçük olmas kar³m hazrlanrken hacim küçülmesine, büyük olmas ise hacim artmasna neden olmaktadr.
Kar³mn hacmi
ile bile³enlerin kar³trlmadan önceki hacimleri toplamnn farkl olmas yani
kar³ma srasndaki hacim de§i³imi ve e§er varsa s al³veri³i hazrlanan kar³mn
ideal olmad§nn göstergesidir. Hazrlanmalar srasnda hacim de§i³imi ve s
al³veri³i gözlenmeyen kar³mlara ideal kar³mlar ad verilir.
f = f (T, P, nj ) ile gösterildi§inde
özelli§i F i ile gösterilir;
Bir termodinamik fonksiyon genel olarak
kar³mdaki bir
i
bile³eninin ksmi molar
Fi =
Termodinamik fonksiyon
S i , Ai veGi
df
dni
T,P,nj 6=ni
f = v, u, h, s, a
ve
g
olabildi§i için
F i = V i, U i, H i,
olur. Ksmi molar serbest entalpiye kimyasal potansiyel de denir.
ki bile³enli bir homojen kar³mn F molar özelli§i için sabit scaklk ve basnçta
F =
n1 F 1 + n2 F 2
f
=
= x1 F 1 + x2 F 2 = (1 − x2 )F 1 + x2 F 2
n1 + n2
n1 + n2
= F 1 + (F 2 − F 1 )x2
e³itli§i yazlabilir.
Kar³mn bile³imine ba§l olarak de§i³en F molar özel-
li§i deneysel olarak belirlenerek
e§ri elde edilir.
F − x2
ekilde görülen e§ri farkl kar³m ve farkl ko³ullarda daha
de§i³ik biçimlerdeki elde edilebilir.
F
leri,
gra§i çizilirse ekil 7.10.1 de görülen
ekildeki
F1
ve
F2
ksmi molar özellik-
ise toplam molar özelli§ini göstermektedir. Son ba§nt ekil 7.10.1 de
görülen e§riye herhangi bir noktadan çizilen te§etin denklemidir. Bu denklem-
F = F 2 oldu§u görüldü§üne göre
te§etin eksenleri kesti§i noktalardan srasyla F 1 ve F 2 ksmi molar özellikleri
do§rudan okunur. Çizilen te§etin e§imi (F 2 -F 1 ) olup te§etin çizildi§i noktaya
den
x2 = 0
için
F = F1
ve
x2 = 1
için ise
ba§l olarak de§i³ir. Bu de§i³me ile birlikte bile³enlerin ksmi molar özellikleri
de de§i³ir. Ba³ka bir deyi³le ksmi molar özelikler kar³mn bile³imine ba§ldr.
Amaçlar
•
•
kili bir A-B kar³mnn ksmi molar hacminin belirlenmesi
kili kar³mn ksmi molar hacminin ideallikten ne ölçüde sapt§nn belirlenmesi
149
Figure 7.10.1: kili bir homojen kar³mda
F
molar özeli§inin
x2
ile de§i³imini
gösteren e§ri
Materyal ve Metot
Deneyde iki piknometre kullanlarak H2 O(1) H2 SO4 (2) sisteminin ksmi molar özellikleri belirlenir Piknometre sv yo§unluklarn belirlemek için kullanlan, hacmi özenle belirlenmi³ kaplara verilen isimdir.
bu kaplara dolduran sv kütlesi yardm ile belirlenir.
Sv yo§unluklar
Basit bir piknometre
ekil 7.10.2 de görülmektedir. Bu tip piknometre ile hacim ancak 0,001 cm3
duyarlkta ölçülebilmektedir. Çünkü hem kapiler tüpün a§zndan (a) hem de
rodajl a§zndan (b) sürekli buharla³ma olur.
Figure 7.10.2: Piknometre a: kapiler tüp, b: Rodajl a§z
Piknometre ile yo§unluk belirlemek için önce piknometrenin hacmini belirlemek gerekir.
Hacim belirlenmesinde kar³la³trma svs olarak damtk su
150
kullanlr.
Hacmi belirlenecek piknometre önce ykanp kurutulduktan sonra
tartlarak bo³ tartm alnr.
Bo³ tartm alnan piknometre damtk su ile
doldurulup rodajl a§z (b) kapiler tüpe (a) yerle³tirilir. Rodajl a§z ve kapiler
tüpün a§zndan ta³an svlar özenle alndktan sonra piknometre tartlr. Dolu
ve bo³ piknometre tartmlar arasndaki fark piknometrenin içerdi§i suyun
kütlesini verir.
Bulunan su kütlesi suyun yo§unlu§una bölünerek piknome-
trenin hacmi bulunur.
Ayn i³lemler su yerine srasyla % 20, 40, 60 ve 80'lik H2 SO4 çözeltileri kullanlarak yaplr, Çözeltiler hazrlanrken deri³ik sülfürik asit üzerine su de§il,
su üzerine sürekli kar³trlarak deri³ik H2 SO4 azar azar konulur. Aksi halde
patlama olur. Piknometreyi dolduran sv kütlesi ve bu de§erin piknometrenin
hacmine bölünmesiyle de kullanlan çözeltilerin yo§unluklar belirlenir. Çözelti
yo§unluklar belirlenirken her çözelti için i³lem en az iki kere tekrarlanr ve her
çözelti için ortalama yo§unluklar hesaplanr. Bu noktadan sonra ksmi molar
hacimlerin belirlenmesi için iki farkl yöntem uygulanr.
Yöntem I
Deneyde bulunan ortalama yo§unluklar yardmyla özgül hacim (1/ρ
hesaplanr.
v−
50 deri³imden e§riye te§et çizilir.
noktalardan
= v)
% H2 SO4 gra§i çizilir. Ksmi molar hacimleri bulmak için %
ν 1 ,ν 2
Te§etin H2 O ve H2 SO4 eksenlerini kesti§i
ksmi özgül hacimleri bulunur. Ksmi özgül hacimler su ve
sülfürik asidin mol kütlesi ile çarplarak su ve sülfürik asidin % 50 deri³im için
ksmi molar hacimleri
V1
ve
V2
bulunur.
Yöntem II
V − x2
gra§i ile ksmi mol hacmini belirlemek için, önce kullanlan çözeltilerin
mol kesirleri ve belirlenen yo§unluklar yardm ile mol hacimleri hesaplanr.
Yüzdesi verilen bir H2 SO4 çözeltisinde
x2
ile simgelenen sülfürik asidin mol
kesri, ortalama molar kütle ve molar hacim srasyla,
m2
M2
x2 = m1
m2
+
M!
M2
< M > = x1 M1 + x2 M2
V =
<M >
x1 M 1 + x2 M 2
=
ρ
ρ
e³itlikleri ile bulunur.
V − x2 gra§i çizilir. Ksmi molar hacimlerini
bulmak için % 50 H2 SO4 'e kar³ gelen x2 hesaplanr. Bu noktadan e§riye çizilen
Bulunan
x2
ve
V
de§erleri ile
te§etin eksenleri kesti§i noktalar do§rudan su ve sülfürik asitin % 50 deri³im
için molar hacimlerini verir.
151
Deri³im,
H2 O
H2 SO4
%
(ml)
(ml)
H2 SO4 Deri³imi
H2 SO4 Yo§unlu§u
20
874
126
% 98
1.84
40
760
240
% 98
1.84
50
640
360
% 98
1.84
60
500
500
% 98
1.84
80
230
770
% 98
1.84
3
(g/cm )
Kaynaklar
[1] Y. Sarkaya,
Fizikokimya, Gazi Kitapevi, Ankara, (2005).
7th
ed., McGraw Hill, New York, (1997).
Hazrlk Sorular
1. Ksmi molar özelik kavramn açklaynz.
2. Kapasite ve ³iddet özelikleri nedir? Örnekler vererek açklaynz.
3. Ksmi molar özeliklerin belirlenmesinin amac nedir?
4. Gibbs-Duhem e³itli§ini çkarnz ve iki bile³enli bir sistem için GibbsDuhem e³itli§ini yaznz.
5. ekil 7.10.1 de verilen
F − x2
gra§inde çizilen te§etin eksenleri kesti§i
noktalar neden çizildi§i noktadaki bile³enlerin ksmi molar özeliklerini
verir?
6. Ksmi molar özelikler kaç yöntemle belirlenebilir? Açklaynz.
7. H2 O(1) H2 SO4 (2) kar³mnda suyun ksmi molar hacminin sfr ya da
eksi i³aretli bulunmasn nasl açklarsnz?
8. Diferensiyel çözünme entalpisi, diferensiyel seyrelme entalpisi, integral
çözünme entalpisi, integral seyrelme entalpisi ve kar³ma entalpisi kavramlarn açklaynz.
9. Roult yasasndan sapma gösteren iki bile³enli kar³mlarn
T − x2 , y2
ve
y2 − x 2
ρ − x2 , y2 ,
faz diyagramlarn çizerek azeotropik kar³mn
özeliklerini açklaynz.
10. Kimyasal potansiyel kavramn açklaynz.
11. Aktiik ve aktiik katsays kavramlarn açklaynz.
12. Regüler kar³mlar hakknda bildikleriniz nelerdir?
Y.Doç.Dr. Ay³e Karakeçili
Ara³.Gör. Sava³ Ya§lkç
152
Üç Bile³enli Sistemlerde Faz Dengesi
7.11 ÜÇ BLEENL
SSTEMLERDE FAZ
DENGES
153
Genel Bilgiler
Belli bir maddenin kat, sv ve gaz durumunu veya birkaç maddeden olu³an
bir kar³mn ziksel görünümünün de§i³imini, scaklk, basnç veya kar³mn
bile³iminin fonksiyonu olarak veren graklere faz diyagram denir. Çok fazl
sistem için denge ko³ullar Josiah Willard Gibbs tarafndan türetilen Gibbs'in
Faz Kural ile tanmlanmaktadr. Basit formu ile faz kural (F
= C − P + 2)
dr. Burada F serbestlik derecesini, C bile³enlerin saysn ve P sistemin faz
saysn göstermektedir.
Termodinamik açdan serbestlik derecesinin de§eri,
sistemi tam olarak tanmlamak için gerekli de§i³kenlerin saysn vermektedir
[1,2].
Sabit basnç ve scaklkta üç bile³enli sistemlerin faz diyagramlarn iki boyutlu
uzayda yani bir düzlem üzerine çizmek için e³kenar üçgen ya da dik açl ikizkenar üçgen ³eklinde grak ka§tlar kullanlr. E³kenar üçgen ³eklinde hazrlanan
grak ekil 7.11.1 de gösterilmi³tir. ekil 7.11.1 den görüldü§ü gibi sabit basnç
ve scaklkta, e³kenar üçgenin her bir kö³esine bir bile³en saf olarak yerle³tirilir
ve üçgenin her bir kenar 100 e³it parçaya bölünerek bile³enlerin yüzdesi mol
veya a§rlk cinsinden verilir.
Üçlü sistemin A, B ve C maddelerinden olu³-
tu§u dü³ünülürse üçgenin A, B ve C olarak simgelenen kö³eleri srasyla saf
(% 100) A, B ve C maddelerini göstermektedir. Buna göre, e³kenar üçgenin
her hangi bir kenarnda yer alan nokta iki bile³enli sistemi temsil etmektedir.
Buna göre e³kenar üçgenin AB kenar üzerinde birinci ve ikinci bile³enlerin
kar³m yani (A+B), BC kenar üzerinde ikinci ve üçüncü bile³enlerin kar³m
yani (B+C), CA kenar üzerinde birinci ve üçüncü bile³enlerin kar³m yani
(A+C) ikili kar³m bulunmaktadr. Bu kar³mlar homojen ya da heterojen
olabilir. E³kenar üçgenin içindeki herhangi bir nokta ile simgelenen homojen
ve heterojen kar³m üç bile³en içermektedir [1-5].
Bile³enlerin mol yüzdeleri veya kütle yüzdeleri e³kenar üçgenin derecelendirilmi³
kenarlar üzerine ekil 7.11.1 de verildi§i gibi yerle³tirilir. ekil 7.11.1 de gösterilen AB do§rusu üzerinde yer alan P noktas % 60 A ve % 40 B iki bile³enli
sistemi göstermektedir. Burada BP kompozisyonu % 60 A ve AP kompozisyonu % 40 B'dir. ekil 7.11.1 de yer alan T noktas üç bile³enli sistemi göstermektedir.
T noktasndaki kar³mn içerisindeki bile³enlerin yüzdesi bu nok-
tadan üçgen kenarlarna çizilen paralel do§rularn e³kenar üçgenin kenarlarn
kesti§i PTV, RTZ ve YTS do§rularndan okunarak belirlenir.
TZ+TS+TP
veya TR+TY+TV uzunluklar toplam toplam üçgenin bir kenarna e³ittir.
E§er üçgenin kenar 100 olarak alnrsa, TZ, TS ve TP uzunluklar T noktas
ile belirtilen kar³mda srasyla A, B ve C bile³enlerinin yüzdelerini vermektedir.
Buna göre T'nin bile³imi (TYBZ paralel kenarnda) TZ=YB orantl
olarak % 40 A, (TSCV paralelkenarnda) TS=CV orantl olarak % 40 B,
(TRAP paralel kenarnda) TP=RA orantl olarak % 20 C'den olu³maktadr.
E§er ekil 7.11.1 de görüldü§ü gibi kesikli çizgiler ile T noktasndan üçgenin
kenarlarna dik do§rular çizilirse, çizilen bu üç dik do§runun toplam üçgenin
154
Figure 7.11.1: Üç bile³enli sistem için e³kenar üçgen diyagram
yüksekli§i h'a e³ittir.
E§er üçgen yüksekli§i h=1.0 olarak alnrsa bu do§ru
uzunluklar bile³enlerin mol (kütle) kesirlerini ifade eder. Yani T noktasndan
üçgenin tepe noktasnn kar³snda bulunan kenara çizilen dik do§ru uzunlu§u
tepe noktasn temsil eden bile³enin mol (kütle) kesrini verir [1,3].
Ksmen kar³an ve iki çözelti veren üç bile³enli kar³mlarda, bile³enlerden ikisi birbiri içinde hiç çözünmedikleri ya da çok az çözündükleri halde, her iki
bile³ende de çözünür olan üçüncü bile³enin kar³ma ilave edilmesiyle bu iki
bile³enin birbiri içindeki çözünürlü§ü arttrlabilir. Kar³an bile³enlerin birbiri
içindeki çözünürlükleri de§i³tikçe faz diyagramlarnn ³ekilleri de de§i³mektedir. Örne§in sabit basnç ve scaklkta, birbiri ile dengede olan iki sv fazn
faz diyagram ekil 7.11.2 de gösterilmi³tir.
ekil 7.11.2 de yer alan diyagramdaki çözünürlük e§risi homojen ve heterojen bölgeleri ayrmaktadr.
E§ri altnda M noktas ile gösterilen herhangi
bir üçlü bile³im, birbiri ile dengede doymu³ sv fazlarn çözünmeyen iki formudur. kili fazlarn denge bile³imleri M noktas boyunca geçmek zorunda olan
denge ba§lant do§rular olarak adlandrlan ba§lantlar ile belirlenebilir. Son
ba§lant noktas ikili fazlar tanmlayan e§rilerin birle³ti§i noktadr. Bu nokta
tepe noktas veya izotermal kritik nokta olarak adlandrlmakta ve K ile
gösterilmektedir [1-5].
155
Figure 7.11.2: Ksmen kar³an üç bile³enli kar³mlarn faz diyagram
Amaçlar
•
kisi birbiri ile kar³mayan veya ksmen kar³an ve üçüncüsü di§er iki
çözücü içerisinde tam kar³an, üç bile³enli sistem için çözünürlük e§risinin
olu³turulmas
•
Ayn sistem için denge ba§lant do§rularnn çizilmesi
•
ncelenen sistemin literatürden faz diyagramnn bulunmas ve deneysel
sonuçlarla kar³la³trlmas.
Materyal ve Metot
Üç bile³enli sistemlerde faz dengesi deneyinde, a§z kapakl erlenler, ayrma
hunileri, titrasyon için büretler kullanlmaktadr. Ayrca denge ba§lant do§rularnn çizilmesi için 0.5 M sodyum hidroksit ve indikatör olarak fenolftalein
çözeltileri gereklidir.
Bu deneysel çal³ma kapsamnda incelenecek olan üç
bile³enli sistem su-asetik asit-toluen sistemidir.
Çözünürlük e§risinin olu³turulmas :
A§z kapakl erlenlere farkl mik-
tarlarda su ve toluen ilave edilir. Hazrlanan bu çözeltiler asetik asit ile titre
edilir.
Bulanmann oldu§u ilk noktada titrasyon bitirilir ve harcanan asetik
asit miktar belirlenir. ekil 7.11.3 de verilen e³kenar üçgen diyagram üzerine
her bir nokta yerle³tirilir ve çözünürlük e§risi olu³turulur.
Denge do§rularnn olu³turulmas:
Üç bile³enli faz diyagramnda yer alan
iki faz bölgesinde herhangi bir nokta seçilir (ekil 7.11.2 , M noktas). Seçilen
bu noktann bile³imi belirlenir ve bu bile³im ayrma hunisine konulur. Ayrma
156
hunisi kuvvetlice çalkalanr ve fazlarn dengeye gelmesi için bir süre beklenir.
Faz ayrmlar gerçekle³tikten sonra ayrma hunisinden fazlar erlenlere alnr ve
her bir fazn miktar belirlenir. Her iki fazdaki asetik asit miktar 0.5 M NaOH
ile fenolftalein indikatörü e³li§inde titrasyonla belirlenir.
Elde edilen veriler
çözünürlük e§risinin çizildi§i e³kenar üçgen diyagram üzerine yerle³tirilerek
denge ba§lant do§rular olu³turulur.
Kaynaklar
[1] Y. Sarkaya,
Fizikokimya, 2.
[2] R. H. Perry, D. W. Green,
Bask, Gazi Kitapevi, Ankara (1997).
8th Ed., McGraw-Hill, New York (2007).
[3] S. I. Sandler,
Chemical and Engineering Thermodynamics, 3rd Ed.,
John Wiley & Sons, New York (1999).
[4] C. J. Geankoplis,
Transport Processes and Unit Operations, 3rd Ed.,
Allyn and Bacon Inc., Massachusetts (1993).
[5] I. N. Levine,
Physical Chemistry, 3rd Ed., McGraw-Hill Book Company,
New York (1988).
Hazrlk Sorular
1. Faz kural ve serbestlik derecesi terimlerini tanmlaynz.
2. Kapasite ve ³iddet özelli§ini örnek vererek açklaynz.
3. Üç bile³enli faz diyagramlarnda çözünürlük e§risi üzerine scaklk ve
basncn etkisini tart³nz.
4. kisi birbiri ile kar³mayan veya ksmen kar³an ve üçüncüsü di§er iki
çözücü içerisinde tam kar³an, üç bile³enli sv-sv denge sistemleri için
faz diyagramlarn inceleyerek tek ve iki faz bölgesinde alaca§nz her bir
nokta için diyagramdan bulabilece§iniz özellikleri yaznz. Ayrca her iki
bölgenin serbestlik derecesini hesaplaynz.
5. Üç bile³enli faz diyagramlarnn kullanm alanlarn ara³trnz.
6. Fazlar aras dengenin oldu§u bir bile³imde fazlarn ba§l oranlar nasl
belirlenir?
7. Tepe noktas veya zotermal kritik nokta nedir? Bu noktann belirlenmesi için yöntemler varmdr?
E§er var ise bu yöntemler hakknda
ksa bilgi veriniz.
Prof.Dr. Taner To§rul
Y.Doç.Dr. Emine Ya§mur
Ara³.Gör. Rahime Songür
157
Figure 7.11.3: E³kenar üçgen diyagram
158
7.12
statistiksel Veri Analizi
STATSTKSEL VER
ANALZ
159
Genel Bilgiler
Çe³itli veri serilerindeki saysal de§erler arasndaki ili³kiye da§lm denir. Bir
da§lm ailesinin üyeleri (veriler veya ölçümler) iki bilgi ile karakterize edilirler:
ortalama ve varyans. Normal da§lm e§risi çan e§risi ³eklindedir ve aritmetik
ortalamaya göre simetriktir. Her iki yandaki uzantlar, verilerin ortalamadan
farklarnn standart katlar ³eklinde belirtiliyorsa, da§lm e§risi normal da§lm
olarak adlandrlr. Normal da§lm e§risinin çiziminde ölçümler x ekseninde
frekanslar ise y ekseninde gösterilir ve y de§erleri a³a§daki e³itlik yardm ile
hesaplanr [1].
1 x−x 2
1
y = √ e− 2 ( s )
s 2π
x:
x:
s:
Ölçülen de§er
Ölçümlerin aritmetik ortalamas
Örnek standart sapmas
Figure 7.12.1: Normal da§lm e§risi
Parametrik testlerin tümünün uygulanabilmesi için gereken varsaymlarn ba³nda
verilerin da§lmnn normal olmas gelir.
Da§lmn normal olup olmad§
grak ve istatistik analiz yöntemleri ile ara³trlr. Normal da§lm z istatisti§i
ile belirlenir.
z=
x − µo
√
σ/ n
x : Popülasyonun aritmetik ortalamas
µo : Gerçek de§er
σ : Popülasyonun standart sapmas
n : Ölçüm says
160
Standart sapma (σ ) ölçümle bulunan sonuçlarn ortalama de§er etrafnda
da§lmn gösteren ve da§lmdaki ölçme sonuçlarnn yaylm hakknda bilgi
veren bir kesinlik parametresidir.
Bir analizde hesaplanan standart sapma
de§eri ne kadar küçükse analizin kesinli§i o kadar iyidir veya yüksektir denir.
2
Di§er bir yaylma ölçüsü olan varyans (σ ) verilerin ortalamadan farklarnn
karelerinin ortalamas olarak tanmlanr. Popülasyon standart sapmasnn (σ )
bilinmedi§i durumlarda örnek standart sapmas (s) kullanlarak t testi uygulanmaktadr [2-4].
s
P
s=
x
x
n
(x − x)2
n−1
: Ölçülen de§er
: Ölçümlerin aritmetik ortalamas
: Ölçüm says
t testinde uygulanmakta olan algoritma a³a§da verilmi³tir.
1. Sfr hipotezi (Ho ) kurulur: Verilerin ortalamas gerçek de§erden farkl
de§ildir.
2. Kuyruk (tail) says belirlenir.
3. Güven seviyesi belirtilir.
4. t istatisti§i hesaplanr :
x
:
x − µo √
t=
s/ n Ölçümlerin aritmetik ortalamas
sapma
n
µo
:
Gerçek de§er
s
:
Standart
: Ölçüm says
5. Hesaplanan
t de§eri Çizelge 7.12.1 den okunan tkrit de§eri ile kar³la³trlr.
t < tkrit ise kabul edilir, t > tkrit ise reddedilir.
6. Sfr hipotezi (Ho )
7. Güven aral§ (Gerçek de§eri içine alan aralk) hesaplanr:
tkrit s
x− √
n
,
tkrit s
x+ √
n
Tek veri seti oldu§unda verilerin ortalamasnn gerçek de§erden farkll§ tek
3+
grup t testi ile incelenir. Tek grup t testine örnek olarak belli deri³imde Fe
3+ iyonu deri³iminin tekrarl bir ³ekilde ölçülmesi
iyonu içeren su örne§inin Fe
ve ölçüm ortalamalarnn bilinen deri³im de§eri ile kar³la³trlmas verilebilir.
Ba§msz iki veri seti (A ve B) oldu§unda veri setleri ortalamalarnn birbirinden farkll§ ba§msz t testi ile ara³trlr. Ba§msz t testine örnek olarak
iki içme suyundaki ortalama NaCl deri³imlerinin kar³la³trlmas, ya da uygulanan saa³trma i³leminin sudaki ortalama kirletici madde deri³imine etkisi
161
verilebilir. t istatisti§i a³a§daki formül ile ifade edilir.
t=
xA − xB
s0
r
1
1
+
nA nB
xA : A veri setinin ortalamas
xB : B veri setinin ortalamas
nA : A veri setinin örnek says
nB : B veri setinin örnek says
s0 : Her bir örne§in standart sapmasnn ortalamas
s
(nA − 1)s2A + (nB − 1)s2B
s0 =
nA + nB − 2
sA
sB
: A veri setinin standart sapmas
: B veri setinin standart sapmas
Amaçlar
•
•
Basit bir ölçüm tekrarlanarak veriler elde edilmesi
Verilerin aritmetik ortalama, mutlak hata, ba§l hata ve standart sapmasnn hesaplanmas
•
Elde edilen verilerin normal da§lma uydu§unu varsayarak ilgili e§rinin
çizilmesi
• α
=0.025 olaslk de§eri için 'Ölçümlerin ortalamas ile gerçek de§er
arasnda fark yoktur' hipotezinin do§rulu§unun t testi ile ara³trlmas
ve güven aral§nn hesaplanmas
Materyal ve Metot
A§rlk ölçümüne dayal bir tekrarl analiz yaplacaksa deney için hassas terazi,
beher ve cam pipet gerekmektedir.
1. 100 ml'lik beher hassas teraziye konur ve a§rlk de§eri sfra ayarlanr.
2. 2 ml saf su bir pipet ile çekilir ve behere dökülür. Ölçülen a§rlk de§eri
yazlr.
3. A§rlk de§eri sfra ayarlanr ve bu i³lem 25 kez tekrar edilir.
162
Çizelge 7.12.1: t da§lm için kritik de§erler [5]
Serbestlik
Derecesi
(n-1)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
50
100
150
∞
Olaslk (α)
0.1
3.08
1.89
1.64
1.53
1.48
1.44
1.41
1.4
1.38
1.37
1.36
1.36
1.35
1.35
1.34
1.34
1.33
1.33
1.33
1.33
1.32
1.32
1.32
1.32
1.32
1.31
1.31
1.31
1.31
1.31
1.3
1.29
1.29
1.28
0.05
6.31
2.92
2.35
2.13
2.02
1.94
1.89
1.86
1.83
1.81
1.8
1.78
1.77
1.76
1.75
1.75
1.74
1.73
1.73
1.72
1.72
1.72
1.71
1.71
1.71
1.71
1.7
1.7
1.7
1.7
1.68
1.66
1.66
1.64
0.025
12.71
4.3
3.18
2.78
2.57
2.45
2.36
2.31
2.26
2.23
2.2
2.18
2.16
2.14
2.13
2.12
2.11
2.1
2.09
2.09
2.08
2.07
2.07
2.06
2.06
2.06
2.05
2.05
2.05
2.04
2.01
1.98
1.98
1.96
0.0125
25.45
6.21
4.18
3.5
3.16
2.97
2.84
2.75
2.69
2.63
2.59
2.56
2.53
2.51
2.49
2.47
2.46
2.45
2.43
2.42
2.41
2.41
2.4
2.39
2.38
2.38
2.37
2.37
2.36
2.36
2.31
2.28
2.26
2.24
0.01
31.82
6.96
4.54
3.75
3.36
3.14
3
2.9
2.82
2.76
2.72
2.68
2.65
2.62
2.6
2.58
2.57
2.55
2.54
2.53
2.52
2.51
2.5
2.49
2.49
2.48
2.47
2.47
2.46
2.46
2.4
2.36
2.35
2.33
0.005
63.66
9.92
5.84
4.6
4.03
3.71
3.5
3.36
3.25
3.17
3.11
3.05
3.01
2.98
2.95
2.92
2.9
2.88
2.86
2.85
2.83
2.82
2.81
2.8
2.79
2.78
2.77
2.76
2.76
2.75
2.68
2.63
2.61
2.58
163
Kaynaklar
[1] M. Güngör, Klinik biyokimyada ölçüm belirsizli§i, Uzmanlk Tezi, Haseki
E§itim ve Ara³trma Hastanesi, stanbul, (2008).
[2] T. Gündüz,
Kimyaclar için statistik,
Gazi Kitabevi, Ankara (2010),
p.31.
[3] A. Apaydn, A. Kutsal, C. Atakan,
Uygulamal statistik, Klavuz Yaynevi,
Ankara, (2002), p.172.
[4] D. A. Skoog, D. M. West,
Fundamentals of Analytical Chemistry,
Brooks/Cole, Belmont, (2004).
[5] B. eno§lu, . Acta³,
statistiksel Deney Tasarm,
Nobel Yaynevi,
Ankara, (2010), p.390.
Hazrlk Sorular
1. Aritmetik ortalama, mutlak hata, ba§l hata ve standart sapma de§erlerini tanmlayarak nasl hesaplayaca§nz belirtiniz.
2. Hata tipleri nelerdir, açklaynz.
3. Do§ruluk ve kesinlik arasndaki fark nedir?
4. Bir deneysel incelemede terazi ile a§rlk ölçümlerinin alnmas durumunda standart bir a§rl§n tekrarl tartmnn gere§i ve önemi nedir?
5. Tek ve çift yanl anlamllk testleri ne gibi durumlarda kullanlr?
Bir
örnekle açklaynz.
6. E³le³tirilmi³ t-testleri neye denir?
Böyle testlere neden ihtiyaç duyul-
mu³tur?
164
Chapter 8
KYM454
KMYA MÜHENDSL
LABORATUVARI III
165
KYM454 Kimya Mühendisli§i Lab. III
8.1
Dolgulu Damtma
DOLGULU DAMITMA
166
Dolgulu Damtma
Genel Bilgiler
Damtma, kimya mühendisli§inin yaygn ayrma yöntemlerinden biridir. Dolgulu kolonlar küçük fakat sürekli temas alanlar gerektiren sv-gaz temas sistemlerinde, özellikle absorpsiyon ve damtma i³lemlerinde yo§un kullanm alanlar bulmaktadr. Dolgulu damtma kolonlar sürekli ve kesikli i³letilebilirler.
Her iki durumda da amaçlar farkl olabilmektedir.
Kesikli i³letilen dolgulu
damtma kolonunda minimum s yükünde, maksimum verimlilikte üst ürün
deri³imi veya ayrma gücü istenir. Sürekli dolgulu damtma kolonlarnda ise
sisteme besleme sürekli verilirken üst ve alt ürünler sürekli alnr. Bu tip kolonlarda sistem dinami§i ve kontrol tasarmlar daha farkl yöntemlerle yaplmaktadr.
Damtma için kullanlan dolgulu kolonlarn çap 25 mm'den (küçük laboratuar ölçekli) 4.5 m'ye (geni³ endüstriyel i³letmelerde kullanlan) kadar çe³itlilik
göstermektedir. Geni³ endüstriyel ölçekli dolgulu kolonlarda yükseklik 30 m'ye
kadar ula³r.
problemdir.
Bu nedenle sv ile gazn temasn iyi sa§lamak çok önemli bir
deal olan, svnn dolgulu kolonun tepesinden da§tc ile gön-
derilmesinden sonra ince bir lm ³eklinde bütün dolgu yüzeylerinden a³a§ya
do§ru akmasdr.
Dolgulu damtma kulesi için üst ürün ve kazan kademesinin scaklklar PLC
(Programmable Logical Controller) yardmyla ölçülmekte ve bilgisayara aktarlmaktadr.
lgili scaklklar anlk ölçülmekte ve gra§e geçirilmektedir.
Bunun yannda PLC yardmyla ve s ayarlama birimleriyle sinyaller mantolu
stcya gitmektedir.
Amaçlar
Kaynama noktalar farkl olan svlarn dolgulu kolonda, diferansiyel ³artlarda
damtlmas, besleme ve ürün analizleri ile dolgu yüksekli§inin bulunmas.
Materyal ve Metod
Damtma sistemi, 100 L'lik cam balon, bu balonun stlabilmesi için 2000
Watt'lk stc manto, 1 in cam Rashing halkalar ile doldurulmu³ 80 mm iç
çapnda kolon, kolon tepesinde geri akma orann ayarlayabilen vana (reuxer)
ve ürün alnan yo§unla³trcdan olu³maktadr. Sistemde üst ürün ve besleme
scakl§n ölçmek üzere iki adet termoçift bulunmaktadr (ekil 8.1.1).
167
Dolgulu Damtma
Deney Sisteminin ³letimi
1. Belli bir hacimde ve deri³imdeki metanol-su kar³m besleme kazanna
doldurulur. Yo§u³turucuya so§utma suyu giri³i vana açlarak sa§lanr.
2. Dolgulu damtma kolonunun kontrol panelinden sisteme enerji veren dü§me
açlr. Böylece stc manto devreye girerek kazandaki kar³m stlmaya
ba³lanr.
3. Tüm geri akma orannda çal³larak (reuxer kapal, hiç üst ürün alnmadan tamam kolona geri gönderilerek) üst ürün scakl§ sabit kalana
kadar (yat³kn ko³ula ula³ncaya kadar) kolon bu durumda i³letilir.
4. Yat³kn ko³ula ula³ld§nda reuxer istenilen de§ere ayarlanarak (örne§in
yo§u³turulan üst ürünün yars kolona geri gönderilecek ³ekilde) damtmaya geçilir.
Deney Verilerinin Elde Edilmesi
1. Kazana beslenen metanol-su kar³mnn deri³imi bilinmelidir.
2. Damtmaya geçildi§inde kazandaki besleme scakl§, scaklk göstergesinden okunur.
3. Yat³kn ko³ula ula³ldktan sonra belli zaman aralklarnda (5 dk) ürün
toplama kabndan alnan örneklerin (5 ml) deri³imleri refraktometrede
krlma indisleri okunarak tespit edilir. Ayn anda üst ürün scakl§ da
scaklk göstergesinden okunur.
4. Belli bir i³letim süresi sonunda (30 dk) buhar ak³ hz ölçmek için reuxer
tamamen açkken (yo§u³an üst ürünün tamam ürün toplama kabnda
toplanarak) birim zamanda ürün toplama kabnda toplanan üst ürün
hacmi ölçülür.
5. Kazanda kalan artk ürünün deri³imi refraktometre yardmyla krlma
indisi okunarak belirlenir.
6. Damtma kolonunun i³letimi süresince toplanan üst ürün hacmi ölçülerek
deney tamamlanr.
NOT: Deney verilerinin de§erlendirilmesi amacyla; Üst ürün, artk ürün ve
beslemenin deri³imini belirlemek üzere % a§rlkça metanol (seyreltik ve deri³ik
sistem için)- krlma indisi ve % a§rlkça metanol-scaklk kalibrasyon verileri
ve hesaplamalarda kullanlmak üzere gaz taraf toplam kütle aktarm katsays
için korelasyon a³a§da verilmi³tir.
168
Dolgulu Damtma
Figure 8.1.1: Doldulu Damtma Deney Düzene§i
169
Dolgulu Damtma
1. Üst ürün deri³imi (% a§rlkça ve % molce) ve scakl§nn damtma
süresince de§i³iminin elde edilmesi
2. Damtma sonunda kazanda kalan artk ürün deri³iminin Rayleigh denkleminin çok kademeye uyarlanm³ ³eklinden yararlanarak teorik olarak
belirlenmesi
3. Ortalama üst ürün deri³iminin deneysel ve teorik olarak belirlenmesi
4. Kolon dolgu yüksekli§inin transfer birimleri yüksekli§i (HTU) ve transfer
birimleri says (NTU) belirlenerek hesaplanmas
lgili Veriler
a) Gaz taraf toplam kütle aktarm katsays
Ky a =
Ky a [=]
1.28 x 10−5
0.88
kmol
m2 h
V [=]
(V )0.64 (L)0.48
mol
m2 h
L [=]
mol
m2 h
b) Metanol-Su Sistemi için % A§rlkça Metanol-Krlma ndisi Kalibrasyon Verileri
Seyreltik Sistem
% A§rlkça Metanol
0.0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Krlma ndisi
1.33339
1.33453
1.33584
1.33730
1.33879
1.34022
1.34138
1.34235
1.34308
1.34359
1.34378
Deri³ik Sistem
% A§rlkça Metanol
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
Krlma ndisi
1.34378
1.34365
1.34327
1.34272
1.34179
1.34067
1.33925
1.33749
1.33545
1.33309
1.33057
170
Dolgulu Damtma
c) Metanol-Su Sistemi için % A§rlkça Metanol-Scaklk Kalibrasyon
Verileri
% A§rlkça Metanol
100
97.0426
94.0782
91.1085
88.1354
85.1594
82.1832
79.2077
76.2345
73.2649
70.3001
67.3417
64.3906
61.4482
58.5156
55.5937
52.6838
49.7866
46.9031
Scaklk (◦ C)
62.0783
63.0783
64.0783
65.0783
66.0783
67.0783
68.0783
69.0783
70.0783
71.0783
72.0783
73.0783
74.0783
75.0783
76.0783
77.0783
78.0783
79.0783
80.0783
% A§rlkça Metanol
44.0342
41.1808
38.3433
35.5227
32.7195
29.9344
27.1678
24.4203
21.6922
18.9841
16.2962
13.6288
10.9822
8.3566
5.5721
3.1691
0.6074
0.0
Scaklk (◦ C)
81.0783
82.0783
83.0783
84.0783
85.0783
86.0783
87.0783
88.0783
89.0783
90.0783
91.0783
92.0783
93.0783
94.0783
95.0783
96.0783
97.0783
97.3166
Kaynaklar
[1] Perry, R.H., Green. D., Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7th ed.,
13, 96-108, McGraw Hill, 1997.
[2] Geankoplis, C. J., Transport Processes and Unit Operations, 3rd ed., PrenticeHall, 1993.
[3] Uysal, B. Z., Kütle Transferi Esaslar ve Uygulamalar, Gazi Üniversitesi,
1996.
[4] Aldemir, A., Ertunç, S., Hapo§lu, H., Alpbaz, M. `'Evaluation of the Number of Transfer Units (NTU) and The Column Height by Using On-line
Temperature Measurements for a Pilot Scale Packed Batch Distillation Column, TOJSAT: The Online Journal of Science and Technology, 2(1), 1-7,
January, 2012.
Ara³.Gör. I³l Gürten nal
171
8.2
Kademeli Damtma
KADEMEL DAMITMA
172
Kademeli Damtma
Genel Bilgiler
Kimya ve buna ba§l endüstrilerde en çok kullanlan ayrma proseslerinden biri
olan damtma, bir kar³mn saa³trlmasnda bile³enlerin uçuculuk farklarndan yararlanma tekni§idir. Ba§l uçuculu§un büyük olmas, damtma ile ayrmann kolay olmasn sa§lar. Kademeli kolonlarda yer alan kademeler, buharsv temasnn çok iyi olmasn sa§layacak ³ekilde tasarlanr. En çok kullanlan
kademe tipleri delikli kademeler (sieve plate), kabarck ba³lkl kademeler (bubblecap plates) ve yüzer ba³lkl kademeler (oating cap plates)'dir.
Amaçlar
Sürekli çal³an kademeli bir damtma kolonunda ikili bir kar³mn ayrlmasnn
incelenmesi ve kolon veriminin bulunmas
Materyal ve Metod
Damtma kolonu sürekli çal³an, pilot ölçekte kademeli bir kolondur. Her biri
be³er kademeden olu³an üç bölümden olu³ur. Raar elek tabanldr.
Kolonun üst kademelerine do§ru uçucu bile³ence zenginle³en buhar, elek tabannn deliklerinden geçerken uçucu bile³ence fakir sv raarda birikir. Bu
srada geni³ bir de§me yüzeyinde sv ile buhar dengeye gelir. Ta³an sv bir alt
kademede toplanr. Kolonun en altnda bir kazan (6 L) ve bunu stmak için
gerekli sy sa§lamak üzere ya§ banyosu vardr. Ya§ banyosu 1.5 kW gücünde
daldrmal elektriksel stc ile stlmaktadr.
Kolon boyunca be³er kademe aralklarla scaklk ölçümü için scaklk ölçerler
vardr. Kademelerden örnek buhar ya da sv almak için giri³ yerleri ayrlm³tr.
Sistemin basncnn saptanmas ya da kazan ile yo§u³turucu arasndaki basnç
farknn ölçülmesi için bir basnç ölçer, geri akma orann ayarlayabilmek için
de kolonun tepesinde magnetik bir düzenek yer alr. Tepe kademesinden sonra
buhar, biri geri so§utucu ksm di§eri ise ürünün alnaca§ ve bir düz so§utucunun bulundu§u ksm olmak üzere iki koldan gidebilir. Bu iki yoldan birisi
açkken di§eri kapaldr. Magnete ba§l cam bir piston bunu otomatik olarak
sa§lar. Geri so§utucunun tepesine konulmu³ olan magnetik düzen tarafndan
açk-kapal kalma süresi denetlenir. Geri so§utucu yolu açkken ürün yolu kapal olaca§ndan kolonun üst kademesine gelen buharlar geri so§utucu tarafndan yo§unla³trlp tekrar kolona verilir. Bu durum tüm geri akma demektir.
Ürün yoluna ek bir so§utucu daha yerle³tirilmi³tir.
Böylece üst ürün tama-
men sv olarak alnr. Geri akma ve ürün alma süreleri bunlarn miktarlar ile
173
Kademeli Damtma
do§ru orantldr. Sonuçta geri akma oran, geri so§utucu ya da geri akmann
açk tutuldu§u sürenin ürün alma süresine oran olarak bulunur.
Yöntem, % hacim bile³imi belli olan etanol-su kar³m ile doldurulan kazann
stlmas ve ayarlanan bir geri akma orannda sistemin çal³trlmas ile yat³kn
hale ula³ldktan sonra alt ve üst ürünün scaklklarnn ölçülmesi ve alnan
örneklerin krlma indislerinin ölçülerek bile³imlerinin bulunmas temeline dayanr.
Deneyde, uçuculuk farkndan dolay etanol kar³mdan ayrlarak üst ürün olarak
elde edilir.
Deney sisteminin i³letimi
1. Kazan, hacimsel bile³imi belli etanol-su kar³m ile 1/2 orannda doldurulur.
2. Istc açlr.
3. So§utucu açlr.
4. Tüm geri akma orannda yakla³k 1.5 saat beklenerek kolon yat³kn hale
getirilir.
5. Besleme, kaynama noktas altnda sv olarak (özgül ss cP L
gizli ss
λ = 9500 cal/gmol)
= 0.9 cal/g o C ,
bir sirkülatör yardm ile ön stlr ve
pompa ile kolona verilir.
6. Uygulanacak geri akma oran seçilir ve ayarlanr.
7. Kolon yat³kn hale gelince scaklklar ölçülür, alt ve üst üründen örnekler
alnr.
8. Üst ürünün hacmi ve toplanma süresi ölçülür.
Deney verilerinin de§erlendirilmesi
•
Bilinen yüzdelerde hazrlanan etanol-su kar³mlarnn krlma indisleri
bir krnm ölçerde (refraktometrede) ölçülür ve % hacim-krlma indisi
çal³ma gra§i hazrlanr.
•
Besleme çözeltisinin ve sistem yat³kn hale ula³nca alt ve üst ürünün
krlma indisleri okunur ve çal³ma gra§inden yararlanlarak bile³imler
bulunur.
•
Etanol-su kar³mnn damtlmasnda, belli bir ayrma sa§lamak için
gerekli olan kuramsal kademe says McCabe-Thiele Yöntemi ile bulunur.
•
Hesaplanan kademe says, gerçek kademe saysna bölünerek kolon verimi
hesaplanr.
174
Kademeli Damtma
Çizelge 8.2.1: Etanol-su ikili kar³mnn 1 atm basnçta denge e§risi verileri
x
y
0.00
0.00
0.02
0.17
0.07
0.39
0.10
0.44
0.23
0.55
0.57
0.68
0.75
0.78
0.89
0.89
1.00
1.00
Kaynaklar
[1] R. H. Perry, D. Green, Chemical Engineering Handbook, 7th edition, Mc
Graw- Hill, New York (1997)
[2] C. J. Geankoplis, Transport Processes and Unit Operations, 3rd edition,
Prentice Hall PTR, New York (1993)
[3] W. L. McCabe, J. C. Smith, Unit Operations of Chemical Engineering, 5th
edition, Mc Graw Hill, New York (1993)
[4] R. E. Treybal, Mass Transfer Operations, 3rd edition, Mc Graw Hill, New
York (1981)
Hazrlk Sorular
1. Bir kar³mdaki bile³enlerin damtma ile ayrlabilmesi için gerekli ko³ul
nedir?
2. Buhar basnc nedir? Ne ile de§i³ir?
3. Raoult ve Dalton yasalar nelerdir?
4. Ba§l uçuculuk ve damtmadaki önemi nedir?
5. Kaynama noktas nedir? Bir kar³mn kaynama noktas nasl hesaplanr?
6. Damtmada kullanlan sistemler nelerdir?
7. En çok kullanlan kademe tipleri nelerdir?
8. Azeotrop kar³m ne demektir?
Azeotrop kar³mdaki bile³enler nasl
ayrlabilirler?
9. Bir kademeli damtma kolonunda kademe saysnn bulunmasnda kullanlan yöntemler ve dayandklar temeller nelerdir?
10. ³letme do§rusu ve denge e§risi ne demektir?
11. Besleme scakl§nn damtmadaki önemi nedir? Besleme scakl§ neye
göre seçilir?
12. Sürekli bir damtma kolonunun i³letmeye alnmas (start-up) nasl olmaldr?
13. Geri akma oran ve önemi nedir?
14. Damtma kolonu verimi nedir? Bir kolonun verimi nasl artrlabilir?
15. Etil alkol-su kar³mndaki alkol deri³iminin belirlenmesi için hangi analiz
yöntemleri kullanlabilir?
175
Kademeli Damtma
1. Kademeli damtma kolonunda kolon verimini bulmak üzere bir deney
tasarlaynz (izlenecek yol, alnacak deney verileri, hesaplamalar, sonuçlarn
de§erlendirilmesi)
Figure 8.2.1: Kademeli damtma deney sistemi
176
8.3
Absorpsiyon
ABSORPSYON
177
Absorpsiyon
Genel Bilgiler
Gaz absorpsiyonu, inert bir bile³enle gaz kar³m halinde bulunan çözünen bir
bile³enin inert bir sv ile absorbe edildi§i i³lemdir.
Dolgulu kolonlarda sv,
dolgu maddelerinin yüzeyini bir lm halinde kaplayarak a³a§ya do§ru akmaktadr.
Dolgu maddelerini kaplayan bu lmin ince oldu§u, yani sv lminin
kalnl§nn ihmal edilebilece§i ve svnn tüm dolgu maddesi yüzeyini slatt§ varsaymlar yaplarak dolgu maddesi yüzey alannn yakla³k gaz-sv ara
yüzeyi ile ayn oldu§u kabul edilmektedir.
Dolgulu kolonlarda kullanlan dolgu maddeleri de§i³ik malzemelerden yaplmaktadr. Kil, porselen, alüminyum, alümina, grat, çelik ve plastik çok kullanlan malzemelerdir. Belli bir uygulamada dolgu maddesi seçimi yaplrken,
a³a§da belirtilen hususlara dikkat etmek gerekir. Dolgu maddeleri;
•
•
•
•
Sa§lam ve mukavemetli olmaldr.
A§r olmamaldr.
Büyük basnç dü³mesine neden olmamaldr.
Kullanlan sv ve gaza kar³ inert olmaldr, yani herhangi bir reaksiyona
girmemelidir.
•
•
Sv ve gaz fazlar arasnda iyi ve yeterli temas sa§lamaldr.
Ucuz olmaldr.
Amaçlar
Dolgulu bir absorpsiyon kolonunda asetik asit- hava kar³mndan asetik asit
su ile absorplanacaktr. Bu amaçla
•
•
Sv ve gaz taraf kütle aktarm katsaylar hesaplanmas
Aktarm birimleri yüksekli§i (HTU) ve aktarm birimleri says (NTU)
hesaplanmas
•
Çal³lan sv ak³ hz ve minimum ak³ hz kar³la³trlmas
gerçekle³tirilecektir.
Materyal ve Metod
Deney sistemi çal³trlmadan önce kompresör çal³trlr kompresörden alnan
basnçl hava bir basnç dönü³türücüden geçirildikten sonra asetik asit ³i³esinden geçirilir.
178
Absorpsiyon
Kolonun tepersinden sisteme beslenen sv ak³ hz sistemde yer alan vana
ile istenilen de§ere ayarlanabilir. Ta³ma riskinden dolay bu de§erin kontrolü
oldukça önemlidir.
Kolonun altndan sisteme beslenen gaz ak³ hz da yine sistem üzerindeki vana
yardmyla ayarlanabilir.
Gaz ak³ hz sabit tutularak de§i³ik sv ak³ hzlarnda çal³larak sv taraf
kütle aktarm katsays (Kx a) hesaplanr
Sv ak³ hz sabit tutularak de§i³ik gaz ak³ hzlarnda yaplan deneylerden
gaz taraf kütle aktarm katsays (Ky a) hesaplanr.
Deneyin Yapl³
Sistemde öncelikle su vanas belli bir hzda açlr. Daha sonra çal³lmak istenen sv ak³ hz ayarlanr ve gaz vanas açlr. lk olarak sabit gaz ak³ hznda
farkl sv ak³ hzlar ayarlanr. Sv debisi sistemin altndan çkan hortumdan
örnek alnarak yaplr. Gaz ak³ hz sistemdeki ak³ ölçer yardmyla okunur.
Sv debisinin yat³kn ko³ul de§eri alndktan sonra 10'ar ml'lik çk³ akmndaki sv örnekler erlenlere alnr ve NaOH ile titre edilerek renk de§i³imi gözlenir. Sabit sv ak³ hznda farkl gaz ak³ hzlar deneylerinde de absorplanan
asetik asit miktar yine titrasyon ile bulunur.
Deneyin Verilerinin De§erlendirilmesi
•
Sabit gaz ak³ hznda elde edilen veriler kullanlarak sv taraf kütle
aktarm katsays bulunur
•
Sabit sv ak³ hznda elde edilen veriler kullanlarak gaz taraf kütle
aktarm katsays bulunur
•
Titrasyon düzene§inde kolonun altndan alnan asetik asit deri³imi NaOH
ile titre edilerek bulunur.
Kaynaklar
[1] B.Z. Uysal,Kütle Transferi Esaslar ve Uygulamalar, Gazi Üniversitesi Mimarlk Mühendislik Fakültesi Yaynlar, Ankara, (1996)
[2] R.H. Perry, and D. Green, Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6th Ed.,
New York McGraw Hill, (1985)
[3] W.L. McCabe, J.C. Smith, P. Harriott, Unit Operations of Chemical Engineering, Mc Graw Hill, New York, (2005)
179
Absorpsiyon
Hazrlk Sorular
1. Henry yasas,dalton Yasas, Rault Yasas nedir, açklaynz.
2. Denge ili³kisi nasl bulunur.
3. Ta³ma hz nedir tanmlaynz.
4. Gaz absorpsiyon kolonunda L/G min nasl hesaplanr
5. Aktarm Birimleri Says ve Aktarm Birimleri yüksekli§ini denklemleriyle
tanmlaynz.
6. Gaz absorpsiyon i³letme do§rusunun denklemini türetiniz.
7. A ve B gazlarn içeren bir gaz kar³m laboratuardaki dolgulu kolon gaz
absorpsiyon sisteminde su ile ayrlacaktr.
Bu sistemin Kütle aktarm
katsaysn bulmak için hangi ölçümleri alrsnz.
1. Molce % 7 etanol hava içeren gaz kar³mnn absorpsiyon ile etanolün
2. Elinizde bulunan molce % 60 SO2 içeren hava + SO2 gaz karmndan %
90 SO2 'yi geri kazanmak için hangi ayrma sistemini kullanrsnz, kolon
boyu ne olur, tasarlaynz
3. Molce % 8 etanol hava içeren gaz kar³mnn absorpsiyon ile etanolün %
95'i geri kazanlacaktr. Bu kolonu tasarlaynz.
180
Absorpsiyon
Figure 8.3.1: Absorpsiyon deney sistemi
181
8.4
Seviye Kontrolu
SEVYE KONTROLU
182
Seviye Kontrolu
Genel Bilgiler
Sv seviye sistemleri pnömatik ve elektronik olarak çal³an otomatik kontrol
sistemleriyle incelenmektedir.
Amaçlar
•
•
Farkl vana açklklarnda yat³kn hallerin gözlenmesi.
Giri³ de§i³keni olan sv ak³ hzna basamak etki vererek sv seviyesinin
dinamik davran³nn incelenmesi.
•
Dinamik veriler kullanlarak proses reaksiyon e§risi yöntemi kullanlarak
birinci mertebeden ölü zamanl prosesin iletim fonksiyonunun elde edilmesi.
•
•
Cohen-Coon yöntemiyle PID parametrelerinin hesaplanmas.
Teorik ve deneysel olarak PID kontrolün gerçekle³tirilmesi.
Materyal ve Metod
ekil 8.4.1'de sv seviye kontrol deneyinde kullanlan cihazlarn ³ematik gösterimi verilmi³tir.
Bir sinyali ba³ka bir sinyale çeviren cihazlara transducer
denmektedir. Örne§in pnömatik sinyali elektrik akmna çeviren cihaz transducerdr ve (P/V) ³eklinde gösterilmektedir. ekil 8.4.1'de sv seviye ölçüm
sistemi bir ³amandra ile gösterilmektedir. amadra sv seviyesinin inip çkmasyla hareket etmekte ve bu hareket bir direnç yardmyla elektrik akmna
çevrilmektedir. Burda kullanlan transducer (R/I) ile gösterilmektedir. Ayrca
sv seviyesinde yüzen ³amadrann hareketlerinde düzensizlik olmamas için
direnci bir a§rlkla aslm³tr.
Transducer (R/I)dan çkan elektrik sinyalleri
PID elektronik kontrol sistemlerine gitmektedir. Bunun yannda seçime göre
bu sinyal bilgisayara da gitmektedir. ekil 8.4.1'de PID kontrol sistemi gösterildi§i için bu kontrol cihazna uygun açklama yaplm³tr.
PID kontrol
ediciden çkan elektrik akm di§er bir transducera (I/P) giderek elektrik akm
pnömatik sinyale çevrilmektedir.
lgili pnömatik sinyal de kontrol vanasna
gitmekte ve tanka giden sv ak³ hzn ayarlamaktadr.
ekil 8.4.1'de gös-
terildi§i gibi PID kontrol sisteminin haricinde farkl ölçümler yaplmaktadr.
Bunlardan birincisi Pt 100 dedi§imiz scaklk alglaycsdr.
Pt 100 scaklk
alglaycsndan çkan elektrik sinyali direkt olarak göstergeye gitmekte (indicator) ve görsel olarak gözlenmektedir. Bunun yannda tankn dibinden alnan
basnç ölçer yardmyla tankn sv seviyesi gözlenmektedir.
man sv seviyesi yüksekli§ine göre bir
∆P
Bu ölçüm ele-
basnç sinyalini göndermekte ve
bir transducer (∆P/P) yardmyla pnömatik sinyale çevrilmekte bu sinyal de
bir göstergede basnç farkn vermektedir. Ayrca tank çk³na ba§lanm³ pHmetre yardmyla pH ölçümü de direkt olarak pH göstergesinde okunmaktadr.
Svnn ak³ hzn ölçmek için tank giri³ine ba§lanan orismetre kullanlarak
183
olu³an basnç fark
∆P
Seviye Kontrolu
bir transducer yardmyla (P/
DeltaP)
bir pnömatik
sinyal olarak göstergeye gönderilmektedir. Gösterge pnömatik sinyali almakta
lt/dk olarak ak³ hzn vermektedir. Ayrca pompann basnc da bar olarak bir
(.
göstergede gösterilmektedir.
gelmektedir.
.)
simgesi sinyallerin yükseltilmesi anlamna
Bir sinyal bu birimi geçti§inde daha yüksek de§er almaktadr.
Örnek olarak 1 volt giren bir sinyal bu birimden geçtikten sonra 10 volt olabilmektedir.
Yukarda bahsedildi§i gibi bir seçici yardmyla PID kontrol sistemi elektronik
kontrol cihaz veya bilgisayar yardmyla yaplmaktadr. Bilgisayarla yaplan
kontrol çal³masnda anlk veriler annda zamana kar³ gra§e geçirilmekte ve
hafzaya alnmaktadr. stenilen süre için sv seviyeleri bilgisayar grak programndan elde edilmektedir.
ekil 8.4.2'de gösterildi§i gibi bilgisayar ile yaplan PID kontrol sistemi için
endüstride çok uygulanan PLC (Programmable Logical Controller) kontrol
sistemi kullanlmaktadr. PLC kontrol sistemi e³ zamanl birçok prosesi kontrol etmekte, ölçümler almakta ve anlk de§erleri gra§e geçirmektedir. Bilgi
al³veri³i sisteme online ba§l bilgisayarlar yardmyla yaplmaktadr. Sv seviye kontrol sistemi de böyle bir proses için iyi bir uygulama olarak görülmektedir.
PLC sisteminin bilgisayar hattnda açk hat (manuel) ve kapal hat
(automatic) seçimler yaplmakta sv seviye kontrol sistemi için yat³kn hal,
dinamik hal ve kontrol çal³malar ba§msz olarak gerçekle³tirilmektedir.
Sistem açk hat i³letilirken (PLC el konumunda) bilgisayar aracl§yla vana
açkl§ belli bir de§ere ayarlanr.
Pompa devreye alnarak sv seviyesinin
yat³kn ko³ula gelmesi beklenir ve giri³ ak³ hz ölçülür. Sistem yat³kn ko³ula
geldikten sonra vana açkl§na basamak etki verilerek dinamik analiz yaplr.
Dinamik analiz esnasnda 20 saniyede bir bilgisayar ekranndan okunan sv
seviyesi kaydedilir.
Sistem ikinci yat³kn ko³ula gelene kadar bu i³leme de-
vam edilir ve yat³kn ko³ul elde edildikten sonra giri³ ak³ hz tekrar ölçülür.
Zamana kar³ okunan sv seviye de§erleri gra§e geçirilerek proses reaksiyon
e§risi elde edilir. Reaksiyon e§risi yöntemiyle birinci mertebeden ölü zamanl
prosesin iletim fonksiyonu bulunur. lgili e³itlik a³a§da verilmi³tir.
Gp (s) =
K
e−θs
τs + 1
Elde edilen proses iletim fonksiyonunun parametreleri kullanlarak Cohen-Coon
yöntemiyle PID kontrol edicinin parametreleri Tablo 1'de yer alan e³itlikler
yardmyla hesaplanr.
Bulunan parametreler sistem kapal hat i³letilirken kullanlarak farkl set noktalarnda ve farkl yük etkileri altnda kontrol edici performans gözlenir.
184
Seviye Kontrolu
Çizelge 8.4.1. PID kontrol için Cohen-Coon parametreleri
K
e−θs
τs + 1
Kc
τ1
τD
PID
1.35 τ
+ 0.18
K
θ
2.5τ + 0.5θ
τ + 0.61θ
0.37τ
θ
τ + 0.19θ
Figure 8.4.1: Sv seviye kontrol sisteminde kullanlan transducer ve gösterge
birimleri
185
Seviye Kontrolu
Figure 8.4.2: Sv seviye kontrol deney sistemin
186
Seviye Kontrolu
Kaynaklar
[1] Alpbaz, M., Hapo§lu, H., Akay, B. (2011). Proses Kontrol, Gazi Kitabevi,
Ankara.
[2] KYM 439 Proses Kontrol Uygulamalar Ders Notlar, 1999.
[3] Stephanopoulos, G. (1984). Chemical Process Control, Prentice Hall, New
Jersey.
Hazrlk Sorular
1. Yük etkisi sisteme kaç türlü verilir?
2. Sv seviye kontrol sistemi için sistem modelini, açk hat cevap e§risini
nasl elde ederiz?
3. Sv seviye sisteminin girdi ve çkt de§i³kenleri nelerdir?
4. Taylor açlm nedir? Sv seviye sisteminin Taylor açlmna göre do§rusalla³trmasn gösteriniz.
5. Proses kontrol ve amaçlar nelerdir?
6. Geri beslemeli PID kontrol sistemlerini anlatnz.
7. Sv seviye kontrol sistemlerini anlatnz.
8. Sistemin cevap e§risinden prosesin transfer fonksiyonu parametreleri nasl
hesaplanr?
1. Bulunan iletim fonksiyonuna ait sv seviye sistemini farkl set noktalarnda en iyi kontrol eden PID parametrelerini Matlab Simulink programn kullanarak bulunuz.
Ara³.Gör. ule Camco§lu
187
8.5 KATI - SIVI
EKSTRAKSYONU
(Leaching)
188
Genel Bilgiler
Kat-sv ekstraksiyonu, çok bile³enli bir katdan istenilen bile³enin bir sv
çözücü ile çözülerek ayrlmasdr. Kullanlacak katlar inorganik (maden cevherleri), organik veya biyolojik (³eker pancar, ya§l tohumlar vb.) olabilmektedir.
Ekstraksiyonda gerçekle³en olaylar; i) çözücünün y§ndan kat yüzeyine aktarm ii) çözücünün kat içine difüzyonu iii) katdaki istenen bile³enin çözücüde
çözünmesi iv) çözünenin kat içinde yüzeye difüzyonu v) çözünenin çözelti
y§nna aktarm olarak gerçekle³ir. Katnn yapsna ba§l olarak de§i³mekle
birlikte tüm proseste ekstraksiyon hzn kontrol edenin iki ve dördüncü admlar oldu§u bilinmektedir. Ço§u ekstraksiyon i³lemlerinde bu admlardaki kütle aktarm dirençlerini azaltmak üzere katya ön i³lemler uygulanmakta, özel
tasarm ekstraktörler kullanlmaktadr. Kat-sv ekstraksiyonu kesikli (yat³kn
olmayan) veya sürekli (yat³kn) i³letimle gerçekle³tirilebilir. Çözücü seçimi, scaklk, kat ile ilgili özellikler, kat/çözücü oran, ekstraktör tipi ve i³letim ³ekli
ekstraksiyon verimini etkileyen ba³lca parametrelerdir.
Bu deneyde kesikli
olarak i³letilecek pilot ölçekli bir ekstraksiyon sisteminde ekstraksiyon verimine etki eden parametrelerin etkilerinin incelenmesi ve deri³im prolinin elde
edilmesi amaçlanm³tr.
Amaçlar
Kesikli ya da sürekli i³letilebilen bir kat-sv ekstraksiyon sisteminde ³eker
içeren kat maddelerden ³eker ekstraksiyonunun gerçekle³tirilmesi ve proses
i³letim parametrelerinin ekstraksiyon verimine etkisinin incelenmesidir.
Materyal ve Metod
Deney sistemi pilot ölçekli, kesikli ya da sürekli i³letilebilen bir ekstraksiyon
sistemidir.
Sistem, kat ile çözücünün temas ederek ekstraksiyon i³leminin
gerçekle³ti§i 80 L'lik silindirik bir ekstraktör ve ekstraksiyon sonucu olu³an
çözeltiden saf çözücünün ayrld§ 100 L'lik, 3000 W'lk elektrikli bir manto
ile stlan cam balondan olu³maktadr. Bu cam balonun üst ksmnda çözücü
kayplarn engellemek amacyla bir yo§u³turucu da yer almaktadr.
Ayrca
sisteme çözücü beslenmesi 88 L'lik bir tanktan 1 BG'de bir pompa ile sa§lanmaktadr.
Çözücünün stma ve geri kazanmnn gerçekle³tirildi§i biriminde
PLC (Programmable Logical Control) sistemi ile scaklk ve seviye kontrolleri
gerçekle³tirilebilmektedir. Çözücünün sistemde ak³ yönünü belirlemek ve ekstraksiyon ünitesinden örnek almak üzere vanalar mevcuttur. Sistemin ³ematik
gösterimi ekil 8.5.1'de verilmi³tir.
Deney Yöntemi
189
Figure 8.5.1: Kat - Sv Ekstraksiyonu Deney Sistemi
190
PLC sisteminin ve sisteme on-line ba§l bilgisayarn gerekli elektrik ba§lantlar yaplr. Ekstraksiyon için uygun miktarda çözücü (su), istenilen scakl§a
getirilmek üzere, hatlardaki vanalar uygun pozisyonda iken, ak³ hz PLC sisteminden ayarlanan pompa yardmyla cam balona baslr.
Elektrikli manto
ile stlan cam balondaki seviye ekstraksiyon için uygun miktardaki çözücü
ile doldu§unda pompa durdurulur ve vanalar uygun pozisyona getirilir. PLC
sisteminden elektrikli manto ile stlan cam balondaki çözücü istenilen scakl§a stlr.
Istlan çözücü vanalar uygun pozisyona getirilerek besleme
tankna alnr ve ekstraksiyon ünitesine vanalar uygun konumda iken pompa
ile beslenir. Uygun miktarda kat madde(dilimlenmi³ ³eker pancar) ekstraksiyon torbasna konur ve belli seviyede ekstraksiyonun gerçekle³tirilece§i scakl§a stlm³ su ile doldurulmu³ ekstraktöre daldrlr. Ekstraksiyon boyunca
belli zaman aralklarnda örnek alma vanas açlarak örnek alnr.
Ekstraksiyon ünitesine beslenecek ³eker pancar ve suyun miktar belirlenir.
Ekstraksiyon süresince farkl zaman aralklarnda alnan örneklerin toplam kat
madde deri³imini belirlemek üzere JENA 236227 marka el refraktometresi kullanlarak analizlenir.
Deney Verilerinin De§erlendirilmesi Ekstraksiyon boyunca çözeltiden alnan örneklerdeki toplam kat madde deri³imi ölçümlerinden deri³im proli
elde edilecektir.
Kütle korunum denkleminin çözümünden elde edilen prol
ile kar³la³trlacaktr. Ekstraksiyon verimine etki eden parametreler de§i³tirilerek elde edilen sonuçlar de§erlendirilecektir.
.
.
.
³letme Ko³ullar
Zaman (dk)
Toplam Kat
Madde Deri³imi (%)
191
Kaynaklar
[1] Perry R.H., Green D., 1985, Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6th
ed., Mc Graw Hill., New York.
[2] McCabe W.L., Smith J.C., Harriot P., 2001, Unit Operations of Chemical
Engineering, 6th ed., Mc Graw Hill, Singapore.
[3] Geankoplis C.J., 1983, Transport Processes and Unit Operations, 2nd ed.,
Allyn and Bacon Inc., Boston.
Y.Doç.Dr. Suna Ertunç
192
8.6
Kurutucular
KURUTUCULAR
193
Kurutucular
Genel Bilgiler
Genel olarak kurutma, nemli kat içerisinde bulunan sv miktarn istenen bir
de§ere dü³ürme i³lemidir. Kurutma, proses de yer alan birçok i³lemlerin son
kademesidir. Kurutmadan çkan ürün paketleme için hazrlanr.
Kurutma ve buharla³trma farkl proses'lerdir. Kurutma terimi daha çok kat
maddelerde bulunan az miktardaki suyun uzakla³trlmas için, buharla³trma
terimi ise çözeltilerde bulunan oldukça fazla miktardaki suyun uzakla³trlmas
için kullanlr.
Endüstride birçok durumda kurutma i³lemi, suyun kaynama
scakl§nn altndaki bir scaklkta uzakla³trlmas ³eklindedir.
Su veya di§er svlar, katlardan PRESLEME ve SANTRFÜJ gibi mekanik yöntemlerle veya BUHARLATIRMA gibi sl yöntemlerle uzakla³trlr.
Mekanik yöntemlerin uygulanmas daha ucuz oldu§u için önce mekanik kurutma daha sonra da sl yöntemle kurutma yaplr. Bu kitapçkta sl yöntemlerle kurutma i³lemi açklanm³tr.
Kurutma i³lemi, kurutulan maddenin cinsine, ³ekline ve katnn bozunma scakl§na önemli ölçüde ba§ldr. Kurutulmas istenen kat, kristal, toz, parçack
veya yaprak ³eklinde olabilir. Ortamdan uzakla³trlmas istenen sv ise katnn
bünyesinde çe³itli ³ekillerde bulunabilir.
veya gözenekleri içerisinde bulunabilir.
Sv kurutulacak katnn yüzeyinde
Kurutma i³leminde bir di§er önemli
etken kurutulacak katnn sya dayanm di§er bir deyi³le bozunma scakl§dr.
Bir kurutma ünitesinden çkan katn içerisindeki nem miktar ürünün cinsine
göre de§i³ir. Örne§in kuru sofra tuzu % 0.5 orannda kurtulmu³ kömür % 0.4
orannda su içerir.
Özel durumlarda içerisinde sv içermeyen kat ürün elde
edilmesi istenir.
Kurutucularn Snandrlmas
Sanayi de çok çe³itli özellikler ta³yan kurutucular kullanlmaktadr. Kesikli,
sürekli, kar³trmal, normal basnç veya vakum altnda i³letilen vb kurutucular
var. Hatta birbirine çok benzeyen prosesler için birbirinden oldukça farkl özelliklerde kurutucular kullanlmaktadr. O nedenle kurutucular snandrmak
zordur.
A³a§daki bölümde genel özellikler temel alnarak bir snandrma
yaplm³tr.
194
Kurutucular
Genel snandrma
1. Adyabatik Kurutucular (Direkt)
2. Adyabatik Olmayan Kurutucular (ndirekt)
Bu snandrmada, kurutulacak maddenin scak hava ile temas ³ekli göz önüne
alnm³tr. Adyabatik kurutucularda girdi scak hava ile do§rudan temas ettirilir. Adyabatik olmayanlarda kurutulacak madde bir metal yüzeyi ile temas
halinde olup metalin di§er yüzeyi elektrik akm veya doygun bir buharn
akmnn yo§unla³trlmas ile stlmaktadr.
³letim ³ekline göre snandrma
1. Kesikli i³letilen kurutucular
2. Sürekli i³letilen kurutucular
Kurutulacak kat madde ile scak havann temas ³ekli çok önemlidir. A³a§da
adyabatik ve adyabatik olmayan kurutucular için çe³itli temas ³ekilleri verilmi³tir.
Adyabatik kurutucularda temas ³ekilleri
1. Kurutulacak madde sabit duran bir tepsi üzerine konulur ve scak hava
kat maddenin yüzeyine paralel olarak gönderilir. Çapraz sirkülasyon'lu
kurutma (cross circulation drying) veya Tepsili Kurutma olarak adlandrlan
bu kurutma ekil 8.6.1.a da gösterilmi³tir.
2. Kurutulacak madde delikli bir tepsi konulur. Scak hava akm tepsiye
dik olarak gönderilerek tepsinin delikleri arasndan geçirilir.
kat ile havann temas alan daha fazladr.
Burada
Direkt sirkülasyon'lu ku-
rutucu (through circulation drying) veya delikli tepsili kurutucu olarak
adlandrlan kurutma ekil 8.6.1.b de gösterilmi³tir.
3. ekil 8.6.1.c de gösterilen döner kule tipi kurutucular (rotary drying)
da kat madde döner bir frn içerisinden dökülerek scak hava ile temas
ettirilir.
4. Ak³kan yatak kurutucu (uidized bed drying) ekil 8.6.1.d de gösterilmi³tir. Yatak içerisindeki kat madde yata§a gönderilen scak hava ak³
hzna hareket etmeye ba³lar. Temas alan fazla ve s aktarm hz yüksektir.
5. ekil 8.6.1.e de gösterilen kurutucu tipinde scak hava ve kurutulacak kat
yatak içerisinde birlikte hareket ederler. Sürekli bir kurutma ³eklidir.
Adyabatik olmayan kurutucularda temas ³ekilleri
195
Kurutucular
Figure 8.6.1: Kurutucu tipleri. a)Tepsili kurutucu, b.) Delik tepsili kurutucu,
c.) Döner kule tipi kurutucu, d.) Ak³kan yatak kurutucu, e.) Sürekli kurutucu
1. Kurutulacak kat madde hareketli veya sabit bir tepsi içerisinde kuruyuncaya kadar stlr. Istma i³lemi için scak sv, buhar veya elektrik ssndan yararlanlr.
2. Kat madde stlm³ yüzey üzerinde bir ta³yc veya kar³trc yardmyla
kurutulur.
3. Kat madde stlm³ dikey bir yüzey üzerinden kendi a§rlyla a³a§ do§ru
dökülürken içerisindeki sv buharla³trlarak uzakla³trlr.
Kurutucularda scaklk da§lm
Kurutucularda scaklk da§lm girdi
içerisindeki suyun miktarna ve kat maddeye ba§lanma ³ekline ba§ldr. Kesikli ve sürekli kurutucular için scaklk da§lm a³a§da verilmi³tir.
Kesikli Kurutucularda scaklk da§lm
Tsa Scakl§ndaki slak kat
Th olup (Th >Tma )
bir kesikli kurutucuya konulur. Kurutma havasnn scakl§
katnn scakl§ zamanla yükselmeye ba³lar ve
Tv
scakl§na ula³t§nda sabit
kalr. Bu scaklk, svnn buharla³ma scakl§ dolays ile kurutma i³leminin
ba³lad§ scaklktr. Kurutma i³lemi bu scaklkta belli bir süre devam eder ve
daha sonra katnn scakl§
Tsb
ye ula³r.
Sürekli kurutucularda scaklk da§lm
Tha
Tsa
scakl§nda girer ve kurutucudan
scakl§nda girer ve hemen
süre kaldktan sonra
Tsb
Tv
Thb
Sürekli kurutucuya gaz akm
scakl§nda çkar. Kat madde ise
scakl§na yükselir. Bu scaklkta belli bir
scakl§na yükselir (ekil 8.6.2 )
Kurutucularda s aktarm
Kurutucularda s aktarm olaylar a³a§-
daki gibi sralanabilir.
196
Kurutucular
Figure 8.6.2: Kurutucularda scaklk proli a)Kesikli, b)Sürekli
1. Kurutulacak olan maddenin (Tsa scakl§nda) içindeki svnn buharla³ma scakl§na (Tv ) kadar stlmas.
2. Svnn buharla³mas
3. Buharn son scakl§a kadar snmas
Bu sralamada en önemli basamak svnn buharla³trlmasdr.
Girdiye ak-
tarlan snn ço§u sv maddenin buharla³mas için harcanr. Kat maddenin
ald§ s miktarn veren ba§nt a³a§da verilmi³tir.
qT
= Cps (Tmb − Tma ) + Xa CpL (TV − Tma ) + (Xa − Xb )L
mkk
+Xb CpL (Tmb −TV )+(Xa −Xb )CpV (TV b −
TV )
qT
mkk
mkk
Xa
Xb
Tma
Tmb
Tv
Tvb
L
Cps , CpL
,
Cpv
:
Birim kuru kat kütlesi ba³na girdiye aktarlan s miktar
:
Birim zamanda kurutulan kat madde miktar (kuru kat olarak)
:
Kurutucuya giren birim kuru kat kütlesi ba³na nem miktar
:
Kurutmadan sonra birim kuru kat kütlesi ba³na nem miktar
:
Kurutucuya giren nemli kat maddenin scakl§
:
Kurutucudan çkan kat maddenin scakl§
:
Katnn içerdi§i svnn buharla³ma scakl§
:
Ya³ termometre scakl§
:
Buharla³ma gizli ss
:
Kat sv ve buharn spesik ss
Scak gaz akmnn verdi§i s miktarn hesaplamak için kullanlan ba§nt
a³a§daki ³ekilde ifade edilebilir.
qT = mg (1 + Hm )Cma (Tha − Thb )
mg
Hm
Cma
:
Kurutucuya giren kuru gazn kütlesel ak³ hz
:
Giren gazn nemlili§i
:
Giren gazn nemlilik ss
Is aktarm katsays
Adyabatik kurutucular için s aktarm a³a§daki
e³itlikle ifade edilir.
197
Kurutucular
QT = U A ∆T
A
:
U
:
Is aktarm alan
Is aktarm katsays
∆T
:
Ortalama scaklk fark (
oC)
Baz deneyler için ortalama scaklk farkn ve s aktarm alann kesin olarak
saptamak mümkün olmad§ için yukardaki ba§ntnn uygulanmas da zordur.
O nedenle farkl bir s aktarm katsays tanmlamak gerekir.
`Hacimsel Is
Aktarm Katsays' olarak tanmlanan bu katsay deneysel olarak bulunur ve
a³a§daki ba§nt ile tanmlanr.
QT = Um V ∆T
Um
V
∆T
cal/m3 so C )
:
Hacimsel s aktarm katsays (
:
Kurutucu nun hacmi (
:
Ortalama scaklk
m3 )
o
fark ( C )
Kurutulacak tanecikler küresel partiküller ³eklinde ise lm s aktarm katsays
a³a§daki ba§nt kullanlarak hesaplanr.
ha Dp
= 2.0 + 0.6
kp
Dp G
µp
0.5 Is aktarm birimleri
Cp µ p
kp
1/3
Kurutucularda s aktarm birimleri a³a§daki
e³itlikler kullanlarak hesaplanabilir.
Z
Thb
Nt =
Tha
dTh
Tha − Thb
=⇒ Nt =
Tha − Thb
∆T
Ortalama scaklk fark a³a§daki ³ekilde yazlabilir.
∆T = ∆TL =
(Tha − Twa ) − (Thb − Twb )
Tha − Twa
ln
Thb − Twb
Twa = Twb
oldu§unda
Nt = ln
Tha − Twa
Thb − Twb
198
Kurutucularda kütle aktarm
Kurutucular
Birim zamanda aktarlan buhar mik-
tarn (mv ) hesaplamak için a³a§daki ba§nt kullanlabilir.
mV = mg (Xa − Xb )
mg
Xa
Xb
:
Kuru kat kütlesi
:
Birim kuru kat kütlesi ba³na girdideki nem miktar
:
Birim kat kütlesi ba³na üründeki nem miktar
Kurutucularda faz dengesi
Islak bir kat madde, scakl§ ve nem mik-
tar sabit olan bir hava akmyla temas ettirildi§inde, hava akmnn ba§l nemi
ile dengeye gelinceye kadar içerdi§i sv maddeyi kaybederek kurur. Bu a³amadan sonra hava ile daha uzun süre temasta kalmas katdaki nem miktarn
de§i³tirmez. Buna belirtilen ³artlar altnda denge nemi ad verilir. Di§er bir
deyi³le, e§er kurutma amacyla kullanlacak olan havann belli miktarda nemi
varsa kurutucuyu terk eden kat madde denge neminden daha az miktarda nem
içermez.
Ço§u madde için denge nemi dengeye yakla³lma yönüne ba§ldr.
Islak bir
maddenin kurumaya (desorpsiyon) veya kuru bir maddenin nem adsorblamaya
maruz braklmasna göre farkl denge nemi de§erleri söz konusudur. Kurutma
i³lemlerinde sadece desorpsiyon de§erleri kullanlmaldr.
Figure 8.6.3: Kurutucularda Faz Dengesi
Bir madde denge neminden fazla miktarda nem içeriyorsa, kurutulmas srasnda
desorpsiyon e§risi üzerinde gidilerek denge nemine ula³ncaya kadar nemini
kaybeder (ekil8.6.3).
E§er kat madde denge de§erinden daha az miktarda
nem içeriyor ise nemli hava ile temas ettirildi§inde denge nemine ula³ncaya
kadar su absorplar.
farkldr.
Maddenin tipine ba§l olarak denge nem de§erleri çok
Yün, ka§t, tekstil maddeleri, sabun, deri gibi lii veya kolloidal
199
Kurutucular
yapya sahip organik maddelerin denge nem de§erleri temas ettikleri havann
scaklk ve nem içeri§ine ba§l olarak oldukça geni³ bir aralkta de§i³ir. Birkaç
tane tipik denge nemi e§risi ekil 8.6.4 de gösterilmi³tir.
Islak katlar için
denge nem e§rileri, kurutma da kullanlan gazn ba§l nemi ile kuru kat ba³na
katnn içerdi§i sv miktar arasnda verilir. Genelde faz dengeleri deri³im birimi cinsinden ifade edilmesine ra§men burada kuru kat ba³na sv miktar
olarak verilmi³tir.
stenildi§i taktirde ba§l nem mutlak neme çevrilerek grakler mutlak nem
üzerinden de gösterilebilir.
X − XT = X ∗
X
XT
X∗
:
Serbest nem (slak katdan uzakla³trlan nem)
:
Kurutma i³leminden önceki nem miktar
:
Denge nemi
Figure 8.6.4: Denge nem e§rileri
200
Kurutucular
Denge nemi belirli ko³ullar altnda maddenin kurutulabilece§i snr de§erdir.
Bir katdan denge neminden fazla miktardaki nem kurutularak uzakla³trlabilir.
Örne§in ekil 8.6.4 de yün için denge nem e§risi 2 numaral e§ri ile
gösterilmi³tir. Yün, 25
o C de % 50 ba§l nem içeren hava akm ile temas et-
tirilirse denge nem de§eri % 12.5 dur. E§er yün numunesi % 20 nem içeriyorsa
bu ko³ullar altnda neminin hepsini kaybetmez. Uzakla³trlan % nem miktar
sadece 20 -12.5 = 7.5 dur. Bu miktar, bu ko³ullar altnda yün için serbest nem
miktardr.
Ba§l nem ve ba§l olmayan nem
ekil 8.6.4 de gösterilen denge
e§rileri % 100 ba§l nem do§rusunu kesinceye kadar uzatlarak bulunan nem
miktar o kat maddenin sahip olabilece§i en dü³ük nem miktardr. Bu de§er
ve bu de§erden daha büyük olan denge nem de§erlerine `ba§l olmayan nem'
ad verilir. Bu de§erden daha dü³ük nem de§erlerine ise `ba§l nem' denir.
Ba§l nem içeren maddelere `Higroskopik Maddeler' denir. Odun, tekstil maddeleri ve benzer maddeler için % 100 ba§l nem ile dengede olan nem de§erine
`Fiber Doygunluk Noktas' denir.
Ba§l nem katnn yapsna ba§l olarak,
katya ziksel olarak ba§l olabilece§i gibi hücreler içerisinde kimyasal ba§l
olarak da bulunabilir.
Kurutma mekanizmalar
Sabit kurutma ko³ullar
Hava ak³ hz, scakl§, basnc ve nem
miktar sabit kurutma ko³ullarn belirler.
Bu de§erlerin sabit olmas `Sabit
Ko³ullarda Kurutma' yapld§ anlamna gelir. Kat madde için ko³ullar de§i³iklik gösterebilir.
Kurutma hz
Kurutma hz, birim zamanda birim yüzeyden uzak-
la³trlan nem miktardr. Islak bir katnn nem içeri§i ekil 8.6.5 da A noktas ile gösterilmi³tir. Bu kat sabit ko³ullarda kurutmaya tabi tutuldu§unda
içerisindeki nem miktar yava³ yava³ azalarak belli bir de§ere kadar dü³er. Kurutma hz (R) ise ba³langçta ksa bir süre içerisinde artarak belli bir de§ere
ula³r ve daha sonra sabit kalr. Bu sürede ba§l olmayan nem uzakla³trlm³
olur. Üçüncü evrede kurutma hz yava³ yava³ azalr.
Hava ile temasta bulunan kat yüzeyinin tamamen slak oldu§u kabul edilir
ve svnn buhar basncnn doygun sv-buhar basncna e³ittir.
ekil 8.6.6
de gözenekli olmayan katlar için serbest nem içeri§ine kar³lk kurutma hz
gösterilmi³tir. Bu grakte A-B arasndaki periyot `Sabit Kurutma Periyodu'
olarak adlandrlr. B noktasndan a³a§ya inen periyoda ise `Azalan Hz Periyodu' denir. B noktas `Kritik Nem Noktas' olarak tanmlanm³tr.
Gözenekli yapda olan katlarda gözenekler içerisinde sv bulunur ve kat yüzeyindeki sv buharla³tkça gözenekler içerisinde bulunan sv yüzeye do§ru yaynr.
201
Kurutucular
Sonuçta belli bir süre gözeneklerde mevcut svnn etkisi ile sabit kurutma hz
periyodu devam eder.
Bu ko³ullar ya³ termometre scakl§n anmsatt§n-
dan svnn scakl§ ya³ termometre scakl§ olarak alnr. Gözenekli olmayan
yaplarda ise difüzyon olay söz konusudur ve kat yüzeyindeki sv azaldkça
kurutma hz da azalr.
Figure 8.6.5: Kurutma hz ve toplam nem içeri§inin zamanla de§i³imi
Kurutma hz, birim zamanda birim yüzey alan ba³na buharla³an sv miktar olarak tanmlanm³t. Sabit hz kurutma periyodunda kurutma hz (Rc )
a³a§daki ba§ntdan yararlanarak hesaplanr.
mV =
my
hy
ky
Mv
T1
y1
λ1
T
A
y
MV ky (y1 − y)A
(1 − y)L
:
Buharla³ma hz
:
Is aktarm katsays
:
Kütle aktarm katsays
:
Buharn molekül kütlesi
:
Arayüzey scakl§
:
Arayüzey buhar deri³imi
mV =
veya
:
T1
:
Hava scakl§
:
Arayüzey alan (kurutma alan)
:
Hava akmndaki buhar deri³imi
hy (T − T1 )A
λ1
scakl§nda buharla³ma gizli ss
G kütlesel aky ifade etmek üzere, Is aktarm katsays a³a§daki e³itlikler
yardm ile hesaplanabilir.
Havann kurutulacak kat yüzeyine paralel akmas durumunda:
Havann kurutulacak kat yüzeyine dik akmas durumunda:
Sabit hz periyodundaki kurutma hz
Rc
hy = 3.4073 G0.6
hy = 5.773 G0.37
ise a³a§daki ba§ntdan hesaplanr.
202
Kurutucular
Figure 8.6.6: Kurutma hznn nem ile de§i³imi
Rc =
hy (T − T1 )
mV
=
A
λ1
Sabit hz periyodunda kurutma hzna etki eden faktörler
Hava
ak³ hznn sabit olmas halinde s ve kütle aktarm katsaylar sabit kalacaktr
ve birinci derecede eden faktör
T −T1 scaklk farkl olacaktr.
Hava ak³ hznn
de§i³mesi kütle ve s aktarm katsaylarn etkileyecektir.
Kurutma i³leminde difüzyon olaylar
Gözenekli olmayan katlarda,
yap içerisindeki sv difüzyon yoluyla aktarlr ve Fick yasas geçerlidir. 2. Fick
Yasas a³a§da verilmi³tir.
∂x
∂2x
= Dν∗ 2
∂t
∂b
Dv∗
b
x
:
Difüzyon katsays
:
Kat yüzeyine dik uzaklk
:
Difüzlenen madde miktar
Bu denklemin çözümü a³a§daki gibidir.
x
s
xT − x∗
=
= 2
xT 1 − x∗
x1
π
β = Dν∗
tT
s2
ve
1 −9α1 +β
1 −25α1 +β
α
+β
1
e
+ e
+ e
+ ...
9
25
α1 =
π 2
2
203
x
xT1
x1
xT
x∗
Dv∗
s
tT
:
Ortalama serbest nem (
:
Ba³langçtaki toplam nem (t=0 annda)
:
Ba³langçtaki serbest nem (t=0 annda)
:
Ortalama nem (
:
Denge nemi
tT
Kurutucular
annda)
annda)
:
Difüzyon katsays
:
Kurutulacak kat madde kalnl§nn yars
ekil 8.6.7 de serbest nem miktarnn kat yüzeyinden uzakl§a göre de§i³imi
gösterilmi³tir.
Figure 8.6.7: Serbest nem miktarnn kat yüzeyinden uzaklkla de§i³imi
Deneysel sonuçlarla teorik sonuçlarn farkllk göstermesinin nedeni difüzyon
katsaysnn kurutma süresince de§i³iklik göstermesidir.
E§er difüzyon kat-
says 0.1 den daha büyük ise parantez içerisindeki ilk terimden sonra gelen
terimler ihmal edilebilir. Bu durumda yararlanarak a³a§daki ba§ntlar yazlabilir.
4s2
tT = ∗ ln
Dν
−
8x1
π2x
dx π 2 Dν∗
=
x
dt
2
s2
X1
serbest nemine sahip olan bir katy x serbest nemine kadar kurutmak için
gereken t süresi yukardaki ba§ntdan hesaplanr. Ayrca çe³itli zaman aralklarnda serbest nem de§erleri ölçülebildi§i taktirde serbest nemin logaritmas
zaman kar³ gra§e geçirilerek difüzyon katsays bulunabilir.
Yüzey Sertle³mesi ve Katnn Bozunmas
Baz durumlarda kat
yüzeydeki nemini kaybetti§inde hemen kurur ve sert bir kabuk tabakas olu³ur.
Bunun sonucu olarak iç yüzeydeki nemin sv veya buhar olarak d³ tarafa difüzlenmesi engellenir.
Böylece kuruma büyük ölçüde yava³lar. Kat yüzeyinin
204
Kurutucular
kurumasnn yan sra büzülme ve ³ekil de§i³iklikleri de olabilir.
Bu bozul-
malar önlemek için denge nemini yüksek tutmak gerekir.
Kurutma süresinin hesaplanmas
Kurutma hz, birim zamanda birim alandan buharla³an sv miktar olarak
tanmlanm³t.
Rc =
dmV
mm dx
=
Adt
A dt
mv
mm
:
Buharla³an sv miktar
:
Kuru kat madde miktar
Islak bir katnn nem miktarn x1 den x2 de§erine dü³ürmek için gerekli süre
a³a§daki ba§nt ile hesaplanabilir.
mm
tT =
A
x1
Z
x2
dx
Rc
Bu ba§nty kullanabilmek için x de§erini R ye ba§l olarak veya R de§erini x
de§erine ba§l olarak yazmak gerekir.
Yukardaki ba§ntnn farkl ko³ullar için çözümleri a³a§da verilmi³tir.
a) Sabit hz periyodunda R = Rc = sabit
tc =
ma (x1 − x2 )]
ARc
b) Azalan hz periyodunda
ma
tf =
αA
Rc
R∗
xc
x∗
Z
R1
R2
dR
ma
=
ln
R
αA
R1
R2
burada
:
Birinci kritik nokta
:
kinci kritik nokta
:
Birinci kritik noktadaki nem miktar
:
kinci kritik noktadaki nem miktar
α=
Rc − R∗
xc − x∗
c) Sabit ve azalan hz periyotlar birlikte
tT = tc + tf
mm
TT =
A
x1 − xc
xc − x∗
+
Rc
Rc − R∗
ln
Rc
R1
d) kinci kritik nokta yok ise
205
Figure 8.6.8:
Kurutucular
Kurutma süresi hesab, a) Sabit hz periyodu, b) Azalan hz
periyodu, c) Sabit ve azalan hz birlikte
α=
tT =
Rc
xc
mm
ARc
ve
Rc
xc
=
R2
x2
kullanlarak,
xc
(x1 − xc ) + xc ln
x2
206
Kurutucular
Figure 8.6.9: Kurutma süresi hesab
Kurutma ekipmanlar
Kurutucular çok çe³itli ³ekilde snandrla-
bilir. Giri³ bölümünde de söz edildi§i gibi kurutmaya tabi tutulacak maddenin
sekline göre,kurutulacak madde ile kurutmada kullanlan scak yüzeyin temas
³ekline göre veya kurutucunun i³letim ³ekline göre snandrma yaplabilir.
Bu bölümde i³letim esasna göre snandrlan kesikli ve sürekli tipte kurutucularn ne tür prosesler için uygun oldu§u açklanm³tr
Kurutucu seçimi
Kesikli kurutucularn seçimi
Kurutulacak maddenin ak³kan özelli§i
yoksa ve ürünlerin birbirini kirletmesi söz konusu ise kurutucu olarak tepsi
tipi kurutma frn veya kabini kullanlabilir.Laboratuvar çal³malar sonunda,
kurutmann vakum altnda yaplmas gerekti§i saptanm³sa vakumlu tepsi tipi
kurutucu kullanlmaldr.
Zorlanm³ konveksiyonda termal verimlilik artt§ndan, e§er patlama, yanma
veya korozyon gibi sorunlar yoksa sirkülasyonlu frnlar seçilebilir.
Laborat-
uar testleri ya³ katya ak³kan özellikleri verebilme ko³ullar oldu§unu ortaya
koymu³ ise kesikli i³letilen ak³kan yatak kurutucular tercih edilmelidir.
Bu
³ekilde kurutma süresi ksalacak ve daha az i³çilik giderleri olacak dolaysyla
proses daha ekonomik olacaktr.
E§er maddelerin birbirini kirletmesi ve ekipman temizli§i çok önemli de§il ise
kar³trmal tava, çift konili ve çapraz akml veya döner kurutucu tiplerinden
biri seçilebilir. Bunlar ³artlara göre atmosferik veya dü³ük basnçlarda çal³abilir.
Kurutulan maddenin yaps elyaf veya benzeri yumu³aklkta ise hava sirkülasyonlu çapraz akm, girdi ak³kanla³amyor ise çapraz akm sirkülasyonlu tepsi
tipi kurutucu tercih edilmelidir.
Sürekli kurutucularn seçimi
Sürekli kurutucularn seçiminde en önemli
etkenlerden birisi ya³ beslemenin ziksel yapsdr. Çözelti, süspansiyon veya
207
Kurutucular
çamur halindeki girdiler için sürekli kurutucular veya tambur veya püskürtmeli
kurutucular uygundur.
Pompalanabilir çamur, pasta gibi katlarn kurutucuya girer girmez maksimum nemin buharla³mas arzu edilir. Ayrca maddenin kurutucu duvarlarna
yap³mas önlenir. Bu durumda en uygun seçim direkt stmal paralel akml
kurutuculardr.
Yaplan testlerde kurutulmalarnda güçlük oldu§u saptanan maddeler için, kurutucu içerisinde kal³ süresini artrabilme imkan veren döner, döner tepsi
tipi veya bant kurutucular uygundur.
Kurutulmas kolay maddeler için ise
pnömatik ve ak³kan yatakl kurutucular idealdir.
Pnömatik kurutucularda
maddenin kal³ süresi saniyelerle ölçülür.
Çevre ³artlar göz önüne alnd§nda, bir tarafta uygunlu§u saptanm³ döner
veya bant kurutucu ikilisi, di§er tarafta ise pnömatik veya ak³kan yatakl kurutucu ikilisi varsa, bant kurutucu ile ak³kan yatakl kurutucu öncelik kazanr.
Nemli kat toz halinde ise indirekt stmal döner kurutucu uygun olacaktr.
Kurutma karakteristiklerinin uygun oldu§u durumlarda ,ksa süreler içinde kurutmay sa§lamak için en uygun ekipman, yüksek verimli siklon ilave edilmi³
pnömatik kurutucudur. Kurutulacak maddenin kurutma karakteristikleri uygun de§ilse, di§er bir deyimle nemin uzakla³trlmas zor ve uzun kurutma
zamann gerektiriyorsa bu takdirde döner tepsili kurutucu uygun olabilir.
Kurutulacak maddenin sya hassas olmas da kurutucu seçiminde önemli bir
faktördür.
Isya çok hassas olan maddeler için tek seçenek vakumlu kesikli
kurutma veya vakumlu sürekli bant kurutucudur. Isya hassas olmayan ancak
son üründeki nem içeri§inin çok dü³ük olmas istenen maddeler için ise ters
akml kurutucular uygundur.
Genel olarak her bir madde için ayr bir kurutucunun olmas, içinin hava akmlaryla kolayca temizlenmesi ve ksa sürede kararl hale gelmesi gibi nedenlerle,
ihtiyaç halinde, pnömatik kurutucular kullanlabilir. Sürekli döner tepsili kurutucular ve ak³kan yatakl kurutucular ard³k kullanma elveri³li de§ildirler.
Kurutucu seçiminde uygulanmas gereken yol; teorik olarak en uygun iki veya
üç kurutucu tipi seçildikten sonra bu kurutucularn laboratuar veya pilot ölçekli
modelleri ile denemeler yapmaktr. Ancak bu sayede i³letme ³artlar, kurutucu
büyüklü§ü ve boyutlar,termal verimlilik, madde kayb olup olmad§ veya
do§abilecek herhangi bir problemde sorunun çözümü, kurutucuda yaplmas
gereken modikasyonlar ve son olarak da ürün kalitesi tam olarak saptanabilir.
Tepsi tipi kurutucular (tray dryers)
Tipik bir tepsi tipi kurutucu
ekil 8.6.10 de gösterilmi³tir. Kurutulacak maddenin veya kurumu³ olan ürünün
208
Kurutucular
Figure 8.6.10: Tepsili kurutucu
kvam, tepsilere kolaylkla yükleme ve bo³altma yapmaya uygun ise tepsili kurutucular kullanlr.
Ekipman esas itibaryle metal levhalardan yaplm³ odann içerisinde birçok
tepsiyi ta³yan vagonlar içerir.
çukurlar vardr.
Tepsilerin içinde 5 ila 15 cm yüksekli§inde
Havay tepsiler üzerinde ve kurutucu içerisinde sirküle et-
tirecek teçhizat yaplm³tr.
Hava sisteme A borusundan girer.
C fan ile E
stclarnn içinden geçerek H raarndaki malzemeyi kurutarak B bacasndan
d³arya atlr.
Bu tip kurutucular boya ve ilaç sanayinde çok kullanlrlar. Havann sirkülasyon
hz yava³, kurutma zaman uzundur. Bu sistemlerde direkt veya indirekt kurutma i³lemlerinde olabilir. Sert kat maddeleri kurutmak için alttan elektirikle
stlan tepsiler kullanlr.
Bu tepsilerin içinden geçen hava tepsiyi kurutur.
Di§er yandan maddeler yüksek scakl§a dayankl de§ilse vakum altnda kurutma yaplarak maddeler scakl§a kar³ korunmu³ olur.
Konveyör tipi kurutucular (screen-conveyor dryers)
Bu tip ku-
rutucularda konveyör kurutulacak madde büyüklü§üne göre seçilmi³ olup kurutulacak maddeyi ta³yan ve havann madde içerisinden geçmesini sa§layan
bant ³eklindeki bir elekten yaplm³tr. Kurutucunun giri³inde hava genellikle
kurutucunun içinde a³a§dan yukarya do§ru geçer. Buna kar³lk kurutmann
sonuna do§ru hava yukardan a³a§ya do§ru maddenin içinden geçer. Tipik bir
içten sirkülasyonlu konveyör kurutucu ekil 8.6.11 de gösterilmi³tir.
Kurutulacak madde kurutma oda ve tünellerinde metal elekler üzerinde gezdirilerek kurutulur.
Bu ksmlarn kendilerine ait fanlar ve stclar bulunur.
Elekli kurutucular 22.5 m geni³li§inde 3.5 45 m uzunlu§unda olabilir. Kurutma süresi 5 20 dakikadr. Kaba taneli lii maddeler bu tip kurutucularla
madde kaybna u§ramadan ve ön i³leme tabi tutulmadan kurutulurlar.
Kule tipi kurutucular (tower dryers )
Sürekli i³letilen bir ekip-
mandr. Seri halde birbirinin üstünde sralanm³ ve kendi merkezi etrafnda döAnkara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisli§i Bölümü
209
Kurutucular
Figure 8.6.11: Konveyör tipi kurutucular
nen bir ³aft etrafna yerle³tirilmi³ raardan olu³maktadr. Kurutulacak madde
en üstteki rafn üzerine dü³er ve ksa bir süre raf üzerinden geçen scak hava
ile temas eder. Sonra kat madde ikinci rafn üzerine dü³er. Bu ³ekilde a³a§ya
do§ru hareket eden kat madde kurutucunun altnda bulunan toplama kabna
birikir ve buradan d³arya alnr.
Gaz ak³ ile katnn hareket yönleri paralel veya zt olabilir. Gaz takriben 0.5
3 m/s hznda geçer. Baz hallerde raardaki madde kar³trlabilir. Bir kule
kurutucu ekil 8.6.12 da gösterilmi³tir.
Döner kurutucular ( rotary dryers )
Bu tip kurutucular taneli
ve kristal yapda maddelerin kurutulmas için uygundur. Kurutma i³leminin
ba³langcnda genellikle uygun bir ta³yc üzerinde optimum miktarda slak
girdi ta³nr. Bu ³ekilde slak katnn kurutucunun duvarlarnda birikmesi önlenir.
Döner kurutucularn eksenleri yatayla küçük bir aç yapacak ³ekilde
kurulur ve kendi etrafnda dönen silindirik bir gövdeye sahiptirler (ekil 8.6.13
Figure 8.6.12: Kule tipi kurutucu
210
Kurutucular
Figure 8.6.13: Döner kurutucu
). Kurutulacak madde kurutucunun yüksekte olan ucundan kurutucuya verilir
(F) . Girdi, kurutucunun dönme hareketi ile yava³ yava³ alt uca do§ru ilerler
ve buradan bo³altlr (H).
Döner kurutucularda stma, kurutucunun içerisinde dola³an scak hava ile
yaplr. Hava J frnn da stlp, E borusundan d³ar çkar.
Döner kurutucularn uzunluklar, çaplarnn 4 10 kat kadardr. Çap ise 0.5 3 m arasnda de§i³ir. Gaz ak³ kat hareketine göre paralel veya ters olabilir.
2
Gazn ak³ hz, katnn tozlanma özelli§ine göre de§i³ir. Ortalama 0.5 kg/m .s
hzndadr. Döner kurutucular direkt, direktindirekt, indirekt ve özel tipler
olarak snandrlr.
Direkt döner kurutucularda gazdan katya aktarlan s miktar
qT = Ua V ∆T
Ua
a³a§daki
Fla³ Kurutucu (ani püskürtmeli kurutucular- ash dryers)
Bir
olarak verilir ve burada hacimsel s aktarm katsaysn gösteren
ifade ile hesaplanmaktadr.
Ua =
0.5G0.67
D
Aktarlan s a³a§daki ³ekilde bulunur.
qT =
L
V
∆T
0.5G0.67
V ∆T = 0.125 π D L G0.67 ∆T
D
m
m3
:
Kurutucu uzunlu§u,
:
Kurutucu hacmi,
:
Giri³ ve çk³taki ya³ termometre scaklklarnn logaritmik ortalamas
a³ kurutucu toz halindeki katy bir kaç saniye içinde scak gaz akm ile temas
211
Kurutucular
Figure 8.6.14: Fla³ kurutucu
ettirme özelli§ine sahiptir. Kurutma, kat maddenin scak gaz ile ta³nmas esnasnda olur. Gazdan kat parçacklara s aktarm yüksektir ve katdaki tüm
nemin uzakla³trlabilmesi 3-4 saniyeden fazla de§ildir.
yüksek (yakla³k 650
Gazn scakl§ çok
◦ C), temas süresi çok ksa olup katnn scakl§ 100 ◦ C i
geçmez. Püskürtmeli kurutucular scakl§ hassas maddeleri kurutmak için kullanlabilirler. Gerekti§inde bu tip kurutuculara krc ekipmanlar ba§lanarak
kurutma ve boyut küçültme i³lemler birlikte yaplr.
ekil 8.6.14 de gösterilen a³ kurutucuda; A noktas'ndan ya³ madde kuru
maddeyle kar³trlarak sisteme beslenir.
Kar³m³ madde C çekiçli miline
bo³altlr ve burada B frnndan gelen gaz ile temas ettirilir.
Böylece toz
haline getirilmi³ madde gaz ile beraber uzunca bir bacadan geçirilerek kurutma yaplr.
Gaz ve kuru kat siklon içerisinde (D) ayrlr.
Böylece (E)
yardmyla kuru katndan temizlenmi³ hava sistemden uzakla³trlr. Kat siklondan F bölgesin de ayrlr.
Daha sonra kat madde (G) ile gösterilen bir
ayrcya gelir. Burada bir zaman ayarlayc kullanlarak maddenin bir ksm
ürün olarak alnrken bir ksm slak girdi ile kar³trlmak üzere geri beslenir.
Genel olarak sisteme gönderilen girdi akm kuru ürün miktarndan fazladr.
Ak³kan yatakl kurutucular (uidized bed dryers)
Sürekli bir
sistemdir. Tipik bir ak³kan yatakl kurutucu ekil 8.6.15 da gösterilmi³tir. Bu
tip kurutucular sanayide bir çok yerde kullanlr.
Parçacklar gaz veya hava
ile ak³kanla³trlrlar. Ak³kan yatakl kurutucularda kar³ma ve s iletimi çok
yüksektir. Islak besleme yata§n üstünden verilirken kuru ürün kabn altndan
alnmaktadr. Bu sistemde kurutma zaman ksadr. Fakat parçacklarn kalma
süreleri çok geni³ bir da§lm gösterir. Ortalama parçack kalma süresi 30 ile
60 saniye arasnda de§i³ir. Baz parçacklar yatak içerisinde daha uzun süre
kalarak gazn kuru termometre scakl§na ula³r. E§er taneli parçacklar mevAnkara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisli§i Bölümü
212
Kurutucular
Figure 8.6.15: Ak³kan yatak kurutucu
cut ise hava ile bu parçacklar yataktan kaçabilir. Bu takdirde ³eklin sa§nda
görülen toz tutucular ve siklon yardmyla gazdan ayrlarak kuru ürün ³eklinde
geri kazanlrlar. Fla³ kurutucularda oldu§u gibi gerekti§inde kuru ürünün bir
ksm geri sirküle ettirilerek slak girdi ile kar³trlr ve girdinin yatak duvarlarna yap³mas önlenir.
Püskürtmeli kurutucular (spray dryers)
Bir çözeltinin kurutulmas
amacyla bu çözeltinin çok ufak damlacklar halinde scak bir gaz akm içerisine
püskürtülmesi dü³ünülebilir. Bu amaçla kullanlan bir püskürtmeli kurutucu
ekil- 20 de gösterilmi³tir. Püskürtmeli kurutucularda nem çok hzl bir ³ekilde
uzakla³trlr. Kuru kat parçacklar elde edilir. Daha sonra bu kat parçacklar
gazdan ayrlr. Sv ve gaz ak³ birbirine paralel, zt veya kar³k olabilir.
Püskürtmeli kurutma, mekanik olarak suyu giderilemeyen çözeltiler, sulu pastalar ve meyve sular gibi maddeler için oldu§u gibi yüksek scakl§a çkarlamayan scakl§a hassas tüm maddeler için uygun olan bir kurutma ³eklidir.
Figure 8.6.16: Püskürtmeli kurutucu
213
Kurutucular
Püskürtmeli kurutucularda atomizörden (diskten) kurutma ortamna püskürtülen
damlacklarn ortalama çapn hesaplamak a³a§daki e³itlikler kullanlabilir.
Dνs
= 0.4
r
Dνs
r
τ
µ
α
Lw
N
ρs
τ
2
ρ N r2
0.6 2 0.1
µ 0.2 αρ Lw
τ
τ2
:
Ortalama damlack çap, m
:
Disk çap, m
:
Spray kütle hz, kg/m.s (slak disk çevresi)
:
Sv viskozitesi, kg/m.s
:
Yüzey gerilimi , kg/s
:
Islak disk çevresi, m
:
Disk dönü³ hz, r.p.m
:
Sv yo§unlu§u, kg/m
2
3
Çe³itli atomizerlerle yaplan çal³malar sonunda havadan damlacklara aktarlan
s için a³a§daki e³itlik verilmektedir.
r 2
∆T √W ρ
4.19Kf R −
m t
2
Q=
2 ρ
Dm
rN
m
Q
Kf
∆T
Dm
Wm
ρs
ρc
R
r
N
:
Is aktarm hz, cal/s
2 ◦
:
Damlann etrafndaki hava lminin s iletkenlik katsays cal/s.m . C
:
Is aktarm yürütücü gücü,
:
Maksimum damla çap, m
:
Sv besleme hz , kg/s
:
Svnn yo§unlu§u, kg/m
:
Kurutucu gazn yo§unlu§u, kg/m
:
Kurutma bölgesinin çap, m
:
Disk yarçap, m
:
Disk dönü³ hz, rpm
◦C
3
3
nce lm kurutucular (thin-lm dryers)
Çok yüksek derecedeki
sya hassas (örne§in portakal suyu) maddelerin kurutulmasnda püskürtmeli
kurutucular yerine ince lm kurutucular kullanlr. Dü³en lm buharla³trclarda
sv sisteme yukardan girer. nce bir tabaka ³eklinde yukardan a³a§ya do§ru
akarak sistemi buharla³trcnn altndan terk eder.
Buharla³trma sonunda
meydana gelen buhar, sv ile sürüklenerek buharla³trcnn altndan alnr.
(ekil 8.6.17 )
214
Kurutucular
Figure 8.6.17: nce lm kurutucu
215
Kurutucular
Amaçlar
Materyal ve Metod
Kaynaklar
[1] Mc Cabe, W.L., Smith, J.C. and Harriot, P. Unit Operations of Chemical
Engineering , 4 th edition, pp. 707-745, Mc Graw Hill, 1985
[2] Perry, R.H. Green, D., Perry's Chemical Engineer's Handbook , 6 th ed.,
pp. 18-48, 18-57 and 20-51, 20-63 Mc Graw Hill, 1985
[3] Treybal, R.E., Mass Transfer Operations , 3 rd edithion, pp. 569-625,
Mc Graw Hill, Kogakusha, Tokyo, 1968
[4] Greankoples, C.O., Transport Processes and Unit Operations , pp. 365407, Allyn and Bacon, Inc.
Prof.Dr. Hasip Yeniova
YL Ö§rencisi Berrak Erkmen
216
Atomizer
8.7 ATOMZER
(Püskürtmeli Kurutma)
217
Atomizer
Genel Bilgiler
Genel olarak kurutma, kat içerisinde bulunan sv miktarnn dü³ürülmesi
i³lemi olarak tanmlanabilir. Islak kat bir madde, kendisinin nem miktarndan
daha dü³ük nem içeren, scak gaz akm ile temas etti§inde nemini kaybeder
ve kurur.
Bir çözeltinin kurutulmas istenecek olursa, bu çözeltinin çok ufak damlacklar hâlinde scak gaz akm içerisine püskürtülmesi dü³ünülebilir.
Bu tip bir
kurutma cihaznn en önemli birimi atomizerdir. Atomizer, kurutulacak olan
çözeltiyi, çe³itli faktörlere ba§l olarak 50
µm 500 µm çapnda küçük zerrecik-
lere parçalayan cihazdr. Atomizerde ne kadar küçük damlacklar elde edilirse,
o kadar hzl kurutma gerçekle³ir.
Kurutulacak çözelti, yakla³k 40.000 de-
vir/dakika hzla çal³an atomizerde çok ince zerrecikler halinde pulverize edilir.
Scak hava akm ile konik bölgeye (kurutma odasna) sürüklenen bu zerrecikler içindeki çözücü buharla³arak gaz faza geçer. Kuru tanecikler ise scak hava
akm ile (pnömatik) ta³nr ve bir siklon yardm ile havadan ayrlarak ürün
toplama kabnda biriktirilir.
Püskürtmeli kurutmann uygulanmas, kapasitesi büyük bir ekipmanda yaplmaldr.
Kurutma i³leminde, kurutma zaman ne kadar ksa tutulursa sis-
temin i³letme masraar o kadar dü³ece§inden, havann giri³ scakl§ ve nem
de§erinin seçimine ba§l olarak uygun i³letme ko³ullarnn belirlenmesi gerekmektedir.
Püskürtmeli kurutma en fazla gda endüstrisinde uygulanmaktadr. Örne§in,
süt tozu, hazr çorba, suda çözünebilir kahve vb ürünler bu yöntemle elde edilir.
Amaçlar
•
•
Ürün veriminin bulunmas
Sistem için enerji korunum denkleminin kurulmas ve enerji kaybnn
hesaplanmas
•
•
•
Ortalama damlack çapnn hesaplanmas
Maksimum damlack çapnn hesaplanmas
Üründeki en küçük tanecik çapnn hesaplanmas
Materyal ve Metod
Sistemin ³i taklr ve kurutma odas ile kontrol panelinin lambalarnn yand§
gözlenir.
Çal³ma dü§mesi 0 konumundan M konumuna getirilir böylece
3 kademeli stcnn fan motoru çal³maya ba³layarak sistemdeki hava ak³
218
Atomizer
sa§lanr. Daha sonra istenilen hava giri³ scakl§na göre çal³ma dü§mesi I, II
veya III konumuna getirilir.
Kompresör açlr ve hava basncnn 5-6 kg/cm2 de§erine ula³mas beklenir.
Istc ve fan çal³r durumdayken kontrol panelinin üzerindeki vana açlarak
atomizere basnçl hava gönderilir ve atomizerin diski dönmeye ba³lar. Atomizer son hzna (dakikada yakla³k 40000 devir) ula³ncaya kadar ³iddetli bir
ses çkarr. Basnç göstergeden izlenen hava basncnn sabit kald§ndan emin
olunmaldr; basnçtaki azalma, atomizerin hznn dü³mesine neden olur.
Atomizer çal³maya ba³ladktan yakla³k 30 saniye sonra son hzna ula³r.
stenen hava çk³ scakl§ elde edilinceye kadar atomizere saf su beslenir
(Hava çk³ scakl§ kurutulan ürüne ba§ldr.
85
Birçok ürün için bu scaklk
◦ C'tur.). Beslenecek çözeltinin scakl§ ve ortam scakl§ kaydedilir.
stenen hava çk³ scakl§ elde edildikten ve bu scakl§n sabit kalmas sa§landktan sonra atomizere saf su yerine kurutulacak çözelti beslenir. Böylece
kurutma i³lemi ba³lam³ olur.
Deney sistemi, maksimum 350
◦ C hava giri³ scakl§ ve maksimum 120 ◦ C
hava çk³ scakl§na göre tasarlanm³tr.
Deney srasnda hesaplamalarda kullanlmak üzere a³a§daki veriler elde edilecektir:
•
•
Ortam scakl§,
Bo³ ve dolu piknometre tartmlar (çözeltinin yo§unlu§u hesaplanmas
için),
•
•
•
•
•
•
•
•
Beslenen çözeltinin hacmi, scakl§ ve ak³ hz,
Havann giri³ ve çk³ scaklklar,
Yat³kn ko³ulda i³letme süresi,
Ürün toplama ³i³esinin bo³ ve dolu tartmlar,
Sistem basnc,
Havann stlmasnda kullanlan elektrik enerjisi,
Atomizer diskinin dönü³ hz,
Atomizer diskinin çap.
219
Atomizer
Figure 8.7.1: Atomizer Deney Sistemi
220
Atomizer
Kaynaklar
[1] H. Yeniova, B. Akay, Katlarn Kurutulmas, Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisli§i Bölümü Deney Notu, Ankara (1990).
[2] R. H. Perry, D. W. Green, J. O. Maloney, Perry's Chemical Engineers'
Handbook, McGraw Hill, New York (1985), p.18, p.48, p.18-p.57, p.20p.51, p.20-p.63.
[3] C. J. Geankoplis, Transport Process and Unit Operations, PTR Prentice
Hall, New Jersey (1993).
[4] K. Masters, Spray Drying Handbook, George Godwin, London (1979).
[5] W. L. MacCabe, P. Harriott, J. C. Smith, Unit Operations of Chemical
Engineering, McGraw Hill, New York (1985).
[6] R. E. Treybal, Mass-Transfer Operations, McGraw Hill, New York (1980).
Hazrlk Sorular
1. Püskürtmeli kurutma (atomizer) deneyinin amaçlar nelerdir?
2. Püskürtmeli kurutucularn kullanld§ sektörlere örnekler veriniz
3. Deney sisteminin elemanter akm ³emasn çiziniz. Kütle korunum denklemini yaznz. Enerji korunum denklemini yaznz.
4. Mutlak nem ve ba§l nemin tanmn yapnz.
5. A³a§daki ³emay göz önüne alarak scak hava ortamna püskürtülen bir
damlack ile scak hava arasndaki kütle ve s aktarm olaylarn irdeleyiniz. lgili kütle ve s aktarm denkliklerini yaznz
6. Damlack büyüklü§üne etki eden parametreler nelerdir? rdeleyiniz.
221
Atomizer
1. Ylda 100 ton süt tozu üretmek için kurulu³u yaplacak olan bir fabrikada
gerekli olan püskürtmeli kurutucunun spesikasyonlarn hesaplaynz.
2. Püskürtmeli kurutma prosesinde kat madde kayplarnn en aza indirilmesi
amacyla sistemde yaplmas gereken de§i³iklikleri tasarlaynz.
3. Püskürtmeli kurutma prosesinde enerji kayplarnn en aza indirilmesi
amacyla sistemde yaplmas gereken de§i³iklikleri tasarlaynz.
Prof.Dr. Hasip Yeniova
Ara³.Gör. Furkan Soysal
222
8.8
Kat - Kat Ayrma
KATI - KATI AYIRMA
223
Kat - Kat Ayrma
Genel Bilgiler
Boyut küçültme terimi, kat maddelerin kesilerek yada krlarak daha küçük
parçalara bölünmesi için kullanlr. Endüstride kat maddeler, çe³itli amaçlar
için çe³itli yöntemlerle ufaltlrlar.
boyuta getirilir.
Ham cevher parçalar krlarak i³lenebilir
Yapay kimyasal maddeler toz haline ö§ütülür.
halar küçük küpler yada baklava dilimleri ³eklinde kesilirler.
Plastik lev-
Ticari ürünler,
ço§unlukla içerdikleri parçacklarn büyüklü§ü ve bazen de ³ekli bakmndan
önemli özellikler gerektirirler. Parçack boyutunun küçültülmesi, ayn zamanda
katlarn tepkimeye girme yatknl§n artrr; istenmeyen ksmlardan mekanik
yollarla ayrlmay sa§lar.
Lii maddelerin büyüklüklerinin azaltlmas daha
kolay i³lenme olana§ verir.
Katlar sekiz yada dokuz de§i³ik yolla ufaltlabilseler de, boyut küçültme makinelerinde bunlarn yalnzca dördü yaygn olarak uygulanr. Bunlar; bask, vurma,
a³ndrma ve kesmedir. Fndk krc, balyoz, törpü ve makas bu dört türe örnek
olarak verilebilir. Genellikle bask, sert kat maddelerden daha küçük taneler
elde etmek için kullanlan kaba krmada uygulanr. Vurma, kaba orta ya da
ince ürünler verir. A³ndrma ile yumu³ak ve a³ndrc olmayan maddelerden
çok ince ürünler elde edilir. Kesme i³lemi belirli parçack büyüklü§ü ve bazen
³ekiller verir. Bunun yan sra çok ince parçalar pek az olu³ur yada hiç olu³maz.
Boyut küçültme aygtlar; krclar, ö§ütücüler, a³r ince ö§ütücüler ve kesme
makineleri olarak gruplara ayrlrlar.
Krclar büyük kat parçalarn daha
küçük parçalara krarken a§r i³ yaparlar.
Birincil krc maden oca§ndan
gelen tüm parçalar alr ve 15-25 cm'lik parçalar halinde krar.
krc bu parçalan yakla³k 0.5 cm boyutuna küçültür.
kincil bir
Ö§ütücüler krlm³
malzemeyi toz haline getirirler. Orta derecede bir ö§ütücüden alman ürün 16
Mesh (Dyn) elekten geçmelidir. nce ö§ütücüden alnan ürünün hemen hepsi
80 Mesh elekten geçmelidir. Bir a³r ince ö§ütücü 0.5 cm'den büyük olmayan
taneciklerle beslenir ve 1-50 mikron büyüklü§ünde ürünler verir.
Kesiciler
belirli büyüklük ve ³ekilde 0.1-1 cm uzunlu§unda taneler verirler.
Boyut küçültme aletlerinin ba³lca türleri ³unlardr:
1. Krclar (kaba ve ince)
(a) Çeneli krclar
(b) Döner krclar
(c) Krma Silindirleri
2. Ö§ütücüler (orta ve ince)
(a) Yuvarlanan bask de§irmenleri
i. Toplu de§irmenler
ii. Tekerlekli de§irmenler
224
Kat - Kat Ayrma
(b) Çekiçli de§irmenler, vurmal ö§ütücüler
(c) A³ndrc de§irmenler
(d) Döner de§irmenler
i. Çubuklu de§irmenler
ii. Bilyal de§irmenler, çakl ta³l de§irmenler
iii. Borusal de§irmenler, bölmeli de§irmenler
3. A³r ince ö§ütücüler
(a) ç snandrmal çekiçli de§irmenler
(b) Ak³kan enerjili de§irmenler
4. Kesme makineleri (Bçakl kesiciler, zar ³eklinde kesiciler, yarclar)
Bu makineler i³lerini tamamen farkl yollarla yaparlar. Yava³ bask, krclara
özgü bir harekettir. Ö§ütücüler vurma ve a³ndrmay bazen bask ile birlikte
uygularlar. A³r ince ö§ütücüler ba³lca a³ndrma ile çal³rlar. Kesiciler ve
yarclar için kesme hareketi özgündür.
Boyut Küçültmenin Nitelikleri
Giri³te liste halinde verilen makineler
boyut küçültme aygtlarnn ba³lca tipleridir. deal bir krc ya da ö§ütücü
(1) büyük kapasitede olmal, (2) birim nicelikte ürün elde etmek için küçük bir
güç gereksinmeli ve (3) belirli bir büyüklükte yada istenen boyut da§lmnda
bir ürün vermelidir.
Kullanlan aygtlarn i³ gücünü incelemek için yaygn bir yöntem, standart
olarak ideal bir i³lem ortaya koymak ve elimizdeki aygtn özelliklerini bu ideal
birimle kar³la³trarak ikisi arasndaki farklara cevap vermektir.
Bu yöntem
boyut küçültücülere uyguland§nda ideal ve gerçek arasndaki farklar önemli
ölçüdedir ve bu farklara, kuramsal olarak dahi tümüyle cevap verilmez. Öte
yandan, ³imdi elimizde bulunan ancak tamam olmayan kuram ile yararl nicel
bilgiler elde edilebilir.
Boyut küçültme aygtlarnn kapasiteleri, en iyi ³ekilde, aygtlar ayr ayr anlatld§ zaman tart³labilir.
Parçalanm³ Ürünlerin Özellikleri
kar³lk bir terimdir.
Parçalanma, boyut küçültmeye
Krma ve ö§ütmenin amac, daha büyük parçalardan
küçük tanecikler elde etmektir. Küçük tanecikler, büyük yüzeylerinden dolay
ya da ³ekil ve boyutlarndan dolay istenirler.
³lemin enerji verimi, boyut
küçültme ile olu³an yeni yüzeyle ölçülür. Bu nedenlerle, gerek tek ba³na ve
gerekse kar³m içindeki taneciklerin geometrik özellikleri, bir boyut küçültücüden alman ürünün de§erlendirilmesinde önemlidir.
deal bir boyut küçültücüye benzemeyen gerçek bir aygt, besleme boyut bakmndan e³ da§lmda olsa da olmasa da, e³ da§lml bir ürün vermez.
225
Kat - Kat Ayrma
Ürün belirli bir en yüksek de§erden, mikroskopla görülmeyen parçacklardan
olu³an en küçük de§ere kadar boyutlarda taneciklerin kar³mndan olu³ur.
Baz makineler, özellikle ö§ütücüler snf, verdikleri ürünlerdeki en büyük
taneciklerin büyüklü§ünü denetleyecek ³ekilde tasarlanm³lardr; fakat küçük
parçacklar denetim altnda de§ildir.
Baz tür ö§ütücülerde ince tanecikler
azaltlr ancak tümüyle yok edilemezler. Besleme hem parçacklarn ³ekli hem
de kimyasal ve ziksel yap bakmndan benze³ikse, üründeki ayr ayr taneciklerin ³ekilleri tümüyle e³ da§lmda olabilir; di§er durumlarda tek bir üründeki
çe³itli boyutlarda tanecikler oran bakmndan oldukça de§i³ebilir.
Parçalanm³ bir üründeki en küçük tanecik, boyut bakmndan maddenin ba§msz bir kristal olarak bulunabilen en küçük birimi olan, birim kristal ile kar³la³-
−3 mikron düzeyindedir. Bir mikron 10−4 cm'dir.
trlabilir. Bu büyüklük 10
Örne§in bir üründeki en büyük tanecikler ancak l mm açkl§ olan bir elekten geçerse, en büyük ve en küçük taneciklerin çaplarnn oran: 10
−6 mertebesindedir.
10
−1 / 10−7 -
Ayr ayr taneciklerin boyutlarndaki bu çok büyük
fark nedeniyle, e³ da§lml boyutlar için uygun ba§ntlar, böyle kar³mlara
bir düzeltme ile uygulanmaldr.
Ortalama alma yöntemi tanmlanmadkça,
örne§in ortalama büyüklük terimi anlamszdr ve farkl birkaç ortalama büyüklük hesaplanabilir.
Parçalanm³ tanecikler, krmadan sonra a³nma ile düzle³medikçe, hemen hemen
düzlem yüzeyleri ve keskin kenar ve kö³eleri olan çok yüzlüler ³eklindedir. Ana
yüzeylerin says de§i³ebilir fakat ço§u zaman 4 ile 8 arasndadr.
Tanecik-
lerin uzunlu§u, geni³li§i ya da kalnl§ hemen hemen e³it olabilece§i gibi levha
yada i§ne ³eklinde de olabilirler.
Hemen hemen e³it birkaç yüzey içeren bir
tanecik küresel varsaylabilir ve genel olarak parçack boyutu için çap terimi
kullanlr.
Benzer ekilli Taneciklerin Geometrisi
Bir tanecik dü³ünelim ve
dikkatimizi büyüklük, hacim ve yüzeyi üzerinde toplayalm. Büyüklü§ünü nicel
olarak ölçmek için, özgün uzunluk olarak önemli bir boyut seçmek gereklidir.
E§er benzer ³ekilli di§er tanecikler göz önüne alnrsa, tüm tanecikler için ayn
seçim yaplmaldr. Bir küp yada bir küre için, bir kenarn uzunlu§u yada çap
en kolay seçimdir. Düzensiz ³ekilli bir tanecik için özgün boyutun seçimi iste§e
ba§ldr.
Dp olsun; buna taneci§in çap diyelim. Taneci§in
Dp3 ile, yüzeyi Dp2 ile orantldr. Örne§in, bir küpün hacim ve yüzeyi
Dp3 ve 6Dp2 dir, küre için (π/6)Dp3 ve πDp2 dir. Her iki ³ekil içinde yüzeyin
hacme oran 6/Dp 'dir.
Özgün boyutun uzunlu§u
hacmi
Herhangi bir ³ekildeki bir taneci§in hacmi
Vp = aDp3
226
Kat - Kat Ayrma
ve yüzeyi
Ap = 6bDp2
³eklinde yazlabilir. Burada a ve b yalnzca parçac§n ³ekline ba§l olan geometrik sabitlerdir. Yüzeyin hacme oran,
6( b )
Ap
6λ
= a =
Vp
Dp
Dp
b
a
λ=
Burada ³ekil etmeni (λ) parçac§n büyüklü§üne ba§l de§ildir ve yalnzca ³eklin bir fonksiyonudur.
Küp ve küre için ³ekil etmeninin de§eri 1'e e³ittir.
De§i³ik ³ekilli parçacklar için 1'den büyük de§erler alr.
Parçalama ile elde
edilen ürünler için bu de§er yakla³k olarak 1.75'tir.
Dp
çapl, ayn ³ekilli taneciklerden olu³an bir örnekte, taneciklerin toplam
ρp , taneciklerin yo§un3
lu§udur. Bir taneci§in hacmi aDp oldu§una göre, örnekteki taneciklerin says
hacmi
m/ρp 'dir.
Burada m, örne§in toplam kütlesi;
N;
N=
m/ρp
aDP3
Parçacklarn toplam yüzey alan yukardaki e³itliklerinden,
A = N Ap =
m/ρp
6λm
6bDp2 =
3
aDp
ρp Dp
olarak bulunur.
Kar³k Tanecik Büyüklükleri ve Elek Analizi
Çe³itli büyüklük-
lerde ve yo§unluklarda tanecikler içeren kar³mlara yukardaki e³itlikleri uygulayabilmek için, kar³m her biri sabit yo§unlukta ve yakla³k olarak sabit
büyüklükte tanecikler içeren kesimlere ayrlr. Sonra her bir kesim tartlr, içindeki tanecikler saylr ya da mikroskobik yöntemlerle ölçülür. Her bir kesime
yukardaki e³itlikler uygulanabilir ve sonuçlar toplanarak ilk kar³mn özellikleri bulunur.
Kar³mlarn boyut ve yo§unluklarna göre ayrlma yöntemleri hidrolik snandrma deneyinde anlatlm³tr. Kar³mlar yalnzca boyutlarna göre ayrmak
için en kolay yol ve çok yaygn yöntem, deney elekleri ile elemektir. Yöntem,
ayn yo§unluk ve ³ekilde ve yakla³k olarak 7.6 cm (76000 mikron) - 0.0038 cm
227
Kat - Kat Ayrma
(38 mikron) arasndaki büyüklüklerde taneciklere uygulanabilir. Bu çok kullanlan eleklerin delik boyut aral§ 2.5 - 0.0125 cm'dir. Deney elekleri, delik ve
boyutlar dikkatlice standartla³trlm³, dokunmu³ tel kafeslerden yaplr. Delikler kare ³eklindedir. Her bir elek birim uzunluktaki delik says ile tanmlanr
(Mesh says).
Tellerin kalnlklarndan dolay, gerçek delik açklklar Mesh
saylarndan bulunandan daha küçüktür.
Yaygn serilerden biri olan Tyler
standart elek serisinin özellikleri ekler ksmndaki Çizelge 8.8.5'te verilmi³tir.
Bu seride 1 inçteki delik saysna Mesh says denir. Bu elekler dizisinde, delik
açkl§ 0.0074 cm olan 200 Mesh elek temel alnr. Serideki herhangi bir ele§in
delik açkl§nn alan, bir sonraki daha küçük ele§inkinin tam iki katdr. O
halde herhangi bir ele§in gerçek delik boyutunun, kendinden hemen sonraki
√
daha küçük ele§inkine oran
2=
1.41 'dir. Daha sk boyutlandrma için ara
elekler vardr. Bunlarn her biri, bir sonraki daha küçük standart ele§inkinin
√
4
2=1.189 kat delik boyutuna sahiptir.
Genellikle ara elekler pek kullanlmaz.
Burada Çizelge 8.8.5 ile verilen Tyler elek serisi kullanlmaktadr. Ancak bir
de DN elek seri vardr.
Bu seride 1 cm'deki delik says Mesh says olarak
tanmlanm³tr.
Uygulamada standart eleklerin bir dizisi, en küçük delikli en altta ve en büyük
delikli en üstte olmak üzere seri olarak üst üste yerle³tirilir.
Analiz, örne§i
en üstteki ele§e koyarak ve diziyi belirli bir süre mekanik olarak titre³tirerek
yaplr. Her bir elekte kalan parçacklar alnr, tartlr ve her bir elekte ayr ayr
kalan kütleler, kütle kesrine ya da toplam örne§in kütle yüzdelerine çevrilir. En
ince elekten geçen parçacklar dizinin dibindeki bir tablada toplanrlar. Buna
elek alt denir.
Elek analizi sonuçlar, her bir elekte kalan maddelerin kütle kesrini delik boyutunun bir fonksiyonu olarak göstermek için çizelge haline getirilir.
Herhangi
bir ele§in üstündeki parçacklar bir üstteki elekten geçti§inden dolay, bir elek
art§nn boyut aral§n tanmlamak için iki say gereklidir. Bunlarn biri kesimin içinden geçti§i elek, di§eri üstünde kald§ elek içindir. Böylece, 14/20 gösterimi 14 Meshten geçer ve 20 Mesh üstünde kalr anlamna gelir. Bu ³ekilde
çizelge haline getirilen bu analize Ayrmsal (Dierential) Analiz denir. Tipik
bir ayrmsal analiz Çizelge 8.8.1'de verilmi³tir.
∆ϕn
simgesi n ele§i tarafn-
dan tutulann, toplam örne§e göre kütle kesri için kullanlr. Dizinin üstünden
ba³lanarak numaralanr; bu nedenle n-1 ele§i n ele§inin hemen üstündedir.
Üst üste iki ele§in delik açklklarnn ortalamas
Dn
ile verilir. Ayrmsal elek
analizinde ortalama parçack boyutu olarak bu de§er kullanlr.
Dpn
simgesi
ise n ele§inin delik açkl§n gösterir.
Elek analizinin ikinci türü Toplaml (Cumulative) Analizdir. Toplaml analiz
ayrmsal analizden toplam ile elde edilir.
Bu i³lem, en büyük delik açklkl
elekte kalandan ba³lanarak gittikçe artacak ³ekilde ayr ayr eleklerde kalanlar
toplamak ve bu toplamlar en son eklenen ele§in delik boyutuna kar³ çizelge
ya da gra§e geçirmekle yaplr.
ϕ
a³a§daki ba§nt ile tanmlanr:
228
ϕ = ∆ϕ1 + ∆ϕ2 + · · · + ∆ϕnT =
Kat - Kat Ayrma
nT
X
∆ϕn
n=1
Toplaml analiz,
ϕ
ile
Dp
arasnda bir ba§ntdr. Burada
boyutudur. niceli§i ise örnekte
Dp 'den
Dp ,
n ele§inin delik
daha büyük taneciklerin kütle kesridir.
Tüm örnek için 'nin de§eri ku³kusuz bire e³ittir. Çizelge 8.8.1'deki ayrmsal
analize kar³ gelen toplaml analiz, Çizelge 8.8.2'de gösterilmi³ ve ekil. 8.8.1
'de gra§e alnm³tr.
Çizelge 8.8.1: Ayrmsal elek analizi ön verileri
Mesh
4/6
6/8
8/10
10/14
14/20
20/28
28/35
35/48
48/65
65/100
100/150
150/200
Elek alt
Dpn
0.3327
0.2362
0.1651
0.1168
0.0833
0.0589
0.0417
0.0295
0.0208
0.0147
0.0104
0.0074
-
cm
0.0251
0.1250
0.3207
0.2570
0.1590
0.0538
0.0210
0.0102
0.0077
0.0058
0.0041
0.0031
0.0075
Çizelge 8.8.2: Toplaml elek analizi ön verileri
Mesh
4
6
8
10
14
20
28
35
48
65
100
150
200
Elek alt
Elek Analizine Dayal Hesaplar
Dpn
0.4699
0.3327
0.2362
0.1651
0.1168
0.0833
0.0589
0.0417
0.0295
0.0208
0.0147
0.0104
0.0074
-
cm
0
0.0251
0.1501
0.4708
0.7278
0.8868
0.9406
0.9616
0.9718
0.9795
0.9853
0.9894
0.9925
1.0000
Ayrmsal ve toplaml analizin her
ikisi de, bir kar³mn yüzey alan ve tanecik saysn hesaplamada kullanlr.
Ayrmsal analiz kullanlrsa bir kesimdeki tüm taneciklerin büyüklü§ünün e³it
oldu§u varsaym yaplr ve bu büyüklük kesimi tanmlayan iki ele§in delik
229
Kat - Kat Ayrma
Figure 8.8.1: Toplaml elek analizi
boyutlarnn aritmetik ortalamasdr.
Buna göre, standart 10 ve 14 Mesh
eleklerin delik boyutu sras ile 0.1651 ve 0.1168 cm'dir ve 10/14 kesiminin
(0.1651+0.1168)/2=0.1410 cm çapl e³ boyutlu taneciklerden olu³tu§u varsaylr.
Dn
simgesi bu ³ekilde aritmetik ortalama çaplar için kullanlr.
Toplaml analiz kullanlrsa
Dp 'ye
kar³
baklr ve graksel integral alnr.
ϕ
gra§ine sürekli bir fonksiyon gibi
Toplaml analize dayal yöntem, ayrm-
sal analize dayal yöntemden daha duyarldr.
Çünkü toplaml analiz kul-
lanld§nda bir kesimdeki tüm taneciklerin büyüklükçe e³it oldu§u varsaym
yaplmayabilir. Bununla birlikte elek analizinin do§rulu§u fazla de§ildir.
Kar³mn Özgül Yüzeyi
Tanecik yo§unlu§u,
ρp
ve ³ekil etmenleri a
ve b'nin bilindi§i ve bu niceliklerin parçac§n çapna ba§l olmad§ varsaylr.
Ayrmsal analiz kullanlrsa, her kesimdeki parçacklarn yüzeyi hesaplanr ve
tüm kesimlerin sonuçlar toplanarak, örne§in birim kütlesinin toplam yüzey
alan, yani özgül yüzey (Aw ) bulunur.
Aw =
nT
6λ∆ϕ1 6λ∆ϕ2
6λ∆ϕn
6λ X ∆ϕn
+
+ ··· +
=
ρp
ρp D1
ρp D2
ρp Dn
Dn
n=1
nT elek says, Dn ise
Dpn ve Dp(n−1) 'in aritmetik ortalamasdr. Toplam i³areti, ayr ayr kesimlerin
ϕ/Dn niceliklerinin hepsinin toplam anlamna gelir.
Burada alt indisler ayr ayr her elekte kalan gösterir.
Toplaml analiz kullanld§nda yukardaki e³itlik diferansiyel olarak yazlr ve
toplam yüzey,
Aw =
6λ
ρp
Z
0
1
ϕ = 0 ve ϕ = 1 snrlar arasnda graksel integrasyonla bulunur.
dϕ
Dp
230
Graksel integrasyon, apsiste
ve
ϕ=1
ϕ'ye
Kat - Kat Ayrma
kar³ ordinatta
1/Dp
gra§e alnarak
ϕ=0
arasnda e§rinin altnda kalan alann ölçülmesiyle yaplr.
Özgül yüzey
Aw ,
tüm kar³m için ortalama bir tanecik boyutu ile ilgilidir.
Bu ortalama boyuta Hacim-Yüzey Ortalama Çap denir ve
Dvs
simgesi ile
gösterilir. A³a§daki e³itlikle tanmlanr:
Dvs =
6λ
Aw ρp
Kar³mda Taneciklerin Says
Bir kar³mdaki taneciklerin saysn,
ayrmsal analizden hesaplamak için; örnekteki tanecik saysn veren (W) e³itlik
ile her bir kesimdeki tanecik says hesaplanarak toplanr ve örne§in birim
kütlesindeki tanecik says yani özgül tanecik says (Ww ) elde edilir.
∆ϕ1
∆ϕ2
∆ϕn
1
Ww =
3 +
3 + ··· +
3 = aρ
p
aρp D1 aρp D2
aρp Dn
nT
∆ϕn
n=1
Dn
Z
3
Toplaml analizin kullanlmas durumunda bu e³itlik a³a§daki ³ekle çevrilebilir:
1
Ww =
aρp
Z
1
0
dϕ
Dp3
ntegralin de§eri graksel yolla bulunabilir. Bunun için
ϕ'ye kar³ 1/Dp3
gra§i
kullanlr.
nce Taneciklerde boyut da§lm
deki ince boyutlar için
Denel olarak, ö§ütülmü³ bir ürün-
Dp 'ye kar³ ϕ gra§inin e§iminin,
tanecik çap (Dp )'nin
üslü bir fonksiyonu oldu§u bulunmu³tur. Bu, matematiksel olarak a³a§daki
gibi yazlr:
−
dϕ
= BDpk
dDp
Burada B ve k sabitlerdir. Eksi i³areti
ϕ
artarken
Dp 'nin
azalmas nedeniyle
konulmu³tur. Bu e³itlik, do§ru eleme yapld§nda, elde edilen analiz verileri
ne kadar ne kadar küçük boyutlar gösterirse göstersin kullanlr.
E³itlik
ϕ = ϕ1 ve ϕ = ϕ2 snrlar ve buna kar³lk gelen Dp = Dp1 ve Dp = Dp2
snrlar arasnda integre edilirse a³a§daki e³itlik bulunur:
ϕ2 − ϕ1 =
B
k+1
(Dk+1 − Dp2
)
k + 1 p1
k sabiti örnekteki çok ince boyutlarn ba§l önemine ba§ldr. De§eri ö§ütülmü³
ürünler içn yakla³k -0.5 ile 0.1 arasnda de§i³ir. Daha büyük k de§erleri,
Dp1 ve
231
Kat - Kat Ayrma
Dp2 çaplar arasndaki kesimde çok küçük taneciklerin daha az önemli oldu§unu
gösterir. E§er ürün a³r ö§ütülmü³ ise, ince parçacklar ön plana geçer ve k
küçüktür. B sabiti, tüm ürünün
Dp1
ve
Dp2
çaplar arasna dü³en kesrinin bir
ölçüsüdür.
B ve k sabitleri ayrmsal elek analizinden a³a§daki yöntemle bulunur. Serideki
herhangi bir ele§in delik açkl§nn, hemen onun altndaki ele§inkine orannn
sabit bir de§er oldu§u varsaylr. Tyler elek serisi bu varsaym kar³lar.
Dp(n−1) sras ile n ve (n-1) eleklerinin
kesri ϕn − ϕn−1 'dir ve ³öyle yazlr:
ve
ϕn − ϕn−1 = ∆ϕn = −
Dp(n−1)
ve
Dpn ve
Dpn
delik boyutlar ise, n. elekteki kütle
B
k+1
(Dk+1 − Dp(n−1)
)
k + 1 pn
arasndaki oran r ise,
Dp(n−1) = rDpn
Burada r>1'dir.
∆ϕn = −
Dp(n−1)
yok edilirse,
B(rk+1 − 1) k+1
k+1
Dpn = B 0 Dpn
k+1
Burada,
B0 = −
B(rk+1 − 1)
k+1
Ayrmsal elek analizi,
∆ϕn ile Dpn
arasndaki gerekli ili³kiyi verir. Yukardaki
e³itlik logaritmik olarak ³öyle yazlabilir,
log(∆ϕn ) = (k + 1)log(Dpn ) + log(B 0 )
B' ve k sabitlerinin de§erleri,
Dpn 'ye
kar³
∆ϕn 'i
logaritmik koordinatlarda
gra§e geçirip, noktalardan geçen en uygun do§ruyu çizerek bulunur. Do§runun e§imi (k+1)'dir. (k+1) bilinince, logB', do§ru üzerindeki uygun bir noktann koordinatlarndan bulunabilir. B sabiti de yukardaki ifadeden hesaplanabilir.
Aw
özgül yüzey ise a³a§daki e³itlikle hesaplanr.
6Bλ
Aw = −
ρp
Z
Dp2
Dp1
Dpk+1 dDp =
6Bλ k
k
(Dp1 − Dp2
)
ρp
Bu e³itlik k=0 de§eri için belirsizdir. Bu durumda,
232
Aw =
6 x 2.303Bλ
log
ρp
Dp1
Dp2
Kat - Kat Ayrma
e³itli§i kullanlr.
Ww
ile simgelenen kar³mn birim kütlesindeki parçack says a³a§daki e³itlik
yardm ile hesaplanr.
B
Ww = −
aρp
Z
Dp2
Dp1
dDp
B
=
3−k
(2 − k)aρp
Dp
1
2−k
Dp2
−
1
!
2−k
Dp1
Örnek 1: Çizelge 8.8.1 ve 8.8.2'de verilen elek analizleri, krlm³ bir kuvars
örne§ine aittir.
b=3.5'dir.
Parçacklarn özgül a§rl§ 2.65 ve ³ekil etmenleri a=2 ve
2
Özgül yüzey (cm /g) olarak ve özgül tanecik says (tanecik/g)
olarak nedir?
Çözüm:
nce boyutlar için
Dn 'ye
kar³
∆ϕn 'nin
bir logaritmik gra§i ekil
8.8.2'de gösterilmi³tir. 0.0417 cm'den daha küçük çaplar için, veriler bu gra§e
uydu§undan bu de§erden daha küçük tanecikleri ilgilendiren hesaplamalarda
ince taneciklerde boyut da§lm konusunda verilen e³itlikler kullanlabilir. 0.0417
cm'den daha büyük tanecikler için ise kar³mn özgül yüzeyi ve kar³mdaki
tanecik says konusunda verilen e³itlikler kullanlmaldr.
Figure 8.8.2: Örnek 1 için,
λ sabiti 3.5/2=1.75'dir.
log(Dpn ) − log(∆ϕn )
gra§i
0.4699-0.0417 cm boyut aral§ndaki (kaba tanecikler)
hesaplar için ayrmsal analiz do§rudan do§ruya kullanlrsa, yüzey alan ve
tanecik says a³a§daki gibi hesaplanr:
Aw =
nT
nT
n=1
n=1
X ∆ϕn
6 x 1.75 X ∆ϕn
= 3.96
2.65
Dn
Dn
233
nT
Ww =
Kat - Kat Ayrma
nT
X ∆ϕn
X ∆ϕn
1
= 0.189
3
3
2 x 2.65
D
D
n=1
n=1
n
n
Bir elekte kalanlar için o kesimi tanmlayan eleklerin delik boyutlarnn aritmetik ortalamas
ve
1/Dn3
sonra da
Dn
ekte verilen delik boyutlarndan hesaplanr. Sonra
büyüklükleri her kesim için hesaplanarak
∆ϕn
1/Dn
de§erleri ile çarplr ve
∆ϕn
∆ϕn
ve
toplamlar bulunur. Bu hesaplamalar Çizelge 8.8.3'te
3
Dn
Dn
gösterilmi³tir.
Çizelge 8.8.3: Örnek 1 için
Mesh
Dn (cm)
4/6
6/8
8/10
10/14
14/20
20/28
28/35
0.4013
0.2844
0.2006
0.1409
0.1000
0.0711
0.0503
Aw = (3.95)(6.69) = 26.5 cm2
Aw
ve
Ww 'nin
ve
1
Dn
∆ϕn
0.0251
0.1250
0.3207
0.2570
0.1590
0.0538
0.0210
Toplam
Aw
2.49
3.52
4.98
7.10
10.00
14.10
19.90
Ww 'nin
bulunmas
∆ϕn
Dn
1
3
Dn
15.5
43.5
124.0
358.0
1000.0
2800.0
7860.0
∆ϕn
3
Dn
63
439
1599
1824
1590
757
417
6690
0.4
5.4
39.7
92.0
159.0
150.0
165.0
611.0
Ww = (0.189)(611) = 115 tanecik
ve
hesaplanmas için toplaml analiz kullanlrsa a³a§daki ifadeler
elde edilir.
Z
Aw = 3.96
0
0.9616
dϕ
Dp
Z
ϕ=0
ve
ϕ=0.9616
1/Dp
dϕ
3
Dp
0
E³itlikleri graksel olarak integre etmek için,
kar³ gra§e geçirilir ve
0.9616
Ww = 0.189
ve
ve
1/Dp3
de§erleri
ϕ'ye
snrlar arasnda e§rilerin altnda
kalan alanlar ölçülür. Bu grakler ekil 8.8.3 ve ekil 8.8.4'te gösterilmektedir.
ntegrallerin saysal de§erleri srasyla 6.71 ve 626 bulunur. Buna göre;
Aw = (3.96)(6.71) = 26.6 cm2
ve
Ww = (0.189)(626) = 118 tanecik
bulunur. Sonuçlar ayrmsal analize dayal hesaplamalardan bulunanlara oldukça
yakndr.
35 Mesh elekten (delik açkl§ 0.0417 cm) geçen kesimde taneciklerin (ince
tanecikler) alan ve saysnn bulunmas için, k ve B sabitlerinin bulunmas
gerekir.
Bu sabitler ekil 8.8.2'deki e§riden bulunurlar.
ksmnn e§imi, k+1=0.886'dr.
E§rinin do§rusal
Böylece k=-0.114 olarak bulunur.
B' `nün
234
Kat - Kat Ayrma
Figure 8.8.3: Örnek 1 için, graksel integrasyonla yüzey alan hesab
de§erini bulmak için e§ri üstündeki herhangi bir noktann koordinatlar kullanlabilir. Örne§in,
∆ϕn =0.004 oldu§u zaman Dpn =0.01'dir.
Bu de§erler (19)
e³itli§inde yerine konursa,
log(0.004) = 0.8861log(0.01) + log(B 0 )
√
buradan B' = 0.237 bulunur. Tyler elek serisi için r =
2=
1.414 oldu§una
0
göre B de§eri;
B0 =
0.237 x 0.886
= 0.584
1.4140.886 − 1
Elek alt kesiminin en büyük boyutlu taneci§i 0.0074 cm delik açkl§ndan
geçer. Buna göre elek altndaki en küçük taneciklerin çap a³a§daki gibi bulunur:
0.0075 =
0.584
0.886
0.00740.886 − Dp2
0.886
Figure 8.8.4: Örnek 1 için, graksel integrasyonla parçack says hesab
235
Kat - Kat Ayrma
Dp2 = 0.00072 cm
0.0417-0.00072 cm boyut aral§na sahip kesimin alan;
Aw =
6 x 0.584
0.0417−0.114 − 0.00072−0.114
2.65 x (−0.114)
Aw = 9.7 cm2
olarak bulunur.
nce ve kaba tanecikler olarak ayrlan örne§in tamamnn
toplam alan = 26.6+9.7=36.3 cm /g olarak bulunur.
nce taneciklerin says;
Ww =
0.584
0.00072−2.114 − 0.0417−2.114
2.114 x 2 x 2.65
Ww = 229400 tanecik
olarak hesaplanr.
Buna göre tüm örne§in toplam tanecik says = 118+229400=229518 ya da
yakla³k olarak 229500 tanecik/g olarak bulunur.
nce boyutlarda her gramdaki tanecik says çok büyüktür. Hesaplar toplam
229500 taneci§in yakla³k 227900 tanesinin elek alt kesiminde bulundu§unu
gösterir. Bu yolla tanecik says hesaplanmasnda duyarlk azdr.
Boyut Küçültmede Enerji ve Güç Gereksinmeleri
mede güç giderleri büyük yer tutar.
Krma ve ö§üt-
Bu nedenle güç giderlerini denetleyen
etkenler önemlidir. Boyut küçültme srasnda besleme maddesindeki parçalar
önce zorlanrlar.
Onlar zorlamak için gerekli i³, gerginlik gibi mekanik en-
erji halinde, kat içinde geçici olarak birikir. Bu, bir yayda mekanik enerjinin
depolanmasna benzer.
Taneciklerin gerilimini artrmak için ek bir kuvvet
uygulannca, en yüksek dayankll§n ötesinde, krlr ve ani olarak parçalara
ayrlr.
Yeni yüzey olu³ur.
Katnn birim alan belirli bir yüzey enerjisine
sahip oldu§undan, yeni yüzey olu³turulmas için i³ gereklidir. Bu i³, parçack
krld§nda serbest kalan gerilim enerjisi ile sa§lanr. Enerjinin korunumu nedeniyle, olu³an yeni yüzeyin enerjisinden arta kalan gerilim enerjisi s olarak
aç§a çkar.
Verim
Krma ile olu³turulan yüzey enerjisinin kat tarafndan so§urulan
es
2
(J/m) ise ve Awb ile Awa srasyla ürünün ve beslemenin yüzeyleri (m /kg) ise,
enerjiye oran krma verimidir ve
ηc
madde tarafndan so§urulan enerji
Wn =
ile gösterilir. Birim alann yüzey enerjisi
Wn
(J/kg) a³a§daki e³itlikle ifade edilir.
es (Awb − Awa )
ηc
236
Kat - Kat Ayrma
Krma ile olu³turulan yüzey enerjisi, parçalama annda madde içinde birikmi³ olan toplam mekanik enerji ile kar³la³trlnca küçüktür ve bu birikmi³
enerjinin büyük ksm s haline dönü³ür.
tür. Yukardaki e³itlikte
es
Bu nedenle krma verimi dü³ük-
kat hal kuramndan hesaplanr,
Wn , Awb ,
ve
Awa
denel olarak ölçülür ve yerlerine konursa krma verimi bulunur. Ancak hesabn
duyarll§ iyi de§ildir. Bunun ba³lca nedeni
es 'nin
hesabndaki ku³kulardr.
Sonuçlar krma verimlerinin yüzde 0.1-2 aral§nda oldu§unu gösterir.
Kat tarafndan so§urulan enerji
Wn ,
makineye verilenden daha azdr. Makin-
eye verilen enerjinin W (J/kg), bir ksm mil yataklar ve di§er hareketli parçalardaki sürtünmeyi yenmek için kullanlr ve geri kalan krma için yararldr.
So§urulan enerjinin makineye verilen enerjiye oran mekanik verim
ηm 'dir.
Makineye verilen enerji W ise mekanik verim ³u ³ekildedir;
ηm =
Wn
es (Awb − Awa )
es (Awb − Awa )
=
=⇒ W =
W
W ηc
ηm ηc
E§er T (ton/dk) besleme hz ise, makinenin gerektirdi§i güç beygir gücü olarak
(25) e³itli§i ile ifade edilir.
P =
T es (Awb − Awa )
WT
=
45
45ηm ηc
Awb
Burada
ve
Awa Dvs =
6T es (Awb − Awa )
P =
45ηm ηc ρp
6λ
Aw ρp e³itli§inden çekilerek yerine konulursa;
λb
λa
−
Dvsb Dvsa
0.134T es (Awb − Awa )
=
ηm ηc ρp
λb
λa
−
Dvsb Dvsa
Burada,
P
T
Es
ηm
ηc
ρp
Dvsa
Dvsb
λa
λb
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
Güç (BG)
Besleme hz (ton/dak)
Özgül yiizey enerjisi (J/m2 )
Mekanik verim
Krma verimi
Parçack yo§unlu§u (kg/m3 )
Beslemenin hacim-yüzey ortalama çap (m)
Ürünün hacim-yüzey ortalama çap (m)
Beslemenin ³ekil etmeni
Ürünün ³ekil etmeni
Rittinger Yasas
Rittinger tarafndan önerilen bir krma yasas, krma
srasnda gerekli i³in olu³turulan yeni yüzeyle orantl oldu§unu belirtir.
Bu
yasa, krma veriminin sabit oldu§unu ve verilen bir makine ve besleme malzemesi
için besleme ve ürünün büyüklüklerine ba§l olmadklarn belirtir. E§er ³ekil
etmenleri
λa
ve
λb
e³it ve mekanik verim sabitse, yukardaki güç e³itli§inde
verilen çe³itli sabitler tek bir sabit içinde (Kt ) toplanabilir ve Rittinger yasas
³öyle yazlr:
237
P
= Kr
T
1
1
−
Dvsb Dvsa
Kat - Kat Ayrma
Rittinger yasas, katnn birim kütlesi ba³na verilen enerjinin çok büyük olmad§ ko³ullarda iyi bir ³ekilde uygulanabilir ve gerçek krma yöntemleri için
ilk yakla³m olarak kullanlabilir.
Kr
sabiti, krlan malzeme ile kullanlan
türde bir makinede yaplan bir deneyle belirlenir.
Örnek 2 :
Belirli bir krc 1.91 cm hacim-yüzey ortalama çapta parçalarla
beslenmekte ve 0.51 cm hacim-yüzey çapl bir ürün vermektedir.
Saatte 12
ton krmak için gerekli güç 9.3 BG'dir. kapasite l0 ton/saat'e ve ürünün hacim
yüzey ortalama çap 0.38 cm'ye dü³ürülürse güç kullanm ne olur? Mekanik
verim de§i³meden kalmaktadr.
Çözüm : Birinci çal³ma için,
9.3
= Kr
12
1
1
−
0.51 1.91
ikinci çal³ma için,
P
= Kr
10
1
1
−
0.38 1.91
ikinci e³itlik birinci ile taraf tarafa bölünürse,
P 12
= Kr
9.3 10
Buradan da,
1
0.38
1
0.51
−
−
1
1.91
1
1.91
!
P = 11.4 BG
olarak bulunur.
Bond Krma Yasas ve ³ Endeksi
Bond tarafndan krma ve ö§ütme
için gerekli gücün bulunmasnda yeni bir yöntem önerilmi³tir. Yar kuramsal
dü³üncelere dayal Bond kuram, çok büyük beslemeden
Dp
büyüklü§ünde
parçacklar olu³turmak için gerekli i³in, ürünün yüzey/hacim orannn (Ap /Vp )
kare kökü ile orantl oldu§unu belirtir. 3 e³itli§ine göre
Ap /Vp = 6λ/Dp 'dir.
P
Kb
=p
T
Dp
Burada
Kb ,
aygtn türüne ve krlmakta olan malzemenin cinsine ba§l bir
sabittir. Bu yasa, daha küçük ürün parçacklar için Rittinger yasasnn gerektirdi§inden daha az enerji ister. Bond yasas ticari krclar ve ö§ütücülerin güç
gere§ini hesaplamada da daha do§ru sonuçlar verir.
238
Kat - Kat Ayrma
³ indeksi, büyük parçal belemeyi ürünün % 80'i 100 mikron bir elekten geçecek
³ekilde ufaltmak için, beslemenin her tonu ba³na kilowat-saat olarak gerekli
toplam enerjidir.
Bu tanm
Kb
ve
Wj
arasnda bir ilgi kurmay sa§lar.
Dp
metre olarak, P BG olarak ve T dakikada ton olarak alnrsa,
60Wi
Kb
=√
0.746
100 x 10−6
Buradan
Kb = 0.805Wi
E§er beslemenin % 80'i
bulunur.
Dpa
delik açklkl elekten ve ürünün % 80'i
Dpb
delik
açklkl elekten geçerse, yukardaki son iki e³itlikten,
P
= 0.805Wi
T
1
1
p
−p
Dpb
Dpa
!
bulunur. ³ indeksi krc içindeki sürtünmeleri de içerir, bu nedenle son e³itlikteki güç toplam güçtür.
Çizelge 8.8.4'te baz yaygn mineraller için i³ indeksleri verilmi³tir. Bu veriler
ayn genel türe dahil olan de§i³ik makineler arasnda fazlaca de§i³mez ve kuru
krma yada ya³ ö§ütmeye uygulanr.
Kuru ö§ütme için, toplam güç 4/3 ile
çarplmaldr.
Çizelge 8.8.4: Kuru krma yada ya³ ö§ütme için i³ indeksleri
Malzeme
Boksit
Çimento klinkeri
Çimento hammaddesi
Kil
Kömür
Kok
Granit
Alç ta³
Demir flizi (hematit)
Kireç ta³
Kuvars
Yo§unluk (g/cm3 )
2.20
3.15
2.67
2.51
1.40
1.31
2.66
2.69
3.53
2.66
2.65
³ indeksi,Wj (kw.st/ton)
8.78
13.45
10.51
6.30
13.00
15.13
15.13
6.73
12.84
12.74
13.57
Örnek 3 : Beslemenin % 80'i 5.08 cm delik açklkl elekten ve ürünün % 80'i
0.318 cm delik açklkl elekten geçiyorsa, saatte 100 ton kireçta³ krmak için
gerekli güç nedir?
Çözüm : Çizelge 8.8.4'ten kireçta³ için i³ indeksi 12.74 bulunur. T = 100/60
−3 m ve D =5.08x10−2 m
= 1.67 ton/dk , Dpb =3.18x10
pa
239
Kat - Kat Ayrma
Gerekli güç;
P = 1.67 x 0.805 x 12.75
√
1
3.18 x 10−3
−√
1
5.08 x 10−2
P = 234 BG
Denel Gücün Bulunmas
Bu amaçla ticari bir elektrik sayacndan
yararlanlr. Önce deney aygt bo³ken çal³trlr ve sayaç diskinin belirli sayda
dönü³ü için geçen süre bir kronometre ile saptanr.
Ayn ³ekilde, besleme
krld§ sürece sayaç diskinin dönü³ says saptanr. 1 kilowat-saatin 675 dönü³
saysna e³it oldu§unu bildi§imizden (sayaç üzerinde yazar) basit çevirmeler ile
denel güç kw yada BG olarak bulunur.
Örnek 4 : Bir çekiçli de§irmen bo³ iken elektrik sayacnn diskini 80 saniyede
3 kez çeviriyor.
dönüyor.
1430 gram besleme yapld§nda ise, disk 59 saniyede 3 kez
Beslemedeki tanelerin ortalama büyüklü§ü 20 cm'dir.
Denel gücü
bulunuz.
Çözüm
:
Pd =
3
3
−
59 80
3600
= 0.067 kW
675
ya da
Pd = 0.067 kW
18G
= 0.09 BG
0.746 kW
Krclar
Krclar büyük miktarlarda katlarn kabaca küçültülmesi için
kullanlan dü³ük hzl makinelerdir.
Önemli türleri; çeneli krclar, döner
krclar, düz silindirli krclar ve di³li silindirli krclardr. lk üçü bask ile
çal³rlar ve kayalarn ve lizlerin birincil ve ikincil krlmalarnda oldu§u gibi,
çok sert malzemelerin büyük parçalarn krabilirler.
Di³li silindirli krclar
besleme parçalarn krlncaya kadar zorlarlar. Genellikle kömür, kemik gibi
yumu³ak maddeleri krmada kullanlrlar.
Burada düz silindirli krc, döner
de§irmenler ve çekiçli de§irmenler anlatlacaktr.
Düz Silindirli Krclar
ekil 8.8.5'te gösterilen düz silindirli krcda,
yatay paralel eksenlerde dönen iki a§r düz yüzlü metal silindir çal³an ksmlardr. Silindirler arasnda tutulan besleme tanecikleri bask ile krlr ve alttan dökülürler.
Silindirler birbirine do§ru ayn hzda dönerler.
Oldukça dar
yüzeylere sahiptirler ve çaplar büyüktür, bu nedenle orta büyüklükteki tanecikleri kstrabilirler. Tipik silindirlerin çaplar 60-200 cm, uzunluklar ise 30-90
cm arasnda de§i³ir. Dönü³ hzlan 50-300 dev/dak arasndadr. Düz silindirik
krclar ikincil krclardr ve 1.5-7.5 cm boyutlu beleme ile 1.5-0.1 cm boyutlu
ürünler verirler.
240
Kat - Kat Ayrma
Figure 8.8.5: Silindir krc
Verilen bir çaptaki silindirlerce kstrlabilecek taneciklerin büyüklük snr belirlidir.
Ürünün tanecik büyüklü§ü, verilen bir makinenin kapasitesi ile il-
gili olan, silindirler arndaki açkl§a ba§ldr. Düz silindirli krclar az miktarda ince tanecikler verirken üründe a³r büyük taneler bulunmaz. 1/3-1/4
orannda bir küçültme isteniyorsa çok etkin olarak çal³rlar.
Bu durumda
üründeki en büyük tanecik çap, beslemenin 1/3-1/4'ü kadardr.
Silindirler
tarafndan uygulanan kuvvetler çok büyüktür. Silindirlerin 1 cm geni³li§i için
10000'den 70000 Newton'a kadar de§i³ir.
Krlmayan maddelerin makineye
zarar vermeden geçebilmesi için silindirlerden biri yayl ³ekilde yerle³tirilir.
Kstrma açs, silindirlerin bir taneci§i krma bölgesine çekmeden hemen önce
yakaladklar noktada yüzeyleri arasndaki açdr.
Bu aç a³a§daki gibi bu-
lunur.
ekil 8.8.6 bir çift silindiri ve aralarnda yeni tutulmu³ küresel bir taneci§i
göstermektedir.
Silindirlerin yarçaplar e³it ve R, taneci§in yarçap r'dir.
Silindirler arasndaki açklk 2d'dir. AB do§rusu soldaki silindirin ve taneci§in
merkezlerinden ve silindirle taneci§in de§me noktas olan C noktasndan geçer.
α olsun. OE do§rusu
ayn α açsn yapar.
Yatay AB arasndaki aç
ve bu do§ru dü³eyle
silindire C noktasnda te§ettir
Yerçekimi ihmal edilirse C noktasna iki kuvvet etkir: Te§etsel sürtünme kuvveti
Ft (Ft cosα
Fr
Ft kuvveti sürtünme etmeni vastasyla Fr
µ0 Fr sinα kuvveti taneci§i silindirden uzak-
dü³ey bile³enine sahip) ve merkez yönünde etkiyen kuvvet
(Fr sinα dü³ey bile³enine sahip).
= µ0 Fr ).
0
la³trmaya çal³rken µ Fr cosα kuvveti krlmak üzere taneci§i silindirler arasnda
kuvvetine ba§ldr (Ft
çekmeye çal³r. E§er tanecik krlyorsa,
Fr µ0 cosα ≥ Fr sinα
ya da
µ0 ≥ tanα
241
Kat - Kat Ayrma
Figure 8.8.6: Krma silindirlerinde kstrma açs
µ0 = tanα
oldu§u zaman,
α
açs kstrma açnn yarma e³ittir.
Silindir-
lerin yarçaplar, beslemenin büyüklü§ü ve silindirlerin arasndaki açklk ekil
8.8.6'dan görülebilece§i gibi birbirine ba§ldr:
cosα =
R+d
R+r
Üründeki en büyük taneciklerin çap 2d kadardr ve yukarda verilen
cosα
e³itli§i silindirin çap ve de§irmenden beklenebilecek boyut küçültme arasnda
bir ba§nt verir.
Bir çift krma silindirlerinin kuramsal kapasitesi, silindir
yüzeylerinin geni³li§ine e³it geni³likte, silindirler arndaki açkl§a e³it kalnlkta ve silindir yüzeylerinin çevresel hzna e³it uzunlukta, krlan malzemeden
olu³mu³ bir ³eridin hacmi ile verilir. Buna göre kuramsal kapasite:
q = 60 x 2d x nDb
242
Burada;
q
n
D
d
b
:
:
:
:
:
Kat - Kat Ayrma
Hacimsel kapasite (m3 /h)
Silindirlerin dönü³ hz (devir/dakika)
Silindirlerin çap (m)
Silindirler aras açkl§n yars (m)
Silindir yüzeyinin geni³li§i (m)
Bir çift krma silindirinin gerçek kapasitesi, kuramsal kapasitenin 1/3'ü ile
1/10'u arasnda de§i³ir.
Örnek 5 : Bir çift silindir 5 cm çapl küresel taneciklersen olu³an beslemeden
1.5 cm çapl küresel tanecikler üretecek ³ekilde çal³yor.
Sürtünme etmeni
0.29 ise silindirlerin çap nedir?
Çözüm :
tanα = 0.29
oldu§undan,
α = 16.2o
ve
cosα = 0.960
olarak bulunur.
32 e³itli§inde bilinenler yerine konularak,
0.960 =
R + 1.5
2
R + 52
Buradan R=41.45 cm bulunur. Silindirlerin çap 82.5 cm'dir.
Döner De§irmenler
Tipik bir döner de§irmen ekil 8.8.7'de göster-
ilmi³tir. Hemen hemen yatay bir eksen üzerinde dönen silindirik yada konik
bir gövde ve hacminin yakla³k yarsn dolduran kat bir ö§ütme ortam bir
döner de§irmeni olu³turur. Gövde genelikle çeliktir ve içi yüksek karbonlu çelik levhalar, porselen, silis ta³ yada lastik ile astarlanm³tr. Ö§ütme ortam,
çubuklu de§irmende metal çubuklar; bilyal de§irmende uzun zincirler, metal,
lastik ya da a§aç bilyalar; çaklta³ de§irmende çakmakta³ çakllar, porselen
yada zirkonyumdan yaplm³ kürelerdir.
A³ndrc malzemelerin orta ya da
ince ö§ütülmesi için döner de§irmenler e³sizdir.
Sürekli beleme gerektiren düz silindirik, çeneli ve çekiçli krclardan farkl
olarak, döner de§irmenler sürekli yada kesikli çal³trlabilirler. Kesikli çal³an
Figure 8.8.7: Konik bilyal de§irmen
243
Kat - Kat Ayrma
bir döner de§irmende ö§ütülecek malzemenin ölçülmü³ bir niceli§i, gövde üzerindeki bir kapdan de§irmene yüklenir ve kap kapatlr.
De§irmen birkaç
saat döndürüldükten sonra durdurulur ve bo³altlr.
Sürekli çal³an bir de§irmende, kat bir uçtan boru ³eklindeki milin içinden
girerek döner gövde içinden kararl bir ³ekilde akarken ö§ütülür ve di§er uçtaki
mil içinden ya da gövde üzerindeki çevresel açklklardan çkar.
Tüm döner de§irmenlerde ö§ütme elemanlar dönü³ srasnda hemen hemen
tepeye çkar ve oradan dipteki parçacklarn üzerine dü³erler. Ö§ütme elemanlarn yukar kaldrmak için harcanan enerji, taneciklerin boyutlarn küçültmede
kullanlr. Baz döner de§irmenlerde (çubuklu de§irmenlerde oldu§u gibi) boyut
küçültmenin ço§u çubuklar a³a§ya do§ru kayarken ve birbiri üzerinde yuvarlanrken yuvarlanma basnc ve a³ndrma ile yaplr. Ö§ütme çubuklar genellikle çeliktir ve 2.5-15 cm arasnda çaplar vardr. Herhangi bir de§irmende her
zaman çe³itli büyüklüklerde çubuklar bulunur. Çubuklarn boyu de§irmenin
uzunlu§u kadardr. Çubuklu de§irmenler ara ö§ütücülerdir; 2 cm'lik beslemeyi
yakla³k 0.2 cm'ye kadar küçültürler. Genellikle kaln krmadan alnan ürünü,
bilyal de§irmende son boyut küçültme için hazrlarlar. Çubuklu de§irmenden
alman üründe az nicelikte a³r büyük tanecikler ve daha çok küçük boyutlu
tanecikler vardr.
Bir bilyal ya da çakl ta³l de§irmende boyut küçültmenin ço§u, gövdenin
hemen hemen tepesinden dü³en bilya yada çakl ta³larnn vurmas ile olur.
Büyük bir bilyal de§irmende gövde çap 3 m ve uzunlu§u 4.5 m olabilir.
Bilyalar 2.5-15 cm çapl; çakl ta³l de§irmende çakllar 5-18 cm büyüklü§ündedir.
Borusal de§irmen, uzun bir silindirik gövdesi bulunan sürekli bir de§irmendir.
Bunlarda malzeme, saha ksa olan bilyal de§irmeninkinin iki ile be³ kat kadar
uzun süre ö§ütülür. Borusal de§irmenler, harcanan enerji niceli§i birinci planda
önemli olmad§ hallerde, bir tek geçi³te çok ince tozlar halinde ö§ütmek için
idealdir.
Borusal de§irmene enlemesine delikli bölmeler konulmas onu bir bölmeli de§irmene haline getirir. lk bölme büyük bilyalar, ikincisi daha küçük bilyalar ve
üçüncüsü çakl ta³lan içerebilir. Ö§ütme ortamnn bu ³ekilde de§i³ik büyüklük
ve a§rlkta elemanlar halinde ayrlmas i³ israfndan kaçnmay sa§lar. öyle
ki; büyük ve a§r bilyalar küçük taneleri etkilemeksizin yalnzca büyük taneleri
krarlar, küçük ve haf bilyalar kramayacaklar büyük taneler üzerine de§il
yalnzca küçük tanecikler üzerine dü³erler.
Tek bir bölüm içinde ö§ütme elemanlarnn boyutlarna göre ayrlmas ekil
8.8.7'de gösterilen konik bilyal de§irmenin bir özelli§idir. Besleme soldaki 60
koniden, gövde çapnn en büyük oldu§u ön ö§ütme bölümüne girer.
o
Ürün
o
sa§daki 30 koniden çkar. Bu tür bir de§irmen de§i³ik büyüklüklerde bilyalar
244
Kat - Kat Ayrma
Figure 8.8.8: Bilyal de§irmende bilyalarn hareketi
içerir.
Bunlarn hepsi de§irmen çal³rken a³narak küçülürler.
Zaman za-
man büyük bilyalar eklenir. Konik bilyal de§irmen dönerken, büyük bilyalar
en büyük çapl noktaya do§ru hareket ederler ve küçük bilyalar da en küçük
çapl bo³altma kesimine do§ru itilirler. Böylece besleme taneciklerinin ilk krlmas en büyük bilyalarn en büyük yükseklikten dü³mesi ile yaplrken, küçük
tanecikler küçük bilyalarm çok daha az bir yükseklikten dü³mesi ile ö§ütülür.
Döner De§irmenlerin Çal³mas
Bir bilyal ya da borusal de§irmende
bilya yükü, de§irmen durdu§u zaman de§irmen hacminin yarsndan fazlasn
dolduracak ³ekilde olmaldr. Çal³ma srasnda bilyalar halka ³eklinde bir yol
izlerler (ekil 8.8.8). De§irmenin iç ksm tarafndan alman ve hemen hemen tepeye kadar ta³nan bilyalar burada duvar ile de§melerini yitirir ve dibe dü³erler.
Sonra yine ayn yolu izlerler. Merkezkaç kuvvet, bilyalar yukar do§ru hareket
srasnda duvarla ve birbirleri ile de§me halinde tutar. Bilyalar duvarla de§me
halinde iken kayma ve birbirleri üzerinde yuvarlanma ile bir ölçüde ö§ütme
yaparlarsa da asl ö§ütme serbest dü³en bilyalarn de§irmen dibine çarpmalar
ile olur.
De§irmen daha hzl dönerse, bilyalar de§irmenin kenarndan daha yükse§e
ta³nrlar ve güç kullanm daha büyüktür. Daha çok yükselen bilyalarn dibe
vurmas daha ³iddetlidir ve de§irmenin kapasitesi daha büyük olaca§ndan ek
güç ö§ütme için yararldr.
De§irmenin dönü³ hz ile kullanlan güç arasn-
daki ba§ntnn tipik bir örne§i ekil 8.8.9'da gösterilmi³tir. E§er bilyalar hiç
dü³meden tepeyi a³arlarsa de§irmen sanrifüjleniyor denir ve santrifüjlemenin
ba³lad§ hza kritik hz denir, bir de§irmen santrifüj leniyorsa çok az ö§ütme
olur ya da hiç olmaz. O halde çal³ma hz kritik bir hzdan daha küçük olmaldr.
En d³taki bilyalarn de§irmen duvar ile de§melerini yitirdi§i andaki hz yerçekimi ve merkezkaç kuvvetler arasndaki dengeye ba§ldr. ekil 8.8.10'da görüldü§ü gibi bilyay de§irmen çevresi üstünde A noktasnda varsayalm. De§ir-
R ve r olsun. Buna göre bilyann merkezi
R−r cm uzaklktadr. AO yarçapnn dü³eyle α açsn
menin ve bilyann yarçaplar sras ile
de§irmenin ekseninden
yapt§n varsayalm.
Bilyaya iki kuvvet etkir.
Birincisini yerçekimi kuvveti
245
Kat - Kat Ayrma
Figure 8.8.9: Bilyal de§irmende hz - güç ili³kisi
mg ,
burada
burada
u
m
bilyann kütlesidir; ikincisi merkezkaç kuvvetidir
mu2 /(R − r)
bilyann merkezindeki çevresel hzdr. Yerçekimi kuvvetinin merkez
yönündeki bile³eni
mgcosα'dr.
Bu kuvvet merkezkaç kuvvetine zttr. Merkez-
kaç kuvvet merkez yönündeki kuvvetler tarafndan yenilinceye dek bilya duvarla de§mesini yitirmez. A açs azalrken merkez, yönündeki kuvvet artar ve
kritik hzn a³lmad§ durumda, zt kuvvetlerin e³it oldu§u ve tanecik dü³meye hazr oldu§u bir noktaya ula³lr. Bu olgunun bulundu§u noktadaki aç iki
kuvvetin e³itlenmesi ile bulunur.
mgcosα =
u
mu2
u2
=⇒ cosα =
R−r
(R − r)g
çevresel hz dönü³ hzna a³a§daki e³itlikle ba§ldr:
u = 2πn(R − r)
Buna göre (34) e³itli§i ³öyle yazlabilir,
cosα =
4πn2 (R − r)
g
Figure 8.8.10: Bilyal de§irmende bilyaya etki eden kuvvetler
246
Kritik hzda
nk =
1
2π
r
α=
0,
cosα
=l ve dönü³ hz
Kat - Kat Ayrma
n
de kritik
nk
olur.
g
(R − r)
E§er kritik hz dev/dak, R ve r cm, g=981.0 x60
2 cm/dak2 olarak alnrsa,
kritik hz ³u boyutlu e³itlikle verilir:
r
nk = 300
1
(R − r)
Çekiçli De§irmenler
Bu de§irmenler silindirik bir kasa içerisinde, yük-
sek hzla dönen bir disk içerirler. Diski ta³yan mil genellikle yataydr. Besleme
kasann tepesindeki açklktan içeri dökülür ve krlarak alttaki açklktan d³ar
çkar (ekil 8.8.11). Çekiçli de§irmende taneler, döner diske tutturulmu³ çekiçlerin vurmas ile krlrlar.
Figure 8.8.11: Çekiçli de§irmen
247
Kat - Kat Ayrma
Amaçlar
•
•
•
•
Boyut küçültme
Taneli kat kar³mlarn partikül büyüklü§üne göre ayrlmas
Orifs için ampirik bir ifadenin türetilmesi
Cam siklonda gaz kat ayrlmasnn gözlenmesi
Materyal ve Metod
Elek analizi deneyi, taneli kat kar³mlarn partikül büyüklü§üne göre ayrlmas
amacyla yaplmaktadr. Kullanlan deney düzene§i vibratör üzerine oturtulan,
içice geçmi³ 6 adet elekten olu³maktadr. Elekler 2000, 1000, 710, 500, 355 ve
250 mikron delik geni³liklerine sahiptirler.
Vibratörün sarsma hz sistemin
arkasnda bulunan kontrol panellinden ayarlanmaktadr.
Deneyde 2000 mikron delik geni³li§ine sahip elek en üstte olacak ³ekilde, büyükten küçü§e do§ru alt alta konulan elekler vibratör üstüne yerle³tirilir.
Di-
jital terazide tartm alman kum kar³m örne§i en üsteki ele§e bo³altlarak
kapak kapatlr.
Sistem belli bir süre çal³trlarak ayrma sa§lanr.
Daha
sonra her elekte toplanan kum miktar, tartm kabna bo³altlarak terazide
ölçülür. Ölçülen kum örne§i tekrar toplanarak, partikül büyüklüklerin azaltlmas amacyla ö§ütülmek üzere bilyal de§irmene alnr.
Bilyal de§irmen elektrik motoru ile çal³trlan paslanmaz çelik bir silindirden
ibarettir. Ö§ütme amacyla de§irmen içine seramik bilyalar yerle³tirilir. De§irmen hz ayarlanr.
Bilyal de§irmende de bir süre ö§ütülen kum numunesi
tekrar elek analizinden geçirilir.
Pnömatik ta³ma sistemi: Sistemin arkasnda pnömatik ta³ma amacyla enjektöre hava sa§layan bir kompresör bulunmaktadr.
Enjektörün çeki³ kol-
unda madde giri³i için elastik bir boru bulunmaktadr. Enjektör çk³ maddenin havadan ayrlmasn sa§layan cam bir siklona ba§ldr. Havann siklona
te§etsel giri³i ile kazand§ döner hareket partiküllerin merkezkaç kuvveti altnda siklon içine do§ru hareket etmelerini sa§lamaktadr. Deneyde kullanlan
tuz, silo içerisine bo³altlarak enjektörün çeki³ kolu siloya daldrlr.
Sistem
çal³trlarak belirli bir süre içinde tartm kabna dolan tuz miktar dijital terazide ölçülür.
Pnömatik ta³ma hz belirlenir.
Deney düzene§i Ek'de ver-
ilmi³tir.
Deney Sisteminin ³letimi
1. Elek analizi :
Elek geni³likleri 2000, 1000, 710, 500 ,355, 250 mikron
olan elekler ve en altta toplama kab olacak ³ekilde vibratörün üstüne
yerle³tirilir. Sisteme enerji veren dü§me açlr.
248
Kat - Kat Ayrma
2. Bilyal de§irmen : Numune ve seramik bilyalar silindir içine kapak gev³etilerek konur. Daha sonra kapak sk³trlarak eleme süresince istenilen devir/dak hzla çal³trlr.
3. Cam siklon : Hava ve tuz kar³mn ayrmak için kullanlanlr.
Kom-
presör vastasyla pnömatik ta³ma sistemine giren hava silo içinde bulunan tuzu çekerek cam siklona ta³maktadr. Siklonun tepesinden temiz
hava altan ise tuz alnr.
4. Orifs : 6, 9, 12 ve 15 mm çapl orislerde numune ak³ hzlar belirlenir.
Deney srasnda hesaplamalarda kullanlmak üzere a³a§daki veriler elde edilecektir.
•
Numunenin bilyal de§irmenden önce ve sonra elenmesi ile her bir elekte
kalan kütlenin tartm
•
Farkl orifs çaplarndan ak³ hzlarnn ölçümü
•
•
•
Bilyal de§irmenden önce ve sonra elek alt ve elek üstü graklerin çizilmesi
Her bir elekte tanecik says ve toplam yüzey alan hesab
Orifs için ak³ hz çap ili³kisini veren denklemin k ve n sabitlerinin
hesaplanmas (Q
= kDn )
Kaynaklar
[1] R.H. Perry, D.Green, Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6th ed., pp.
8-5, McGraw Hill, (1985).
[2] W.L. Mc Cabe, J. C. Smith, Unit Operations of Chemical Engineering,
McGraw Hill, 2nd ed., (1967).
Ara³.Gör. Ay³e Ezgi Ünlü Büyüktopçu
249
Kat - Kat Ayrma
Çizelge 8.8.5: Tyler elek serisi
Me³
says
+
+
0.525
+
2 21 +
3
3 21 +
4
5+
6
7+
8
9+
10
12+
14
16+
20
24+
28
32+
35
42+
48
60+
65
80+
100
115+
150
170+
200
Net delik açkl§
(in)
1.050
0.883
0.742
0.624
13.33
0.441
0.371
0.312
0.263
0.221
0.185
0.156
0.131
0.110
0.093
0.078
0.065
0.055
0.046
0.0390
0.0328
0.0276
0.0232
0.0195
0.0164
0.0138
0.0116
0.0097
0.0082
0.0069
0.0058
0.0059
0.0041
0.0035
0.0029
Net delik açkl§
(mm)
26.67
22.43
18.85
15.85
1/2
11.20
9.423
7.925
6.680
5.613
4.699
3.962
3.327
2.794
2.362
1.981
1.651
1.397
1.168
0.991
0.833
0.701
0.589
0.495
0.417
0.351
0.295
0.246
0.208
0.175
0.147
0.124
0.104
0.088
0.074
Yakla³k delik açkl§
(in)
1
7/8
3/4
5/8
0.105
7/16
3/8
5/16
1/4
7/32
3/16
5/32
1/8
7/64
3/32
5/64
1/16
3/64
1/32
1/64
Tel çap
(in)
0.148
0.135
0.135
0.120
0.105
0.092
0.088
0.070
0.065
0.065
0.044
0.036
0.0328
0.032
0.033
0.035
0.028
0.025
0.0235
0.0172
0.0141
0.0125
0.0118
0.0122
0.01
0.0092
0.0070
0.0072
0.0056
0.0042
0.0038
0.0026
0.0024
0.0021
+ i³aretli elekler ara eleklerdir ve standart elek serisindeki eleklerin arasna konulmu³tur. Bu
√
√
eleklerin konulmas ile ard arda gelen iki ele§in delik açklklarnn oran 1/ 2 de§il, 1/ 4 2
olmaktadr.
250
Kat - Kat Ayrma
Figure 8.8.12: Kat - kat ayrma deney sistemi
251
8.9
Siklon Ayrclar
SKLON AYIRICILAR
252
Siklon Ayrclar
Genel Bilgiler
Kimya mühendisli§inde gaz-kat ayrma i³lemleri pek çok üretim prosesinde
uygulanmaktadr.
Bunlar, çimento, metalurji, enerji, cam gibi endüstriyel
prosesler olarak snandrlabilir.
Çimento üretiminde oldu§u gibi, prosesin
son ürünü çok küçük kat parçacklar ise, ürün kayplarnn önlenmesi bakmndan gaz-kat i³lemlerinin uygulanmas bir zorunluluktur. Bununla birlikte, hassas yakma sistemlerinde havann ltre edilmesi, pirit cevherinin yaklmas ile
SO2 üretiminin yapld§ sistemlerde sürüklenen pirit ve demir oksit' in tutulmas, fosil yaktlara uygulanan gazla³trma, briketleme, yakma gibi i³lemlerde
toz kaçaklarnn önlenmesi, kat taneciklerin kurutulmas, haval ta³yc sistemleri ile kat parçacklarn ta³nmas vb. i³lemler için gaz-kat ayrclar kullanlmaktadr.
Gaz-kat ayrclar çal³ma prensiplerine göre; termal ve elek-
trostatik olarak gruplanabildi§i gibi, ak³kanlar mekani§i prensiplerine göre;
yerçekimsel çöktürücüler, mekanik çarpmal snandrclar, santrifüj ayrclar
ve siklonlar ³eklinde de gruplandrlabiliriler. Bu deneysel çal³mada, bir gazkat ayrma ünitesi olan siklonlarda, farkl büyüklükteki tanecil içeren kat
kar³mnn ta³yc hava yardm ile parçack büyüklü§üne göre ayrlmas ve
önemli bir tasarm parametresi olan terminal hzn (Ut) belirlenmesi temel
amaçtr.
Hareketli bir ak³kan içinde bulunan bir kat parçac§a etkiyen kuvvetler, ekil
8.9.1' de ³ematik olarak gösterilmi³tir. Burada, toplam net kuvvet a³a§daki
e³itlik ile verilebilir.
FE − FD − FB = m
dU
dt
Bu ifadedeki terimler açk olarak yazld§nda,
maE − CD ρAp
U2
ρ
dU
− maE
=m
2
ρs
dt
ve e³itli§inin her iki yan m ile bölünüp,
aE = g
alnd§nda, a³a§daki e³itlik
elde edilir.
g(1 −
ρ
U2
dU
) − CD ρAp
=
ρs
2m
dt
g
:
Yerçekimi ivmesi
ρ
ρs
CD
Ap
:
Ak³kann yo§unlu§u
:
Katnn yo§unlu§u
:
Sürükleme katsays
:
Kat taneciklerin ak³ yönüne dik kesit alan, (
U
:
Ak³kann çizgisel hz,
m
:
Kat taneciklerin kütlesi (
Dp
:
Parçacklarn çap
t
:
Zaman
π 2
D )
4 p
π 3
D ρs )
6 p
253
Siklon Ayrclar
Di§er yandan, terminal hz (Ut ), zamanla de§i³imin olmad§ durumdaki hz
olarak tanmland§ndan [
düzenlenmesiyle
s
Ut =
Ut
dUt
dt
= 0
ise
U = Ut ],
yukardaki e³itli§in yeniden
(terminal hz) elde edilir.
4(ρs − ρ)gDp
3ρCD
g = aE = rw2 olarak
b
verilebilir. Farkl sistemlere özgü olark daha genel bir ifade ile, ivme, aE = n
r
F
³eklinde verilebilmektedir. Ayrca, sürükleme katsays, CD = 2 D
ρAp e³itli§i
U2
ile verilebilir. Buna göre, Ut = f (CD ) oldu§undan, öncelikle ekil 8.9.3' te
verilen (CD -Re) gra§i yardm ile Reynolds (Re) says hesaplanarak çal³ma
Siklonlarda kat taneciklerin hareketi dairesel oldu§undan
bölgesi belirlenir.
1. Re<2 ise Stokes rejimi geçerlidir
3πµUt Dp
Bu bölgede,
CD =
ve
FD =
Bu bölgede,
CD =
olarak verilebilir. Buna göre a³a§daki ifade yazlabilir.
aE (ρs − ρ)Dp2
18µ
Ut =
2. 2 < Re < 500 ise Geçi³ bölgesi rejimi geçerlidir
18.5
Re0.6
Ut =
24
Re
ve
FD = 2.3πµ0.6 (Ut Dp )1.4 ρ0.4 `dir.
Buna göre a³a§daki ifade yazlabilir.
0.71 D 1.14
0.153a0.71
p
E (ρs − ρ)
ρ0.29 µ0.43
3. 500 < Re < 200000 ise Newton rejimi geçerlidir
Bu bölgede,
CD = 0.44
ve
FD = 0.055π(Ut Dp )2 ρ
olarak verilebilir. Buna göre
a³a§daki ifade yazlabilir.
s
Ut = 1.74
aE (ρs − ρ)Dp
ρ
Baz durumlarda, U bilinmedi§inden Re ve çal³ma bölgesi belirlenemez. Di§er
yandan,
Ut , aE '
ye ba§l oldu§undan deneysel olarak da bulunamaz. Bu ne-
denle hesaplamalara yardmc olmas bakmndan K tanmlanm³tr.
Bu du-
rumda K, a³a§daki e³itlik ile tanmlanmaktadr.
r
K=
Dp3
aE ρ(ρs − ρ)
µ2
K<3.3 ise Stokes Bölgesi, 3.3<K<44 ise Geçi³ Bölgesi ; 44<K<2360 ise, New-
ton Bölgesi geçerlidir. Siklon ile ayrma i³lemlerinde genellikle küçük parçacklarla çal³ld§ndan gaz hzna ba§l olmakszn Stokes bölgesinde kalnr. Bu
254
Siklon Ayrclar
nedenle, terminal hzn hesaplanmasnda a³a§da verilen e³itli§inin kullanlmas
uygundur.
Ut =
aE (ρs − ρ)Dp2
18µ
Bu hesaplamalarda, K
'
3 alnarak
aE
lanlarak yukardaki e³itlik yardm ile
Ut
bulunur ve ölçülen
Dp
de§eri kul-
hesaplanr. Bu durumda Re =
³eklinde verilebilir.
K
18
Amaçlar
Emme üeci (blower), sonsuz vida ³eklindeki kat (conveyor screw) besleyici,
standart ölçü ve farkl büyüklükte iki adet seri ba§l siklon ve buna ba§l torba
ltrelerden olu³an deney düzene§i ekil 8.9.2' de gösterilmi³tir. Deneysel çal³mann amaçlar ³öyle sralanabilir;
•
•
Bir kat kar³mnn parçack büyüklü§üne göre snandrlmas
Snandrlan parçacklarn kütle fraksiyonu belirlenerek ortalama büyüklüklerinin bulunmas
•
Sistemdeki havann terminal hz hesaplanarak çal³ma bölgesinin belirlenmesi
• [Ut − Dp ]
ve
[Ut − Dp2 ]
arasndaki graksel ili³kinin belirlenerek yorum-
lanmas
Materyal ve Metod
Bu deneysel çal³mada, farkl büyüklükte kat parçack içeren bir kat kar³mn
parçack büyüklü§üne göre snandrmak için gerekli i³lemler ³öyle sralanabilir:
1. Snandrlmak istenen kar³mn kütlesi (yakla³k 300 g kum) tartlmak
suretiyle belirlenir
2. Kar³m vidal ta³ycya ba§l besleme bunkerine konur
3. Seri ba§l siklonlarn alt ksmna ayrlan katlar toplamak için torbalar
ba§lanr
4. Hava emi³ üeci çal³trlr ve sisteme hava giri³ hz klapeler ile ayarlanr
5. Vidal kat besleyici çal³trlr
6. Bunkerdeki kat kar³m bitinceye kadar çal³maya devam edilir
7. Her iki siklonda toplanan katlarn kütleleri belirlenir
8. Her iki siklonda toplanan katlarn ortalama büyüklükleri (en az 10 kez
yinelenerek) belirlenir.
255
Siklon Ayrclar
Figure 8.9.1: Hareketli bir ak³kan içindeki kat üzerine etki eden kuvvetlerin
³ematik gösterimi
Kaynaklar
[1] Sinnot, R. K., An Introduction to Chemical Engineering Design, Vol. 6,
USA, 1993.
[2] Perry, R. H., Chilton C.H., Chemical Engineers' Handbook, 7th ed., McGrawHill, USA, 1997.
Prof.Dr. Ülkü Mehmeto§lu
YL Ö§rencisi Günay Baydar
256
Siklon Ayrclar
Figure 8.9.2: Siklon ayrma deney sistemi
Figure 8.9.3: Sürükleme katsays - Reynolds ili³kisi (CD - Re)
257

laboratuvar el k tabı - Kimya Mühendisliği Bölümü

Transkript

Benzer belgeler

TOPLUMSAL ÜRETKENLİĞE ODAKLI KİMYA MÜHENDİSLİĞİ

sayfa 11 - Spormeydani.org

kimya öğretmenlerinin öğretim yaklaşımlarının lise 1. ve 2. sınıf