tc süleyman demirel üniversitesi fen bilimleri enstitüsü azot
advertisement
T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ AZOT SIVILAŞTIRMA PROSESİNİN ENERJİ VE EKSERJİ ANALİZİ Arif KARABUĞA Danışman Prof. Dr. Reşat SELBAŞ YÜKSEK LİSANS TEZİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ISPARTA - 2016 © 2016 [Arif KARABUĞA] TEZ ONAYI Arif KARABUĞA tarafından hazırlanan "Azot Sıvılaştırma Prosesi Enerji ve Ekserji Analizi" adlı tez çalışması aşağıdaki jüri üyeleri önünde Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Enerji Sistemleri Mühendisliği Anabilim Dalı’nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak başarı ile savunulmuştur. Danışman Prof. Dr. Reşat SELBAŞ Süleyman Demirel Üniversitesi .............................. Jüri Üyesi Prof. Dr. Ali Kemal YAKUT Süleyman Demirel Üniversitesi .............................. Jüri Üyesi Yrd. Doç. Dr. Hilmi YAZICI Pamukkale Üniversitesi .............................. Enstitü Müdürü Doç.Dr. Yasin TUNCER .............................. TAAHHÜTNAME Bu tezin akademik ve etik kurallara uygun olarak yazıldığını ve kullanılan tüm literatür bilgilerinin referans gösterilerek tezde yer aldığını beyan ederim. Arif KARABUĞA İÇİNDEKİLER Sayfa İÇİNDEKİLER ............................................................................................................. i ÖZET .................................................................................................................. iii ABSTRACT ................................................................................................................ iv TEŞEKKÜR ................................................................................................................. v ŞEKİLLER DİZİNİ..................................................................................................... vi ÇİZELGELER DİZİNİ .............................................................................................. vii SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ ............................................................. viii 1. GİRİŞ ................................................................................................................... 1 1.1. Kriyojeni ........................................................................................................... 4 1.2. Kriyojenin Tarihçesi ......................................................................................... 5 1.3. Kriyojen ............................................................................................................ 9 1.3.1. Helyum .................................................................................................... 11 1.3.2. Hidrojen ................................................................................................... 15 1.3.3. Oksijen .................................................................................................... 18 1.3.4. Azot ......................................................................................................... 19 1.3.5. Argon ....................................................................................................... 21 1.4. Kriyojeninin Kullanım Alanları...................................................................... 23 1.5. Hava Ayırma Teknolojileri............................................................................. 25 1.5.1. Kriyojenik saflaştırma işlemi .................................................................. 26 1.5.2. Basınç salınımlı adsorpsiyon işlemi ........................................................ 29 1.5.3. Membran ayırma işlemi .......................................................................... 30 1.6. Gazların Sıvılaştırılması ................................................................................. 31 1.6.1. Linde – Hampson sistemi ........................................................................ 32 1.6.2. Claude sistemi ......................................................................................... 33 1.6.3. Ön soğutma sistemi ................................................................................. 34 1.6.4. Kaskad sistemi......................................................................................... 34 2. LİTERATÜR ÖZETİ ............................................................................................ 36 3. MATERYAL VE YÖNTEM ................................................................................ 39 3.1. Hava Ayrıştırma Ünitesi Atmosferik Bölümü ................................................ 39 3.1.1. F-10 Hava giriş filtresi ............................................................................ 39 3.1.2. CP – 11 Hava kompresörü ...................................................................... 40 3.1.3. R-15 Hava soğutucu ................................................................................ 40 3.1.4. SP – 169 Su seperatörü............................................................................ 40 3.1.5. D – 16 A/B PPU yatakları ....................................................................... 41 3.1.6. F – 162 PPU çıkış filtresi ........................................................................ 41 3.1.7. HE – 163 Rejenerasyon gaz ısıtıcısı........................................................ 41 3.2. Hava Ayrıştırma Ünitesi Soğuk Bölümü ........................................................ 42 3.2.1. Cold box .................................................................................................. 42 3.2.2. C – 29 Ham argon kolonu ....................................................................... 45 3.2.3. C – 30 Düşük basınç kolonu ................................................................... 46 3.2.4. HE – 21 A/B Ana eşanjörler ................................................................... 46 3.2.5. SP – 331 LO2 Aşırı soğutucu tankı ......................................................... 47 3.3. Azot Sıvılaştırma Ünitesi ve Ekipmanlar ....................................................... 48 3.3.1. CP – 70 Azot geri çevirim kompresörü ................................................... 50 3.3.2. CE – 77 Booster kompresör/türbin.......................................................... 51 3.3.3. HE – 771 Booster kompresörü son soğutucu .......................................... 52 3.3.4. R – 60 Azot chilleri ................................................................................. 52 i 3.3.5. HE – 71 Sıvılaştırıcı eşanjörü ................................................................. 53 3.3.6. HE – 72 Sıvılaştırıcı eşanjörü ................................................................. 53 3.3.7. HE – 73 Sıvılaştırıcı eşanjörü ................................................................. 54 3.4. Azot Sıvılaştırma Ünitesi Birinci Yasa Analizi .............................................. 54 3.4.1. CP-70 Kompresörünün birinci yasa analizi ............................................ 56 3.4.2. CE-77 Kompresörünün birinci yasa analizi ............................................ 56 3.4.3. HE-771 Kompresör sonrası son soğutucunun birinci yasa analizi ......... 57 3.4.4. HE-71 Isı değiştiricisinin birinci yasa analizi ......................................... 57 3.4.5. R-60 Azot chillerinin birinci yasa analizi ............................................... 58 3.4.6. HE-72 Isı değiştiricisinin birinci yasa analizi ......................................... 58 3.4.7. CE-77 Türbininin birinci yasa analizi ..................................................... 59 3.4.8. HE-73 Isı değiştiricisinin birinci yasa analizi ......................................... 60 3.5. Azot Sıvılaştırma Ünitesi İkinci Yasa Analizi ............................................... 60 3.5.1. CP-70 Kompresörünün ekserji analizi .................................................... 63 3.5.2. CE-77 Kompresörünün ekserji analizi .................................................... 63 3.5.3. HE-771 Kompresör sonrası son soğutucunun ekserji analizi.................. 64 3.5.4. HE-71 Isı değiştiricisinin ekserji analizi ................................................. 64 3.5.5. R-60 Azot chillerinin ekserji analizi ....................................................... 64 3.5.6. HE-72 Isı değiştiricisinin ekserji analizi ................................................. 65 3.5.7. CE-77 Türbininin ekserji analizi ............................................................. 65 3.5.8. HE-73 Isı değiştiricisinin ekserji analizi ................................................. 66 4. ARAŞTIRMA BULGULARI ............................................................................... 70 5. TARTIŞMA VE SONUÇLAR .............................................................................. 80 6. KAYNAKLAR ...................................................................................................... 81 ÖZGEÇMİŞ ............................................................................................................... 85 ii ÖZET Yüksek Lisans Tezi AZOT SIVILAŞTIRMA PROSESİNİN ENERJİ VE EKSERJİ ANALİZİ Arif KARABUĞA Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Enerji Sistemleri Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Reşat SELBAŞ Bu tez çalışmasında gerçek bir azot sıvılaştırma ünitesi incelenmiştir. İncelenen azot sıvılaştırma ünitesi hava ayrıştırma ünitesine entegre bir sistemdir. Hava ayrıştırmada elde edilen azot gazı sıvılaştırma ünitesinin kaynağını oluşturmaktadır. İncelenen azot sıvılaştırma ünitesinin enerji ve ekserji analizi yapılmıştır. Yapılan nümerik hesaplamalarda ve grafik çizimlerinde EES (Equation Engineering Solver) programı kullanılmıştır. Yapılan bu termodinamik hesaplamalar sonucunda sistemin ekserji verimi % 36, COPgerçek ve COPtersinir değerlerininde sırasıyla 0.2801 ve 0.77 olduğu hesaplanmıştır. Bununla birlikte azot sıvılaştırma ünitesinde bulunan eşanjör bloğu, HE-71, HE-72 ve HE-73’ den oluşmaktadır. Yapılan hesaplamalar sonucunda her bir eşanjör için ekserji verimi bulunmuştur. HE-71, HE-72 ve HE-73 eşanjörleri için sırasıyla 0.55, 0.81 ve 0.89 ekserji verimi hesaplanmıştır. Anahtar Kelimeler: Azot sıvılaştırma ünitesi, ekserji verimi, azot, kriyojen 2016, 84 sayfa iii ABSTRACT M.Sc. Thesis ENERGY AND EXERGY ANALYSIS OF NITROGEN LIQUEFACTION PROCESS Arif KARABUĞA Süleyman Demirel University Graduate School of Applied and Natural Sciences Department of Energy Systems Engineering Supervisor: Prof. Dr. Reşat SELBAŞ In this study; a real nitrogen liquefaction unit has been examined. This nitrogen liquefaction unit is integrated to an air separation unit. Nitrogen provided by air separation creates the source of liquefaction unit. Energy and exergy analysis of the studied nitrogen liquefaction unit has been done. In numerical calculations and graphics EES (Equation Engineering Solver) software has been used. In results of thermodynamic calculations; exergy efficiency %36, COPactual 0.2801 and COPreversible 0.77 has been calculated. Furthermore, heatexchanger block in nitrogen liquefaction unit is formed from HE-71, HE-72, HE-73. For each heat exchanger; exergy efficiency has been calculated. Exergy efficiency values are 0.55, 0.81 and 0.89 respectively. Keywords: Air separation unit, exergy efficiency, nitrogen, cryogen 2016, 84 pages iv TEŞEKKÜR Yüksek lisans eğitimim boyunca bana yardımcı olan ve yol gösteren, insani ve ahlaki değerler ilede örnek aldığım, anlayışı, hoşgörüsü ve engin bilgisi ile her konuda desteğini hissettiğim çok değerli danışman hocam Prof. Dr. Reşat SELBAŞ’a, Tez hazırlama ve yazım aşamasında desteklerini ve ilgilerini benden esirgemeyen karşılaştığım her zorlukta bana yol gösteren Doç. Dr. Ahmet KABUL, Uzman Gamze YAKUT ve Öğretim Görevlisi Fatih YILMAZ’a, 4350-YL1-15 No’lu Proje ile tezimi maddi olarak destekleyen Süleyman Demirel Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Yönetim Birimi Başkanlığına, Zor ve sıkıntılı günlerimde beni yalnız bırakmayan, destekleri ve varlıklarıyla bana güç veren, tezimin yazılmasında karşılaştığım tüm engellerde bana yardım eden Yrd. Doç. Dr. Hilal YAKUT İPEKOĞLU ve Orçun İPEKOĞLU ailesine, Uzm. Dr. Melik Ziya YAKUT, Demet KUTGİ ve Serdal KALAY’ a, Beni bugüne getiren en çaresiz ve karanlık anlarımda bana çıkış yolumu gösteren, hayatıma ışık tutan ve yaşamıma anlam katan babam Altay KARABUĞA, annem Selver KARABUĞA ve kardeşim İ. Serhat KARABUĞA’ ya Minnetlerimi sunarak teşekkür ederim. Arif KARABUĞA ISPARTA, 2016 v ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa Şekil 1.1. Hava içerisindeki gaz bileşenlerinin dağılımı .............................................. 1 Şekil 1.2. Kriyojenin tarihsel gelişimi.......................................................................... 9 Şekil 3.2. Helyumun P – T diyagramı ........................................................................ 12 Şekil 3.3. Doymuş buhar basıncı altında sıvı helyumun özgül ısısı........................... 13 Şekil 3.4. He II’nin normal akış viskozitesi ............................................................... 14 Şekil 3.5. Doymuş buhar basıncı altında sıvı He II’nin entropisi .............................. 14 Şekil 3.6. Normal hidrojen ile para-hidrojenin özgül ısılarının karşılaştırılması ....... 16 Şekil 3.7. Normal hidrojen ve para-hidrojenin ısıl iletkenliğinin karşılaştırılması .... 17 Şekil 3.8. Normal hidrojen ile para-hidrojenin viskozitesinin karşılaştırılması......... 18 Şekil 3.9. Atmosferik gazların buhar basınç eğrileri.................................................. 27 Şekil 3.10. Kriyojenik saflaştırma ile hava ayırma yöntemi ...................................... 28 Şekil 3.11. Basınç Salınımlı Adsorpsiyon işlemi ile hava ayırma yöntemi ............... 30 Şekil 3.12. Membranlı ayırma sistemi ....................................................................... 31 Şekil 3.13. Linde-Hampson yönteminin şematik görünümü ..................................... 32 Şekil 3.14. Claude sisteminin şematik görünümü ...................................................... 34 Şekil 3.15. Kaskad soğutma sisteminin şematik gösterimi ........................................ 35 Şekil 4.1. Hava ayrıştırma ünitesi atmosferik bölüm ................................................. 39 Şekil 4.2. Cold box içerisinde bulunan ekipmanlar ve akış hattı ............................... 42 Şekil 4.3. Kriyojenik hava ayırma ünitelerinde kullanılan distilasyon kolonu .......... 43 Şekil 4.4. Kolon içerisinde bulunan örnek bir tepsi ................................................... 44 Şekil 4.5. Azot sıvılaştırma ünitesi genel görünümü ................................................. 49 Şekil 4.6. Azot sıvılaştırma ünitesi tesisat şeması...................................................... 50 Şekil 4.7. Azot geri çevrim kompresörü .................................................................... 51 Şekil 4.8. Booster kompresör/türbin .......................................................................... 52 Şekil 4.9. Booster kompresörü son soğutucu ............................................................. 52 Şekil 4.10. Azot Chilleri ............................................................................................ 53 Şekil 4.1. Sıvılaştırma ünitesinin P-h diyagramı ........................................................ 71 Şekil 4.2. Sıvılaştırma ünitesinin T-s diyagramı ........................................................ 72 Şekil 4.3. Azotun T-s diyagramındaki basınç eğrileri................................................ 72 Şekil 4.4. Sıvılaştırma ünitesinin h-s diyagramı ........................................................ 73 Şekil 4.5. T2 sıcaklığına bağlı olarak ekserji verimindeki değişim grafiği ................ 74 Şekil 4.6. T0 sıcaklığına göre COPgerçek ve COPtersinir değişim grafiği ....................... 75 Şekil 4.7. T0 sıcaklığına göre HE-71 ve HE-72 ısı değiştiricilerindeki verim değişim grafiği ...................................................................................................... 76 Şekil 4.8. T17 sıcaklığına bağlı olarak Coptersinir değişim grafiği ............................... 77 Şekil 4.9. T17 sıcaklığına bağlı olarak qL sıvı ve wtersinir de meydana gelen değişim grafiği ...................................................................................................... 78 Şekil 4.10. h17 ve S17 artışlarına bağlı olarak qL sıvı ve wtersinir de meydana gelen değişim grafiği......................................................................................... 78 Şekil 4.11. h4 değerine bağlı olarak Copgerçek ve ekserji verimindeki değişim grafiği 79 vi ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa Çizelge 1.1. Hava içerisindeki gazların hacim ve ağırlık oranları ............................... 2 Çizelge 1.2. Hava içerisinde bulunan gazların kaynama noktaları .............................. 3 Çizelge 1.3. Bazı kriyojenlerin özellikleri ................................................................. 10 Çizelge 1.4. Çeşitli kriyojenik akışkanların kritik nokta, üçlü nokta ve normal kaynama nokta özellikleri ..................................................................... 10 Çizelge 1.5. Oksijenin termodinamik özellikleri ....................................................... 19 Çizelge 1.6. Azotun termodinamik özellikleri ........................................................... 21 Çizelge 1.7. Argonun termodinamik özellikleri ......................................................... 23 Çizelge 1.8. Hava ayırma yöntemlerinin karşılaştırılması ......................................... 26 Çizelge 4.1. Sıvılaştırma ünitesi için hesaplanan değerler ......................................... 74 vii SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ ASU c cp cv COP e E EER F G h ke KE m 𝑚̇ P Pkr P0 Ptp pe PE q Q 𝑄̇ R s S süretimi Süretim T Tkr Ttp TH TL T0 u U 𝑣 V 𝑉̇ w W y z η ηII ρ Δ Hava ayırma ünitesi Özgül ısı Sabit basınçta özgül ısı Sabit hacimde özgül ısı Performans katsayısı Özgül toplam enerji Toplam enerji Enerji etkinlik oranı Kuvvet Yerçekimi ivmesi Özgül entalpi Özgül kinetik enerji Toplam kinetik enerji Kütle Kütle debisi Basınç Kritik basınç Çevre basıncı Üçlü nokta basıncı Özgül potansiyel enerji Toplam potansiyel enerji Birim kütle için ısı geçişi Toplam ısı geçişi Birim zamanda ısı geçişi Gaz sabiti Özgül entropi Toplam entropi Özgül entropi üretimi Toplam entropi üretimi Sıcaklık Kritik sıcaklık Üçlü nokta sıcaklığı Yüksek sıcaklıktaki cisim sıcaklığı Düşük sıcaklıktaki cisim sıcaklığı Çevre sıcaklığı Özgül iç enerji Toplam iç enerji Özgül hacim Toplam hacim Hacimsel debi Birim kütle için iş Toplam iş Sıvılaşma fraksiyonu Yükseklik Verim İkinci yasa verimi Yoğunluk Fark viii 1. GİRİŞ Dünyanın çevresi atmosfer tarafından sarılmaktadır. Dünyayı çevreleyen bu atmosferde ki kuru havanın en önemli bileşenleri Çizelge 1.1’de gösterildiği gibi havanın hacimsel olarak % 99.05 azot ve oksijenden, % 0,93 argondan, % 0,033 karbon dioksitten ve % 0.002’lik bir kısmı da diğer gazlardan oluşmaktadır (Bhunya, 2014). Hava içerisinde bulunan temel gazların yanı sıra diğer gazlarda Şekil 1.1’de gösterilmektedir. Havanın tüm bileşenleri incelenirse; toz, su buharı, karbondioksit (CO2), hidrokarbonlar (metan, etan, propan ve asetilen gazı), nadir bulunan gazlar (helyum, neon, kripton ve ksenon) ve hava içerisinde çeşitli oranlarda kirletici gazlar mevcuttur (The Linde Group, 2009). Hava içerisindeki gazların hacim ve ağırlık oranlarının dağılımı Çizelge 1.1’de verilmiştir. 0,93% 20,95% 0,038% 1. Azot 0,005% 2. Oksijen 0,0018% 3. Argon 0,0005% 0,0001% 4. Karbon dioksit 0,000009% 6. Hidrojen 5. Xenon 7. Neon 8. Kripton 78,08% 9. Helyum Şekil 1.1. Hava içerisindeki gaz bileşenlerinin dağılımı 1 Çizelge 1.1. Hava içerisindeki gazların hacim ve ağırlık oranları Element Azot Oksijen Argon Karbon Dioksit Diğer Gazlar Kimyasal sembol N2 O2 Ar CO2 --- Hacim % 78,08 20,95 0,93 0,033 0,002 Ağırlık % 75,5 23,1 1,29 0,05 0,06 Hava ayırma işlemi, havanın içerisindeki bileşenleri ayırıp endüstriyel ve medikal alanda hizmete sunulmasıdır (Cornelissen ve Hırs, 1998). Sıvılaştırmanın ilk aşamasını oluşturmasından dolayı ayırma ve saflaştırma işlemi büyük önem arz etmektedir. Proses girişi atmosferden gelen havadır ve işlem sonucunda oksijen, azot ve argon ayrı ayrı elde edilir (Lee ve Jeng, 2010). Hava içerisinde en çok bulunan ve inert bir gaz olan azot, kimyasal işlemlerde kullanılır. Oksijen ise hem endüstriyel hem de tıp alanında kullanılması amaçlanmaktadır. Hava ayırma işlemleri üç farklı metotla yapılabilmektedir. Bunlar, kriyojenik saflaştırma işlemi, basınç salınımlı adsorpsiyon (PSA) işlemi ve membranlı ayırma işlemidir. Kriyojenik saflaştırma işlemi, yüksek saflıkta ürünler istendiğinde kullanılır. PSA işleminde, % 98 ile 99,5 bir saflığa ulaşmak için azot akışının 10 ile 100 m3/s’lik bir akış hacmine ihtiyaç duymaktadır. Membranlı ayırma işlemi, düşük akışlarda, 10 m3/s’den daha az ve düşük saflıkta, % 98,5 den daha az, kullanılır (Cornelissen ve Hırs, 1998). Birçok hava ayırma tesislerinde sıvı formda üç gaz üretilir. Dahası bazı tesisler gaz formunda oksijen ve/veya azot üretir. İstisnai olarak bazı tesisler sadece gaz fazında azot üretir. Hava ayırma tesisleri farklı formlara, ürünlere, üretim kapasitesine ve saflığa bağlı olarak inşa edilir. Bununla birlikte tüm bu farklı hava ayırma tesislerin yapıları ve çalışma metotlarının temel prensipleri neredeyse benzerdir. Kriyojenik sürecin karakteristik yapısı, akışkanların kaynama noktalarının birbirine yakın olması ve ısı transferidir (The Linde Group, 2011). 2 Hava içerisinde bulunan gazların kaynama noktalarının ölçümü atmosferik basınçta yapılır (Çizelge 1.2). Bunun yanında basınca bağlı olarak kaynama noktaları da değişmektedir. Çizelge 1.2. Hava içerisinde bulunan gazların kaynama noktaları Hava gazları Molekül Formülü Propan Karbondioksit Asetilen Etan Etilen Ksenon Kripton Metan Oksijen Argon Azot Neon Hidrojen Helyum C3H8 CO2 C2H2 C2H6 C2H4 Xe Kr CH4 O Ar N Ne H He Kaynama noktası °C K -42 231 -79 216 -84 190 -89 185 -104 169 -108 165 -153 120 -162 112 -183 90 -186 87 -196 77 -246 27 -253 20 -269 4 Havadan oksijen ve azot elde edilmesi, hidrojenin karbon monoksit, metan veya azottan ayrılması gibi gaz ayırma prosesleri kimya endüstrisinde oldukça fazla enerji tüketen, basınç salınımlı adsorpsiyon, absorpsiyon ve kriyojenik distilasyon yöntemleriyle gerçekleşmektedir. Geleneksel sistemlere olan üstünlüklerine rağmen membran esaslı gaz ayırma proseslerinin endüstriyel alanda yaygınlaşamamasının nedeni, yeterince yüksek seçici geçirgenliğe sahip olamamalarıdır (Atalay Oral vd., 2006). Azot gazı, kimya endüstrisinin ana ürünüdür. Çünkü azot inert bir gaz, kimyasal üretimi, işlenmesi ve taşınması gibi çeşitli yönleri kapsayan geniş ölçekli kullanımı mümkündür. Düşük reaktifliğinden dolayı azot, ürünleri zararlı kirleticilerden mükemmel koruma ve arındırma yapan bir gazdır. Azot ayrıca güvenle depolanmaya da imkân vermektedir (Ivanova ve Lewis, 2012). Kimyasal proses endüstrisinde (CPI) azotun yayılan ve büyüyen kullanımı nedeniyle endüstriyel gaz şirketleri sürekli azot üretim yöntemlerini geliştirmekte ve kimyacılar için daha verimli, uygun maliyette üretim yapmaktadır. Çoklu azot teknolojileri ve 3 destek kipleri artık saflık ve güç tüketimi gibi bir dizi özellikleri karşılaya bilmektedir. Klasik kriyojenik distilasyon yöntemi ile üretilen azot PSA veya membran sistemine göre çok daha yüksek saflıkta olabilir (Ivanova ve Lewis, 2012). Düşük sıcaklık tekniklerinin birçoğu, insanların hayatta kalma mücadeleleri sırasında çevre şartlarından nasıl korunacaklarını buldukları zamandan itibaren gelişmeye başlamıştır. Kutuplarda yaşayan Eskimolar ince bir şekilde ayrılmış kürk-hava karışımıyla kutuplarda çok verimli bir ısı yalıtımı yöntemi bulmuştur. Aynı şekilde çöl Arapları çok katmanlı kumaş-hava boşluklu kıyafetler yardımıyla yazları hayatta kalabilmektedir. İlk soğutma sistemleri muhtemelen evaporatif soğutmadır. Sıcak kuru bir ortamda seramik kaplar içerisindeki suyun çatlaklardan yavaş yavaş sızmasıyla buharlaşması sonucu oluşmaktadır (White and Meeson, 2002). Evaporatif soğutmada ısı transferi katsayısı yüksek, buharlaşma eğilimi fazla olan suyun buharlaşma esnasında çevresinden ısı çekmesi mantığı göz önünde bulundurarak bu önergenin doğruluğunu artırmaktadır. Mühendislik bakış açısından, soğutmanın ilk metotları (White ve Meeson, 2002); Sıvının hızlı bir şekilde buharlaştırılması. Diğer sıvılar aracılığıyla absorpsiyon sırasında sıvının buharlaşması. Sıkıştırılmış gazların genleşmesi. 1.1. Kriyojeni Kriyojeni, çok düşük sıcaklıklar teknolojisi ve bilimidir. Geleneksel bir tanımla, kriyojenik çalışma alanı 120 K’in altındaki sıcaklıklarda başlar. Kriyojeni her ne kadar anlaşılması zor bir alan gibi görünse de günümüz endüstrisinde ve bilimsel alanda büyük bir rol oynamaktadır. Büyük ölçekli hava ayırma üniteleri kriyojenik yöntem kullanarak hava içerisindeki elementleri tıp ve endüstride kullanmak amacıyla ayırır. Elde edilen ürünler genellikle taşımak ve depolamak amacıyla kriyojenik sıcaklıklarda sıvı formda tutulur. Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRI) sistemlerinde kullanılan süper iletken mıknatısların soğutmasında sıvı helyum yaygın olarak kullanılmaktadır. Uzay teknolojisinde, sıvı hidrojen ve oksijen gibi kriyojenler 4 bulunarak roket motorlarında ve uygulamalarda yakıt olarak kullanılmıştır. Öyle ki bu yakıtlar Cosmic Background Explorer (COBE) uydusunda ve CERN’de ki deneyde Bing Bang kalıntılarının ölçümünü yapan sensörlerin soğutulmasında kullanılmıştır. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, maddenin temel yasalarını incelemek için 1,8 K sıcaklığında soğutulmuş süperiletken mıknatıslar kullanılacaktır (Weisend II J.G., 1998). 1.2. Kriyojenin Tarihçesi Fransız fizikçi Gulillaume Amontons 1703 yılında alanında öncü bir çalışmayla mutlak sıfırın termometre ve matematikte mümkün olabileceğini belirtmiştir. Öyle ki 1720’de Alman fizikçi Gabriel Daniel Fahrenheit kendi adını taşıyan bir sıcaklık ölçeği fikrini geliştirdi. Dahası 1741 yılında Andreas Celsius, Celcius olarak bilinen santigrat ölçeğini formüle etti. Burada 0° suyun donma noktasını ve 100° suyun kaynama noktası olarak tanımlanmaktadır. Bu noktada oksijen gazının Joseph Priestly tarafından 1774 yılında keşfedildiğini belirtmek gerekir. Joseph Priestly deneysel bulgularından faydalanarak dünyanın atmosferinin aktif bileşeninde oksijen olduğunu kabul etti. Priestly ayrıca amonyak, sülfür dioksit, azot ve karbon monoksiti keşfetti. 19. yüzyıl boyunca, endüstriyel gazların sıvılaştırılmasında ve gazların hem davranışlarının hem de karakteristik yapısının incelenmesi için ciddi girişimler yapılmıştır. 1823 yılında Michael Faraday, sıvılaştırılmış klor, amonyağın sıvılaştırılması ve karakteristiği üzerine çalışmıştır. Faraday aynı zamanda amonyağın çevreden ısı çekerek, düşük sıcaklıklarda, sıvıdan gaz fazına geçtiğini keşfetmiştir. Sadi Carnot 1824 yılında, tezinde termodinamiğin şartlarını yayınladı. Carnot, tersinir bir çevrimle iki ısı kaynağı arasında mümkün olan en yüksek verimle çalışabilecek bir ısı makinesi olduğunu kanıtlamıştır. Bu ideal çevrim genel olarak bilinen Carnot çevrimidir. Scot 1845’de çeşitli sıcaklık ve basınçlarda karbondioksitdin faz değişim deneylerini yaptı ve birinci izotermler üretildi. Bu izotermler bir gazın, basıncına bakılmaksızın, kritik sıcaklığın altına inmedikçe sıvılaştırma yapılamayacağını gösterdi. Mutlak sıcaklık ölçeğinin kökeni Britanyalı bir fizikçi olan James Prescott Joule’e dayanmaktadır. Joule 1840 yılında gazlarla yaptığı deneyinde Carnot çevriminin verimli olduğunu desteklemiştir. Joule meslektaşı William Thomson’a 1848 yılında, 5 deneyinden elde ettiği sonucu yazdı. Bu sonuca göre 𝑃𝑉 = 𝑚𝑅𝑇 denklemindeki T değeri 1/T oranındaydı. Bu da Boyle ve Charles’ın denklemlerindeki gerçek sıcaklık olan +273 Celcius’a eşit olduğunu ortaya çıkarmıştır. Mutlak sıcaklık o zaman -273 olarak biliniyor. 1852’den sonraları Lord Kelvin olarak tanınacak W. Thompson, ideal gazlar için Carnot çevriminin verimini formülize etti; 𝑊 ⁄𝑄 = (𝑡1 − 𝑡0 )⁄(𝑡1 + 273) = (𝑇1 − 𝑇0 )⁄𝑇1 (1.1) Joule ve Thomos hidrojenle yaptıkları uzun deney çalışmalarından sonra yukarıda belirtilen mutlak ölçek ve hava termometreleri arasındaki farkın önemsiz olduğunu 1862 yılında açıkladılar. Keesom ve Tuen’e göre sıcaklık -20 °C altına düşürüldüğünde hidrojene göre daha ideal bir gaz olan helyumla yapılan denemelerde, 273 değeri küçük bir düzenlemeyle 273,15 olmuştur. 1850 yıllarında, önce William Thompson (Lord Kelvin) akabinde 1851’de Rudolf Clausius, termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarından söz etmiştir. 1865 yıllarında alman mühendis Carl Linde Carnot çevrimi esaslı ve buhar kompresörü tarafından düşük sıcaklıklara erişebilen bir soğutma makinesi tasarladı. Linde 1895 yılında William Hampson tarafından tasarlanan spiral sarılı karşı akışlı ısı değiştiricisi kullanılarak ilk endüstriyel hava sıvılaştırma makinesini yaptı. Bu noktada şu da dikkate alınabilir, 1851’de John Gorrie adında ki bir Amerikalı fizikçi soğuk üretimi yapabilmek için havayı basınçlandırıp ve genişleterek ilk buz makinesinin patentini aldı. 1873’de Hollandalı fizikçi Johannes Dideriek van der Waals, Thomas Andrews’in izoterm gözlemleriyle de doğru bir şekilde uyuşan ve maddenin değişimindeki kritik fenomeni açıklayan bir durum denklemi geliştirmiştir. Van der Waals kritik değerlere bölünen basınç, sıcaklık ve hacim değerlerini kullandı. Dewar ve Onnes gazların sıvılaştırılması belirlenmesinde için kuralların öncülük etti. oluşturulması Louis-Paul amacıyla Cailletet 1877 gerekli yılında değerlerin oksijeni sıvılaştırdığını açıkladı. Cailletet kalın duvarlı cam bir kapiller tüp kullandı. Burada gaz halindeki oksijen sıvı sülfürik asidin buharlaştırılması ile 200 – 300 bar’da soğutuldu. Basıncın kaldırılmasından sonra sıcaklık düşüşü oksijen buğusunun oluşmasına sebep oldu. 6 Hemen hemen aynı zamanda, Raoul-Pierre Pictet İsviçre de, oksijeni 200 bar’a basınçlandırarak ve kuru buzun süblimasyonu ile 173 K’de soğutarak oksijeni sıvılaştırdı. Ayrıca Pictet sülfürik asidi buharlaştırmayla soğuttu. Fakat doğru bir şekilde oksijeni sıvılaştırılması mümkün değil çünkü gazların kritik sıcaklığı 155 K. Mamafih Pictet yeni bir yöntemle düşük sıcaklıklara ulaşmayı başardı. Kaskad prensibi olarak adlandırılan bu yöntem, bir soğutma serisi kullanarak kademeli olarak sıcaklıkları düşürdü. Bu metot W. Keesom tarafından geliştirildi. Keesom, Hollanda’nın güneyindeki Leyden şehrindeki, çalışmasında helyum kullanarak 239,8 K’de amonyağı, 169,5 K’de etileni, 111,7 K’de metanı ve 77,6 K’de azotu sıvılaştırarak bu metodu tamamen geliştirdi. Bu aşamada, ilgi çeken bir gelişme olmuştur. 19. yüzyılın ikinci yarısında, düşük sıcaklıkta endüstriyel gazların sıvılaştırılması, ayrılması ve saflaştırılması çalışmaları için Avrupa’da 3 deney laboratuvarı inşa edildi. O günün teknolojileriyle laboratuvar çalışmaları tehlikeliydi. Laboratuvarlarda çalışan kişilerin yüksek güvenlik önlemleri almaları gerekiyordu çünkü bir patlama ve alev almayla her daim yüz yüze kalabilirdi. Londra kraliyet enstitüsünde 1799 yıllarında özellikle James Dewar’ın kontrolü altında yoğunlaştırdıkları düşük sıcaklık çalışmaları neticesinde Dewar kapları bulundu. Dewar kriyojenik akışkanları koruyabilmek için Dewar (vakumlu) kaplarını geliştirdi. Dewar 1898 yılında hidrojeni sıvılaştırmayı başardı. Bu o zaman için büyük bir başarı sayıldı. Heike Kamerlingh Onnes, uygulamalı fizik profesörü, Leyden Üniversitesinde 1882 yılında kriyojenik sıvıların ve gazların genel termodinamik özelliklerini ve izotermlerin durum denklemlerini çalışmak amacıyla kriyojeni laboratuvarını kurdu. Onnes’in laboratuvarında deneysel çalışmaları için malzeme üretimi ve ölçüm cihazlarının geliştirilmesi yapılmaktadır. Onnes 1908 yılında helyumu 5 K’nin altına indirerek sıvılaştırmayı başardı. Aynı zamanda Onnes 4,19 K’de süper iletkenliği gözlemledi. Fakat Onnes helyumu katılaştırmayı başaramadı. Wilhelmus Keesom 1926 yılında helyumun bir sonraki faz halini bularak onun yerine bunu başardı. 7 Keesom daha sonra Onnes-Dana’nın özgül ısı verilerini ayrıştırarak 2,2 K’de sıvı helyumun diğer tipini keşfetti. Bulduğu bu sıvı helyum tipine He II adını verdi. He II’nin süper akışkanlıkla ilgili sonuçlarını, diğer akışkanlara göre daha az yoğunlukta, daha büyük buharlaşama gizli ısısına ve daha az yüzey gerilimine neden olduğunu açıkladı. Onnes’in laboratuvarının dışındaki diğer laboratuarlar çok daha küçüktü fakat Polonya, Krakow’da ki Jagelonian Üniversitesinde 1876 yılında Syzgmunt von Wroblewski ve Karol Olszewski’nin yönetimi altında çok önemli bir kriyojeni laboratuvarı kuruldu. 1883 yılında Wroblewski ve Olszewski havayı, karbon monoksiti, azotu ve sonunda da oksijeni sıvılaştırdı. Aslında, hidrojen dışında bilinen tüm gazların özelliklerine çalıştılar ve sıvılaştırdılar. Wroblewski ve Olszewski kaskad metodunu geliştirdiler, aslında bu konuda öncülüğü Pictet yapmaktadır. Ocak 1884’de, von Wroblewski sıvı oksijen ile gazı soğutarak sürekli değişen, kararsız, hidrojen sıvısı üretti. 1885 yılında düşük sıcaklıklarda bakırın iletkenliğini değiştiğini bildirdi (Kerry, 2007). 8 Termodinamiğin temelleri 1700 Sıvılaştırma teknolojisinde gelişmeler 1870 Uygulamalar ve ARGE çalışmaları 2015+ 1950 Anti hidrojen atomları 15 dakika tutuldu, 2011 İlk anti hidrojen atomu üretildi, 1995 CERN kuruldu, 1954 Süper iletkenlik bulundu, 1911 Helyum sıvılaştırıldı, 1908 Hidrojen sıvılaştırıldı, 1898 Hava sıvılaştırıldı, 1883 Oksijen sıvılaştırıldı, 1877 Van der Waals denklemi, 1873 Stirling soğutma çevrimi, 1861 İlk termodinamik kitabı, 1859 İlk ısı değiştirici, 1857 Termodinamiğin 3. Yasası, 1852 Termodinamiğin 2. Yasası, 1850 Termodinamiğin 1. Yasası, 1845 İlk atmosferik buhar makinesi,1679 Şekil 1.2. Kriyojenin tarihsel gelişimi 1.3. Kriyojen Çalışma yapılan ortam sıcaklığı kriyojenik bir sıcaklıkta, 120 K sıcaklığının altındaki sıcaklıklar ise ve bu sıcaklıkta soğutma yapılıyorsa bu işlemlere kriyojenik soğutma sistemleri olarak adlandırılmaktadır. Bu ölçüdeki sıcaklıklarda soğutma yapabilmek için kullanılan soğutucu akışkanlara kriyojen adı verilmektedir. Kriyojenlerin temel ortak özellikleri atmosfer şartları altında gaz fazında bulunup termodinamik işlemler sonucu yoğuşma sıcaklık noktasının altına düşürülerek sıvı formda elde edilmesidir. Aşağıda bazı kriyojenler hakkında bilgiler verilmektedir. Kriyojenik sıvılar atmosfer basıncının, 273 K altındaki sıcaklık değerlerinde normal kaynama sıcaklığına sahip sıvılardır. Bu tanımlamaya azot, helyum, oksijen, neon, hidrojen, argon, kripton, xenon, metan, etan ve propan dâhildir. Ancak karbon dioksit sıvı forma geçebilmek için 5 atmosfer basıncının üstündeki basınçlara ihtiyaç duymaktadır. Kriyojenik sıvıların reaktivitesi soy gazlarda patlama potansiyeli olan 9 hidrojen, hidro karbonlara ve çok tehlikeli reaktif sıvı oksijene kadar çeşitlenir (Weisend II J.G., 1998). Kriyojenleri daha iyi anlayabilmek amacıyla Çizelge 1.3’de bazı kriyojenlerin 1 atm basınçta kaynama verileri ayrıca donma verileri ile sıvı özellikleri verilmiştir. Çizelge 1.3. Bazı kriyojenlerin özellikleri ( Çengel ve Boles, 2011) 1 atm basınçta kaynama verileri Madde Helyum Hidrojen Azot Argon Oksijen Metan Karbon dioksit Propan Normal kaynama °C -268,9 -252,8 -195,8 -185,9 -183 -161,5 -78,4 -42,1 Buharlaşma Donma gizli ısısı noktası hfg, kJ/kg °C 22,8 445,7 198,6 161,6 212,7 510,4 230,5 (at 0°C) 427,8 Sıvı özellikleri Donma verileri -259,2 210 189,3 -218,8 -182,2 Füzyon Özgül gizli Sıcaklık Yoğunluk ısı ρ, kg/m3 ısısı °C Cp, hif,kJ/kg kJ/kgK -268,9 146,2 22,8 59,5 -252,8 70,7 10 25,3 -195,8 809 2,06 28 -185,6 1394 1,14 13,7 183 1141 1,17 58,4 -161,5 423 3,49 -56,6 - 0 298 0,59 -187,7 80 -42,1 581 2,25 Kriyojenlerin üçlü nokta değerleri, kritik nokta değerleri ve yoğunlukları sıcaklık ve basınç değerlerine göre Çizelge 1.4’de verilmiştir. Çizelge 1.4. Çeşitli kriyojenik akışkanların kritik nokta, üçlü nokta ve normal kaynama nokta özellikleri SICAKLIK (K) Normal Üçlü kaynama nokta noktası 2,1768a 4,222 13,8 20,28 24,5561 27,09 63,15 77,36 54,36 90,19 83,8 87,28 115,76 119,77 161,36 165,04 BASINÇ (kPa) Kritik nokta Üçlü nokta Kritik nokta 5,1953 Helyum 32,94 Hidrojen 44,44 Neon 126,26 Azot 154,58 Oksijen 150,86 Argon 209,39 Kripton 289,74 Xenon Karbon 216,58 304,21 dioksit 90,69 111,63 190,55 Metan 90,35 184,55 305,33 Etan 85,47 231,07 369,85 Propan 195,49 239,81 406,65 Amonyak a Helyumun üçlü nokta değeri lambda noktasıdır. 5,048 7,042 43,35 12,46 0,148 68,9 73,2 81,6 227,46 1283,8 2703 3399 5043 4906 5496 5821 Kritik yoğunluk (kg/m3) 69,64 31,36 483,23 313,11 436,14 535,70 910,75 1100 518,16 7384 466,51 11,7 0,0011 0,1 x 10-6 0,0662 4599 4871 4248 11627 162,65 206,73 220,49 237,57 Madde 10 1.3.1. Helyum Helyum, soy gazlar ailesinin bir üyesidir. Hidrojenden sonra en hafif gazdır. Renksiz, kokusuz olmasının yanı sıra soy gazların özelliğinden dolayı kararlı yani tepkimeye girmeyen, bilinen hiçbir elementle bileşik yapmaz, eylemsiz bir gazdır. Çevre şartlarında, atmosfer basıncında ve 22°C sıcaklığında, sadece gaz fazında bulunmaktadır. Ancak kriyojenik işlemler sonrasında sıvı ve katı formda da gözlenebilinmektedir. Lakin helyum atmosfer basıncında düşük sıcaklıklarda katılaştırılamayan tek elementtir. Helyum birkaç farklı şekilde elde edilir. Bunlar; Havanın damıtılması yöntemiyle elde edilir. Fakat havada yaklaşık olarak 5 ppm seviyelerinde bulunmaktadır. Uranyum ve toryum gibi radyoaktif minerallerden elde edilir. Bazı doğal gaz yataklarında % 7 oranında helyum bulunmaktadır. Helyumun bilinen 9 izotopu vardır, ancak bunlardan sadece iki tanesi kararlıdır. Kararlı olan bu izotoplar ise 3He ve 4He’dür. 3 He izotopu, radyoaktif olmayan ve diğer izotoplara göre daha hafif bir izotoptur. Dünyada çok az bulunan bu izotop nükleer araştırmalar sonucu bulunmuştur. Şekil 1.3’de helyumun basınç ve sıcaklık diyagramı gösterilerek He I ve He II formlarının yerleri belirtilmiştir. 11 Şekil 1.3. Helyumun P – T diyagramı (Weisend II, 1998) Helyum sıvı formda He I ve He II olmak üzere iki farklı halde bulunmaktadır. 1.3.1.1.Helyum I Helyum I, sıcaklığın 4,22 K altına düştüğünde ve 2,1768 K sıcaklığının üzerine çıktığında, lambda noktası üzerinde olduğunda He I oluşmaktadır. Sıcaklık uygulandığında kaynayan ve sıcaklık düşürüldüğünde de büzüşen bir sıvıdır. Lambda noktasında helyum kaynamaz fakat genişler. He I gazlarda olduğu gibi kırılma indeksi vardır. Çok düşük bir viskozitesi ve suyun ki gibi 1/8’lik bir yoğunluğu vardır. Bu özelliği kuantum mekaniği ile açıklana bilinmektedir. Hem He I hem de He II kuantum sıvılarıdır. 12 1.3.1.2.Helyum II He I 2,174 K’de He II’ye dönüşür. He II’nin sıra dışı özellikleri vardır ve He II süper akışkan olarak tanımlanır. Süper akışkanlık kuantum mekaniğinde maddenin bir halidir. He II 2,174 K’de ani bir değişiklik gösterir ve kendine has özel bir sıcaklık eğrisine sahip lambda geçişi meydana getirir (Wilks, 1970). Şekil 1.4’de helyumun özgül ısı eğrisi verilmiştir. Şekil 1.4. Doymuş buhar basıncı altında sıvı helyumun özgül ısısı (Atkins K. R., 1959; Wilks J., 1970) He II’nin akışkanlık özellikleri sahip olduğu kılcallık karakteristikliğiyle onun çok küçük, neredeyse sıfıra yakın, ve He I’den 106 kat daha az bir viskoziteye sahiptir. Bu özellik He II’yi süper akışkan olarak adlandırılması gerektirir. Belkide bu özellik He II’nin en karakteristik özelliğidir (Wilks J., 1970). Şekil 1.5’de He II’nin viskozite grafik eğrisi verilmiştir. Burada; 1 μp= 10-7 Pa.s olduğu kabul edilmektedir. 13 Şekil 1.5. He II’nin normal akış viskozitesi (Weisend II, 1998) Şekil 1.6’da ise helyum II formunun entropi grafik eğrisi gösterilerek sıcaklığa bağlı olarak entropi değişimi verilmiştir. Şekil 1.6. Doymuş buhar basıncı altında sıvı He II’nin entropisi (Weisend II, 1998) 14 Son yıllarda He II’nin soğutucu bir sıvı olarak büyük ölçekli sistemlerde kullanılışı artış göstermiştir. Bu sistemlere süper iletken mıknatıslar, elektron hızlandırıcıları ve uzay tabanlı uygulamalar örnek gösterilebilinir (Weisend II J.G., 1998). 1.3.2. Hidrojen Hidrojen, evrende helyumla birlikte en çok bulunan bu element atmosferde çok az bulunmaktadır. Bunun sebebi ise diğer elementlerle teması sonucu hız kazanıp atmosfer dışına çıkmaktadır (Fernàndez ve Martín, 2007). Hidrojen yeryüzünde su ve oksijenle bileşik oluşturur. Ayrıca bunların dışında organik maddelerde de bileşik yapmaktadır. Hidrojen kararsız bir gazdır ve bu sebebiyetle risk faktörünün olduğu yerlerde kullanılması önerilmemektedir. Sıvı hidrojen farklı 2 şekilde hareket eden molekül dizilerine sahiptir. Bunlar protonlarının göreceli olarak, paralel veya anti paralel spin oluşturduğu orto-hidrojen ve para-hidrojen durumudur. Para-hidrojende protonlar anti paralel hareketler oluştururken, orto-hidrojen durumunda protonlar paralel hareketler meydana getirir. Bu iki durumun farklı enerji seviyelerine sahip olması denge yoğunluğunda belli oranlarda olmasını gerektirir. % 75 orto-hidrojen ve % 25 para-hidrojen miktarı normal hidrojen (n-H2) elde etmemizi sağlar. Sıvı hidrojen oluştururken, ferik hidroksit, ayrıştırılmış demir, gibi katalizörler kullanılarak sürecin uzun sürmesini önler ve bu süreçteki ısının ortamdan uzaklaştırılmasını sağlar (White ve Meeson, 2002). Normal hidrojenin özellikleri para-hidrojenden farklıdır. En önemli farkı belirli sıcaklıklardaki termal iletkenlik düzeyleridir. Bu sıcaklık farklılıkları 50 K ile 400 K arasında değişir ve hidrojen sıvılaştığında yok olur. İletkenlik farkı 300 K üzerinde ortaya çıkar. Kayda değer başka bir nokta ise para-hidrojen ve normal hidrojen arasındaki viskozite farklarının ihmal edilebilir olmasıdır. Normal hidrojen ile parahidrojenin birbirine benzeyen özellikleri ise yoğunluk, yayılma basıncı, ses hızı, üçlü nokta ve kritik nokta parametreleridir ( Weisend II, 1998). Şekil 1.7’de normal hidrojen ile para-hidrojenin özgül ısılarının karşılaştırılması, Şekil 1.8’de normal hidrojen ile para-hidrojenin ısıl iletkenliğinin karşılaştırılması ve 15 Şekil 1.9’da normal hidrojen ile para-hidrojenin viskozitesinin karşılaştırılması yapılmıştır. Şekil 1.7. Normal hidrojen ile para-hidrojenin özgül ısılarının karşılaştırılması 16 Şekil 1.8. Normal hidrojen ve para-hidrojenin ısıl iletkenliğinin karşılaştırılması (normal hidrojen: kesikli çizgi, para-hidrojen: düz çizgi) 17 Şekil 1.9. Normal hidrojen ile para-hidrojenin viskozitesinin karşılaştırılması (normal hidrojen: kesikli çizgi, para-hidrojen: düz çizgi) 1.3.3. Oksijen Oksijen, dünyada bol miktarda bulunana elementlerin başında gelir. Atmosferdeki havanın % 21’ni ihtiva eder. Ağırlıkça yerkabuğu bileşenlerinin % 49,2’sini oluşturur. Su kütlesinin yaklaşık % 88 oksijenden meydana gelmektedir. Bunun dışında Mars gezegeninin atmosferinde % 0,15 oranında oksijen mevcuttur (Lide, 2000). Hava ayırma ünitelerinde havaya uygulanan basınçlandırma, soğutma, ayrıştırma ve sıvılaştırma işlemi sonunda elde edilir. Şu an oksijen üretildiği hava ayırma tesislerinde kullanılan saflık oranı % 99,8’dir. Bu saflık miktarını artırmak için oksijenin molar fraksiyonunda 0,9995 oranında bir artış sağlanarak ekonomik değerinin artırılması hedeflenir (Manenti, vd., 2013). 18 Oksijen üretimi yapan hava ayırma tesislerin güvenirlilik ve güvenliği diğer yöntemlerle (kimyasal veya metalurjik) oksijen üreten tesislere göre çok daha fazladır. Hatta bu güvenirlik % 99,5 oranına ulaşmıştır. Oksijenin kullanıldığı en büyük pazar sektörleri şu şekilde sıralanabilir; metal üretimi, kimyasallar ve gazlaştırma, kil ürünleri, cam ve beton ürünleri, petrol rafineri, kaynak teknolojisi, medikal ve tıp alanları, yüzme ve dalış faaliyetleri. Çizelge 1.5’de Oksijen kriyojeninin termodinamik özellikleri verilmiştir. Çizelge 1.5. Oksijenin termodinamik özellikleri (Lemmon, vd., 2000) Sembol Tc Pc ρc Ttp Ptp ρtpv ρtpl Tnbpv ρnbpv ρnbpl ω M T0 P0 h0 s0 Açıklama Kritik sıcaklık Kritik basınç Kritik yoğunluk Üçlü nokta sıcaklığı Üçlü nokta basıncı Üçlü nokta yoğunluğu (buhar) Üçlü nokta yoğunluğu (sıvı) Normal kaynama noktası sıcaklığı (buhar) Normal kaynama noktası yoğunluğu (buhar) Normal kaynama noktası yoğunluğu (sıvı) Periferik faktör Molar kütle Referans sıcaklığı Referans basıncı Referans entalpisi (T0’da) Referans entropisi (T0 ve P0’da) Değer 154,581 5,043 13,63 54,361 0,0001463 Birim K MPa mol/dm3 K MPa 0,0003237 mol/dm3 40,188 mol/dm3 90,188 K 0,1396 mol/dm3 35,663 mol/dm3 0,022 31,9988 298,15 0,101325 8680 g/mol K MPa j/mol 205,043 j/(mol*K) 1.3.4. Azot Azot, oksijen ve argon gibi havanın ayrıştırılması sonucu elde edilir. Havada bol miktarda bulunan azot, havanın bileşenleri incelendiğinde yaklaşık olarak % 78’lik bir oranda ihtiva etmektedir. Hava içerisinde bol miktarda bulunan bu gaz kimya endüstrisinin de ana ürünüdür. Soğutucu akışkan numarası R-728’dir. 19 Azot bir soy gaz olarak nitelendirilir. Herhangi bir endüstride sahip olduğu özellikler sebebiyle ürün geliştirme, performans optimizasyonu ve süreçleri daha güvenli bir şekilde sürdürmede kullanılabilir. Azotun soy gaz etkisi üretim, işleme, taşıma süreçlerinde kullanılmasını sağlar. Azot kullanan endüstriler arasında; kimya, petrol ve gaz üreticileri, elektronik firmalar, yiyecek ve içecek şirketleri, rafineriler, ilaç firmaları, cam, demir, çelik üreticileri, metal işleme, kauçuk ve plastik üretimi, ziraat alanında gübrelerde, tıp alanı ve yarı iletken endüstrisi örnek verilebilir (Ivanova ve Lewis, 2012). Azot elektronegatifliği, bağ yapımında kullanılan elektronların bağı oluşturan atomlar tarafından çekilme gücü, 3,04 Pauling ölçeği olan bir ametaldir. Dış kabuğunda 5 elektron vardır. Bundan dolayı birçok bileşikte trivalentir yani 3 değerlidir. Moleküler azottaki 3’lü bağ en güçlü olanlardan biridir. Atmosferik basınçta moleküler azot, 77 K’de sıvılaşır, 63 K’de donar ve eğer azot 35,4 K altındaysa alfa fazına ( kübik kristal allotrop) ulaşır. Sıvı azot görüntü olarak suya benzer. % 80,8 yoğunlukla tipik bir kriyojendir. Ayrıca laboratuvar ortamında azotun N3 ve N4 formları elde edilebilinir. Laboratuvar ortamında elde edilen N4 1,1 milyon atm basınçta ve 2000 K gibi yüksek sıcaklıklarda elmas formuna benzeyen bir molekül yapısına dönüşür. Azot tek bağlı kübik bir kristal yapıya polimerize olur. Bu yapı elmasın şekline benzediğinden ve çok güçlü kovalent bağlara sahip olduğundan N4, elmas nitrojen olarak da adlandırılır. Azotun iki kararlı izotopu vardır. Bunlar; 14N ve 15N’dir. PSA süreçlerinde elde edilen azotun saflık oranı % 98 ile 99,8 aralığına ulaşabilmektedir. Azotu daha saf hale getirmek için oksijen ve hidrojeni PSA süreçlerinde kullanılması toplam maliyetin azalmasına ve bazı noktalarda güç tasarrufuna imkân sağlamıştır. Çizelge 1.6’da azot kriyojeninin termodinamik özellikleri verilmiştir. 20 Çizelge 1.6. Azotun termodinamik özellikleri (Lemmon, vd., 2000) Sembol Tc Pc ρc Ttp Ptp ρtpv ρtpl Tnbpv ρnbpv ρnbpl ω M T0 P0 h0 s0 Açıklama Kritik sıcaklık Kritik basınç Kritik yoğunluk Üçlü nokta sıcaklığı Üçlü nokta basıncı Üçlü nokta yoğunluğu (buhar) Üçlü nokta yoğunluğu (sıvı) Normal kaynama noktası sıcaklığı (buhar) Normal kaynama noktası yoğunluğu (buhar) Normal kaynama noktası yoğunluğu (sıvı) Periferik faktör Molar kütle Referans sıcaklığı Referans basıncı Referans entalpisi (T0’da) Referans entropisi (T0 ve P0’da) Değer 126,192 3,3958 11,1839 63,151 0,012523 Birim K MPa mol/dm3 K MPa 0,02407 mol/dm3 30,957 mol/dm3 77,355 K 0,1646 mol/dm3 28,775 mol/dm3 0,037 28,01348 298,15 0,101325 8670 g/mol K MPa j/mol 191,55 j/(mol*K) 1.3.5. Argon Hava ayrıştırma işlemi sonucu ortaya çıkan üç temel elementten biridir. Kriyojenik hava ayırma sistemlerinde sıvı nitrojen ve sıvı oksijen üretilirken yan ürün olarak elde edilir. Kimyasal olarak soy gazdır. Suda çözünürlüğü oksijene çok yakındır ve azota oranla çözünürlüğü 2,5 kat fazladır. Argon hem katı hem sıvı hem de gaz haldeyken renksiz, kokusuz, yanmaz ve zehirsiz bir elementtir. Argon soy gaz olduğu halde bazı bileşenlerle bileşik oluşturma kapasitesi vardır. Örneğin argon fluorohydride ( HArF) oluşturulurken, 17 K üzerinde kararlı halde bulunan hidrojen, florin ve argon bileşiği kullanılır. Argonun temel izotopları en çok bulunan izotopu 40 40 Ar (% 99,6), 36 Ar (% 0,34), 38 Ar (% 0,06)’dır. Argonun Ar’dir. Bu izotop kayaların yaşını öğrenirken kullanılan potasyum-argon testinde temel bileşenlerden biridir (Cohen vd, 2003). Nitrojen yeteri kadar bulunmadığında soy gazın gerekli olduğu uygulamalarda argon en ucuz alternatiftir. Düşük bir ısıl iletkenlik istendiğinde kullanılır. 21 Argon, gıda endüstrisinde gıdaların muhafazası esnasında ambalaj materyallerinde kullanılır. Şarap sanayisinde mikrobiyel metabolizmaların çoğalmasına neden olan oksijene karşı koruyucu bir yüzey oluşturmak amacıyla kullanılır. Bazı büyük yangınların söndürülmesinde kullanılır. Yaygın salgın hastalıklar kümes hayvanları arasında görüldüğünde hayvan itlafı için daha insancıl yöntem olarak kullanılır. Boya sanayisinde boyaların muhafazasında, sprey tipi boya kutularında koruyucu olarak, boyaların bozulmaması amacıyla yine argon gazı kullanılır. Son 50 yılda argon, gaz kaçaklarını engellenmesinde helyum yerine kullanılır. Bunun dışında pencerelerde ısı yalıtımı amacıyla argon kullanılır. Çünkü ısıl iletkenliği azdır. Ayrıca dalış elbiselerinde de aynı nedenle kullanılır. Çizelge 1.7’de argon kriyojeninin termodinamik özellikleri verilmiştir. 22 Çizelge 1.7. Argonun termodinamik özellikleri Sembol Tc Pc ρc Ttp Ptp ρtpv ρtpl Tnbpv ρnbpv ρnbpl ω M T0 P0 h0 s0 Açıklama Kritik sıcaklık Kritik basınç Kritik yoğunluk Üçlü nokta sıcaklığı Üçlü nokta basıncı Üçlü nokta yoğunluğu (buhar) Üçlü nokta yoğunluğu (sıvı) Normal kaynama noktası sıcaklığı (buhar) Normal kaynama noktası yoğunluğu (buhar) Normal kaynama noktası yoğunluğu (sıvı) Periferik faktör Molar kütle Referans sıcaklığı Referans basıncı Referans entalpisi (T0’da) Referans entropisi (T0 ve P0’da) Değer 150,687 4,863 13,407 Birim K MPa mol/dm3 83,8058 K 0,068891 MPa 0,1015 mol/dm3 35,465 mol/dm3 87,302 K 0,1445 mol/dm3 34,930 mol/dm3 -0,002 39,948 298,15 0,101325 g/mol K MPa 6197 j/mol 154,737 j/(mol*K) 1.4. Kriyojeninin Kullanım Alanları Kriyojenik soğutma sistemleri kullanım yelpazesinin çok geniş olması hava ayrıştırma sisteminin de ne kadar önemli olduğunu vurgulamaktadır. Hava ayırma işleminden sonra elde edilen yüksek saflıktaki üç farklı element olan azot, oksijen ve argon sıvı fazının dışında gaz fazında da farklı uygulamalarda kullanılmaktadır. Genel olarak yüksek saflıkta elde edilen bu kriyojenler; kimya endüstrisinde ve medikal uygulamalarda kullanıldığı bilinmektedir (Anek ve Wang, 2015). Bununla birlikte malzeme biliminde, demir, çelik ve metal işlemede, yarı iletken ve süper iletken teknolojisinde, havacılık ve uzay uygulamalarında, parçacık fiziği biliminde 23 kullanılır. Bunun dışında rafinerilerde, gıdaların ve içeceklerin üretilmesi, saklanması ve ambalajlanmasında, yüzme ve dalış faaliyetlerinde, tıp ve diş hekimliği alanlarında, boya ve otomotiv sanayisinde, zirai uygulamalarda ve kaynak teknolojisinde de kriyojenler kullanılmaktadır. Kriyojenlerle yapılan bazı örnek uygulamalar açık bir şekilde aşağıda açıklanmıştır. 2010 yılında yapılan “Kriyojenik Isı Değiştiricisinde Termoelektrik Jeneratör Uygulaması ve Karakterizasyonu” adlı yüksek lisans tezinde düşük emisyonlu ve enerji yoğunluğu yüksek bir enerji depolama teknolojisi geliştirmeyi planlayarak yenilenebilir veya başka bir enerji kaynaktan alınan enerji ile yoğuşturulan azot gerek duyulduğu zamanda buharlaştırılarak mikro gaz türbiniyle elektrik enerjisine dönüşümü sağlanmaktadır. Sıvı azotta enerji depolaması çalışması sırasında azotun hal değişimi sırasında boşa giden soğuk ekserjinin termoelektrik jeneratörler vasıtasıyla elektrik enerjisi elde edilmesi gerçekleştirilmiştir (Ünsaç, 2010). 2014 yılında hazırlanan “Investigation of The Effects of Holding Times at Cryogenic Temperatures on Residual Stress Distribution of AISI D2 Tool Steel” adlı yüksek lisans tezinde AISI D2 çeliğinin kriyojenik işlem sonucunda kalıntı gerilmelerine, sertliğine ve mikro yapısına etkisi incelenmiştir. Klasik ısıl işlem ve diğer bekletme süreleri ile kriyojenik işlem uygulandığında ve 24 saat bekletme süresi sonunda elde edilen sonuçlar karşılaştırıldığında yüzey pürüzlülüğü, kalıntı gerilmeleri ve karbür dağılımının daha iyi sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir (Demir, 2014). 2004 yılında “Kriyoterapinin Dermatolojide Kullanımı” adlı derlemede kriyoyerapinin dermatolojide lezyon tedavisinde bir tedavi metodu olarak uygulamasının nasıl yapıldığını ve kriyoterapi işlemini açıklanmıştır (İçke ve Başak, 2004). 2010 yılında hazırlanan “Kriyocerrahi ve Ağız Cerrahisinde Kullanım Alanları” adlı makalede kriyocerrahi yönteminin uygulandığı dokudaki hücreleri dondurmak yoluyla doku nekrozuna yol açan bir tedavi metodu incelenmiş ve açıklanmıştır (Kutluay, vd., 2010). 24 2011 yılında yapılan “ Süperiletken Parçacık Hızlandırıcıları İçin Soğutma Sisteminin Fiziği ve İşletimi” adlı yüksek lisans tezinde Ankara Üniversitesi koordinatörlüğünde yürütülen Türk Hızlandırıcı Merkezi Kızılötesi Serbest Elektron Lazeri tesisinde kullanılacak süperiletken RF kavitelerin çalışabilmesi için helyum soğutma sisteminin tesis için kapasitesi belirlenmiş ve buna uygun tasarım ve incelemeleri yapılmıştır (Kabukçu, 2011). 1.5. Hava Ayırma Teknolojileri Hava yaşam için vazgeçilmez ve aynı zamanda önemli bir kaynaktır. Hava içerisinde bulunan azot, oksijen ve diğer gazlar endüstriyel uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadır. Ticari amaca bağlı olarak endüstriyel uygulamalarda gazların, azot ve oksijen, 2 farklı kalitede olması istenir. Bunlar yüksek saflık ve düşük saflıktır. Yüksek saflık için oksijen ve azotta istenilen saflık oranı %98’den büyük olmasıdır. Düşük saflıkta ise saflık oranının %85 - 98 arasında olması beklenir (Campestrini, 2014; Arpentinier, 2001). Havayı ayırmak içi üç ana yöntem vardır. Bunlar; kriyojenik saflaştırma, basınç salınımlı adsorpsiyon ve membranlı ayırma işlemidir. Çizelge 1.8’de hava ayrıma teknolojilerinin birbiriyle olan karşılaştırmaları verilmiştir. 25 Çizelge 1.8. Hava ayırma yöntemlerinin karşılaştırılması Yöntem Avantaj Dezavantaj Saflık Oranı (%) Üretilen azot birimi başına Tesis için büyük alan ve elektrik tüketim miktarı yardımcı ara ekipmanlar düşüktür. gerekmektedir. Kriyojenik Saflaştırma Çok yüksek saflıkta azot Yüksek yatırım maliyeti elde edilir. Sistemin başlaması ve Üretim tesisinde sıvı durdurulması uzun formda azot depolanabilir. sürmektedir. N2: 99,5 – 99,9 O2: 85 – 99,9 Hem sıvı hem de gaz formunda azot, oksijen ve argon elde edilir. Nispeten düşük yatırım Ekipman bakım maliyeti, maliyeti yüksek, Basınç Salınımlı Adsorpsiyon Yüksek saflıkta azot Gürültülü çalışma, üretimi için uygun bir maliyet, N2: 99,9 O2: 90 – 95 Hızlı kurulum ve hızlı Sınırlı ölçüde üretim. başlama. Düşük yatırım maliyeti, Yüksek saflık için ekonomik değil, Membranlı Ayırma Hızlı kurulum ve hızlı Büyük üretimler için başlama, ekonomik değil, Üretim çıkışı çok esnek. N2: 95 – 99 Azot birim başına kısmen yüksek elektrik tüketimi 1.5.1. Kriyojenik saflaştırma işlemi Kriyojenik saflaştırma prosesi hava ayırma işlemleri arasında orta ve büyük ölçekli tesislerde kullanılan en popüler yöntemlerden biridir. Bu yöntemle yüksek saflıkta sıvı ve gaz formda azot, oksijen ve argonu uygun maliyetle elde etmek amacıyla tercih edilmesi oldukça yaygındır. Günümüzde sıvılaştırma yapan endüstriyel gaz 26 üretim tesislerinde sıvı üretim yapılması için kriyojenik saflaştırma yöntemi kullanılmaktadır. Kriyojenik ayırma işlemi saflaştırma fraksiyonu temeline dayanmaktadır. Bu proses hava bileşenlerini farklı kaynama noktalarına göre ayırma prensibine sahiptir. Tüm süreç saflaştırma kolonunun içinde oluşan sıvı – buhar dengesi ile ilgili sonuca bağlıdır. Böylelikle azot, oksijen ve argonun doygunluk çizgileri kriyojenik bir tesis tasarımı için önemli bir bilgidir. Şekil 1.10’da azot, oksijen, argon ve havanın buhar basıncı eğrileri verilmektedir. Şekil 1.10. Atmosferik gazların buhar basınç eğrileri (Linde, 2009) Şekil 1.11’de örnek bir kriyojenik saflaştırma ünitesi gösterilmiştir. Kesik çizgilerle gösterilen bölge cold box’ın dış sınır bölgesidir. 27 Şekil 1.11. Kriyojenik saflaştırma ile hava ayırma yöntemi Kriyojenik saflaştırma işleminin avantajları ise; Kriyojenik sistem ile büyük miktarda yüksek saflıkta azot üretilebilinir. Azot, oksijen ve argonun sıvı ve gaz fazında üretimi yapılabilinir. Elde edilen azot birimi başına harcanan elektrik düşüktür. Kriyojenik saflaştırma işleminin dezavantajları ise; Kriyojenik saflaştırma büyük kapasitelerde olduğu için kullanılan ekipmanların maliyeti de yüksektir. Kriyojenik saflaştırma tesisinin kurulması için geniş alana ihtiyaç vardır. Tesisin tam performansında çalışabilmesi için başlama süresinin uzun olması. 28 1.5.2. Basınç salınımlı adsorpsiyon işlemi Basınç salınımlı adsorpsiyon işlemi absorbent malzeme için gazların türlerine göre basınç altında karışım gazlarından bazı gaz türlerini ayıran bir ayrıştırma yöntemidir. Bu işlem çevre sıcaklığına yakındır ve kriyojenik gaz ayırma yönteminden çok farklı bir işlemdir. Basınç salınımlı adsorpsiyon işlemi yüksek basınç altında gazların katı yüzeyler tarafından adsorber edilmesi prensibine dayanmaktadır. Yüksek basınç altında daha fazla gaz adsorbe edilebilir. Basınç azaltıldığı zaman gaz açığa çıkar veya emilen gaz tekrar geri açığa çıkar. Basınç salınımlı adsorpsiyon işlemi hava gibi karışım gazlarını ayırmak için kullanılabilir. Çünkü farklı gazlar farklı yüzeylerde değişik basınç altında emilme meyilimi gösterir. Hava gibi bir karışım zeolit yataklı absorbent bir kanal hattında yüksek basınç altında geçirilir. Geçirilen bu karışım gazının yani havanın içerisinde ihtiva eden azot, oksijene göre daha fazla zeolit yataklarca emilir. Akışın devamı niteliğinde olan gaz ise oksijen bakımından oldukça zengindir. Basınç salınımlı adsorpsiyon sadece hava ayırma işlemi amacıyla kullanılmamaktadır. Bunun yanı sıra biyogaz içerisinde bulunan karbondioksit (CO2)’ i ayırarak metan (CH4) oranını yükseltmek amacıyla da kullanılmaktadır. Basınç salınımlı adsorpsiyon sisteminin avantajları ise; Basınç salınımlı adsorpsiyon üniteleri azot ihtiyacı duyulan yerlere kolaylıkla yerleştirilebilinir. İhtiyaç duyulan azot miktarı 20,000 m3/s’den az ise basınç salınımlı adsorpsiyon üniteleri kriyojenik ünitelere göre daha ekonomiktir. Sistemin durması sırasında para kaybı kriyojenik sistemlere göre daha azdır. Basınç salınımlı adsorpsiyon sistemler kurulabilinir, satın alınabilir ve hızlı bir şekilde sevkiyatı yapılabilir. 29 Basınç salınımlı adsorpsiyon sisteminin dezavantajları ise; Akış oranı 40,000 m3/s’den fazla ise kriyojenik sistemlere göre daha pahalıdır. Diğer sistemlerle kıyaslandığında daha fazla gürültü ile çalışmaktadır. Şekil 1.12. Basınç Salınımlı Adsorpsiyon işlemi ile hava ayırma yöntemi 1.5.3. Membran ayırma İşlemi Membranlı ayırma işlemi membranın duvarı gözenekli bir yapıya sahiptir ve bu duvarlar boyunca gözeneklerinden geçen atmosferik havadan azotu ayırma işlemidir. Membranın yapısı, hassas geçirgenli lifli malzemeden oluşmaktadır. Bu lifli malzeme, hızlı gazların (oksijen, karbondioksit, su buharı) yavaş gazlara (azot) oranla daha çabuk bir şekilde membranın duvarlarına nüfuz etmesine olanak sağlar. Ürünün saflığı değişen çalışma şartlarına göre ayarlanabilir. Eğer azotun akışı azalırsa azotun saflığı artar, aksine azotun akış oranı artırılmışsa saflığı azalır. Şekil 1.13’de örnek bir membranlı ayırma sistemi gösterilmiştir. 30 Şekil 1.13. Membranlı ayırma sistemi Membranlı ayırma sisteminin avantajlar ise; Düşük akış oranlarında çok ekonomik bir işlemdir. Tasarımı ve hesaplamaları yönünden basit bir işlemdir. Bakım için en az maliyete sahiptir. Başlangıç için az sayıda donanım gerektirir. Membranlı ayırma sisteminin dezavantajları ise; Yeterli miktarda azot saflığı elde edilemez. 1.6. Gazların Sıvılaştırılması Birçok önemli bilimsel araştırma ve mühendislikle ilgili işlemler kriyojenik sıcaklıklarda gazların sıvılaştırılmasına dayandığından, gazların sıvılaştırılması soğutma uygulamalarının her zaman önemli bir alanını oluşturmuştur. Böyle işlemlere örnek olarak oksijen ve azotun havadan ayrılması, roketler için sıvı yakıtların hazırlanması, çok düşük sıcaklıklarda malzeme özelliklerinin incelenmesi, süper iletkenlik gibi ilginç bazı kavramların araştırılması gösterilebilir. Kritik 31 sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklarda, bir madde sadece gaz fazında bulunabilir. Sıvılaştırılarak kullanılan üç önemli gaz helyum, hidrojen ve azotun kritik sıcaklıkları sırasıyla -268°C, -240°C ve -147°C’dır. Bu nedenle söz konusu maddelerin hiçbiri çevre koşullarında sıvı değildir. Daha da önemlisi bu mertebelerdeki düşük sıcaklıkların, yaygın olarak kullanılan soğutma yöntemleriyle elde edilmesi olanaksızdır (Çengel ve Boles, 2011). 1.6.1. Linde – Hampson sistemi Gazların sıvılaştırılması amacıyla kullanılan yöntemlerden biride Linde – Hampson sistemidir. Tesisat çizimi ve T-s diyagramı Şekil 1.14’de gösterilen Linde – Hampson çevrimi aşağıda incelenmiştir. Şekil 3.14. Linde-Hampson yönteminin şematik görünümü (Çengel ve Boles, 2011) Bir önceki çevrimden kalan, gazın yoğunlaşmayan bölümü ile sisteme eklenen gaz karıştırılarak 2 halinde çok kademeli kompresöre gönderilir ve 3 haline sıkıştırılır. Ara-soğutma nedeniyle sıkıştırma sabit sıcaklık işlemine yaklaşır. Yüksek basınçlı gaz bir ısı değiştirici veya ayrı bir soğutma sistemi ile 4 haline soğutulur. Gaz ters akışlı bir ısı değiştiricide (rejeneratörde), bir önceki çevrimden kalan, gazın 32 yoğunlaşmayan bölümü ile bir miktar daha soğutularak 5 haline gelir ve sonrasında doymuş sıvı-buhar karışımı olan 6 haline kısılır. Sıvılaştırılmış gaz (7 hali) sistemden ayrılır, buhar (8 hali) ise rejeneratöre verilerek kısılma vanasına doğru gelen yüksek basınçtaki gazı soğutur. Devamında çıkan gaz yeni eklenen gaz ile karışır ve çevrim sürekli akışlı bir sistemde tekrarlanır. Gazların sıvılaştırılması için kullanılan bu ve diğer çevrimler gazların katılaştırılması içinde kullanılabilir (Çengel ve Boles, 2011). 1.6.2. Claude sistemi Claude sitemi sıvılaştırma işlemlerinde kullanılan termodinamik bir çevrimdir. Atmosfer basıncında ve çevre sıcaklığında 1 noktasından kompresöre girerek basınçlandırılarak su soğutmaya gönderilerek burada soğutulur. Yaklaşık olarak soğutma suyu sıcaklığına düşürülen yüksek basınçlı hava 3 noktasında birinci ısı değiştiricisine girer burada soğutulan havanın bir kısmı 4 numaralı adyabatik türbine girer. Claude sisteminde genleşme valfi yerine türbin kullanılır. Türbin karşılıklı veya merkez kaç kuvveti uygulayarak çalışır. Böylece en azından teorik olarak entropi artışı engellenir. Claude sisteminde genleşme valfi genleşme ünitesindeki sıvı oluşmaması için tamamıyla devre dışı da bırakılamaz. Türbine yüksek basınçta giren hava 1 bar’a kadar getirilerek yaklaşık olarak -140 °C’ye düşürülür. Elde edilen bu soğuk hava 6 numaralı bölgeden ikinci eşanjöre girerek yeni gelen yüksek basınçlı gazların soğutulması sağlanır. İkinci eşanjörde geçen hava iş üretmeden genleştirilerek sıvılaştırılmış olur. Sıvılaştırılan hava yaklaşık olarak -190 °C’ye düşürülmüş olup 9 numaralı hava ile karşılaştırılarak ikinci eşanjöre gönderilir. Şekil 1.15’de Claude sisteminin çizimi verilerek incelenmiştir. 33 1 6 Su 4 2 Isı değiştirici Soğutucu 3 9 5 Sıvı deposu Isı değiştirici 7 8 Su Şekil 1.15. Claude sisteminin şematik görünümü 1.6.3. Ön soğutma sistemi Yardımcı soğutma çevrimleri sıvı ürünü artırmak amacıyla sıvılaştırma sistemleriyle birlikte kullanılabilir. Böylece gazı çevre sıcaklığından etkilenmeden sıvılaştırmak amacıyla kullanılır. Ön soğutma sistemleri kullanılarak elde edilen toplam sıvı ürününde maksimum verim soğutmada kullanılan akışkanın, akış oranına ve sıcaklığına bağlıdır. 1.6.4. Kaskad sistemi Bazı özel endüstriyel ve laboratuvar uygulamalarında çok düşük sıcaklıklara ulaşmak gereksinimi duyulur. Bu gereksinim günümüzde basit soğutma sistemleriyle giderilmesi oldukça zordur. Bu sebepten dolayı daha kapsamlı bir soğutma ihtiyacı endüstriyel tesislerde her zaman aranan bir faktör olmuştur. Bu ihtiyaçtan dolayı geliştirilen kaskad soğutma sistemi hem endüstriyel alanda hem de özel çalışmalarda tercih edilen bir soğutma sistemidir. Soğutma ve gazların sıvılaştırılması için kullanılan kaskad sistemi, sadece ön soğutma sisteminin bir eklentisidir. Mamafih her bir soğutma çevrimi bağımsız bir soğutma çevrimiyle ön soğutma yapılmıştır (Kerry, 2007). Kademeli soğutma yapılan kaskad sisteminde her kademede ayrı akışkan kullanılır. Pictet oksijeni sıvılaştırmak için kaskad sitemini kullanmıştır. Oksijenin kritik sıcaklığının altına inmek için ilk kademede sülfür dioksit (SO2) ikinci kademede karbon dioksit (CO2) kullanarak üçüncü kademede oksijeni 500 atmosfer basınç altında sıvılaştırmayı başarmıştır. 34 Bu soğutma sistemi kompresör ve evaporatördeki yüksek sıcaklık farkından dolayı tek kademeli soğutma sistemlerinde ekonomik değildir. Çünkü yüksek basınç oranına karşılık gelen düşük hacimli kompresör verimi sistem performansının düşük katsayıda olmasına yol açar. Kaskad soğutma sistemi genellikle düşük evaporatör sıcaklığı düşük olan uygulamalarda kullanılır (Yılmaz, F., vd., 2015). İki kademeli soğutma sistemlerinde harcanan enerji az ve kompresör çıkış sıcaklığı daha düşüktür. Enerji tasarruf oranı yani EER (Energy Efficiency Ratio) değeri tek kademeli sistemlere göre daha fazla, fakat ilk kuruluş maliyeti yüksektir. Şekil 1.16’da Kaskad soğutma sisteminin şematik gösterimi verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi farklı iki kompresör ve genleşme valfi bulunmaktadır. Ayrıca ara bağlayıcı noktasında bulunan ısı eşanjörü A ve B ünitelerine göre kondanser veya evaporatör görevini görmektedir. Şekil 1.16. Kaskad soğutma sisteminin şematik gösterimi 35 2. LİTERATÜR ÖZETİ Cornelissen ve Hırs (1998), kriyojenik hava ayırmanın ekserji analizini yapmıştır. Bir ekserji analizi, hava ayırmada temel metot olan kriyojenik damıtma işlemlerindeki enerji tasarrufu olanaklarını analiz etmek için gerçekleştirileceğini vurgulamıştır. Ekserji analizini iki kolon prensibi üzerinden yapmıştır ki bunlar düşük basınç ve yüksek basınç kolonlarıdır. Çalışmalarında ekserji hesabı yapabilmek için ASPEN PLUS programını kullanmıştır. Kriyojenik hava ayırma tesissinde ki ekserji kaybının büyük bir bölümünün kompresör tarafından meydana geldiğini göstermiştir. Mamafih sıvılaştırma bölümünde ki, bu bölümde kullanılan kompresörler 5 aşamalı kompresörlerdir, ekserji kaybının 1965 kW olarak hesaplamıştır. Bu ekserji kaybını daha iyi kompresörler kullanarak yarı yarıya azaltmıştır. Van der Ham ve Kjelstrup (2010), iki kriyojenik hava ayırma ünitesinin ekserji analizini yapmışlardır. Her iki tasarımda da benzer besleme ürünleri aynı özelliklere sahip ürünler olarak ayrılmıştır. Çalışmalarında kriyojenik hava ayırma ünitesinin ikili ve üçlü kolon tasarımlarını ekserji analizi kullanarak değerlendirmişlerdir. Üç kolonlu tasarım iki kolonlu tasarıma göre daha iyi bir performans göstermiştir. Burada ki iki kolonlu sistemde sadece yüksek basınç kolonu ve düşük basınç kolunu vardır. Ancak üç kolonlu sistemde düşük basınç ve yüksek basınç kolonunun yanı sıra orta basınç kolonu mevcuttur. Ayrıştırma ünitesinde üçüncü kolon ilavesiyle ekserji kaybı % 31 azaldığını hesaplamışlardır. Tesisin rasyonel ekserji veriminin ki rasyonel ekserji verimi istenilen ekserji değişiminin toplam ekserji değişimine oranıdır, üç kolonlu tasarımda % 38, ikili kolon tasarımında % 35 olduğunu bulmuşlardır. Bunun da nedeninin % 7 daha az girdi ihtiyacına bağlamıştır. Ekserji kaybının neredeyse yarısının kompresörlerde soğutma sonrasında meydana geldiğini ve ayrıca ayrıştırma aşamalarında ve ana ısı değiştiricilerinde ekserji kaybında önemli bir yeri olduğunu ön görmüşlerdir. Bu veriler ışığında üçlü kolon tasarımının ikili kolon tasarımına göre % 12 daha az ekserji kaybı olduğunu bulmuşlardır. Diğer çalışmalar distilasyon aşamasında verimliliğin, düşük basınç kolonuna ara ısı değiştiriciler eklenerek yükseltilebileceğini göstermiştir. 36 Zhu vd. (2010), değişkenlik altında kriyojenik hava ayırma kolonlarının ideal tasarımı adlı çalışmalarında yüksek derecede doğrusal olmayan üç entegre kolonun modelini geliştirmişlerdir. Bu modelleme yapılırken çoklu durum yaklaşımı yani değişkenlik durumu kullanıldı, fakat bu yaklaşımda yarım milyonun üzerinde değişkenle doğrusal olmayan programlamada problemlere neden oluyordu. Yine de bu problem IPOPT, Coin-OR tarafından geliştirilen büyük ölçekli lineer olmayan optimizasyon problemlerinin çözümünde kullanılan bir yazılım, kullanılarak çözüldü. Çoklu durum yaklaşımı, ideal olan nominal parametre değerleri karşılaştırılarak ideal tasarım elde edilmiş oldu. Rizk vd. (2012), kriyojenik hava ayırma ünitesinin gerçek kolon tasarımı ekserji optimizasyonu adlı çalışmasında üç tip kriyojenik proses kolonunun simülasyonunu yapmış ve farklı kolonların ekserji kayıplarını hesaplamıştır. Her bir kolon için hassas analizler gerçekleştirmiş ve bunun sonucunda ideal geometriler ve çalışma parametreleri belirlenmiştir. Distilasyon kolonları arasında ekserji analizlerini kıyaslanmıştır. Çift diyabatik kolonun ekserji verimliliği geleneksel adyabatik çift kolonluya göre % 23 daha verimli olduğu hesaplanmıştır. Thomas vd. (2011), iki türbinle modifiye edilmiş Claude çevrim esaslı helyum sıvılaştırma sisteminin ekserji analizi adlı çalışmasında helyum sıvılaştırma sistemini incelerken Aspen HYSYS simülasyon programından faydalanmıştır. Bu çalışmada ilinen Claude çevrimini değiştirerek iki adet türbin kullanmıştır. Thomas vd. bu çalışmasının sonucunda birinci ve ikinci türbininin verimini sırasıyla % 75 ve % 70 olarak bulmuştur. Sapali ve Raibhole (2013), biyo kütle gazlaştırıcısı entegre edilmiş kriyojenik hava ayırma ünitesinin ekserji analizi başlıklı çalışmalarında, orta saflıkta kriyojenik hava ayırma üniteleri genellikle gazlaştırma için gerekli olduğunu belirtmiştir. Öyle ki hava gazlaştırma düşük kaliteli sentez gazı, kömür veya doğal gazların hava ortamında su buharı ile reaksiyonu sonucu elde edilen düşük oranda azot gazı içeren amonyak, metanol ve çeşitli organik bileşiklerin karışım işlemlerinde kullanılan hidrojen ve karbon monoksit gaz karışımı üretilir. Oksijen biyo kütleyi gazlaştırmak için aracı gazlaştırıcı olarak kullanılır. Oksijenli biyo kütle gazlaştırma uygulamalarda gazlaştırma üniteli kombine çevrim, kimyasal üretim ve Fischer37 Tropsch işlemi gibi büyük bir potansiyeldir. Biyo kütle gazlaştırıcı ile entegre edilmiş orta saflıktaki kriyojenik hava ayırma ünitesinin simülasyonunda ASPEN PLUS bilgisayar yazılımı kullanmışlardır. Bu kriyojenik hava ayırma simülasyon modelinde gerekli saflıkta oksijen üretildi ki oksijen yüksek ısıl değeri olan sentez gazı elde etmek için biyo kütle/kömürü gazlaştırmak için ekonomiktir. Üretilen oksijen gazı, 12,5868 Litre/dakika ve % 96,2 saflıktadır. Azot gazı, % 99,9 saflıkta ve 44,04 litre/dakika akış oranına sahiptir. Simülasyonu yapılan sistemde ki ana kompresör 47,22 kW, booster kompresör 12,22 kW enerji tüketmektedir. Genleştiricide ise 9,32 kW’lık bir enerji üretimi yapılmaktadır. Taniguchi vd. (2015), ekserji analizine dayalı enerji tasarruflu hava ayırma tesisi analizini yapmıştır. Yapılan çalışmada çift kolon ve tek kolon arasındaki fark, çift kolonda, hava ayırma tesisinde ana eşanjöre giren havanın % 95’i yüksek basınç kolonuna -170°C’de girerken ana eşanjörden çıkan % 5’lik hava düşük basınç kolonuna girmeden önce bir türbin vasıtasıyla genleştirilerek -180°C kolona girmektedir. Tek kolonlu sistemde ise, akışkan hava kompresöründen 46,000 Nm3/h ve 70 kPa’da çıkmaktadır. Çıkan bu havanın % 73’ü ana eşanjörden geçerek 175°C’de kolona girer. Kalan % 27’lik bir miktarda booster kompresöre girdikten sonra ana eşanjöre girer ve eşanjörden çıkan hava kolondan gelen -182°C’ ye sahip akışkanla soğutularak -180°C de türbine girerek genişler ve genişleme sonucunda 190°C de kolona girer. Yaptıkları bu çalışmada hava ayırma tesislerinde kullanılan çift kolonludan tek kolonluya dönüştürülmesi işlemi geleneksel prosesle, yani çift kolonlu sistem, kıyaslandığında % 30 enerji tasarrufu sağlandığını savunmuşlardır. Amin R., vd. (2014), havadan azot gazı ayırma işleminin simülasyonu adlı çalışmalarında, azotu sıvılaştırmak için Linde-Hampson çevrimi kullanmışlardır. Hazırladıkları bu çalışmada, simülasyon programı olan ASPEN HYSYS yazılımını kullanarak simülasyon sonunda % 91,75 saflıkta azot üretimi elde etmişlerdir. 38 3. MATERYAL VE YÖNTEM Bu bölümde hava ayırma ünitesi ve azot sıvılaştırma ünitesi içerisinde bulunan kriyojenik ekipmanlar hakkında bilgi verilmiştir. Bu elde edilen bilgiler ve kullanılan sayısal değerler The Linde Group’un Gebze/Kocaeli’nde kurulmuş olan hava ayrıştırma tesisinden elde edilmiş gerçek verilerdir. 3.1. Hava Ayrıştırma Ünitesi Atmosferik Bölümü Ön saflaştırma bölümü olarak da adlandırılmaktadır. Bu bölüm hava sıvılaştırma ünitesine girecek olan havanın saflaştırılması, içindeki toz ve PPU kurutucu yataklarının içinde bulunan moleküler sieve malzemelerinin ayrılması, ayrıca hava içerisinde bulunan su buharını ayırarak sıvılaştırma bölümüne kuru hava gitmesine sağlar. Şekil 3.1’de hava ayrıştırma ünitesinin atmosferik bölümü gösterilmiştir. Şekil 3.1. Hava ayrıştırma ünitesi atmosferik bölüm 3.1.1. F-10 Hava giriş filtresi Hava kompresörü tarafından emilen hava, öncelikle hava filtresinden geçer ve içerisinde bulunan 2 mikron ve daha büyük tozlar tutulur. 39 Filtre iki kademeli olup her kademe değişebilir filtre kartuşlarından oluşmuştur. Filtrenin tıkalı olup olmadığını anlamak için, giriş ve çıkışındaki basınç farkını gösteren manometre kullanılır. 3.1.2. CP – 11 Hava kompresörü Hava kompresörü “Hava Ayrıştırma Ünitesi” için gerekli olan proses havasının tümünü sağlar. Kompresör elektrik enerjisi ile çalışır ve üç kademeli turbo kompresör tipidir. Ara kademe ve son kademe soğutucuları su ile soğutma yapar ve hava atmosferik basınçtan 6,78 bar’a kadar basınçlandırılır. Sistem paketi aşağıdakileri içerir; Yağ depo tankı, ana ve yardımcı yağ pompası ile boru donanımını içeren yağlama sistemi. Akış kontrol sistemi. 3.1.3. R-15 Hava soğutucu Bu ünite, hava ön saflaştırma ünitesinin (PPU) bir parçası olup kompresörden (CP – 11) alınan filtre edilmiş ve basınçlandırılmış havayı 306 K (32,85 °C)’den 278 K (4,85 °C)’e kadar soğutur. Gelen hava eşanjörün boru tarafından geçerek üzerindeki ısıyı uygun bir soğutucu akışkana ki bu da Freon 22’ye bırakır. Aynı eşanjörün diğer tarafı kapalı devre soğutucu içindir. Havadan alınan ısı enerjisi freonu gazlaştırır ve bu kompresör ile su soğutmalı kondansere gönderilir. Yoğuşan freon hava soğutucuda, R – 15 hava soğutucuda tekrar kullanıma hazır hale gelir. 3.1.4. SP – 169 Su seperatörü Su Seperatörü, dışı izoleli bir basınçlı kap olup giriş nozulunda bir toplayıcı bulunmaktadır. Bu toplayıcı düşey seperatör elemanına girmeden su taneciklerinin ölçüsünü maksimum yapar. Seperatör elemanı hava akımına çeşitli yön değişiklikleri 40 sağlayarak birbiri üzerine geçmiş kanatların oluşturduğu ceplerde su damlacıklarının toplanmasını sağlar. Ceplerde biriken su artık hava akımında olmadığından su seperatörü tabanında bulunan rezervuara düşey olarak kurutulur. Ünitede otomatik kurutma bulunup bunun suyu kurutma yapabilmek için bypass’ı da bulunmaktadır. Ünitede yüksek seviye switch’i bulunmakta ve bu swicth otomatik kurutma arızası nedeniyle yükselen su seviyesini alarm vermektedir. 3.1.5. D – 16 A/B PPU yatakları PPU absorber tankları (D – 16 A/B) karbon çelikten yapılmış olup dışı izolelidir. Bu tanklarda ana hava akımında bulunan su ve karbon dioksit konsantrasyonu çok düşük seviyelere kadar düşürülür. Her tankta support grid’i bulunmakta ve bu grid seramik toplar ile moleküler sieve malzemesine destek sağlamaktadır. Kullanılan sieve malzemesi Laposorb 8’dir. Bir başka support grid’i sieve malzemesinin üzerinde bulunur ve diğer grup seramik toplara destek sağlar. Tanklar birbirine uygun boru devresi ile bağlanmış olup, otomatik vanalar sayesinde biri normal düzende çalışırken diğer tankın hava sıvılaştırma ünitesinden alınan atık azot veya PPU’dan alınan kuru hava ile rejenerasyonu sağlanır. Tankların çalışma sırasının değişimi otomatik olarak PLC (Programmable Logic Controller) ile sağlanır. 3.1.6. F – 162 PPU çıkış filtresi PPU çıkış filtresi, dışı izoleli bir karbon çelikten tank olup filtre kartuşlarına bakımı sağlamak amacıyla menteşeli bir kapağı bulunmaktadır. Bu ünite, PPU absorberlerinden çıkan kuru havada bulunan moleküler sieve malzemesini tutar. 10 mikrona kadar olan parçacıkların tamamı ile 2 mikrona kadar olan parçacıkların % 98’i tutulur. 3.1.7. HE – 163 Rejenerasyon gaz ısıtıcısı Rejenerasyon gaz ısıtıcısı (HE – 163), D – 16 A/B de bulunan moleküler sieve malzemesini rejenere etmek için kullanılan ve hava sıvılaştırma ünitesinden alınan atık azotu veya PPU’dan alınan kuru havayı uygun sıcaklığa kadar ısıtır. Isıtıcıda 41 elektrik enerjisi kullanılır ve sıcaklık kontrol elemanları ile uygun gaz sıcaklığı idame ettirilir. 3.2. Hava Ayrıştırma Ünitesi Soğuk Bölümü Bu ünitede, hava ayrıştırma ünitesi atmosferik bölümden gelen saflaştırılmış kuru havanın içerisinde bulunan azot, oksijen ve argon gazlarının kriyojenik distilasyon yöntemi ile ayrıştırılması sağlanmaktadır. Soğuk bölüm (Cold box) içerisinde yer alan ekipmanlar ve soğuk bölüme giren havanın akışı Şekil 3.2.’de gösterilmektedir. Şekil 3.2. Cold box içerisinde bulunan ekipmanlar ve akış hattı (Linde, 2009) 3.2.1. Cold box Distilasyon kolonu olarak da adlandırılan cold box, ayrıştırma ve saflaştırma işleminin yapıldığı asıl bölümdür. Yüksek saflıkta azot, oksijen ve argon gazlarının ayrıştırıldığı bölümdür. Ayrıştırma işlemi gazların kaynama noktaları farkından yararlanılarak yapılmaktadır. 42 Kolon çelik bir yapıdan oluşmaktadır. Kolonda ısıl etkileri, kolondan çevreye ve çevreden kolona olan ısı geçişi, en düşük seviyede tutabilmek için cam yünü ve perlit gibi ısı yalıtım malzemesi ile kaplanmaktadır. Cold box üç farklı kolonun birleşmesinden ve ısı eşanjörlerinden oluşmaktadır. Distilasyon kolonu oluşturan kolonlar; yüksek basınç kolonu, düşük basınç kolonu ve argon kolonudur. Şekil 3.3.’de örnek bir yüksek basınç ve düşük basınç kolonu gösterilmektedir. Şekil 3.3. Kriyojenik hava ayırma ünitelerinde kullanılan distilasyon kolonu (The Linde Group, 2009) Şekil 3.4.’de kolon içerisinde bulunan ayrıştırma tepsilerinde akışın nasıl olduğu gösterilmektedir. Yüksek basınç kolondan giren hava yükselmektedir. Kaynama noktalarından dolayı, oksijen, azot ve argon birbirinden ayrılır. Birbirinden ayrılan bu elementler farklı bölgelerde yoğuşarak sıvı faza geçerler. Sıvı forma geçen bu 43 elementler alt kolondan gelen gaz formunda ki hava ile ısınır ve tekrar buharlaşır. Bu esnada alt kolondan gelen hava da sıvı formdaki akışkandan yapılan ısı transferinden dolayı soğuyarak yoğuşur. Şekil 3.4. Kolon içerisinde bulunan örnek bir tepsi (The Linde Group, 2009) 3.2.1.1. C – 25 Yüksek basınç kolonu Bu kolon alüminyum bir kolon olup içinde eşit aralıklarla 50 tane ayrıştırma (distilasyon) tepsisi yerleştirilmiştir. Kolon tabanına yakın bir yerden kolona giren hava tepsilerden geçip yükselirken oksijen seviyesi 1 ppm’in altına düşer. Distilasyon kolonunun alt tarafını oluşturan bu kolona hem ana eşanjörden gelen 44 kuru hava ile hem de azot sıvılaştırma ünitesinden gelen sıvı azot ile besleme yapılır. Kolon basıncı yaklaşık olarak 6 bar seviyesindedir. 3.2.1.1.1. Geri akım Alt kolondan alınan gazın kalan kısmı kondanser (reboiler)’de kaynayan oksijen ısısından yararlanılarak yoğunlaştırılır. Sıvılaştırılan bu akım sonradan alt kolonun üstüne döner ve sıvılaştırıcıdan enjekte edilen sıvı azot ile birleşir. Fakir sıvı olarak bilinen bu sıvı karışımının bir kısmı, üst kolona (C – 30) geri akım olarak verilmeden önce alt kolon geri akımı olarak, geri akım aşırı soğutucusunda (HE – 36) aşırı soğutulur. 3.2.1.1.2. Zengin sıvı Alt kolonda aşağıya çöken sıvı kolon kollarına eriştiğinde yaklaşık % 38 seviyesinde oksijen ile zenginleşmiş olur. Zengin sıvı olarak adlandırılan bu sıvının bir kısmı üst kolonda genleştirilerek geri akım sağlandıktan sonra aşırı soğutucuda (HE – 26) soğutulur. Kalan sıvı üst kolona geçmeden önce ham argon kondanserinde (RB – 28) gazlaştırılır. 3.2.2. C – 29 Ham argon kolonu Ham argon kolonu 66 tepsisi bulunan bir kuledir ve harici kondanser (RB – 28) ile çalışır. Argon kolonunun beslenmesi, düşük basınçtan alınan argon ile zenginleşmiş akım ile yapılır. Bu akım argon kolonundan üst tepsiye erişene kadar yükselirken argon ile biraz daha zenginleşir. Kolonun altına dönen geri akım yer çekimi ile düşük basınç kolonuna geri döner. Gaz, düşük basınç kolonun argon konsantrasyonunun en fazla olduğu, yaklaşık olarak % 10, yerinden alınır. Kolonun üstünde argon konsantrasyonu % 98 seviyesine yükselir ve bu ham argon olarak adlandırılır. 45 3.2.2.1. RB – 28 Argon kondanseri Bu kondansör alüminyum plakalı bir kondanserdir. Ham argon kolonundan gelen ve yükselen argon aşırı soğutulmuş zengin sıvı akımları ile yoğuşturulur. Ham sıvı argon iki kısma ayrılır; bir kısmı depolamaya gönderilirken diğer kısmı geri akım sağlamak üzere kolonun üstüne geri döner. 3.2.3. C – 30 Düşük basınç kolonu Düşük basınç kolonu, içerisinde yerleştirilmiş eşit aralıkta ki 78 tane tepsiden oluşur. RB – 31 kondanseri bu kolonun tabanında bulunur. Bu kolonu besleyen akımlar sıvı enjeksiyonu için zengin sıvı ve fakir sıvıdır. Bu kolondan çıkan akımlar ise gaz ve sıvı oksijen, ham argon besleme, atık ve saf azottur. 3.2.3.1. RB – 31 Kondanseri Bu kondanser alüminyum plakalı bir kondanserdir. Bu kondanserde alt kolondan gelen orta basınçlı azot yükselirken üst kolon tabanında kaynayan oksijen ile yoğuşturulur. 3.2.3.2. P – 371 Sıvı oksijen pompası Ürün olarak istenen oksijen, LO2 ürün aşırı soğutucusundan (HE – 33) LO2 pompası (P – 371) ile geçirilerek alınır. 3.2.4. HE – 21 A/B Ana eşanjörler Hava ayırma ünitesinin ayrıştırma kulesinin (Cold box) içinde bulunan ana eşanjörler alüminyum plakalı tip eşenjörlerdir. Aynı özellikteki iki blok birbirine manifold ile bağlanmıştır. PPU yataklarından gelen hava, dönen soğuk gaz akımları ile soğutulur. Hava eşanjöre yaklaşık 280 K (6,85 °C)’de girer ve doyma noktasının biraz üzerine çıkar. Her bir blokta bulunan akışkanlar, hava, gaz oksijen, düşük basınçlı azot, orta basınçlı azot ve atık azottur. 46 3.2.4.1. HE – 24 Hava sıvılaştırıcı eşanjörü Hava sıvılaştırıcı eşanjörü alüminyum plakalı olup hava ayırma ünitesinin ayrıştırma kulesinde (Cold box) bulunan üç eşanjör bloğunun bir parçasıdır. Hava sıvılaştırma kısmında, proses hava akımı, düşük basınçlı azot ve atık azot gazı ile sıvılaştırılır. 3.2.4.2. HE – 26 Zengin sıvı aşırı soğutucu eşanjörü Hava ayırma ünitesinin ayrıştırma kulesinin (Cold box) içinde bulunan HE – 24, HE – 26 ve HE – 36 eşanjör bloklarının orta kısmını oluşturan alüminyum plakalı eşanjör, alt kolondan gelen zengin sıvı, düşük basınçlı azot ve atık azot ile aşırı soğutulur. 3.2.4.3. HE – 36 Geri akım aşırı soğutucu eşanjörü Ayrıştırma kulesinin (Cold box) içerisinde bulunan üçlü eşanjör bloklarından birini teşkil eden HE – 36 geri akım aşırı soğutucu eşanjörü alüminyum plakalı tip eşanjördür. Alt kolonun üstünden gelen sıvı azot bu eşanjörden geçerek üst kolona geri akım olarak gönderilmeden önce aşırı soğutulur. Aşırı soğutma için ısı transferi, dönen düşük basınçlı azot ve üst kolondan gelen atık azot ile sağlanır. 3.2.5. SP – 331 LO2 Aşırı soğutucu tankı SP – 331 alüminyumdan yapılmış bu tankın içinde LO2 aşırı soğutucu eşanjörü bulunur. Bu tanktaki sıvı azot, sıvı oksijen aşırı soğutuldukça kaynar. Azot, düşük basınçlı azot akımına döner. 3.2.5.1. HE – 33 LO2 Aşırı soğutucu eşanjörü HE – 33 eşanjörü plakalı tip olup sıvı oksijeni aşırı soğutur. Buradan çıkan oksijen sıvı oksijen üretim tankına gönderilir. 47 3.3. Azot Sıvılaştırma Ünitesi ve Ekipmanlar Cold box’dan çıkan azot bu ünitede sıvılaştırılır. Üniteyi farklı iki koldan besleme yapılmaktadır. Bunlardan ilki C – 25 yüksek basınç kolonundan alınan hava diğer besleme ise HE – 21 ana eşanjöründen gelen saf gaz azottur. Azot sıvılaştırma ünitesinde sıkıştırma işlemi için iki tane kompresör kullanılmıştır. Kullanılan kompresörlerden ilki azot geri çevrim kompresörü (CP – 70) 5 bar’da giren azotu 32 bar’a basınçlandırır. Kompresörden çıkan azot, ikinci kompresör olan booster kompresör/genleştiricisi (CE – 77)’ nde tekrar basınçlandırılır. Azot geri çevrim kompresörüne seri bağlı olan booster kompresör-türbin çiftinde 45 bar’a kadar basınçlandırılmıştır. Bu kompresörde yüksek basınç azotunu daha da sıkıştırabilmek için türbin işini kullanmıştır. Türbin işi ısı değiştirici bloğundaki eşanjörlerden biri olan HE-72 den çıkan azotun yaklaşık ¾ ü ile elde edilmiştir. Booster kompresör-türbin çifti kriyojenik uygulamalarda, doğalgaz, petrokimya ve hava ayrıştırma ünitelerinde kullanılır. Yüksek basınçlı gazlar türbin boyunca genleşir, elde edilen enerjinin büyük bir kısmı şaftla kompresöre aktarılır. Booster kompresöründen 45 bar ve 354 K’de çıkan azot, booster son soğutucusu (HE-771)’ndaki soğutma suyu ile 306 K’e kadar soğutulmuştur. Bundan sonraki soğutma azot sıvılaştırma ünitesindeki eşenjör bloğunun birinci kademesi olan HE71 sıvılaştırıcı eşanjöründe yapılır ve azot bu eşanjörde 251.1 K sıcaklığında çıkar. HE-71’den çıkan azot, azot chillerine (R-60) girer ve ısısını Freon 22’ye aktarır. R60’ dan 235 K’ de çıkan azot, çevrimdeki eşanjör bloğunun ikinci kademesini oluşturan HE-72’ye girer ve 182 K’de eşanjörden çıkar. Bu eşanjörden çıkan azotun yaklaşık olarak ¾ ü booster türbinine girer ve yaklaşık olarak 5,97 bar ve 108 K’de türbinden çıkar. Türbinden çıkan düşük basınçlı azot, yüksek basınç kolonundan alınan azot ile birleştirilerek azot sıvılaştırıcı eşanjörlerinden (HE-73, HE-72 ve HE71) geçer ve cold-box’daki HE-21 ana eşanjörden gelen azot ile birleşerek azot geri çevrim kompresörünü besler. HE-72 eşanjöründen çıkan azotun ¼ ü azot sıvılaştırma çevrimindeki eşanjör bloğunun son kademesini oluşturan HE-73 eşanjörüne girer. Son kademe 48 eşanjöründen çıkan azot yaklaşık olarak 45 bar basıncında ve 112,7 K sıcaklığında sıkıştırılmış sıvıdır. Şekil 3.5’de azot sıvılaştırma ünitesinin genel görünümü ve Şekil 3.6’de azot sıvılaştırma ünitesi tesisat şeması verilmiştir. Şekil 3.5. Azot sıvılaştırma ünitesi genel görünümü (Linde, 2009) 49 Şekil 3.6. Azot sıvılaştırma ünitesi tesisat şeması (Linde, 2009) 3.3.1. CP – 70 Azot geri çevirim kompresörü CP – 70 Azot geri çevrim kompresörü, hava ayırma ünitesinden gelen kuru, ılık, orta basınçtaki azotu ve sıvılaştırıcıdan gelen orta basınçlı geri çevrim azotunu basınçlandırmanın ilk aşaması için gereklidir. Kompresör elektrik ile çalışan üç kademeli turbo tip olup ara kademe soğutucuları ile son soğutucusu bulunur. Kompresör girişinde azot yaklaşık 5 bar’da girer ve kompresörde yaklaşık olarak 32,5 bar’da çıkış yapar. Kompresör paketi aşağıdakileri içerir; Yağlama yağı depolama tankı, ana ve yardımcı yağlama yağı pompası ve ara boru bağlantılarını içeren yağlama yağı yağ sistemi. El kumandalı giriş kılavuz kanatları. 50 Şekil 3.7. Azot geri çevrim kompresörü 3.3.2. CE – 77 Booster kompresör/türbin CE–77 booster kompresör/türbin, iki kademeli azot basınçlandırılmasının ikinci kademesi için kullanılır. Azot geri çevrim kompresöründen alınan gaz burada basınçlandırılır. Aynı zamanda, yüksek basınçlı azot akımlarının genleştirilmesinden elde edilen enerji ile çalışan türbin soğuk gaz akımını da sağlar. Elde edilen soğuk üretim, tesis soğutma ihtiyaçlarını karşılamak üzere kullanılırken, türbin de booster kompresörü çalıştırır. Geri çevrim kompresöründen alınan azot akımın basıncı, bu ünite ile 32,5 bar basınçtan 45,09 bar basıncına yükseltilir. Türbinde azot akımının basıncı 45,09 bar’dan 5,974 bar’a düşürülür. Türbin kısmındaki gazın akış kontrolü giriş kılavuz kanatları ile sağlanır. Genleştirici kısmı, acil durumlar için türbin girişine gazı kesen bir vana ile emniyete alınmıştır. Şekil 3.8’de Booster kompresör-türbin çifti gösterilmiştir. 51 Şekil 3.8. Booster kompresör/türbin 3.3.3. HE – 771 Booster kompresörü son soğutucu Booster kompresör son soğutucusu (HE – 771), su soğutmalı borulu tip bir eşanjör olup soğutma suyu borular içinden geçer. Eşanjör, booster kompresöründen çıkan azot gazı akımını 345 K (72 °C) sıcaklıktan 306 K (33 °C) sıcaklığına düşürmek için kullanılır. Şekil 3.9’da Booster kompresörü son soğutucusu gösterilmiştir. Şekil 3.9. Booster kompresörü son soğutucu 3.3.4. R – 60 Azot chilleri Bu ünite azot sıvılaştırma çevriminin bir parçası olup, HE – 71’den çıkan azot gazının sıcaklığını HE – 72’ye dönmeden önce 251 K (-22 °C)’den 235 K (-38 °C)’e düşürmek için kullanılır. 52 Gelen azot, azot chilleri borularından geçerken soğutulur. Bu azot chillerinde kullanılan soğutucu akışkan Freon 22’dir. Azot gaz akımından transfer edilen ısı enerjisi freonu gazlaştırır ve bu gaz vidalı bir kompresör ile su soğutmalı kondansere döndürülür. Ekonomizer kullanılması ile sadece sıvı haldeki freonun chillerde kullanılması sağlanır. Chiller ünitesinin tamamı bir şase üzerinde olup, ekipmanların tamamını, kontrol sistemini ve yağlama yağı sistemi ile yardımcıları içermektedir. Şekil 3.10’da Azot chilleri gösterilmiştir. Şekil 3.10. Azot Chilleri 3.3.5. HE – 71 Sıvılaştırıcı eşanjörü Sıvılaştırıcı eşanjörünün birinci kademesi olan bu eşanjör alüminyum plakalı tiptir. Booster kompresörden (CE – 77) gelen yüksek basınçlı azot akımı, dönen orta basınçlı gaz akımı ile soğutulur. Bu akımın çıkış sıcaklığı yaklaşık ortam sıcaklığıdır. Yüksek basınçlı akım, eşanjörü yaklaşık 215 K (-58°C)’de terk eder ve azot chilleri ünitesine (R – 60) girer. 3.3.6. HE – 72 Sıvılaştırıcı eşanjörü Sıvılaştırıcı eşanjörünün ikinci kademesi olan bu eşanjör alüminyum plakalı tiptir. Azot chilleri ünitesinde (R – 60) soğutulan yüksek basınçlı akım 235 K (-38°C)’de girer ve dönen orta basınçlı akım tarafından bir miktar daha soğutulur. Eşanjör çıkışında yüksek basınçlı akım ikiye bölünür. 53 Bunlardan büyük olan akım türbin beslemesi olarak 183 K (-90 °C)’de eşanjörden çıkar. İkinci akım sıvılaştırıcının üçüncü kısmı olarak devam eder. 3.3.7. HE – 73 Sıvılaştırıcı eşanjörü Sıvılaştırıcının üçüncü ve son kısmı olan bu eşanjör de alüminyum plakalı tiptir. Yüksek basınçlı akım ile bir miktar daha soğutulur ve hava ayırma ünitesi besleme stoku olarak 112 K (-161 °C)’de hava ayırma ünitesine girer. 3.4. Azot Sıvılaştırma Ünitesi Birinci Yasa Analizi Termodinamik enerjinin bilimi olarak ifade edilmektedir. Bu çalışma açık ve sürekli akışlı bir sitem olarak incelenmiş, sistem içerisinde bulunan kompresör, türbin ve ısı değiştiricilerin analizi bu şart altında yapılmıştır. Termodinamikte açık sistemler için kütle dengesi yazılırken önemli olan bir hususta şudur ki, kütlede enerji gibi korunum yasalarına uyar (Çengel ve Boles, 2011). Kontrol hacimlerinde kütle değişimi olmaz. Giren kütle toplamı çıkan kütle toplamına eşit olmaktadır. Çoklu girişi ve çıkışı olan sürekli akışlı kontrol hacimleri için genel kütle dengesi aşağıdaki gibi yazılabilinir; ∑ 𝑚̇𝑔 = ∑ 𝑚̇ç (3.1) Burada 𝑚̇ kütle akış oranını göstermekte ve alt indeksler giren ve çıkan kütleyi tanımlamaktadır. Kontrol hacimlerinde kapalı sistemlerden farklı olarak kütle giriş çıkışı olmaktadır. Açık bir sistemde kütle girişi ve çıkışı olabilmesi için bir iş olmalıdır. Bu işe akış işi denilir ve birim kütle için aşağıdaki gibi tanımlanır. 𝑤𝑎𝑘𝚤ş = 𝑃𝑣 (3.2) 54 Burada 𝑃 akışın basıncını, 𝑣 ise hacmi simgeler. Açık sistemlere giren ve çıkan akışkanın enerjisi tanımlanırken kapalı sistemlerden farklı olarak akış işi de hesaplanır. Akış olan sistemlerde birim kütlesinin toplam enerjisi; 𝜃 = 𝑃𝑣 + 𝑢 + 𝑘𝑒 + 𝑝𝑒 (3.3) Burada 𝑢 iç enerjiyi, 𝑘𝑒 kinetik enerjiyi ve 𝑝𝑒 ’de potansiyel enerjiyi tanımlamaktadır. Akış işi ile iç enerjinin toplamı entalpi olarak tanımlandığı bilindiğine göre denklem 3.3 düzenlenirse; 𝜃 = ℎ + 𝑘𝑒 + 𝑝𝑒 (3.4) Veya 𝜃=ℎ+ 𝑉2 2 + 𝑔𝑧 (3.5) Burada ℎ entalpiyi, 𝑣 akış hızını, 𝑔 yer çekimi ivmesini ve 𝑧 yüksekliği göstermektedir. Sürekli akışlı kontrol hacimlerinde toplam enerji değişmemekte yani sabit kalmaktadır. Bu sebeple kontrol hacmine giren kütle, ısı ve iş şeklindeki enerji kontrol hacmi çıkışında da miktar bakımından değişmemektedir. Sürekli akışlı açık sistemler için enerjinin korunumu aşağıdaki gibi yazılmaktadır. ∑ 𝐸̇𝑔 = ∑ 𝐸̇ç (3.6) Burada 𝐸𝑔̇ sisteme giren net enerjiyi, 𝐸ç̇ sistemden çıkan net enerjiyi göstermektedir. Sürekli akışlı bir açık sistem için enerji kütle, ısı ve iş ile geçtiği bilindiğine göre denklem 3.5 buna göre düzenlenirse; 𝑄̇𝑔 + 𝑊̇𝑔 + ∑ 𝑚̇𝑔 𝜃𝑔 = 𝑄̇ç + 𝑊̇ç + ∑ 𝑚̇ç 𝜃ç (3.7) 55 Burada 𝑄̇ birim zamandaki net ısıyı 𝑊̇ birim zamandaki net işi tanımlamaktadır. Birinci yasa verimi, tersinir yani en yüksek verim olarak tanımlanır. Sürekli akışlı açık bir sistem için birinci yasa bağıntısı aşağıda verildiği gibi ifade edilmektedir. 2 2 𝑉 𝑉 𝑄̇ − 𝑊̇ = ∑ç 𝑚̇ (ℎ + 2 + 𝑔𝑧) − ∑𝑔 𝑚̇ (ℎ + 2 + 𝑔𝑧) (3.8) 3.4.1. CP-70 Kompresörünün birinci yasa analizi 2 Wc 3 a-) Kütlenin Korunumu 𝑚̇2 = 𝑚̇3 (3.9) b-) Enerjinin Korunumu 𝑊̇𝐶𝑃−70 = 𝑚̇3 ℎ3 − 𝑚̇2 ℎ2 (3.10) 3.4.2. CE-77 Kompresörünün birinci yasa analizi 3 Wc 4 56 a-) Kütlenin Korunumu 𝑚̇3 = 𝑚̇4 (3.11) b-) Enerjinin Korunumu 𝑊̇𝐶𝐸−77 = 𝑚̇4 ℎ4 − 𝑚̇3 ℎ3 (3.12) 3.4.3. HE-771 Kompresör sonrası son soğutucunun birinci yasa analizi 5 4 a-) Kütlenin Korunumu 𝑚̇4 = 𝑚̇5 (3.13) b-) Enerjinin Korunumu 𝑄̇𝐻𝐸−771 = 𝑚̇4 ℎ4 − 𝑚̇5 ℎ5 (3.14) 3.4.4. HE-71 Isı değiştiricisinin birinci yasa analizi 5 15 57 6 14 a-) Kütlenin Korunumu 𝑚̇5 = 𝑚̇6 (3.15) 𝑚̇14 = 𝑚̇15 (3.16) b-) Enerjinin Korunumu 𝑚̇6 ℎ6 + 𝑚̇15 ℎ15 = 𝑚̇5 ℎ5 + 𝑚̇14 ℎ14 (3.17) 3.4.5. R-60 Azot chillerinin birinci yasa analizi 6 7 a-) Kütlenin Korunumu 𝑚̇6 = 𝑚̇7 (3.18) b-) Enerjinin Korunumu 𝑄̇𝑅−60 = 𝑚̇6 ℎ6 − 𝑚̇7 ℎ7 (3.19) 3.4.6. HE-72 Isı değiştiricisinin birinci yasa analizi 7 14 58 8 13 a-) Kütlenin Korunumu 𝑚̇7 = 𝑚̇8 (3.20) 𝑚̇13 = 𝑚̇14 (3.21) b-) Enerjinin Korunumu 𝑚̇8 ℎ8 + 𝑚̇14 ℎ14 = 𝑚̇7 ℎ7 + 𝑚̇13 ℎ13 (3.22) 3.4.7. CE-77 Türbininin birinci yasa analizi 9 𝑊̇ 10 a-) Kütlenin Korunumu 𝑚̇9 = 𝑚̇10 (3.23) b-) Enerjinin Korunumu 𝑊̇𝐶𝐸−77 = 𝑚̇9 ℎ9 − 𝑚̇10 ℎ10 (3.24) 59 3.4.8. HE-73 Isı değiştiricisinin birinci yasa analizi 16 17 13 12 a-) Kütlenin Korunumu 𝑚̇16 = 𝑚̇17 (3.25) 𝑚̇12 = 𝑚̇13 (3.26) b-) Enerjinin Korunumu 𝑚̇17 ℎ17 + 𝑚̇13 ℎ13 = 𝑚̇16 ℎ16 + 𝑚̇12 ℎ12 (3.27) 3.5. Azot Sıvılaştırma Ünitesi İkinci Yasa Analizi Enerji birçok formda meydana gelmektedir. Proses analizinde, enerji transferi ve enerji dönüşümünde, termodinamik anahtar rolü oynar (Dinçer ve Rosen, 2007). Termodinamik çıkarımlar geniş ölçüde ve uygulamalarda faydalanabileceğimiz enerjinin analizini yapmamızı sağlar. Yani termodinamik çıkarımlar enerjinin ve enerjinin şekil değiştirmesini kapsamaktadır. Enerjinin şekil değiştirmesi esnasında kaybolan enerji ve enerjinin ne kadarının kullanıldığının incelemesi de ekserji konusudur. 60 Ekserji, bir sistemin veya akış halindeki bir maddenin veya enerjinin referans çevre şartlarıyla dengeye gelinceye kadar üretilebilecek en çok iş olarak tanımlanır. Ekserji, sistem veya akış potansiyelinin sebep olduğu değişimlerle ölçülür. Sürecin sonunda sistem referans çevre şartlarıyla tamamen dengeye gelmez. Enerjinin aksine ekserji korunum yasasından bahsedilemez (ideal veya tersinir prosesler hariç). Gerçek proseste ekserji, tersinmezliklerden dolayı sürekli yok olur. Proses esnasındaki ekserji tüketimi prosesle ilgili tersinmezliklerden kaynaklanan entropi oluşumuyla orantılıdır (Hepbaşlı, vd., 2006; Kanoğlu, vd., 2007; Dinçer ve Rosen, 2005). Ekserji veya kullanılabilir enerji, aynı şartlardaki bir prosesin karşılaştırılmasına olanak sağlar. Bununla beraber ekserji analizi bir prosesteki enerji niteliğinin kaybının yol açtığı verim kayıplarının belirlenmesini sağlar. Açıkca böyle bir analiz, bir prosesin nasıl daha iyi bir şekilde geliştirebileceğini sağlamayabilir, fakat bir prosesin neresinde iyileştirme yapılabileceğini gösterir (Kotas, 1985). Ekserji analizinde enerjinin her formu termodinamiğin birinci yasası temeline dayandırılarak açıklanabilir. Fakat bu bir dezavantaj oluşturur. Öyle ki enerji kaybının kalitesi dikkate alınmamış olunur. Yani bir enerji analizinde yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa enerji transferi yapılırken ısı enerjisinin kalitesinde ki değişimi gözlemleyemeyiz. Burada sadece enerji akışının devam ettiğini görürüz. Ekserji analizi yapılırken tüm ünitelerde kinetik, potansiyel ve kimyasal ekserji ihmal edilir. Ekserji denkliği aşağıdaki şekilde yazılır (Kabul, 2008; Bejan, 2002). 𝐸̇𝑄 − 𝐸̇𝑊 = ∑ 𝑚̇ç𝚤𝑘𝑎𝑛 𝜀ç𝚤𝑘𝑎𝑛 − ∑ 𝑚̇𝑔𝑖𝑟𝑒𝑛 𝜀𝑔𝑖𝑟𝑒𝑛 + 𝐼 (3.28) Burada 𝐸̇𝑄 ısıyla gelen birim zamandaki ekserjiyi, 𝐸̇𝑊 iş ile gelen birim zamandaki ekserjiyi, ε özgül ekserjiyi ve I birim zamanda kaybolan ekserjiyi yani tersinmezliği tanımlamaktadır. 𝐼 = 𝑇0 𝑠ü𝑟𝑒𝑡𝑖𝑚 (3.29) 61 Burada T0 çevre sıcaklığını ifade etmektedir. Bu çalışmada çevre sıcaklığı 298,15 K kabul edilmiştir. Termodinamiğin ikinci yasası; hal değişiminin yönünü ve enerjinin miktarının yanı sıra kalitesinin de önemli olduğunu vurgulamaktadır. Yani ikinci yasa ısı enerjisinin iş ve verimliliğe dönüşümünü incelemektedir. Termodinamik açıdan incelendiğinde hal değişimi esnasında enerji miktarının nasıl azaldığının belirlenmesi ikinci yasanın kapsamındadır. Hal değişimleri termodinamiğin çalışma alanlarından biridir. Termodinamiğin ikinci yasasında karşılaşılan ve enerji gibi bir özellik olan entropi, enerjinin aksine korunumu yoktur. Yani entropi korunumu diye bir tanımlama yoktur. Entropi ya değişmez ya da artar, entropinin azalması gibi bir özellik yoktur. Isı geçişi, kütle akışı ve tersinirlik entropi değişimine neden olur. Entropi moleküler düzensizlik veya moleküler rastgelelik olarak açıklanabilir. Bir sistem daha düzensiz hal aldıkça, moleküllerin konumları belirsizleşecek ve entropi artacaktır. Entropi; 𝑑𝑄 𝑑𝑆 = ( 𝑇 ) (3.30) Olarak tanımlanmaktadır. Burada S entropiyi, Q ısıyı ve T sıcaklığı ifade etmektedir. Sürekli akışlarda adyabatik durumlarda entropi üretimi; 𝑠ü𝑟𝑒𝑡𝑖𝑚 = 𝑠ç𝚤𝑘𝑎𝑛 − 𝑠𝑔𝑖𝑟𝑒𝑛 Burada 𝑠ç𝚤𝑘𝑎𝑛 sistemden (3.31) çıkan entropiyi, 𝑠𝑔𝑖𝑟𝑒𝑛 sisteme giren entropiyi tanımlamaktadır. Termodinamikte birinci yasa verimi tek başına bir başarı kriteri olmayacağı bilinmektedir. Bu sebepten dolayı termodinamiğin ikinci yasa verimi tanımlanması gerekmektedir. İkinci yasa verimi, gerçek işin, aynı koşullarda olabilecek en yüksek yani tersinir işe bölümü sonucu elde edilir. İş üreten makineler için ikinci yasa 62 verimi, makineden elde edilen yararlı iş çıktısının elde edilecek en çok (tersinir) iş çıktısına oranı olarak tanımlanır. Denklem 3.28’ de verilen özgül ekserji aşağıdaki hesaplamayla elde edilir. 𝜀 = (ℎ − ℎ0 ) − 𝑇0 (𝑠 − 𝑠0 ) (3.32) Burada ℎ0 ve 𝑠0 çevre sıcaklığı olan 𝑇0 ve çevre basıncı olan 𝑃0 haline göre entalpi ve entropi değerleridir. Bu çalışmada 𝑇0 sıcaklığı 298,15 K ve 𝑃0 basıncıda 1 atm olarak kabul edilmiştir. Denklem 3.28’de genel ekserji dengesi verilmiştir. Bu denklemde gelen ısı ekserjisini tanımlayan 𝐸̇𝑄 ’nün hesaplama yöntemi ise denklem 3.33’de gösterilmiştir. 𝑇−𝑇 𝐸̇𝑄 = 𝑄̇ ( 𝑇 0) (3.33) Denklem 3.33’de ki işin ekserjisi yine iştir. Yani sisteme verilen veya sistemden çıkan iş birebir ekserji olarak yazılabilir. 𝐸̇𝑊 = 𝑊̇ (3.34) 3.5.1. CP-70 Kompresörünün ekserji analizi Denklem 3.9 göz önüne alındığında CP-70 kompresörü için ekserji analizi; 𝑚̇2 𝜀2 + 𝑊̇𝑐𝑝−70 = 𝑚̇3 𝜀3 + 𝐼𝑐𝑝−70 (3.35) Burada denklem 3.35 düzenlendiğinde; 𝐼𝑐𝑝−70 = 𝑚̇2 𝑇0 (𝑠3 − 𝑠2 ) (3.36) 3.5.2. CE-77 Kompresörünün ekserji analizi Denklem 3.11 göz önüne alındığında CE-77 kompresörünün ekserji analizi; 63 𝑚̇3 𝜀3 + 𝑊̇𝑐𝑒−77 = 𝑚̇4 𝜀4 + 𝐼𝑐𝑒−77 (3.37) Burada denklem 3.37 düzenlendiğinde; 𝐼𝑐𝑒−77 = 𝑚̇3 𝑇0 (𝑠3 − 𝑠4 ) (3.38) 3.5.3. HE-771 Kompresör sonrası son soğutucunun ekserji analizi Denklem 3.13 göz önüne alındığında HE-771 booster son soğutucusunun ekserji analizi; 𝑚̇4 𝜀4 = 𝑚̇5 𝜀5 + 𝑄̇𝐻𝐸−771 + 𝐼𝐻𝐸−771 (3.39) Burada denklem 3.39 düzenlendiğinde; 𝐼𝐻𝐸−771 = 𝑚̇4 𝑇0 (𝑠5 − 𝑠4 ) (3.40) 3.5.4. HE-71 Isı değiştiricisinin ekserji analizi Denklem 3.15 ve 3.16 göz önüne alındığında HE-71 ısı değtiricisinin ekserji analizi; 𝑚̇5 𝜀5 + 𝑚̇14 𝜀14 = 𝑚̇6 𝜀6 + 𝑚̇15 𝜀15 + 𝐼𝐻𝐸−71 (3.41) Burada denklem 3.41 düzenlendiğinde; 𝐼𝐻𝐸−71 = 𝑇0 [𝑚̇5 (𝑠6 − 𝑠5 ) + 𝑚̇14 (𝑠15 − 𝑠14 )] 3.5.5. R-60 Azot chillerinin ekserji analizi Denklem 3.18 göz önüne alındığında R-60 azot chillerinin ekserji analizi; 64 (3.42) 𝑚̇6 𝜀6 = 𝑚̇7 𝜀7 + 𝑄̇𝑅−60 + 𝐼𝑅−60 (3.43) Burada denklem 3.43 düzenlendiğinde; 𝐼𝑅−60 = 𝑚̇6 𝑇0 (𝑠7 − 𝑠6 ) (3.44) 3.5.6. HE-72 Isı değiştiricisinin ekserji analizi Denklem 3.20 ve 3.21 göz önüne alındığında HE-72 ısı değiştiricisinin ekserji analizi; 𝑚̇7 𝜀7 + 𝑚̇13 𝜀13 = 𝑚̇8 𝜀8 + 𝑚̇14 𝜀14 + 𝐼𝐻𝐸−72 (3.45) Burada denklem 3.45 düzenlendiğinde; 𝐼𝐻𝐸−72 = 𝑇0 [𝑚̇7 (𝑠8 − 𝑠7 ) + 𝑚̇13 (𝑠14 − 𝑠13 )] (3.46) 3.5.7. CE-77 Türbininin ekserji analizi Denklem 3.23 göz önüne alındığında CE-77 türbininin ekserji analizi; 𝑚̇9 𝜀9 = 𝑚̇10 𝜀10 + 𝑊̇𝑐𝑒−77 + 𝐼𝑐𝑒−77 (3.47) Burada denklem 3.47 düzenlenirse; 𝐼𝑐𝑒−77 = 𝑚̇9 𝑇0 (𝑠10 − 𝑠9 ) (3.48) 65 3.5.8. HE-73 Isı değiştiricisinin ekserji analizi Denklem 3.25 ve 3.26 göz önüne alındığında HE-73 ısı değiştiricisinin ekserji analizi; 𝑚̇16 𝜀16 + 𝑚̇12 𝜀12 = 𝑚̇17 𝜀17 + 𝑚̇13 𝜀13 + 𝐼𝐻𝐸−73 (3.49) Burada denklem 3.49 düzenlendiğinde; 𝐼𝐻𝐸−73 = 𝑇0 [𝑚̇16 (𝑠17 − 𝑠16 ) + 𝑚̇12 (𝑠13 − 𝑠12 )] (3.50) Çizelge 3.1’de incelenen azot sıvılaştırma ünitesinin her bir bileşeni için termodinamiğin birinci ve ikinci yasası uygulanıp kütle dengesi eşitliği, enerji dengesi eşitliği ve ekserji dengesi eşitliği verilmiştir. 66 Çizelge 3.1. Sistem bileşenlerinin genel denklikleri Sistem Bileşeni Kütle Dengesi Enerji Dengesi Ekserji Dengesi CP-70 Kompresörü ṁ2 = ṁ3 ẆCP−70 = ṁ3 h3 − ṁ2 h2 𝑚̇2 𝜀2 + 𝑊̇𝑐𝑝−70 = 𝑚̇3 𝜀3 + 𝐼𝑐𝑝−70 CE-77 Kompresörü ṁ3 = ṁ4 ẆCE−77 = ṁ4 h4 − ṁ3 h3 𝑚̇3 𝜀3 + 𝑊̇𝑐𝑒−77 = 𝑚̇4 𝜀4 + 𝐼𝑐𝑒−77 HE-771 Kompresör sonrası soğutucu ṁ4 = ṁ5 Q̇ HE−771 = ṁ4 h4 − ṁ5 h5 ṁ4 ε4 = ṁ5 ε5 + Q̇ HE−771 + IHE−771 HE-71 Isı ṁ5 = ṁ6 ṁ6 h6 + ṁ15 h15 = ṁ5 h5 + ṁ14 h14 ṁ5 ε5 + ṁ14 ε14 = ṁ6 ε6 + ṁ15 ε15 + IHE−71 değiştirici ṁ14 = ṁ15 𝑄̇𝑅−60 = 𝑚̇6 ℎ6 − 𝑚̇7 ℎ7 𝑚̇6 𝜀6 = 𝑚̇7 𝜀7 + 𝑄̇𝑅−60 + 𝐼𝑅−60 𝑚̇8 ℎ8 + 𝑚̇14 ℎ14 = 𝑚̇7 ℎ7 + 𝑚̇13 ℎ13 𝑚̇7 𝜀7 + 𝑚̇13 𝜀13 = 𝑚̇8 𝜀8 + 𝑚̇14 𝜀14 + 𝐼𝐻𝐸−72 𝑊̇𝐶𝐸−77 = 𝑚̇9 ℎ9 − 𝑚̇10 ℎ10 𝑚̇9 𝜀9 = 𝑚̇10 𝜀10 + 𝑊̇𝑐𝑒−77 + 𝐼𝑐𝑒−77 𝑚̇17 ℎ17 + 𝑚̇13 ℎ13 = 𝑚̇16 ℎ16 + 𝑚̇12 ℎ12 𝑚̇16 𝜀16 + 𝑚̇12 𝜀12 = 𝑚̇17 𝜀17 + 𝑚̇13 𝜀13 + 𝐼𝐻𝐸−73 R-60 Azot ṁ6 = ṁ7 chilleri HE-72 Isı ṁ7 = ṁ8 değiştirici ṁ14 = ṁ15 CE-77 ṁ9 = ṁ10 Türbini HE-73 Isı değiştirici ṁ16 = ṁ17 ṁ12 = ṁ13 Kriyojenik sıvılaştırma sistemlerinde doğru bir enerji ve ekserji analizi yapabilmek için faz durumlarına göre analizlerin yapılması lazım. Bu sistemlerde soğutma etkisini tanımlayabilmek için sıvılaşma sırasındaki entalpiden besleme gazı entalpisi çıkarılması gerekir. Besleme gazı ısı değiştirici bloğundan gelen gaz ve cold box’dan gelen gazın birleşimi olarak tanımlanmıştır (Dinçer ve Rose, 2007). Denklem 3.51’de sıvılaşmanın birim kütlesi başına transfer edilen ısı yani soğutma etkisi (Dinçer ve Rose, 2007); 𝑞𝑙 𝑠𝚤𝑣𝚤 = ℎ1 − ℎ𝑠𝚤𝑣𝚤 (3.51) 67 Sistemdeki soğutma etkisinin akışkanın faz durumuna göre sıvı ve gaz olarak ayrı ayrı ele almak gerekmektedir. Bu sebeple çevrimdeki akışkanın gaz fazında olduğu durumda soğutma etkisi ise (Dinçer ve Rose, 2007); 𝑞𝑙 𝑔𝑎𝑧 = ℎ1 − ℎ2 (3.52) Burada dikkat edilmesi gereken önemli nokta, soğutma etkisinin bir iş olarak düşünülmemesi gerektiğidir. Denklem 3.8’de sürekli akışlı açık sistemler için termodinamiğin birinci yasa bağıntısı yazılmıştır. Birinci yasa çözümlemesi yapıldığında işin denklemi bulunmuş olunur. Denklem 3.51 ve 3.52 ise soğutma etkisi diye tanımladığımız başka bir bağıntıdır. Çevrimdeki sıvılaşan gazı bulabilmek için gazın fraksiyonu yani denklem 3.52’in denklem 3.51’e oranı hesaplanmıştır. Çevrimde sıvılaşan gaz y olarak tanımlanırsa (Dinçer ve Rose, 2007); 𝑦= ℎ1 −ℎ2 (3.53) ℎ1 −ℎ𝑠𝚤𝑣𝚤 Çevrimdeki gerçek iş gazın birim kütlesi için (Dinçer ve Rose, 2007); 𝑤𝑔𝑒𝑟ç𝑒𝑘 𝑔𝑎𝑧 = ℎ2 − ℎ1 − 𝑇0 (𝑠2 − 𝑠1 ) (3.54) Çevrimdeki gerçek iş sıvılaşan azotun birim kütlesi için denklem 3.54’ü y ile bölünmesi sonucu elde edilir (Dinçer ve Rose, 2007). 𝑤𝑔𝑒𝑟ç𝑒𝑘 𝑠𝚤𝑣𝚤 = ℎ2 −ℎ1 −𝑇0 (𝑠2 −𝑠1 ) (3.55) 𝑦 Azot sıvılaştırma ünitesinin gaz birim kütlesi başına gerçek soğutma performans katsayısı (COP) değerini bulabilmek içinse, denklem 3.52’nin denklem 3.54’e oranı kurulmaktadır (Dinçer ve Rose, 2007). 𝐶𝑂𝑃𝑔𝑒𝑟ç𝑒𝑘 𝑔𝑎𝑧 = 𝑤 𝑞𝑙 𝑔𝑎𝑧 (3.56) 𝑔𝑒𝑟ç𝑒𝑘 𝑔𝑎𝑧 68 Sıvılaştırma ünitesindeki sıvılaşan birim kütle başına tersinir COP değerini bulabilmek için ise denklem 3.51’in tersinir işe bölünmesi gerekir. Sıvılaşan birim kütle başına tersinir iş (Dinçer ve Rose, 2007); 𝑤𝑡𝑒𝑟𝑠𝑖𝑛𝑖𝑟 = 𝑒𝑥𝑠𝚤𝑣𝚤 − 𝑒𝑥1 (3.57) Tersinir COP ise aşağıdaki denklemle bulunur (Dinçer ve Rose, 2007); 𝑞𝑙 𝑠𝚤𝑣𝚤 𝐶𝑂𝑃𝑡𝑒𝑟𝑠𝑖𝑛𝑖𝑟 = 𝑤 (3.58) 𝑡𝑒𝑟𝑠𝑖𝑛𝑖𝑟 İncelenen azot sıvılaştırma ünitesi ekserji verimliliği ise denklem 3.56’nın denklem 3.58’e bölümü sonucu bulunur (Dinçer ve Rose, 2007). 𝜂𝑒𝑥 = 𝐶𝑂𝑃𝑔𝑒𝑟ç𝑒𝑘 𝑔𝑎𝑧 (3.59) 𝐶𝑂𝑃𝑡𝑒𝑟𝑠𝑖𝑛𝑖𝑟 Sistemdeki ısı değiştiricilerinin ekserji verimi aşağıdaki denklem ile hesaplanmaktadır (Thomas, vd., 2011). 𝑚̇𝑌𝐵 (𝑒𝑥𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 ç𝚤𝑘𝑎𝑛 −𝑒𝑥𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑔𝑖𝑟𝑒𝑛 ) 𝜂𝑒𝑥−𝐻𝐸 = 𝑚̇ (3.60) 𝐴𝐵 (𝑒𝑥𝑠𝑜ğ𝑢𝑘 𝑔𝑖𝑟𝑒𝑛 −𝑒𝑥𝑠𝑜ğ𝑢𝑘 ç𝚤𝑘𝑎𝑛 ) EES programı, temel olarak doğrusal ya da doğrusal olmayan cebirsel veya diferansiyel denklemleri sayısal yöntemlerle çözen bir bilgisayar programıdır. Wisconsin-Madison Üniversitesinden Sanford Klein ve William Beckman tarafından geliştirilen bu yazılım, denklem çözme yeteneğini ve mühendislik özellik verilerini bir çatı altında toplamaktadır. EES; optimizasyon ve parametrik analizin doğrusal veya doğrusal olmayan regresyon yapabilmekte, ayrıca baskı kalitesinde çizim olanağı sunmaktadır. Bu yazılımda, matematiksel fonksiyonların yanı sıra termodinamik özellik fonksiyonları da yüklü olup kullanıcıların ilave özellik verileri girmesine olanak sağlamaktadır. Havanın, suyun ve diğer pek çok akışkanın termodinamik ve transport özellikler program kütüphanesinde yüklüdür (Çengel ve Boles, 2012; White, 2005). 69 EES programı daha çok mühendislik eğitimi uygulamaları için geliştirilse de endüstriyel uygulamalarda da sıklıkla kullanılmaktadır. Her hangi bir programlama dili bilgisine gerek duyulmaz. Program, integrasyondan kompleks sayılara, bessel fonksiyonlardan hata fonksiyonlarına kadar bir çok matematiksel fonksiyonun çözümü, lineer, kübik ve kuatratik interpolasyon, regresyon analizi, diyagram çizimleri, arayüzlü program geliştirilmesi, animasyon uygulaması ve genişletilebilen özellik kütüphanesi gibi bir çok özelliğe sahiptir (Çengel ve Boles, 2012; White, 2005). 4. ARAŞTIRMA BULGULARI Bu çalışmada gerçek bir azot sıvılaştırma ünitesi incelenmiştir. İncelenen azot sıvılaştırma ünitesi hava ayrıştırma ünitesine entegredir. Yapılan incelemelerde çevrimin ve ısı değiştiricilerinin ekserji verimliliğini artıran parametrelerin bulunulması amaçlanmıştır. İncelenen sıvılaştırma ünitesindeki termodinamik değerler hesaplandıktan sonra elde edilen P-h diyagramı Şekil 4.1’de verilmiştir. 70 Şekil 4.1. Sıvılaştırma ünitesinin P-h diyagramı Şekil 4.1’de görüldüğü gibi sistemden ayrılan 17 noktası 45 bar basınçta sıkıştırılmış sıvı bölgesindedir. Sıkıştırılmış sıvı ile ilgili literatürde yeterli bilgi mevcut değildir. Sıkıştırılmış sıvı özellikleri basınçtan bir ölçüde bağımsızdır. Çünkü sıkıştırılmış sıvı özelliklerinin basınçla değişimi çok azdır. Bu sebepten dolayı sıkıştırılmış sıvı özellikleri doymuş sıvı özelliklerine eş değer kabul edilir. Bunun nedeni, sıkıştırılmış sıvı özelliklerinde basınçtan çok sıcaklığın etkili olmasıdır (Çengel ve Boles, 2011). Sıvılaştırma ünitesindeki elde edilen termodinamik değerler için T-s diyagramı Şekil 4.2’de verilmiştir. 71 Şekil 4.2. Sıvılaştırma ünitesinin T-s diyagramı Şekil 4.2’de 17 noktası sıvı oluşumunun olduğu bölgeyi T-s diyagramı üzerinden göstermektedir. Şekil 4.3’de ise azotun T-s diyagramında basınç eğrilerini göstermektedir. Şekil 4.3. Azotun T-s diyagramındaki basınç eğrileri 72 Şekil 4.3’de basınç eğrileri incelendiğinde doymuş sıvı bölgesinin solunda basınç eğrilerinin yoğunlaştığı görülmektedir. Kırmızı çizgi ile gösterilen 45 bar 17 noktasının basınç değeridir. Şekil 4.4’de gösterilen azot sıvılaştırma ünitesinin h-s diyagramıdır. Şekil 4.4. Sıvılaştırma ünitesinin h-s diyagramı Yapılan nümerik hesaplamalar sonucu elde edilen değerler Çizelge 4.1’de verilmiştir. 73 Çizelge 4.1. Sıvılaştırma ünitesi için hesaplanan değerler Referans nokta değerleri 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Entalpi (kj/kg) Entropi (kj/kgK) Hesaplanan değerler Sonuçlar 285,4 309 311 361,3 308,5 246,5 227,7 160,9 161,6 103,3 87,37 101,6 161,5 240 313 161,8 -43,42 6,237 6,319 5,81 5,868 5,706 5,483 5,406 5,084 5,086 5,203 5,049 5,191 5,649 6,056 6,333 5,088 3,603 qL gaz qL sıvı y 52,3 kj/kg 352,42 kj/kg 0,148 186,69 kj/kg 1261,4 kj/kg 456,58 kj/kg 0,2801 0,7708 0,36 wgerçek gaz wgerçek sıvı wtersinir COP gerçek COP tersinir ηex ηex-HE-71 ηex-HE-72 ηex-HE-73 0,55 0,81 0,89 Şekil 4.5’de kompresör giriş sıcaklığına bağlı olarak sistemin ekserji verimindeki değişim gösterilmiştir. Şekil 4.5. T2 sıcaklığına bağlı olarak ekserji verimindeki değişim grafiği 74 Şekil 4.5’de T0 değerinin yani çevre sıcaklığının 20 °C ve 25 °C olduğu durumlarda sisteme giren T2 sıcaklığının artması durumunda ekserji veriminin azaldığı gözlenmektedir. Ancak çevre sıcaklığının 20 °C olduğu durumda COP gerçek değerinin 25 °C göre biraz daha fazla olduğu gözlenmektedir. Fakat çevre sıcaklığının 25 °C olduğu durumda da ekserji veriminin 20 °C dereceye göre biraz daha artığı ölçülmektedir. Şekil 4.6’da çevre sıcaklığına bağlı olarak COPgerçek ve COPtersinir’de meydana gelen değişimler gösterilmiştir. Şekil 4.6. T0 sıcaklığına göre COPgerçek ve COPtersinir değişim grafiği T0 değişkeni olan çevre sıcaklığı yani ölü hal durumunun azalmasında COPgerçek ve COPtersinir artış gözlenmektedir. Yani çevrime giren çevre sıcaklığını ne kadar düşür ise COP verimlerini artırmış oluyoruz. Fakat Şekil 4.7’de çevre sıcaklığının düşürülmesi durumunda ısı değiştiricilerinin verimlerinin düştüğü görülmektedir. 75 Şekil 4.7. T0 sıcaklığına göre HE-71 ve HE-72 ısı değiştiricilerindeki verim değişim grafiği Çevre sıcaklığı olan T0 sıcaklığının değişimine bağlı olarak HE-71 ve HE-72 ısı değiştiricilerinin göstermiş olduğu ekserji verim değişimi Şekil 4.7’de gösterilmiştir. Şekil 4.8’de sistemden çıkan sıvılaşma noktasının sıcaklığına bağlı olarak COP tersinir değerindeki değişim gösterilmiştir. 76 Şekil 4.8. T17 sıcaklığına bağlı olarak COPtersinir değişim grafiği Çevrimden sıvı fazda çıkan 17 nci noktanın sıcaklığındaki artışına bağlı olarak entalpi ve entropi değerlerinde artış gözlenmektedir. Entalpi ve entropideki artış sıvılaşmanın birim kütlesi başına transfer edilen ısı (qL sıvı) ve tersinir iş (wtersinir) azalmaya neden olmaktadır. Bu azalmalar Şekil 4.8 göründüğü gibi 132 K’ ne kadar bir artış gösterse de 132 K’ den sonra azalmaya gitmektedir. 77 Şekil 4.9. T17 sıcaklığına bağlı olarak qLsıvı ve wtersinir de meydana gelen değişim grafiği Şekil 4.10. h17 ve S17 artışlarına bağlı olarak qL değişim grafiği 78 sıvı ve wtersinir de meydana gelen Şekil 4.11. h4 değerine bağlı olarak Copgerçek ve ekserji verimindeki değişim grafiği İkinci kompresör çıkışındaki entalpi değeri olan h4’ün değişimine bağlı olarak COPgerçek ve ekserji verimi üzerindeki değişim gösterilmiştir. 79 5. TARTIŞMA VE SONUÇLAR Azot sıvılaştırma ünitesinde ısı değiştirici bloğu bulunmaktadır. Bu blok üç tane ısı değiştiriciden oluşur. Bunlar; HE-71, HE-72 ve HE-73 ısı değiştiricileridir. Bu ısı değiştiricilerin ekserji verimleri HE-71 için 0,55, HE-72 için 0,81 ve HE-73 0,89 olarak hesaplanmıştır. Bu çalışmada nümerik hesaplamalarla termodinamik yasalar çerçevesinde incelenen azot sıvılaştırma ünitesinin COPgerçek ve COPtersinir değerleri sırasıyla 0,2801 ve 0,7708 olduğu bulunmuştur. Bununla birlikte denklem 3.59 kullanılarak ekserji verimi 0,36 olarak hesaplanmıştır. Yapılan incelemeler ve hesaplamalar sonucunda kompresör verimliliğinin düşük olduğu tespit edilmiştir. Çizelge 4.1’e bakıldığında birinci kompresör girişi ile çıkışı arasındaki entalpi farkı çok düşüktür. Birinci kompresörün adyabatik olduğu bilindiğine göre bu kompresörde çok ciddi bir ekserji değişimi olmamakla birlikte sadece basınçlandırma işlemi yapmaktadır. Şekil 4.11’da görülüyor ki kompresör çıkış değerleri sistemin ekserji verimliliği üzerinde etkili bir faktördür. Bu sebeple kompresör verimliliğinin artırılması sistem verimliliğinin de artmasına neden olacaktır. 80 6. KAYNAKLAR Akdağ, M., 2009. Temel Kavramları İle Mühendislik Termodinamiği, 97. Kafkas Üniversitesi Yayınları, Bakü. Amin, R., Islam, A., Islam, R., Islam, S., 2014. Simulation of N2 Gas Separation Process from Air. IOSR Journal of Applied Chemistry (IOSR-JAC), 6 (5), 09-13. Anek, M., Wang, M., 2015. Potantial for improving the energy efficiency of cryogenic air separation unit (ASU) using binary heat recovery cycles. Applied Thermal Engineering, 81 (2015), 223 – 231. Atalay Oral, Ç., Erdem Şenatalar, A., Tantekin Ersolmaz, Ş.B., 2006. Zeolit Katkılı Polimerik Gaz Ayırma Membranları. İTÜ Dergisi, Cilt:5, Sayı:1, Kısım:1, 91-102. Arpentinier, P., Cavani, F., Trifiro, F., 2001. The technology of catalytic oxidations, 368. Paris: Editions Technic. Atkins, K.R., 1959. Liquid Helium. Cambridge University. Bejan, A., 2002. Fundamentals of Exergy Analysis Entropy Generation Minimization and The Generation Architecture. International Journal of Energy Research. 26, 545-565. Bhunya, D. K., 2014. Simulation Study of Cryogenic Air Separation Unit Using Aspen Hysys at Rourkela Steel Plant. National Instute of Techology, Yüksek Lisans Tezi, 47, India. Campestrini, M., Stringari, P., Arpentinier, P., 2014. Solid-Liquid Equilibrium Prediction for Binary Mixtures of Ar, O2, N2, Kr, Xe, and CH4 using the LJSLV-EoS. MINES ParisTech, PSL Research University, CTP, Centre Thermodynamics of Processes, Yüksek Lisans Tezi, 39, France. Castle, W. F., 2002. Air Separation and Liquefaction: Recent Developments and Prospects for the Beginning of the New Millennium. International Journal of Refrigeration, 25, 158-172. Cohen, A., Lundell, J., Gerber, R.B., First compounds with argon–carbon and argon– silicon chemical bonds, 2003. Journal of Chemical Physics, 119, 13, 64156417. Cornelissen, R.L., Hırs G.G., 1998. Exergy Analysis of Cryogenic Air Separation. Energy Conversion and Management, 39, 1821-1826. Çengel, Y. A., Boles, M. A., 2011. Termodinamik; Mühendislik Yaklaşımıyla, 946, Güven Kitapevi, Türkiye. 81 Demir, E., 2014. Investigation of The Effects of Holding times at Cryogenic Temperatures on Residual Stress Distribution of AISI D2 Tool Steel. Yıldırım Beyazıt Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 79s, Ankara. Dinçer, İ., Rose, M.R., 2007. Exergy: Energy, Environment and Sustainable Development, 454. Elsevier, Canada. Fernàndez, J., Martín F., 2007. Journal of Physics B: Atomic. Molecular and Optical Physics, 40, 2471-2480. Hepbaşlı, A., Dinçer, İ., Rosen, M. A., 2006. Exergy Analysis of Heat Pump Systems for Residential Applications. CD-Proceedings of 7th International HVAC+R Technology Symposium, İstanbul, Turkey, 8-10 May. Ivanova, S., Lewis, R., 2012. Producing Nitrogen via Pressure Swing Adsorption. America Institute of Chemical Engineerings, June 2012, 38-42. İçke, İ., Başak, P. Y., 2004. Kriyoterapinin Dermatolojide Kullanımı. Türkiye klinikleri Tıp Bilimleri Dergisi, 24, 383 – 395. Kabukçu, N.Ö., 2011. Süperiletken Parçacık Hızlandırıcıları İçin Soğutma Sisteminin Fiziği ve İşletimi, Ankara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 57s, Ankara. Kabul A., 2008. Alternatif Soğutucu Akışkan Kullanılan Bir Soğutma Sisteminde Termodinamik ve Isı Transferinin Teorik ve Deneysel Olarak İncelenmesi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 118s, Isparta. Kanoglu, M., Dinçer, İ., Rosen, M. A., 2007. Understanding Energy and Exergy Efficiencies for Improved Energy Management in Power Plants. Energy Policy, 35, 3967-3978. Kansha, Y., Kishimoto, A., Nakagawa, T., Tsutsumi, A., 2011. A Novel Cryogenic Air Separation Process Based on Self-Heat Recuperation. Separation and Purification Technology, 77, 389-396. Kerry, F. G., 2007. Industrial Gas Handbook; Gas Separation and Purification, 511. CRC Press Taylor & Francis is Group, USA. KLM Technology group, 2013. Air Separation Units. Kotas, T.J., 1985. The Exergy Method of Thermal Plant Analysis. Butter-Worths, 299p, London. Kutluay, A.H., Çankal, D.A., Bozkaya, S., 2010. Kriyocerrahi ve Ağız Cerrahisinde Kullanım Alanları. Gazi Üniversitesi Diş Hekimliği Fakültesi Dergisi, 27(1), 53 – 63. 82 Lee, M. W., Jeng J. H., 2010. Closed-Loop Process Identification for Air Separation Unit. China Steel Technical Report, 23, 52-57. Lemmon, E.W., Jacobsen, R.T., Penoncello S.G., Friend, D.G., 2000. Thermodynamic Properties of Air and Mixture of Nitrogen, Argon and Oxygen From 60 to 200 K at Pressures to 2000 MPa. Journal of Physical and Chemical, vol: 29, no: 3, pp: 331-385. Lide, D. R., 2000. Handbook of Chemistry and Physics, 2475. CRC Prsess, USA. Manenti, F., Rossi, F., Croce, G., Grottoli, M. G., Altavilla M., 2013, Itensifying Air Separation Units, Chemical Engineering Transactions, 35, 1249-1254. Rizk, J., Nemer, M., Clodic, D., 2012. A Real Column Design Exergy Optimization of a Cryogenic Air Separation Unit. Energy, 37, 417-429. Sapali, S.N., Raibhole V.N., 2013. Exergy Analysis of Cryogenic Air Separation Unit Integrated with Biomass Gasifier. Proceeding of the World Congress on Engineering and Computer Science (WCECS) 2013 Vol II, San Francisco, USA. Smith, A.R., Klosek, J., 2001. A Review of Air Separation Technologies and Their Intergration with Energy Conversion Processes. Fuel Processing Technology, 70, 115-134. Taniguchi, M., Asaoka, H., Ayuhara, T., 2015. Energy Saving Air Separation Plant Based on Exergy Analysis. Kobelco Technology, Shinko Air Water Cryplant Ltd., 34-38. The Linde Grup, 2009. About Air Separation Units. Thomas, R. J., Ghosh, P., Chowdhury, K., 2011. Exergy Analysis of Helium Liquefaction Systems Based on Modified Claude Cycle with Two-Expanders. Cryogenics, 51, 287-294. Ünsaç A., 2010. Kriyojenik Isı Değiştiricisinde Termoelektrik Jeneratör Uygulaması ve Karakterizasyonu. İstanbul Teknik Üniversitesi, Enerji Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 87s, İstanbul. Van der Ham, L. V., Kjelstrup, S., 2010. Exergy Analysis of Two Cryogenic Air Separation Processes. Energy, 35, 4731-4739. Vinso, D.R., 2006. Air Separation Control Technology. Computers and Chemical engineering 30 (2006), 1436-1446 Weisend II, J.G., 1998. Hanbook of Cryogenic Engineering. 504, Taylor & Francis, USA. Wilks, J., 1970. An Introduction to Liquid Helium, 165. Oxford University Press, London. 83 White, G.K., Meeson P.J., 2002. Experimental Techniques in Low-Temperature Physics, 280. Clarendon Press, Oxford, UK. White, F.M., 2005. Akışkanlar Mekaniği, Literatür Yayınları, İstanbul. Yılmaz, F., Selbaş, R., Özgür, A. E., Balta, M.T., 2015. Global Conference on Global Warming (GCGW-15), May 24-27, Athens, Greece. Zhu, Y., Legg, S., Laird, C.D., 2010. Optimal Design of Cryogenic Air Separation Columns Under Uncertainl., Computers and Chemical Engineering 34 (2010) 1377-1384. 84 ÖZGEÇMİŞ Adı Soyadı : Arif KARABUĞA Doğum Yeri ve Yılı : Isparta, 1988 Medeni Hali : Bekar Yabancı Dili : İngilizce E-Posta : [email protected] Eğitim Durumu Lise : BURDUR Lisesi Lisans : S.D.Ü., Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Mesleki Deneyim 2014-2015 S.D.Ü. Keçiborlu MYO Öğretim Görevlisi (Sözleşmeli) 2015-2016 S.D.Ü. Keçiborlu MYO Öğretim Görevlisi (Sözleşmeli) Yayınları Karabuğa, A., Selbaş R., 2016. Azot Sıvılaştırma Ünitesinin Performans Analizi, Journal of Yekarum. (Accept) Karabuğa, A., Yakut, M. Z., Yakut, G., Selbaş, R., Üçgül, İ., 2015. Renewable Energy Solutions for Tourism, Europen Scientific Journal, March 2015 Edition, 188-194. Kızılkan, Ö., Selbaş, R., Karabuğa, A., Yılmaz, F., 2014. Enerji Mühendisliğinde Kullanılan Yazılımların İncelenmesi, 2. Ulusal İklimlendirme Soğutma Eğitimi Sempozyumu ve Sergisi, 23-25 Ekim 2014, 664-672. Karabuğa, A., Selbaş, R., Yılmaz, F., 2014. Kriyojenik Soğutma Uygulamalarında Kullanılan Azot Kriyojeninin Üretim Prosesi, 2. Ulusal İklimlendirme Soğutma Eğitimi Sempozyumu ve Sergisi, 23-25 Ekim 2014, 792-801. 85
