Ek 2
ULUSAL ÖĞRENCİ TASARIM YARIŞMASI
PROBLEM TANIMI
KÖMÜRÜN GAZLAŞTIRILMASI YOLUYLA ELDE EDİLEN SENTEZ GAZINDAN
METANOL ÜRETİMİ
1. Giriş
Türk kömür rezervlerinden metanol üretimi
Kömürden metanol üretimi, kömürün gazlaştırma yoluyla sentez gazına, sonra da
kimyasal sentez yoluyla metanole dönüştürülmesine yönelik bir süreçtir.
Süreç, kömürün hazırlanması, kömürün gazlaştırılması, sentez gazının
koşullandırılması, metanol sentezi, metanolün damıtılması ile hava ayrıştırma ünitesi
ve kükürt geri kazanma ünitesi gibi yardımcı sistemler ve servisleri içermektedir.
Türkiye’nin zengin ve ekonomik kömür rezervleri mevcuttur. Bunun yanı sıra,
metanol kimyasal üretim zinciri açısından ve deTürkiye gibi hızla büyüyen bir ülke
için en önemli ürünlerden biridir.
Tesisin tümündeki karmaşıklık, çalışmaların çeşitlendirilmesi ve değişik seviyelerde
ayrıntılara girilmesine olanak tanıyacaktır. Bu da, en cazip değerlendirme yolunu
seçme imkanı sağlayacaktır.
Kömürden Metanol Üretim Kompleksi
Kömürden metanol üretim tesisi, seri halinde çalışan kimyasal ünitelerin oluşturduğu
büyük bir komplekstir. Bu kompleks, şematik olarak üç ana bölüme ayrılabilir:
1. Gazlaştırma Adası (Hava Ayırma Ünitesi dahil),
2. Sentez Gazı Koşullandırması ve Saflaştırılması (Kükürt Geri Kazanma Ünitesi
dahil),
3. Metanol Sentezi ve Saflaştırılması (Distilasyon).
Üç ana üniteyle ilgili olarak yardımcı üniteler ve altyapı tesisleri mevcuttur.
Yardımcı üniteler, kompleksin çalışması için gerekli servis akışkanlarının üretimini
içerir. Altyapı tesisleri, metanol kompleksinin dış birimlerle arayüzünü teşkil eden
genel hizmet üniteleridir.
1
METANOL ÜRETİM KOMPLEKSİ
Gazlaştırma Adası
Sentez Gazı
Koşullandırma ve
Saflaştırma
Metanol Sentezi ve
Saflaştırması
Yardımcı Servisler ve Ünite Dışı Tesisler
Altyapı Tesisleri
PROBLEM TANIMI, tesisin üçüncü kısmına, yani koşullandırılmış sentez gazından
başlayarak Metanol Sentez ve Saflaştırma (Distilasyon) kısmına odaklanacaktır.
Takibeden paragraflar, yukarıda belirtilen üç ana kısmı kısaca anlatmaktadır.
2
Gazlaştırma Adası
Tesise getirilerek tesis önüne yığılan kömür, besleme sisteminin gereklerine göre
gazlaştırma reaktörü için uygun boyuta öğütülür. Besleme sistemi, bulamaç veya
kuru tip olabilir.
Gazlaştırma ünitesi, oksijen ve reaksiyon moderatörü olarak su buharının bulunduğu
ortamda kömürün yüksek sıcaklıkta kısmen oksitlenme prosesini öngörmektedir.
Gazlaştırma reaksiyonu, yüksek sıcaklıkta ve temel özellikleri seçilen teknolojiye
bağlı olarak sentez gazını ortaya çıkarır.
Kül toplama, baştaki toz toplama kısmı ile birlikte prosesin bir parçasıdır.
Bir hava ayırma ünitesi (kriyojenik), gazlaştırma reaksiyonu için gerekli olan oksijenin
teminini sağlar.
Ayrılan azot ise genel olarak gaz sürükleme / temizleme (purging) işlemlerinde
kullanılır.
GAZLAŞTIRMA ADASI
Hava
Ayrıştırma
KÖMÜR
Kömür
Stoklama ve
Hazırlama
Gazlaştırma
Su ile
Sıyırma
Kül Toplama
Su Arıtımı
SENTEZ GAZI
3
Sentez Gazı Koşullandırma ve Saflaştırma
Metanol sentez bölümüne girmeden önce, sentez gazının saflaştırılması ve metanol
sentez reaksiyonunun gerektirdiği bileşime ayarlanması şarttır.
Sentez gazının kesin bileşimi, gazın kısmi kayma (Shift) reaksiyonuyla ve takibinde
CO2’nın kısmen ve safsızlıkların tamamen ayrılması ile sağlanmaktadır.
Safsızlıklar, ağırlıklı olarak kükürt bileşikleridir ve Claus reaksiyonu ile geri
kazanılarak saf kükürt üretmek üzere kükürt ünitesine gönderilir.
SENTEZ GAZI KOŞULLANDIRMASI VE SAFLAŞTIRMASI
SENTEZ
GAZI
Isı Geri
kazanım ve
Shifting
Asidik Gaz
Uzaklaştırma
Çözücü
Rejenerasyonu
TEMİZ
SENTEZ
GAZI
Kükürt Tesisi
KÜKÜRT
4
Metanol Sentezi ve Saflaştırılması (Distilasyon)
Sentez gazının gereken metanol sentez basıncına ulaşması için sıkıştırılması
gerekmektedir.
Metanol sentez reaksiyonu (egzotermik), katalitik reaktörlerde (teknoloji ve tesis
büyüklüğüne bağlı olarak seri veya paralel) gerçekleştirilir.
Reaksiyon ısısı, prosesin verimini artırmak için uzaklaştırılmalıdır.
Dikkate değer bir reaksiyon koşulu, reaksiyon ısısının sürekli ve homojen olarak
reaksiyon ortamından uzaklaştırıldığı izotermal ortamdır.
Sentez ürünü (ham metanol), saf metanol elde etmek üzere saflaştırma (distilasyon)
işlemine tabi tutulur. Kolon sayısı, ihtiyaç duyulan ürün kalitesine, örneğin A/AA
kalitesi, yakıt kalitesi veya MTO (metanolden olefin) üretimi kalitesine bağlıdır.
METANOL SENTEZİ VE SAFLAŞTIRMASI
TEMİZ SENTEZ
GAZI
Sentez Gazının
Sıkıştırılması
Metanol
Sentezi
Metanol
Saflaştırma
METANOL,
A KALİTE
5
2. Problem Tanımı
Üretim kapasitesi
Tesis 5000 Ton/gün (Metrik Ton/Gün) Metanol (%100 Metanol bazında) üretecektir.
Aşağıdaki iki metanol kalitesi göz önüne alınmalıdır:
a. AA Kalitesi,
b. MTO üretimi (kalite öğrenci tarafından tanımlanmalıdır).
Sentez Gazı Kalitesi
Sentez gazı aşağıdaki koşullarda mevcuttur (mol %, kuru temel):
H2
CO
CO2
N2+Ar
CH4
Kükürt
H2O
Basınç
Sıcaklık
66.5
28.0
2.5
2.9
0.1
0.1 ppm mol
0 (sentez gazının kuru olduğu kabul edilebilir).
40 barg (bar gauge)
40 °C
Metanol üretimi için gerekli sentez gazının miktarı öğrenci tarafından
hesaplanacaktır.
Yardımcı Servisler
Yeterli miktarda yardımcı servislerin tesiste mevcut olduğu varsayılacaktır (örneğin:
a) soğutma suyu (20°C sıcaklıkta), b) elektrik enerjisi, c) alçak basınç buhar (3.5
barg basınçta)
Normal tesis işletiminde ihtiyaç duyulacak yardımcı servis miktarları (yukarıdaki a, b,
c maddelerindeki) öğrenciler tarafından hesaplanacaktır.
Problemin Analizi ve Geliştirilmesi
Problem iki temel yöntemle analiz edilecek ve çözümü geliştirilecektir:
a. Kaynak (teknik literatür) araştırması
b. Piyasada mevcut olan simülasyon programları (Öğrencilerin kullanımına açık
böyle bir imkan olduğu varsayılmaktadır).
Problemin incelenmesi gereken bir takım yönleri vardır.
Takibeden liste öğrenciye yol göstermek üzere hazırlanmıştır:




Metanol sentez prosesi termodinamiğinin analizi
Dönüşüm kısmı için literatür bilgilerinden uygun bir buhar-sıvı denge modeli
seçimi ve irdelenmesi,
Metanol sentez döngüsü kimyasının modellenmesi,
Metanol sentez reaktörleri ve özellikle izotermal reaktörler için, literatür
bilgilerinin temini,
6








Kimyasal dönüşüm kısmında ısıl entegrasyonun belirlenmesi,
Sentez döngüsüne etkisi olan ana parametreler (basınç, sıcaklık, vb.) için
duyarlılık (sensitivity) analizinin yapılması,
Sentez gazı inert madde içeriğinin geri döngü (recycle) kompresörünün
gücüne etkisinin değerlendirilmesi,
Distilasyon kısmı için uygun bir buhar-sıvı denge modelinin seçilmesi ve
literatür bilgileriyle doğrulanması,
Distilasyon kısmının modellenmesi ve ısıl entegrasyonun optimizasyonu,
Kolon hidroliğinin değerlendirilmesi ve ilgili Murphy verimlilikleri için model
tanımlanması,
Distilasyon kısmını etkileyen ana parametreler (basınç, sıcaklık, ara flaş
basıncı, tepsi sayısı) için duyarlılık analizi,
İstenilen metanol kaliteleri (saflıkları) ile distilasyon sistemi karmaşıklığı ve
tüketimleri arasında ilişki kurulması.
7
Download

Problem Tanımı