Hava ayrıştırma tesisinde enerji verimliliği ve ekserji analizi
Energy efficiency and exergy analysis in air separation plant
Yazar: GÖKTUĞ URAL
Danışman: PROF. DR. MAHMUT BAYRAMOĞLU
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Teknolojinin hızla gelişmesi, endüstriyel gazlara olan ihtiyacı önemli ölçüde artırmıştır. Havada bulunan azot, oksijen ve argon değişik endüstriyel alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.  Bu tez çalışmasında bir proses simulatör programı kullanılarak, gaz/sıvı oksijen, azot ve argon üreten bir hava ayrıştırma tesisinin simülasyon modeli kuruldu. Bu model yardımıyla sistemin enerji verimliliği hesaplandı ve ekserji analizi yapıldı. Birim üretim başına tüketilen enerji, ürün kazanım yüzdeleri, ekipmanların ekserji kayıpları ve ekserji verimlilikleri, tüm tesisin ekserji verimliliği hesaplandı ve sonuçlar, Grassmann Diyagramıyla gösterildi. Kolonlarda % 20.3, hava kompresöründe % 13.7, ana ısı değiştiricisinde % 12.0 ve türbinde % 3.8 ekserji kaybı hesaplandı. Diğer ekipmanlar da göz önünde bulundurulduğunda tüm tesisin standart ekserji verimliliği % 27.0 olarak hesap edildi.
Tesisin ekserji verimliliğini yükseltmek amacıyla simulasyon çalışmaları yapıldı. Bu amaçla, soğutma suyu debisi yükseltildi, sıvı oksijen debisi arttırıldı, atık azot debisi düşürüldü, argon safiyeti arttırıldı ve kolonlardaki tepsi sayıları makul bir seviyeye düşürüldü. Yaz ayları düşünülüp hava sıcaklığı yükseltilerek, ekserji verimliliğinin de buna olumlu etkisi gözlendi. Ayrıca hava kompresörünün verimliliği de arttırıldı. Sonuçta, standart ekserji verimliliğinin  % 31.4'e kadar yükseltilebildiği görüldü. Son olarak, kimyasal ekserjiler de hesaba katılarak ekserji verimliliği hesaplandı. İyileştirme öncesi ve sonrası standart ekserji verimliliği değerleri % 38 ve % 45.7 olarak bulundu.

Abstract:
With the rapid development of technology,  industrial gases requirement is increased considerably. Nitrogen, oxygen and argon in air, are used in many industrial areas. In this thesis, an air separation plant simulation model that can produce gas/liquid oxygen, nitrogen and argon is installed by using a process simulator program. With the help of this model, energy efficiency of the system is calculated and exergy analysis is done.  Energy consumed for unit production, product recovery yields, exergy losses and exergy efficiencies of the equipments, exergy efficiency of the whole plant are calculated and the results are shown in Grassmann Diagram. Exergy losses are calculated as 20.3 % for columns; 13.7 % for air compressor; 12.0% for main heat exchanger and 3.8 % for turbine. With the consideration of another equipments, exergy efficiency of the whole plant is performed as 27.0 %.
Simulation studies are done to improve the exergy efficiency of the plant. For this purpose; cooling water flow rate is increased, liquid oxygen flow rate is increased, waste nitrogen flow rate is decreased, argon purity is increased and tray numbers of the columns are decreased to a reasonable level. When considered summer, by increasing air inlet temperature, its positive effect to exergy efficiency is watched out. Additionally, the air compressor's efficiency is increased also. As a result, it is seen that standart exergy efficiency can be increased to 31.4 %. Finally, exergy efficiency is calculated by taking into account  the chemical exergies. Standart exergy efficiencies are performed as 38 % and 45.7 % before and after optimization.