Dynamic behavior of continuous flow stirred slurry reactors in boric acid production
Borik asit üretiminde kullanılan sürekli akışlı karıştırmalı çamur reaktörlerinin dinamik davranışı
- Tez No: 153539
- Danışmanlar: PROF. DR. İNCİ EROĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Jips Kristalizasyonu, Borik Asit, Kolemanit Çözünmesi, Çamur Reaktörleri, Kalış Süresi Dağılımı, Makroakışkan Modeli, Mikroakışkan Modeli IX, Gypsum Crystallization, Boric Acid, Colemanite Dissolution, Slurry Reactors, Residence Time Distribution, Macrofluid Model, Microfluid Model VI
- Yıl: 2004
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 242
Özet
oz BORİK ASİT ÜRETİMİNDE KULLANILAN SÜREKLİ AKIŞLI KARIŞTIRMALI ÇAMUR REAKTÖRLERİNİN DİNAMİK DAVRANIŞI Yücel Çakal, Gaye Ö. Doktora, Kimya Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. İnci Eroğlu Haziran 2004, 213 sayfa Önemli bor minerallerinden biri olan kolemanitin, sülfürik asit ile reaksiyona girmesi sonucunda borik asit üretilmektedir. Bu reaksiyon esnasında jips (kasiyum sülfat dihidrat) yan ürün olarak oluşmaktadır. Bu çalışmada, borik asit üretimi hem kesikli hem de dörtlü seri bağlantılı sürekli akışlı karıştırmalı çamur reaktörleri sisteminde ele alınmıştır. Bu reaksiyon sisteminde en az üç tane faz vardır, bir sıvı ve iki katı faz (kolemanit ve jips). Kesikli reaktörde bütün fazlar aynı işetme zamanına (reaktörde kalış süresine) sahiptir. Bunun yanısıra, sürekli reaktörde hem reksiyona giren katının hem de ürün olan katının reaktörde kalış süresi çok önemlidir çünkü bu kolemanitin çözünme dönüşümünü ve de jips kristallerinin büyümesini etkilemektedir. vııBu çalışmanın esas amacı, sürekli akışlı karıştırmalı çamur reaktörlerinin dinamik davranışını incelenmektir. Katı ve sıvı bileşenlerin reaktörde kalış süresini elde ederek, reaktördeki ideal olmayan koşullar saptanabilmektedir. Sürekli akışlı karıştırmalı çamur reaktörlerinde yapılan çalışmalar borik asit üretimi deneylerinde kullanılan reaktörlerin çalışılan karıştırma hızlarında (500-750 rpm) ideal karıştımalı tank reaktörlerine yaklaştığını göstermektedir. Seri bağlantılı sürekli akışlı karıştırmalı çamur reaktörlerinin yatışkınhal performansı da çalışılmıştır. Bu çalışmalar esnasında, aynı yerden gelen fakat farklı kompozisyonlara ve parça boyutuna sahip iki kolemanit kullanılmıştır. Borik asit üretim reaksiyonu iki birbirini takip eden reaksiyondan oluşmaktadır, kolemanitin çözünmesi ve jipsin kristalizasyonu. Kolemanit çözünmesi ve jips oluşumu, sırasıyla, borik asit ve kalsiyum iyon konsantrasyonu ile takip edilmektedir. Başlangıç CaO/ S042“ mol oranının (1.00, 1.37 ve 2.17) borik asit ve kalsiyum iyon konsantrasyonuna etkisi araştırılmıştır. Bu başlangıç mol oranlarında, çamurun reaktörde kalış süresini değiştirmek için farklı kolemanit besleme hızları (5, 7.5, 10 ve 15 g/dak) kullanılmıştır. Borik asit çözeltisinin saflığı, seçilen safsızlıklar, magnezyum ve sülfat iyonları konsantrasyonları, ile incelenmiştir. Bu konsantrasyonlar, başlangıç mol oranı 1.00 ve 1.37 olduğu durumlarda, kolemanit besleme hızlarını değiştirerek karşılaştırılmıştır. Yüksek başlangıç CaO/ S042”mol oranınında sülfat ve magnezyum iyon konsantrasyonlarının azaldığı fakat kalsiyum iyon konsantrasyonunun arttığı görülmüştür. Reaksiyonda oluşan jips kristalleri ince iğneler şeklindedir. Bu kristaller, mineralden gelen çözünmemişlerle karışıp, borik asit çamurundan filtrasyonla uzaklaştırılır. Jips kristallerinin filtrasyonunun borik asit üretim reaksiyonunda önemli bir yeri vardır çünkü bu işlem, verimi, saflığı ve borik asidin kristalizasyonunu etkilemektedir. Bu kristaller reaktörde uygun bir boyuta büyütülmek zorundadır. Jips kristallerinin büyüme prosesi çözünme reaksiyonu ile senkronize bir şekilde çalışmalıdır. Katı tutma oranının (0.04-0.09) jips kristallerinin reaktörde kalış süresine etkisi araştırılmış ve reaktörde kalış süresi değişimi (17-60 min) ile jipsin büyümesi viiiincelenmiştir. Katı tutma oranı, katı hacminin toplam hacime oranı şeklinde ifade edilir. Deneyler esnasında, her reaktördeki kalış süresi, reaktörlerin hacmi eşit olduğundan sabit kalmıştır. Jips büyümesi lazer krınım parça boyut analiz cihazı ile incelenmiş ve jips kristallerinin hacimce ortalama çapları elde edilmiştir. Kristal görüntüleri ışık mikroskobu ile çekilmiştir. Yüksek reaktörde kalış süresinin jips kristal büyümesine posîtrf bir etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Kristallerin hacimce ortalama çapları 240 urn'a kadar varmıştır. Jips kristal büyüme modeli, ikinci dereceden kristalizasyon reaksiyonu hız denklemi ile elde edilmiştir. Sürekli borik asit reaktörlerinin makroakışkan ve mikroakışkan modeli ile simulasyonu için, sürekli reaktörlerdeki reaktördeki kalış süresi jips büyüme modeli ile birlikte kullanılmıştır. Değişik sayıdaki sürekli karıştırmalı tank reaktörleri (1-8) ve piston akış reaktörler, seçilen reaktörde kalış süreleri (20-240 dak) ile modellenmiştir. Simule edilen modeller, daha sonra deneysel veri ile doğrulanmıştır. Deneysel olarak bulunan kalsiyum iyon konsantrasyonları mikroakışkan modeli ile bulunan konsantrasyonlarla uymuştur. Deneysel verinin mikroakışkan modelinden % 4-7 oranında saptığı bulunmuştur.
Özet (Çeviri)
ABSTRACT DYNAMIC BEHAVIOR OF CONTINUOUS FLOW STIRRED SLURRY REACTORS IN BORIC ACID PRODUCTION Yücel Çakal, Gaye Ö. Ph.D., Department of Chemical Engineering Supervisor: Prof. Dr. inci Eroğlu June 2004, 213 pages One of the most important boron minerals, colemanite is reacted with sulfuric acid to produce boric acid. During this reaction, gypsum (calcium sulfate dihydrate) is formed as a byproduct. In this study, the boric acid production was handled both in a batch and four continuously stirred slurry reactors (4-CFSSR's) in series system. In this reaction system there are at least three phases, one liquid and two solid phases (colemanite and gypsum). In a batch reactor all the phases have the same operating time (residence time), whereas in a continuous reactor all the phases may have different residence time distributions. The residence time of both the reactant and the product solids are very important because they affect the dissolution conversion of colemanite and the growth of gypsum crystals. The main aim of this study was to investigate the dynamic behavior of continuous flow stirred slurry reactors. By obtaining the residence time distribution of the solid IVand liquid components, the non-idealities in the reactors can be found. The experiments performed in the continuous flow stirred slurry reactors showed that the reactors to be used during the boric acid production experiments approached an ideal CSTR in the range of the stirring rate (500-750 rpm) studied. The steady state performance of the continuous flow stirred slurry reactors (CFSSR's) in series was also studied. During the studies, two colemanites having the same origin but different compositions and particle sizes were used. The boric acid production reaction consists of two simultaneous reactions, dissolution of colemanite and crystallization of gypsum. The dissolution of colemanite and the gypsum formation was followed from the boric acid and calcium ion concentrations, respectively. The effect of initial CaO/ S042“ molar ratio (1.00, 1.37 and 2.17) on the boric acid and calcium ion concentrations were searched. Also, at these initial molar ratios the colemanite feed rate was varied (5, 7.5, 10 and 15 g/min) to change the residence time of the slurry. Purity of the boric acid solution was examined in terms of the selected impurities, which were the magnesium and sulfate ion concentrations. The concentrations of them were compared at the initial molar ratios of 1.00 and 1.37 with varying colemanite feed rates. It was seen that at high initial CaO/ S042”molar ratios the sulfate and magnesium ion concentrations decreased but the calcium ion concentration increased. The gypsum crystals formed in the reaction are in the shape of thin needles. These crystals, mixed with the insolubles coming from the mineral, are removed from the boric acid slurry by filtration. Filtration of gypsum crystals has an important role in boric acid production reaction because it affects the efficiency, purity and crystallization of boric acid. These crystals must grow to an appropriate size in the reactor. The growth process of gypsum crystals should be synchronized with the dissolution reaction. The effect of solid hold-up (0.04-0.09), defined as the volume of solid to the total volume, on the residence time of gypsum crystals was investigated and the change of the residence time (17-60 min) on the growth of the gypsum was searched. Theresidence time at each reactor was kept constant in each experiment as the volumes of the reactors were equal. The growth of gypsum was examined by a laser diffraction particle size analyzer and the volume weighted mean diameters of the gypsum crystals were obtained. The views of the crystals were taken under a light microscope. It was observed that the high residence time had a positive effect on the growth of gypsum crystals. The crystals had volume weighted mean diameters of even 240 |im. The gypsum crystal growth model was obtained by using the second order crystallization reaction rate equation. The residence time of the continuous reactors are used together with the gypsum growth model to simulate the continuous boric acid reactors with macrofluid and microfluid models. The selected residence times (20-240 min) were modeled for different number of CSTR's (1-8) and the PFR. The simulated models were, then verified with the experimental data. The experimentally found calcium ion concentrations checked with the concentrations found from the microfluid model. It was also calculated that the experimental data fitted the microfluid model with a deviation of 4-7%.
Benzer Tezler
- Sürekli karıştırmalı tank reaktörü modellenmesi ve simülasyonu
Modeling and simulation of continuous stirred tank reactor
ÇİĞDEM ŞİRİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
BiyomühendislikÜsküdar ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İMRAN GÖKER
- Sürekli karıştırmalı polimerizasyon reaktörüne çok girdili/çok çıktılı modele dayalı kontrol algoritmasının uygulanması
Application of multi input/multi output model based control algorithm to continuous stirred polymerization reactor
İLKAY ÇALIŞKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
Kimya MühendisliğiAnkara ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. GÜLAY ÖZKAN
- Havasız arıtmanın fizikokimyasal dengelerle modellenmesi
The Modelling of anaerobic digesters with physico-chemical equilibria
GÜLER DARTAN (DEMİR)
- Model based parameter estimation for chemical reactors
Kimyasal reaktörler için model destekli parametre saptanması
BEYHAN DAYIBAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Kimya MühendisliğiMarmara ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KURTUL KÜÇÜKADA
- Mikroskobik kanallar üzerinde gerçekleşen ıslanma dinamikleri
Wetting dynamics on microscopic channels
ÖZLEM ÖZTÜRK
Doktora
Türkçe
2020
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEM ÖZGÜR SERVANTİE