Sorbead Air İle Enerji Tasarrufu

çAğLAr ŞAHİN makine mühendisi damlanem kimya a.ş.

bu makale, basınçlı hava kurutucularda kullanılan temel kurutucu madde türlerini incelemekte ve yüksek enerji verimliliği sağlayan hava dehidrasyonu için birinci sınıf adsorban olan sorbead® air’i tanıtmaktadır.

basınçlı hava Endüstrisi için Adsorbanlar: SİLİKAJEL, AKtİF ALÜMİNA, MoLEKÜLER SİEVE

En pahalı enerji türlerinden biri olmasına rağmen, basınçlı hava çoğu endüstriyel uygulamada vazgeçilmezdir. Bu nedenle, yalnızca üretim ve basınçlı hava şebekesinde değil, aynı zamanda basınçlı hava kurutmada da olası tüm tasarruf potansiyellerinin gerçekleştirilmesi özellikle önemlidir.

Isı rejenere basınçlı hava kurutucular, modern basınçlı hava tedarik sistemlerinin bir parçasıdır ve yaklaşık -40 ila -60 °C basınç çiğlenme noktaları gerekli olduğunda kullanılırlar. Dışarıdan ısıtmalı adsorpsiyonlu kurutucular alanında, piyasada müşterilere süreç akışları, yoğuşma noktaları ve enerji talebi açısından önemli esneklik sunan çok sayıda farklı sistem bulunmaktadır. Genellikle, ekonomik parametreler ve projeye özgü gereksinimler nihayetinde müşteriye özel bireysel çözümü belirler. Özellikle ısı rejenerasyonlu adsorpsiyonlu kurutucular segmentinde çok sayıda seçenek olmasına rağmen, müşterilerin makinenin kullanımı ile ilgili toplam maliyetlere dair algısı genellikle tutarsız ve bazen yanıltıcı olmaktadır.

Bir basınçlı hava sistemi tarafından tüketilen enerji genellikle küçümsenir. Elektrik giderleri bir basınçlı hava tesisinin toplam maliyetlerinin %80’ini oluşturur ve en anlamlı maliyet tasarrufu imkanlarını beraberinde getirir. Operasyonel maliyetler kullanılan kurutucunun tipiyle (yani ısısız, ısıtmalı üfleyici temizleme, ısıtmalı temizlemesiz), güçlü bir şekilde ilişkili olsa da adsorbanın, enerji tüketimi optimizasyon sürecinde önemsiz bir rol oynadığına dair yaygın yanlış bir kanı vardır.

Aktif Alümina

Aktif alümina, basınçlı hava endüstrisinde kullanılan en popüler ve muhtemelen en köklü adsorbanlardan birisidir. Termal ayrışma ve ardından alüminyum trihidroksit (gibsit) aktivasyonu ile üretilen aktif alümina, yüksek yüzey alanı ve özellikle su olmak üzere polar bileşiklere karşı iyi afinite ile yüksek gözeneklilik matrisi sunar.

Alüminanın yüzeyi, temel oksijen atomlarından, asitik düşük koordine alüminyum (Lewis asit bölgeleri) atomlarından, hidroksillerden (ayrıştırılarak adsorbe edilmiş su molekülleri) ve fiziksel olarak soğurulmuş su moleküllerinden oluşur. Bağıl konsantrasyonları, esasen alüminanın sentez koşullarıyla, sıcaklık ve kısmi su basıncından etkilenen hidrasyon derecesine bağlıdır. Yüzeyinin yüksek hidrofilik yapısı sayesinde alümina, polar molekülleri ve özellikle suyu adsorbe etmek için mükemmel bir seçimdir.

Aktif alümina adsorbanının dinamik kapasitesi, spesifik üretim sürecine, hidrasyon derecesine (yani ateşleme kaybı), kirliliğe bağlı olarak değişebilir, ancak genellikle 7 barda %12-14 ağırlık civarında ve 35 ⁰C de doymuş durumdadır. Belirli koşullar altında (yani kuru hava ile rejenerasyon, düşük giriş havası sıcaklığı v.b) -50 ⁰C’ye kadar çiğlenme noktalarına ulaşmak mümkündür. Aktif alümina genellikle 170 ⁰C ile 230 ⁰C civarında rejenerasyon sıcaklıkları gerektirir [2].

Aktif alüminanın başlıca avantajları arasında, sıvı nem varlığında oldukça yüksek sağlamlık ve örneğin amonyak, aminler veya diğer yüksek bazik organik maddeler gibi alkali bileşenlere karşı yüksek stabilite yer alır. Kolay erişilebilirlikle beraber nispeten düşük maliyet, aktif alüminayı ısıyla yenilenen kurutucular için iyi bir muhafaza edici tercih haline getirir.

Bununla birlikte su adsorpsiyon özelliklerini azaltarak bir yüzey üzerinde birikme eğiliminde olan ve alüminanın gözenek sistemini bloke eden uzun zincirli, ağır hidrokarbonlara (yani kompresör yağı buharlarına) karşı duyarlılığı içeren, aktif alüminayla ilişkili bazı dezavantajlar da vardır. Aktif alümina ile çalışırken sıklıkla karşılaşılan bir başka dezavantaj da aktif alüminanın rehidrasyon yoluyla bozulmasıdır. Rehidrasyon, genellikle buharlama koşulları olarak adlandırılan yüksek sıcaklıklarda nem olduğunda alüminyum oksidin bir kısmının alüminyum hidrokside (yani Boehmit) dönüştürüldüğü bir işlemdir. Alüminyum oksidin aksine alüminyum hidratlar, verimli su emilmesi için gereken yüksek yüzey alanı ve gözeneklilik göstermezler. Ağır hidrokarbonlarla rehidrasyon ve kontaminasyon, ısıtılmış basınçlı hava kurutucularda çalışırken alümina deaktivasyonunun birincil mekanizmalarıdır.

Aktif alümina adsorbanlar çoğunlukla düz küreler olarak veya granüler bir şekilde sunulur. Küre şeklinde alümina, 40 yılı aşkın süredir basınçlı hava kurutucuları üreten şirketlerin çoğu için tercih edilen bir çözüm olmuştur. Aktif alümina, basınçlı hava sektöründe muhafaza edici standart olarak yer edinmiştir, ancak verimlilik açısından her zaman en ideal çözüm değildir.

Ticari moleküler sieveler genellikle zeolit mineral sınıfına, yani hidratlı alkali metal veya alkalin toprak alüminosilikatlara aittir. Kristaller, ısıtıldığında çökmeyen sağlam bir kübik yapıya sahiptirler. Böylece aktivasyon, gözeneklerle birbirine bağlanan geometrik bir boşluk ağıyla sonuçlanır. Gözenekler moleküler boyuttadır ve bu malzemelerin elenmesine sebep olurlar. Moleküler sieveler, alkali veya alkali toprak grubundan tek veya çok değerlikli katyonların yanı sıra sentezlendiği formdaki suyla stabilize edilmiş çerçevelere sahip kristal alüminosilikatlardır. Bu kristal su, su adsorpsiyonu/desorpsiyonu gibi tersine çevrilebilir bir işlem koşullarını yaratmak için kristal yapıya zarar vermeden ısıl işlemle ortadan kaldırılabilir.

Yaklaşık 150 farklı zeolit yapısı keşfedilmiştir, ancak sadece Zeolit A ve Faujasit (X ve Y), gazların ve sıvıların dehidrasyonu ile ilgili ticari uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Zeolit A’nın gözenekleri, 8 üyeli oksijen halkaları ile sınırlandırılmıştır. Bu yapı için serbest açıklık (yani ölçülen gözenek boyutu) K+ formu (3A) için yaklaşık 3.3 Å, NA+ formu (4A) için 3.9 Å, ve Ca ++ formu (5A) için 4.3 Å ~ dir. Faujasit, 12 üyeli oksijen halkalarıyla sınırlanmış gözeneklerden oluşan iki türle -X ve Y- temsil edilir. Bu malzemelerin gözenekleri, yaklaşık 7.4-12.5 Å’lık bir serbest açıklıkla nispeten büyüktür. X ve Y zeolitleri, birbirlerinden yalnızca katyon yoğunluğunu kontrol eden ve bu nedenle adsorptif özellikleri [1,3] etkileyen Si/Al oranı açısından farklılık gösterirler.

Ticari dehidrasyon uygulamalarında kullanılan en yaygın iki tür zeolit A ve zeolit X’tir. Zeolit A, dört kesik oktahedrondan oluşan, nispeten basit küp benzeri bir yapıya sahiptir. Zeolit X’te kesik oktahedronlar farklı bir uzamsal yapı ile sonuçlanan bir şekilde birbirine bağlanırlar. Moleküler sievelerin mikro gözenekli ve oldukça düzenli yapısı bu tür malzemelerde genellikle 700-900 m2/g aralığında çok yüksek yüzey alanları sağlar. Gözenekler adsorpsiyon yüzeyli bir boşluğa yol açar. Gözenek çapı tam olarak zeolitin sentezi ile tanımlanır. Gözenek açıklığının çapındaki bir değişiklik, zeolit A’nın sodyum iyonlarının bir kısmının diğer tek ve çok değerlikli alkali veya toprak alkali iyonları ile değiştirilmesiyle elde edilir.

Moleküler sieveler, basınçlı havayla kurutmada standart kurutucu çözelti olmasa da, -100 ⁰C’ye kadar çok düşük yoğuşma noktalarının gerekli olduğu uygulamalar için kullanılır. Moleküler sieveler, kurutucu maddeler olarak son derece etkilidir. Statik su alımı normalde en yaygın kullanılan 4A tipi için ağırlıkça yaklaşık %21 iken (25 ⁰C’de denge kapasitesi ve bağıl nem %80), izotermin şekli çok düşük yoğuşma noktalarına ulaşılmasını sağlar. Moleküler sieveler ve aktif alümina/silika jeller arasındaki diğer bir önemli fark, yüksek sıcaklıklarda ve düşük su kısmi basınçlarında su alımını sürdürme yetenekleridir. Örneğin, 93 ⁰C’de ağırlıkça ~ %12-14 su alımı 4A üzerinde uygulanabilirken, aktif alümina bu sıcaklıkta sadece artık su yüklemesini tutar. Nem için bu kadar yüksek afinitenin dezavantajı, suyu uzaklaştırmak için moleküler sieve yataklarını yüksek sıcaklıklara kadar ısıtma ihtiyacıdır. 230-287 ⁰C bölgesindeki rejenerasyon sıcaklıkları, genellikle verimli reaktivasyon için kullanılır.

Gaz dehidrasyonu için moleküler sievelerin önemli bir dezavantajı, ağır hidrokarbonlar gibi gazdaki yabancı maddelere karşı nispeten yüksek hassasiyet, oldukça asidik (asit izleri, SOx, NOx vb.) veya oldukça bazik bileşenlerdir (yani aminler, NaOH vb.). Agresif ve reaktif kirletici maddelerin etkisi altında moleküler sievelerin yapısal parçalanması, adsorban katman boyunca toz oluşumuna ve basınç düşüşüne neden olur. Bir tampon tabakanın yerleştirilmesiyle kirlenme sorunları sıklıkla en aza indirilebilmesine rağmen gaz bileşiminin dikkatle izlenmesi gerekir. Moleküler sieveler sıvı suyu tolere etmezler ve maruz kaldıklarında kırılırlar. Bu nedenle yatakların, yatağa serbest su taşınmasına karşı korunması gerekir.

Sorbead® Air Silika jel

Silika jel, yüksek yüzey alanları ve elverişli su emme özellikleri sergileyen amorf ve oldukça gözenekli bir silikon dioksit formudur (SiO2). En yaygın üretim yöntemi, optimize edilmiş ve sıkı kontrollü koşullar altında Si- öncülünün çökeltilmesini içerir. Bu süreçte Si(OH) 4 molekülleri bir siloksan matrisi oluşturmak için yoğunlaşırlar. Hidroliz ve yoğuşma aynı anda meydana gelir ve üç boyutlu bir siloksan ağı oluşturur. Oluşturulan hidrojel, yüksek gözenek hacimli yüksek yüzey SiO-Si-OH matrisi veren bağlı suyu uzaklaştırmak için yaşlandırmaya ve kurutmaya tabi tutulur. Silika jel, çeşitli

boyut aralıklarında granül ve küre şeklinde boncuk malzemesi olarak ticari amaçla mevcuttur ve 60 yılı aşkın süredir basınçlı hava endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Adsorbanın marjinal bir öneme sahip olduğu algısı, ısısız ve aynı zamanda ısı rejenerasyonlu basınçlı hava kurutucu kullanıcıları arasında sıklıkla görülmektedir. Maliyet optimizasyonu açısından dikkatler en çok, basınçlı hava sisteminde önemli bir maliyet faktörü olan bir kompresöre odaklanırken, basınçlı hava kullanıcıları adsorbanın rolünü, işlevini ve enerji tasarrufu potansiyelini tanımayı ihmal ederler. Kullanıcılar kurutucuyu yeniden doldurmak ve işletim maliyetlerini optimize etmek için daha ucuz, standartlaştırılmış adsorban aradıklarından, adsorban genellikle saf bir “emtia” ve maliyeti arttıran bir etmen olarak görülür. Kullanıcılar bir kurutucuya yüklenen kurutucu maddenin tam türü ve özellikleri hakkında detaylı bilgi sahibi olmadıkları için bu değerlendirme yaygınlaşmıştır.

Sorbead® Air piyasada bulunan basınçlı hava kurutması için ekonomik ve verimli absorbandır ve özellikle ısıyı yeniden üreten adsorpsiyonlu kurutucular için tasarlanmıştır. Yüksek dinamik kapasitesi ve daha düşük desorpsiyon sıcaklıkları sayesinde ürün, bir kurutucunun tüm çalışma ömrü boyunca önemli maliyet ve enerji tasarrufu sağlar.

Olağanüstü yüksek gözenekli yüzeyler (850 m2/g ye kadar) ve büyük gözenek hacmi özelliklerine sahip olan Sorbead® Air, genellikle ağırlıkça %20’ye kadar (7 barda 35 ⁰C doymuş) olağanüstü dinamik adsorpsiyon kapasitelerine izin verir. Bu, 1 kg Sorbead® Air’in 200 grama kadar nemi adsorbe ettiği anlamına gelir. Bağlantılı muazzam nem alımı, bir kurutucunun daha uzun bir döngü süresinde çalıştırılmasına olanak sağlar. Bu da pratikte daha az sıklıkta yenileme ve dolayısıyla daha düşük ortalama Elektrik tüketimi anlamına gelir.

Sorbead® Air’in bir diğer önemli avantajı, aktif alümina ve moleküler sievelere kıyasla, suyu ayrıştırmak için gereken önemli ölçüde daha düşük rejenerasyon sıcaklığıdır. Yeniden etkinleştirmenin - 40 ⁰C yoğuşma noktasına gelmesi için ~ 150 - 170 ⁰C’lik sıcaklıklar yeterlidir; bu da bu ürünleri sektördeki en az enerji gerektiren ürünler haline getirir. Sorbead® Air rutin olarak - 40 ⁰C basınçta yoğuşma noktası elde etmek için kullanılırken, optimum çalışma koşulları altında - 60 ⁰C’ye kadar yoğuşma noktaları uygulanabilir [4].

Optimize edilmiş döngülerle birleştirilmiş yüksek dinamik kapasite ve düşük rejenerasyon sıcaklığı, kullanıcıların 1000 m3 sıkıştırılmış hava (36000 ft3 basınçlı hava) başına 1,8 kWh’ye kadar tasarruf etmelerini sağlar. 1250 scfm (2125 Nm3/h) değerine sahip standart bir ısı üretimli üflemeli temizlemeli kurutucu ve 8760 saatlik çalışma süresi 33,500 kwh tasarruf için yılda ve 16,12 tonluk CO2 emisyon azaltımı elde edilebilir. Elektrik maliyetine bağlı olarak bu rakam, standart bir adsorban hizmet döngüsü olan beş yılda gerçekleştirilen tasarrufta yaklaşık 20,000 ABD dolarına eşittir.

Sorbead® Air adsorbanlar iki tipte sunulur: Normal Sorbead® Air R ve sıvı suya dayanıklı Sorbead® Air WS. Her iki tür de kurutucunun normal çalışma koşulları altında tamamen neme dayanıklı olsa da, Sorbead® Air WS genellikle Sorbead® Air R üstündeki sıvı suya karşı koruma için nemli hava girişinde bir koruma katmanı olarak kullanılır. Normalde 1:6 veya 1:5 (hacim oranı) bölme oranları kullanılır.

Silika jel tipi adsorbanların kullanımıyla ilişkili basınçlı hava sektöründe sıklıkla görülen yaygın yanlış kanı, bunların çok düşük stabilitesi ve yüksek nem seviyeleri veya sıvı su olduğunda kısmen parçalanma eğilimidir. Bu kavram biraz yanıltıcıdır ve birtakım açıklamalar gerekir. Sıvı suyun yeni rejenere (yani kuru) silika jel boncuğa maruz kalması, küre bozulmasına yol açabilecek bir stres oluşturabilirken, bu tür koşullar ticari kurutucularda normal çalışmada nadiren görülür. Standart bir dehidrasyon işleminde nem, gaz fazından bir katıya aktarılır ve adsorpsiyon yoluyla iyi gelişmiş bir gözenek sisteminde biriktirilir. Bu tür “ıslatılmış” silika jeller stabildir ve normal olarak sıvı suya karşı bile dirençlidir. Sıvı suya dirençli bir türle ele alınan sıvı suya karşı kuru bir haldeki (yani rejenere edilmiş) stabilitedir.

Piyasada bulunan standart, orta ve düşük dereceli silika jellere kıyasla Sorbead® Air’in başlıca avantajlarını vurgulamak da önemlidir. Normal silika jeller, daha düşük dayanıklılık ve çok daha düşük mekanik sağlamlık nedeniyle Sorbead® Air’e kıyasla düşük kalitededir. Bu malzemeler, bir kurutucudayken toz üretme eğilimindedir ve aynı zamanda azalan su alımlarında (yani yüzey alanı, gözenek hacmi) görülen ve gerekli hava yoğuşma noktasına ulaşmayı zorlaştıran belirgin hidrotermal yaşlanmaya maruz kalırlar.

Artem Vityuk , Global Market Manager, BASF Corporation Referanslar:

[1]. Handbook of Natural Gas Transmission and Processing. Principles and Practices. Third Edition. Saeid Mokhatab, William A. Poe, John Y. Mak, Gulf Professional Publishing 2015. [2]. Gas Purification, 5th Edition, Arthur L. Kohl and Richard B. Nielsen. Chapter 12 - Gas Dehydration and Purification by Adsorption, p. 1022, Gas Purification, Elsevier Inc 1997. [3]. Molecular sieves adsorbents, BASF, BF 9569 USL Rev. 09/15 [4]. Adsorbents solutions for compressed air drying, BASF, BF 10511, 08/2018