CO₂'nin fiziksel köpük ekstrüzyonu prosesinde kontrol edilmesi en zor şişirici ajan olduğu iyi bilinir. Bunun nedenleri vardır: örneğin süperkritik noktası, kolayca kuru buza dönüşmesi ve ortam sıcaklığı değiştiğinde yoğunluğunun belirgin biçimde değişmesi. Son kullanıcı için bu bilgileri bilmek tek başına bir şey kazandırmaz; hattınızın üretkenliğini güvence altına alacak güvenilir bir tasarıma yine ihtiyacınız vardır. Size çok fazla teori ya da terim anlatmayacağım. Yalnızca XPS üretiminde CO₂ kontrolüne ilişkin pratik deneyimimizi paylaşmak istiyorum.
CO₂ besleme sisteminin akış şeması
Sistemin her ünitesindeki püf noktalarını daha iyi anlamak için önce akış şemamızı açıklayalım. Aşağıdaki şema gerçek P&ID değildir; yalnızca CO₂'yi nasıl kontrol ettiğimizi anlamanıza yardımcı olacak bir taslaktır. Gerçek P&ID bundan çok daha karmaşıktır ve onlarca vana ile başka bazı aksesuarları içerir.
| Kademe | Sıcaklık | Basınç | CO₂'nin hali |
|---|---|---|---|
| CO₂ tankı | yaklaşık −20 °C | 1,6–2,0 MPa | Sıvı |
| Ara tank | yaklaşık 25 °C | 6,5-7 MPa | Sıvı |
| Soğutma kabı | 10 °C | 6,5 MPa | Saf sıvı, dozajlamaya hazır |
| Ekstrüder kovanı | yaklaşık 200 °C | — | Süperkritik |
CO₂ tankı: sıvı halde depolama
Endüstriyel kullanım için CO₂ normalde onlarca ton sıvı CO₂ taşıyan tankerlerle teslim edilir. CO₂, genellikle yaklaşık 25 tonluk büyük bir vakum yalıtımlı tankta depolanır. Tank içindeki CO₂'nin sıcaklığı yaklaşık eksi 20 °C, basıncı ise 1,6–2,0 MPa arasındadır. Ortam sıcaklığındaki değişim basıncı yükselttiğinde tank, kendini soğutmak için CO₂ tahliye eder.
Bildiğiniz gibi sıvıyı kontrol etmek gazdan çok daha kolaydır. Bu nedenle CO₂'yi tüm süreç boyunca sıvı halde tutmayı hedefliyoruz. CO₂ yüksek buhar basıncı nedeniyle çok kolay buharlaştığından basınç ile sıcaklık arasındaki dengeyi kurmamız gerekir.
Sistemimizin çalışma prensibinin temeli budur.
Takviye (booster) pompası: CO₂ tankından ara tanka
Sıvı CO₂'yi CO₂ tankından ara tanka aktarmak için bir takviye pompası kullanıyoruz. Ara tankın duvarı ceketli tasarlanmıştır; böylece ara tankın sıcaklığı bir su sıcaklık kontrol cihazıyla kontrol edilebilir.
Mesafeyi kısa tutun
Burada belirtmem gereken bir ipucu, CO₂ tankı ile ara tank arasındaki mesafenin mümkün olduğunca kısa olması gerektiğidir. CO₂ buharlaşmaya eğilimli olduğundan mesafe uzadıkça buharlaşma riski de artar.
Bunun için takviye pompasının CO₂ tankının altına yerleştirilmesi önerilir. Buna rağmen buharlaşma yine de ara sıra görülür.
Takviye pompası basamıyorsa
Takviye pompası CO₂'yi düzgün basamıyorsa büyük olasılıkla buharlaşma olmuştur. Tahliye vanası bu durum için tasarlanmıştır: takviye pompasının kafasını soğutmak için vanayı açın ve buharlaşan CO₂'yi dışarı verin.
Bu işlem çok dikkatli yapılmalıdır; tahliye vanası fazla açılırsa CO₂ kolayca kuru buza dönüşerek boruyu tıkar ve erimesi çok uzun sürer.
Pompa kapasitesi ve borulama
Bu durumun önüne geçmek için takviye pompasının kapasitesi dozaj pompasının on katı olmalıdır; böylece takviye pompası sürekli değil, yalnızca periyodik olarak çalışır.
Ayrıca takviye pompasının giriş borusunun kuru buzla donmasını önlemek için daha uzun bir tahliye borusu önerilir. Bunun yanı sıra tüm sistemde yalıtımlı borulama kullanmak, CO₂ aktarımının tutarlılığına katkı sağlar ve enerji tasarrufu da getirir.
Ara tank: sabit sıcaklık ve basınç
Ara tankın amacı, tüm sistemin basıncını kararlı ve yeterince yüksek (6,5–7 MPa) tutmak için CO₂'yi belirli bir sıcaklıkta (yaklaşık 25 °C) tutmaktır. Bu iki ön koşul CO₂'nin fiziksel özelliklerinin sabit kalmasını sağlar ve CO₂'yi çift vidalı ekstrüdere hassas dozajlamaya hazır hale getirir. Daha önce belirttiğim gibi CO₂'nin yoğunluğu sıcaklık değiştikçe değişir.
Hacmin %70'inde seviye alarmı
Ara tanktaki en yüksek CO₂ seviye alarmı, ara tankın toplam hacminin %70'ini geçmemelidir. Bunun nedeni olası bir olaya, örneğin bazı sıcak bölgelerde yazın yaşanan elektrik kesintisine karşı önlem almaktır: bu durumda ara tankın ortam sıcaklığı yükselebilir ve CO₂, davranışı kontrol edilmesi ve öngörülmesi daha zor olan süperkritik hale geçebilir. Sonuçta CO₂'nin hacmi büyük ölçüde genleşir. Boş hacim yeterli değilse ara tank tehlikeye girebilir.
Neden 25 °C
CO₂, ara tanka girmeden önce ara tanktaki CO₂'nin sıcaklığının amaçlanan değerde olmasını sağlamak için ısıtılır. Bu değer normalde 25 °C'dir. Bu sıcaklıkta ara tankın basıncı yaklaşık 6,5 MPa olur.
Neden bu sıcaklık seçiliyor? Çin'de 10 MPa, orta basınçlı ve yüksek basınçlı kaplar arasındaki sınırdır. Yüksek basınçlı bir kap daha karmaşık sertifikalar gerektirir ve daha pahalıdır. 7 MPa tasarım basıncı ara tankı orta basınç sınıfında tutar.
Soğutma kabı ve dozajlama
CO₂ ara tanktan geçtikten sonra sıcaklığını 10 °C'ye düşüren başka bir soğutma kabına girer. 6,5 MPa ve 10 °C koşullarında CO₂ tamamen sıvı haldedir; sıvı CO₂ oranı arttıkça dozajlama da kolaylaşır. Bu haldeki CO₂ birinci ekstrüdere (çift vidalı ekstrüder) rahatlıkla dozajlanabilir.
Vurgulanması gereken bir nokta, pompa kafasının bir chiller ile soğutulması gerektiğidir. Pompa kafaları çalışırken ısı üretir; bu ısı sıvı CO₂'yi buharlaştırarak prosesi bozabilir.
Hapsolan CO₂ buharının tahliyesi
Yukarıdaki tüm noktalara dikkat edilse bile CO₂'nin doğru kontrol edileceği garanti değildir. Borulamanın herhangi bir bölümünde buharlaşmış CO₂ hapsolursa sistem düzgün çalışmaz.
Yapmanız gereken, büyük kuru buz oluşumunu önlemek için tahliye vanasını büyük bir dikkatle açmaktır. Enjeksiyon vanasından önce bir tahliye vanası kullanılması şiddetle önerilir. Beyaz duman (küçük kuru buz parçacıkları) çıktığını gördüğünüzde işlem tamamdır; vanayı kapatın. Artık CO₂ beslemesi düzgün işler.
Pompalar ve diğer CO₂ sistemleri
CO₂ sistemini kontrol etme yöntemimiz budur. Bu yöntem; Çin üretimi ekipman, ekonomiklik, güvenilirlik ve uygulanabilirlik birlikte düşünülerek oluşturulmuş bir kombinasyondur. CO₂'yi çok iyi kontrol edebilen başka yöntemler de vardır. Örneğin LINDE PRESUS ve DSD paketleri de CO₂'yi hassas biçimde kontrol edebilir. Bizim sistemimiz ise Çin üretimi ekipman esas alınarak kurulmuştur.
Pistonlu pompa mı, membran pompa mı
Uzun yıllara dayanan deneyimimize göre Çin üretimi pistonlu pompalar CO₂ beslemesinde hiçbir sorun çıkarmaz. Pistonlu pompanın dezavantajı, Çin üretimi pompalarda zamanla sızıntı riskinin membran pompaya göre daha yüksek olmasıdır. Ancak CO₂ zehirsiz ve yanmaz olduğundan bu risk için endişelenmeye gerek yoktur. Ayrıca sızdırmazlık malzemeleri çok ucuz ve kolay bulunur. Sızdırmazlık elemanlarının değişimi rutin bakım işlerine dahil edilebilir.
Buna karşılık HFC152a, etanol, DME, izobütan gibi yanıcı şişirici ajanlar için membran pompa daha uygundur.
Köpük ekstrüzyon laboratuvarımızdaki CO₂ sistemi
Köpük ekstrüzyon laboratuvarımızda, küçük miktarlardaki CO₂'yi çok iyi kontrol edebilen başka bir sistem kullanıyoruz; ancak bu sistem şimdilik yalnızca laboratuvar kullanımına yöneliktir. Sistem, CO₂'yi eksi 20 °C'ye kadar soğutarak CO₂'nin düşük bir basınçla saf sıvı halde kalmasını sağlar. Normalde yalnızca onlarca kilogram CO₂ içeren bir CO₂ tüpüyle çalışır. Görece ucuzdur ve kullanımı kolaydır.
CO₂'yi tüm süreç boyunca sıvı halde tutun
Özetle, CO₂'yi tüm besleme süreci boyunca saf sıvı halde tutmak en iyisidir.
Süperkritik CO₂ ile köpürtülen XPS üretim hattı denmesinin nedeni, CO₂'nin sıcaklığı yaklaşık 200 °C olan kovana enjekte edildiğinde süperkritik hale geçmesidir. Bu adın besleme süreciyle hiçbir ilgisi yoktur.
