วันศุกร์ที่ 26 สิงหาคม พ.ศ. 2559

แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๘ (ตอนที่ ๓) MO Memoir : Friday 26 August 2559

เอกสารฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเนื้อหาลง blog

เนื้อหาในเอกสารฉบับนี้เกี่ยวกับการปรับแก้บทความเพื่อส่งไปร่วมประชุมวิชาการ TiChE 2016

วันพฤหัสบดีที่ 25 สิงหาคม พ.ศ. 2559

ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๑๓ Demethanization section ภาค ๑ MO Memoir : Thursday 25 August 2559

พักเขียนเรื่องนี้ไปกว่าเดือน ในที่สุดก็ได้เวลากลับมาเขียนต่อใหม่ แต่ก็ไม่รู้ว่าเมื่อไรจะจบซะที

ลักษณะหนึ่งที่เป็นลักษณะเฉพาะของโรงงานผลิตเอทิลีนคือมีทั้ง หน่วยผลิตที่ทำงานที่อุณหภูมิที่สูงมาก คือ pyrolysis heater ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงระดับ 1000ºC (ในกรณีที่ใช้อีเทนเป็นสารตั้งต้น และจะต่ำกว่านี้หน่อยถ้าใช้ไฮโดรคาร์บอนหนักเป็นสารตั้งต้น) และหน่วยผลิตที่ทำงานที่อุณหภูมิที่ต่ำมาก คือหน่วยกลั่นแยกไฮโดรเจน-มีเทน ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงต่ำประมาณ -100ºC (แต่อาจต่ำกว่านี้ได้ถ้าหากทำการกลั่นแยกที่ความดันต่ำ) อยู่ร่วมกันในโรงงานเดียว
 
การกลั่นแยกเป็นการแยกโดยอาศัยจุดเดือดที่แตกต่างกันของสารแต่ละชนิด สำหรับสายป้อน (feed) ที่ประกอบด้วยสารหลากหลายชนิดนั้น มีรูปแบบที่เป็นไปได้หลากหลายรูปแบบในการแยกสาร ตัวอย่างเช่นในกรณีที่สายป้อนนั้นเป็นแก๊ส ก็อาจใช้การลดอุณหภูมิสารให้ควบแน่นเป็นของเหลวจนเกือบหมดก่อน เหลือไว้แต่ตัวที่มีจุดเดือดต่ำสุดที่ยังคงเป็นไออยู่และถูกแยกไปก่อน จากนั้นจึงค่อย ๆ อุ่นของเหลวที่ได้นั้นให้ร้อนขึ้นเพื่อแยกเอาสารต่าง ๆ ออกจากกันตามลำดับจุดเดือดจากต่ำไปสูง หรือไม่ก็ค่อย ๆ ลดอุณภูมิแก๊สสายป้อนนั้นให้ต่ำลง เพื่อให้สารที่มีจุดเดือดสูงสุดควบแน่นแยกออกมาก่อน จากนั้นจึงค่อย ๆ ลดอุณหภูมแก๊สส่วนที่เหลือเพื่อควบแน่นองค์ประกอบที่เหลือออกมาตามลำดับจุดเดือดจากสูงไปต่ำ แต่การจะตัดสินว่ารูปแบบใดเป็นรูปแบบที่เหมาะสมนั้นยังต้องพิจารณาปัจจัยต่าง ๆ อีกหลายปัจจัย เช่น สัดส่วนขององค์ประกอบแต่ละตัว ความแตกต่างของจุดเดือด ฯลฯ
 
ในกรณีของโรงงานผลิตเอทิลีนที่เห็นทั่วไปนั้น จะใช้การลดอุณหภูมิแก๊สที่รับมาจาก charge gas dryer ให้ลดต่ำลงจนควบแน่นเป็นของเหลวเกือบทั้งหมด เหลือไว้แต่ตัวที่มีจุดเดือดต่ำคือไฮโดรเจนกับมีเทนที่จะถูกแยกออกมาก่อน การแยกในส่วนนี้เกิดขึ้นที่หน่วย demethanization จากนั้นจึงค่อย ๆ แยกองค์ประกอบส่วนที่เหลือ (ที่เป็นของเหลว) ตามลำดับจุดเดือดจากต่ำไปสูงในหน่วยแยกถัดไป

หน้าที่หลักของหน่วย demethanizer นี้คือทำการแยกไฮโดรเจนและมีเทนออกจากแก๊สผสม โดยมีเป้าหมายหลักดังนี้

๑. ทำให้แก๊สที่ผ่านการทำให้แห้งจากหน่วย Charge gas dryer เย็นลงจนควบแน่นเป็นของเหลว เพื่อที่จะดึงเอาเอทิลีนออกจากแก๊สให้ได้มากที่สุด และทำให้แก๊สไฮโดรเจนที่ได้นั้นมีความบริสุทธิ์มากที่สุด โดยให้ระบบทำความเย็นมีภาระการทำงานที่ต่ำที่สุด
 
๒. แยกเอาไฮโดรเจนและมีเทนที่ยังคงละลายอยู่ในของเหลวที่ได้จากการควบแน่นที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการทำความเย็น
 
๓. ทำให้สายผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นอุ่นขึ้น ด้วยการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสายที่ต้องการลดอุณหภูมิที่จะป้อนเข้าสู่ระบบทำความเย็น ซึ่งเป็นการช่วยลดภาระการทำงานของระบบทำความเย็น และยังทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้โลหะที่สามารถทนต่อความเย็นจัดได้ในส่วนของท่อและอุปกรณ์ขอสายผลิตภัณฑ์ที่อุ่นขึ้นนั้น ซึ่งเป็นการช่วยลดค่าใช้จ่ายในการก่อสร้าง

ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากหน่วยนี้ประกอบด้วย

๑. แก๊สที่มีความเข้มข้นไฮโดรเจนสูง ที่จะส่งไปใช้งานต่อในหน่วย hydrogenation (กำจัดอะเซทิลด้วยการเปลี่ยนให้เป็นเอทิลีน)
 
๒. แก๊สที่มีมีเทนความเข้มข้นสูง ที่ระดับความดันต่างกัน ๓ ระดับ
 
๓. ผลิตภัณฑ์ที่เป็นของเหลวที่ได้จากการควบแน่นแก๊สที่ป้อนเข้ามา โดยของเหลวที่เกิดขึ้นนี้จะไม่มีไฮโดรเจนและมเทนปะปนอยู่ (หรือถ้ามีก็น้อยมาก) และจะถูกส่งต่อไปยังหน่วย deethanizer (เพื่อทำการแยกอีเทนและเอทิลีนออกจากกัน)

หน่วยนี้มีการแยกออกเป็น ๒ หน่วยย่อยคือ

๑. หน่วยทำความเย็นให้กับแก๊สที่ป้อนมาจาก charge gas dryer section และอุ่นผลิตภัณฑ์ให้ร้อนขึ้น (รูปที่ ๑)
 
๒. หน่วยกลั่นแยก (รูปที่ ๒)

หน่วยนี้ประกอบด้วยอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการผลิตดังนี้

๑. เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด plate-fin aluminium heat exchanger ที่ทำหน้าที่แลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างสายป้อนที่ต้องการลดอุณหภูมิให้ต่ำลงกับสายผลิตภัณฑ์ที่ต้องการเพิ่มอุณหภูมิให้อุ่นขึ้น โดยพยายามให้มีการแลกเปลี่ยนความร้อนโดยมีผลต่างอุณหภูมิระหว่างอุณภูมิของฝั่งสายร้อน (คือสายที่ต้องการทำให้เย็นตัวลง) กับของฝั่งสายเย็น (คือสายที่ต้องการทำให้อุ่นขึ้น) มีค่าน้อยที่สุด เพื่อลด "thermodynamic loss"
 
ตรงจุดนี้ขออธิบายขยายความเพิ่มนิดนึง คือในการแลกเปลี่ยนความร้อนนั้นเราต้องการทำให้สายที่ต้องการลดอุณหภูมิให้ต่ำลงนั้นถ่ายเทพลังงานความร้อนไปให้กับสายที่ต้องการเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น อัตราการถ่ายเทความร้อนจะขึ้นอยู่กับผลต่างอุณหภูมิของสายทั้งสอง ถ้าผลต่างอุณหภูมินี้สูง อัตราการถ่ายเทความร้อนก็จะสูง พื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนที่ต้องใช้จะมีค่าน้อย ทำให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีขนาดเล็ก (ราคาค่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจะต่ำ แต่แลกกับการสูญเสียพลังงาน) ถ้าผลต่างอุณหภูมินี้ต่ำ อัตราการถ่ายเทความร้อนก็จะต่ำ พื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนที่ต้องใช้จะมีค่ามาก ทำให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีขนาดใหญ่ (ราคาค่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจะสูง แต่แลกกับการประหยัดพลังงาน)
 
สมมุติว่าเรามีสายร้อนที่มีอุณหภูมิ 100ºC และต้องการลดให้ต่ำลง ด้วยการให้มันถ่ายเทความร้อนให้กับสายเย็นที่มีอุณหภูมิ 20ºC ที่ต้องการเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น จะเป็นการดีถ้าจะสามารถทำให้สายร้อนมีอุณหภูมิลดต่ำลงให้มากที่สุด (ในกรณีนี้คือลงไปใกล้ 20ºC ให้มากที่สุด แต่ยังต้องสูงกว่า) และทำให้สายเย็นมีอุณหภูมิเพิ่มให้มากที่สุด (ในกรณีนี้คือเข้าไปใกล้ 100ºC ให้มากที่สุด แต่ยังต้องต่ำกว่า) ซึ่งจะช่วยลดภาระงานของระบบทำความเย็นในการทำให้สายร้อนนั้นเย็นตัวลงไปอีก และลดภาระงานของระบบทำความร้อนในการทำให้สายเย็นนั้นร้อนขึ้นไปอีก

๒. ถังแยกของเหลวที่ควบแน่นออกจากส่วนที่ยังคงเป็นแก๊สในระหว่างช่วงการลดอุณหภูมิลง (ถังนี้ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิม (stainless steel) เพื่อให้สามารถทนต่ออุณหภูมิต่ำได้)

๓. หอกลั่นแยกมีเทน (demethanizer tower) ที่มีลักษณะเป็นหอทรงกระบอก โดยส่วนบนทำจาก nickel alloy steel (ให้ทนต่ออุณหภูมิต่ำ) และส่วนล่างทำจาก carbon steel (เพื่อประหยัดค่าก่อสร้าง)
 
ตรงจุดนี้ขออธิบายขยายความเพิ่มหน่อย ในหอกลั่นนั้นด้านบนของหอจะเย็นกว่าทางด้านล่างของหอ แต่ถ้าทางด้านล่างของหอนั้นพบว่าอุณหภูมิไม่ได้ต่ำมาก ทำให้สามารถใช้โลหะที่มีราคาถูกกว่าได้ในการก่อสร้าง การใช้โลหะที่มีราคาต่ำกว่าในการสร้างส่วนล่างก็จะช่วยลดต้นทุนค่าก่อสร้าง แต่ต้องมั่นใจว่าจะไม่มีของเหลวเย็นจัดที่อยู่ทางด้านบนหลุดรอดลงมาถึงด้านล่าง

๔. อุปกรณ์ที่เรียกว่า "Cold box" ที่เป็นโครงสร้างปิดทำจาก carbon steel อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนพวก plate-fin aluminium heat exchanger ระบบทำความเย็น ethylene regrigerant chiller (มีอยู่ ๓ ระบบ) และหน่วยแยกไฮโดรเจน-มีเทน จะติดตั้งอยู่ภายใน cold box นี้ โดยภายใน cold box จะมีการบรรจุวัสดุที่เป็นฉนวนป้องกันความร้อนพวก perlite เอาไว้ (มีลักษณะเป็นก้อนอนุภาคของแข็งขนาดเล็กที่ไม่ถึงกับเป็นผง) และมีการป้อนแก๊สไนโตรเจนเข้า purge ไล่ตลอดเวลา (รักษาความดันภายในไว้ที่ 0.3 psig เพื่อป้องกันไม่ให้อากาศรั่วไหลเข้าไป) การทำเช่นนี้ทำให้ไม่จำเป็นต้องทำการหุ้มฉนวนป้องกันความร้อนจากภายนอกให้กับอุปกรณ์แต่ละตัว (มันทำได้ยากเพราะต้องหุ้มฉนวนให้มันมีรูปร่างเป็นไปตามรูปร่างอุปกรณ์) และระบบท่อเชื่อมต่อต่าง ๆ

การลดอุณหภูมิของแก๊สที่ป้อนมาจาก charge gas dryer ทำได้ด้วยการ

๑. แลกเปลี่ยนความร้อนจากสายที่มาจากหอกลั่นแยกเอทิลีนและหอ demethanizer
 
๒. นำไประเหยอีเทนออกจากด้านล่างของหอกลั่นแยกเอทิลีน
 
๓. ลดอุณหภูมิด้วยระบบทำความเย็นที่ใช้โพรพิลีนเป็นสารทำความเย็น ที่ทำความเย็นในระดับ -40ºC
 
๔. ลดอุณหภูมิด้วยระบบทำความเย็นที่ใช้เอทิลีนเป็นสารทำความเย็น ที่ทำความเย็นในระดับต่าง ๆ กันสามระดับด้วยกันคือ -55ºC -75ºC และ -102ºC
 
๕. แลกเปลี่ยนความร้อนกับสายมีเทนที่เป็นแก๊สและของเหลวที่ออกมาทางด้านยอดหอ demethanizer และ
 
๖. ให้ของเหลว (ที่มีมีเทนความเข้มข้นสูง) ที่ได้จากหน่วยแยกไฮโดรเจน-มีเทนเกิดการขยายตัวเพื่อให้มีอุณหภูมิลดต่ำลง (Joule-Thomson effect - ดูรายละเอียดเพิ่มเติมในเรื่องนี้ได้ใน Memoir วันอังคารที่ ๒๓ สิงหาคม ๒๕๕๙ ที่ผ่านมาเรื่อง "Compressibility factor และ Joule-Thomson effect")

ในระหว่างการทำความเย็นนี้จะมีของเหลวควบแน่นออกมา (มีถังแยกหรือ separator ทำหน้าที่แยกแก๊สและของเหลวออกจากกันอยู่ ๔ ตัวด้วยกัน) ของเหลวที่ควบแน่นนี้จะถูกแยกออกมาและส่งไปยังหอ demethanizer (รูปที่ ๑) โดยป้อนเข้ายังตำแหน่งส่วนบนของหอกลั่น (เพราะของเหลวนี้มีอุณหภูมิต่ำ - ดูรูปที่ ๒ ประกอบ) ไฮโดรเจนและมีเทนที่ละลายค้างอยู่ในของเหลวจะถูกสกัดออกที่หอ demethanizer

ตรงนี้ต้องขอย้ำเตือนนิดนึงว่าที่บรรยายมาทั้งหมดข้างต้นเป็นตัวอย่างของโรงงานที่มีการออกแบบเอาไว้เมื่อกว่า ๓๐ ปีที่แล้ว ดังนั้นอย่าไปยึดว่าในปัจจุบันยังต้องเป็นอย่างนั้น เพราะความพยายามที่จะออกแบบกระบวนการโดยให้มีการประหยัดพลังงานมากที่สุดนั้นยังคงมีอยู่อย่างต่อเนื่อง ดังนั้นแม้ว่ารูปแบบการจับคู่แลกเปลี่ยนความร้อนจะเปลี่ยนไป แต่โดยหลักการแล้วยังคงเหมือนเดิมอยู่
 
นอกจากนี้ตัวอย่างที่ยกมานี้ยังแสดงให้เห็นถึงตัวอย่างปัญหาหนึ่งที่ผู้ออกแบบควรต้องคำนึงถึงในการเดินเครื่อง พอจากมองออกไหมครับว่าอยู่ตรงจุดไหน ตรงข้อ ๑ ไงครับที่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสายที่มาจาก "หอกลั่นแยกเอทิลีน"

รูปที่ ๑ แผนผังระบบการลดอุณหภูมิสายป้อนและอุ่นผลิตภัณฑ์ที่ได้ให้ร้อนขึ้น ในรูปนี้พึงสังเกตนะครับว่ามีจุดสำหรับเติม "เมทานอล (methanol)" อยู่หลายตำแหน่ง


รูปที่ ๒ แผนผังของหน่วยกลั่นแยกไฮโดรเจน-มีเทนออกจากผลิตภัณฑ์ส่วนที่เหลือ

หอกลั่นแยกเอทิลีนเป็นหน่วยผลิตที่อยู่ทางด้าน downsteram (หรือที่มีการแปลเป็นไทยว่าด้านปลายน้ำ) ถัดจากหน่วย demethanization สิ่งที่ผู้ออกแบบควรจะต้องคำนึงด้วยก็คือเมื่อเริ่มต้นเดินเครื่องการผลิตนั้น กระบวนการจะเริ่มจากทางด้าน upstream ไปยังด้าน downstream ดังนั้นในขณะที่เริ่มเดินเครื่องนั้นทางด้าน downstream จะยังไม่มีสารใด ๆ ในระบบ การออกแบบที่ให้มีการนำเอาสายทางด้าน downstream มาใช้งานทางด้าน upstream นั้นจะทำให้เกิดคำถามว่า "จะเริ่มต้นเดินเครื่องได้อย่างไร ก็ในเมื่อมันยังไม่มีการเดินเครื่องทางด้าน downstream" (ตรงที่บอกว่าให้เอาสายจากหอกลั่นแยกอีเทนมาแลกเปลี่ยนความร้อนกับแก๊สที่มาจาก charge gas dryer)

Reboiler (หรือหม้อต้มซ้ำ) ของหอ demethanizer ได้รับความร้อนจาก

๑. ไอจากหน่วย propylene refrigerant และ
 
๒. แก๊สที่มาจากหม้อต้มซ้ำที่อยู่ทางด้านข้างหอกลั่นแยกเอทิลีน (นี่ก็เป็นอีกหน่วยที่อยู่ทางด้าน downstream ของหน่วย demethanizer)

แก๊สส่วนที่หลงเหลืออยู่หลังการควบแน่นและการแยกเอาของเหลวออกในถังแยก separator ตัวที่ ๔ จะมีไฮโดรเจนเข้มข้นประมาณ 76 mol% ส่วนแก๊สไฮโดรเจนความเข้มข้นสูงที่มาจากหน่วยแยกไฮโดรเจน-มีเทนจะมีไฮโดรเจนเข้มข้นไม่น้อยกว่า 95 mol% และมีเทนเหลวที่ได้จะมีเอทิลีนละลายปนอยู่ไม่เกิน 0.7 mol% ผลิตภัณฑ์ที่ออกทางยอดหอของหน่วย demethanizer จะมีเอทิลีนปนอยู่ไม่เกิน 0.5 mol% ในขณะที่ผลิตภัณฑ์ทางด้านล่างหอจะมีมีเทนปะปนอยู่เพียงเล็กน้อยในระดับที่เรียกได้ว่าปริมาณปนเปื้อน (trace amount)

ปัญหาหนึ่งที่อาจเกิดขึ้นกับหน่วยนี้ก็คือการเกิดน้ำแข็งในระบบ ทำให้เกิดการอุดตัน น้ำอาจหลุดรอดเข้ามายังส่วนนี้ได้ถ้าหากการทำงานของระบบ charge gas dryer มีปัญหา และในสภาวะที่มีไฮโดรคาร์บอนร่วมด้วยนี้ไอน้ำอาจเกิดการแข็งตัวได้ที่อุณหภูมิไม่เกิน 7-10ºC (เรียกว่าเกิด gas hydrate)
 
การกำจัดน้ำแข็งที่เกิดขึ้นทำได้ด้วยการฉีดเมทานอลเข้าไปในระบบตรงบริเวณจุดที่คาดว่าจะเกิดปัญหา ซึ่งมีอยู่ด้วยกัน ๖ ตำแหน่งคือ
 
- ทางเข้าของ charge gas เข้าสุ่ propylene refrigerant - chilled exchanger
 
- ทางเข้าของ charge gas เข้าสู่ off-gas exchanger ตัวที่ ๓ และตัวที่ ๔ 
  
- สาย reflux สาย overhead (อยู่ทางด้านบนของหอกลั่น) และตำแหน่ง tray ตัวที่ 29 ของหอ demethanizer
 
แต่เนื่องจากเมทานอลนั้นแข็งตัวที่อุณหภูมิ -97ºC ดังนั้นจึงต้องระวังไม่ให้เมทานอลมีโอกาสหลุดรอดไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิจุดเยือกแข็งของเมทานอล (เช่นที่ separator ตัวที่ ๔ และหน่วยแยกไฮโดรเจน-มีเทนที่อยู่ถัดลงไป)

เรื่องนี้ยังไม่จบ ยังมีต่อ แต่วันนี้ขอพอแค่นี้ก่อน