หม้อน้ำรถยนต์ MO Memoir : Thursday 31 May 2555

ดีที่ไม่เกิดเรื่องตอนขับกลับจากตรวจฝึกงานที่ระยองเมื่อคืนวันพุธ แต่มาเกิดตอนกำลังขับรถกลับบ้านในถนนกรุงเทพตอนเย็นวันพฤหัสบดีแทน ไม่เช่นนั้นคงได้นอนชมดาวคู่กับไฟจาก flare โรงงานบนถนนสาย ๓๖

รถที่ขับมันก็ดันไม่มีเข็มวัดอุณหภูมิเครื่องยนต์ซะด้วย มีแต่ไฟเตือนซึ่งจะแดงเมื่อเครื่องยนต์ร้อนเกินไปแล้ว นั่นก็หมายความว่าเครื่องยนต์ขาดน้ำเข้าไปหล่อเลี้ยง นึกถึงรถรุ่นเก่าที่ยังใช้ระบบเข็มอยู่ ยังจะพอเห็นว่าระบบหล่อเย็น "เริ่ม" มีปัญหาจากการที่อุณหภูมิการทำงานของเครื่องยนต์เริ่มสูงผิดปรกติ แต่รถรุ่นใหม่ไม่มีเข็มเตือนดังกล่าว ทำให้ไม่รู้ว่าระบบหล่อเย็นเริ่มมีปัญหา แต่จะไปรู้เอาเลยตอนที่ปัญหามัน "เกิด" ขึ้นแล้ว และต้องหยุดการทำงานของเครื่องยนต์ทันที

โชคดีนิดที่มันเกิดเรื่องตอนที่อยู่บนถนนที่มีช่องเว้าขอบทางให้จอดรถหลบได้ และรถก็อยู่ทางเลนซ้ายด้วย ก็เลยไม่ก่อปัญหาใด ๆ ให้กับชาวบ้านเขาแม้ว่าจะเป็นช่วงชั่วโมงเร่งด่วน

เปิดฝากระโปรงหน้าออกมาก็เห็นปัญหาเลยว่ามันอยู่ตรงไหน มันไม่ได้รั่วแบบรั่วซึม มันรั่วแบบน้ำข้างในมันฉีดพ่นออกมาเป็นไอน้ำให้เห็นต่อหน้าต่อตาเลย จุดที่รั่วคือรอยต่อระหว่างฝาครอบด้านบนกับตัวรังผึ้ง งานนี้บอกได้อย่างเดียวเลยว่าต้องเปลี่ยนหม้อน้ำใหม่ทั้งลูก (ฟังมาหลายร้านแล้ว ลักษณะนามของหม้อน้ำรถยนต์เขาเรียกเป็น "ลูก")

รูปที่ ๑ หม้อน้ำตัวเก่าที่ต้องถอดเปลี่ยน หม้อน้ำตัวนี้เป็นตัวที่ติดมากับรถ ชิ้นส่วนฝาครอบรังผึ้งตัวบนและตัวล่างเป็นพลาสติก (ลูกศรเขียว) ส่วนตัวรังผึ้งเป็นอะลูมิเนียม ผนึกกันน้ำรั่วด้วยการใช้ประเก็นและบีบของอะลูมิเนียมของรังผึ้งให้จับตัวฝาครอบเอาไว้ (ตรงแนวลูกศรประสีเหลือง)

อาศัยว่าต้องขับรถออกต่างเมืองเป็นประจำ เลยได้อาศัยน้ำประปาที่มักจะติดท้ายรถเอาไว้ ๒ ลิตรเสมอ พอระบบเครื่องยนต์เย็นตัวลงก็เปิดฝาปิดหม้อน้ำและเติมน้ำเข้าไป ปรากฏว่าต้องไปเอาน้ำกิน (ที่เขาแถมมาตอนเติมน้ำมัน) เติมลงไปอีกครึ่งขวดใหญ่ ก็ทำให้ขับรถเข้าไปที่บ้านก่อนได้ (ขับจวนจะถึงบ้านอยู่แล้ว แต่รถมันติดมาก)

เช้าวันเสาร์ก็รีบเอารถไปที่ร้านซ่อมหม้อน้ำก่อนที่เขาจะมีลูกค้ารายอื่น ใช้เวลาเปลี่ยนหม้อน้ำไปสองชั่วโมงเศษเพราะช่างต้องเริ่มจากการถอดชิ้นส่วนต่าง ๆ ที่มันเกะกะการถอดตัวหม้อน้ำ และต้องไปเอาชิ้นส่วนหม้อน้ำตัวใหม่มาประกอบเข้าด้วยกัน สุดท้ายก็ได้หม้อน้ำตัวใหม่ดังรูปข้างล่าง

รูปที่ ๒ หม้อน้ำตัวใหม่หลังจากช่างเพิ่งจะประกอบเสร็จ ตัวนี้ฝาครอบด้านบนและด้านล่างเป็นทองเหลือง ส่วนตัวรังผึ้งเป็นทองแดง ใช้วิธีบัดกรียึดติดกัน (ที่เห็นเป็นคราบสีเทา ๆ) หม้อน้ำแบบนี้ถ้ารั่วซึ่งก็ยังใช้วิธีบัดกรีอุดรูรั่วหรืออุดรูรังผึ้งที่รั่วได้ ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนใหม่ทั้งลูก

พอประกอบคืนเสร็จก็ตรวจสอบความเรียบร้อย ปรากฏว่าไฟเตือนเครื่องยนต์ที่หน้าปัทม์ขึ้นแทน ตอนแรกช่างเขาบอกว่ามีการถอดเซนเซอร์ออกตอนรื้อเอาหม้อน้ำเก่าออก พอประกอบคืนใหม่กล่อง ECU โปรแกรมคงต้องใช้เวลาตรวจสอบสักพักก็จะหายไปเอง ขับอยู่หนึ่งวันปรากฏว่ามันก็ไฟเตือนก็ยังไม่หายสักที แถมรู้สึกมีปัญหาตอนรอบเดินเบา โดยเฉพาะตอนเข้าเกียร์ถอยหลัง เลยตัดสิตใจตรวจเองใหม่ พบว่าช่างไม่ได้เสียบสายสัญญาณที่อยู่ที่กรองอากาศกลับคืนเข้าที่เดิม พอเสียบกลับคืนไฟเตือนก็หายไป

ที่เอาเรื่องนี้มาเล่าให้ฟังก็เพราะเห็นว่าสมัยนี้ขับรถก็ขับกันอย่างเดียว ไม่ได้สนใจอะไรเกี่ยวกับระบบของรถยนต์เลย อาจเป็นเพราะว่ารถสมัยนี้ปัญหามันน้อยลงไปเยอะมาก อยู่ได้ทนจนถึงเวลาที่ต้องเข้าตรวจเช็คในศูนย์ แม้แต่แบตเตอรี่ก็ยังมีแบบไม่ต้องตรวจเติมน้ำกลั่น อยู่ได้จนถึงหมดอายุการใช้งาน น้ำหม้อน้ำเองถ้าไม่มีการรั่วซึมใด ๆ ก็แทบไม่ต้องเติมเลย ทีนี้พอมีปัญหาอะไรเกิดขึ้นระหว่างการเดินทางก็ทำอะไรไม่เป็น หรือไม่รู้ว่ามันน่าจะเกิดจากอะไร พอตามช่างมาดูถ้าเจอช่างที่นิสัยดีก็แล้วไป แต่ถ้าเจอช่างนิสัยไม่ดีก็แย่ไป

เก็บตกฝึกงานฤดูร้อน ๒๕๕๕ MO Memoir 2555 May 28 Mon

จากการที่ได้ไปตรวจฝึกงานที่มาบตาพุด จังหวัดระยองเมื่อวันพุธที่ ๒๓ ที่ผ่านมา ก็มีคำถามหลายคำถามที่นิสิตฝึกงานมีข้อสงสัย ซึ่งก็ได้อธิบายด้วยวาจาให้กับนิสิตที่สงสัยไปแล้ว ตอนนี้ก็ถึงเวลาที่ต้องบันทึกเอาไว้บ้าง เผื่อรุ่นถัดไปจะมีคำถามทำนองเดียวกันอีก จะได้หาคำตอบได้ (ถ้าค้นหาเจอนะ) และสำหรับผู้ที่กำลังหางานอยู่ก็จะได้มีความรู้เอาไว้บ้าง จะได้ผ่านการทดลองงานได้

Memoir ฉบับก่อนหน้าที่เกี่ยวข้องกับเรื่องที่จะกล่าวถึงใน memoir ฉบับนี้คือ

ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๑๖ วันจันทร์ที่ ๘ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที ๔ ฺBernoulli's equation"

ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๒๑ วันจันทร์ที่ ๑๕ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที ๕ ฺPump curve"

ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๒๒ วันพฤหัสบดีที่ ๑๘ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที ๖ ฺระบบ piping ของปั๊มหอยโข่ง"

ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๒๘ วันพฤหัสบดีที่ ๔ มีนาคม ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที ๘ Net Positive Suction Head (NPSH)"

ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๕๗ วันพฤหัสบดีที่ ๒๙ เมษายน ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที ๙ ความดันลดกับอัตราการไหล"

๑. ปั๊มต้องมี head เท่าไร เรื่องที่ ๑

ความดันด้านขาออกของปั๊มมักจะพูดกันโดยใช้คำว่า "head" หรือ "เฮด" ที่มีหน่วยเป็นเมตร ซึ่งหมายความว่าปั๊มนั้นสามารถส่งน้ำขึ้นไปได้สูงกี่เมตร (ประมาณคร่าว ๆ คือ 10 เมตร = 1 bar)

รูปที่ ๑ ระบบการสูบของเหลวเข้าถังปิดใบหนึ่งที่มีผู้ถามคำถาม

หน่วยเฮดเป็นหน่วยที่ทำให้มองเห็นภาพได้ชัดเจน (ปรกติพวก Engineering unit จะเป็นหน่วยที่เหมาะแก่การทำงานภาคปฏิบัติมากกว่า SI unit เพราะการใช้ Engineering unit ทำให้มองเห็นภาพได้ง่ายกว่า) โดยเฉพาะเวลาที่ต้องปั๊มของเหลวจากที่ต่ำไปยังตำแหน่งที่อยู่สูงกว่า เช่นปั๊มน้ำจากถังเก็บน้ำ (บนดินหรือใต้ดิน) ไปยังชั้นต่าง ๆ ของอาคาร ซึ่งงานลักษณะเช่นนี้เป็นการส่งน้ำจากถังความดันบรรยากาศไปยังชั้นต่าง ๆ ของอาคาร

ถ้าจะนำหน่วยเฮดไปใช้กับของเหลวอื่นที่ไม่ใช่น้ำก็ต้องพิจารณาความหนาแน่นของของเหลวนั้นด้วย สารอินทรีย์ที่เป็นของเหลวส่วนใหญ่จะมีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำ (จะมียกเว้นก็พวก organic halide ที่มีความหนาแน่นสูงกว่าน้ำ) ของเหลวที่มีของแข็งแขวนลอยอยู่ (เช่นพวกสเลอรี่) ก็จะมีความหนาแน่นแตกต่างไปจากของเหลวที่ไม่มีของแข็งแขวนลอย

คำถามแรกที่เจอเมื่อสัปดาห์ที่แล้วคือทำไมผู้ออกแบบจึงเผื่อกำลังของปั๊มเอาไว้มากกว่าขณะใช้งานปรกติมาก

ระบบที่มีคำถามคือระบบที่แสดงในรูปที่ ๑ ซึ่งมีการสูบของเหลวจากถังใบหนึ่ง (ที่มีความดันเหนือผิวของเหลว P0 และของเหลวดังกล่าวมีความหนาแน่นใกล้เคียงกับน้ำ) ส่งไปยังถังใบที่สอง (ที่มีความดันเหนือผิวของเหลว P1)

ในที่นี้สมมุติให้ความดัน P0 = P1 = ความดันบรรยากาศ ก่อน

คำถามของเขาก็คือในขณะที่ปั๊มเดินเครื่องตามปรกตินั้นต้องการเฮดเพียงแค่ 4 เมตรแต่ทำไมถึงต้องใช้ปั๊มที่ให้เฮดได้อย่างน้อย 9 เมตร ซึ่งดูเหมือนจะเป็นการเผื่อเอาไว้กว่าเท่าตัว

จากที่ได้คุยกันนั้น ทำให้ทราบว่าระบบ piping ด้านขาออกจากปั๊มนั้นมีการยกระดับสูงขึ้นไปก่อน 9 เมตรเพื่อเข้าไปในถัง และเมื่อเข้าไปในถังแล้วท่อจะมีการลดระดับลงมาอีก 5 เมตร ทำให้ปลายท่อด้านขาออกอยู่สูงจากปั๊มเพียงแค่ 4 เมตร

พฤติกรรมการไหลเช่นนี้เหมือนกับ "กาลักน้ำ" ที่เคยกล่าวไว้ใน Memoir ฉบับที่ ๑๑๖

ในช่วงเริ่มเดินเครื่องปั๊มนั้น ปั๊มต้องดันของเหลวให้ได้สูง 9 เมตรก่อนเพื่อที่จะไหลเข้าไปในถังได้ และเมื่อของเหลวในท่อเริ่มไหลลงมาตามท่อด้านขาออกที่อยู่ในถังนั้น พลังงานที่ต้องการใช้ก็จะลดลง และเมื่อของเหลวไหลออกที่ปลายท่อที่ระดับความสูงสูงกว่าตัวปั๊ม 4 เมตร เฮดด้านขาออกของปั๊มก็จะลดลงเหลือเพียงแค่ 4 เมตร

แต่ถ้าความดันเหนือผิวของเหลวด้านในถัง (P1) นั้นสูงกว่าความดันเหนือผิวของเหลวก่อนเข้าปั๊ม (P0) อยู่ 1 bar (P1 > P0 อยู่ 1 bar) หรือเทียบเท่าความสูงของน้ำ 10 เมตร

ดังนั้นที่ภาวะเดินเครื่องปรกติปั๊มต้องทำเฮดให้ได้ 4 + 10 = 14 เมตร

แต่ในขณะที่เริ่มเดินเครื่องปั๊ม ปั๊มต้องทำเฮดให้ได้ 9 + 10 = 19 เมตร

เราสอนเราเรียนกันเน้นไปที่ภาวะ steady state แต่อุปกรณ์ทุกอย่างต้องมีการ start up

๒. ปั๊มต้องมี head เท่าไร เรื่องที่ ๒

ถ้ามีพื้นที่ราบที่กว้างพอ การก่อสร้างโรงงานก็ไม่ค่อยมีปัญหาอะไร แต่ในบ้านเราพื้นที่ที่เป็นที่ราบอันกว้างใหญ่ก็เห็นจะมีแต่ภาคกลาง ซึ่งมีผู้ไปตั้งนิคมอุตสาหกรรมกันหลายแห่งและก็จมน้ำไปเรียบร้อยหลายแห่งด้วย พื้นที่ทางภาคตะวันออก (แถวชลบุรีและระยอง) ที่ไปตั้งนิคมกันไม่ได้เป็นพื้นที่ราบที่กว้าง เป็นเพียงพื้นที่ราบแคบ ๆ หรือไม่ก็เป็นเนินสูงต่ำสลับกันไป ดังนั้นก่อนการสร้างโรงงานจึงต้องทำการปรับพื้นที่เสียก่อน ถ้าระดับความสูงของพื้นที่เดิมไม่ได้แตกต่างกันมากและบริเวณก็ไม่ใหญ่มาก ก็อาจทำการปรับระดับพื้นที่ให้ราบเสมอกันได้ (ไถเอาดินจากเนินสูงไปถมที่ต่ำ)

ที่นี้พอมีโรงงานขนาดใหญ่จำนวนหลายโรงงานที่อยู่ในนิคมที่ต้องมีการส่งวัตถุดิบและ/หรือผลิตภัณฑ์ให้กันทางท่อ แต่ละโรงงานก็จะตั้งอยู่บนระดับความสูง (วัดเทียบจากระดับน้ำทะเลปานกลาง) ที่แตกต่างกัน และแนวท่อที่เชื่อมต่อถึงกันนั้นก็ไม่ใช่ท่อตรง อาจมีการยกระดับเพื่อข้ามถนนหรือลดระดับเพื่อลอดถนนบ้าง

ท่อลดระดับเพื่อลอดถนนไม่ค่อยจะมีปัญหาเท่าไร แต่ท่อยกระดับเพื่อข้ามถนนนี่ซิอาจเป็นปัญหา

รูปที่ ๒ การปั๊มของเหลวจาก Tank 1 ไปยัง Tank 2 โดย Tank 1 อยู่บนพื้นดินที่ระดับความสูงสูงกว่า Tank 2 18 เมตร

รูปที่ ๒ ข้างบนเป็นตัวอย่างสมมุติตัวอย่างหนึ่งของการปั๊มของเหลวจาก Tank 1 ไปยัง Tank 2 ที่อยู่ห่างออกไปในสถานที่อีกแห่งหนึ่ง โดยสมมุติให้ความดันเหนือผิวของเหลวใน Tank 1 เท่ากับความดันเหนือผิวของเหลวใน Tank 2 คือเท่ากับความดันบรรยากาศ และ Tank 2 อยู่ที่ระดับพื้นดินที่ต่ำกว่า Tank 1 เป็นระยะ 18 เมตร

รูปแบบนี้ถ้าเอา Bernoulli's equation มาจับเข้าตรง ๆ จะพบว่าเราไม่ต้องใช้ปั๊มในการส่งของเหลวจาก Tank 1 ไปยัง Tank 2 เพราะธรรมชาติของของเหลวมันไหลลงที่สูงสู่ที่ต่ำอยู่แล้ว

แต่ในการเดินท่อนั้นท่ออาจต้องมีการเปลี่ยนระดับเพื่อข้ามถนน (ให้รถผ่านลอดใต้ท่อ) สมมุติว่าช่วงที่ออกจากปั๊ม นั้นท่อต้องมีการยกระดับสูงขึ้น 5 เมตร (เทียบกับระดับปั๊ม) และช่วงก่อนเข้า Tank 2 นั้นท่อต้องมีการยกระดับสูงขึ้น 12 เมตร (เทียบกับระดับที่ตั้ง Tank 2)

ถ้ายังไม่คำนึงถึงความเสียดทานในระบบท่อ คำถามคือปั๊มต้องทำเฮดให้ได้อย่างน้อยเท่าไร

คำตอบของรูปที่ ๒ คือ 5 เมตร ไม่ใช่ 12 เมตร

ตัวอย่างทำนองนี้เคยกล่าวไว้ใน Memoir ฉบับที่ ๑๑๖ เช่นเดียวกัน

ตรงจุดที่ท่อมีการยกระดับสูงขึ้น 12 เมตรนั้น พื้นที่บริเวณนั้นอยู่ต่ำกว่าพื้นที่ตั้งปั๊ม 18 เมตร ดังนั้น ณ จุดที่ท่อมีการยกระดับขึ้นไปสูงสุด 12 เมตร จุดดังกล่าวก็ยังต่ำกว่าพื้นที่ตั้งปั๊มอยู่ 6 เมตร ดังนั้นจุดที่ท่อมีการยกตัวสูงขึ้น 12 เมตรนี้จึงไม่ได้เป็นตัวกำหนดว่าปั๊มควรต้องมีเฮดอย่างน้อยเท่าไร

ที่บอกว่าเป็น "เฮดอย่างน้อย" นั้นก็เพราะถ้าคำนวณเฮดโดยอาศัย (ก) ความสูงที่ต้นทางและปลายทางเท่านั้น และ (ข) ความดันลดทั้งหมดที่เกิดขึ้นในระบบท่อ แล้วพบว่าค่าเฮดที่คำนวณได้นั้นน้อยกว่า 5 เมตร ปั๊มดังกล่าวจะไม่สามารถปั๊มของเหลวให้ขึ้นไปได้สูง 5 เมตรตรงจุดที่ท่อมีการยกตัวตำแหน่งแรกได้ ของเหลวก็จะไม่มีทางไหลไปถึง Tank 2 ดังนั้นถ้าคำนวณค่าเฮดได้ต่ำกว่า 5 เมตรก็ต้องปัดขึ้นเป็น 5 เมตรเป็นอย่างน้อย แต่ถ้าคำนวณค่าเฮดที่ต้องใช้ได้สูงกว่า 5 เมตรก็แล้วไป ก็ใช้ค่านั้นได้

๓. ปั๊มต้องมี head เท่าไร เรื่องที่ ๓

เรื่องนี้เกิดขึ้นบนคอมพิวเตอร์

ต้องการสูบของเหลวจากถังใบที่หนึ่งที่ความดัน P0 bar ไปยังถังใบที่สองที่ความดัน P1 bar คำถามก็คือปั๊มที่ใช้ต้องมีเฮดอย่างต่ำเท่าไร (รูปที่ ๓)

รูปที่ ๓ การถ่ายของเหลวจากถังใบหนึ่งที่ความดัน P0 bar ไปยังถังอีกใบหนึ่งที่ความดัน P1 bar

คำถามที่เขาถามผมก็คือเขาไม่รู้ว่าระบบท่อประกอบด้วยอะไรบ้างแล้วจะคำนวณหาความเสียดทานได้อย่างไร

flow chart บนโปรแกรม simulation นั้นเทียบได้กับ process flow diagram ซึ่งจะบอกแต่เพียงว่าในการส่งต่อของเหลวจาก unit หนึ่งไปยังอีก unit หนึ่งนั้นมีการเปลี่ยนแปลงความดันและอุณหภูมิอย่างไรบ้าง และต้องส่งไปด้วยอัตราการไหลเท่าไร แต่ไม่ได้บอกรายละเอียดใด ๆ เกี่ยวกับขนาดของท่อและชิ้นส่วนต่างที่เป็นส่วนประกอบของระบบท่อส่ง และก็ไม่ได้ให้รายละเอียดใด ๆ เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงระดับความสูง

ความดันลดที่เกิดจากแรงเสียดทานของระบบท่อและการเปลี่ยนแปลงความสูงจะเป็นเท่าไรนั้นขึ้นอยู่กับสถานที่ตั้งอุปกรณ์จริง กระบวนการเดียวกันแต่สร้างในสถานที่ที่มีระดับพื้นที่ที่แตกต่างกันก็ไม่จำเป็นต้องมีแผนผังการติดตั้งอุปกรณ์เหมือน ๆ กัน

แต่เราก็สามารถประมาณพลังงานต่ำสุดที่ปั๊มต้องมีได้จากการเปลี่ยนแปลงความดันระหว่าง unit ทั้งสองและพลังงานจลน์ที่ต้องให้แก่ของเหลวโดยอาศัย rule of thumb ที่ว่าขนาดท่อที่เหมาะสมนั้นควรเป็นขนาดที่ทำให้ของเหลวไหลด้วยอัตราเร็วเชิงเส้นในช่วง 1-3 m/s (ถ้าต่ำเกินไปแสดงว่าใช้ท่อขนาดใหญ่เกินไป สิ้นเปลืองค่าท่อ ถ้าสูงเกินไปแสดงว่าใช้ท่อขนาดเล็กเกินไป ความต้านทานการไหลจะสูง)

๔. ความเร็วรอบมอเตอร์

เรื่องนี้เกี่ยวข้องกับปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) และเคยกล่าวไว้ใน Memoir ฉบับที่ ๑๒๑ เอาไว้แล้ว

การควบคุมอัตราการไหลของเหลวจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งนั้นทำได้โดยการใช้วาล์วควบคุมหรือไม่ก็ปรับความเร็วรอบการหมุนของปั๊ม

ถ้าอัตราการไหลของของเหลวที่ต้องการนั้นมีการปรับเปลี่ยนอยู่เสมอตามภาวะการผลิตหรือชนิดผลิตภัณฑ์ที่ต้องการผลิต (เช่นส่วนประกอบต่าง ๆ ในการทำปฏิกิริยาเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ต่างชนิดกัน หรืออัตราการไหลของไอน้ำ/น้ำหล่อเย็นเพื่อคุมอุณหภูมิระบบให้ได้ดังต้องการ) การควบคุมอัตราการไหลมักจะใช้วาล์วควบคุม

แต่ก็มีบางงานเหมือนกันที่ไม่ต้องการการปรับอัตราการไหลสม่ำเสมอ อาจต้องการเพียงแค่ให้มีของเหลวไหลวนรอบอยู่ในระบบ (เช่นหอ scrubber) ในกรณีนี้การออกแบบอาจเป็นการเลือกขนาดปั๊มที่เหมาะสมกับอัตราการไหลดังกล่าว โดยเผื่อเอาไว้เล็กน้อยและปล่อยให้ปั๊มทำงานเต็มที่ ถ้าอัตราการไหลที่ได้สูงเกินไปก็หรี่วาล์วขาออกให้เปิดน้อยลง

แต่ถ้าอัตราการไหลที่ต้องการนั้นต่ำกว่าความสามารถของปั๊มที่ทำได้อยู่มาก ดังนั้นเพื่อให้ได้อัตราการไหลที่ต้องการจึงต้องเปิดวาล์วขาออกไว้ไม่มาก (หรือหรี่วาล์วลงเยอะ) การกระทำดังกล่าวเป็นการสิ้นเปลืองพลังงาน การลดการสิ้นเปลืองพลังงานดังกล่าวอาจกระทำโดยการเปลี่ยนขนาดใบพัดของปั๊มหรือไปลดรอบอัตราเร็วการหมุนของใบพัด

เวลาที่กล่าวถึงปั๊มหอยโข่งนั้นขอให้เข้าใจว่ามันมีส่วนประกอบหลักอยู่ ๒ ส่วนคือตัวปั๊มเองที่เป็นที่ติดตั้งของใบพัดและเป็นจุดต่อของท่อของเหลวไหลเข้าและไหลออก และตัวมอเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้ขับเคลื่อนใบพัด การที่เห็นคนผลิตตัวปั๊มเป็นบริษัทหนึ่งและมอเตอร์เป็นของอีกบริษัทหนึ่งจึงเป็นเรื่องปรกติ และเวลาซื้อปั๊มก็ต้องคุยให้ชัดเจนด้วยว่าซื้อเฉพาะตัวปั๊มโดยไม่รวมมอเตอร์ขับเคลื่อน หรือซื้อเป็นชุดโดยรวมมอเตอร์ขับเคลื่อนด้วย

กรณีของคำถามที่ประสบมานั้นนิสิตเล่าว่าทางโรงงานมีปัญหาเรื่องปั๊มตัวหนึ่งมีขนาดใหญ่เกินไป ทำให้สิ้นเปลืองพลังงาน ทางโรงงานต้องการประหยัดพลังงานโดยไม่ต้องการไปยุ่งอะไรกับปั๊ม เขาต้องการเปลี่ยนตัวมอเตอร์ที่ใช้ขับเคลื่อน (คงเป็นเพราะมันเปลี่ยนง่ายกว่าเพราะไม่ต้องไปยุ่งอะไรกับระบบท่อเข้า-ออกจากตัวปั๊ม) แต่คำถามก็คือมอเตอร์ควรหมุนด้วยความเร็วรอบเท่าไร

ก่อนที่จะตอบคำถามดังกล่าวผมก็ถามเขากลับไปก่อนว่าเขาคิดจะลดรอบการหมุนของมอเตอร์ไฟฟ้าด้วยวิธีใด

มอเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้กันมากในโรงงานคือมอเตอร์เหนี่ยวนำ (induction motor) ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้ากระแสสลับ อัตราการหมุนของมอเตอร์ชนิดนี้ขึ้นอยู่กับความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้และจำนวนขั้วของมอเตอร์ โดยคำนวณได้จากความเร็วซิงโครนัส (synchronous speed) จากสูตร n = (120f/p) เมื่อ n คือความเร็วซิงโครนัส (หน่วยเป็น rpm หรือรอบต่อนาที) f คือความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับ (ในบ้านเราคือ 50 Hz) และ p คือจำนวนขั้วของมอเตอร์ซึ่งจะเป็นเลขคู่เสมอ และมักจะเริ่มจาก 4

สำหรับมอเตอร์เหนี่ยวนำนั้นจะหมุนด้วยความเร็วที่ต่ำกว่าความเร็วซิงโครนัสอยู่เล็กน้อยเนื่องจากมีการเกิด slip เช่นกรณีของมอเตอร์ที่มี 4 ขั้ว ความเร็วซิงโครนัสที่คำนวณได้ (ที่ความถี่ 50 Hz) คือ 1500 rpm แต่ตัวมอเตอร์จะหมุนที่ความเร็วรอบประมาณ 14xx rpm (ดูรูปที่ ๔ ในหน้าถัดไปประกอบ)

การปรับความเร็วรอบการหมุนของปั๊มอาจทำโดย

(ก) คงอัตราการหมุนของมอเตอร์ไฟฟ้าเอาไว้ แล้วใช้ระบบเฟืองทด/สายพาน

(ข) คงมอเตอร์ตัวเดิมเอาไว้ แต่ติดตั้งระบบปรับความถี่ของไฟฟ้า หรือ

(ค) เปลี่ยนมอเตอร์ โดยใช้มอเตอร์ที่มีจำนวนขั้วที่แตกต่างไปจากของเดิม

ในกรณีนี้ทางโรงงานต้องการประหยัดพลังงานโดยทำให้ปั๊มหมุนช้าลง ตอนแรกนิสิตที่ถามคำถามก็ไม่เข้าใจว่าทำไมมันต้องหมุนที่ 950 rpm หรือ 750 rpm แต่ถ้าไปดูสูตรการคำนวณความเร็วรอบข้างบนก็จะเห็นคำตอบ

ถ้ามอเตอร์มีจำนวนขั้วเป็น 6 ความเร็วซิงโครนัสคือ 1000 rpm ดังนั้นตัวเลข 950 rpm ที่เขาเห็นจึงเป็นตัวเลขการหมุนของมอเตอร์เหนี่ยวนำที่มี 6 ขั้ว 

 

ถ้ามอเตอร์มีจำนวนขั้วเป็น 8 ความเร็วซิงโครนัสคือ 750 rpm ดังนั้นตัวเลข 750 rpm ที่เขาเห็นจึงเป็นตัวเลขการหมุนของมอเตอร์เหนี่ยวนำที่มี 8 ขั้ว 

 

รูปที่ ๔ Name plate ของมอเตอร์ตัวหนึ่งขนาด 3 แรงม้า 4 ขั้ว (Hz - ความถี่ของกระแสไฟฟ้า (เฮิรตซ์), V - ความต่างศักย์ (โวลต์), A - กระแส (แอมแปร์), r/min - รอบต่อนาที, PF - Power factor หรือตัวประกอบกำลัง)

จาก Name plate ของมอเตอร์ตัวหนึ่งในรูปที่ ๔ จะเห็นว่าที่ไฟฟ้ากระแสสลับความถี่เดียวกัน มอเตอร์จะหมุนที่ความเร็วรอบพอ ๆ กัน ไม่ได้เปลี่ยนไปตามความต่างศักย์ที่ใช้ แต่กระแสที่ใช้จะลดลงถ้าใช้ความต่างศักย์สูงขึ้น ค่ากระแสที่แสดงเป็นค่ากระแสในขณะทำงานปรกติ ไม่ใช่ค่ากระแสขณะเริ่มเดินเครื่อง ซึ่งจะสูงกว่าค่าที่แสดงไว้มาก แต่ก็เป็นช่วงระยะเวลาสั้น ๆ ดังนั้นการติดตั้ง circuit breaker ให้กับมอเตอร์จึงต้องพึงระวังเรื่องกระแสที่สูงชั่วขณะในขณะที่ทำการเริ่มเดินเครื่องด้วย เพราะถ้าใช้ circuit breaker ที่ตัดไฟที่กระแสใกล้เคียงกับกระแสใช้งานปรกติหรือที่ทำงานรวดเร็วเกินไป ก็อาจจะทำให้ไม่สามารถเริ่มเดินเครื่องมอเตอร์ได้

ด้วยเหตุนี้ในกรณีที่มีมอเตอร์ใช้งานหลายตัวอยู่ เวลาเริ่มเดินเครื่องจึงต้องเริ่มเดินเครื่องทีละตัว ไม่ใช่เดินเครื่องทุกตัวพร้อมกันหมด เหตุการณ์เช่นนี้เคยเกิดขึ้นกับ glove box ในห้องแลปของเราซึ่งมีปั๊มสุญญากาศอยู่หลายตัว วันหนึ่งเกิดเหตุการณ์ไฟฟ้าดับแต่ไม่มีผู้ใดเข้าไปปิดสวิตช์ปั๊มต่าง ๆ ให้อยู่ที่ตำแหน่ง OFF (คงค้างอยู่ที่ตำแหน่ง ON) เมื่อไฟฟ้ากลับคืนมาดังเดิมปั๊มสุญญากาศทุกตัวก็เริ่มทำงานพร้อมกัน กระแสที่ดึงเข้าในจังหวะสั้น ๆ นั้นสูงมากจนทำให้ stabilizer ไหม้ (มันคุมความต่างศักย์แต่ไม่ได้คุมกระแส และระบบตัดไฟของมันทำงานไม่ทัน)

หวังว่าบทความนี้คงเป็นตัวอย่างให้พวกคุณได้เห็นว่า การนำเอาบทเรียนภาคทฤษฎีที่เรียนจากในห้องเรียนไปใช้งานในทางปฏิบัตินั้นต้องมีความเข้าใจในเรื่องใดบ้าง

เอาแป้งมันไปทำอะไรดี MO Memoir : Saturday 26 May 2555

ในช่วงที่ผ่านมานั้นในบ้านเราได้นำผลิตผลทางการเกษตรได้แก่อ้อยและแป้งมันสำปะหลังไปเข้ากระบวนการหมักเพื่อผลิตเป็นสารละลายเอทานอล จากนั้นจึงนำสารละลายเอทานอลที่ได้ไปกลั่นแยกให้ได้เอทานอลความบริสุทธิ์สูงเพื่อนำไปผลิตเป็นน้ำมันแก๊สโซฮอล์ แต่ก็เป็นที่ทราบกันว่าต้นทุนแอลกอฮอล์ที่ได้จากวิธีการนี้มีราคาสูงแม้ว่าจะใช้ผลิตผลทางการเกษตรที่มีราคาถูกคือแป้งมันสำปะหลัง เมื่อโดนบังคับให้ต้องขายเอทานอลในราคาที่ถูกกว่าการขายในรูปของแป้งมันสำปะหลังจึงทำให้หลายโรงงานไม่ประสงค์ที่จะผลิตเอทานอล

ผมก็เลยลองคิดเล่น ๆ ว่าถ้ามีแป้งมันสำปะหลังอยู่ในมือ จะเอาไปทำอะไรดีที่ไม่ใช่เอทานอล ก็เลยลองคิดโครงการเล่น ๆ ที่ยังไม่รู้ว่าจะทำได้จริงหรือเปล่า คิดว่าถ้ามีเวลาว่างและ (สำคัญมากคือ) มีคนให้ทุนทำวิจัย ผมก็อยากจะลองทำดูเหมือนกัน

๑. จากแป้งเป็นน้ำตาลกลูโคส

โมเลกุลแป้งประกอบด้วยน้ำตาลกลูโคสหลายโมเลกุลมาต่อเข้าด้วยกันเป็นสารโซ่ ซึ่งสามารถแยกออกเป็นโมเลกุลกลูโคสเดี่ยว ๆ ได้ด้วยปฏิกิริยา hydrolysis

เนื่องจากโมเลกุลกลูโคสประกอบด้วยหมู่ไฮดรอกซิล (hydroxyl -OH) ดังนั้นอาจอาศัยการทำปฏิกิริยาของหมู่ -OH นี้กับหมู่ฟังก์ชันอื่น ปฏิกิริยาหนึ่งของหมู่ -OH ที่เป็นที่รู้จักกันทั่วไปคือปฏิกิริยา Esterification กับหมู่ carboxyl (-COOH) ของกรดอินทรีย์กลายเป็นโครงสร้าง ester (R-O-CO-R') หรือทำปฏิกิริยา dehydration กับหมู่ -OH ของอีกโมเลกุลหนึ่งกลายเป็นโครงสร้างอีเทอร์ R-O-R'

ตัวอย่างหนึ่งของการทำปฏิกิริยาระหว่างหมู่ -OH ของน้ำตาลกับกรดอินทรีย์คือการเปลี่ยนน้ำตาลทราย (ชื่อทางเคมีของน้ำตาลทรายคือซูโครส (sucrose) ซึ่งเกิดจากโมเลกุล glucose รวมกับโมเลกุล fructose) ให้กลายเป็นสารทดแทนไขมันที่เรียกว่า "Olestra" ดังรูปที่ ๑

เมื่อ H อะตอมของหมู่ -OH ถูกแทนที่ด้วยหมู่ -CO-R ซึ่งเป็นหมู่ไม่มีขั้ว จีงทำให้ Olestra มีคุณสมบัติเป็นสารไม่มีขั้วเช่นเดียวกับไขมันหรือน้ำมันที่ใช้ปรุงอาหาร Olestra จึงถูกนำมาใช้ในการปรุงอาหารเพื่อลดปริมาณไขมันในอาหาร

รูปที่ ๑ (ซ้าย) โมเลกุลน้ำตาลกลูโคส (กลาง) โมเลกุลน้ำตาลกลูโคสที่หมู่ -OH บางหมู่ทำปฏิกิริยา esterification กับกรดไขมัน (หมู่ R) ทำให้ได้โมเลกุลที่มีส่วนไม่มีขั้ว (หมู่ R ของกรดไขมัน) กับส่วนที่มีขั้ว (หมู่ -OH ที่หลงเหลืออยู่) (ขวา) รูปร่างโมเลกุล Olestra ซึ่งได้จากการนำเอาน้ำตาลซูโครส (sucrose ซึ่งเป็น disaccharide ระหว่าง glucose กับ fructose) มาทำปฏิกิริยา esterification กับกรดไขมันจนหมู่ -OH ทุกหมู่ทำปฏิกิริยาหมด

(รูป olestra นำมาจาก http://www.scientificpsychic.com/fitness/fattyacids1.html)

ในกรณีของกลูโคสนั้นเนื่องจากมีหมู่ -OH อยู่มาก จึงทำให้กลูโคสละลายน้ำได้ดีมาก แต่ถ้าให้หมู่ -OH ทำปฏิกิริยากับสารอื่นเช่นกรดอินทรีย์ดังแสดงในรูปข้างบนจนหมู่ -OH หายไปหมด จะได้สารประกอบที่มีคุณสมบัติแบบไขมัน (ในทำนองเดียวกันกับ Olestra)

ประเด็นที่น่าสนใจคือถ้าทำการแทนที่หมู่ -OH เพียงส่วนหนึ่งด้วยสายโซ่ไฮโดรคาร์บอน (อาจทำโดยใช้ปฏิกิริยา esterification) ก็จะทำให้ได้โมเลกุลที่มีทั้งส่วนที่มีขั้วและไม่มีขั้วอยู่ในโมเลกุลเดียวกัน โมเลกุลที่มีโครงสร้างดังกล่าวสามารถทำหน้าที่เป็นสารลดแรงตึงผิว (surfactant) หรือสารช่วยในการประสานเฟสระหว่างโมเลกุลมีขั้วและโมเลกุลไม่มีขั้วได้ ซึ่งถ้าสังเคราะห์โมเลกุลดังกล่าวได้ก็คงต้องหาทางใช้ประโยชน์กันต่อไป

ปัญหาหนึ่งของการบำบัดน้ำเสียคือระยะเวลาที่แบคทีเรียต้องใช้ในการกำจัดสารอินทรีย์ ถ้าหากน้ำเสียมีสารอินทรีย์ที่แบคทีเรียกำจัดได้รวดเร็ว ระบบบำบัดน้ำเสียก็จะทำงานได้มีประสิทธิภาพมากขึ้น

สาร surfactant ที่เราใช้กันมากในปัจจุบันคือ linear alkyl benzene sulfonate ที่ใช้กันในผงซักฟอก น้ำยาล้างจาน โฟมล้างหน้า สบู่เหลว แชมพู ฯลฯ นั้นประกอบด้วยโครงสร้างที่เป็น วงแหวน หมู่อัลคิล และหมู่ฟังก์ชันที่มีกำมะถันเป็นองค์ประกอบ โครงสร้างโมเลกุลนี้จะมีปัญหาตรงที่แบคทีเรียไม่ค่อยอยากจะย่อยสลายส่วนที่เป็นวงแหวน (ส่วนที่เป็นโซ่ตรงไม่ค่อยมีปัญหา) และการย่อยสลายกำมะถันยังทำให้เกิดแก๊ส H₂S ที่มีกลิ่นไม่พึงประสงค์

สาร surfactant ที่ไม่มีโครงสร้างวงแหวนเบนซีนในโมเลกุล จะมีข้อดีตรงที่แบคทีเรียสามารถย่อยสลายได้สมบูรณ์มากกว่า และการที่ไม่มี S เป็นองค์ประกอบในโมเลกุลทำให้ไม่เกิดแก๊ส H₂S ในระหว่างการย่อยสลาย ซึ่งเป็นแก๊สที่ทำให้เกิดกลิ่นเหม็น

เท่าที่จำได้งานวิจัยทำนองคล้าย ๆ กันนี้ดูเหมือนจะมีอาจารย์ทางสงขลานครินทร์ทำวิจัยเรื่องการเปลี่ยนน้ำมันพืชให้กลายเป็น surfactant เพื่อใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร คือแทนที่จะนำน้ำมันพื้นมาทำเป็นไบโอดีเซลด้วยการแยกโมเลกุลกรดไขมันออกจนหมดจนได้เป็นเมทิลเอสเทอร์กับกลีเซอรีน ก็ทำการแยกโมเลกุลกรดไขมันออกจากโมเลกุลกลีเซอรีนเพียง ๑ หรือ ๒ โมเลกุลเท่านั้น ตำแหน่งหมู่เอสเทอร์ที่ถูกแยกโมเลกุลกรดไขมันออกมาก็จะกลายเป็นหมู่ -OH ที่มีขั้ว ในขณะที่ส่วนของกรดไขมันที่ไม่ถูกแยกออกมาก็ยังคงเป็นส่วนที่ไม่มีขั้ว ทำให้ผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นสามารถทำหน้าที่เป็นตัวประสานระหว่างเฟสมีขั้วและเฟสไม่มีขั้วได้

๒. Acetone-Butanol-Ethanol

กระบวนการหมักนั้นแม้ว่าจะใช้สารอาหารเดียวกัน แต่ถ้าเปลี่ยนชนิดเชื้อที่ใช้ในการหมักก็สามารถทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันออกไปได้

การหมักแป้งให้กลายเป็นสารผสมระหว่าง acetone, 1-butanol และ ethanol เป็นที่รู้จักกันมานานตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ ๒๐ มีการพัฒนาอย่างเป็นล่ำเป็นสันในอังกฤษในช่วงสงครามโลกครั้งที่ ๑ (ตอนแรกเรียก Great War แล้วค่อยมาเรียกเป็น World War I กันภายหลัง) เพื่อผลิต acetone ไปใช้ในอุตสาหกรรมผลิต cordite ของกองทัพอังกฤษ

ดังนั้นแทนที่จะเน้นไปที่การผลิตเอทานอลก็อาจเปลี่ยนแนวทางเป็นการงผลิต 1-butanol (H₃C-CH₂-CH₂-CH₂-OH) แทน และหาทางใช้ประโยขน์จาก 1-butanol ที่เป็นสารโมเลกุลใหญ่

1-butanol เป็นแอลกอฮอล์ปฐมภูมิ (primary alcohol) คือพวกที่มีหมู่ -OH อยู่ที่ปลายโซ่ การผลิตแอลกอฮอลประเภทนี้ไม่สามารถทำได้โดยการเติมน้ำไปที่พันธะคู่ C=C ของโมเลกุลโอเลฟินส์ เพราะมันจะได้แอลกอฮอล์ทุติยภูมิ (secondary alcohol) เสมอ ถ้าอยากรู้ว่าทำไปเป็นเช่นนั้นก็ลองไปอ่านเรื่อง Markovnikov's rule เอาเองก็แล้วกัน

ถ้าเรานำ 1-butanol ไปดึงไฮโดรเจนออกตรงหมู่ C-OH (หรือออกซิไดซ์แบบเบา ๆ ไม่แรงนัก) เราก็จะได้สารประกอบอัลดีไฮด์ butanal (H₃C-CH₂-CH₂-COH) แต่ถ้าออกซิไดซ์แรงขึ้นไปอีกก็จะกลายเป็นกรดอินทรีย์ butyric acid (H₃C-CH₂-CH₂-COOH)

แต่ถ้าเรานำ 1-butanol ไปทำปฏิกิริยา dehydration ก็จะได้ 1-butene (H₃C-CH₂-CH=CH₂) หรือ dibutyl ether (H₉C₄-O-C₄H₉) ที่เป็นสารประกอบอีเทอร์ที่มีจุดเดือดสูงตัวหนึ่ง (จุดเดือด 142.4ºC) และละลายน้ำได้น้อย

ปัจจุบันมีงานวิจัยที่หาทางนำ CH₄ มาใช้ประโยชน์เป็นเชื้อเพลิงให้กับเครื่องยนต์ดีเซล สิ่งที่ทำกันอยู่ในปัจจุบันคือใช้ระบบเชื้อเพลิงผสมระหว่าง CH₄ กับน้ำมันดีเซล (ใช้น้ำมันดีเซลเป็นตัวจุดระเบิดแล้วค่อยป้อน CH₄ เข้าไปผสม) หรือไม่ก็ทำการดัดแปลงเครื่องยนต์ดีเซลให้กลายเป็นเครื่องยนต์แก๊สโซลีน

อีกแนวทางหนึ่งคือทำปฏิกิริยา oxidative coupling ของ CH₄ ให้กลายเป็น dimetyl ether (H₃C-O-CH₃) ซึ่งเป็นสารที่มีเลขซีเทน (cetane no.) ประมาณ 55 ซึ่งอยู่ในระดับน้ำมันดีเซลที่ใช้กันทั่วไป จึงสามารถนำมาผสมกับน้ำมันดีเซลและใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลได้โดยต้องทำการดัดแปลงเครื่องยนต์ดีเซลเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

แต่การเปลี่ยนมีเทนเป็น dimethyl ether เพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลผมว่ามันคงไม่น่าจะเหมาะสมเท่าไรนักด้วยเหตุผลต่อไปนี้คือ

(ก) พันธะ C-H ของมีเทนแข็งแรงมาก แข็งแรงกว่าพันธะ C-H หรือพันธะอื่นของสารอินทรีย์ การทำให้พันธะ C-H ของมีเทนแตกออกได้นั้นต้องใช้พลังงานสูงมาก ซึ่งระดับพลังงานดังกล่าวมากพอที่จะทำให้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นสลายตัวจนหมดได้ ดังนั้นถ้าต้องการให้เหลือ dimethyl ether ในการทำปฏิกิริยา ก็ต้องทำที่ค่า conversion ต่ำมาก หรือไม่ก็ไปทำปฏิกิริยาบนคอมพิวเตอร์ (ใส่เฉพาะปฏิกิริยาที่เกิด dimethyl ether และอย่าใส่ปฏิกิริยาที่ทำให้ dimetyl ether สลายตัว หรือปฏิกิริยาที่ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ข้างเคียงตัวอื่น)

(ข) dimethyl ether เป็นสารที่มีจุดเดือดต่ำ (-24ºC) ดังนั้นถ้าผสมเข้ากับน้ำมันดีเซลก็จะระเหยออกมาได้ง่าย และยิ่งบ้านเราเป็นเมืองร้อนด้วยคงจะยิ่งไม่เหมาะสมมาก แต่ที่ต่างประเทศเขาศึกษาตัวนี้ก็คงเป็นเพราะอากาศบ้านเขามันหนาว ในฤดูหนาวอุณหภูมิติดลบหลายสิบองศาเซลเซียสต่ำกว่าจุดเดือดของ dimethyl เสียอีก และอาจอาศัยข้อดีของ dimethyl ether ตรงที่มันไม่เกิดเป็นสารประกอบ peroxide ได้ง่ายเหมือนอีเทอร์ตัวอื่น

จุดที่น่าสนใจคือ dibutyl ether มี cetane no. เท่ากับ 100 ซึ่งสูงกว่า dimethyl ether และยังมีจุดเดือดที่สูงกว่า น่าจะใช้ประโยชน์เป็นสารเพิ่มเลขซีเทนให้กับน้ำมันดีเซลได้ โดยที่ไม่เพิ่มความดันไอของน้ำมันดีเซล

แต่ก็ต้องพึงระวังว่า dibutyl ether นั้นสามารถเกิดปฏิกิริยา autoxidation กับออกซิเจนในอากาศกลายเป็นสารประกอบเปอร์ออกไซด์ที่ไม่เสถียรและระเบิดได้ง่าย (ถ้ามีความบริสุทธิ์สูงในปริมาณที่มากพอ) ดังนั้นถ้าจะนำ dibutyl ether มาใช้ผสมเป็นสารเพิ่มเลขซีเทนในน้ำมันดีเซล ก็ต้องพิจารณาด้วยว่าจะหาทางป้องกัน/ลดการเกิดสารประกอบเปอร์ออกไซด์ได้อย่างไรด้วย.

๓. การนำสารละลายจากการหมักไปทำปฏิกิริยาโดยตรง

ปัญหาของการนำผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการหมักไปใช้คือผลิตภัณฑ์ที่ได้จะมีความเข้มข้นต่ำ โดยมีน้ำเป็นส่วนประกอบหลัก การแยกผลิตภัณฑ์ดังกล่าวออกมาเป็นสารบริสุทธิ์แต่ละชนิดก่อน แล้วค่อยนำสารบริสุทธิ์ที่ได้นั้นมาเปลี่ยนเป็นสารอื่น ซึ่งสิ้นเปลืองพลังงานในขั้นตอนการแยกมาก

ทางเลือกที่น่าจะดีกว่าคือการหาทางเปลี่ยนสารผสมที่เป็นสารละลายในน้ำนั้นให้กลายเป็นสารอื่นโดยไม่ต้องทำการแยกสารแต่ละชนิดออกมา ปฏิกิริยาหนึ่งที่น่าจะลองพิจารณาคือปฏิกิริยาการเปลี่ยนแอลกอฮอล์ให้กลายเป็นอีเทอร์

เช่นอาจนำสารละลายที่ได้จากการหมักที่ประกอบด้วย acetone-butanol-ethanol ละลายอยู่และของแข็งต่าง ๆ (สารอาหาร เชื้อที่ใช้หมัก ฯลฯ) ไปกรองแยกของแข็งออกก่อน จากนั้นจึงนำสารละลายที่ได้จากการกรองไปใช้เป็นสารตั้งต้นในการทำปฏิกิริยาโดยไม่จำเป็นต้องทำการแยกสารทั้งสามชนิดออกจากกันก่อน

ในกรณีของสารผสมระหว่าง 1-butanol กับ ethanol นั้น (จากข้อ ๒.) ถ้าทำให้เกิดปฏิกิริยา dehydration เพื่อผลิตอีเทอร์จะมีโอกาสได้ผลิตภัณฑ์ที่เป็นอีเทอร์ 3 ตัวด้วยกันคือ dibutyl ether, diethyl ether และ butyl ethyl ether

ปฏิกิริยาดังกล่าวควรดำเนินในเฟสของเหลว (โดยใช้การเพิ่มความดันเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำเดือด) เพราะการทำให้น้ำที่เป็นของเหลวมีอุณหภูมิสูงขึ้นนั้นใช้พลังงานน้อยกว่าการทำให้น้ำที่เป็นของเหลวกลายเป็นไอน้ำ

dibutyl ether เป็นของเหลวที่เบากว่าน้ำและละลายน้ำได้น้อย ดังนั้นมันควรจะแยกชั้นออกมาจากน้ำได้โดยไม่ต้องไปผ่านกระบวนการกลั่น

แต่ด้วยระบบการทำปฏิกิริยาเดียวกันนี้ ถ้าเราควบคุมอุณหภูมิให้เหมาะสมก็อาจจะทำให้ 1-butanol เปลี่ยนไปเป็น 1-butene และ ethanol เปลี่ยนไปเป็น ethylene โดยไม่ต้องทำการแยกสารทั้งสองตัวออกจากสารละลายในน้ำ เพราะโอเลฟินส์ที่เป็นผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจะระเหยออกจากน้ำได้เองอยู่แล้ว และระบบนี้ก็อาจจะเหมาะสมที่จะใช้ในการผลิตเอทิลีนจากสารละลายเอทานอลที่ได้จากการหมักโดยตรง (ถ้าต้องการทำ) โดยไม่จำเป็นต้องทำการกลั่นแยกเอทานอลออกมาเป็นสารบริสุทธิ์ หรืออาจทำเพียงแค่กลั่นเพื่อให้ได้ความเข้มข้นสูงขึ้นบ้างเท่านั้นเองก็ได้

ในขณะนี้ในกลุ่มของเราก็พอจะมีประสบการณ์ทำการทดลองในเฟสของเหลว โดยใช้ autoclave ที่มีการความดันเพื่อป้องกันไม่ให้ตัวทำละลาย/สารตั้งต้นเดือดกลายเป็นไอ (ปฏิกิริยา hydroxylation) ถ้าต้องการทำการทดลองที่อุณหภูมิ/ความดันสูงขึ้นไปอีก ก็คงต้องมีการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์กันใหม่ (ปัญหาของตัวปัจจุบันที่มีอยู่ไม่ได้อยู่ที่ความแข็งแรงของโลหะที่ใช้ แต่อยู่ตรงที่ระบบป้องกันการรั่วไหลของสารในระบบ ซึ่งเราใช้ o-ring ที่เป็นยาง ทำให้ทำอุณหภูมิการทดลองถูกจำกัดด้วยอุณหภูมิสูงสุดที่ o-ring ทนได้

ที่เขียนมาข้างต้นเป็นเพียงความฝันที่ยังไม่รู้ว่าจะมีโอกาสเป็นจริงหรือเปล่า ก็ต้องคอยดูกันต่อไป :)

เมื่อผงพอลิเมอร์หลุดออกจาก fluidised bed MO Memoir : Thursday 24 May 2555

ก่อนอื่นก็ต้องขอกล่าวต้อนรับสมาชิกใหม่ที่มาพบเจอกันเมื่อบ่ายวันอังคารที่ผ่านมา แม้ว่าจะขาดไป ๑ คนแต่ก็เชื่อว่าพอเปิดเทอมก็คงจะโผล่หน้ามาร่วมงานกัน

Memoir ฉบับนี้เป็นฉบับแรกที่จะเริ่มส่งให้กับสมาชิกใหม่ และจะส่งต่อไปเรื่อย ๆ จนกว่าจะถึงวันรับปริญญา ส่วนเนื้อหาจะเป็นเรื่องอะไรบ้างและรูปแบบภาษาที่ใช้ในการเขียนจะเป็นแบบไหนนั้นก็ต้องขอบอกก่อนว่าขึ้นอยู่กับความพอใจและอารมณ์คนเขียน (ซึ่งอย่าคาดหวังว่าจะคงเส้นคงวา)

พักหลังมานี้มันเป็นยังไงกันก็ไม่รู้ เจอคำถามที่มีคนขอให้ช่วยตอบแต่ละที แทบไม่มีรายละเอียดใด ๆ เลย คนถามก็ทำเหมือนกับว่าเรารู้จักระบบการผลิตของเขาเป็นอย่างดี

เมื่อต้นเดือนที่ผ่านมามีจากนิสิตรายหนึ่งอีเมล์ส่งมาถึง ถามปัญหาเรื่องการฝึกงาน เรื่องราวเป็นยังไงนั้นลองอ่านดูเอาเองก่อนก็แล้วกัน

Subject: ปรึกษาเรื่องฝึกงานค่ะ

Date: Thu, 3 May 2012 18:19:04 +0700

สวัสดีค่ะ หนูอยากปรึกษาว่าถ้าต้องการปรับปรุง Heat Exchanger ให้ conversion มากขึ้นนอกจากการ check stream pessure, conduct leak, stream composition, stream inlet/outlet temperature แล้วพอมีวิธีอื่นเช่นใส่ปั๊มหรือวาล์วเพิ่มได้ไหมคะ

ขอบพระคุณมากค่ะ

Subject: RE: ปรึกษาเรื่องฝึกงานค่ะ

Date: Sat, 5 May 2012 19:58:05 +0700

อ่านแล้วงง แต่ก็น่าเห็นใจ เพราะเรื่องนี้พวกคุณยังไม่ได้เรียน มันจะเรียนกันเทอมหน้า (แต่อาจจะผ่านมาบ้างในวิชา transport phenomena แล้ว)

Heat exchanger เอาไว้แลกเปลี่ยนความร้อน โดยนำเอาสายร้อนที่ต้องการทำให้เย็น มาถ่ายเทความร้อนให้กับสายเย็นที่ต้องการทำให้ร้อน ก็จะเป็นการประหยัดพลังงาน

แต่ conversion เราใช้กับ reactor

คุณใช้คำว่า stream (มีตัว "r") หมายถึงสายแก๊ส/ของเหลวที่ไหลเข้า-ออก heat exchanger

แต่เห็นพูดถึงความดัน ผมเลยสงสัยว่ามันคือ steam (ไม่มี "r") คือไอน้ำหรือเปล่า

conduct leak ความหมายของคุณคืออะไร ใช่ความร้อนรั่วไหลจากการนำความร้อนหรือไม่ (heat loss via conduction)

คงต้องขอความชัดเจนสักหน่อย ว่าทำอยู่โรงงานอะไร และ heat exchanger ที่คุณได้รับมอบหมายงานมามันแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างอะไรกับอะไร

สวัสดี

Subject: RE: ปรึกษาเรื่องฝึกงานค่ะ

Date: Tue, 8 May 2012 13:45:41 +0700

โอเคค่ะเอาใหม่นะคะ หนูงงเองค่ะ55 หนูฝึกงานที่ xxx อยู่ส่วนผลิต PP (หมายเหตุ PP คือ polypropylene) ที่ xxx site1 ค่ะ ตอนนี้ปัญหาคือ reactor ลูกที่ 3 ที่ใช้ผลิต random copolymer พอมาเข้า Heat Exchanger แล้วมันตันเพราะมี Fine Powder ปลิวเข้ามาค่ะ เลยต้องหาวิธีแก้ไม่ให้มันตัน วิธีแก้คร่าว ๆ ก็มี

1. ป้องกันการ entrain ไม่ให้ Fine Powder มันปลิวออกจาก Reactor โดยการลดความเร็วที่ blower

2. ป้องกันไม่ให้ปลิวเข้าไปถึง Heat Exchanger โดยการติดพวก Deduster ก่อนเข้า Heat Exchanger ซึ่งวิธีนี้หนูถามพี่ ๆ เค้าบอกว่าบริษัทไม่ค่อยยอมลงทุนซื้อเครื่องใหม่ ๆ

3. ให้ Fine Powder ปลิวเข้าไปถึง Heat Exchanger ได้แต่ไม่ให้มันเกาะใน tube แต่หนูไม่ทราบว่าพอจะมีสารอะไรที่ใช้เคลือบป้องการการเกาะของ Fine Powder ได้รึเปล่าคะ

หรือพอจะมีวิธีอื่นที่สามารถแก้ปัญหานี้ได้รึเปล่าคะ ตอนนี้วิธีแก้ที่ทำอยู่ก็คือ พอตันทีก็ shut down หรือไม่ก็กำหนด cycle ของ random copolymer สลับด้วย Homopolymer

ขอบคุณค่ะ

Subject: RE: ปรึกษาเรื่องฝึกงานค่ะ

Date: Tue, 8 May 2012 20:14:13 +0700

ใช่ fluidised-bed หรือเปล่า

ถ้าผมเข้าใจไม่ผิด แก๊สที่ออกจาก fluidised-bed จะถูกระบายความร้อนออกก่อนที่จะถูกป้อนกลับไปยัง reactor ใหม่

Heat exchanger ตัวนี้เป็น Shell and Tube วางในแนวตั้งใช่ไหม และแก๊สไหลในส่วนของ tube

แก๊สที่ออกจาก heat exchanger จะถูก compressor อัดกลับไปยัง reactor ใหม่ใช่ไหม

ถ้าเป็นเช่นนี้ผมคิดว่าข้อ 3 ไม่ใช่วิธีแก้ปัญหา เพราะมันจะไปเกาะที่ compressor แทน

วิธีแก้ปัญหาคือทำอย่างไรไม่ให้มันออกไปถึง heat exchanger

การลดความเร็วแก๊สก็เป็นวิธีการหนึ่ง แต่มันส่งผลต่อการระบายความร้อนและการเกิด fluidisation ในเบด

อีกวิธีคือทำอย่างไรให้ได้ผง polymer ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น

ส่วนการติดตั้งอุปกรณ์ดัก (ที่ถูกที่สุดน่าจะเป็น cyclone) ก็ต้องคำนึงถึงความดันใน fluidised-bed ที่จะเพิ่มขึ้นด้วย

ตอนนี้ขอความชัดเจนก่อนว่าที่ผมเขียนมาข้างบนนั้นเข้าใจถูกต้องไหม

สวัสดี

Subject: RE: ปรึกษาเรื่องฝึกงานค่ะ

Date: Wed, 9 May 2012 12:45:40 +0700

ถูกต้องทุกอย่างเลยค่ะ

วิธีที่ 3 ลองไปถามพี่มา เห็นพี่เค้าบอกว่าใช้สาร Anti Static เคลือบผงไว้แล้วผงมันจะไม่ไปเกาะที่ไหนเลย เหมือนเค้าก็กำลังทดลองกันอยู่ค่ะ

แล้วถ้าจะทำให้ผง polymer มีขนาดใหญ่ขึ้นต้องใช้วิธีอะไรคะ

ขอบคุณค่ะ

Subject: RE: ปรึกษาเรื่องฝึกงานค่ะ

Date: Wed, 9 May 2012 16:30:01 +0700

โดยปรกติท่อของระบบโรงงานที่เป็นท่อโลหะนั้นจะมีการต่อสายดิน (ต่อ ground) อยู่แล้ว เพื่อป้องกันการสะสมของไฟฟ้าสถิตย์ ซึ่งจะเกิดได้ถ้าสารที่ไหลอยู่ในท่อนั้นไม่เป็นตัวนำไฟฟ้า 

 

ตัวอย่างของสารที่ไม่นำไฟฟ้าได้แก่สารไม่มีขั้วเช่นไฮโดรคาร์บอน ผงพอลิเมอร์ แต่ถ้าเป็นพวกมีขั้วที่แรงเช่น น้ำ เอทานอล เมทานอล จะไม่มีปัญหานี้

สาเหตุที่ต้องป้องกันก็เพราะถ้ามีประจุไฟฟ้าสถิตย์สะสมมากเกินไป อาจเกิดประกายไฟและจุดระเบิดได้

ปัญหาเรื่องไฟฟ้าสถิตย์นี้ถ้าเป็นต่างประเทศที่อากาศแห้งมาก (โดยเฉพาะในหน้าหนาว) จะเกิดขึ้นได้ง่ายจนถือว่าเป็นเรื่องปรกติ

แต่สำหรับประเทศไทยนั้นที่ปรกติแล้วความชื้นในอากาศสูงมาก มักจะไม่มีปัญหานี้ (แต่ก็ต้องป้องกันเอาไว้ด้วย)

แต่สำหรับผู้ที่อยู่ในอาคารที่เป็นห้องปรับอากาศเป็นเวลานาน ก็อาจเจอปัญหานี้ได้ เพราะการปรับอากาศทำให้อากาศแห้ง ไฟฟ้าสถิตย์ที่เกิดจากการเดิน การเสียดสีระหว่างพื้นรองเท้ากับพื้นอาคาร หรือระหว่างเสื้อผ้ากับตัวคน ก็ทำให้คนมีไฟฟ้าสถิตย์สะสม เวลาจะจับลูกบิดประตูก็จะเกิดประกายไฟทำให้สะดุ้งได้ (ที่อาคาร ๔ ผมก็โดนเป็นประจำ)

ในกรณีนี้ผมคิดว่าการใช้สาร anti static อาจไม่ช่วย เพราะการเกาะของผงพอลิเมอร์กับพื้นผิวโลหะของ heat exchanger นั้นไม่น่าเกิดเพราะไฟฟ้าสถิตย์ แม้ว่าตัวผงพอลิเมอร์เองในระหว่างที่ไหลไปกับแก๊สนั้นจะมีไฟฟ้าสถิตย์สะสม แต่พอไปเกาะกับผิวโลหะแล้วก็ควรจะถ่ายประจุให้กับผิวโลหะนั้น

ผมสงสัยว่าการเกาะนั้นเกิดจากการที่ระบบมีอุณหภูมิสูงเกินไป ทำให้พอลิเมอร์ที่ได้มีลักษณะเป็นผงที่อ่อนนุ่ม เวลาชนเข้ากับพื้นผิวอะไรก็จะติดกับพื้นผิวนั้นได้ (เหมือนดินน้ำมัน เวลาที่มันนิ่ม ๆ มันจะแปะข้างฝาได้ แต่พอเอาเข้าแช่ตู้เย็นให้มันแข็ง มันจะแปะข้างฝาไม่ติด) หรือเวลาที่ชนเข้าด้วยกันเองก็จะเกาะเป็นก้อนใหญ่ขึ้น ซึ่งข้อสัณนิฐานนี้จะจริงหรือไม่ก็ต้องไปถามคนที่เห็นปัญหาว่ามันเป็นอย่างที่กล่าวหรือไม่

อีกประเด็นคือ compressor ออกแบบมาเพื่อสำหรับอัดแก๊ส ขนาดมีของเหลวปนมากับแก๊สก็ยังไม่ยอมให้มี ต้องมีการดักของเหลวออกก่อน

ถ้าปล่อยให้ผงพอลิเมอร์ไม่เกาะที่ heat exchanger มันก็ต้องไปที่ compressor ถ้าโชคดีมันก็จะสะสมที่ suction drum (ถังดักของเหลวก่อนเข้า compressor) และตันที่ suction drum แทน

แต่ถ้ามันหลุดไปถึง compressor ผมว่าปัญหามันจะหนักมากกว่า (compressor มี moving part นะ ในขณะที่ heat exchanger ไม่มี) การทำความสะอาด heat exchanger น่าจะง่ายกว่าการทำความสะอาด (ถ้าโชคดี) หรือซ่อม (ถ้าโชคร้าย) compressor

เรื่องการทำให้ผงพอลิเมอร์มีขนาดใหญ่ขึ้นผมคิดว่าคงต้องอยู่ที่กระบวนการผลิตของเขาว่าสามารถปรับแต่งได้ตรงไหน เช่นอาจปรับแต่งขนาดผงพอลิเมอร์ที่ได้จาก reactor ตัวก่อนที่จะป้อนเข้า fluidised bed ให้มีขนาดใหญ่ขึ้น (ผมเข้าใจถูกไหม เดาว่าเขามี reactor ต่ออนุกรมกัน โดยจะเปลี่ยนโพรพิลีนให้กลายเป็นผงพอลิเมอร์ก่อนส่วนหนึ่ง จากนั้นจึงป้อนผงพอลิเมอร์นั้นให้เข้าสู่ fluidised bed เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ต่อไปให้เสร็จ) แต่นั่นอาจหมายถึงการย้ายสัดส่วนการเกิดปฏิกิริยามาที่ตัว reactor ตัวนี้มากขึ้น (ซึ่งต้องคำนึงถึงความสามารถในการระบายความร้อนของ reactor ตัวนี้ด้วย) และไปลดการเกิดปฏิกิริยาใน fluidised bed ให้น้อยลง แต่ผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นจะตรงกับความต้องการของเขาหรือไม่นั้นผมไม่สามารถตอบได้

สวัสดี

Subject: RE: ปรึกษาเรื่องฝึกงานค่ะ

Date: Tue, 15 May 2012 15:32:07 +0700

สวัสดีค่ะ ถ้าอยากหาว่าใน Feed 1000 kg/hr จะมีผงกี่ kg แล้วตอนนี้ข้อมูลที่มีคือ rhoของผง rhoของแก๊ส muของแก๊ส มันไม่พอใช่มั้ยคะ หนูหาตั้งนานแล้วไม่ออกซักทีค่ะ ต้องมีข้อมูลของอะไรเพิ่มเติมอีกหรือเปล่าคะ

แล้วก็อยากรู้อัตราการไหลของแก๊สขาเข้าไซโคลนเพิ่อนำไปหาพื้นที่หน้าตัด ข้อมูลที่มีคือความเร็วขาเข้าไซโคลน กับพวก rho จะสามารถหา Q ได้ไหมคะ

ขอบคุณค่ะ

Subject: RE: ปรึกษาเรื่องฝึกงานค่ะ

Date: Tue, 15 May 2012 20:06:07 +0700

ถามมาแต่ละคำถามไม่บอกที่มาที่ไปและไม่ให้ข้อมูลอะไรมาเลย

คงเป็นการออกแบบไซโคลนด้านขาออกของ fluidised-bed ใช่ไหม

ลองใช้ข้อมูลต่อไปนี้ประมาณก่อนนะ

ความหนาแน่นและความหนืดของแก๊สก็คงต้องเป็นของโพรพิลีนเป็นหลัก ความดันและอุณหภูมิก็ดูจากด้านขาออกของ fluidised-bed

แก๊สเข้า reactor คือ แก๊สที่ออกจาก fluidised-bed ซึ่งจะไหลวนผ่าน heat exchanger จากนั้นจะรวมกับแก๊สสารตั้งต้นตัวอื่นที่ป้อนเพิ่มเติม

แก๊สที่ออกจาก reactor ควรจะน้อยกว่าแก๊สที่เข้า fluidised-bed เพราะแก๊สส่วนหนึ่งกลายไปเป็นผง polymer แล้ว

ความหนาแน่นของผงพอลิเมอร์ก็คงต้องไปดูจาก specification ของ PP ที่เขาผลิตว่า เกรดที่ความหนาแน่นต่ำสุดนั้นมีค่าความหนาแน่นเท่าใด ซึ่งเกรดนี้น่าจะเป็นเกรดที่แยกด้วยไซโคลนยากที่สุด ผมคิดว่าน่าจะมีค่า specific gravity ประมาณสูงกว่า 0.9

อัตราการไหลของแก๊สที่เข้าไซโคลนก็ควรจะเป็นแก๊สที่ไหลวนผ่าน compressor

ความเร็วคูณพื้นที่หน้าตัดก็จะได้อัตราการไหลโดยปริมาตร (ปริมาตรต่อหน่วยเวลา)

อัตราการไหลโดยปริมาตรคูณความหนาแน่นก็จะได้อัตราการไหลโดยมวล (น้ำหนักต่อหน่วยเวลา)

ส่วนในแก๊สที่หลุดออกจาก fluidised-bed นั้นจะมีของแข็งเท่าไรนั้นผมก็คงบอกอะไรไม่ได้ เพราะสิ่งที่เขาคาดหวังก็คือไม่ควรมีของแข็งหลุดลอยออกจาก fluidised-bed อาจต้องหาจากอัตราการสะสม (ปริมาณ PP ที่ออกมาติดค้างที่ heat exchanger นับจากช่วงเวลาที่ทำความสะอาด heat exchanger ไปจนถึงช่วงเวลาที่ต้องทำความสะอาด heat exchanger อีกครั้ง และปริมาตรแก๊สที่ไหลผ่านheat exchanger ในช่วงเวลาดังกล่าว)

สวัสดี

เป็นไงบ้าง อ่านแล้วเข้าใจไหม ที่คุยกันมาข้างบนทั้งหมดนั้นไม่มีรูปประกอบเลยนะ แต่จากข้อมูลที่พอมีอยู่ทำให้พอจะเขียนกระบวนการผลิตได้คร่าว ๆ ดังแสดงในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

รูปที่ ๑ แผนผังอย่างง่ายของกระบวนการผลิต polypropylene ที่มีคนถามคำถามมา

ก่อนหน้าที่ผมเคยกล่าวถึงเรื่องการผลิตพอลิเมอร์มาบ้างแล้วใน Memoir ๒ ฉบับก่อนหน้านี้คือ

ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๕๗ วันเสาร์ที่ ๑๙ กันยายน ๒๕๕๒ เรื่อง "พอลิเอทิลีน"

ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๕๘ วันอาทิตย์ที่ ๒๐ กันยายน ๒๕๕๒ เรื่อง "Ethylene polymerisation"

แม้ว่าคราวนั้นเป็นการผลิตพอลิเอทิลีน แต่สำหรับพอลิโพรพิลีนนั้นก็ยังคงใช้หลักการเดียวกันได้อยู่

ปฏิกิริยาคายความร้อนนั้นเป็นปฏิกิริยาที่เร่งตนเอง ความร้อนที่คายออกมาจากปฏิกิริยาจะทำให้อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาเพิ่มสูงขึ้น อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาที่เพิ่มสูงขึ้นก็จะไปเร่งให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มสูงขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เพิ่มสูงขึ้นก็จะไปเร่งให้อัตราการคายความร้อนเพิ่มสูงขึ้นไปอีก ทำให้อุณหภูมิของระบบเพิ่มสูงขึ้นไปอีก เหตุการณ์จะดำเนินวนรอบไปอย่างนี้เรื่อย ๆ ซึ่งถ้าหากไม่สามารถระบายความร้อนออกมาได้ทันเวลา ปฏิกิริยาก็จะควบคุมไม่อยู่หรือที่เรียกว่า "Runaway"

ถ้าเป็นปฏิกิริยาที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธ์ที่เป็นของแข็ง อุณหภูมิที่เพิ่มสูงมากเกินไปก็จะทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาเสื่อมสภาพอย่างถาวรได้ (การเสื่อมสภาพที่ชอบเกิดที่อุณหภูมิสูงคือ sintering และการเปลี่ยนโครงสร้าง) ซึ่งถ้าเกิดเหตุการณ์เช่นนี้ปฏิกิริยาก็อาจจะหยุดลงเพราะตัวเร่งปฏิกิริยาหมดสภาพการใช้งานอีกต่อไป

ถ้าเป็นปฏิกิริยาออกซิเดชันสารประกอบไฮโดรคาร์บอนโดยใช้อากาศ อุณหภูมิที่เพิ่มสูงมากเกินไปก็อาจจะทำให้เกิดการระเบิดในระบบขึ้นได้ เพราะในระบบนั้นมีอากาศผสมกับไฮโดรคาร์บอนอยู่แล้ว

แต่ถึงแม้ว่าจะไม่มีอากาศอยู่ในระบบ แต่ถ้าสารตั้งต้นเป็นสารบางชนิดเช่นอะเซทิลีนหรือเอทลีน (กล่าวโดยรวมก็คือพวกที่มีค่า enthalpy of formation เป็นบวก (+)) ก็อาจเกิดการระเบิดได้ โดยเกิดจากการที่สารเหล่านั้นสลายตัวและคายความร้อนออกมา

ปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์โอเลฟินส์ก็เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนปฏิกิริยาหนึ่ง ในกรณีที่อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาสูงมากเกินไปมักจะ

(ก) ถ้าเป็นการพอลิเมอร์ไรซ์ที่ใช้ตัวทำละลาย ก็อาจเกิดปัญหาผงพอลิเมอร์ที่ได้นั้นเกิดการละลายกลับเข้าไปในตัวทำละลาย และเมื่อสารละลายเย็นตัวลง พอลิเมอร์ที่ละลายอยู่ก็จะแข็งตัวกลายเป็นคราบ/ก้อนของแข็งเกาะติดตามผนังอุปกรณ์/ท่อต่าง ๆ (มันไม่กลับมาเป็นผงเหมือนเดิม) จนเกิดการอุดตันหรือทำให้การถ่ายเทความร้อนแย่ลงได้ ทำให้ต้องมีการหยุดเดินระบบเพื่อทำความสะอาด

(ข) ถ้าเป็นการพอลิเมอร์ไรซ์ในเฟสแก๊ส (เช่นใน fluidised bed) ก็อาจเกิดปัญหาผงพอลิเมอร์ที่ได้นั้นเกิดการอ่อนตัว และเมื่อชนกระทบเข้าด้วยกันก็จะจับตัวกันเป็นก้อนใหญ่ขึ้น หรือไม่ก็เกาะติดเข้ากับผนังอุปกรณ์ ในที่สุดก็จะกลายเป็นก้อนของแข็งอุดตันระบบได้

กระบวนการผลิตที่แสดงในรูปที่ ๑ ข้างบนนั้น เริ่มจากการพอลิเมอร์ไรซ์โพรพิลีนใน 1st reactor ก่อน ซึ่งเป็น slurry phase โดยใช้โพรพิลีนเองเป็นตัวทำละลาย (เพราะสามารถใช้ความดันอัดโพรพิลีนให้เป็นของเหลว ณ อุณหภูมิทำปฏิกิริยาได้) ตัวเร่งปฏิกิริยาจะถูกป้อนเข้าไปใน 1st reactor โพรพิลีนบางส่วนจะกลายเป็นผงพอลิเมอร์เล็ก ๆ ซึ่งจะถูกแยกออกมาและป้อนเข้าสูง 2nd reactor ที่เป็น fluidised-bed

แก๊สที่ไหลผ่าน fluidised-bed นั้นมีอยู่ ๒ ส่วนด้วยกัน คือแก๊สโพรพิลีนที่ป้อนเข้ามาใหม่ และแก๊สโพรพิลีนที่ออกจากเบดโดยที่ไม่ได้ทำปฏิกิริยาและถูกวนรอบกลับมาใหม่ เมื่อระบบอยู่ในภาวะสมดุลนั้น ปริมาณโพรพิลีนที่ป้อนเข้ามาใหม่จะเท่ากับปริมาณผง polypropylene ที่ผลิตได้ ดังนั้นอัตราการไหลของแก๊สที่อยู่ใน loop จากด้านขาออกของ fluidised-bed ไปยัง heat exchanger ต่อไปยัง blower และกลับไปที่ fluidised-bed ใหม่นั้นควรจะคงที่

ส่วนบนของ fluidised-bed reactor นั้นจะมีขนาดพื้นที่หน้าตัดใหญ่กว่าส่วนเบด ทั้งนี้เพื่อให้แก๊สที่ไหลขึ้นมานั้นมีความเร็วลดลง อนุภาคที่ลอยขึ้นมาเหนือเบดพร้อมกับแก๊สจะได้ตกกลับลงไปในเบดใหม่

ความร้อนที่คายออกมาจากปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ใน fluidised-bed นั้นจะออกมากับแก๊สที่ออกจากเบด และไประบายความร้อนให้กับน้ำหล่อเย็นที่ shell and tube heat exchanger นั้น

การที่แยก reactor ออกเป็นสองตัวนั้นก็เพราะแก๊สนั้นระบายความร้อนได้ไม่ค่อยดี ถ้าหากให้ปฏิกิริยาทั้งหมดเกิดที่ fluidised-bed เพียงอย่างเดียว จะทำให้การควบคุมอุณหภูมิทำได้ยาก การนำ slurry reactor มาวางไว้ก่อนหน้าจะช่วยให้ความร้อนจากปฏิกิริยาบางส่วนระบายออกที่ slurry reactor ก่อน (การระบายความร้อนที่ slurry reactor ใช้การระเหยของตัวทำละลายและไปควบแน่นที่ condenser ซึ่งเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงกว่า ดู Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๕๘)

เมื่อวานได้ไปเยี่ยมนิสิตผู้ที่ถามปัญหาดังกล่าว เขาก็เอารูปที่พี่ที่ทำงานถ่ายเอาไว้มาให้ดู ปรากฏว่าปัญหามันใหญ่กว่าที่ผมคิดเสียอีก คือผงพอลิเมอร์มัน "เคลือบ" ผิวท่อตั้งแต่ทางออกจาก fluidised-bed อุดตันทางเข้า heat exchanger (ซึ่งเป็น shell and tube) ผ่านไปถึง blower ลักษณะมันไม่เหมือนกับการเป็นผงไป "เกาะ" แต่เป็นเหมือนการสะสมของผงและหลอมรวมตัวกัน ผมก็เลยคิดว่าใช้คำว่า "เคลือบ" น่าจะให้ภาพที่ตรงกว่า

ตอนแรกผมนึกว่าเขาใช้ "compressor" ซึ่งจะมีปัญหามากถ้ามีของแข็งหลุดเข้าไปถึงตัวใบพัด แต่จากรูปที่เห็นคิดว่าเป็น "Axial flow blower" (คล้าย ๆ แบบพัดลมตามบ้านนั่นแหละ) มันก็เลยยังทำงานได้แม้ว่าจะมีอนุภาคของแข็งติดมากับแก๊สบ้าง

ในส่วนตัวผมเองที่เป็นคนนอก และได้รับฟังข้อมูลจากนิสิต (ที่ได้รับทราบเพียงข้อมูลบางส่วนจากวิศวกรผู้ควบคุมการฝึกงานซึ่งประจำอยู่ฝ่ายผลิต) นั้น เมื่อวานก็ได้ให้ความเห็น/คำถามกับนิสิตไปดังนี้

๑. ปัญหาที่เกิดคือมีผงพอลิเมอร์ขนาดละเอียดเกินไปอยู่ในระบบ และสามารถหลุดออกจาก fluidised-bed ด้วย สิ่งที่ต้องระบุคือผงอนุภาคขนาดเล็กละเอียดนี้เกิดขึ้นที่ไหน

๒. ตัวเร่งปฏิกิริยานั้น ป้อนเข้าที่เฉพาะ 1st reactor เท่านั้น หรือมีการป้อนเพิ่มเติมที่ fluidised-bed ด้วย ถ้ามีการป้อนเข้าที่เฉพาะ 1st reactor เท่านั้น นั่นแสดงว่าการเกิดผงพอลิเมอร์ต้องเกิดใน 1st reactor ก่อนจนมีขนาดอนุภาคระดับหนึ่ง จากนั้นจึงส่งผงพอลิเมอร์จาก 1st reactor เข้า fluidised-bed ซึ่งผงพอลิเมอร์จะมีขนาดโตขึ้นใน fluidised-bed นี้ ดังนั้นถ้าผงพอลิเมอร์จาก 1st reactor มีขนาดใหญ่มากพอ ดังนั้นเมื่อไหลเข้า fluidised-bed แล้วโอกาสที่จะหลุดออกไปทางด้านบนของเบดก็จะน้อยลง (หรือไม่ควรมี)

๓. ถ้ามีการป้อนตัวเร่งปฏิกิริยาเข้าที่เฉพาะ 1st reactor เท่านั้น แสดงว่าผงพอลิเมอร์ขนาดเล็กเกิดขึ้นใน 1st reactor ก่อน แต่ไม่สามารถเติบโตได้เร็วพอจนมีขนาดที่จะคงค้างอยู่ใน fluidised-bed ได้

๔. ในขณะนี้ทางบริษัทคิดว่าปัญหาเกิดจากการที่อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมได้นั้นมีขนาดไม่สม่ำเสมอ อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีขนาดใหญ่บางตัวมีการแตกออกเป็นผงละเอียด และอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกออกเป็นผงละเอียดนี้เป็นตัวทำให้เกิดเป็นผงพอลิเมอร์ที่เล็กละเอียดจนหลุดลอยออกไปจาก fluidised-bed ได้ (ตามแบบจำลองของเขา ผงอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยา 1 อนุภาคจะกลายเป็นผงพอลิเมอร์ 1 อนุภาค ดังนั้นจำนวนผงพอลิเมอร์ที่เกิดก็ควรจะเท่ากับจำนวนอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาที่ป้อนเข้าระบบ) และผงพอลิเมอร์ที่ได้จะต้องมีขนาดที่ใหญ่กว่าขนาดอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใส่เข้าไป

๕. ตามแบบจำลองอีกแบบนั้น (ที่ผมเคยผ่านตามาสมัยเรียนรู้กระบวนการผลิตพอลิเอทิลีน) เมื่อเริ่มเกิดพอลิเมอร์ พอลิเมอร์จะดันให้อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาออกเป็นอนุภาคเล็ก ๆ ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นแกนกลางให้เกิดผงพอลิเมอร์เติบโตต่อไป ซึ่งถ้าเป็นตามแบบจำลองนี้ การแตกของอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาก็ไม่น่าจะเป็นต้นเหตุของปัญหา

๖. ผมลองเอาแบบจำลองตามข้อ ๔. และ ๕. ไปปรึกษากับนิสิตหญิงปริญญาเอกผู้หนึ่งที่ทำวิจัยทางด้านตัวเร่งปฏิกิริยาการสังเคราะห์พอลิโพรพิลีนและกำลังจะสอบจบ (ผมถือว่าเขามีประสบการณ์ด้านนี้มากกว่าผม เพราะเขามีประสบการณ์การทำการทดลองทางด้านนี้โดยตรง) ก็ได้ข้อสรุปดังนี้

(ก) ถ้าหากอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยามีขนาดเล็ก และ active site ที่ทำให้เกิดปฏิกิริยานั้นอยู่บนพื้นผิวรอบนอกของอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยา พอลิเมอร์ที่เกิดขึ้นก็จะหุ้มห่ออนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาเอาไว้ ทำให้อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาไม่แตกออก (แบบจำลองตามข้อ ๔.)

(ข) แต่ถ้าหากอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยามีขนาดใหญ่และมีรูพรุน และมี active site ที่ว่องไวมากอยู่ในรูพรุนด้วย active site ที่ว่องไวมากที่อยู่ในรูปพรุนจะทำให้เกิดพอลิเมอร์ในรูพรุนนั้น ซึ่งพอลิเมอร์ที่เกิดขึ้นจะทำให้อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยานั้นแตกออกเป็นอนุภาคที่เล็กลง (แบบจำลองตามข้อ ๕.)

๗. ถ้าเป็นตามข้อ ๔. การป้องกันปัญหาคงจะไม่ได้อยู่ตรงที่การป้องกันไม่ให้ผงอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาขนาดใหญ่เกิดการแตกเป็นผงละเอียดเท่านั้น แต่ยังรวมไปถึงการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาไม่ให้มีขนาดผงอนุภาคที่ละเอียดเกินไป

๘. แต่อีกปัจจัยที่ควรต้องนำมาพิจารณาก็คือความว่องไวของตัวเร่งปฏิกิริยา กล่าวคืออนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมได้นั้นอาจมีความว่องไวที่ไม่สม่ำเสมอ ผงอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีความว่องไวสูงก็จะทำให้โพรพิลีนเกิดเป็นพอลิเมอร์ห่อหุ้มตัวมันเองจนมีขนาดใหญ่พอ (หรือหนักมากพอ) ที่จะป้องกันไม่ให้มันหลุดลอยออกไปเหนือ fluidised-bed ได้ 

 

ส่วนผงอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีความว่องไวต่ำจะไม่สามารถทำให้โพรพิลีนกลายเป็นพอลิเมอร์ห่อหุ้มตัวมันเองไว้จนมีขนาดใหญ่มากพอที่จะสามารถป้องกันตัวมันเองไม่ให้ถูกพัดพอออกไปจาก fluidised-bed ได้

๙. ถ้าเป็นตามข้อ ๘. ผมคิดว่าการแก้ปัญหาเบื้องต้นน่าจะอยู่ตรงที่ต้องให้ปฏิกิริยาเกิดใน 1st reactor มากขึ้น ซึ่งอาจทำโดยวิธีการต่อไปนี้วิธีการใดวิธีการหนึ่ง หรือหลายวิธีการร่วมกัน

(ก) จากวิชาจลนศาสตร์ที่เราเรียนนั้น ถ้าเป็น reactor ชนิด CSTR (continuous stirred tank reactor) ถ้าเราให้สารตั้งต้นอยู่ใน reactor นานมากขึ้น ค่า conversion ก็จะสูงขึ้น ดังนั้นถ้าเราให้เวลาตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ใน 1st reactor นานมากขึ้น ขนาดผงพอลิเมอร์ที่ได้ก็น่าจะโตมากขึ้น แต่เนื่องจาก 1st reactor มีปริมาตรคงที่ ดังนั้นถ้าต้องการให้อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ใน 1st reactor นานมากขึ้นก็ต้องลดอัตราการป้อนโพรพิลีนเข้า reactor ซึ่งการทำเช่นนี้จึงหมายถึงการไปลดกำลังการผลิต หรือ

(ข) จากวิชาจลนศาสตร์เช่นเดียวกัน ถ้าทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นได้ ดังนั้นแม้ว่าเวลาที่สารตั้งต้นอยู่ใน reactor นั้นจะคงเดิม แต่ค่า conversion ก็จะเพิ่มมากขึ้น (น่าจะได้อนุภาคพอลิเมอร์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น) ในกรณีของปฏิกิริยานี้ซึ่งเกิดขึ้นในเฟสของเหลว ดังนั้นวิธีที่จะเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้ก็น่าจะเป็นการเพิ่มอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาใน 1st reactor ให้สูงขึ้น เพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดได้เร็วขึ้นในระยะเวลาทำปฏิกิริยาเท่าเดิม แต่ก็ต้องพิจารณาปัญหาอื่นร่วมด้วยเช่นการระบายความร้อน เป็นต้น

๑๐. แต่ถ้ามีการป้อนเข้าที่ fluidised-bed ด้วย (ข้อมูลตรงนี้ทางนิสิตเองก็ไม่แน่ใจเหมือนกัน) ผงพอลิเมอร์ที่เป็นผงละเอียดที่เป็นปัญหานั้นก็อาจเกิดตรงนี้ด้วย ดังนั้นความเห็นที่เขียนมาข้างต้นก็อาจจะผิดหมดก็ได้

๑๑. ส่วนเรื่องการติดตั้งอุปกรณ์ดักจับฝุ่นอนุภาคทางด้านขาออกนั้นผมคิดว่าถ้าทำได้เขาก็คงทำไปนานแล้ว เพราะที่ได้รับฟังมาดูเหมือนว่าปัญหานี้ไม่ใช่ว่ามันเพิ่งจะเกิด แต่มีมานานแล้ว การติดตั้งอุปกรณ์ดักจับด้านขาออกนั้นต้องคำนึงถึงความดันลดที่จะเพิ่มขึ้นในระบบ ซึ่งอาจจะส่งผลต่อรูปแบบการไหลของแก๊สที่ไหลผ่าน fluidised-bed และการทำงานของ blower ที่ใช้ในการหมุนเวียนแก๊ส พื้นที่ที่ต้องใช้ในการติดตั้ง และจะทำอย่างไรก็ฝุ่นที่ดักได้อีก

ที่เขียนมาข้างต้นเป็นบทสนทนาระหว่าง ผู้ที่ไม่ได้เห็นของจริง (คือผมเอง) กับผู้ที่ได้เห็นของจริงส่วนหนึ่งแต่ไม่ค่อยเข้าใจกระบวนการ (คือนิสิตฝึกงาน) ดังนั้นความเห็น/การคาดการณ์ที่เขียนมาข้างต้นทั้งหมดจะถูกหรือผิด จะใช้ได้หรือไม่ได้อย่างไร ผมเองก็คงจะให้คำตอบใด ๆ ไม่ได้ ถือว่าอ่านเล่น ๆ ก็แล้วกัน

สำหรับตัวนิสิตฝึกงานเองก็คงจะได้เห็นอะไรบ้างแล้วนะว่า ถ้าเราไม่สามารถใช้ความรู้ในตำราที่เรียนมาไปประยุกต์ใช้ในการแก้ปัญหา หรือไม่เชื่อถือการใช้ความรู้ในตำราที่เราเรียนกันมาในการแก้ปัญหา (โดยไม่สามารถบอกได้ว่ามันผิดอย่างไร) คอยแต่แก้ปัญหาด้วยการให้ไปหาว่าคนอื่นเขาทำกันอย่างไรจะได้ทำตามเขา ถ้าเป็นเช่นนี้ก็ไม่รู้เหมือนกันว่าเราจะเรียนหนังสือไปทำไมกัน 

 

และการให้ไปค้นทางอินเทอร์เน็ตว่าบริษัทอื่นเขาทำกันอย่างไรจะได้ลอกวิธีการมาเลยนั้นคงไม่ต้องรอให้มีนิสิตฝึกงานไปฝึกงานก่อนแล้วจึงค่อยทำ ลองถามดูซิว่าทางบริษัทของเขาเคยมีการบันทึกปัญหาต่าง ๆ ที่เกิดเพื่อไว้สืบค้นใช้เองในกลุ่มบริษัทเดียวกันและมีการนำเผยแพร่ให้คนอื่นได้รับรู้ด้วยหรือไม่ ถ้าเขาเองยังไม่เคยทำก็ไม่น่าจะคาดหวังว่าจะมีบริษัทอื่นใจดีทำให้เช่นเดียวกัน และถ้ามันมีการทำเผยแพร่จริงทางวิศวกรในบริษัทของเขาก็ควรที่จะหาเจอไปตั้งนานแล้ว (บริษัทของเขารับแต่คนเกรดสูง ๆ จากสถาบันชั้นนำในประเทศและต่างประเทศเข้าทำงานทั้งนั้นไม่ใช่เหรอ)

สิ่งที่คุณทำได้ในฐานะนิสิตฝึกงานก็คือเสนอแนวทางแก้ปัญหาต่าง ๆ และผลกระทบที่คาดว่าจะเกิดถ้าเลือกใช้วิธีการแก้ปัญหานั้น โดยต้องอิงจากพื้นฐานในวิชาต่าง ๆ ที่พวกคุณเรียนมา (โรงงานที่คุณฝึกงานอยู่มันก็ออกแบบโดยอิงพื้นฐานจากตำราที่พวกคุณเรียนอยู่เช่นเดียวกัน) ส่วนเขาจะเลือกใช้หรือไม่นั้นก็ขึ้นอยู่กับทางเขาเอง

มันไม่ใช่โรงงานของคุณนี่ แล้วคุณจะไปกลุ้มใจมันทำไม