เมื่อระดับตัวทำละลายใน polymerisation reactor เพิ่มสูงขึ้น MO Memoir : Wednesday 2 May 2555

เรื่องใน Memoir ฉบับนี้ส่วนหนึ่งเกี่ยวข้องกับการวัดระดับของเหลวที่ได้เกริ่นเอาไว้ใน Memoir ฉบับที่แล้ว ผู้ที่ไปนั่งฟังผมบรรยายเมื่อสัปดาห์ที่แล้วก็คงได้ยินผมได้ให้ความเห็นไปส่วนหนึ่งแล้ว แต่ใน Memoir นี้มีรายละเอียดเพิ่มเติมอีก

รูปที่ ๑ เป็นแผนผังอย่างง่ายของเครื่องปฏิกรณ์ผลิต HDPE (High Density Polyethylene) ใน slurry phase ของกระบวนการหนึ่ง 

 

เครื่องปฏิกรณ์พอลิเมอร์ไรซ์ (D1) เป็นระบบถังกวน เฮกเซน (C₆H₁₄) ที่ใช้เป็นตัวทำละลายถูกป้อนเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ แก๊สเอทิลีน (C₂H₄) โคโมโนเมอร์^(๑) (เช่นโพรพิลีน C₃H₆ หรือบิวทีน C₄H₈) ไฮโดรเจน^(๒) และตัวเร่งปฏิกิริยา^(๓) ต่างถูกฉีดเข้าไปทางด้านล่างของถังปฏิกรณ์แก๊สส่วนหนึ่งจะละลายเข้าไปในเฮกเซนและทำปฏิกิริยากลายเป็นพอลิเมอร์ และส่วนที่เหลือจะอยู่ในรูปของฟองแก๊สลอยขึ้นมาทางด้านบน^(๔)

เมื่อเกิดปฏิกิริยา เอทิลีนและโคโมโนเมอร์จะต่อกันเป็นสายโซ่ที่มีขนาดยาวขึ้น ถ้าสายโซ่ยังยาวไม่มากพอสายโซ่ที่ได้จะยังละลายในเฮกเซน สายโซ่ขนาดนี้เรียกว่าโอลิโกเมอร์ (oligomer) ซึ่งไม่สามารถนำไปใช้เป็นพอลิเมอร์ได้ แต่เมื่อสายโซ่ยาวมากพอสายโซ่นั้นจะรวมกันเป็นผงอนุภาคพอลิเมอร์แขวนลอยอยู่ในตัวทำละลาย เฟสของเหลวที่ได้นี้เป็นเฟสที่เราเรียกว่าสเลอรี (slurry - เฟสที่มีของแข็งแขวนลอยอยู่ในของเหลว)

รูปที่ ๑ แผนผังอย่างง่ายของระบบเครื่องปฏิกรณ์ที่เป็นปัญหา

ความร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยาถูกระบายออก ๒ ทางด้วยกัน ทางแรกคือการใช้น้ำหล่อเย็นระบายความร้อนออกจากสเลอรีที่อยู่ในถังปฏิกรณ์ D1 โดยใช้น้ำเข้าไประบายผ่าน jacket ที่อยู่รอบ ๆ ถังปฏิกรณ์ D1 หรือโดยการดึงเอาสเลอรีจากถังปฏิกรณ์ D1 ป้อนไปยังเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (ถ้ามีการติดตั้งเพิ่ม) แล้วส่งวนกลับมาที่ถังปฏิกรณ์ D1 ใหม่อีกครั้ง

แต่การระบายความร้อนส่วนใหญ่เกิดผ่านทางการระเหยของเฮกเซนที่ใช้เป็นตัวทำละลาย โดยใช้การคุมความดันในถังปฏิกรณ์ D1 ให้เฮกเซนเดือดที่อุณหภูมิที่ต้องการทำปฏิกิริยา ไอระเหยของเฮกเซนและแก๊สที่เป็นสารตั้งต้นที่ไม่ทำปฏิกิริยาจะลอยไปยังเครื่องควบแน่น ที่จะทำการควบแน่นทำให้เฮกเซนเป็นของเหลวและป้อนกลับไปยังถังปฏิกรณ์ D1 ใหม่ ส่วนแก๊สที่ไม่ควบแน่นที่เครื่องควบแน่นจะถูกคอมเพรสเซอร์อัดเวียนป้อนกลับไปยังถังปฏิกรณ์ D1 ใหม่

เครื่องปฏิกรณ์ในรูปทำการควบคุมระดับความสูงของของเหลวด้วยการให้สเลอรีในเครื่องปฏิกรณ์ล้นออกทางท่อล้น การไหลออกทางท่อล้นอาศัยแรงโน้มถ่วงของโลก สิ่งที่ไหลออกทางท่อล้นนั้นไม่ได้มีแต่สเลอรี แต่ยังมีแก๊สที่ไม่ทำปฏิกิริยา (ทั้งที่อยู่ในรูปแบบฟองแก๊สและที่ละลายอยู่ในเฮกเซน) ติดไปด้วย ดังนั้นจึงต้องทำการแยกส่วนที่เป็นแก๊สออกก่อนโดยให้สเลอรีไหลไปยังถังแยกของเหลว-แก๊ส (D2) ก่อน แก๊สที่ติดมากับสเลอรีจะย้อนกลับไปยังเครื่องปฏิกรณ์ (D1) ผ่านทางท่อสมดุลความดัน (pressure balance line)

หน้าที่ของท่อสมดุลความดันคือทำให้ความดันเหนือผิวของเหลวในถัง D1 และ D2 เท่ากัน ของเหลวจึงจะไหลจากถัง D1 ไปยังถัง D2 ได้ ถ้าไม่มีท่อสมดุลความดันจะทำให้แก๊สที่ติดมากับสเลอรีนั้นสะสมในถัง D2 ทำให้ความดันในถัง D2 เพิ่มสูงขึ้นและอาจทำให้ของเหลวไม่สามารถไหลจากถัง D1 มายังถัง D2 ได้ 

 

สเลอรีที่แยกออกมาที่ถัง D2 จะถูกส่งต่อโดยความดันภายในถัง D2 ไปยัง Flash drum D3 ความดันใน Flash drum D3 นี้จะต่ำกว่าที่ถัง D2 ดังนั้นแก๊สที่ยังคงละลายอยู่ในเฮกเซนที่ความดันของถัง D2 จะระเหยกลายเป็นไอออกมาที่ถัง D3 แก๊สที่แยกออกมานี้จะถูกส่งต่อไปยังเครื่องควบแน่นและคอมเพรสเซอร์ ส่วนสเลอรีที่ออกมาทางก้นถัง D3 จะถูกส่งต่อไปยัง centrifuge เพื่อเหวี่ยงแยกเอาผงพอลิเมอร์ออกจากเฮกเซน

ที่กล่าวมาข้างต้นคือภาพคร่าว ๆ ของกระบวนการผลิตที่เกี่ยวข้องกับปัญหาที่ผมถูกถามมาเมื่อวันศุกร์ที่ผ่านมาจากการที่ไปบรรยายที่หน่วยงานแห่งหนึ่ง

คำถามที่เขาถามผมคือ "ทำไมเมื่อเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาจาก A ไปเป็น B จึงทำให้ระดับของเหลวในถังปฏิกรณ์ D1 เพิ่มสูงขึ้น"

ตรงนี้ต้องขอกล่าวไว้ก่อนว่า สิ่งที่จะเขียนต่อไปนี้ไม่ได้เป็น "คำตอบ" เพราะผมมีข้อมูลจำกัด ผมให้แต่เพียงแค่ "สมมุติฐาน" ที่ตั้งขึ้นจากข้อมูลที่เขาให้มาและข้อมูลที่ผมมีอยู่ โดยจะสมมุติว่าถ้าผมต้องลงไปตรวจสอบหาสาเหตุ ผมจะตรวจสอบตรงจุดใดบ้าง ส่วนสมมุติฐานข้อไหนเป็นข้อที่ถูกต้องนั้นเขาต้องเป็นคนไปตรวจสอบเอง

สิ่งแรกที่ผมต้องการความชัดเจนก่อนก็คือ เมื่อเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาจาก A ไปเป็น B แล้วเห็นระดับของเหลวในถังปฏิกรณ์ D1 เพิ่มสูงขึ้น และถ้าเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาจาก B กลับมาเป็น A จะเห็นระดับของเหลวในถังปฏิกรณ์ D1 ลดลงเหมือนเดิมหรือไม่

คำตอบก็คือลดลงเหมือนเดิม เหตุผลที่ผมถามคำถามนี้ก็คือผมต้องการความมั่นใจว่าสิ่งที่เห็นดังกล่าวไม่ได้ไปทำให้การทำงานของเครื่องมือวัดผิดพลาด

สิ่งที่สองที่ต้องการความชัดเจนคือ ที่เขาบอกว่าเห็น "ระดับ" ของเหลวในถังเปลี่ยนนั้น เขาวัด "ระดับ" ของเหลวในถังโดยตรงหรือไม่

คำตอบก็คือเขา "ไม่ได้" วัดระดับของเหลวในถังโดยตรง แต่ใช้ differential pressure transmitter วัดความดันแตกต่างระหว่างความดันของแก๊สที่อยู่เหนือผิวของเหลวในถัง D1 กับความดันที่ก้นถัง D1 (ซึ่งเท่ากับความดันแก๊สเหนือผิวของเหลวบวกกับความดันที่เกิดจากความสูงของสเลอรี) จากนั้นจึงใช้ค่า "ความหนาแน่น" ของสเลอรีคำนวณหาค่าความสูงของระดับของเหลวในถังจากสูตร

Δp = ρgh

เมื่อ Δp คือผลต่างระหว่างความดันที่ก้นถัง D1 ลบด้วยความดันเหนือผิวของเหลวในถัง D1

ρ คือความหนาแน่นของสเลอรี

g คือความเร่งเนื่องจากแรงดึงดูดของโลก (9.81 m/s²)

h คือความสูงของระดับของเหลวในถัง

จะเห็นว่าการที่เห็น Δp เพิ่มขึ้นนั้นไม่ได้หมายความว่าค่า h เพิ่มสูงขึ้น ถ้าค่า ρ เพิ่มสูงขึ้นก็สามารถทำให้ค่า Δp เพิ่มขึ้นได้เช่นเดียวกัน ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่ในความเป็นจริงนั้นระดับความสูงของของเหลวในถังไม่ได้สูงขึ้น แต่เครื่องวัดแสดงผลว่าเพิ่มขึ้นเพราะค่า ρ ที่ป้อนให้กับเครื่องวัดนั้นต่ำกว่าค่า ρ ที่แท้จริงของสเลอรี

สิ่งแรกที่ผมคิดว่าควรต้องตรวจสอบก่อนคือ "ระดับที่แท้จริงของของเหลวในถัง" นั้นมีการเปลี่ยนแปลงจริงหรือไม่

สมมุติว่าระดับที่แท้จริงของสเลอรีในถังไม่มีการเปลี่ยนแปลง ตรงนี้ก็ต้องมาพิจารณาดูว่าค่า ρ ที่แท้จริงของสเลอรีนั้นสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามภาวะการทำปฏิกิริยาหรือไม่

ในมุมมองของผมนั้นค่า ρ ที่แท้จริงของสเลอรีจะขึ้นอยู่กับ

(ก) ความหนาแน่นของเฮกเซน

(ข) ปริมาณของโอลิโกเมอร์ที่ละลายอยู่ในเฮกเซน และ

(ค) ปริมาณผงพอลิเมอร์ที่แขวนลอยอยู่ในเฮกเซน

โอลิโกเมอร์และผงพอลิเมอร์นั้นมีความหนาแน่นมากกว่าเฮกเซน ดังนั้นในความเห็นผม การเปลี่ยนชนิดตัวเร่งปฏิกิริยาก็อาจทำให้ได้ปริมาณโอลิโกเมอร์และพอลิเมอร์ที่แตกต่างกันไป ทำให้ความหนาแน่นของสเลอรี (เฮกเซนผสมกับโอลิโกเมอร์และพอลิเมอร์) เปลี่ยนแปลงไปได้

ผมไม่มีข้อมูลว่าในการเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยานั้น พอลิเมอร์ที่ได้มีความหนาแน่นเปลี่ยนไปหรือไม่ ตรงนี้ผมขอตั้งสมมุติฐานว่าถ้าหากตอนที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา A นั้นได้พอลิเมอร์ที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าเมื่อใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา B (ดังนั้นโอลิโกเมอร์ที่ได้จากการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา A ก็จะมีความหนาแน่นต่ำกว่าโอลิโกเมอร์ที่ได้จากตัวเร่งปฏิกิริยา B ด้วย) ดังนั้นความหนาแน่นของสเลอรีที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา B จึงน่าจะมีความหนาแน่นสูงกว่าสเลอรีที่ได้จากการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา A ดังนั้นแม้ว่าระดับความสูงที่แท้จริงของสเลอรีในถังไม่ได้สูงขึ้น แต่ความดันก้นถังก็จะเพิ่มขึ้นได้ (ผลจากความหนาแน่นของสเลอรีที่สูงขึ้น) ทำให้คำนวณได้ความสูงของสเลอรีในถังสูงกว่าความเป็นจริง

ทีนี้ถ้าสมมุติว่าระดับความสูงของสเลอรีมีการเพิ่มขึ้นจริง ก็ต้องมาพิจารณาต่อว่ามีปัจจัยอะไรบ้างที่สามารถทำให้การไหลของสเลอรีจากถัง D1 ไปยังถัง D2 มีปัญหา จึงทำให้เกิดการสะสมของสเลอรีในถัง D1 จึงทำให้ระดับความสูงของสเลอรีในถัง D1 เพิ่มสูงขึ้น

ดังนั้นตอนนี้ขอให้เราลองมาพิจารณาดูการไหลของของเหลวในท่อล้นสักนิด (รูปที่ ๒)

รูปที่ ๒ รูปแบบการไหลของของเหลวในท่อล้น (ซ้าย) ไหลไม่เต็มพื้นที่หน้าตัดท่อ (ขวา) ไหลเต็มพื้นที่หน้าตัดท่อ

(ก) ในกรณีที่ของเหลวที่ไหลในท่อล้นนั้นไหล "ไม่เต็ม" พื้นที่หน้าตัดท่อ (รูปที่ ๒ ซ้าย) ความดันเหนือผิวของเหลวในถัง D1 จะถือได้ว่าเท่ากับความดันเหนือผิวของเหลวในถัง D2 (เพราะแก๊สมีการเชื่อมต่อกันได้ทางท่อล้นและท่อสมดุลความดัน) ในกรณีนี้อัตราการไหลของของเหลวจากถัง D1 ไปยังถัง D2 จะไม่ขึ้นกับผลต่างของระดับความสูงของของเหลวในถัง D1 กับ D2 (ไม่ขึ้นกับค่า h1)

(ลองนึกภาพคุณเทน้ำใส่แก้วดูก็ได้ ไม่ว่าคุณจะวางแก้วน้ำบนพื้น บนเก้าอี้ หรือบนโต๊ะ น้ำจะล้นจากแก้วด้วยอัตราเดียวกันกับที่คุณเทเข้าไป)

(ข) ในกรณีที่ของเหลวที่ไหลในท่อล้นนั้นไหล "เต็ม" พื้นที่หน้าตัดท่อ (รูปที่ ๒ ขวา) ซึ่งจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อระดับสเลอรีในถัง D2 นั้นสูงจนกระทั่งปลายท่อล้นที่เชื่อมต่อเข้าถัง D2 นั้นจมอยู่ในระดับผิวสเลอรีในถัง D2 

 

ในกรณีนี้การปรับสมดุลความดันระหว่างถัง D1 และ D2 จะขึ้นอยู่กับปริมาณแก๊สที่ติดเข้ามากับสเลอรีที่ไหลเข้ามาในถัง D2 และขนาดของท่อสมดุลความดัน ซึ่งจะขอพิจารณาแยกเป็นสองกรณีดังนี้

(ข๑) ถ้าท่อสมดุลความดันมีขนาดที่สามารถปรับให้ความดันในถัง D2 เท่ากับถัง D1 ได้ สเลอรีจะสามารถไหลจากถัง D1 ไปยังถัง D2 ได้โดยไม่ติดขัดอะไร

(ข๒) แต่ถ้าท่อสมดุลความดันไม่สามารถระบายแก๊สได้ทัน ทำให้เกิดการสะสมของแก๊สในถัง D2 ความดันเหนือผิวของเหลวในถัง D2 จะสูงขึ้น อัตราการไหลของสเลอรีผ่านท่อล้นจากถัง D1 ไปยังถัง D2 จะลดลง ทำให้ระดับของสเลอรีในถัง D1 เพิ่มสูงขึ้น แต่เมื่อระดับของสเลอรีในถัง D1 เพิ่มสูงขึ้นก็จะทำค่า h2 (ดูรูปที่ ๒ ขวา) เพิ่มสูงขึ้น ซึ่งจะไปทำให้อัตราการไหลของสเลอรีจากถัง D1 ไปยังถัง D2 เพิ่มขึ้น จนในที่สุดระบบก็จะเข้าสู่ค่าสมดุลที่ระดับใหม่

(ค) อีกจุดหนึ่งที่ผมคิดว่าควรตรวจสอบคือความดันในถัง D3 เพราะการไหลของของเหลวจากถัง D2 ไปยังถัง D3 นั้นไม่มีการใช้ปั๊ม (ผมไม่แน่ใจว่าระบบที่แท้จริงของเขาเป็นอย่างนี้หรือเปล่า แต่ผมเข้าใจว่าน่าจะเป็นอย่างนี้) เพราะถ้าความดันในถัง D3 เพิ่มสูงขึ้น ก็จะทำให้การไหลของสเลอรีไหลจากถัง D2 ไปยังถัง D3 ได้ยากขึ้น สเลอรีจึงเกิดการสะสมในถัง D2 ทำให้ระดับสเลอรีในถัง D2 เพิ่มสูงขึ้น ซึ่งถ้าหากระดับสเลอรีในถัง D2 ที่เพิ่มสูงขึ้นนี้สูงท่วมทางออกของท่อล้นที่ต่อเข้าถัง D2 ก็จะส่งผลต่อไปยังระดับสเลอรีในถัง D1 ได้

ในความเป็นจริงความดันในถัง D3 นั้นจะมีโอกาสเพิ่มสูงขึ้นหรือไม่นั้น ผมคิดว่ามันมีโอกาสแต่จะเกิดจากสาเหตุใดนั้นคงไม่สามารถให้ความเห็นใดได้ แต่ถ้ามันไม่มีโอกาสเพิ่มสูงขึ้น สมมุติฐานข้อ (ค) นี้ก็จะตกไป

หวังว่าที่เขียนมาทั้งหมดนี้คงทำให้พวกคุณที่ยังไม่มีความรู้และ/หรือประสบการณ์ทางด้านนี้โดยตรงพอจะมองเห็นภาพต่าง ๆ ได้ชัดเจนมากขึ้น สิ่งที่ผมอยากให้พวกคุณได้เรียนจาก Memoir ฉบับนี้ก็คือในการตั้งคำถามเพื่อหาคำตอบนั้น เราควรพยายามตั้งคำถามให้เป็นกลางและถามคำถามพื้น ๆ ก่อน จากนั้นจึงค่อยนำข้อมูลที่มีอยู่มาทำการพิจารณา 

 

ตัวอย่างคำถามพื้น ๆ ที่ผมยกมาในที่นี้คือเขาบอกว่า "ระดับ" เพิ่มสูงขึ้น แต่ผมกลับถามว่าเขาวัด "ระดับ" โดยตรงหรือวัด "สิ่งอื่นที่ไม่ใช่ระดับ" แต่นำมาคำนวณหา "ระดับ" ซึ่งตรงนี้ถ้าเราคิดว่าทำการวัด "ระดับ" โดยตรง ก็จะทำให้เรามองข้ามสมมุติฐานเรื่อง "ความหนาแน่นมีการเปลี่ยนไปหรือไม่" ได้

ส่วนที่ว่าผมรู้รายละเอียดของกระบวนการนี้ได้ยังไงนั้น บ่ายวันวานบางคนก็ได้ทราบคำตอบแล้ว :)

หมายเหตุ

^(๑) โคโมโนเมอร์ใส่ลงไปเพื่อให้สายโซ่พอลิเมอร์อยู่ห่างจากกัน จะทำให้พอลิเมอร์ที่ได้รับแรงกระแทกได้ดีขึ้น และทำให้ความหนาแน่นของพอลิเมอร์ลดลง (เพราะที่ว่างระหว่างสายโซ่เพิ่มมากขึ้น) โคโมโนเมอร์ที่ใช้มักจะเป็นอัลฟาโอเลฟินส์ (โอเลฟินส์ที่มีพันธะคู่ C=C อยู่ที่คาร์บอนอะตอมแรก) ถ้าใช้โคโมเมอร์โมเลกุลใหญ่เช่น เฮกซีน (C₆H₁₂) หรือออกทีน (C₈H₁₆) พอลิเมอร์ที่ได้อาจกลายเป็น LLDPE แทนที่จะเป็น HDPE

^(๒) ไฮโดรเจนทำหน้าที่เป็นตัวปิดการต่อสายโซ่ให้ยาวขึ้น ถ้าใส่ไฮโดรเจนมากจะทำให้ได้พอลิเมอร์สายโซ่สั้นซึ่งมีความหนืดต่ำไหลได้ง่าย ในทางตรงกันข้ามถ้าใส่ไฮโดรเจนน้อยจะทำให้ได้พอลิเมอร์ที่มีความหนืดสูงไหลได้ยาก การวัดความหนืดของพอลิเมอร์จะวัดด้วยค่า Melt Flow Index (MFI) ซึ่งวัดจากน้ำหนักพอลิเมอร์ที่ไหลผ่านรูเมื่อมีแรงกด ณ อุณหภูมิ ขนาดรู และแรงกดตามที่กำหนด ในเวลาที่กำหนดไว้

^(๓) ระบบตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta ประกอบด้วยสองส่วน ส่วนแรกเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาหลักซึ่งมักเป็นสารประกอบ Ti บนตัวรองรับ MgCl₂ และส่วนที่สองเป็นสารประกอบอัลคิลกับโลหะ ที่ใช้กันมากที่สุดตัวหนึ่งได้แก่สารประกอบอัลคิลอะลูมิเนียมเช่น triethyl aluminium (Al(C₂H₅)₃)

^(๔) ในทางปฏิบัตินั้นจะควบคุมองค์ประกอบของแก๊สที่ป้อนเข้าถังปฏิกรณ์ D1 แต่ความเข้มข้นที่แท้จริงที่เกี่ยวข้องกับการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรซ์นั้นคือความเข้มข้นของสารตั้งต้นแต่ละตัวที่ละลายอยู่ในเฮกเซน ไม่ใช่ความเข้มข้นในเฟสแก๊ส ดังนั้นแม้ว่าตัวทำละลายจะไม่เกี่ยวข้องกับกลไกการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรซ์ แต่ถ้าเปลี่ยนตัวทำละลายก็จะทำให้ค่าการละลายของแก๊สต่าง ๆ เปลี่ยนไปได้ ดังนั้นแม้ว่าจะป้อนแก๊สที่ความเข้มข้นเดียวกัน แต่ใช้ตัวทำละลายต่างกัน ก็มีสิทธิที่จะได้พอลิเมอร์ที่แตกต่างกันได้