ถังความดัน หอ stripper และการลดอุณหภูมิเนื่องจากการระเหยของของเหลว

การเลือกวิธีการเก็บสำรองสารที่มีสถานะเป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ (ซึ่งอาจเป็นสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์) ในโรงงานอุตสาหกรรมปิโตรเคมีนั้นจะพิจารณาจากปริมาณที่ต้องการเก็บสำรองและคุณสมบัติของแก๊ส

  

การที่จะทำให้แก๊สชนิดใดเป็นของเหลวได้ด้วยการเพิ่มความดันนั้น อุณหภูมิของแก๊สนั้นจะต้องต่ำกว่าค่า "อุณหภูมิวิกฤต (critical temperature)" ของแก๊สนั้น ดังนั้นแก๊สใดก็ตามที่มีค่าอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าอุณหภูมิห้อง เราจะไม่สามารถใช้การเพิ่มความดันเพื่อทำให้แก๊สนั้นเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้ ตัวอย่างของแก๊สนี้ได้แก่แก๊สมีเทนที่นำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงในรถยนต์ ที่ใช้ความดันสูงถึง 200 bar ก็ยังคงเป็นแก๊สอยู่ ดังนั้นถ้าต้องการเก็บสำรองแก๊สประเภทนี้ในจำนวนไม่มาก ก็จะใช้การเก็บในถังความดันสูง (ถังจะมีความหนาของผนังมาก) แต่ถ้าต้องการเก็บสำรองในปริมาณมาก ก็จะใช้การเก็บในถัง cryogenic type (ลดอุณหภูมิให้ต่ำกว่าจุดเดือดของสารนั้นที่อุณหภูมิห้อง) ตัวอย่างของการเก็บแก๊สประเภทนี้ได้แก่ถังเก็บแก๊สธรรมชาติเหลว (Liquified Natural Gas - LNG)

 

แต่ถ้าแก๊สนั้นมีอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าอุณหภูมิห้อง เราจะสามารถใช้ความดันอัดให้แก๊สนั้นเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้ ส่วนความดันที่ต้องใช้นั้นจะมากน้อยเท่าใดก็ขึ้นอยู่ว่าค่าอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าอุณหภูมิห้องมากน้อยเท่าใด แก๊สที่มีค่าอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าอุณหภูมิห้องมาก ก็จะใช้ความดันที่ต่ำลงในการอัดให้แก๊สนั้นเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง (อุณหภูมิวิกฤตของ C₃H₈ คือ 96ºC และของ n-C₄H₁₀ คือ 152ºC)

รูปที่ ๑ ตัวอย่างรูปแบบถังเก็บแก๊สที่สามารถอัดให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้ (บน) ถังเก็บแก๊สชนิด bullet type โดยปรกติมักจะวางนอน (ล่าง) ถังเก็บแก๊สชนิด spherical type 

  

แต่ถ้าแก๊สนั้นมีอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าอุณหภูมิห้อง เราจะสามารถใช้ความดันอัดให้แก๊สนั้นเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้ ส่วนความดันที่ต้องใช้นั้นจะมากน้อยเท่าใดก็ขึ้นอยู่ว่าค่าอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าอุณหภูมิห้องมากน้อยเท่าใด แก๊สที่มีค่าอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าอุณหภูมิห้องมาก ก็จะใช้ความดันที่ต่ำลงในการอัดให้แก๊สนั้นเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง 

  

แก๊สหุงต้มหรือที่เราเรียกย่อว่า LPG (ย่อมาจาก Liquified Petroleum Gas) นั้นเป็นแก๊สที่สามารถใช้ความดันอัดให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้ (อุณหภูมิวิกฤตของ C₃H₈ คือ 96ºC และของ n-C₄H₁₀ คือ 152ºC) การเก็บแก๊สชนิดนี้ในอุตสาหกรรมนั้น ถ้าเก็บในปริมาณไม่มากนักจะเก็บในถังความดันทรงกระบอกวางนอนที่เรียกว่า bullet type แต่ถ้าเก็บในปริมาณที่มากขึ้นไปอีกก็จะใช้ถังความดันทรงกลมที่เราเรียกว่าถังลูกโลกหรือ spherical type (ดูรูปที่ ๑) ถัง spherical type แม้ว่าจะสร้างยากกว่าถังชนิด bullet type แต่ก็มีข้อดีตรงที่ที่ความดันเดียวกันและขนาดถังระดับเดียวกัน ความเค้นในเนื้อโลหะของผนังถังจะต่ำกว่าของถังชนิด bullet type ทำให้โลหะที่ใช้ทำผนังถังนั้นมีความหนาน้อยกว่าของถังชนิด bullet type จึงทำให้ถังความดันขนาดที่ใหญ่นั้นนิยมสร้างในรูปแบบ spherical type

  

แต่ถ้าต้องการเก็บในปริมาณที่มากขึ้นไปอีก การใช้ถังชนิด cryogenic type จะเหมาะสมกว่า

ในกระบวนการกลั่นน้ำมันนั้น การให้ความร้อนแก่น้ำมันที่ทำการกลั่นอยู่ในหอกลั่นกระทำได้โดยการให้ความร้อนผ่านหม้อต้ม (reboiler) ที่อยู่ทางด้านล่างของหอ และ/หรือการฉีดไอน้ำเข้าไปในน้ำมันที่ทำการกลั่นโดยตรง การฉีดไอน้ำเข้าไปในน้ำมันโดยตรงนั้น การฉีดไอน้ำเข้าไปในน้ำมันโดยตรงนั้นมักจะกระทำที่ stripping column มากกว่า (stripping column คือคอลัมน์เล็ก ๆ ที่อยู่ข้างหอกลั่นหลัก ใช้ควบคุมคุณภาพน้ำมันที่ดึงออกทางข้างหอ เช่นถ้าเป็นstripping column สำหรับน้ำมันก๊าด (kerosene) ถ้าพบว่าน้ำมันก๊าดที่ดึงออกมาทางข้างหอนั้นมีปริมาณ gasoline ผสมอยู่มากเกินไป ก็จะทำการฉีดไอน้ำเข้าไปที่ stripping column นี้ เพื่อไล่ส่วนที่เป็น gasoline (ที่มีจุดเดือดต่ำกว่า) ให้ระเหยกลับไปยังหอกลั่นหลักใหม่ (ดูรูปที่ ๒)

รูปที่ ๒ แผนผังการทำงานของหอ stripper ที่ใช้ในการควบคุมปริมาณส่วนที่มีจุดเดือดต่ำในผลิตภัณฑ์น้ำมันที่ดึงออกทางข้างหอกลั่นหลัก

  

ไอน้ำที่ฉีดเข้าไปนี้บางส่วนอาจหลุดรอดติดไปกับผลิตภัณฑ์น้ำมันไปจนถึงถังเก็บ เนื่องจากน้ำนั้นไม่ผสมเป็นเนื้อเดียวกับไฮโดรคาร์บอนที่เป็นของเหลว และน้ำยังมีความหนาแน่นที่สูงกว่า ดังนั้นเมื่อไอน้ำหลุดรอดไปจนถึงถังเก็บก็จะควบแน่นเป็นน้ำที่เป็นของเหลวและสะสมอยู่ที่ก้นถัง ทำให้ต้องมีการระบายน้ำทิ้งออกจากก้นถังเป็นระยะ

  

นี่คือคำอธิบายหนึ่งที่ว่าทำไมในถังเก็บน้ำมันเชื้อเพลิงหรือแก๊สหุงต้มที่ได้จากการกลั่น จึงมีอาจมีน้ำเข้าไปอยู่ในถังเหล่านั้นได้

ในการระบายน้ำที่ก้นถังเก็บทิ้ง พนักงานจะต้องไปเปิดวาล์วที่อยู่ที่ก้นถังเก็บเพื่อระบายน้ำออก และเมื่อเริ่มมีน้ำมันหลุดปนมากับน้ำที่ปล่อยออกก็แสดงว่าระบายน้ำออกจากถังเก็บเกือบหมดแล้ว ก็ปิดวาล์วระบายนั้น ในกรณีของผลิตภัณฑ์ไฮโดรคาร์บอนที่เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องนั้น ไฮโดรคาร์บอนที่หลุดรอดปนออกมากับน้ำไม่ก่อให้เกิดปัญหาการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิใด ๆ ในขณะที่ไหลผ่านวาล์วระบายน้ำทิ้ง (ซึ่งอาจต้องมีการหรี่วาล์วเมื่อระบายน้ำใกล้หมด เพื่อไม่ให้มีไฮโดรคาร์บอนหลุดรอดออกมามากเกินไป)

  

แต่ถ้าเป็นกรณีของสารที่ปรกติจะเป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้องแต่เก็บเป็นของเหลวภายใต้ความดันที่อุณหภูมิห้อง (เช่นแก๊ส LPG สารทำความเย็นในเครื่องปรับอากาศและตู้เย็น) ในสภาพที่อยู่ภายใต้ความดันจะเป็นของเหลว แต่เมื่อไหลผ่านช่องทางการไหลขนาดเล็ก (เช่นรูขนาดเล็ก วาล์วลดความดัน หรือวาล์วเปิด-ปิดที่เปิดเพียงเล็กน้อย) ความดันจะลดต่ำลง สารนั้นก็จะเปลี่ยนสภาพจากของเหลวกลับกลายเป็นแก๊ส ในการเปลี่ยนสภาพนี้จะมีการดึงเอาความร้อนจากรอบข้างเข้าไป ทำให้อุณหภูมิรอบข้างนั้นลดลง ในกรณีของแก๊ส LPG ถ้าแก๊สที่ไหลออกมานั้นมีน้ำปนอยู่ด้วยและถ้าอุณหภูมิลดต่ำลงมากพอ ก็จะทำให้น้ำที่เดิมเป็นของเหลวที่ไหลผ่านวาล์วร่วมกับแก๊สนั้นแข็งตัวกลายเป็นน้ำแข็งอุดตันท่อระบายน้ำทิ้งได้ ถ้าการอุดตันดังกล่าวเกิดขึ้นที่ตัววาล์ว ก็จะทำให้ไม่สามารถปิดวาล์วได้

นี่คือจุดเริ่มต้นของการระเบิดครั้งใหญ่ของถังเก็บแก๊ส LPG ณ เมือง Feyzin ประเทศฝรั่งเศส ในวันที่ ๔ มกราคม ปีพ.ศ. ๒๕๐๙ (รูปที่ ๓) และทำให้ปรากฏการณ์ที่เรียกว่า BLEVE (ย่อมาจาก Boiling Liquid Expansion Vapour Explosion) เป็นที่รู้จักกัน เหตุการณ์ในครั้งนั้นได้กลายเป็นกรณีศึกษาที่เรียนกันทั่วไปในวงการวิชาชีพวิศวกรรมเคมี

รูปที่ ๓ ภาพถัง butane (ชนิด spherical tank) หมายเลข 462 กำลังเผาไหม้จากการระเบิด ณ เมือง Feyzin

(จาก BLEVE in an LPG storage facility at a rafinery January 4, 1966 Feyzin France, sheet updated Feb 2008.

http://www.aria.developpement-durable.gouv.fr/ressources/1_feyzin_gc_ang.pdf)