วันอาทิตย์ที่ 2 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2557

ปั๊มหอกลั่น MO Memoir : Sunday 2 February 2557

"ไม่รู้จะทำยังไง คำนวณทีใดมันเกิด cavitation ทุกที"
 
ประโยคข้างบนมีนิสิตปี ๔ คนหนึ่งเปรยให้ผมฟังเมื่อเดือนที่แล้ว เพราะเขามีปัญหากับโปรแกรม simulation ตอนที่หาขนาดปั๊มสำหรับผลิตภัณฑ์จากหอกลั่น
 
รูปแบบปั๊มที่ใช้กันมากที่สุดเห็นจะไม่พ้นปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) ปั๊มนี้ทำงานได้ดีกับของเหลวที่ไม่หนืดมาก กลไกไม่ซับซ้อน ให้รูปแบบการไหลที่เรียบ (คือไม่เต้นเป็นจังหวะเหมือนปั๊มลูกสูบ)
 
ข้อเสียข้อหนึ่งของปั๊มหอยโข่งคือไม่ถูกโฉลกกับ "cavitation"


รูปที่ ๑ (ซ้าย) รูประบบหอกลั่นที่เรามักเห็นตามหนังสือหรือ flow diagram ทั่วไป (ขวา) รูปที่ใกล้เคียงกับความเป็นจริงมากกว่า H1 และ H2 คือระยะความสูงจากผิวของเหลวถึงทางเข้าปั๊ม
 
Cavitation คือปรากฏการณ์ที่ของเหลวเกิดการเดือดเป็นฟองแก๊ส (เนื่องจากการลดความดัน) และยุบตัวลงอย่างรวดเร็วกลายเป็นของเหลวใหม่ (เนื่องจากการเพิ่มความดัน) เรื่อง cavitation นี้อ่านย้อนหลังได้ในบันทึกต่อไปนี้

ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๐๘ วันศุกร์ที่ ๒๙ มกราคม ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๑ อธิบายศัพท์"
ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๒๒ วันพฤหัสบดีที่ ๑๘ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๖ ระบบ piping ของปั๊มหอยโข่ง"
ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๒๘ วันพฤหัสบดีที่ ๔ มีนาคม ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๘ Net Positive Suction Head (NPSH)"

การเกิด cavitation นั้นเกิดได้ง่ายถ้าของเหลวที่ปั๊มนั้นมีอุณหภูมิที่จุดเดือดหรือใกล้เคียงกับจุดเดือด (พึงระลึกว่าจุดเดือดนี้ขึ้นอยู่กับความดันด้วยนะ) และเมื่อของเหลวไหลเข้าตัวปั๊มหอยโข่ง ความดันก็ไม่ได้เปลี่ยนแปลงในทิศทางเพิ่มขึ้นเพียงทิศทางเดียว มันมีทั้งช่วงที่ความดันลดลงซึ่งคือการเปลี่ยนจาก pressure head ด้านขาเข้าเป็น velocity head การเพิ่ม velocity head ด้วยแรงเหวี่ยงของใบพัด และการเปลี่ยนจาก velocity head เป็น pressure head ด้านขาออก (ดูรูปที่ ๓ ในบันทึกฉบับที่ ๑๒๘ ข้างต้น)
 
ของเหลวที่เป็นผลิตภัณฑ์ยอดหอกลั่น (เกิดจากการควบแน่นไอที่ระเหยออกมาทางยอดหอ) และที่เป็นผลิตภัณฑ์ก้นหอกลั่น (ที่มีทั้งส่วนที่ดึงออกไปเป็นผลิตภัณฑ์และส่วนที่ส่งกลับไปหม้อต้มซ้ำ (reboiler) เพื่อต้มให้กลายเป็นไอใหม่) ต่างเป็นของเหลวที่มีอุณหภูมิประมาณจุดเดือดของสารนั้น
 
ในกรณีของปั๊มผลิตภัณฑ์ของหอกลั่นนี้ (ไม่ว่าจะเป็นผลิตภัณฑ์ยอดหอหรือผลิตภัณฑ์ก้นหอ) การแก้ปัญหาด้วยการลดอุณหภูมิของเหลวก่อนเข้าปั๊มมันก็แก้ปัญหาได้ แต่จะทำให้สูญเสียพลังงานที่ต้องป้อนกลับคืนในการต้มของเหลวนั้นให้กลายเป็นไอใหม่
 
อีกวิธีการหนึ่งที่ทำได้ก็คือการเพิ่ม "ความดัน" ให้กับของเหลวด้านขาเข้าของปั๊ม

รูปที่ ๑ (ซ้าย) เป็นแผนผังหอกลั่นที่เรามักพบเห็นในตำราทั่วไป สำหรับการเรียนหนังสือเพื่อให้เห็นภาพการกลั่นมันก็ไม่ก่อให้เกิดปัญหาอะไร แต่พอเห็นแต่รูปในหนังสือบ่อยครั้งเข้า มันก็เลยทำให้คิดว่าของจริงมันเป็นดังในรูป ดังนั้นเมื่อต้องทำการออกแบบระบบจริงมันก็เลยเกิดปัญหา เพราะสภาพความเป็นจริงนั้นมันแตกต่างออกไป
 
ยกตัวอย่างแรกก็คือตำแหน่งที่ตั้งของ overhead condenser หรือเครื่องควบแน่นยอดหอ ตามรูปในหนังสือเรียนทั่วไปนั้นมันจะลอยอยู่สูงเหนือหอกลั่น ควบแน่นไอยอดหอให้กลายเป็นของเหลวและไหลลงถังเก็บ (accumulation drum) จากนั้นจึงแยกออกไปเป็นส่วนป้อนกลับเข้าหอกลั่น (reflux) หรือดึงออกเป็นผลิตภัณฑ์ยอดหอออกไป การที่วาดรูปแบบนี้นั้นทำให้ผู้เรียนจำนวนไม่น้อยหลงคิดไปว่าของเหลวส่วน reflux นั้น ปรกติจะไหลกลับเข้าหอกลั่นด้วยแรงโน้มถ่วง
 
มีหลายปัจจัยที่เป็นตัวกำหนดตำแหน่งที่ตั้งของเครื่องควบแน่นยอดหอได้แก่ ความสูงของหอกลั่น ขนาดของเครื่องควบแน่น และความดันที่ต้องใช้ในการส่งของเหลวระบายความร้อนไปยังเครื่องควบแน่น ถ้าหอกลั่นมีความสูงมาก การวางตำแหน่งเครื่องควบแน่นให้อยู่สูงกว่ายอดหอกลั่นมันก็ไม่มีความเหมาะสมในทางปฏิบัติ เพราะนั่นหมายถึงการต้องสร้างอาคารที่สูงกว่าหอกลั่นเพื่อติดตั้งเครื่องควบแน่นให้สูงกว่าหอกลั่น สิ่งที่ตามมาก็คือการที่ต้องใช้ปั๊มที่ให้ความดันสูงในการส่งของเหลวระบายความร้อน (มักจะมีปริมาณมากด้วย) ให้ขึ้นไปถึงเครื่องควบแน่นที่อยู่บนที่สูง และการสร้างอาคารสูงเพื่อติดตั้งอุปกรณ์ที่มีน้ำหนักมากไว้ข้างบนก็จะทำให้ค่าใช้จ่ายด้านโครงสร้างสูงตามไปด้วย
 
ด้วยเหตุนี้สิ่งที่มักปฏิบัติกันทั่วไปสำหรับหอกลั่นที่มีความสูงก็คือการติดตั้งเครื่องควบแน่นไว้ที่ระดับต่ำกว่ายอดหอ (แต่ไม่จำเป็นต้องลงมาอยู่ที่ระดับพื้น) และใช้ปั๊มส่งของเหลวที่ต้องการ reflux ย้อนกลับไปยังยอดหอ (รูปที่ ๑ (ขวา))
 
หม้อต้มซ้ำหรือ reboiler นั้นมันต้องอยู่ที่ก้นหออยู่แล้ว เพราะมันต้องป้อนไอที่เกิดจากของเหลวก้นหอที่ต้มซ้ำกลับเข้าไปยังก้นหอใหม่ สิ่งที่เป็นปัญหามากกว่าตรงจุดนี้น่าจะเป็นการที่ของเหลวส่วนนี้เป็นของเหลวที่มีอุณหภูมิสูงที่จุดเดือด และไม่มีระดับความสูงให้เล่นมากนัก
 
ด้านล่างของหอกลั่นในรูปที่ ๑ (ซ้าย) เป็นรูปแผนผังหม้อต้มซ้ำที่เห็นในตำราทั่วไป ซึ่งเป็นการวาดโดยมีวัตถุประสงค์เพื่อให้มองเห็นภาพกระบวนการกลั่น และประหยัดหน้ากระดาษ แต่ถ้าใครจะทำการออกแบบควรที่จะมองเห็นดังรูปที่ ๑ (ขวา) จะดีกว่า คือปั๊มที่เป็นตัวสูบผลิตภัณฑ์ก้นหอ (เพื่อส่งออกไปหรือป้อนกลับไปยังหม้อต้มซ้ำ) นั้นจะอยู่ที่ระดับที่ต่ำกว่าระดับของเหลวที่ก้นหอเป็นระยะ H2 ที่มากพอที่จะป้องกันไม่ให้เกิด cavitation ที่ตัวปั๊ม แม้ว่าอุณหภูมิของเหลวที่อยู่ที่ก้นหอกลั่นหรือที่ทางเข้าปั๊มจะเท่ากันก็ตาม
 
สมมุติว่าหอกลั่นทำงานที่ความดัน P และที่ความดัน P นี้ของเหลวที่ก้นหอมีอุณหภูมิที่จุดเดือด T แต่ที่ทางเข้าปั๊มของเหลวจะมีความดัน (P + H2) ดังนั้นแม้ว่าของเหลวที่ไหลเข้าปั๊มจะมีอุณหภูมิ T เท่าเดิม แต่ของเหลวจะไม่เดือดที่อุณหภูมิ T นี้เพราะความดันที่ตำแหน่งนี้สูงกว่า ดังนั้นจงอย่าแปลกใจถ้าพบว่าทำไมปั๊มของผลิตภัณฑ์ยอดหอหรือผลิตภัณฑ์ก้นหอนั้นจึงติดตั้งอยู่ที่ระดับต่ำมากเมื่อเทียบกับระดับผิวหน้าของเหลวที่มันทำการสูบ

โปรแกรม simulation นั้นอนุญาตให้เราเพิ่มความดันให้กับของเหลวได้ด้วยการใช้ปั๊ม แต่การทำงานในทางปฏิบัตินั้นเราสามารถเพิ่มความดันให้กับของเหลวได้ด้วยการใช้แรงโน้มถ่วง (gravitation force) โปรแกรม simulation นั้นจะดีได้แค่ไหนก็ขึ้นอยู่กับว่าคนออกแบบโปรแกรมนั้นเข้าใจโลกแห่งความเป็นจริงมากแค่ไหน และการแปลผล simulation นั้นจะดูแต่ตัวเลขอย่างเดียวไม่ได้ (เพราะโปรแกรมมันก็ไม่ได้ถูกต้องหรือตรงกับความจริงเสมอไป) ต้องนำความจริงเข้ามาประกอบด้วยในการพิจารณาตัดสินใจ

ไม่มีความคิดเห็น: