ทำความรู้จักหน้าตา Tray หอกลั่น MO Memoir : Saturday 3 January 2558

นอกเหนือไปจากวิชาการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์เคมี (Chemical reactor) แล้ว เนื้อหาวิชาอีกวิชาหนึ่งที่ทำให้วิศวกรรมเคมีแตกต่างไปอย่างสิ้นเชิงกับวิศวกรรมเครื่องกลคือการออกแบบหน่วยแยกสาร ไม่ว่าจะเห็นหน่วยกลั่น (Distillation) หรือหน่วยสกัด (Extraction)
  

หอกลั่นเป็นหน่วยปฏิบัติการ (Operation unit) ที่สำคัญหน่วยหนึ่งของอุตสาหกรรมเคมี เพราะเป็นหน่วยที่ใช้พลังงานมาก (ใส่ความร้อนเข้าทางด้านล่างและระบายออกทางด้านบน) มี delay time ต่อการตอบสนองที่สูง (สาเหตุหนึ่งเป็นเพราะมีปริมาณสารอยู่ในระบบมาก)
  

ในกระบวนการกลั่นนั้น ไอร้อนจะไหลขึ้นจากด้านล่างหอกลั่นขึ้นสู่ด้านบน สวนทางกับของเหลวเย็นที่ป้อนลงมาจากทางด้านบนของหอกลั่น ตกลงสู่ด้านล่างด้วยแรงโน้มถ่วง ในระหว่างการไหลสวนทางกันนี้ องค์ประกอบที่มีจุดเดือดสูงในไอเมื่อสัมผัสกับของเหลวที่เย็นกว่าที่ตกสวนลงมา องค์ประกอบที่มีจุดเดือดสูงก็จะควบแน่นออกมาจากไอ เข้ามาอยู่ในของเหลว และไหลลงสู่ด้านล่างพร้อมกับของเหลวนั้น ส่วนองค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำที่อยู่ในของเหลวที่ตกลงมา เมื่อสัมผัสกับไอร้อนที่ไหลสวนขึ้นไป องค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำก็จะระเหยออกจากของเหลวไปอยู่ในส่วนที่เป็นไอและไหลขึ้นไปพร้อมกับไอระเหยนั้น ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นตลอดตั้งแต่ด้านล่างขึ้นสู่ด้านบนของหอกลั่น ทำให้สารผสมที่ประกอบด้วยสารที่มีจุดเดือดสูงและจุดเดือดต่ำแยกตัวออกจากกัน โดยสารที่ออกทางด้านล่างของหอกลั่น (หรือก้นหอกลั่น - Bottom) จะมีความเข้มข้นของสารที่มีจุดเดือดสูงเพิ่มสูงขึ้น และไอระเหยที่ออกทางด้านบนของหอกลั่น (หรือยอดหอกลั่น - Top) จะมีความเข้มข้นของสารที่มีจุดเดือดต่ำเพิ่มมากขึ้น
  

เพื่อให้การส่งผ่านสารที่มีจุดเดือดสูงจากไอไปยังของเหลว และสารที่มีจุดเดือดต่ำจากของเหลวไปยังไอนั้นเกิดขึ้นได้ดี จำเป็นต้องมีการเพิ่มพื้นที่สัมผัสระหว่างไอกับของเหลวให้มากขึ้น วิธีการปฏิบัติที่ใช้กันทั่วไปคือการใช้สิ่งที่เรียกว่า "Tray" หรือ "Packing" บรรจุอยู่ภายในตัวหอกลั่น ส่วนจะเลือกใช้ชนิดไหนนั้นก็ขึ้นอยู่กับการออกแบบ เพราะแต่ละแบบนั้นต่างก็มีข้อจำกัดของตัวมันเองอยู่ สำหรับผู้ที่เรียนทางด้านวิศวกรรมเคมีที่ได้เรียนวิชานี้มาแล้วก็คงพอจะนึกภาพออกว่าหอกลั่นแบบ Tray และแบบ Packing นั้นแตกต่างกันอย่างไร เรื่องรายละเอียดของการกลั่นนั้นจะยังไม่ขอกล่าวในที่นี้ วางแผนไว้ว่ากำลังจะเขียนอยู่เหมือนกันสำหรับให้ผู้ที่ไม่ได้เรียนมาทางด้านวิศวกรรมเคมีจะได้รู้จักการทำงานของหอกลั่น
  

ปัญหาหนึ่งของการเรียนเรื่องการกลั่นของนิสิตวิศวกรรมเคมีคือการที่ไม่มีโอกาสได้เห็นโครงสร้างภายในหอกลั่น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Tray ที่มีรูปแบบหน้าตาต่าง ๆ บังเอิญว่าเมื่อกลางปีที่แล้วได้มีโอกาสไปเยี่ยมภาควิชาวิศวกรรมเคมีที่ University of Malaya และได้เห็นเขามี Tray หอกลั่นที่มีบริษัทหนึ่งทำขึ้นและบริจาคให้ภาควิชาเพื่อให้ผู้เรียนได้รู้จักว่า Tray แบบต่าง ๆ นั้นมันมีหน้าตาที่แท้จริงอย่างไร (ของบ้านเราไม่รู้เหมือนกันว่ามีใครทำไว้บ้างหรือเปล่า) ก็เลยถือโอกาสถ่ายรูปมาให้ดูกัน เพราะเขาทำมาเพียงแค่ Tray เดียวแต่ประกอบด้วย Tray รูปทรงต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นชนิด Bubble cap, Sieve หรือ Perforated และชนิด Valve ส่วนแต่ละชนิดมีหน้าตาอย่างไรนั้นก็ดูในรูปเอาเองก็แล้วกัน

มาถึงตรงนี้อาจมีบางคนบ่นว่าผมควรจะเขียนเรื่องนี้ตั้งแต่ก่อนเริ่มปีการศึกษา ๒๕๕๗ เพราะมีบางคนต้องเรียนเรื่องนี้ในภาคการศึกษาที่ผ่านมา (ผมเองก็ไปถ่ายรูปเหล่านี้มาก่อนเปิดภาคการศึกษาด้วย) แต่ก็ช่วยไม่ได้จริง ๆ ครับเพราะช่วงนั้นมันมีอะไรต่อมิอะไรอย่างอื่นให้ทำเยอะไปหมด เพิ่งจะมีเวลาว่างก็ช่วงหยุดปีใหม่นี้แหละ เพราะไม่ได้ไปเที่ยวไหน นั่งเขียน Memoir นี่แหละ วันละฉบับ จะได้หยุดพักหน่อยก็วันพรุ่งนี้ ที่จะได้ไปเที่ยวกับเขาบ้างซักที :)

รูปที่ ๑ หน้าตารูปแบบต่าง ๆ ของ Tray หอกลั่นที่ตั้งแสดงไว้ที่หน้าภาควิชาวิศวกรรมเคมีที่ University of Malaya

รูปที่ ๒ หน้าตาของ Bubble cap ซึ่งมีราคาแพง แต่มีช่วงการทำงานที่กว้าง

รูปที่ ๓ Sieve tray หรือ Perforated tray เป็น tray ที่มีราคาถูก แต่ของเหลวจะรั่วลงทางรูได้ถ้าความเร็วของไอต่ำเกินไป เพราะไม่มีอะไรคอยปิดรู

 

รูปที่ ๔ Valve tray เป็นตัวที่อยู่ตรงกลางระหว่าง Sieve tray กับ Bubble cap tray รูปนี้เป็นวาล์วรูปวงกลม

รูปที่ ๕ อีกหน้าตาหนึ่งของ Valve tray

  

รูปที่ ๖ ด้านขวาเป็นอีกหน้าตาหนึ่งของ Sieve tray ส่วนด้านซ้ายเป็น Valve tray ที่ใช้วาล์วรูปทรงสี่เหลี่ยม

 

รูปที่ ๗ ด้านขวาคือ Sieve tray รูปทรงเดียวกับในรูปที่ ๖ ต่างกันตรงที่ในรูปนี้มีจำนวนช่องเปิดที่มากกว่า