ทำความรู้จัก Fired process heater (ตอนที่ ๑) MO Memoir : Friday 29 January 2559

อุปกรณ์นี้ในวงการบางทีเขาก็เรียกว่า Heater บ้างก็เรียกว่า Furnace เรียกยาวขึ้นมาหน่อยก็คือ Fired heater แต่พอเอาคำเหล่านี้ไปค้นหารูปภาพใน google ปรากฏว่าภาพเกือบทั้งหมดที่มันค้นเจอมันไม่ใช่สิ่งที่ต้องการจะกล่าวถึงในวันนี้ ต้องใช้คำว่า "Fired process heater" จึงได้ในสิ่งที่ต้องการ

Fired process heater ในที่นี้เป็นอุปกรณ์ที่ใช้เพิ่มอุณหภูมิให้กับของไหล (ซึ่งอาจเป็นของเหลวหรือแก๊ส) โดยให้ของไหลนั้นไหลอยู่ในท่อ และมีเปลวไฟให้ความร้อนอยู่ภายนอกท่อนั้น ซึ่งต่อไปจะขอเรียกสั้น ๆ ว่า Fired heater 
  

ของไหลที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการนี้มากที่สุดเห็นจะได้แก่ "ไอน้ำ" ที่มีการนำเอาไออิ่มตัว (saturated steam คือไอน้ำที่มีอุณหภูมิเดียวกับจุดเดือดของน้ำที่ความดันที่ทำการต้มน้ำนั้น) มาให้ความร้อนต่อเพื่อให้กลายเป็นไอร้อนยิ่งยวดหรือไอดง (superheated steam คือไอน้ำที่มีอุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือดของน้ำ) เพื่อใช้สำหรับส่งไปตามระบบท่อหรือนำไปขับเคลื่อนกังหันไอน้ำ
 

กระบวนการผลิตจำนวนไม่น้อยในอุตสาหกรรมปิโตรเลียมและปิโตรเคมีต้องมีการเพิ่มอุณหภูมิให้กับของไหลเพื่อให้ของไหลนั้นมีอุณหภูมิสูงพอที่จะเกิดปฏิกิริยา เช่นการทำให้โมเลกุลไฮโดรคาร์บอนหรือสารอินทรีย์แตกตัวเป็นโมเลกุลที่เล็กลง (เพื่อลดความหนืด หรือการผลิตโอเลฟินส์จากไฮโดรคาร์บอน) หรือในปฏิกิริยา steam reforming ที่ใช้ในการผลิตแก๊สไฮโดรเจนจากมีเทน ในกระบวนการเหล่านี้ทำการเพิ่มอุณหภูมิของสารตั้งต้นด้วยการใช้ Fired heater
 

Memoir ฉบับนี้เป็นการแนะนำให้รู้จักกับพัฒนาการของ Process fired heater โดยนำข้อมูลมาจากเอกสารการฝึกอบรมเมื่อประมาณ ๓๐ ปีที่แล้ว แม้ว่าอายุของเอกสารห่างจากช่วงเวลาปัจจุบันมาก แต่ก็เชื่อว่ายังสามารถใช้เพื่อปูพื้นความรู้ให้กับวิศวกรจบใหม่หรือยังไม่มีประสบการณ์ได้

ในหลักสูตรวิศวกรรมเคมีนั้น การออกแบบอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน (heat exchanger) ต่าง ๆ มักจะเกี่ยวข้องกับการถ่ายเทความร้อนด้วยการนำความร้อน (conduction) และการพาความร้อน (convection) เป็นหลัก จะมีพิเศษก็ตรง Fired heater ตัวนี้นี่แหละที่เกี่ยวข้องกับการแผ่รังสีความร้อน (radiation)
 

ก่อนอื่นของทบทวนความรู้เกี่ยวกับการแผ่รังสีความร้อนกันเล็กน้อย ในช่วงอุณหภูมิต่ำนั้น (เช่นระดับไม่กี่ร้อยองศาเซลเซียส) ปริมาณความร้อนที่ถ่ายทอดกันระหว่างวัตถุด้วยกลไกการแผ่รังสีความร้อนนั้นเรียกได้ว่า "ไม่มีนัยสำคัญ" แต่การทำให้ของไหลในกระบวนการมีอุณหภูมิขึ้นไปถึงระดับใกล้ 1000ºC หรือมากกว่านั้น เราจำเป็นต้องมีแหล่งให้พลังงานความร้อนที่มีอุณหภูมิที่สูงกว่า แหล่งให้ความร้อนดังกล่าวที่มักจะใช้กันก็คือ "เปลวไฟ" และการถ่ายเทความร้อนจากเปลวไฟไปยังวัตถุที่อยู่รอบ ๆ จะผ่านทางกระบวนการหลัก ๒ กระบวนการคือ การแผ่รังสีความร้อนจากเปลวไฟ และการพาความร้อนด้วยแก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงที่ทำให้เกิดเปลวไฟ
 

พลังงานจากการแผ่รังสีความร้อนนั้นจะแปรผันตามอุณหภูมิยกกำลัง "4" ดังนั้นสำหรับเปลวไฟที่มีอุณหภูมิสูง การส่งผ่านพลังงานด้วยการแผ่รังสีความร้อนนั้นจะโดดเด่นกว่าการพาความร้อนอยู่มาก รูปที่ ๑ ในหน้าถัดไปแสดงพลังงานของรังสีความยาวคลื่นต่าง ๆ ที่แผ่ออกมาจากวัตถุดำที่มีอุณหภูมิในช่วง 1000-2000ºC จะเห็นว่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น พลังงานการแผ่รังสีความร้อนในช่วงคลื่นอินฟราเรดจะเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว ในขณะที่พลังงานการแผ่รังสีในช่วงแสงที่ตา มองเห็นและอัลตร้าไวโอเล็ตนั้นไม่ได้เพิ่มมากขึ้นอย่างโดดเด่นตามไปด้วย
 

การส่งผ่านพลังงานความร้อนด้วยการแผ่รังสีความร้อนนั้นแตกต่างไปจากการพาความร้อนตรงที่ แหล่งที่จะรับพลังงานความร้อนจากการแผ่รังสีความร้อนได้นั้นจะต้อง "มองเห็น" แหล่งให้พลังงานความร้อน เพราะรังสีอินฟราเรด (ที่เป็นตัวให้พลังงานความร้อน) นั้นมันเดินทางเป็นเส้นตรง ดังนั้นพื้นผิวใด ๆ ที่มองเห็นแหล่งให้พลังงานความร้อนก็จะรับพลังงานความร้อนจากการแผ่รังสีได้ ในขณะที่พื้นผิวที่มองไม่เห็นแหล่งกำเนิดรังสีความร้อนจะไม่สามารถรับความร้อนจากการแผ่รังสีความร้อนของแหล่งกำเนิดความร้อนหลักได้โดยตรง แต่อาจได้รับการแผ่รังสีความร้อนจากพื้นผิวอื่นที่ดูดซับรังสีความร้อนจากแหล่งกำเนิดความร้อนหลักเอาไว้ แล้วแผ่ออกมาอีกที (รูปที่ ๒)

รูปที่ ๒ พื้นผิวท่อในช่วงมุมมองของลูกศรสีน้ำเงินจะรับรังสีความร้อนจากแหล่งกำเนิดรังสีความร้อนโดยตรง ส่วนพื้นผิวท่อที่มองไม่เห็นแหล่งกำเนิดรังสีความร้อนนั้น จะสามารถรับรังสีความร้อนที่ผนังเตาด้านหลังแผ่ออกมา โดยผนังเตาด้านหลังนี้จะดูดซับรังสีความร้อนจากแหล่งกำเนิดรังสีความร้อนเอาไว้ และเปล่งรังสีความร้อนออกมาอีกที แต่เนื่องจากผนังเตามีอุณหภูมิต่ำกว่าแหล่งกำเนิดรังสีความร้อน ดังนั้นพลังงานรังสีความร้อนที่ผนังเตาเปล่งออกมาจึงมีระดับที่ต่ำกว่าพลังงานรังสีความร้อนที่เปล่งออกมาจากแหล่งกำเนิดรังสีความร้อน ทำให้ผิวท่อด้านหลังนั้นมีอุณหภูมิต่ำกว่าผิวท่อด้านหน้า

สิ่งหนึ่งที่ต้องพิจารณาในการออกแบบรูปแบบการวางท่อคือเฟสของของไหลที่ไหลอยู่ในท่อว่าเป็นของเหลว แก๊ส และมีการเปลี่ยนเฟสจากของเหลวไปเป็นแก๊สด้วยหรือไม่ เฟสของของไหลจะเป็นตัวกำหนดวิธีการเลือกรูปแบบการวางท่อว่าจะวางในแนวราบ (พอถึงปลายด้านหนึ่งก็ใช้ข้องอเพื่อไหลเข้าสู่ท่อที่อยู่ในระดับความสูงเหนือขึ้นไป หรือเป็นแบบขดท่อ) หรือวางในแนวดิ่ง (พอไหลลง (หรือขึ้น) ถึงปลายท่อด้านหนึ่งก็จะเข้าสู่ข้องอเพื่อให้ไหลวกกลับขึ้น (หรือลง) ในท่ออีกท่อหนึ่งที่อยู่เคียงข้าง (รูปที่ ๓)
 

ในกรณีของของเหลวนั้น การไหลในท่อแนวราบ (ที่ค่อย ๆ ไต่ระดับขึ้น) จะเหมาะสมกว่า (ตรงนี้ลองพิจารณาในแง่การเติมของเหลวให้เต็มท่อ โดยเริ่มจากท่อเปล่าที่มีแก๊สอยู่ข้างไหน แล้วเราต้องการเติมของเหลวให้เต็มท่อโดยไม่ให้มีแก๊สเหลือตกค้างในท่อ การเติมของเหลวเข้าทางด้านล่างขึ้นบนในทิศทางเดียวจะไล่แก๊สออกทางด้านบน) แต่การวางท่อยาวในแนวราบนั้นจะมีปัญหาตรงที่ต้องมีจุดรองรับท่อหลายตำแหน่งตลอดความยาวท่อ และเมื่อท่อโลหะร้อนจะเกิดการขยายตัว ทำให้เกิดการตกท้องช้าง (sagging) ตรงบริเวณระหว่างจุดรองรับสองตำแหน่งได้ ซึ่งปัญหาเรื่องการตกท้องช้างนี้จะไม่เกิดขึ้นกับการวางท่อในแนวดิ่ง (คือจับท่อด้านบนเอาไว้แล้วปล่อยให้ขยายตัวอย่างอิสระลงล่างได้ หรือจับยึดปลายท่อด้านล่างแล้วปล่อยให้ขยายตัวขึ้นด้านบน) แต่การป้อนของเหลวให้ไหลในท่อแบบนี้จะมีปัญหาเรื่องการเติมของเหลวให้เต็มท่อ

รูปที่ ๓ (ซ้าย) การวางท่อในแนวนอน ของเหลวจะไหลจากล่างขึ้นบนได้ง่าย (ไหลเต็มท่อ) แต่จะมีปัญหาเรื่องท่อตกท้องช้างเมื่อขยายตัว (ขวา) การวางท่อในแนวดิ่งจะไม่มีปัญหาเรื่องท่อตกท้องช้าง เพราะปล่อยให้ท่อยืดตัวอย่างอิสระลงล่างได้ แต่จะยากกว่าในการไล่แก๊สที่ค้างอยู่ในท่อออกให้หมด โดยเฉพาะเมื่อของเหลวไหลจากบนลงล่างและตรงตำแหน่งสูงสุดด้านบนของข้องอ

ส่วนการเปลี่ยนเฟสนั้นก่อให้เกิดปัญหาในเรื่องการระบายความร้อนของผนังท่อ ของเหลวนั้นรับความร้อนได้ดีกว่าแก๊ส ดังนั้นเมื่อให้ความร้อนเท่ากัน ผิวโลหะของท่อส่วนที่มีของเหลวไหลผ่านจะไม่ร้อนจัดมากเหมือนผิวโลหะของท่อส่วนที่เป็นแก๊สไหลผ่าน ดังนั้นถ้าออกแบบให้ท่อส่วนใดรับความร้อนโดยมีของเหลวไหลอยู่ข้างใน ก็ต้องระวังไม่ให้ท่อส่วนนั้นรับความร้อนโดยมีแก๊สไหลอยู่ข้างใน (เช่นของเหลวเกิดการเดือดกลายเป็นไอก่อนไหลมาถึงท่อส่วนนั้น)
 

รูปที่ ๔ เป็น Fired heater ชนิด Helical heater โครงสร้างของ Fired heater ชนิดนี้ถ้ามองจากด้านบนจะเห็นเป็นวงกลมโดยมีขดท่ออยู่ใกล้กับผนังด้านในขดจากล่างขึ้นบนและมีหัวเตา (burner) จุดเปลวไฟอยู่ตรงกลาง ข้อดีของ Fired heater รูปแบบนี้คือมีโครงสร้างที่เรียบง่าย ราคาถูก แต่มีประสิทธิภาพต่ำ เหมาะสมสำหรับงานที่ทำเป็นครั้งคราวโดยไม่ต้องคำนึงถึงค่าใช้จ่ายในการเดินเครื่องเท่าใดนัก และเนื่องจากไม่สามารถทำความสะอาดภายในท่อได้ จึงเหมาะสมสำหรับกระบวนการที่สะอาดเท่านั้น (กล่าวคือของไหลนั้นไม่สกปรก หรือไม่ทำให้เกิดคราบสกปรกจากปฏิกิริยาข้างเคียงที่เกิดขึ้น)
 

รูปที่ ๕ เป็นชนิด Vertical cylindrical heater Fired heater ชนิดนี้คล้ายคลึงกับ Helical heater ในรูปที่ ๔ แต่สามารถสร้างให้ใหญ่กว่าได้ เหมาะสำหรับการเดินเครื่องทำงานเป็นครั้งคราว รูปแบบที่แสดงในรูปวางท่อตั้งในแนวดิ่งและไม่มีท่อรับความร้อนในส่วน convection (คือท่อที่อยู่ทางด้านปล่องระบายแก๊สร้อนออก เพื่อดึงความร้อนออกจากจากแก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิง ซึ่งเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน)
 

รูปที่ ๖ เป็น Fired heater ชนิด Vertical cylindrical heater with convection ที่มีการวางท่อในแนวดิ่งในทำนองเดียวกับรูปที่ ๕ แต่มีส่วนรับความร้อนจากแก๊สร้อน (ส่วน convection) เพิ่มเติมเข้ามา ทำให้ประสิทธิภาพการใช้พลังงานดีขึ้น ท่อในส่วน convection นั้น ท่อสองแถวล่างสุดจะเป็นส่วนที่มองเห็นเปลวไฟ ดังนั้นท่อส่วนนี้จะได้รับความร้อนจากการแผ่รังสีความร้อนด้วย (เรียกว่า "shock tube") เป็นท่อผิวนอกเรียบไม่มีครีบ ส่วนท่อที่อยู่เหนือขึ้นไปนั้นจะได้รับความร้อนจากแก๊สร้อนที่ไหลผ่านเพียงอย่างเดียว สามารถใช้ท่อที่ผิวนอกมีครีบได้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการดึงความร้อนออกจากแก๊สร้อนที่ไหลผ่านภายนอกท่อ
 

Fired heater ในรูปที่ ๕ และ ๖ นั้นสามารถมีท่อรับของเหลวเข้าได้มากกว่า ๑ เส้นทาง (เรียกว่า pass) ดังเช่นในรูปที่ ๕ นั้นเป็นชนิด 2 pass (ส่วนหนึ่งเข้าทางซ้ายอีกส่วนหนึ่งเข้าทางขวา) ส่วนในรูปที่ ๖ นั้นเป็นชนิด 4 pass คือมีท่อที่เข้าที่ตำแหน่ง ๓ นาฬิกาจำนวน ๒ ท่อ โดยไหลออกที่ตำแหน่ง ๑๒ นาฬิกา ๑ ท่อและ ๖ นาฬิกา ๑ ท่อ ท่อทางเข้าอีกสองท่ออยู่ที่ตำแหน่ง ๑๒ นาฬิกาและไหลออกที่ตำแหน่ง ๑๒ นาฬิกา ๑ ท่อและ ๖ นาฬิกา ๑ ท่อเช่นกัน

รูปที่ ๔ Helical heater ในรูปนี้ process fluid จะเข้าทางด้านล่างเข้าสู่ขดท่อ (ที่ขดเป็นวงแบบขดสปริงไปรอบ ๆ ผนังด้านในและไหลออกทางด้านบน เปลวไฟจะอยู่ทางด้านล่าง (พร้อมช่องให้อากาศเข้า) โดยมี damper (บานปิด-เปิด) ทำหน้าที่ควบคุมปริมาณอากาศที่ไหลเข้า-ออก
 

รูปที่ ๗ เป็น Fired heater ชนิด Cabin heater Fired heater ชนิดนี้ถ้ามองจากทางด้านบนจะเห็นพื้นที่หน้าตัดเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าโดยมีหัวเตาวางเรียงอยู่ตรงกลางที่พื้น รูปแบบที่แสดงในรูปนั้นวางท่อในแนวนอนซึ่งเหมาะสำหรับกรณีที่ของไหลนั้นมีการเปลี่ยนเฟส (กล่าวคือมีการเดือดและเปลี่ยนเฟสจากของเหลวกลายเป็นไอ) โดยทั่วไปนั้นบริเวณใกล้เปลวไฟซึ่งเป็นส่วนที่รับความร้อนจากการแผ่รังสีความร้อน จะมีอุณหภูมิสูงกว่าในส่วน convection ดังนั้นของเหลวที่ป้อนเข้ามาจึงสามารถป้อนเข้าทางด้านบนเพื่อรับความร้อนที่ส่วน convection ให้มีอุณหภูมิสูงขึ้นก่อน จากนั้นจึงค่อยเข้าสู่ส่วน radiation (รับความร้อนจากการแผ่รังสี) ที่อยู่ทางด้านล่างเพื่อรับความร้อนเพิ่มขึ้นไปอีกจนเกิดการเปลี่ยนเฟสหรือเกิดปฏิกิริยาเคมี ในรูปที่นำมาแสดงนั้นของเหลวไหลเข้าทางด้านบนและไหลออกทางด้านล่าง (ถ้าเป็นแก๊ส จะไหลขึ้นหรือไหลลงก็ไม่แตกต่างกัน)
 

พลังงานความร้อนที่ได้รับจากการแผ่รังสีความร้อนนั้นยังขึ้นอยู่กับระยะทางจากแหล่งกำเนิดรังสีความร้อนด้วย ในกรณีของ Fired heater ทั้ง ๔ แบบที่ยกตัวอย่างมานี้มีหัวเตาอยู่ที่ระดับพื้น ดังนั้นส่วนของท่อที่อยู่ใกล้กับระดับพื้น (คืออยู่ใกล้กับเปลวไฟมากกว่า) จะได้รับพลังงานความร้อนจากการแผ่รังสีสูงกว่าส่วนของท่อที่อยู่เหนือขึ้นไป แต่ในการทำงานนั้นต้องระวังไม่ให้เปลวไฟนั้นลนไปบนผิวท่อโดยตรงเพราะจะทำให้ท่อเกิดความเสียหายได้ (ตรงที่โดนไฟลนจะร้อนจัดเป็นพิเศษ)
 

การใช้งานโลหะที่อุณหภูมิสูงนั้นต้องระวังเรื่องไม่ให้อุณหภูมิใช้งานนั้นสูงเกินกว่าอุณหภูมิสูงสุดที่โลหะชนิดทนได้ เพราะถ้าโลหะนั้นมีอุณหภูมิสูงเกินกว่าอุณหภูมิที่มันทนได้เมื่อใด และแม้ว่าอุณหภูมิจะลดต่ำลงแล้ว แต่เนื้อโลหะจะเกิดการเปลี่ยนแปลง (ในทิศทางที่ไม่ดีขึ้น) อย่างถาวร ทำนองเดียวกับเวลาเชื่อมโลหะด้วยไฟฟ้าที่ทำให้เนื้อโลหะเกิดการหลอมเหลว และเมื่อโลหะที่หลอมเหลวตรงรอยเชื่อมนั้นเย็นตัวลงจนแข็งตัวใหม่ เนื้อโลหะตรงนั้นจะมีคุณสมบัติที่แตกต่างไปจากเนื้อโลหะเดิมโดยมีความแข็งแรงลดลง
 

ในกรณีของการเกิดปฏิกิริยาขึ้นในท่อที่ทำให้เกิดคราบสกปรกเกาะสะสมในท่อได้ เช่นปฏิกิริยา cracking ของไฮโดรคาร์บอนที่มักจะเกิด coke (สารประกอบคาร์บอนที่เป็นของแข็ง) ร่วมด้วยเสมอ coke นี้จะเกาะบนผิวท่อทำให้การถ่ายเทความร้อนจากผนังท่อที่ร้อนไปยังของไหลที่ไหลอยู่ในท่อนั้นลดลง (ถ้าเกิดสะสมมากอาจจะทำให้ผนังท่อร้อนจัดเกินไปได้) ในการนี้ต้องคำนึงถึงตำแหน่งที่จะยอมให้เกิดปฏิกิริยาได้ กล่าวคือต้องเป็นส่วนของท่อที่สามารถให้ความร้อนจนมีอุณหภูมิสูงพอที่จะเผาไล่ coke ที่เกิดขึ้นได้ (คือส่วนที่รับความร้อนจากการแผ่รังสี และเผาไล่ได้ด้วยการเติมออกซิเจนเข้าไปในระบบ)

มาถึงตอนนี้ก็หวังว่าผู้อ่านคงจะพอมองเห็นภาพ Fired process heater กันบ้างแล้ว

รูปที่ ๕ Vertical cylindrical heater

รูปที่ ๖ Vertical cylindrical heater with convection

รูปที่ ๗ Cabin heater