ท่อขนาดเล็กจะมีพื้นที่ผิวต่อหน่วยปริมาตรมากกว่าท่อขนาดใหญ่ ดังนั้นการถ่ายเทความร้อนของท่อขนาดเล็กจะสูงกว่าท่อขนาดใหญ่
ที่อัตราการไหลโดยปริมาตรเดียวกัน ท่อขนาดเล็กจะมีค่าความดันลด (หรือ pressure drop ที่เป็นตัวบ่งบอกความต้านทานการไหล ถ้าค่านี้สูงก็แสดงว่าความต้านทานการไหลสูง) มากกว่าท่อขนาดใหญ่ แต่ก็ปัญหานี้ก็เลี่ยงได้ด้วยการแยกการไหลออกเป็นการไหลผ่านท่อขนาดเล็กหลายท่อคู่ขนานกันไป
ปฏิกิริยาการสลายตัวหรือ pyrolysis ของไฮโดรคาร์บอนเป็นโอเลฟินส์และไฮโดรเจน เป็นปฏิกิริยาที่มีจำนวนโมลเพิ่มขึ้น ดังนั้นเมื่อปฏิกิริยาเกิดมากขึ้น อัตราการไหลโดยปริมาตรของแก๊สจะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ถ้าหากปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นในท่อที่มีขนาดคงที่ ความเร็วของแก๊สที่ไหลอยู่ในท่อจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ทำให้ค่าความดันลดเพิ่มสูงขึ้น และยังก่อให้เกิดปัญหาการสึกหรอ (เนื่องจาก erosion) เพิ่มขึ้นตามไปด้วย แต่ปัญหานี้ก็เลี่ยงได้ด้วยการเพิ่มพื้นที่หน้าตัดการไหลของแก๊ส (ซึ่งอาจทำได้ด้วยการเพิ่มจำนวนท่อ และ/หรือเพิ่มขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ)
สิ่งที่บริษัท Lummus ค้นพบก็คือ ถ้าลดเวลาทำปฏิกิริยาให้น้อยลง (โดยเฉพาะท่อในส่วน radiation zone) จะได้สัดส่วนโอเลฟินส์ที่สูงขึ้นในขณะที่การเกิด coke นั้นลดต่ำลง การเพิ่มความดันด้านขาออก (coil outlet pressure) และอุณหภูมิด้านขาออกจากขดท่อ (coil outlet temperature บางที่เขาจะย่อว่า COT) จะไปลดปริมาณโอเลฟินส์ที่ได้ ในขณะที่การเกิดน้ำมันเตาและ coke นั้นเพิ่มขึ้น การค้นพบนี้นำมาสู่การออกแบบขดท่อใน pyrolysis heater ในรูปแบบที่เรียกว่า short residence time หรือ SRT ของบริษัท Lummus (มีการนำมาใช้ในปีค.ศ. ๑๙๕๙) ตัวอย่างรูปแบบขดท่อแบบ SRT แสดงในรูปที่ ๔ ที่เรียกว่า SRT-III (นำมาจาก Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๑๒๒ วันพฤหัสบดีที่ ๔ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๙ เรื่อง "ทำความรู้จัก Fired process heater (ตอนที่ ๔)")
ในรูปแบบ SRT-III ไฮโดรคาร์บอนที่ป้อนเข้ามาจะแยกเข้าท่อขนาดเล็ก ๔ ท่อที่มีความยาวไม่มากนักที่วางอยู่ในแนวดิ่ง บริเวณท่อนี้จะเป็นส่วนที่ได้รับความร้อนมากที่สุดและควรเป็นส่วนที่เกิดปฏิกิริยา pyrolysis มากที่สุด (ให้ความร้อนสูงในเวลาอันสั้น) แก๊สที่ไหลออกจากท่อเล็กเหล่านี้แต่ละท่อจะไหลมารวมกันในท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่ขึ้น (เพื่อลดความต้านทานการไหล และยังช่วยลดการรับความร้อนด้วยการที่มีพื้นที่ผิวต่อหน่วยปริมาตรลดลง นอกจากนี้ด้วยอัตราเร็วในการไหลที่เพิ่มขึ้นก็ทำให้ระยะเวลารับความร้อนลดลงไปอีก) ในตัวของ pyrolysis heater แต่ละตัวนั้นอาจมีขดท่อรูปแบบ SRT-III นี้อยู่ถึง ๖ ชุดด้วยกัน (สำหรับโรงงานที่มีขนาดกำลังการผลิตประมาณ ๒๗๐,๐๐๐ ตันต่อปี (ถ้าจะพูดให้ถูกต้องก็คือต่อ ๓๐๐ วัน ซึ่งเมื่อ ๓๐ ปีที่แล้วก็ถือว่าเป็นโรงงานขนาดใหญ่) จะใช้ pyrolysis heater ที่ประกอบด้วยขดท่อแบบ SRT-III นี้ถึง ๗ เตา
เนื่องจาก pyrolysis coil ต้องเผชิญกับอุณหภูมิที่สูง ดังนั้นโลหะที่ใช้ทำท่อจึงต้องเป็นชนิด high alloy steel ที่มีโลหะนิเกิล (Ni) ผสมอยู่มาก แม้ว่านิเกิลจะทำให้โลหะทนความร้อนได้มากขึ้นก็ตาม แต่โลหะ Ni เองก็ก่อให้เกิดผลข้างเคียงด้วยการที่มันทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเร่งการเกิด coke (คือ Ni สามารถทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดึงอะตอม H ออกจากโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนได้) แต่ปัญนี้ก็สามารถบรรเทาได้ด้วยการมีสารประกอบกำมะถันผสมอยู่ในไฮโดรคาร์บอนที่ป้อนเข้า pyrolysis heater โดยกำมะถันจะทำหน้าที่เป็น catalyst poison ที่ไปยับยั้งการทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาของอะตอมโลหะ Ni บนผิวท่อ
รูปที่ ๔ Pyrolysis coil ชนิด Short residence time III (SRT-III) ของบริษัท Lummus
ในกรณีที่ใช้ไฮโดรคาร์บอนหนัก (เช่นแนฟทาหรือน้ำมันเตา) เป็นสารตั้งต้น ไฮโดรคาร์บอนหนักเหล่านี้มักจะมีสารประกอบกำมะถันปะปนอยู่แล้ว (ถือว่าเป็นเรื่องปรกติที่จะพบว่าน้ำมันยิ่งหนักขึ้นจะยิ่งมีกำมะถันปะปนมากขึ้น) และสารประกอบกำมะถันที่ปนเปื้นอยู่ก็มักจะมากเพียงพอสำหรับการทำหน้าที่เป็น catalyst poison ของโลหะ Ni อยู่แล้ว แต่ในกรณีที่สารตั้งต้นเป็นอีเทนหรือ LPG นั้น สารตั้งต้นที่เป็นแก๊สเหล่านี้มักจะไม่มีสารประกอบกำมะถันปนอยู่ เช่นในกรณีของประเทศไทยที่ได้อีเทนและ LPG มาจากการกลั่นแยกแก๊สธรรมชาติ ที่ก่อนจะนำแก๊สธรรมชาติเข้าสู่กระบวนการกลั่นแยกนั้นจำเป็นต้องมีการกำจัดสารประกอบกำมะถันในแก๊สธรรมชาติทิ้งออกไปก่อน ดังนั้นถ้าจะนำเอาแก๊สเหล่านี้ที่ได้จากการ กลั่นแยกมาใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตโอเลฟินส์ ก็ต้องมีการเติมสารประกอบกำมะถันใส่เข้าไป สารประกอบกำมะถันตัวหนึ่งที่ใช้กันก็คือ dimethly disulfide (DMDS H3C-S-S-CH3) ปริมาณที่เติมเข้าไปจะอยู่ที่ระดับประมาณ 100 ppm
ขอขยายความเรื่อง "หนัก (heavy) - เบา (light)" เวลากล่าวถึงไฮโดรคาร์บอนนิดนึง เพื่อให้คนที่ไม่ได้อยู่ในวงการวิศวกรรมเคมีจะได้เข้าใจ คือเวลากลั่นน้ำมันเขาจะให้ความร้อนแก่น้ำมันในหม้อต้มที่อยู่ด้านล่างหอกลั่น น้ำมันที่มีจุดเดือดต่ำจะลอยขึ้นไปสูงไปออกทางด้านบนของหอ (เหมือนกับว่ามันเบาและลอยขึ้นบนได้) ในขณะที่น้ำมันที่มีจุดเดือดสูงจะไม่ลอยขึ้นสูง และออกทางด้านล่างของหอ (เหมือนกับว่ามันหนักและลอยขึ้นไม่ไหว) ดังนั้นในวงการนี้แทนที่จะพูดว่าน้ำมันจุดเดือดสูงหรือจุดเดือดต่ำ เขาจะเรียกว่าน้ำมันหนักน้ำมันเบาแทน น้ำมันที่หนักกว่าก็หมายถึงน้ำมันที่มีจุดเดือดสูงกว่านั่นเอง
"ความดัน" เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่ส่งผลต่อการดำเนินไปข้างหน้าของปฏิกิริยา ปฏิกิริยา pyrolysis นี้จะดำเนินไปข้างหน้าได้ดีที่ความดัน "ต่ำ" แต่ทั้งนี้ความดันแก๊สที่ออกจาก pyrolysis heater จะต้องมากพอที่จะไหลผ่าน transfer line exchanger และ quench tower ได้อย่างสะดวก และจะต้องไม่ต่ำจนทำให้ compressor (ที่ใช้ในการเพิ่มความดันแก๊สก่อนส่งเข้าระบบทำความเย็นเพื่อกลั่นแยก) นั้นทำงานไม่ได้ (ต้องไม่ให้ compressor เกิดการ surging)
รูปที่ ๕ และ ๖ เป็น process flow diagram ของหน่วย propane vaporizer โรงงานโอเลฟินส์โรงแรกของประเทศไทยนั้นมีกระบวนการผลิตโพรพิลีนอยู่ ๒ กระบวนการด้วยกัน กระบวนการแรกคือการใช้ pyrolysis heater ตัวเดียวกับที่ใช้ในการผลิตเอทิลีน กระบวนการที่สองคือกระบวนการ oleflex ที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา
รูปที่ ๕ Process flow diagram ของหน่วย propane vaporizer สำหรับระเหยโพรเพนและผสมไอน้ำก่อนป้อนเข้าสู่ pyrolysis heater
รูปที่ ๖ Process flow diagram ของหน่วย propane vaporizer ต่อจากรูปที่ ๕
กระบวนการ oleflex ที่ใช้ผลิตโพรพิลีนจากโพรเพนนั้น ดูเหมือนว่าตอนที่มาตั้งที่ประเทศไทยนั้นจะเป็นโรงงานขนาด commercial scale โรงงานแรกของโลก ที่เลือกใช้กระบวนการนี้ก็เพราะเชื่อว่าจะได้โพรพิลีนในสัดส่วนที่สูงกว่ากระบวนการ thermal cracking ทั่วไป ได้ยินมาว่าในช่วงที่เริ่มเดินเครื่องนั้นก็มีปัญหากันน่าดูชมเหมือนกัน
ปิดท้ายด้วยรูปถ่ายที่ถ่ายเอาไว้เมื่อบ่ายวันวาน เพราะแปลกใจเห็นมากันครบ ๕ คน แต่เห็นมีคนทำงานอยู่ ๒ คน ที่เหลือเป็นกองเชียร์ ส่วนใครเป็นคนทำงาน ใครเป็นกองเชียร์ ก็ดูกันเอาเองก็แล้วกัน :) :) :)
ที่อัตราการไหลโดยปริมาตรเดียวกัน ท่อขนาดเล็กจะมีค่าความดันลด (หรือ pressure drop ที่เป็นตัวบ่งบอกความต้านทานการไหล ถ้าค่านี้สูงก็แสดงว่าความต้านทานการไหลสูง) มากกว่าท่อขนาดใหญ่ แต่ก็ปัญหานี้ก็เลี่ยงได้ด้วยการแยกการไหลออกเป็นการไหลผ่านท่อขนาดเล็กหลายท่อคู่ขนานกันไป
ปฏิกิริยาการสลายตัวหรือ pyrolysis ของไฮโดรคาร์บอนเป็นโอเลฟินส์และไฮโดรเจน เป็นปฏิกิริยาที่มีจำนวนโมลเพิ่มขึ้น ดังนั้นเมื่อปฏิกิริยาเกิดมากขึ้น อัตราการไหลโดยปริมาตรของแก๊สจะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ถ้าหากปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นในท่อที่มีขนาดคงที่ ความเร็วของแก๊สที่ไหลอยู่ในท่อจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ทำให้ค่าความดันลดเพิ่มสูงขึ้น และยังก่อให้เกิดปัญหาการสึกหรอ (เนื่องจาก erosion) เพิ่มขึ้นตามไปด้วย แต่ปัญหานี้ก็เลี่ยงได้ด้วยการเพิ่มพื้นที่หน้าตัดการไหลของแก๊ส (ซึ่งอาจทำได้ด้วยการเพิ่มจำนวนท่อ และ/หรือเพิ่มขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ)
สิ่งที่บริษัท Lummus ค้นพบก็คือ ถ้าลดเวลาทำปฏิกิริยาให้น้อยลง (โดยเฉพาะท่อในส่วน radiation zone) จะได้สัดส่วนโอเลฟินส์ที่สูงขึ้นในขณะที่การเกิด coke นั้นลดต่ำลง การเพิ่มความดันด้านขาออก (coil outlet pressure) และอุณหภูมิด้านขาออกจากขดท่อ (coil outlet temperature บางที่เขาจะย่อว่า COT) จะไปลดปริมาณโอเลฟินส์ที่ได้ ในขณะที่การเกิดน้ำมันเตาและ coke นั้นเพิ่มขึ้น การค้นพบนี้นำมาสู่การออกแบบขดท่อใน pyrolysis heater ในรูปแบบที่เรียกว่า short residence time หรือ SRT ของบริษัท Lummus (มีการนำมาใช้ในปีค.ศ. ๑๙๕๙) ตัวอย่างรูปแบบขดท่อแบบ SRT แสดงในรูปที่ ๔ ที่เรียกว่า SRT-III (นำมาจาก Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๑๒๒ วันพฤหัสบดีที่ ๔ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๙ เรื่อง "ทำความรู้จัก Fired process heater (ตอนที่ ๔)")
ในรูปแบบ SRT-III ไฮโดรคาร์บอนที่ป้อนเข้ามาจะแยกเข้าท่อขนาดเล็ก ๔ ท่อที่มีความยาวไม่มากนักที่วางอยู่ในแนวดิ่ง บริเวณท่อนี้จะเป็นส่วนที่ได้รับความร้อนมากที่สุดและควรเป็นส่วนที่เกิดปฏิกิริยา pyrolysis มากที่สุด (ให้ความร้อนสูงในเวลาอันสั้น) แก๊สที่ไหลออกจากท่อเล็กเหล่านี้แต่ละท่อจะไหลมารวมกันในท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่ขึ้น (เพื่อลดความต้านทานการไหล และยังช่วยลดการรับความร้อนด้วยการที่มีพื้นที่ผิวต่อหน่วยปริมาตรลดลง นอกจากนี้ด้วยอัตราเร็วในการไหลที่เพิ่มขึ้นก็ทำให้ระยะเวลารับความร้อนลดลงไปอีก) ในตัวของ pyrolysis heater แต่ละตัวนั้นอาจมีขดท่อรูปแบบ SRT-III นี้อยู่ถึง ๖ ชุดด้วยกัน (สำหรับโรงงานที่มีขนาดกำลังการผลิตประมาณ ๒๗๐,๐๐๐ ตันต่อปี (ถ้าจะพูดให้ถูกต้องก็คือต่อ ๓๐๐ วัน ซึ่งเมื่อ ๓๐ ปีที่แล้วก็ถือว่าเป็นโรงงานขนาดใหญ่) จะใช้ pyrolysis heater ที่ประกอบด้วยขดท่อแบบ SRT-III นี้ถึง ๗ เตา
เนื่องจาก pyrolysis coil ต้องเผชิญกับอุณหภูมิที่สูง ดังนั้นโลหะที่ใช้ทำท่อจึงต้องเป็นชนิด high alloy steel ที่มีโลหะนิเกิล (Ni) ผสมอยู่มาก แม้ว่านิเกิลจะทำให้โลหะทนความร้อนได้มากขึ้นก็ตาม แต่โลหะ Ni เองก็ก่อให้เกิดผลข้างเคียงด้วยการที่มันทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเร่งการเกิด coke (คือ Ni สามารถทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดึงอะตอม H ออกจากโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนได้) แต่ปัญนี้ก็สามารถบรรเทาได้ด้วยการมีสารประกอบกำมะถันผสมอยู่ในไฮโดรคาร์บอนที่ป้อนเข้า pyrolysis heater โดยกำมะถันจะทำหน้าที่เป็น catalyst poison ที่ไปยับยั้งการทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาของอะตอมโลหะ Ni บนผิวท่อ
รูปที่ ๔ Pyrolysis coil ชนิด Short residence time III (SRT-III) ของบริษัท Lummus
ในกรณีที่ใช้ไฮโดรคาร์บอนหนัก (เช่นแนฟทาหรือน้ำมันเตา) เป็นสารตั้งต้น ไฮโดรคาร์บอนหนักเหล่านี้มักจะมีสารประกอบกำมะถันปะปนอยู่แล้ว (ถือว่าเป็นเรื่องปรกติที่จะพบว่าน้ำมันยิ่งหนักขึ้นจะยิ่งมีกำมะถันปะปนมากขึ้น) และสารประกอบกำมะถันที่ปนเปื้นอยู่ก็มักจะมากเพียงพอสำหรับการทำหน้าที่เป็น catalyst poison ของโลหะ Ni อยู่แล้ว แต่ในกรณีที่สารตั้งต้นเป็นอีเทนหรือ LPG นั้น สารตั้งต้นที่เป็นแก๊สเหล่านี้มักจะไม่มีสารประกอบกำมะถันปนอยู่ เช่นในกรณีของประเทศไทยที่ได้อีเทนและ LPG มาจากการกลั่นแยกแก๊สธรรมชาติ ที่ก่อนจะนำแก๊สธรรมชาติเข้าสู่กระบวนการกลั่นแยกนั้นจำเป็นต้องมีการกำจัดสารประกอบกำมะถันในแก๊สธรรมชาติทิ้งออกไปก่อน ดังนั้นถ้าจะนำเอาแก๊สเหล่านี้ที่ได้จากการ กลั่นแยกมาใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตโอเลฟินส์ ก็ต้องมีการเติมสารประกอบกำมะถันใส่เข้าไป สารประกอบกำมะถันตัวหนึ่งที่ใช้กันก็คือ dimethly disulfide (DMDS H3C-S-S-CH3) ปริมาณที่เติมเข้าไปจะอยู่ที่ระดับประมาณ 100 ppm
ขอขยายความเรื่อง "หนัก (heavy) - เบา (light)" เวลากล่าวถึงไฮโดรคาร์บอนนิดนึง เพื่อให้คนที่ไม่ได้อยู่ในวงการวิศวกรรมเคมีจะได้เข้าใจ คือเวลากลั่นน้ำมันเขาจะให้ความร้อนแก่น้ำมันในหม้อต้มที่อยู่ด้านล่างหอกลั่น น้ำมันที่มีจุดเดือดต่ำจะลอยขึ้นไปสูงไปออกทางด้านบนของหอ (เหมือนกับว่ามันเบาและลอยขึ้นบนได้) ในขณะที่น้ำมันที่มีจุดเดือดสูงจะไม่ลอยขึ้นสูง และออกทางด้านล่างของหอ (เหมือนกับว่ามันหนักและลอยขึ้นไม่ไหว) ดังนั้นในวงการนี้แทนที่จะพูดว่าน้ำมันจุดเดือดสูงหรือจุดเดือดต่ำ เขาจะเรียกว่าน้ำมันหนักน้ำมันเบาแทน น้ำมันที่หนักกว่าก็หมายถึงน้ำมันที่มีจุดเดือดสูงกว่านั่นเอง
"ความดัน" เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่ส่งผลต่อการดำเนินไปข้างหน้าของปฏิกิริยา ปฏิกิริยา pyrolysis นี้จะดำเนินไปข้างหน้าได้ดีที่ความดัน "ต่ำ" แต่ทั้งนี้ความดันแก๊สที่ออกจาก pyrolysis heater จะต้องมากพอที่จะไหลผ่าน transfer line exchanger และ quench tower ได้อย่างสะดวก และจะต้องไม่ต่ำจนทำให้ compressor (ที่ใช้ในการเพิ่มความดันแก๊สก่อนส่งเข้าระบบทำความเย็นเพื่อกลั่นแยก) นั้นทำงานไม่ได้ (ต้องไม่ให้ compressor เกิดการ surging)
รูปที่ ๕ และ ๖ เป็น process flow diagram ของหน่วย propane vaporizer โรงงานโอเลฟินส์โรงแรกของประเทศไทยนั้นมีกระบวนการผลิตโพรพิลีนอยู่ ๒ กระบวนการด้วยกัน กระบวนการแรกคือการใช้ pyrolysis heater ตัวเดียวกับที่ใช้ในการผลิตเอทิลีน กระบวนการที่สองคือกระบวนการ oleflex ที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา
รูปที่ ๕ Process flow diagram ของหน่วย propane vaporizer สำหรับระเหยโพรเพนและผสมไอน้ำก่อนป้อนเข้าสู่ pyrolysis heater
รูปที่ ๖ Process flow diagram ของหน่วย propane vaporizer ต่อจากรูปที่ ๕
กระบวนการ oleflex ที่ใช้ผลิตโพรพิลีนจากโพรเพนนั้น ดูเหมือนว่าตอนที่มาตั้งที่ประเทศไทยนั้นจะเป็นโรงงานขนาด commercial scale โรงงานแรกของโลก ที่เลือกใช้กระบวนการนี้ก็เพราะเชื่อว่าจะได้โพรพิลีนในสัดส่วนที่สูงกว่ากระบวนการ thermal cracking ทั่วไป ได้ยินมาว่าในช่วงที่เริ่มเดินเครื่องนั้นก็มีปัญหากันน่าดูชมเหมือนกัน
ปิดท้ายด้วยรูปถ่ายที่ถ่ายเอาไว้เมื่อบ่ายวันวาน เพราะแปลกใจเห็นมากันครบ ๕ คน แต่เห็นมีคนทำงานอยู่ ๒ คน ที่เหลือเป็นกองเชียร์ ส่วนใครเป็นคนทำงาน ใครเป็นกองเชียร์ ก็ดูกันเอาเองก็แล้วกัน :) :) :)
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น