ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๘ Quench water system MO Memoir 2559 Apr 7 Thu

กระบวนการผลิตในโรงงานอุตสาหกรรมเคมีและปิโตรเคมีนั้นมีความต้องการทั้งการทำให้สิ่งที่เย็น (มีอุณหภูมิต่ำ) ร้อนขึ้น และทำให้สิ่งที่ร้อน (มีอุณหภูมิสูง) เย็นลง ถ้าสามารถนำความร้อนจากสิ่งที่ร้อน (ที่ต้องการทำให้เย็นตัวลง) ถ่ายถอดให้กับสิ่งที่เย็นกว่า (ที่ต้องการทำให้ร้อนขึ้น) ได้มากเท่าใด ก็จะสามารถประหยัดพลังงานที่ต้องใส่เพิ่มเติมเข้าไปในกระบวนการผลิตได้มากเท่านั้น
 

คุณค่าของความร้อนนั้นขึ้นอยู่กับ "อุณหภูมิ" เป็นหลัก เนื่องจากปริมาณความร้อนคือผลคูณของค่า mc_p(T-T_ref) เมื่อ m คือมวล c_p คือค่าความจุความร้อน และ T คืออุณหภูมิ ที่ปริมาณความร้อนเท่ากัน ปริมาณความร้อนจากสิ่งที่มีค่า m ต่ำแต่ T สูง จะใช้ประโยชน์ได้มากกว่าปริมาณความร้อนจากสิ่งที่มีค่า m สูงแต่ะ T ต่ำ
 

เพื่อให้การดึงเอาความร้อนกลับทำได้มากที่สุด หลักการโดยทั่วไปของการแลกเปลี่ยนความร้อนคือจะพยายามไม่จับคู่ระหว่างสายร้อนกับสายเย็นที่มีอุณหภูมิต่างกันมาก (เช่นจะไม่เอาสายร้อนที่มีอุณหภูมิ 500ºC มาให้ความร้อนแก่สายเย็นที่มีอุณหภูมิ 100ºC แต่จะพยายามเอาสายร้อนที่มีอุณหภูมิ 500ºCนี้มาถ่ายเทความร้อนให้กับสายที่มีอุณหภูมิ 350-400ºC ที่ต้องการทำให้ร้อนขึ้น และนำเอาสายร้อนที่มีอุณหภูมิ 150-200ºC ที่ต้องการทำให้เย็นตัวลง มาถ่ายเทความร้อนให้กับสายเย็นที่มีอุณหภูมิ 100ºC และพยายามจับคู่ในทำนองนี้ไปเรื่อย ๆ (ถ้าทำได้)

แต่ก็มีบางครั้งเหมือนกันที่เราจำเป็นต้องการทำให้สายร้อนนั้นเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วจนมีอุณหภูมิต่ำด้วยเหตุผลบางประการ เช่น ต้องการลดอุณหภูมิเพื่อหยุดยั้งการเกิดปฏิกิริยา

จากที่เล่ามาก่อนหน้านี้ แก๊สร้อนที่ออกจาก pyrolysis heater ที่มีอุณหภูมิในช่วง 700-1000ºC จะถูกลดอุณหภูมิให้ต่ำลงอย่างรวดเร็วที่ transfer line exchanger (TLE) จนมีอุณหภูมิเหลือประมาณ 300-400ºC ความร้อนที่ดึงออกไป ณ ที่นี้ถูกนำไปใช้ในการผลิตไอน้ำความดันสูง เพื่อที่จะหยุดปฏิกิริยาข้างเคียงที่ไม่ต้องการ (ที่ยังสามารถเกิดขึ้นได้อยู่) ในแก๊สที่ออกมาจาก transfer line exchanger จึงจำเป็นต้องลดอุณหภูมิแก๊สร้อนดังกล่าวให้ลดต่ำลงอย่างรวมเร็ว และวิธีการที่ใช้กันก็คือให้แก๊สร้อนดังกล่าว "สัมผัสโดยตรง" กับน้ำในอุปกรณ์ที่เรียกว่า quench tower
 

quech tower มีลักษณะเป็นหอสูงวางตั้งในแนวดิ่ง แก๊สร้อนไหลเข้าทางด้านล่างขอหอขึ้นสู่ด้านบน ในขณะที่มีการป้อนน้ำระบายความร้อนจากทางด้านบนให้ไหลลงล่างสวนทางกับการไหลของแก๊สร้อน เพื่อให้มีการสัมผัสกันที่ดีระหว่างแก๊สร้อนและน้ำระบายความร้อน ภายใน quench tower จึงติดตั้งอุปกรณ์ช่วยเพิ่มพื้นที่การสัมผัส โดยอาจเป็น tray หรือ packing ก็ได้ (ขึ้นอยู่กับการออกแบบ) รูปแบบใน diagram ต่าง ๆ ที่นำมาแสดงในที่นี้เป็นรูปแบบ tray (ถ้าสงสัยว่าหน้าตาของ tray เป็นอย่างไรนั้น ขอให้ย้อนกลับไปดู Memoir ปีที่ ๗ ฉบับที่ ๙๑๕ วันเสาร์ที่ ๓ มกราคม ๒๕๕๘ เรื่อง "ทำความรู้จักหน้าตา Tray หอกลั่น" ซึ่งสำหรับ quench tower แล้วมันก็เป็นแบบเดียวกัน เพียงแต่จะเลือกใช้หน้าตาแบบไหนเท่านั้นเอง) รูปที่ ๑ เป็นภาพรวมทั่วไปของ quench water system ส่วนรูปที่ ๒ และ ๓ นั้นเป็น process flow diagram (PFD) ของกระบวนการ
 

ตรงนี้ขอทบทวนนิดนึงว่า ตรง transfer line exchanger นั้นเราไม่ต้องการให้แก๊สร้อนเกิดการควบแน่นที่นั่น แต่ที่ quench tower นี้ เราต้องการให้ทุกตัวที่ควบแน่นได้เกิดการควบแน่นให้ได้มากที่สุด

รูปที่ ๑ ภาพรวมทั่วไปของ Quench water system

รูปที่ ๒ Process Flow Diagram (PFD) ของ Quench water system

เมื่อแก๊สร้อนสัมผัสกับน้ำเย็นที่ quench tower องค์ประกอบที่ควบแน่นได้ในแก๊สก็จะควบแน่นออกมาเป็นของเหลว ซึ่งได้แก่ไอน้ำ (ที่ป้อนเข้าไปก่อนเข้า pyrolysis heater) ที่ควบแน่นและรวมตัวเข้ากับน้ำระบายความร้อน ไฮโดรคาร์บอนหนัก (ตั้งแต่ C₅ ขึ้นไป) ที่จะควบแน่นและลอยอยู่บนผิวหน้าน้ำที่อยู่ทางด้านล่างของ quench tower (รูปที่ ๒ ในกรอบสีชมพู) หรือใน settling drum (รูปที่ ๑) นอกจากนี้ในชั้นน้ำก็ยังมีไฮโดรคาร์บอนบางส่วนละลายเข้าไปปนอยู่ และในชั้นไฮโดรคาร์บอนเองก็ยังมีไฮโดรคาร์บอนเบาพวก C₃-C₄ ละลายปนอยู่ด้วยบางส่วน

รูปที่ ๓ Process Flow Diagram (PFD) ของ Quench water system (ต่อ)

โรงงานผลิตเอทิลีนเป็นโรงงานที่มีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้าง กล่าวคือมีการทำงานที่อุณหภูมิสูงแตะระดับ 1000ºC ที่ pyrolysis heater ไปจนถึงระดับที่ต่ำประมาณ -100ºC ที่หน่วยกลั่นแยกไฮโดรคาร์บอนเบา แก๊สที่มาจาก transfer line exchanger นั้นมีอุณหภูมิสูงในขณะที่น้ำรับความร้อนนั้นมีอุณหภูมิต่ำ ดังนั้นเพื่อที่จะไม่ให้น้ำรับความร้อนนั้นเดือดกลายเป็นไอไปหมด ปริมาณน้ำที่ป้อนเข้ามาจึงต้องมากเพื่อที่จะรับความร้อนจากแก๊สร้อนได้โดยไม่เดือด น้ำร้อนที่เกิดขึ้นที่ quench tower นี้สามารถนำไปใช้ให้ความร้อนให้กับกระบวนการกลั่นแยกไฮโดรคาร์บอนที่ทำงานอุณหภูมิที่ต่ำกว่าได้
 

ในตัวอย่างที่นำมาแสดงนี้ น้ำรับความร้อนส่วนใหญ่ป้อนเข้าที่ตำแหน่ง tray ที่ 6 แต่แก๊สที่ผ่านพ้น tray ที่ 6 นี้ไปก็ยังมีไอน้ำบางส่วนปะปนอยู่ ไอน้ำที่ปะปนอยู่นี้จะเพิ่มปริมาตรการไหลของแก๊สที่ส่งต่อไปยังคอมเพรสเซอร์ ซึ่งเป็นการเพิ่มภาระการทำงานของคอมเพรสเซอร์ และยังก่อให้เกิดปัญหาการควบแน่นขึ้นที่คอมเพรสเซอร์ด้วย ดังนั้นเพื่อที่จะลดปริมาณไอน้ำนี้ จึงมีการป้อนน้ำระบายความร้อนที่เย็นกว่าเข้าที่ tray ที่ 1 เพื่อควบแน่นไอน้ำในแก๊สออกมาอีก ในรูปที่ ๒ นั้นน้ำที่ป้อนเข้าที่ tray 6 มีอุณหภูมิ 55ºC ในขณะที่น้ำที่ป้อนเข้า tray 1 มีอุณหภูมิ 39ºC (ถ้าจะให้ดีควรต่ำสัก 36ºC หรือต่ำลงไปอีกถ้าหากทำได้)

แก๊สที่ออกจากทางด้านบนของ quench tower ยังมีโอกาสที่จะเกิดการควบแน่นได้ในระหว่างทาง ถ้าหากระบบท่อมีจุดที่ของเหลวสามารถสะสมได้ (เช่นมีบริเวณที่เป็นรูปตัว U ลงล่าง) ของเหลวที่สะสมจนปิดการไหลของแก๊สจะส่งผลให้ความดันใน quench tower เพิ่มสูงขึ้น ดังนั้นเพื่อป้องกันไม่ให้ของเหลวสะสมจนเกิดการอุดตันการไหล การออกแบบการเดินท่อด้านขาออกในการทำงานจรึงจึงต้องคำนึงถึงจุดนี้ด้วย (ในรูปที่ ๔ จะมีเขียนไว้ว่า "Do not pocket") ของเหลวที่เกิดการควบแน่นนี้จะถูกแยกออกจากแก๊สที่ compresser suction drum ที่เป็นหน่วยแยกของเหลวออกจากแก๊สก่อนส่งเข้าคอมเพรสเซอร์
 

นอกจากนี้ในแก๊สยังมีแก๊สกรดเช่น H₂S และ SO₂ ที่เกิดจากสารประกอบกำมะถันในวัตถุดิบและ CO₂ ที่เกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียง แก๊สเหล่านี้เมื่อละลายน้ำจะทำให้ค่า pH ของน้ำลดต่ำลง (คือกลายเป็นกรด) เกิดการกัดกร่อนอุปกรณ์ได้ ด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นต้องมีการสะเทินกรดที่เกิดขึ้นด้วยการเติมเบสเข้าไป ในรูปที่ ๑ นั้นใช้การเติม NH₃ ในขณะที่ในรูปที่ ๒ นั้นใช้การเติมสารละลาย NaOH (ตรงที่เขียนว่า corrosion inhibitor) ค่า pH ที่เหมาะสมของน้ำจะอยู่ระหว่าง 6-7 ที่ค่า pH ต่ำกว่านี้จะเกิดการกัดกร่อน และที่ค่า pH สูงเกินกว่านี้มีแนวโน้มจะทำให้น้ำและน้ำมันรวมตัวกันเป็นอีมัลชัน ทำให้แยกออกจากกันได้ยากหรือแยกออกจากกันไม่ได้
 

การไล่ไฮโดรคาร์บอนที่ละลายอยู่ในน้ำทำได้ด้วยการให้ความร้อนแก่น้ำนั้น เช่นด้วยการฉีดไอน้ำลงไปในน้ำดังกล่าวที่หอ process water stripper และในทำนองเดียวกันการไล่ไฮโดรคาร์บอนเบา (พวก C₃-C₄) ออกจากไฮโดรคาร์บอนหนัก (ตั้งแต่ C₅ ขึ้นไป) ก็ทำได้ด้วยการให้ความร้อนแก่ไฮโดรคาร์บอนนั้น (ในรูปที่ ๑ ใช้การให้ความร้อนผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ด้านล่างของหอ gasoline stripper ไม่ได้ใช้การฉีดไอน้ำเข้าไปโดยตรง ทั้งนี้คงเป็นเพราะไม่ต้องการให้มีหน่วยแยกน้ำและน้ำมันเพิ่มเข้ามาอีก และไม่ต้องการมีปัญหาเรื่องการแยกน้ำมันออกจากน้ำเพิ่มเข้ามาอีก)
 

quench tower เป็นหน่วยที่ตั้งอยู่ระหว่างสองหน่วยที่ต้องการความดันในการทำงานแตกต่างกัน pyrolysis heater นั้นต้องการความดันในการทำงานที่ต่ำเพื่อให้ปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าได้มากขึ้น ดังนั้นจึงจำเป็นที่ต้องทำให้ความดันที่ quench tower ต่ำเท่าที่จะต่ำได้เพื่อให้แก๊สไหลผ่าน pyrolysis heater ได้ง่ายที่ความดันต่ำ ส่วนคอมเพรสเซอร์นั้นต้องการความดันแก๊สขาเข้าที่สูงพอ (ยิ่งสูงยิ่งดี) เพื่อที่จะทำให้คอมเพรสเซอร์ทำงานได้ดี (ไม่ต้องกังวลปัญหาเรื่องการเกิด surging) ดังนั้นแก๊สที่ออกมาจาก quench tower จึงควรที่ต้องมีความดันที่สูงพอที่ทำให้คอมเพรสเซอร์ทำงานได้ราบลื่น ในรูปที่ ๑ นั้นจึงมีสาย Fuel gas vacuum breaker ทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้เกิดสุญญากาศในระบบ quench tower ซึ่งไม่เพียงแต่จะช่วยป้องกันไม่ให้อุปกรณ์เสียหายถ้าเกิดสุญญากาศในระบบ แต่ยังช่วยป้องกันไม่ให้ความดันในระบบต่ำเกินไปจนคอมเพรสเซอร์ไม่สามารถทำงานได้ (ในรูปที่ ๔ ก็มีระบบนี้เช่นเดียวกัน คือมีสาย purge gas สองสายเข้าตรงกลางหอ quench tower)
 

อีกจุดหนึ่งที่อยากให้สังเกตคือตรงด้านล่างของ quench tower ในรูปที่ ๔ ในกรอบสีชมพูที่มีการกำหนดความสูงของก้นหอจากพื้น น้ำระบายความร้อนที่ลงมาถึงก้นหอจะมีอุณหภูมิสูง ใกล้จุดเดือด ดังนั้นจะเดือดได้ง่ายถ้าความดันน้ำที่ทางเข้าปั๊มมีไม่มากพอ (ค่า Net Positive Suction Head หรือ NPSH ไม่มากพอ) เพื่อที่จะแก้ปัญหาดังกล่าวจึงจำเป็นที่ต้องให้ระดับผิวบนของของเหลวอยู่สูงจากทางเข้าปั๊มมากพอ จะทำให้ความดันของเหลว ณ ทางเข้าปั๊มนั้นสูงพอที่จะกดของเหลวเอาไว้ไม่ให้เกิดการเดือดในปั๊ม

รูปที่ ๔ ตัวอย่าง Piping & Instrumental Diagram (P&ID) ของ Quench water system

เรื่องการปั๊มของเหลวอุณหภูมิที่จุดเดือดหรือใกล้จุดเดือดนี้เคยเล่าไว้ครั้งหนึ่งแล้วใน Memoir ปีที่ ๖ ฉบับที่ ๗๔๑ วันอาทิตย์ที่ ๒ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๗ เรื่อง "ปั๊มหอกลั่น" ซึ่งก็ประสบกับปัญหาแบบเดียวกัน

รูปที่ ๕ ตัวอย่าง Piping & Instrumental Diagram (P&ID) ของ Quench water system (ต่อ)

ฉบับนี้คงต้องจบลงเพียงแค่นี้ ตอนต่อไปจะเป็นเรื่องของคอมเพรสเซอร์แล้ว