ห่างหายไปเกือบ
๒ เดือนกว่าจะกลับมาเขียนเรื่องนี้ต่อใหม่
แต่ก่อนอื่นเราลองมาทบทวนกระบวนการผลิตกันก่อนสักนิด
เพื่อจะได้เห็นภาพเงื่อนไขต่าง
ๆ ที่เป็นข้อจำกัด
เพราะมันส่งผลต่อการทำงานระหว่างหน่วย
upstream
และ
downstream
ปฏิกิริยาการแตกตัวของไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่ไปเป็นเอทิลีนนั้นเกิดได้ดีขึ้นถ้าระบบมี
"ความดันต่ำ"
และหนึ่งในวิธีการที่ทำให้ความดันในการเกิดปฏิกิริยาต่ำนั้นก็คือการเติมไอน้ำเข้าไปในระบบเพื่อเจือจางไฮโดรคาร์บอนในระบบ
แต่ความดันที่ต่ำนั้นก็ส่งผลต่อการสลายตัวของผลิตภัณฑ์ไปเป็น
coke
(สารประกอบ
polyaromatic
rings) ที่เป็นของแข็งสะสมค้างในระบบท่อของ
pyrolysis
heater ด้วย
โดยจะไปทำให้เกิด coke
ได้มากขึ้น
และเมื่อมี coke
สะสมในระบบมากถึงระดับหนึ่ง
ก็จำเป็นต้องมีการหยุดเดินเครื่อง
pyrolysis
heater เพื่อกำจัด
coke
ที่สะสม
(กรณีของโรงงานที่มีกำลังการผลิตระดับ
230,000
tpa ที่ยกมาเป็นตัวอย่างนี้
มี pyrolysis
heater อยู่ด้วยกัน
7
ตัว)
แก๊สร้อนที่ออกจาก
pyrolysis
heater จะถูกลดอุณหภูมิให้ต่ำลงอย่างรวดเร็วด้วยการผ่านเข้า
transfer
line exchanger เพื่อหยุดปฏิกิริยาการสลายตัวของผลิตภัณฑ์
และส่งต่อเข้า quench
tower ที่ลดอุณหภูมิของแก๊สให้ต่ำลงด้วยการสัมผัสกับน้ำโดยตรง
ดังนั้นแก๊สที่ผ่านออกมาจาก
quench
tower จะเป็นแก๊สที่อิ่มตัวไปด้วยน้ำ
จากนั้นจะทำการเพิ่มความดันให้กับแก๊สนั้นด้วยการใช้คอมเพรสเซอร์เพื่อส่งเข้าหน่วยกลั่นแยกต่อไป
และคำถามที่เกิดขึ้นตามมาคือควรจะเพิ่มความดันให้สูงขึ้นเป็นเท่าใดดี
เวลาที่เราส่งของเหลวจากหน่วยหนึ่งไปยังอีกหน่วยหนึ่ง
เป็นเรื่องปรกติที่เราจะต้องใช้ปั๊มช่วยในการส่ง
(จะมียกเว้นบ้างการเช่นให้ไหลด้วยแรงโน้มถ่วง
หรือใช้ความดันช่วยส่งจากภาชนะต้นทางไปยังภาชนะปลายทาง)
เมื่อเทียบกับคอมเพรสเซอร์แล้ว
ปั๊มนั้นราคาถูกกว่า
การใช้งานและการบำรุงรักษาง่ายกว่าเยอะ
ดังนั้นในกรณีถ้าเป็นแก๊สจะเป็นการดีกว่าถ้าเราสามารถออกแบบระบบให้มีความดันด้าน
upstream
ที่สูง
และค่อย ๆ ลดต่ำลงไปเรื่อย
ๆ ทางด้าน downstream
เพื่อที่จะได้ติดตั้งคอมเพรสเซอร์เพิ่มความดันเพียงชุดเดียวทางด้าน
upstream
และปล่อยให้แก๊สนั้นไหลต่อไปได้เองไปทางด้าน
downsteam
ที่มีความดันต่ำกว่า
คอมเพรสเซอร์เป็นเครื่องจักรที่ซับซ้อนและราคาแพงกว่าปั๊ม
ยิ่งเป็นคอมเพรสเซอร์เครื่องใหญ่
ๆ ด้วยแล้ว
การมีคอมเพรสเซอร์อีกเครื่องหนึ่งเป็นเครื่องสำรองเหมือนกันเวลาติดตั้งปั๊มนั้นคงไม่มีใครทำ
ด้วยเหตุนี้การทำงานของคอมเพรสเซอร์จึงต้องมีความสามารถในการไว้วางใจได้สูง
(มี
reliability
สูง)
เรียกว่าตัวคอมเพรสเซอร์เองต้องสามารถเดินเครื่องได้ต่อเนื่องยาวติดต่อกันนับตั้งแต่เริ่มเดินเครื่องไปจนถึงโรงงานมีการหยุดการเดินเครื่องเพื่อการซ่อมบำรุง
(จะเรียกว่าควรต้องสามารถเดินเครื่องได้ตลอด
24
ชั่วโมงติดต่อกันทั้งปีก็ได้
ไม่ใช่แบบว่าผ่านไป 6
เดือนก็ต้องมีการหยุดเดินเครื่องเพื่อเปลี่ยนชิ้นส่วน)
ในกระบวนการผลิตเอทิลีนนั้น
การแยกไฮโดรคาร์บอนต่าง ๆ
ออกจากกันใช้กระบวนการกลั่นเป็นหลัก
ในกระบวนการนี้จะทำการลดอุณหภูมิแก๊สเพื่อเปลี่ยนให้เป็นของเหลวก่อน
จากนั้นจึงป้อนเข้าสู่กระบวนการกลั่นแยก
เริ่มจากการแยกแก๊สเบาที่อุณหภูมิต่ำก่อน
และค่อย ๆ แยกแก๊สที่หนักขึ้นเรื่อง
ๆ ที่อุณหภูมิที่สูงขึ้นเรื่อย
ๆ
ทึ่ความดันสูง
แก๊สจะควบแน่นเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิที่สูงขึ้น
ดังนั้นถ้าเราทำการกลั่นแยกแก๊สที่ความดันสูง
เราจะสามารถประหยัดค่าใช้จ่ายของระบบทำความเย็น
คือไม่ต้องใช้ระบบทำความเย็นที่ทำอุณหภูมิได้ต่ำมาก
ซึ่งส่งผลต่อการต้องใช้วัสดุที่สามารถทนอุณหภูมิต่ำได้
แต่เราจะไปสิ้นเปลืองค่าใช้จ่ายในการเพิ่มความดันให้กับแก๊สนั้น
และค่าใช้จ่ายเรื่องตัวอุปกรณ์ที่ต้องรับความดันสูงได้นั้นแทน
(เช่นตัวอุปกรณ์ต่าง
ๆ ที่ต้องมีผนังที่หนาขึ้น)
ระบบลดอุณหภูมิแก๊สให้ลดต่ำลงจนติดลบมาก
ๆ
นั้นมันได้มีแค่ระบบทำความเย็นเพียงระบบเดียวแบบที่เราเห็นกันในตู้เย็น
แต่ประกอบด้วยระบบทำความเย็นหลายระบบทำงานประสานกัน
กล่าวคือระบบทำความเย็นที่ลดอุณหภูมิลงต่ำไม่มากจะใช้ในการทำความเย็นให้กับสาร
refrigerant
ที่ใช้ทำความเย็นในระบบทำความเย็นที่อุณหภูมิต่ำลงไปอีก
และเป็นเช่นนี้ไปเรื่อย ๆ
ขึ้นอยู่กับว่าเราต้องการอุณหภูมิลดต่ำลงแค่ไหน
ดังนั้นถ้าเราไม่ต้องลดอุณหภูมิให้ต่ำลงไปมาก
ระบบทำความเย็นก็จะมีความซับซ้อนที่น้อยลงไปด้วย
ลองดูตัวอย่างของแก๊สมีเทน
(methane
CH4) ก็ได้ครับ
ทึ่ความดัน 1
atm มีเทนจะควบแน่นเป็นของเหลวที่อุณหภูมิ
-161.5ºC
แต่ที่ความดัน
32.8
atm มีเทนจะควบแน่นเป็นของเหลวที่อุณหภูมิ
-90ºC
ในทำนองเดียวกันเอทิลีน
(ethylene
C2H4)
ทึ่ความดัน
1
atm จะควบแน่นเป็นของเหลวที่อุณหภูมิ
-103.7ºC
แต่ที่ความดัน
32.8
atm เอทิลีนจะควบแน่นเป็นของเหลวที่อุณหภูมิ
-6.1ºC
หมายเหตุ
:
คำนวณอุณหภูมิจุดเดือดจากค่าความดันไอ
โดย (จาก
https://en.wikipedia.org)
มีเทนใช้สมการ
log P(mmHg)
= 6.61184 - 389.93/(266.00 + T(ºC))
เอทิลีนใช้สมการ
log P(mmHg) =
6.74756 - 585.00/(255.00 + T(ºC))
อย่างที่ทราบกัน
แก๊สเมื่อถูกอัดให้มีปริมาตรเล็กลงอย่างรวดเร็ว
จะมีอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น
และแก๊สที่มีอุณหภูมิสูงชอบที่จะขยายตัวเพิ่มปริมาตร
ดังนั้นการอัดแก๊สให้มีความดันเพิ่มขึ้นจะประสบกับปัญหานี้คือเมื่อเราพยายามเพิ่มความดันให้กับแก๊ส
แก๊สก็จะมีแรงต้านมากขึ้น
(จากการที่มันมีอุณหภูมิสูงขึ้น)
ด้วยเหตุนี้เพื่อที่จะลดแรงต้านทานดังกล่าว
การเพิ่มความดันที่สูงให้กับแก๊สจึงไม่กระทำในขั้นตอนเดียว
แต่จะประกอบด้วยขั้นตอนย่อย
ๆ (stage)
ตั้งแต่สองขั้นตอนขึ้นไป
โดยก่อนที่แก๊สจะเข้าสู่ขั้นตอนการอัดขั้นตอนถัดไปนั้น
จะมีการลดอุณหภูมิแก๊สให้เย็นลงก่อนที่จะถูกอัดเพิ่มความดันซ้ำ
centrifugal
compressor ที่ใช้กันทั่วไปออกแบบมาเพื่อใช้ในการเพิ่มความดันให้กับแก๊ส
ไม่ได้ออกแบบมาเพื่อรองรับแก๊สที่มีหยดของเหลวหรืออนุภาคของแข็งแขวนลอยปะปนอยู่
เพื่อป้องกันความเสียหายที่จะเกิดขึ้นกับตัวคอมเพรสเซอร์จึงจำเป็นต้องมีการแยกเอาอนุภาคหยดของเหลวหรือของแข็งที่แขวนลอยปะปนอยู่ออกไปก่อน
วิธีการหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปก็คือการติดตั้ง
suction
drum ซึ่งก็เป็นเพียงแค่ถังเปล่า
ๆ ใบหนึ่ง
อาศัยหลักการขยายพื้นที่หน้าตัดการไหลของแก๊ส
เมื่อพื้นที่หน้าตัดใหญ่ขึ้น
ความเร็วในการไหลก็ลดลง
ทำให้หยดของเหลวหรืออนุภาคของแข็งที่แขวนลอยอยู่นั้นตกลงสู่เบื้องล่าง
หรือในบางครั้งอาจมีการติดตั้ง
mist
eliminator เพื่อช่วยในการดักจับหยดของเหลวขนาดเล็ก
หรือไม่ก็อาศัยการเปลี่ยนทิศทางกระทันหันของการไหล
ซึ่งหยดของเหลวและอนุภาคของแข็งที่หนักกว่าจะไหลไปในทิศทางหนึ่ง
ส่วนแก๊สที่เบากว่าก็จะไหลไปในอีกทิศทางหนึ่ง
(คล้าย
ๆ การทำงานของไซโคลน)
ในกรณีของปั๊มเรามีเรื่องของ
Net
Positive Suction Head หรือที่เรียกว่าย่อ
NPSH
(ที่เกี่ยวข้องกับความดันด้านขาเข้าปั๊ม)
เป็นปัจจัยหนึ่งในการกำหนดความสามารถในการทำงานของปั๊ม
ในกรณีของคอมเพรสเซอร์ก็เช่นกัน
ความดันด้านขาเข้าหรือ
suction
pressure ก็เป็นตัวกำหนดความสามารถของคอมเพรสเซอร์ในการอัดแก๊ส
ความดันด้านขาเข้าที่สูงจะช่วยให้แก๊สไหลเข้าคอมเพรสเซอร์ได้ดีขึ้น
ยิ่งคอมเพรสเซอร์ที่มีอัตราการไหลที่สูงก็ยิ่งต้องการความดันด้านขาเข้าที่สูงขึ้นตามไปด้วย
และถ้าความดันนี้ต่ำเกินไปก็จะทำให้คอมเพรสเซอร์เกิดการ
surge
(หรือ
surging)
ขึ้นได้
(ถ้ายังไม่รู้ว่า
surge
คืออะไร
สามารถอ่านย้อนหลังได้ใน
memoir
ปีที่
๕ ฉบับที่ ๕๗๘ วันเสาร์ที่
๑๖ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๖ เรื่อง
"Centrifugal compressor กับการเกิด Surge และการป้องกัน"
รูปที่
๑ ตัวอย่าง process
flow diagram (PFD) ของระบบอัดแก๊ส
3
ขั้นตอนแรก
(จากทั้งหมด
5
ชั้นตอน)
ของโรงงานผลิตเอทิลีนแห่งหนึ่ง
เล่ามาถึงจุดนี้แล้วพอจะมองเห็นข้อขัดแย้งในการทำงานระหว่า
pyrolysis
heater กับคอมเพรสเซอร์หรือเปล่าครับ
ถ้าต้องการให้ปฏิกิริยา
pyrolysis
ของไฮโดรคาร์บอนดำเนินไปข้างหน้าได้ดี
ความดันในการทำงานของ
pyrolysis
heater ก็ควรมีค่าต่ำ
ตรงนี้มันส่งผลทำให้ความดันด้านขาออกจาก
quench
tower ที่อยู่ก่อนเข้าคอมเพรสเซอร์ต้องต่ำลงไปด้วย
ซึ่งไปส่งผลต่อความสามารถในการดูดแก๊สเข้าของคอมเพรสเซอร์
ดังนั้นจึงต้องหาความสมดุลระหว่างความดันต่ำสุดที่
pyrolysis
heater จะทำงาน
ที่ทำให้ความดันแก๊สด้านขาออกจาก
quench
tower
ก่อนเข้าคอมเพรสเซอร์นั้นยังคงสูงพอที่จะทำให้คอมเพรสเซอร์ทำงานได้อย่างราบรื่น
นอกจากนี้โดยทั่วไปนั้นโรงงานจะมีหน่วย
pyrolysis
heater หลายหน่วยที่ส่งแก๊สมายัง
quench
tower เดียวกัน
และไหลเข้าสู่คอมเพรสเซอร์เครื่องเดียวกัน
แต่ในระหว่างการเดินเครื่องนั้นอาจต้องทำการหยุดเดินเครื่อง
pyrolysis
heater บางตัวเพื่อทำการ
decoking
(กำจัด
coke
ที่สะสมใน
tube)
ดังนั้นการออกแบบคอมเพรสเซอร์จึงต้องคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงค่าอัตราการไหลที่เปลี่ยนแปลงไปตามจำนวน
pyrolysis
heater ที่เดินเครื่องอยู่ด้วย
รูปที่
๑ เป็น process
flow diagram (PFD)
ของโรงงานผลิตเอทิลีนแห่งหนึ่งที่ใช้กระบวนการอัดแก๊ส
5
ขั้นตอนในการเพิ่มความดันแก๊สจากความดันประมาณ
1.38
bar.a ให้สูงขึ้นเป็น
37.4
bar.a (ความดันสัมบูรณ์)
รูปที่นำมาแสดงเป็นเพียงแค่
3
ขั้นตอนแรกของการอัด
(เคยเห็นโรงงานที่สร้างภายหลังออกแบบกระบวนการอัดที่มีขั้นตอนการอัดเพียงแค่
4
ขั้นตอน
แต่ทั้งนี้จะมีกี่ขั้นตอนก็ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขต่าง
ๆ ในการทำงาน)
แก๊สที่มาจาก
quench
tower ที่อิ่มตัวไปด้วยน้ำ
จะรวมเข้ากับแก๊สที่ไหลเวียนกลับมาจากหน่วยอื่น
และไหลเข้า 1st
stage suction drum เพื่อแยกเอาของเหลวออกก่อน
(หยดน้ำและไฮโดรคาร์บอนหนัก)
ที่จะเข้าสู่ขั้นตอนการอัดขั้นตอนแรก
แก๊สที่ผ่านการอัดในขั้นตอนแรกจะถูกลดอุณหภูมิและไหลเข้าสู่
2nd
state suction drum
ที่ทำหน้าที่แยกของเหลวที่เกิดจากการควบแน่นออกก่อนที่แก๊สจะไหลเข้าสู่การอัดในขั้นตอนที่สาม
และแก๊สที่ออกจากการอัดในขั้นตอนที่สองก็จะเข้าสู่การระบายความร้อนและการแยกของเหลวออกเช่นเดียวกันก่อนไหลเข้าสู่ขั้นตอนการอัดขั้นที่สาม
แก๊สที่ออกจากขั้นตอนที่สามนั้น
ก่อนที่จะเข้าสู่ขั้นตอนที่สี่จะมีท่อแยกป้อนแก๊สกลับไปยังด้านขาเข้าของขั้นตอนแรก
(ท่อที่เรียกว่า
minimum
flow bypass) ท่อนี้มีไว้เพื่อป้องกันการเกิด
surging
กล่าวคือในกรณีที่ความดันด้านขาเข้าของคอมเพรสเซอร์ตัวแรกต่ำเกินไป
หรืออัตราการของแก๊สที่มาจาก
quench
tower นั้นต่ำเกินไป
(เช่นมีการหยุดเดินเครื่อง
pyrolysis
heater หลายตัว)
ก็จะทำการเปิดวาล์วเพื่อให้แก๊สด้านขาออกจากขั้นตอนการอัดขั้นตอนที่สามไหลย้อนมายังด้านขาเข้าของขั้นตอนการอัดขั้นตอนแรก
ด้วยวิธีการนี้จะสามารถคงปริมาณแก๊สที่ไหลผ่านระบบคอมเพรสเซอร์ให้คงที่ได้
แม้ว่าภาพโดยรวมแล้วปริมาณแก๊สก่อนเข้าระบบคอมเพรสเซอร์และที่ออกไปจากระบบคอมเพรสเซอร์จะลดลงก็ตาม
คอมเพรสเซอร์ชุดนี้ใช้ไอน้ำความดันสูงเป็นตัวขับเคลื่อน
(ที่ระบุไว้ใน
PFD
คือไอน้ำที่ความดัน
1500
psi) โดยแต่ละขั้นตอนการอัดนั้นอยู่บนเพลาเดียวกัน
ส่วนที่ว่าทำไม่ต้องมีการระบุว่าอุณหภูมิแก๊สด้านขาออกจากขั้นตอนการอัดแต่ละขั้นตอนก่อนเข้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนนั้นจึงมีการกำหนดไว้ไม่ให้เกิน
93ºC
เพราะมีเรื่องเสถียรภาพของแก๊สที่ทำการอัดเข้ามาเกี่ยวข้อง
ตรงนี้ขอเก็บเอาไว้เล่าต่อในฉบับต่อไปก็แล้วกัน