วันอาทิตย์ที่ 29 พฤษภาคม พ.ศ. 2559

ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๙ Charge gas compression ภาค ๑ MO Memoir : Sunday 29 May 2559

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))

อยากที่ทราบกัน 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

ไม่มีความคิดเห็น: