วันอาทิตย์ที่ 24 กรกฎาคม พ.ศ. 2559

ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๑๒ Charge gas dryers MO Memoir : Sunday 24 July 2559

เมื่อวันพฤหัสบดีที่ผ่านมา ได้มีโอกาสได้คุยเรื่องกระบวนการผลิตเอทิลีนกับวิศวกรที่เคยทำงานในโรงโอเลฟินส์แห่งหนึ่งที่ใช้อีเทนเป็นวัตถุดิบ แต่เป็นโรงงานที่สร้างหลังจากโรงงานแห่งแรกของประเทศไทยเกือบ ๒๐ ปี ก็ได้เห็นการออกแบบที่แตกต่างออกไป โดยเฉพาะในส่วนของการกลั่นแยกผลิตภัณฑ์
 
ในบรรดากิจกรรมที่มีการใช้พลังงานต่าง ๆ ในโลกนั้น กระบวนการกลั่นแยกสาร (เมื่อรวมทุกอุตสาหกรรมเข้าด้วยกัน) จัดว่าเป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานมากอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นการหาทางลดพลังงานที่ต้องใช้ในการกลั่นจึงยังเป็นหัวข้อที่มีการทำวิจัยกันอย่างต่อเนื่อง
 
อย่างเช่นในกรณีของการกลั่นแยกไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลเล็ก C1-C4 นั้น จำเป็นต้องทำการกลั่นแยกที่อุณหภูมิต่ำ ต้องมีการใช้ระบบทำความเย็นเข้ามาร่วม 
  
แก๊สที่ความดันสูงจะควบแน่นเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิที่สูงขึ้น ดังนั้นถ้ายอมสิ้นเปลืองพลังงานไปในการอัดแก๊ส ก็จะสิ้นเปลืองพลังงานของระบบทำความเย็นลดลง ในทางกลับกันถ้าไม่อัดแก๊สให้มีความดันสูงมาก ก็จะไม่สิ้นเปลืองพลังงานที่ต้องใช้ในขั้นตอนการอัด แต่จะไปเพิ่มภาระที่ระบบทำความเย็นที่ต้องสามารถทำความเย็นที่อุณหภูมิที่ต่ำลงไปอีก
 
ที่ความดันสูง อุปกรณ์ต่าง ๆ (ทั้งระบบท่อ หอกลั่น ฯลฯ) ต้องมีความหนามากกว่าที่ความดันที่ต่ำกว่า เรียกว่าสิ้นเปลืองวัสดุในการก่อสร้างมากกว่า
 
ที่ความดันที่ต่ำกว่า อุปกรณ์ต่าง ๆ ไม่จำเป็นต้องหนามาก แต่เนื่องจากต้องทำงานที่อุณหภูมิที่ต่ำกว่า นั่นอาจหมายถึงการต้องเปลี่ยนไปใช้วัสดุที่ทนอุณหภูมิต่ำได้ ซึ่งอาจหมายถึงราคาต่อหน่วยน้ำหนักที่สูงกว่า
 
คำถามที่ตามมาก็คือเมื่อเปรียบเทียบระหว่าง วัสดุราคาถูกในปริมาณมาก กับวัสดุราคาแพงในปริมาณที่น้อยกว่า อันไหนมีต้นทุนที่ต่ำกว่ากัน
 
คำตอบของคำถามต่าง ๆ ข้างต้นไม่มีคำตอบที่ตายตัว ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขและข้อจำกัดต่าง ๆ ของแต่ละโรงงานไป
 
ในกระบวนการที่เขาเล่าให้ผมฟังนั้น มีขั้นตอนการอัดเพียงแค่ ๓ ขั้นตอน (ไม่ใช่ ๕ ขั้นตอนที่ผมยกมาเป็นตัวอย่างในที่นี้) โดยเพิ่มความดันสูงไปที่ระดับเพียงแค่ 15-20 bar.g และทำการกลั่นแยกที่อุณหภูมิที่ต่ำกว่า
 
ที่ต้องมากล่าวเรื่องนี้ไว้ต้องนี้ก็เพราะต้องการย้ำว่าในการออกแบบนั้นควรคำนึงถึงหลักการเป็นหลัก ที่นำมาเล่าให้ฟังนี้เป็นเพียงแค่ตัวอย่างการออกแบบรูปแบบหนึ่งเท่านั้นเอง เพียงแต่ว่าในอดีตในยุคที่ยังไม่มีโปรแกรม simulation ต่าง ๆ และเครื่องคอมพิวเตอร์สมรรถนะสูงที่มีราคาถูกนั้น การคำนวณความคุ้มค่าและ/หรือความเป็นไปได้ของระบบที่แตกต่างไปจากเดิมมากนั้นมันไม่ใช่เรื่องง่าย

ที่นี้ขอกลับมาที่กระบวนการผลิตเอทิลีนที่ยกมาเป็นตัวอย่างนี้ต่อ ในกระบวนการกลั่นแยกนั้นจำเป็นต้องมีการลดอุณหภูมิลงต่ำมาก ดังนั้นจึงจำเป็นที่ต้องกำจัดสารใดก็ตามที่มีสิทธิแข็งตัวเป็นของแข็งในระบบได้ออกจากแก๊สนั้นก่อน เพราะมันจะทำให้ระบบอุดตันได้ และสารตัวหนึ่งในแก๊สที่กลายเป็นของแข็งได้ง่ายที่สุดก็คือน้ำ
 
การลดความชื้น (คือกำจัดน้ำนั่นแหละ) ของแก๊สทำได้หลายวิธีด้วยกัน การเพิ่มความดันให้กับแก๊ส ตามด้วยการลดอุณหภูมิก็เป็นวิธีการหนึ่ง (พวกปั๊มลมที่มีถังเก็บลมจึงต้องมีการระบายน้ำออกจากก้นถังเสมอ) แต่วิธีการนี้ก็ลดความชื้นลงได้ไม่มากนัก 
  
รูปที่ ๑ ตัวอย่าง Process Flow Diagram (PFD) ของระบบกำจัดความชื้นด้วยการดูดซับ แก๊สจากหน่วยอัดเพิ่มความดันจะไหลจากบนลงล่าง ส่วนแก๊สทีใช้ในการไล่ความชื้นจะไหลจากล่างขึ้นบน

การใช้ของเหลวชนิดอื่นที่มีจุดเดือดสูงกว่าน้ำ (พวกโมเลกุลมีขั้ว) และจับน้ำได้ดี มาเป็นตัวดูดซับน้ำออกจากแก๊สก็เป็นอีกวิธีการหนึ่ง ข้อดีของวิธีการนี้คือเป็นกระบวนการต่อเนื่องที่ประกอบด้วยการจับน้ำใน vessel หนึ่ง และนำของเหลวนั้นมาไล่น้ำที่จับเอาไว้ (เช่นด้วยการให้ความร้อน) ในอีก vessel หนึ่ง แต่ในกรณีนี้ก็ต้องคำนึงถึงโอกาสที่ของเหลวที่ใช้ในการดูดซับน้ำจะหลุดติดไปกับแก๊สแทนน้ำด้วย ว่าเป็นสิ่งที่ยอมรับได้หรือไม่ (การหลุดรอดไปอาจจะด้วยความดันไอของมันเอง (แม้ว่าจะต่ำก็ตาม) และการเกิด carrier over ในตัวอุปกรณ์ที่ใช้ในการสัมผัสแก๊สกับของเหลว)
 
ในกรณีที่ต้องการลดความชื้นให้เหลือระดับ ppm หรือต่ำกว่า (ในกรณีนี้ต้องการลดลงให้เหลือไม่เกิน 1 ppm) ดูเหมือนว่าการใช้ของแข็งเป็นตัวดูดซับจะเป็นวิธีการหลักที่ใช้กันในอุตสาหกรรม ในวิธีการนี้จะให้ของแข็งนั้นจับน้ำเอาไว้ที่อุณหภูมิต่ำ พอของแข็งนั้นจับน้ำเอาไว้จนอิ่มตัวก็ค่อยเอาแก๊สร้อนมาไล่น้ำที่ของแข็งนั้นจับเอาไว้ออกไป พอไล่น้ำออกไปหมดก็สามารถนำของแข็งนั้นมาใช้ดูดซับน้ำใหม่ได้ ดังนั้นระบบนี้จึงประกอบด้วย vessel อย่างน้อยสอง vessel ที่บรรจุสารดูดความชื้นเอาไว้ โดย vessel ตัวหนึ่งเป็นตัวทำงานหลัก และอีกตัวหนึ่งเป็นตัวสำรองที่จะทำงานเมื่อ vessel ตัวหลักดูดซับความชื้นจนอิ่มตัวไปทั้งเบด และถึงเวลาที่ต้องไล่ความชื้นออก
 
ขนาดและจำนวนของ vessel ขึ้นอยู่กับเวลา on stream จนเกิดการดูดซับจนอิ่มตัว และเวลาที่ต้องใช้ในการไล่ความชื้นออกจากสารดูดความชื้นที่ดูดซับเอาไว้จนอิ่มตัว (ขั้นตอนการฟื้นสภาพหรือ regenerate) ถ้าหากเวลา on stream จนเกิดการดูดซับอิ่มตัวนั้นยาวนานกว่าเวลาที่ต้องใช้ในการขั้นตอนการฟื้นสภาพ ก็มี vessel บรรจุสารดูดความชื้นเพียงแค่ 2 vessel ก็พอ แต่ถ้าเวลาที่ต้องใช้ในการฟื้นสภาพนั้นยาวนานกว่าเวลา on stream ในกรณีนี้ก็ต้องมี vessel บรรจุสารดูดความชื้นมากกว่า 2 vessel ตรงนี้ก็ขึ้นอยู่กับว่าในแก๊สนั้นมีความชื้นเท่าใด ถ้าแก๊สนั้นมีความชื้นสูง ระยะเวลา on stream ก็จะสั้นลง
 
ในกรณีที่พบว่าใช้ vessel บรรจุสารดูดความชื่นเพียงแค่ 2 vessel ก็พอ คำถามถัดมาก็คือจำเป็นไหมที่ต้องให้ 2 vessel นั้นมีขนาดที่เท่ากัน ตรงนี้ก็ขึ้นอยู่กับว่าเวลาที่ใช้ในการฟื้นสภาพนั้นยาวนานเท่าใดเมื่อเทียบกับเวลา on stream สมมุติว่าเวลา on stream ของ vessel ตัวหลักคือ 12 ชั่วโมง แต่เวลาที่ใช้ในการไล่ความชื้นออกนั้นนานเพียงแค่ 4 ชั่วโมงเท่านั้น ดังนั้นขนาดของ vessel ตัวสำรองก็ไม่จำเป็นต้องใหญ่เท่ากับขนาดของ vessel ตัวหลัก คือมีขนาดที่เล็กกว่าได้ โดยออกแบบให้รองรับการทำงานเพียงแค่ 4-6 ชั่วโมงก็ได้ (ถ้าคิดว่าการฟื้นสภาพ vessel ตัวหลักนั้นไม่น่าจะมีปัญหาใด ๆ) การทำแบบนี้ก็จะช่วยลดค่าใช้จ่ายในด้านขนาดของ vessel และปริมาณสารดูดความชื้นที่ใช้ แต่ถ้าพบว่าเวลาที่ต้องใช้ในการฟื้นสภาพนั้นไม่ได้ต่างจากเวลา on stream เท่าใดนัก ก็สามารถกำหนดให้ vessel ทั้งสองตัวนั้นมีขนาดเท่ากันได้
 
การเลือกชนิดสารดูดซับ (desiccant) ขึ้นอยู่กับระดับความชื้นที่ต้องการลดต่ำลง ในกรณีที่ต้องการลดความชื้นให้ต่ำลงมากก็ต้องเลือกใช้สารดูดซับที่จับโมเลกุลน้ำได้แน่นด้วย แต่เนื่องด้วยการดูดซับนั้นเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน สารดูดซับที่จับโมเลกุลน้ำได้แน่นจะคายความร้อนออกมามากกว่าสารดูดซับที่จับความชื้นได้ไม่แน่นหนาเท่า ปริมาณความร้อนที่คายออกมาตรงนี้ถ้ามีมากก็อาจต้องคำนึงถึงในการออกแบบด้วย เพราะมันจะทำให้เบดสารดูดซับร้อนขึ้น และมันยังส่งผลต่ออุณหภูมิที่ต้องใช้ในการไล่ความชื้นออกด้วย สารดูดซับที่จับความชื้นได้ไม่แน่น เช่นพวกซิลิกาเจลนั้น (ที่ใช้กันทั่วไปใน desiccator ในห้องแลปเคมี) เราสามารถไล่ความชื้นออกด้วยการให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงเกิน 100ºC ไม่มาก (เช่น110- 130ºC) ในขณะที่สารดูดซับที่สามารถจับความชื้นได้ดีนั้น (ซึ่งก็สามารถลดความชื้นในแก๊สให้ลดต่ำลงมากได้) เช่นพวก molecular sieve ต้องใช้อุณหภูมิในการไล่น้ำที่อุณหภูมิสูงเกินกว่า 200ºC (อาจสูงถึง 220ºC ได้) การใช้แก๊สอุณหภูมิสูงไล่ ทำให้เวลาที่ใช้ในการฟื้นสภาพน้อยลง แต่ถ้าใช้อุณหภูมิสูงเกินไป อายุการใช้งานของสารดูดซับจะสั้นลง
 
แก๊สร้อนที่ใช้ในการไล่ความชื้นออกนั้นจะไหลสวนทิศทางเมื่อเทียบกับทิศทางการไหลในขณะทำงาน โดยปรกติแก๊สที่ไหลเข้า fixed-bed นั้นจะไหลจากบนลงล่าง (จะได้ไม่ต้องกังวลเรื่องจะเกิดการฟลูอิไดซ์) ดังนั้นแก๊สที่ใช้ในการไล่ความชื้นก็จะไหลจากล่างขึ้นบน (ด้วยอัตราการไหลที่ต่ำกว่าการไหลในขณะทำงานปรกติ) สิ่งที่สารดูดความชื้นจับไว้นั้นอาจไม่ได้มีเพียงแค่โมเลกุลน้ำ แต่ยังอาจมีโมเลกุลที่มีขั้วตัวอื่นรวมอยู่ด้วย
 
รูปที่ ๒ จังหวะการทำงานและช่วงระยะเวลาการทำงาน ของแต่ละหน่วยในระหว่างการใช้งาน ในที่นี้ขั้นตอนการฟื้นสภาพจะใช้เวลา ๑๒ ชั่วโมง เริ่มจากการไล่แก๊สเดิมออก (purge) ไปจนถึงการทำให้เบดเย็นตัวลง (cooling) เพื่อพร้อมที่จะทำหน้าที่ในการดูดจับความชื้นใหม่อีกครั้ง
  
รูปที่ ๓ ตัวอย่าง PFD ของระบบกำจัดความชื้นของโรงงานแห่งหนึ่ง (ภาพซีกซ้าย)

ผลกระทบหนึ่งของความดันที่สูงต่อระบบน้ำ-ไฮโดรคาร์บอนคือ ที่ความดันสูงและอุณหภูมิต่ำพอน้ำจะแข็งตัวเป็นน้ำแข็งได้ที่อุณหภูมิสูงกว่า 0ºC และดักจับโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนไว้ในน้ำแข็งนั้นที่เรียกว่าการเกิด "gas hydrate" เคยมีรายงานการพบการเกิด gas hydrate นี้ในระบบที่ความดัน 800 psi (54.4 bar) และอุณหภูมิ 60ºF (15.6ºC) ตรงนี้แตกต่างไปจากพฤติกรรมของน้ำแข็งที่เราเห็นทั่วไปในชีวิตประจำวัน กล่าวคือถ้าเพิ่มความดันให้สูงขึ้นน้ำแข็งจะละลายเป็นน้ำ ในทางกลับกันน้ำที่เย็นจัดภายใต้ความดัน เช่นน้ำอัดลมแช่เย็น พอลดความดัน (ด้วยการเปิดฝาขวด) มันจะกลายเป็นน้ำแข็ง

การป้องกันการเกิด gas hydrate นี้ถ้าเป็นในระบบท่อส่ง (เช่นจากหลุมเจาะในทะเลมาบนฝั่ง) ทำได้ด้วยการเติมสารเคมีบางชนิด (เช่นเมทานอล) ผสมเข้าไปในแก๊สนั้น แต่ถ้าเป็นในส่วนของโรงงานที่ต้องการแยกแก๊สออกเป็นผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ที่ไม่มีสารอื่นปนเปื้อน การกำจัดน้ำออกจะเป็นทางเลือกที่ดีกว่า


รูปที่ ๔ ภาพซีกขวาของ PFD ในรูปที่ ๓

ไม่มีความคิดเห็น: