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:
แสดงความคิดเห็น