พักเขียนเรื่องนี้ไปกว่าเดือน
ในที่สุดก็ได้เวลากลับมาเขียนต่อใหม่
แต่ก็ไม่รู้ว่าเมื่อไรจะจบซะที
ลักษณะหนึ่งที่เป็นลักษณะเฉพาะของโรงงานผลิตเอทิลีนคือมีทั้ง
หน่วยผลิตที่ทำงานที่อุณหภูมิที่สูงมาก
คือ pyrolysis
heater ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงระดับ
1000ºC
(ในกรณีที่ใช้อีเทนเป็นสารตั้งต้น
และจะต่ำกว่านี้หน่อยถ้าใช้ไฮโดรคาร์บอนหนักเป็นสารตั้งต้น)
และหน่วยผลิตที่ทำงานที่อุณหภูมิที่ต่ำมาก
คือหน่วยกลั่นแยกไฮโดรเจน-มีเทน
ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงต่ำประมาณ
-100ºC
(แต่อาจต่ำกว่านี้ได้ถ้าหากทำการกลั่นแยกที่ความดันต่ำ)
อยู่ร่วมกันในโรงงานเดียว
การกลั่นแยกเป็นการแยกโดยอาศัยจุดเดือดที่แตกต่างกันของสารแต่ละชนิด
สำหรับสายป้อน (feed)
ที่ประกอบด้วยสารหลากหลายชนิดนั้น
มีรูปแบบที่เป็นไปได้หลากหลายรูปแบบในการแยกสาร
ตัวอย่างเช่นในกรณีที่สายป้อนนั้นเป็นแก๊ส
ก็อาจใช้การลดอุณหภูมิสารให้ควบแน่นเป็นของเหลวจนเกือบหมดก่อน
เหลือไว้แต่ตัวที่มีจุดเดือดต่ำสุดที่ยังคงเป็นไออยู่และถูกแยกไปก่อน
จากนั้นจึงค่อย ๆ
อุ่นของเหลวที่ได้นั้นให้ร้อนขึ้นเพื่อแยกเอาสารต่าง
ๆ ออกจากกันตามลำดับจุดเดือดจากต่ำไปสูง
หรือไม่ก็ค่อย ๆ
ลดอุณภูมิแก๊สสายป้อนนั้นให้ต่ำลง
เพื่อให้สารที่มีจุดเดือดสูงสุดควบแน่นแยกออกมาก่อน
จากนั้นจึงค่อย ๆ
ลดอุณหภูมแก๊สส่วนที่เหลือเพื่อควบแน่นองค์ประกอบที่เหลือออกมาตามลำดับจุดเดือดจากสูงไปต่ำ
แต่การจะตัดสินว่ารูปแบบใดเป็นรูปแบบที่เหมาะสมนั้นยังต้องพิจารณาปัจจัยต่าง
ๆ อีกหลายปัจจัย เช่น
สัดส่วนขององค์ประกอบแต่ละตัว
ความแตกต่างของจุดเดือด
ฯลฯ
ในกรณีของโรงงานผลิตเอทิลีนที่เห็นทั่วไปนั้น
จะใช้การลดอุณหภูมิแก๊สที่รับมาจาก
charge
gas dryer ให้ลดต่ำลงจนควบแน่นเป็นของเหลวเกือบทั้งหมด
เหลือไว้แต่ตัวที่มีจุดเดือดต่ำคือไฮโดรเจนกับมีเทนที่จะถูกแยกออกมาก่อน
การแยกในส่วนนี้เกิดขึ้นที่หน่วย
demethanization
จากนั้นจึงค่อย
ๆ แยกองค์ประกอบส่วนที่เหลือ
(ที่เป็นของเหลว)
ตามลำดับจุดเดือดจากต่ำไปสูงในหน่วยแยกถัดไป
หน้าที่หลักของหน่วย
demethanizer
นี้คือทำการแยกไฮโดรเจนและมีเทนออกจากแก๊สผสม
โดยมีเป้าหมายหลักดังนี้
๑.
ทำให้แก๊สที่ผ่านการทำให้แห้งจากหน่วย
Charge
gas dryer เย็นลงจนควบแน่นเป็นของเหลว
เพื่อที่จะดึงเอาเอทิลีนออกจากแก๊สให้ได้มากที่สุด
และทำให้แก๊สไฮโดรเจนที่ได้นั้นมีความบริสุทธิ์มากที่สุด
โดยให้ระบบทำความเย็นมีภาระการทำงานที่ต่ำที่สุด
๒.
แยกเอาไฮโดรเจนและมีเทนที่ยังคงละลายอยู่ในของเหลวที่ได้จากการควบแน่นที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการทำความเย็น
๓.
ทำให้สายผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นอุ่นขึ้น
ด้วยการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสายที่ต้องการลดอุณหภูมิที่จะป้อนเข้าสู่ระบบทำความเย็น
ซึ่งเป็นการช่วยลดภาระการทำงานของระบบทำความเย็น
และยังทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้โลหะที่สามารถทนต่อความเย็นจัดได้ในส่วนของท่อและอุปกรณ์ขอสายผลิตภัณฑ์ที่อุ่นขึ้นนั้น
ซึ่งเป็นการช่วยลดค่าใช้จ่ายในการก่อสร้าง
ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากหน่วยนี้ประกอบด้วย
๑.
แก๊สที่มีความเข้มข้นไฮโดรเจนสูง
ที่จะส่งไปใช้งานต่อในหน่วย
hydrogenation
(กำจัดอะเซทิลด้วยการเปลี่ยนให้เป็นเอทิลีน)
๒.
แก๊สที่มีมีเทนความเข้มข้นสูง
ที่ระดับความดันต่างกัน ๓
ระดับ
๓.
ผลิตภัณฑ์ที่เป็นของเหลวที่ได้จากการควบแน่นแก๊สที่ป้อนเข้ามา
โดยของเหลวที่เกิดขึ้นนี้จะไม่มีไฮโดรเจนและมเทนปะปนอยู่
(หรือถ้ามีก็น้อยมาก)
และจะถูกส่งต่อไปยังหน่วย
deethanizer
(เพื่อทำการแยกอีเทนและเอทิลีนออกจากกัน)
หน่วยนี้มีการแยกออกเป็น
๒ หน่วยย่อยคือ
๑.
หน่วยทำความเย็นให้กับแก๊สที่ป้อนมาจาก
charge
gas dryer section และอุ่นผลิตภัณฑ์ให้ร้อนขึ้น
(รูปที่
๑)
๒.
หน่วยกลั่นแยก
(รูปที่
๒)
หน่วยนี้ประกอบด้วยอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการผลิตดังนี้
๑.
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด
plate-fin
aluminium heat exchanger
ที่ทำหน้าที่แลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างสายป้อนที่ต้องการลดอุณหภูมิให้ต่ำลงกับสายผลิตภัณฑ์ที่ต้องการเพิ่มอุณหภูมิให้อุ่นขึ้น
โดยพยายามให้มีการแลกเปลี่ยนความร้อนโดยมีผลต่างอุณหภูมิระหว่างอุณภูมิของฝั่งสายร้อน
(คือสายที่ต้องการทำให้เย็นตัวลง)
กับของฝั่งสายเย็น
(คือสายที่ต้องการทำให้อุ่นขึ้น)
มีค่าน้อยที่สุด
เพื่อลด "thermodynamic
loss"
ตรงจุดนี้ขออธิบายขยายความเพิ่มนิดนึง
คือในการแลกเปลี่ยนความร้อนนั้นเราต้องการทำให้สายที่ต้องการลดอุณหภูมิให้ต่ำลงนั้นถ่ายเทพลังงานความร้อนไปให้กับสายที่ต้องการเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น
อัตราการถ่ายเทความร้อนจะขึ้นอยู่กับผลต่างอุณหภูมิของสายทั้งสอง
ถ้าผลต่างอุณหภูมินี้สูง
อัตราการถ่ายเทความร้อนก็จะสูง
พื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนที่ต้องใช้จะมีค่าน้อย
ทำให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีขนาดเล็ก
(ราคาค่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจะต่ำ
แต่แลกกับการสูญเสียพลังงาน)
ถ้าผลต่างอุณหภูมินี้ต่ำ
อัตราการถ่ายเทความร้อนก็จะต่ำ
พื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนที่ต้องใช้จะมีค่ามาก
ทำให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีขนาดใหญ่
(ราคาค่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจะสูง
แต่แลกกับการประหยัดพลังงาน)
สมมุติว่าเรามีสายร้อนที่มีอุณหภูมิ
100ºC
และต้องการลดให้ต่ำลง
ด้วยการให้มันถ่ายเทความร้อนให้กับสายเย็นที่มีอุณหภูมิ
20ºC
ที่ต้องการเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น
จะเป็นการดีถ้าจะสามารถทำให้สายร้อนมีอุณหภูมิลดต่ำลงให้มากที่สุด
(ในกรณีนี้คือลงไปใกล้
20ºC
ให้มากที่สุด
แต่ยังต้องสูงกว่า)
และทำให้สายเย็นมีอุณหภูมิเพิ่มให้มากที่สุด
(ในกรณีนี้คือเข้าไปใกล้
100ºC
ให้มากที่สุด
แต่ยังต้องต่ำกว่า)
ซึ่งจะช่วยลดภาระงานของระบบทำความเย็นในการทำให้สายร้อนนั้นเย็นตัวลงไปอีก
และลดภาระงานของระบบทำความร้อนในการทำให้สายเย็นนั้นร้อนขึ้นไปอีก
๒.
ถังแยกของเหลวที่ควบแน่นออกจากส่วนที่ยังคงเป็นแก๊สในระหว่างช่วงการลดอุณหภูมิลง
(ถังนี้ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิม
(stainless
steel) เพื่อให้สามารถทนต่ออุณหภูมิต่ำได้)
๓.
หอกลั่นแยกมีเทน
(demethanizer
tower) ที่มีลักษณะเป็นหอทรงกระบอก
โดยส่วนบนทำจาก nickel
alloy steel (ให้ทนต่ออุณหภูมิต่ำ)
และส่วนล่างทำจาก
carbon
steel (เพื่อประหยัดค่าก่อสร้าง)
ตรงจุดนี้ขออธิบายขยายความเพิ่มหน่อย
ในหอกลั่นนั้นด้านบนของหอจะเย็นกว่าทางด้านล่างของหอ
แต่ถ้าทางด้านล่างของหอนั้นพบว่าอุณหภูมิไม่ได้ต่ำมาก
ทำให้สามารถใช้โลหะที่มีราคาถูกกว่าได้ในการก่อสร้าง
การใช้โลหะที่มีราคาต่ำกว่าในการสร้างส่วนล่างก็จะช่วยลดต้นทุนค่าก่อสร้าง
แต่ต้องมั่นใจว่าจะไม่มีของเหลวเย็นจัดที่อยู่ทางด้านบนหลุดรอดลงมาถึงด้านล่าง
๔.
อุปกรณ์ที่เรียกว่า
"Cold
box" ที่เป็นโครงสร้างปิดทำจาก
carbon
steel อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนพวก
plate-fin
aluminium heat exchanger ระบบทำความเย็น
ethylene
regrigerant chiller (มีอยู่
๓ ระบบ)
และหน่วยแยกไฮโดรเจน-มีเทน
จะติดตั้งอยู่ภายใน cold
box นี้
โดยภายใน cold
box จะมีการบรรจุวัสดุที่เป็นฉนวนป้องกันความร้อนพวก
perlite
เอาไว้
(มีลักษณะเป็นก้อนอนุภาคของแข็งขนาดเล็กที่ไม่ถึงกับเป็นผง)
และมีการป้อนแก๊สไนโตรเจนเข้า
purge
ไล่ตลอดเวลา
(รักษาความดันภายในไว้ที่
0.3
psig เพื่อป้องกันไม่ให้อากาศรั่วไหลเข้าไป)
การทำเช่นนี้ทำให้ไม่จำเป็นต้องทำการหุ้มฉนวนป้องกันความร้อนจากภายนอกให้กับอุปกรณ์แต่ละตัว
(มันทำได้ยากเพราะต้องหุ้มฉนวนให้มันมีรูปร่างเป็นไปตามรูปร่างอุปกรณ์)
และระบบท่อเชื่อมต่อต่าง
ๆ
การลดอุณหภูมิของแก๊สที่ป้อนมาจาก
charge
gas dryer ทำได้ด้วยการ
๑.
แลกเปลี่ยนความร้อนจากสายที่มาจากหอกลั่นแยกเอทิลีนและหอ
demethanizer
๒.
นำไประเหยอีเทนออกจากด้านล่างของหอกลั่นแยกเอทิลีน
๓.
ลดอุณหภูมิด้วยระบบทำความเย็นที่ใช้โพรพิลีนเป็นสารทำความเย็น
ที่ทำความเย็นในระดับ -40ºC
๔.
ลดอุณหภูมิด้วยระบบทำความเย็นที่ใช้เอทิลีนเป็นสารทำความเย็น
ที่ทำความเย็นในระดับต่าง
ๆ กันสามระดับด้วยกันคือ
-55ºC
-75ºC และ
-102ºC
๕.
แลกเปลี่ยนความร้อนกับสายมีเทนที่เป็นแก๊สและของเหลวที่ออกมาทางด้านยอดหอ
demethanizer
และ
๖.
ให้ของเหลว
(ที่มีมีเทนความเข้มข้นสูง)
ที่ได้จากหน่วยแยกไฮโดรเจน-มีเทนเกิดการขยายตัวเพื่อให้มีอุณหภูมิลดต่ำลง
(Joule-Thomson
effect - ดูรายละเอียดเพิ่มเติมในเรื่องนี้ได้ใน
Memoir
วันอังคารที่
๒๓ สิงหาคม ๒๕๕๙ ที่ผ่านมาเรื่อง
"Compressibility factor และ Joule-Thomson effect")
ในระหว่างการทำความเย็นนี้จะมีของเหลวควบแน่นออกมา
(มีถังแยกหรือ
separator
ทำหน้าที่แยกแก๊สและของเหลวออกจากกันอยู่
๔ ตัวด้วยกัน)
ของเหลวที่ควบแน่นนี้จะถูกแยกออกมาและส่งไปยังหอ
demethanizer
(รูปที่
๑)
โดยป้อนเข้ายังตำแหน่งส่วนบนของหอกลั่น
(เพราะของเหลวนี้มีอุณหภูมิต่ำ
-
ดูรูปที่
๒ ประกอบ)
ไฮโดรเจนและมีเทนที่ละลายค้างอยู่ในของเหลวจะถูกสกัดออกที่หอ
demethanizer
ตรงนี้ต้องขอย้ำเตือนนิดนึงว่าที่บรรยายมาทั้งหมดข้างต้นเป็นตัวอย่างของโรงงานที่มีการออกแบบเอาไว้เมื่อกว่า
๓๐ ปีที่แล้ว
ดังนั้นอย่าไปยึดว่าในปัจจุบันยังต้องเป็นอย่างนั้น
เพราะความพยายามที่จะออกแบบกระบวนการโดยให้มีการประหยัดพลังงานมากที่สุดนั้นยังคงมีอยู่อย่างต่อเนื่อง
ดังนั้นแม้ว่ารูปแบบการจับคู่แลกเปลี่ยนความร้อนจะเปลี่ยนไป
แต่โดยหลักการแล้วยังคงเหมือนเดิมอยู่
นอกจากนี้ตัวอย่างที่ยกมานี้ยังแสดงให้เห็นถึงตัวอย่างปัญหาหนึ่งที่ผู้ออกแบบควรต้องคำนึงถึงในการเดินเครื่อง
พอจากมองออกไหมครับว่าอยู่ตรงจุดไหน
ตรงข้อ ๑
ไงครับที่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสายที่มาจาก
"หอกลั่นแยกเอทิลีน"
รูปที่
๑
แผนผังระบบการลดอุณหภูมิสายป้อนและอุ่นผลิตภัณฑ์ที่ได้ให้ร้อนขึ้น
ในรูปนี้พึงสังเกตนะครับว่ามีจุดสำหรับเติม
"เมทานอล
(methanol)"
อยู่หลายตำแหน่ง
รูปที่
๒
แผนผังของหน่วยกลั่นแยกไฮโดรเจน-มีเทนออกจากผลิตภัณฑ์ส่วนที่เหลือ
หอกลั่นแยกเอทิลีนเป็นหน่วยผลิตที่อยู่ทางด้าน
downsteram
(หรือที่มีการแปลเป็นไทยว่าด้านปลายน้ำ)
ถัดจากหน่วย
demethanization
สิ่งที่ผู้ออกแบบควรจะต้องคำนึงด้วยก็คือเมื่อเริ่มต้นเดินเครื่องการผลิตนั้น
กระบวนการจะเริ่มจากทางด้าน
upstream
ไปยังด้าน
downstream
ดังนั้นในขณะที่เริ่มเดินเครื่องนั้นทางด้าน
downstream
จะยังไม่มีสารใด
ๆ ในระบบ การออกแบบที่ให้มีการนำเอาสายทางด้าน
downstream
มาใช้งานทางด้าน
upstream
นั้นจะทำให้เกิดคำถามว่า
"จะเริ่มต้นเดินเครื่องได้อย่างไร
ก็ในเมื่อมันยังไม่มีการเดินเครื่องทางด้าน
downstream"
(ตรงที่บอกว่าให้เอาสายจากหอกลั่นแยกอีเทนมาแลกเปลี่ยนความร้อนกับแก๊สที่มาจาก
charge
gas dryer)
Reboiler
(หรือหม้อต้มซ้ำ)
ของหอ
demethanizer
ได้รับความร้อนจาก
๑.
ไอจากหน่วย
propylene
refrigerant และ
๒.
แก๊สที่มาจากหม้อต้มซ้ำที่อยู่ทางด้านข้างหอกลั่นแยกเอทิลีน
(นี่ก็เป็นอีกหน่วยที่อยู่ทางด้าน
downstream
ของหน่วย
demethanizer)
แก๊สส่วนที่หลงเหลืออยู่หลังการควบแน่นและการแยกเอาของเหลวออกในถังแยก
separator
ตัวที่
๔ จะมีไฮโดรเจนเข้มข้นประมาณ
76
mol%
ส่วนแก๊สไฮโดรเจนความเข้มข้นสูงที่มาจากหน่วยแยกไฮโดรเจน-มีเทนจะมีไฮโดรเจนเข้มข้นไม่น้อยกว่า
95
mol% และมีเทนเหลวที่ได้จะมีเอทิลีนละลายปนอยู่ไม่เกิน
0.7
mol% ผลิตภัณฑ์ที่ออกทางยอดหอของหน่วย
demethanizer
จะมีเอทิลีนปนอยู่ไม่เกิน
0.5
mol%
ในขณะที่ผลิตภัณฑ์ทางด้านล่างหอจะมีมีเทนปะปนอยู่เพียงเล็กน้อยในระดับที่เรียกได้ว่าปริมาณปนเปื้อน
(trace
amount)
ปัญหาหนึ่งที่อาจเกิดขึ้นกับหน่วยนี้ก็คือการเกิดน้ำแข็งในระบบ
ทำให้เกิดการอุดตัน
น้ำอาจหลุดรอดเข้ามายังส่วนนี้ได้ถ้าหากการทำงานของระบบ
charge
gas dryer มีปัญหา
และในสภาวะที่มีไฮโดรคาร์บอนร่วมด้วยนี้ไอน้ำอาจเกิดการแข็งตัวได้ที่อุณหภูมิไม่เกิน
7-10ºC
(เรียกว่าเกิด
gas
hydrate)
การกำจัดน้ำแข็งที่เกิดขึ้นทำได้ด้วยการฉีดเมทานอลเข้าไปในระบบตรงบริเวณจุดที่คาดว่าจะเกิดปัญหา
ซึ่งมีอยู่ด้วยกัน ๖ ตำแหน่งคือ
-
ทางเข้าของ
charge
gas เข้าสุ่
propylene
refrigerant - chilled exchanger
-
ทางเข้าของ
charge
gas เข้าสู่
off-gas
exchanger ตัวที่
๓ และตัวที่ ๔
-
สาย
reflux
สาย
overhead
(อยู่ทางด้านบนของหอกลั่น)
และตำแหน่ง
tray
ตัวที่
29
ของหอ
demethanizer
แต่เนื่องจากเมทานอลนั้นแข็งตัวที่อุณหภูมิ
-97ºC
ดังนั้นจึงต้องระวังไม่ให้เมทานอลมีโอกาสหลุดรอดไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิจุดเยือกแข็งของเมทานอล
(เช่นที่
separator
ตัวที่
๔ และหน่วยแยกไฮโดรเจน-มีเทนที่อยู่ถัดลงไป)
เรื่องนี้ยังไม่จบ
ยังมีต่อ แต่วันนี้ขอพอแค่นี้ก่อน
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น