ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๒๒ Ethylene refrigeration system MO Memoir : Wednesday 27 October 2559

ระบบ ethylene refrigeration เป็นระบบทำความเย็นอุณหภูมิต่ำเพื่อใช้สำหรับกระบวนการกลั่นที่อุณหภูมิต่ำ (เช่นที่หน่วย demethanizer) ระบบ ethylene refrigeration นี้ทำงานคู่ควบกับระบบ propylene refrigeration เพราะจำเป็นต้องใช้ระบบ propylene refrigeration ในการทำให้เอทิลีนที่ผ่านการอัดของคอมเพรสเซอร์ควบแน่นเป็นของเหลว การทำงานของระบบ ethylene refrigeration และระบบ propylene refrigeration ที่เล่าไว้ใน Memoir ฉบับที่แล้ว (วันอังคารที่ ๒๕ ตุลาคม ๒๕๕๙) มีความคล้ายคลึงกัน

รูปที่ ๑ เป็น process flow diagram (PFD) เบื้องต้นที่ใช้ในการออกแบบ ส่วนรูปที่ ๒ นั้นเป็นแผนผังของระบบควบคุมที่อิงจากรูปที่ ๑ รูปที่ ๓ และ 4 เป็น process flow diagram ที่พัฒนาขึ้นมาจากรูปที่ ๑ หลังจากที่ได้พิจารณาหน่วยอื่นของกระบวนการร่วมด้วย ดังนั้นรายละเอียดที่แสดงในรูปที่ ๑ และรูปที่ ๓ และ ๔ จะแตกต่างกันอยู่บ้าง คำอธิบายในที่นี้จะอิงไปยังรูปที่ ๓ และ ๔ เป็นหลัก (แม้ว่าคำบรรยายในเอกสารต้นฉบับที่มีอยู่จะอิงไปยังรูปที่ ๑ ก็ตาม)
 

แก๊สเอทิลีนที่ใช้เป็นสารทำความเย็นจะถูกอัดให้มีความดันประมาณ 29.4 kg/cm² (ความดันเกจ) โดยแก๊สหลังการอัดจะมีอุณหภูมิประมาณ 88ºC แก๊สนี้จะถูกทำให้เย็นลงด้วยการแลกเปลี่ยนความร้อนหลายขั้นตอน เริ่มจากการใช้น้ำหล่อเย็น (ลดอุณหภูมิลงเหลือประมาณ 43ºC) โพรพิลีนที่ใช้เป็นสารทำความเย็น (ลดอุณหภูมิลงเหลือประมาณ 21ºC ดังนั้นน่าจะใช้โพรพิลีนที่อุณหภูมิ 18ºC เป็นสารทำความเย็น) เอทิลีนที่ใช้เป็นสารทำความเย็น (ลดอุณหภูมิจนเหลือประมาณ -8.5ºCส่วนนี้คงมาทีหลัง หลังจากที่เดินเครื่องระบบ ethylene refrigeration ได้แล้ว) และระบบทำความเย็นโพรพิลีน จนมีอุณหภูมิเหลือประมาณ -15ºC (น่าจะใช้โพรพิลีนที่อุณหภูมิ -23ºC) ที่ความดันประมาณ 28.1 kg/cm² (ความดันที่ลดลงเป็นผลจากการไหลผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนต่าง ๆ) และนำไปเก็บไว้ในถังเก็บ (V-1604 ในรูปที่ ๔)
 

พึงสังเกตว่า ในการลดอุณหภูมิลงนั้น จะไม่ใช้ระบบทำความเย็นตัวที่เย็นจัดเพียงตัวเดียวมาลดอุณหภูมิในขั้นตอนเดียว (คือโพรพิลีนที่อุณหภูมิ -23ºC) แต่จะใช้การลดเป็นลำดับขั้น เพื่อให้ประหยัดพลังงานมากที่สุด
 

เอทิลีนเหลวจากถังเก็บถูกนำไปใช้เป็นสารทำความเย็นที่อุณหภูมิ -62ºC ด้วยการลดความดันลงเหลือประมาณ 6.0 kg/cm² จากนั้นจะไหลเข้าสู่ถังพัก (ที่ทำหน้าที่เป็น suction drum ให้กับคอมเพรสเซอร์ด้วย) ใบแรก (V-1603 ในรูปที่ ๔) ในถังพักใบนี้ เอทิลีนส่วนที่เป็นไอจะถูกดูดกลับไปยังคอมเพรสเซอร์ ส่วนเอทิลีนที่เป็นของเหลวนั้นจะถูกใช้เป็นสารทำความเย็นที่อุณหภูมิ -75ºC ด้วยการลดความดันลงเหลือประมาณ 3.2 kg/cm² และเอทิลีนส่วนนี้จะไหลไปยังถังพักใบที่สอง (V-1602 ในรูปที่ ๓)

เอทิลีนส่วนที่เป็นไอในถังพักใบที่สองนี้จะถูกดูดกลับไปยังคอมเพรสเซอร์ ส่วนเอทิลีนที่เป็นของเหลวจะถูกนำไปใช้ต่อเป็นสารทำความเย็นที่อุณหภูมิประมาณ -102ºC ด้วยการลดความดันลงเหลือประมาณ 0.11 kg/cm² ไอเอทิลีนส่วนนี้จะไหลไปยังถังพักใบที่สาม (V-1601 ในรูปที่ ๓) ก่อนที่จะถูกส่งกลับไปยังคอมเพรสเซอร์

อันที่จริงในขั้นตอนสุดท้ายนี้จะให้ระบบทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า -102ºC ก็ได้ ด้วยการลดความดันเอทิลีนลงให้ต่ำลงไปอีก (ต่ำกว่าความดันบรรยากาศ) แต่ก็ต้องกลับไปดูที่คอมเพรสเซอร์ด้วยว่าจะมีปัญหาในการทำงานหรือไม่ (เพราะถ้าความดันด้านขาเข้าคอมเพรสเซอร์ต่ำเกินไป ก็จะเกิด surging ได้ง่าย)
 

รูปที่ ๑ Process flow diagram สำหรับการออกแบบเบื้องต้นของระบบ ethylene refrigeration

รูปที่ ๒ การออกแบบระบบควบคุมระบบ ethylene refrigeration

รูปที่ ๓ Process flow diagram ของระบบ ethylene refrigeration หลังการออกแบบเกือบเสร็จสมบูรณ์

รูปที่ ๔ ส่วนต่อเนื่องจากรูปที่ ๓

พึงเกตในรูปที่ ๓ และ ๔ การควบคุมอัตราการไหลของเอทิลีนเหลว (ที่ความดันต่าง ๆ) ที่ใช้ในการทำความเย็นนั้น จะใช้ระดับเอทิลีนเหลวในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแต่ละเครื่อง (E-1310 E-1311 E-1313 และ E-1329) เป็นตัวควบคุม ส่วนอุณหภูมิของการทำความเย็นที่จะได้นั้นขึ้นอยู่กับว่าจะให้สารทำความเย็นนั้นเกิดการเดือดที่อุณหภูมิเท่าใด ซึ่งอุณหภูมิการเดือดของสารทำความเย็นขึ้นอยู่กับความดัน กล่าวคือความดันยิ่งต่ำ อุณหภูมิจุดเดือดก็ยิ่งต่ำ ดังนั้นความดันในถังพักแต่ละใบจะส่งผลกระทบต่ออุณหภูมิการทำความเย็นที่จะได้ เพราะมันเชื่อมต่อเข้ากับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเหล่านั้น
 

การปรับแต่งความดันในถังพักแต่ละใบทำได้ด้วยการปรับเปลี่ยน "ความเร็วรอบการหมุน" ของคอมเพรสเซอร์ กล่าวคือถ้าความดันในถังพักสูงมากเกินไป ก็ให้เพิ่มความเร็วรอบการหมุนของคอมเพรสเซอร์ (หรือเพิ่มอัตราการดูดไอออกจากถังพัก) แต่เนื่องจากมีคอมเพรสเซอร์เพียงตัวเดียวที่ทำการดูดไอออกจากถังพักทุกใบ ดังนั้นเวลาที่คอมเพรสเซอร์เปลี่ยนความเร็วรอบการหมุนเพื่อปรับความดันในถังพักใบที่ผิดปรกตินั้นให้กลับมามีค่าที่ถูกต้อง จะส่งผลต่อความดันในถังพักใบอื่นที่สภาวะการทำงานเป็นปรกติอยู่แล้วด้วย เช่นเพิ่มความเร็วรอบอันเป็นผลจากการที่ความดันในถังพักใบใดใบหนึ่งสูงเกินไป การทำเช่นนี้ก็อาจทำให้ความดันในถังพักใบอื่นที่ปรกติอยู่ลดต่ำลงจนเกิดการ surge ได้ ประเด็นนี้ยกขึ้นมาเป็นตัวอย่างหนึ่งเพื่อให้เห็นภาพความยุ่งยากในการออกแบบระบบควบคุม

ท้ายสุดนี้ขอเพิ่มเติมเรื่องระบบขับเคลื่อนคอมเพรสเซอร์นิดนึง มอเตอร์ไฟฟ้าเกือบทั้งหมดที่ใช้กันในโรงงานนั้นจะเป็นมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ ความเร็วรอบการหมุนของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับขึ้นอยู่กับจำนวนขั้วของมอเตอร์ (อันนี้เป็นโครงสร้างที่ติดตัวมากับมอเตอร์ ถ้าจะเปลี่ยนจำนวนขั้วก็ต้องเปลี่ยนมอเตอร์) และความถี่ของกระแสไฟฟ้า (ของบ้านเราจะคงที่ที่ 50 Hz) ดังนั้นการปรับความเร็วรอบการหมุนของอุปกรณ์ที่ใช้มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับขับเคลื่อนให้สามารถปรับเปลี่ยนความเร็วรอบได้อย่างต่อเนื่องจึงไม่ใช่เรื่องง่าย (ไม่ว่าจะเป็นการใช้ระบบเฟืองทด หรือวงจรปรับเปลี่ยนความถี่กระแสไฟฟ้า) แต่ถ้าเป็นมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงจะไม่มีปัญหาเรื่องความสามารถในการปรับเปลี่ยนความเร็วรอบการหมุนได้อย่างต่อเนื่อง แต่จะไปมีปัญหาเรื่องการหาแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง (ต้องหาทางผลิตขึ้นเองจากไฟฟ้ากระแสสลับ และก็ต้องปรับให้ความต่างศักย์และกระแสราบเรียบด้วย ไม่ใช่เต้นไปตามความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับ) และราคาของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง ตรงประเด็นนี้การใช้กังหันไอน้ำขับเคลื่อนจะได้เปรียบกว่าเพราะสามารถปรับความเร็วรอบการหมุนได้อย่างต่อเนื่องโดยอาศัยการปรับเปลี่ยนปริมาณไอน้ำที่ป้อนเข้าไป