ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๒๑ Propylene refrigeration system MO Memoir : Tuesday 25 October 2559

ระบบทำความเย็นชนิด vapour compression refrigeration system นั้น ไอของสารทำความเย็นที่มีความดันต่ำจะถูกอัดให้มีความดันสูงขึ้น การอัดนี้ทำให้ไอสารทำความเย็นมีอุณหภูมิสูงขึ้นตามไปด้วย และเมื่อไอสารทำความเย็นที่ความดันสูงนี้ระบายความร้อนให้กับแหล่งรับความร้อน (ถ้าเป็นตู้เย็นหรือเครื่องปรับอากาศที่ใช้กันตามบ้าน แหล่งรับความร้อนก็คืออากาศที่อยู่รอบ ๆ แผงระบายความร้อน) ไอสารทำความเย็นก็จะควบแน่นกลายเป็นของเหลวที่ความดันสูง
 

เมื่อสารทำความเย็นที่เป็นเฟสของเหลวความดันสูงถูกลดความดันลง (เช่นด้วยการให้ขยายตัวผ่านวาล์วลดความดัน) ของเหลวบางส่วนจะมีการระเหยกลายเป็นไอ ทำให้อุณหภูมิของสารทำความเย็นลดลง (และมีความดันลดต่ำลงด้วย) ส่วนที่ว่าอุณหภูมิจะลดต่ำลงได้เท่าใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับชนิดของสารทำความเย็นที่ใช้และความดันที่ลดลง สารทำความเย็นที่มีอุณหภูมิต่ำลงนี้ก็สามารถไปรับความร้อนจากแหล่งที่ต้องการลดอุณหภูมิให้ต่ำลง ซึ่งจะเป็นการเปลี่ยนสภาพสารทำความเย็นจากของเหลวความดันต่ำ กลายเป็นไอที่ความดันต่ำแทน จากนั้นไอสารทำความเย็นที่ความดันต่ำก็จะถูกคอมเพรสเซอร์อัดให้มีความดันเพิ่มขึ้นอีกครั้ง และเข้าสู่วงรอบการทำงานใหม่
 

การทำให้แก๊สควบแน่นเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้นั้น แก๊สนั้นต้องมีอุณหภูมิวิกฤต (critical temperature หรือ T_c) สูงกว่าอุณหภูมิห้อง ดังนั้นสารทำความเย็นระบบแรกที่จะนำมาใช้นั้นจึงใช้สารทำความเย็นที่เมื่ออัดให้กลายเป็นไอความดันสูงพอ ก็สามารถใช้อากาศโอยรอบ (หรือน้ำหล่อเย็นที่ระบายความร้อนออกสู่อากาศอีกที) เป็นแหล่งความร้อนเพื่อควบแน่นให้มันเป็นของเหลวได้ (แบบตู้เย็นและเครื่องปรับอากาศที่ใช้กันตามบ้านทั่วไป) แต่สารทำความเย็นพวกนี้มักจะไม่สามารถทำความเย็นที่อุณหภูมิต่ำมากได้
 

ในทางกลับกัน สารทำความเย็นที่ใช้ในระบบทำความเย็นที่อุณหภูมิต่ำจะไม่สามารถควบแน่นเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิห้อง แต่จะควบแน่นได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง ดังนั้นในกรณีที่ต้องการการทำความเย็นที่อุณหภูมิต่ำมาก จึงมักต้องมีระบบทำความเย็นอย่างน้อยสองระบบ โดยระบบแรกนั้นเป็นระบบที่ใช้สารทำความเย็นที่สามารถทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้ และใช้การทำความเย็นของสารทำความเย็นระบบแรกนี้เป็นตัวรับความร้อนจากสารทำความเย็นระบบที่สองที่ใช้งานที่อุณหภูมิต่ำกว่า ดังเช่นในกรณีของกระบวนการผลิตเอทิลีนที่ยกมาเป็นตัวอย่างนี้ ระบบทำความเย็นระบบแรกใช้โพรพิลีน (propylene C₃H₆) เป็นสารทำความเย็นให้กับระบบที่ไม่ต้องการลดอุณหภูมิให้ต่ำมาก และใช้เป็นแหล่งรับความร้อนให้กับกระบวนการ vapour comression refrigeration ของระบบที่สองที่ใช้เอทิลีน (ethylene C₂H₄) เป็นสารทำความเย็น
 

ระบบ propylene refrigerant ที่ยกมาเป็นตัวอย่างในที่นี้ (รูปที่ ๑-๓) เป็นระบบความเย็นที่ระดับอุณหภูมิ 4 ระดับด้วยกันคือ 18, -4, -23 และ -40ºC โพรพิลีนจะถูกอัดเพิ่มความดันด้วยคอมเพรสเซอร์ (ชนิด 4 stage) ให้มีความดันประมาณ 17.8 kg/cm² (ความดันในเรื่องนี้เป็นความดันเกจทุกค่า เว้นแต่จะมีระบุไว้เป็นอย่างอื่น) ซึ่งเมื่อผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อระบายความร้อนออกแล้ว ไอโพรพิลีนก็จะควบแน่นเป็นของเหลวที่ความดันประมาณ 16.9 kg/cm² ที่อุณหภูมิประมาณ 43ºC โพรพิลีนเหลวที่ความดันสูงนี้จะถูกใช้เป็นสารทำความเย็นที่อุณหภูมิ 18ºC โดยจะถูกลดความดันลง ณ หน่วยที่ต้องการใช้งาน ไอสารทำความเย็นที่เกิดขึ้นจะไหลต่อไปยังถังเก็บที่ทำหน้าที่เป็น suction drum (ความดันที่นี่เหลือประมาณ 9 kg/cm²) ให้กับคอมเพรสเซอร์ จากนั้นคอมเพรสเซอร์ก็จะทำการดูดไอโพรพิลีนออกจากถังเก็บนี้ เพื่อนำกลับเข้าสู่วงรอบทำความเย็นใหม่อีกครั้ง
 

รูปที่ ๑ แผนผังคร่าว ๆ แสดงแนวความคิดการออกแบบระบบ propylene refrigeration (จะเรียกว่า preliminary ก็ได้) ในรูปนี้แสดงถังเก็บโพรพิลีน (ที่ทำหน้าที่เป็น suction drum ให้กับคอมเพรสเซอร์ด้วย) เป็นถัง 4 ใบเรียงซ้อนกัน แต่ในความเป็นจริง (เช่นในรูปที่ ๒-๓) ไม่จำเป็นต้องเป็นเช่นนั้น เป็นถังแยกจากกันก็ได้

รูปที่ ๒ Process Flow Diagram (PFD) ระบบ propylene regfrigeration เมื่อเริ่มทำการออกแบบจริง ในที่นี้ถังเก็บโพรพิลีน (ที่ทำหน้าที่เป็น suction drum ด้วย) เป็นถัง 4 ใบแยกจากกัน แต่โดยหลักก็คือถังดังกล่าวควรอยู่ใกล้กับหน่วยที่ต้องการใช้สารทำความเย็น ไม่ใช่อยู่ใกล้กับตัวคอมเพรสเซอร์ พึงสังเกตว่าคอมเพรสเซอร์ในที่นี้ (B-1501 ทางด้านล่างของรูป) ใช้ไอน้ำความดันสูงเป็นตัวขับเคลื่อน ไม่ได้ใช้ระบบไฟฟ้า

รูปที่ ๓ ส่วนต่อของรูปที่ ๒

ที่ถังเก็บที่ทำหน้าที่รับไอโพรพิลีนอุณหภูมิ 18ºC นี้ (V-1504 ในรูปที่ ๓) จะมีโพรพิลีนที่เป็นของเหลวอยู่ส่วนหนึ่ง (ต้องเติมเข้าไปตอนเริ่มเดินเครื่องโรงงานด้วยการ bypass โพรพิลีนเหลวความดันสูงส่วนหนึ่งมายังถังนี้) ดังนั้นโพรพิลีนในถังจะอยู่ในสภาวะสมดุลของโพรพิลีนสองเฟสคือ ส่วนที่เป็นไอที่จะถูกคอมเพรสเซอร์ดูดออกไป และส่วนที่เป็นของเหลวที่จะใช้เป็นสารทำความเย็นที่อุณหภูมิ -4ºC ต่อไป
 

โพรพิลีนเหลวจากถังเก็บโพรพิลีนอุณหภูมิ 18ºC จะถูกใช้เป็นสารทำความเย็นที่อุณหภูมิ -4ºC ด้วยการลดความดันลงเหลือประมาณ 4.2 kg/cm² ซึ่งไอโพรพิลีนที่เกิดขึ้นจะไหลต่อไปยังถังเก็บใบที่สอง (ที่ทำหน้าที่เป็น suction drum ด้วย) ถังใบที่สองนี้ก็มีลักษณะเช่นเดียวกับถังใบแรกคือมีส่วนที่เป็นไออยู่ด้านบนและส่วนที่เป็นของเหลวอยู่ด้านล่าง (อยู่ในสภาวะสมดุลระหว่างสองเฟสเช่นกัน) โดยส่วนที่เป็นไอจะถูกคอมเพรสเซอร์ดูดกลับไป และส่วนที่เป็นของเหลวจะถูกใช้เป็นสารทำความเย็นที่อุณหภูมิ -23ºC

ระบบทำความเย็นที่อุณหภูมิ -23ºC ได้จากการลดความดันของโพรพิลีนเหลวที่อุณหภูมิ -4ºC จากถังเก็บใบที่สองให้ลงเหลือประมาณ 1.8 kg/cm² และเช่นเดียวกันกับสองขั้นตอนก่อนหน้านี้ ไอโพรพิลีนที่เกิดขึ้นจะไหลต่อไปยังถังเก็บใบที่สาม ส่วนที่เป็นไอจะถูกคอมเพรสเซอร์ดูดกลับไป โดยส่วนที่เป็นของเหลวจะถูกใช้เป็นสารทำความเย็นที่อุณหภูมิ -40ºC
 

โพรพิลีนเหลวที่อุณหภูมิ -23ºC นี้เมื่อถูกนำไปใช้เป็นสารทำความเย็นที่อุณหภูมิ -40ºC ด้วยการลดความดันลงเหลือประมาณ 0.4 kg/cm² แล้ว ก็จะถูกดูดกลับไปยังคอมเพรสเซอร์เลย (อนึ่งการทำงานของคอมเพรสเซอร์นั้น ความดันแก๊สด้านขาเข้าเป็นปัจจัยสำคัญปัจจัยหนึ่งที่จะป้องกันไม่ให้คอมเพรสเซอร์เกิดการ surging ในที่นี้แก๊สไหลอยู่ในระบบปิด ไหลมาตามท่อมายังคอมเพรสเซอร์ ดังนั้นจึงควรต้องคำนึงด้วยว่าความดันในถังพักนั้นสูงพอ และความยาวท่อจากถังพักมายังคอมเพรสเซอร์นั้นไม่มากเกินไป จนทำให้ความดันแก๊สด้านขาเข้าคอมเพรสเซอร์นั้นต่ำจนทำให้เกิดการ surging ได้)

จากแผนผังที่นำมาแสดงเป็นตัวอย่างนั้น มีบางประเด็นที่อยากให้สังเกตดังนี้
 

ประเด็นแรกที่อยากให้สังเกตก็คือมีการนำเอาไออิ่มตัวของโพรพิลีนไปใช้เป็นตัวกลางให้ความร้อนแก่ reboiler (หม้อต้มซ้ำ) ของหอกลั่นที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำ ทำนองเดียวกับกับการใช้ไอน้ำให้ความร้อน แต่ในที่นี้ใช้ไออิ่มตัวของโพรพิลีนแทน ส่วนจะเอาไปใช้ที่ไหนนั้นก็เป็นอีกเรื่องหนึ่ง แผนผังในรูปที่ ๑ นั้นมีการนำเอาไออิ่มของโพรพิลีนที่อุณหภูมิ 18ºC ไปใช้กับ reboiler ของหอ deethanizer แต่ในรูปที่ ๓ นั้นนำไปใช้กับ reboiler ของหอ low pressure propylene fractionation
 

ประเด็นที่สอง รูปที่ ๑ นั้นเป็นแผนผังคร่าว ๆ เบื้องต้นของระบบ แต่ตอนออกแบบจริงแล้วมันมีอีกหลายปัจจัยเข้ามาเกี่ยวข้องทำให้แผนผังเปลี่ยนแปลงไปจากเดิมเยอะมากได้เช่นในรูปที่ ๒ และ ๓ นอกจากนี้พึงเตือนสติไว้นิดนึงว่าระดับทำความเย็นที่จะทำนั้นไม่จำเป็นต้องเป็นระดับ 18, -4, -23 และ -40ºC ดังที่กล่าวมาข้างต้น (ตัวเลขจากแผนผังในรูปที่ ๒ และ ๓) อาจเป็นระดับ 18, 3, -23 และ -40ºC ก็ได้ (ตัวเลขในรูปที่ ๑) และไม่จำเป็นต้องมี 4 ระดับดังที่กล่าวมาก็ได้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการออกแบบแต่ละกรณีไป
 

ประเด็นที่สามคือการเลือกใช้ไอน้ำเป็นตัวขับเคลื่อนคอมเพรสเซอร์ที่ใช้อัดไอโพรพิลีน อุปกรณ์ส่วนใหญ่ในโรงงานนั้นจะใช้มอเตอร์ไฟฟ้าเป็นตัวขับเคลื่อน แต่ก็มีบ้างเหมือนกันที่เลือกใช้อากาศความดัน (เช่นปั๊มสารเคมีขนาดเล็ก หรือปั๊มถ่ายของเหลวจาก-ไปยังรถบรรทุก ที่ใช้ใน hazardous area) หรือใช้ไอน้ำเป็นตัวขับเคลื่อน 
  

ข้อเสียอย่างหนึ่งของการใช้มอเตอร์ไฟฟ้าเป็นตัวขับเคลื่อนก็คือถ้าหากเกิดปัญหาไฟฟ้าดับ แม้จะเพียงแค่เสี้ยววินาทีก็ตาม อุปกรณ์จะหยุดการทำงานทันทีและจะไม่กลับมาทำงานอีกแม้ว่าไฟฟ้าจะกลับคืนมา (เรื่องนี้เป็นเรื่องปรกติเพราะเพื่อความปลอดภัยของระบบ เขาจึงออกแบบระบบไว้อย่างนั้นคือถ้าไฟฟ้าดับเมื่อใด สวิตช์จะเปลี่ยนมาอยู่ในตำแหน่งตัดวงจรและค้างอยู่ในตำแหน่งนั้น) ยิ่งเป็นการรับซื้อไฟฟ้าจากแหล่งภายนอกด้วย ทำให้มีความเสี่ยงที่ไฟฟ้าจะขาดไปเมื่อใดก็ได้โดยไม่มีการเตือนล่วงหน้า ในกรณีเช่นนี้การใช้ไอน้ำเป็นตัวขับเคลื่อนก็เป็นทางเลือกหนึ่ง โดยเฉพาะกับอุปกรณ์ที่เป็นหัวใจของกระบวนการผลิต (เช่นคอมเพรสเซอร์ที่ใช้ในการเพิ่มความดันให้กับอีเทน) หรือเกี่ยวข้องกับความปลอดภัย (เช่นคอมเพรสเซอร์ของระบบทำความเย็น) เพราะแม้ว่าระบบไอน้ำมีปัญหา แต่ความดันไอน้ำที่ค้างอยู่ในระบบก็ยังสามารถทำให้อุปกรณ์ทำงานต่อไปได้ หรือไม่ก็ใช้การมีระบบผลิตไอน้ำสองระบบขึ้นไปที่ทำงานแยกจากกันและเดินคู่ขนานกัน
 

ตอนที่ ๒๑ ก็คงจบเพียงแค่นี้ เหลืออีกเพียงแค่ ๒ หรือ ๓ ตอนก็จะจบเนื้อหาบทความชุดนี้แล้ว