วันพุธที่ 22 มีนาคม พ.ศ. 2560

Piping layout ตอน Shell and tube heat exchanger piping (๒) MO Memoir : Wednesday 22 March 2560

กระบวนการกลั่นเป็นการแยกสารด้วยการใช้จุดเดือดที่แตกต่างกัน สารที่มีจุดเดือดต่ำจะถูกต้มให้ระเหยกลายเป็นไอ ระเหยออกทางยอดหอกลั่น ก่อนไปควบแน่นเป็นของเหลวที่เครื่องควบแน่น (overhead condenser) ส่วนสารที่มีจุดเดือดสูงจะยังคงเป็นของเหลวอยู่ และไหลออกทางก้นหอ ภายในหอกลั่นนั้นจะมีการไหลสวนทางกันระหว่างของเหลวที่นำมาจากของเหลวส่วนหนึ่งที่ได้จากการควบแน่นที่เครื่องควบแน่น ที่ป้อนให้ไหลจากบนลงล่าง ในขณะที่ทางด้านก้นหอนั้นจะมีการต้มของเหลวให้เดือด เพื่อไล่ส่วนที่มีจุดเดือดต่ำให้ระเหยกลายเป็นไอออกจากส่วนที่มีจุดเดือดสูง ในระหว่างการสัมผัสกันนั้น ส่วนที่มีจุดเดือดต่ำที่อยู่ในของเหลวที่ป้อนกลับลงมา จะระเหยกลายเป็นไอใหม่โดยอาศัยความร้อนจากไอที่ระเหยมาจากหม้อต้มซ้ำ การคายความร้อนของไอระเหยดังกล่าวจะทำให้ส่วนที่มีจุดเดือดสูงที่ระเหยติดไปกับไอนั้นควบแน่นเป็นของเหลวตกกลับลงมาใหม่
 
ตัวกลางที่ใช้ให้ความร้อนที่หม้อต้มซ้ำนั้นขึ้นอยู่กับแต่ละกระบวนการ บางกระบวนการอาจใช้สายที่ต้องการทำให้เย็นมาเป็นตัวให้ความร้อน (ถ้าระดับอุณหภูมิมันทำได้) บางกระบวนการอาจใช้พวก thermal oil (กรณีที่ต้องการอุณหภูมิสูงแต่ไม่อยากใช้ไอน้ำความดันสูง) แต่ที่เห็นกันแพร่หลายมากที่สุดน่าจะเป็นการใช้ไอน้ำอิ่มตัว (saturated steam) และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้เป็นหม้อต้มซ้ำก็มักจะเป็น shell and tube heat exchanger เป็นหลัก
 
ตัวอย่าง piping layout ที่นำมาให้ดูในวันนี้เป็นของหม้อต้มซ้ำชนิดวางตั้งในแนวดิ่งหรือ vertical reboiler คือเป็น shell and tube heat exchanger ที่วางตั้ง โดยส่วนด้านล่างของ tube จะวางอยู่ที่ระดับต่ำระดับต่ำสุดของของเหลวที่ก้นหอ (รูปที่ ๒) รูปที่ ๑ เป็นภาพเมื่อมองจากทางด้านบน ส่วนรูปที่ ๒ เป็นภาพที่มองจากทางด้านข้าง โดยเป็นมุมที่มองเข้ามาจากทางซ้ายของรูปที่ ๑ ของเหลวที่ต้องการต้มให้เดือดจะไหลด้วยแรงโน้มถ่วงเข้าไปในส่วน tube จากทางด้านล่าง ส่วนไอน้ำที่ใช้ให้ความร้อนจะไหลเข้าส่วน shell จากทางด้านบน การจัดวางรูปแบบการไหลแบบนี้เรียกว่า thermosyphon (หรือ thermosiphon) คือของเหลวที่ไหลเข้าส่วน tube จะถูกต้มให้เดือดกลายเป็นไอระเหยออกไปตลอดเวลา ทำให้ของเหลวจากก้นหอนั้นไหลเข้ามาทดแทนได้โดยไม่ต้องใช้ปั๊มช่วย ส่วนการที่ให้ไอน้ำไหลเข้าทางด้านบนก็เพื่อให้น้ำที่เกิดจากการควบแน่นนั้นไหลลงล่างได้ด้วยแรงโน้มถ่วง ในรูปที่ ๒ นี้ไม่ได้แสดงสายดึงผลิตภัณฑ์ก้นหอออกไป แสดงเฉพาะสายที่ไหลเข้าหม้อต้มซ้ำเท่านั้น
 
การติดตั้งหม้อต้มซ้ำในรูปที่ ๑ และ ๒ นั้นใช้การประกบตัวหม้อต้มซ้ำเข้ากับหอกลั่นโดยตรง ไม่มีการใช้ท่อสั้น (ที่เรียกว่า spool piece) เป็นตัวเชื่อมต่อ ในรูปที่ ๒ จะเห็นว่าตัวหม้อต้มซ้ำประกบเข้ากับหอกลั่นโดยตรงทางด้านบนตรง nozzle ที่ให้ไอระเหยจากหม้อต้มซ้ำไหลวนกลับเข้าไปในหอกลั่น ส่วนที่อยู่ทางด้านล่างตรงบริเวณตัวskirt ของตัวหอกลั่นนั้น เป็นเพียงตัวนำร่อง (guide) ที่ช่วยให้หม้อต้มซ้ำวางตัวตรงในแนวดิ่ง ไม่ได้มีการยึดตรึง เพราะต้องการให้หม้อต้มซ้ำเคลื่อนตัวในแนวดิ่งได้เวลาที่หอกลั่นขยายตัวเมื่อมีอุณหภูมิสูง ส่วนจุดรับน้ำหนักหม้อต้มซ้ำอยู่ที่ lug ที่อยู่ข้างตัว vessel (ตรง Note 5 ในรูปที่ ๒) โดยถ่ายน้ำหนักของตัว vessel ลงไปที่โครงสร้างรับน้ำหนักของ platform (ถ้ายังไม่รู้ว่า lug คืออะไร สามารถไปดูได้ใน Memoir ปีที่ ๗ ฉบับที่ ๙๒๓ วันพฤหัสบดีที่ ๑๕ มกราคม ๒๕๕๘ เรื่อง "ทำความรู้จัก Process Design Questionnaire (ตอนที่ ๒)" ได้)
 
ลำดับต่อไปจะเป็นการขยายความหมายเหตุต่าง ๆ ที่กำกับอยู่ในรูปที่ ๑ และ ๒ จากคำอธิบายที่แสดงไว้ในรูปที่ ๓ และ ๔

รูปที่ ๑ ภาพการจัดวาง vertical reboiler (ตัวล่าง) ข้างหอกลั่น (ตัวบน) ภาพนี้เป็นภาพเมื่อมองจากทางด้านบน

รูปที่ ๒ ภาพการจัดวาง vertical reboiler (ตัวขวา) ข้างหอกลั่น (ตัวซ้าย) ภาพนี้เป็นภาพเมื่อมองจากทางด้านข้าง
 
Note 1 หรือหมายเหตุ ๑ อุปกรณ์พวก pressure vessel นั้น หลังจากการขึ้นรูปเสร็จแล้ว (ซึ่งต้องมีการเชื่อมโลหะเป็นเรื่องปรกติ) ก็จะนำไปเข้ากระบวนการ heat treatment ทั้งใบ เพื่อให้รอยเชื่อมนั้นมีความแข็งแรง หลังจากผ่านกระบวนการ heat treatment แล้วจะไม่ทำงานเชื่อมโลหะใด ๆ กับส่วนที่รับความดันโดยตรง คือผนังลำตัวและ nozzle ที่ใช้สำหรับต่อท่อเข้าออกต่าง ๆ (แต่ส่วนที่ไม่ได้รับความดัน เช่น skirt ขาตั้ง หรือส่วนหูที่ใช้สำหรับติดตั้งบันได ยังสามารถทำการตัดหรือเชื่อมได้ถ้าจำเป็น แต่ทั้งนี้ต้องไม่ให้ความร้อนจากงานเชื่อมไปกระทบกับตัวเนื้อโลหะส่วนที่รับความดันโดยตรง) ดังนั้นในกรณีที่ติดตั้งด้วยการนำเอา nozzle ของตัวเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประกบเข้ากับ nozzle ของตัวหอกลั่นโดยตรงนั้น จึงจำเป็นต้องเตรียมจุดสำหรับเชื่อมต่อเข้ากับอุปกรณ์วัดคุมอยู่ที่ตัว nozzle ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการกำหนดจุดสำหรับต่อเชื่อมอุปกรณ์วัดคุมและทิศทางการหันเอาไว้ตั้งแต่ต้น ก่อนเริ่มทำการขึ้นรูป heat exchanger แต่ถ้ามีการใช้เส้นท่อสั้น ๆ ในการเชื่อมต่อระหว่างหอกลั่นกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน จุดสำหรับต่อเชื่อมอุปกรณ์วัดคุมก็จะมาอยู่ที่เส้นท่อสั้นเส้นนี้แทน
 
เรื่องการตัด skirt นี้เคยเจอครั้งหนึ่งช่วงที่ทำงานก่อสร้างโรงงานอยู่ที่ระยองหลังจบใหม่ ๆ คือไม่รู้เหมือนกันว่างานโยธากับงานวางท่อนั้นมีการถ่ายระดับความสูงพลาดตรงไหน หรือว่าแบบงานโยธาผิดพลาด ทำให้ฐานคอนกรีตที่ทำหน้าที่รับน้ำหนัก column นั้นมีระดับสูงเกินกว่าตำแหน่งท่อที่จะต่อเข้ากับ column แนวทางแก้ปัญหาที่มีการพิจารณากันก็มีอยู่ด้วยกัน ๓ แนวทาง แนวทางแรกคือการไปแก้แบบ piping ในการเชื่อมต่อท่อเข้ากับ column แต่แนวทางนี้ก็ถูกตัดทิ้งไปเพราะจะส่งผลต่อกระบวนการผลิต (รูปแบบการไหลและ pressure drop ที่เปลี่ยนไป) แนวทางที่สองคือการทุบแท่นคอนกรีตให้ต่ำลง แต่แนวทางนี้ก็ถูกตัดออกไปอีกเนื่องจากขนาดของแท่นคอนกรีตและความลึกของ anchor bolt ที่ฝังอยู่ในฐานคอนกรีต ซึ่งหมายถึงการต้องทุบฐานคอนกรีตทิ้งทั้งหมดแล้วทำการหล่อขึ้นมาใหม่ (anchor bolt เป็นสลักเกลียวที่ฝังเอาไว้ในฐาน โดยให้ด้านที่ทำเกลียวไว้โผล่พ้นขึ้นมา สำหรับใช้ในการตรึงตำแหน่งอุปกรณ์ที่จะทำการติดตั้ง) ดังนั้นจึงเหลือเพียงแนวทางที่สามคือการตัดส่วนที่เป็น skirt ของ colum ออกเล็กน้อย เพื่อให้ column มีระดับต่ำลง (column ไม่ได้มีขนาดใหญ่มากนัก เส้นผ่านศูนย์กลางน่าจะอยู่ราว ๆ ๒ เมตร)

Note 2 หรือหมายเหตุ ๒ กล่าวถึงการขยายพื้นที่ platform ของหอกลั่นให้ครอบคลุมมายังตัวหม้อต้มซ้ำด้วย เพื่อความสะดวกในการปฏิบัติงาน ในกรณีที่จุดเชื่อมต่อที่ตัว Nozzle ด้านบนนั้นอยู่สูงจากพื้น 4.5 เมตรขึ้นไป เพื่อไว้สำหรับติดตั้ง slip plate หรือ blind flange (เช่นในกรณีที่ต้องมีการ isolate ระบบเพื่อการซ่อมบำรุง) หรือเข้าไปเปิด-ปิดวาล์ว (ถ้ามีการติดตั้งวาล์ว ณ บริเวณดังกล่าว) แต่ถ้าระยะดังกล่าวน้อยกว่า 4.5 เมตรก็อาจใช้การพาดบันไดแทนได้ แต่ถ้าหากไม่สามารถขยาย platform ของหอกลั่นได้ ก็อาจสร้างโครงสร้าง platform ใหม่ขึ้นต่างหาก แต่ทั้งนี้ "ต้องไม่" ทำการเชื่อม clip (หูสำหรับยึด platform) เข้ากับตัวหม้อต้มซ้ำ

Note 3 หรือหมายเหตุ ๓ เป็นหมายเหตุทั่วไปที่กล่าวถึงการออกแบบระบบท่อว่าต้องมีความยืนหยุ่นเพียงพอสำหรับการขยายตัวในภาวะการทำงานที่แตกต่างกัน ซึ่งตรงนี้ก็เป็นข้อพึงคำนึงในการออกแบบระบบท่อ ไม่ว่าจะเป็นของหน่วยผลิตใดอยู่แล้ว

Note 4 หรือหมายเหตุ ๔ เป็นหมายเหตุทั่วไป กล่าวถึงควรคำนึงถึงพื้นที่ว่างสำหรับการซ่อมบำรุงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน โดยที่ตัวเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนยังคงติดตั้งอยู่ในตำแหน่ง อย่างน้อยในกรณีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่สามารถดึงเอา tube bundle ออกจากตัว shell ได้ ด้านที่จะดึง tube bundle ออกก็จะเป็นด้านบน (ที่เขียนไว้ว่า tube withdrawal area ในรูปที่ ๒) ดังนั้นจึงต้องมั่นใจว่าต้องมีที่ว่างเหนือตัวเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอย่างน้อยก็ความยาวของ tube bundle ที่จะดึงออกมา และรวมทั้งความสูงของอุปกรณ์ช่วยยกที่จะใช้ด้วย

รูปที่ ๓ รายละเอียดหมายเหตุต่าง ๆ ที่มีการกล่าวถึงใน piping layout

รูปที่ ๔ รายละเอียดหมายเหตุต่าง ๆ ที่มีการกล่าวถึงใน piping layout (ต่อจากรูปที่ ๓)
 
Note 5 หรือหมายเหตุ ๕ กล่าวถึงตำแหน่งจุดรับน้ำหนักหม้อต้มซ้ำกรณีที่ทำการติดตั้งหม้อต้มซ้ำด้วยการประกบ nozzle เข้ากับตัว nozzle ของหอกลั่นโดยตรง โดยจุดรับน้ำหนักดังกล่าวควรอยู่ใกล้ตัว nozzle มากที่สุด (ดังเช่นที่แสดงในรูปที่ ๒) อีกตำแหน่งหนึ่งได้แก่ตำแหน่งที่อยู่ในระดับเดียวกับ "tangent line" ทางด้านล่างของหอกลั่น (แนว Tan line ในรูปที่ ๒ ที่เป็นแนวเส้นแบ่งระหว่างส่วนที่เป็นลำตัวทรงกระบอก และส่วนหัวที่เป็นฝาทรงรี) ทั้งนี้เพื่อลดผลที่จะเกิดจากการขยายตัวที่แตกต่างกัน (คือตรงนี้แม้ว่าอุณหภูมิที่ก้นหอกลั่นและอุณหภูมิที่หม้อต้มซ้ำถือได้ว่าเป็นอุณหภูมิเดียวกัน แต่ชิ้นส่วนที่มีความยาวมากกว่า (ในที่นี้คือหอกลั่น) จะมีขนาดการขยายตัวมากกว่า) และในขณะเดียวกันการออกแบบท่อที่นำของเหลวจากก้นหอกลั่นมายังด้านล่างของหม้อต้มซ้ำก็ต้องให้มีความยืดหยุ่นที่เพียงพอด้วย
 
การใช้ spring support อาจกระทำเมื่อไม่สามารถติดตั้งจุดรับน้ำหนัก ณ ตำแหน่งที่กล่าวมาข้างต้นได้ หรือในกรณีที่โครงสร้างที่ทำหน้าที่รับน้ำหนักหม้อต้มซ้ำนั้นเป็นโครงสร้างที่แยกออกมาจากโครงสร้างหอกลั่น รายละเอียดเรื่องนี้ในเอกสารที่นำมาแสดงปัดไปอยู่ในส่วนการพิจารณาความเค้นของท่อ

Note 6 หรือหมายเหตุ ๖ กล่าวถึง shell and tube heat exchanger ชนิดที่การไหลในส่วน shell เป็นแบบ single pass และตัว tube เป็นชนิดยึดตรึง (fixed tube sheet) ถอดออกจากส่วน shell ไม่ได้ โดยเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนรูปแบบนี้มักจะมีส่วนที่เรียกว่า shell expansion joint ที่มีไว้สำหรับรองรับความเค้นที่เกิดจากการขยายตัวของส่วน shell โดยตัวของ shell expansion joint นี้อาจส่งผลต่อการออกแบบตำแหน่งรองรับน้ำหนักตัวเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนได้

Note 7 หรือหมายเหตุ ๗ กล่าวถึงระดับความสูงของหม้อต้มซ้ำเมื่อเทียบกับตัวหอกลั่น ซึ่งจำเป็นต้องพิจารณาการเดินเครื่องประกอบด้วย กล่าวคือต้องมั่นใจว่าของเหลวก้นหอจะไม่ท่วม nozzle ตัวบนที่ให้ไอที่เกิดจากการต้มนั้นไหลกลับเข้ามาในหอ และยังต้องต่ำพอที่จะทำให้ของเหลวไหลเข้ามาด้วยอัตราการไหลที่พอเหมาะ

Note 8 หรือหมายเหตุ ๘ กล่าวถึงการติดตั้ง "guide" หรือตัวช่วยบังคับทิศทางในกรณีที่อัตราส่วน ความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของหม้อต้มซ้ำนั้นมีค่ามากกว่า 6.0 ทั้งนี้เพื่อให้มั่นใจว่าหม้อต้มซ้ำนั้นวางตัวในแนวดิ่ง ตัวอย่างหนึ่งของ guide ที่ใช้กับ vessel วางตัวในแนวนอนดูได้ใน Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๔๘๖ วันพุธที่ ๑ สิงหาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "การเผื่อการขยายตัวของ vessel วางตัวในแนวนอน"

Note 9 หรือหมายเหตุ ๙ การติดตั้งอุปกรณ์วัดคุมและจุดเก็บตัวอย่างต่าง ๆ ไว้ทางด้านหนึ่งของคอลัมน์ เพื่อเปิดพื้นที่รอบด้านให้กว้างที่สุดสำหรับ การวางท่อ platform ช่องทางเข้าถึง ฯลฯ

สำหรับฉบับนี้ก็คงจะจบเพียงแค่นี้

ไม่มีความคิดเห็น: