ข้อกำหนดคุณลักษณะที่ Battery limit (๑) MO Memoir : Sunday 30 April 2560

คำว่า "Battery" สำหรับคนทั่วไปคงจะนึกถึงแต่แบตเตอรี่หรือเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่เป็นแหล่งให้พลังงาานไฟฟ้า แต่มันยังมีความหมายอื่นอีก เช่นในวงการทหารจะใช้คำนี้กับปืนใหญ่ที่จัดรวมเป็นกลุ่ม เช่นถ้าเป็นทหารบกก็จะเป็นปืนใหญ่หลายกระบอกที่นำมาจัดกลุ่มตั้งยิง (Artillery battery) แต่ถ้าเป็นทหารเรือก็จะเป็นป้อมปืนที่ประกอบด้วยปืนใหญ่หลายกระบอก แต่คำว่า "Battery limit" ในที่นี้จะมีความหมายเป็น "ขอบเขตความรับผิดชอบระหว่างสองพื้นที่" ที่อาจเป็นขอบเขตทางกายภาพหรือขอบเขตตามภูมิศาสตร์ก็ได้
 

เพื่อให้เห็นภาพความแตกต่างระหว่างขอบเขตทางกายภาพลองนึกภาพบ้านหลังหนึ่งที่มีรั้วล้อมรอบ ขอบเขตตามภูมิศาสตร์ของบ้านหลังนั้นคือรั้ว แต่บ้านหลังนี้มีการใช้ไฟฟ้า มีการติดมิเตอร์ไฟฟ้าไว้ที่เสาไฟฟ้าหน้าบ้าน สิ่งที่การไฟฟ้าทำคือการเดินสายไฟฟ้าจากสายส่งมายังมิเตอร์ (ที่อยู่นอกบ้าน) เจ้าของบ้านหลังดังกล่าวต้องรับผิดชอบส่วนสายไฟตั้งแต่ด้านขาออกจากมิเตอร์ (ที่อยู่นอกบ้าน) เข้าไปในตัวบ้าน ตรงตำแหน่งด้านขาออกจากมิเตอร์คือ Battery limit ในส่วนของไฟฟ้า
 

ในอุตสาหกรรมกลั่นน้ำมัน ปิโตรเคมี หรือเคมีนั้น คำว่า Inside Battery Limit (ISBL) จะหมายถึงด้านที่เป็นขอบเขตความรับผิดชอบของโรงงาน ส่วน Outside Battery Limit (OSBL) จะหมายถึงด้านที่อยู่นอกขอบเขตความรับผิดชอบของโรงงาน ในกลุ่มโรงงานที่มีการส่งวัตถุดิบหรือผลิตภัณฑ์กันระหว่างโรงงานด้วยการใช้ระบบท่อส่งนั้น จะต้องมีการกำหนดจุดแบ่ง (ปรกติก็จะเป็นตำแหน่งหน้าแปลน) ที่แบ่งความรับผิดชอบว่าด้านไหนเป็นของฝ่ายไหน ถ้าเปรียบเทียบกับน้ำประปาที่ส่งให้ตามบ้าน ท่อจากมิเตอร์น้ำออกมาเข้าไปในตัวบ้านเป็นความรับผิดชอบของเจ้าของบ้าน ส่วนตั้งแต่ตัวมิเตอร์ออกไปเป็นส่วนความรับผิดชอบของการประปา
 

โรงงานผลิตโอเลฟินส์ (olefin) ก็ทำหน้าที่ผลิตเอทิลีนเป็นหลัก จากนั้นก็จะส่งโอเลฟินส์ที่ผลิตได้ส่งไปยังคลังเก็บ (ซึ่งอาจเป็นการเก็บในถังเก็บ cryogenic ที่ความดันบรรยากาศ) เพื่อรอการจัดจำหน่ายต่อไป ซึ่งอาจเป็นการส่งไปให้กับโรงงานอื่นที่อยู่ข้างเคียงผ่านทางระบบท่อ หรือส่งออกในรูปของเหลวบรรทุกไปทางเรือ 
  

โรงงานอื่นที่นำเอาโอเลฟินส์ไปใช้ผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ตัวอื่นที่อยู่ใกล้กับโรงงานผลิตโอเลฟินส์ ก็มักจะรับโอเลฟินส์ที่โรงงานผลิตโอเลฟินส์นั้นผลิตได้ที่ส่งมาทางระบบท่อ แต่ในขณะเดียวกันก็อาจต้องมีการวางแผนการรับโอเลฟินส์จากแหล่งอื่น (เช่นส่งมาทางเรือมาสำรองไว้ที่คลังเก็บ) ในกรณีที่โรงงานผลิตโอเลฟินส์นั้นหยุดเดินเครื่อง ดังนั้นโรงงานที่รับเอาโอเลฟินส์ไปใช้งานนั้นจึงจำเป็นที่ต้องรู้องค์ประกอบของโอเลฟินส์ที่จะรับเข้ามา ว่าสามารถนำมาใช้ในกระบวนการผลิตของตัวเองได้เลยหรือไม่ หรือจำเป็นต้องมีการปรับปรุงคุณสมบัติให้เหมาะสมก่อนนำไปใช้ในกระบวนการผลิต (เช่นการกำจัดสิ่งเจือปนที่มากเกินไปออก) เพราะถ้าพบว่าต้องทำการปรับปรุงคุณสมบัติ ก็จะได้ออกแบบโรงงานให้มีหน่วยปรับปรุงคุณสมบัติโอเลฟินส์

เรื่องราวของบทความชุดนี้จะเป็นการยกตัวอย่างข้อกำหนดคุณลักษณะของสารเคมีหรือสาธารณูปโภคบางตัวที่ตำแหน่ง Battery limit ของโรงงาน เพื่อช่วยให้มองเห็นภาพว่าในการออกแบบโรงงานนั้น วิศวกรผู้ออกแบบควรต้องรู้เงื่อนไขอะไรที่เป็นปัจจัยภายนอก ที่ส่งผลต่อการออกแบบโรงงาน

จะว่าไปบทความชุดนี้จะเรียกว่าเป็นส่วนขยายของบทความชุด "ทำความรู้จัก Project Design Questionnaire" กับ "ทำความรู้จัก Process Design Questionnaire" ก็ได้ เพียงแต่ว่าในบทความสองชุดก่อนหน้านี้เป็นเพียงแค่การยกตัวอย่างหัวข้อ แต่ในบทความชุดนี้จะเป็นการให้รายละเอียดสำหรับบางหัวข้อ โดยจะขอเริ่มจากวัตถุดิบก่อน ตัวเลขข้อมูลต่าง ๆ ที่นำมาแสดงเป็นเพียงตัวอย่างข้อมูลที่ตำแหน่ง Battery limit เท่านั้นนะ อย่าไปยึดติดว่ามันต้องเป็นจริงตามนี้เสมอ

เอทิลีนที่ผลิตได้ถูกเก็บไว้ในถังเก็บในสภาพที่เป็นของเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง ที่ความดันบรรยากาศ เมื่อต้องการส่งเอทิลีนไปยังผู้ใช้ก็จะทำการระเหยให้กลายเป็นไอก่อน แล้วค่อยเพิ่มความดันเพื่อให้ส่งไปตามระบบท่อได้ วิธีการนี้ทำให้ไม่สิ้นเปลืองค่าใช้จ่ายในส่วนของโลหะที่ใช้ทำท่อที่ต้องทนอุณหภูมิต่ำได้ และการหุ้มฉนวน และสิ่งที่ลูกค้าต้องการใช้งานก็คือเอทิลีนในสภาพที่เป็นแก๊สที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิห้องอยู่แล้ว ส่วนความดันนั้น ถ้าความดันที่รับเข้ามาสูงเพียงพอสำหรับการใช้ในกระบวนการผลิตของผู้รับ ทางฝ่ายผู้รับก็ไม่จำเป็นต้องมีระบบเพิ่มความดันให้กับแก๊สที่รับเข้ามา มีเพียงแค่ระบบลดความดันเท่านั้นเอง
 

ในหลายกระบวนการ เช่นกระบวนการผลิตพอลิโอเลฟินส์ที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาตระกูล Ziegler-Natta นั้น (เช่นการผลิตพอลิเอทิลีนพวก HDPE, LLDPE และการผลิตพอลิโพรพิลีน) ตัวเร่งปฏิกิริยากลุ่มนี้จะเสื่อมสภาพได้เมื่อพบกับสารประกอบมีขั้วและโมเลกุลบางชนิด เช่น CO, CO₂, H₂O, O₂, CH₃OH, สารประกอบคาร์บอนนิล (พวกมีหมู่ -CO-) และสารประกอบกำมะถัน แม้ว่าสารเหล่านี้จะมีปะปนมากับเอทิลีนในปริมาณที่ต่ำมากก็ตาม แต่เมื่อพิจารณาอัตราการไหลของเอทิลีนที่ป้อนเข้ามา (เอทิลีนในระดับ 10 ตันต่อชั่วโมงก็ไม่ได้ถือว่ามากอะไร) และปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในกระบวนการผลิต (ที่ใฃ้น้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาณเอทิลีนที่เปลี่ยนไปเป็นพอลิเมอร์ คือใช้ในระดับ kg/hr) ก็อาจพบว่าปริมาณสารปนเปื้อนที่เป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยานี้เมื่อนับรวมกันแล้ว อาจสูงจนก่อให้เกิดความสูญเสียตัวเร่งปฏิกิริยาที่จำเป็นสำหรับกระบวนการผลิตในระดับที่มากเกินไป 
  

ส่วนระดับสารปนเปื้อนที่มากเกินไปนั้นอยู่ตรงไหนนั้น คงต้องไปดูข้อกำหนดของเจ้าของเทคโนโลยีที่ใช้ในการผลิตพอลิโอเลฟินส์แต่ละราย เพราะตัวเร่งปฏิกิริยาของเจ้าของเทคโนโลยีแต่ละรายนั้นทนต่อสารปนเปื้อนที่เป็นพิษนี้ไม่เท่ากัน ข้อมูลตรงนี้นส่งผลต่อการออกแบบหน่วยกำจัดสิ่งปนเปื้อนให้กับเอทิลีน ถ้าพบว่าตัวเร่งปฏิกิริยานั้นไม่สามารถทนต่อระดับปริมาณสารปนเปื้อนที่เป็นพิษที่มากับเอทิลีนที่รับเข้ามาได้ ทางผู้รับเอทิลีนก็ต้องมีหน่วยปรับปรุงคุณภาพเอทิลีนก่อนนำไปใช้งาน (ผู้ผลิตเอทิลีนเขาไม่ทำให้เป็นพิเศษกับผู้ใช้แต่ละราย เพราะเขาผลิตเอทิลีนในปริมาณมากเพื่อส่งให้กับผู้ใช้หลายราย) ก็จะมีค่าใช้จ่ายในการผลิตตรงส่วนนี้เพิ่มขึ้น แต่ถ้าพบว่าพอจะยอมรับปริมาณสารปนเปื้อนที่เป็นพิษนี้ได้ เขาก็อาจจะยอมสูญเสียตัวเร่งปฏิกิริยาไปบางส่วน (เป็นค่าใช้จ่ายในส่วนของการทำปฏิกิริยาที่เพิ่มขึ้น) แต่เขาจะไปประหยัดค่าใช้จ่ายที่ไม่ต้องมีหน่วยกำจัดสารปนเปื้อนให้กับเอทิลีน
 

เรื่องความบริสุทธิ์ของเอทิลีนที่เหมาะสมกับกระบวนการผลิตนั้นเป็นสิ่งที่ผู้ซื้อกระบวนการผลิตต้องตกลงกับผู้ขายเทคโนโลยีการผลิตให้ดี เพราะถ้าหากตอนตกลงกันนั้นผู้ขายเทคโนโลยีบอกว่าเอทิลีนที่จะซื้อมานั้นใช้ได้เลย ไม่มีปัญหา ผู้ซื้อเทคโนโลยีก็เลยสร้างโรงงานที่ไม่มีหน่วยเพิ่มความบริสุทธิ์ แต่พอเอาเข้าจริงแล้วใฃ้ไม่ได้ ทางผู้ขายเทคโนโลยีจะรับผิดขอบอย่างไร (เช่นยอมให้ปรับเงินประกัน) แล้วทางผู้ซื้อเทคโนโลยีจะแก้ปัญหาอย่างไร (เช่นจะฝืนใช้ไปก่อนแล้วค่อยติดตั้งหน่วยเพิ่มความบริสุทธิ์ภายหลัง)
 

แต่ในทางกลับกันใช่ว่าจะดีเสมอไป เคยได้ยินเรื่องเล่ามาเหมือนกันว่าเจ้าของเทคโนโยลีกระบวนการผลิตพอลิเมอร์นั้นกำหนดความบริสุทธิ์ของเอทิลีนไว้ซะสูงกว่าที่ผู้ซื้อเทคโนโลยีจัดหาได้ ทำให้ผู้ซื้อเทคโนโลยีต้องออกแบบโรงงานโดยให้มีหน่วยกำจัดสิ่งปนเปื้อนให้กับเอทิลีน (ทางผู้ซื้อเทคโนโลยีเป็นคนออกเงินในส่วนนี้) แต่พอเอาเข้าจริงแล้วพบว่าเอทิลีนที่ผ่านหน่วยปรับปรุงคุณภาพแล้วมีความบริสุทธิ์ที่สูงมาก ประกอบกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้นั้นมีความว่องไวสูงมาก ทำให้ปฏิกิริยาเกิดได้รวดเร็วมากจนไม่สามารถระบายความร้อนที่คายออกมาในปริมาณมากได้ทัน ก่อให้เกิดปัญหาในกระบวนการผลิต สุดท้ายก็เลยแก้ปัญหาด้วยการ bypass หน่วยเพิ่มความบริสุทธิ์ให้กับเอทิลีน คือสร้างแล้ว แต่สุดท้ายไม่ได้ใช้ อย่างนี้จะเรียกว่าเป็นการสูญเปล่าของผู้ซื้อเทคโนโลยีหรือไม่ก็ไม่รู้เหมือนกัน และเจ้าของเทคโนโลยีการผลิตพอลิเมอร์ที่บอกกับผู้ซื้อเทคโนโลยีว่าจำเป็นต้องมีหน่วยนี้ แสดงความรับผิดชอบอย่างใดหรือไม่นั้น ก็ไม่ทราบเหมือนกัน

ไฮโดรคาร์บอน C₃ และ C₄ สามารถทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้ด้วยการเพิ่มความดัน ดังนั้นมันจึงมักถูกเก็บเอาไว้ในรูปของเหลวภายใต้ความดัน และส่งจ่ายไปตามท่อให้กับผู้ซื้อในรูปของเหลว (สูบจ่ายของเหลวใช้พลังงานน้อยกว่าการอัดความดันให้กับแก๊ส และการส่งในรูปของเหลวยังใช้ท่อที่มีขนาดเล็กกว่าด้วย)
 

โพรเพนและโพรพิลีนเป็นคู่สารที่มีจุดเดือดใกล้กันมาก การกลั่นแยกทำได้ยาก (ต้องใช้หอกลั่นที่มีจำนวน tray มาก) แต่เนื่องจากโพรเพนมักเป็นสารที่เฉื่อยในปฏิกิริยาที่นำโพรพิลีนไปใช้เป็นสารตั้งต้น ดังนั้นจึงพอจะยอมให้มีโพรเพนผสมอยู่ในโพรพิลีนในระดับที่สูงหน่อย (เมื่อเทียบกับกรณีของเอทิลีน-อีเทน)

ในการแยกไฮโดรคาร์บอน C₂ ออกจาก C₃ และพวกที่หนักกว่านั้น จะทำการกลั่นแยกที่อุณหภูมิต่ำและแยกพวก C₂ ออกไปในรูปของไอ ในขณะที่พวก C₃ พวกที่หนักกว่านั้นออกไปในรูปของเหลว ทำให้ในโพรพิลีนนั้นมีไฮโดรคาร์บอนหนักปนเปื้อนมากกว่าในกรณีของเอทิลีน ส่วน green oil เป็นพวกไฮโดรคาร์บอนหนักที่เกิดจากการต่อโมเลกุลเข้าด้วยกัน (การพอลิเมอร์ไรซ์) ของไฮโดรคาร์บอนเบา สาเหตุที่มีของ green oil อาจมาจากอุณหภูมิและความดันที่สูงในบางช่วงของกระบวนการผลิตเอทิลีน (เช่นในตอนเพิ่มความดันให้กับแก๊สที่ออกมาจาก cracker ก่อนเข้าหน่วยกลั่นแยก) หรือตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในกระบวนการผลิต (เช่นหน่วยกำจัดอะเซทิลีน)
 

ในกระบวนการผลิตพอลิเอทิลีนก็มีการใช้โพรพิลีนเป็นโมโนเมอร์ร่วมกับเอทิลีน โดยใช้เป็นตัวปรับความหนาแน่นของพอลิเอทิลีนที่ผลิตได้ (เพิ่มระยะห่างระหว่างสายโซ่พอลิเมอร์)

การผลิตพอลิเอทิลีนใช้แก๊สไฮโดรเจนเป็นตัวควบคุมความยาวสายโซ่พอลิเมอร์ ถ้าผสมไฮโดรเจนในสัดส่วนที่สูงในระหว่างการทำปฏิกิริยาก็จะได้พอลิเมอร์สายโซ่สั้น พอลิเมอร์สายโซ่สั้นจะหลอมง่าย ไหลง่าย เหมาะสำหรับการฉีดขึ้นรูปในแม่แบบ (injection molding) แต่ถ้าต้องการพอลิเมอร์มาทำเป็นฟิลม์ เป็นถุงพลาสติก ก็ผสมไฮโดรเจนน้อยหน่อย จะได้พอลิเมอร์สายโซ่ยาวที่หนืด เป่าขึ้นรูปให้โป่งพองได้
 

แหล่งที่มาหลักของไฮโดรเจนนั้นมีอยู่สองแหล่งด้วยกัน แหล่งแรกคือจากกระบวนการผลิตโอเลฟินส์ ไฮโดรเจนตรงนี้จะมีสิ่งเจือปนเยอะหน่อย (อย่างเช่นที่เอามาให้ดู) แหล่งที่สองคือจากกระบวนการผลิตโซดาไฟ (NaOH) ที่ใช้ไฟฟ้าในการแยกสารละลายเกลือ NaCl ไฮโดรเจนจากแหล่งนี้จะมีความบริสุทธิ์ได้สูงกว่า (ขึ้นอยู่กับคุณภาพน้ำและเกลือที่ใช้) ในระหว่างที่โรงงานโอเลฟินส์เดินเครื่องนั้น จะมีการผลิตไฮโดรเจนตลอดเวลา แต่มักจะไม่มีการเก็บไฮโดรเจนสำรอง (เพราะต้องเก็บในรูปของแก๊สความดันสูง) ในกรณีที่โรงงานผลิตโอเลฟินส์หยุดเดินเครื่องก็จะไม่มีการจ่ายไฮโดรเจนให้กับโรงงานผลิตพอลิเมอร์ แต่ก็จะยังมีเอทิลีนที่สำรองไว้ในถังเก็บ ดังนั้นโรงงานผลิตพอลิเมอร์จึงยังคงสามารถเดินเครื่องการผลิตต่อไปได้ด้วยการสั่งซื้อไฮโดรเจนจากแหล่งภายนอก (ที่เห็นกันก็คือมากับรถพ่วง ๒๒ ล้อ นำมาจอดที่โรงงานลูกค้า แล้วก็ต่อท่อจากรถพ่วงเข้าสู่ระบบของลูกค้า) ดังนั้นการออกแบบโรงงานก็ควรต้องคำนึงถึงตำแหน่งสำหรับรองรับวัตถุดิบที่อาจมาในรูปของคันรถที่มาจอดต่อพ่วงเข้ากับตัวโรงงานเอาไว้ด้วย

ตอนที่ ๑ ของเรื่องนี้คงจะขอจบเพียงแค่นี้ก่อนหลังจากลากมายาว ๖ หน้าแล้ว