Piping layout ตอน Reactor piping (๑) MO Memoir : Wednesday 19 April 2560

ถ้าเอ่ยคำว่า "Reactor" ให้กับคนทั่วไปที่ไม่ใช่วิศวกรเคมีฟัง เชื่อว่าเกือบทั้งหมดคนนึกถึงเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือ "Nuclear reactor" แต่คำว่า reactor ในที่นี้เป็นเรื่องของ "Chemical reactor" หรือเครื่องปฏิกรณ์เคมี ที่ภาชนะที่เป็นที่เกิดปฏิกิริยาเคมี ที่นำสารตั้งต้นมาทำปฏิกิริยา ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมี กลายเป็นสารเคมีตัวใหม่
 

ในทางวิศวกรรมเคมีนั้นจะแบ่ง Reactor ออกเป็นสองกลุ่มใหญ่ตามรูปแบบการไหลผ่านและการผสม รูปแบบแรกมีลักษณะเป็นถังผสม ที่นำเอาสารตั้งต้นมาปั่นกวนและทำปฏิกิริยากันจนได้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ การทำงานของ reactor แบบนี้อาจเป็นการทำงานแบบกะ (คำว่า "กะ" ในที่นี้ตรงกับคำภาษาอังกฤษเรียกว่า batch นะ ไม่ใช่ "ประมาณ") หรือทำงานแบบต่อเนื่องก็ได้ ที่ภาษาทางวิศวกรรมเคมีเรียกว่า Continuous Stirred Tank Reactor หรือที่ย่อว่า CSTR
 

แบบที่สองนั้นรูปแบบการไหลจะมีลักษณะไหลเหมือนกับการไหลไปตามท่อ โดยในระหว่างที่ไหลผ่าน reactor ไปนั้นก็จะเกิดปฏิกิริยาไปด้วย ความเข้มข้นของสารตั้งต้นก็จะลดลงตามระยะทางที่ไหลผ่านเพิ่มขึ้น reactor แบบนี้เรียกว่า Tubular reactor
 

การเกิดปฏิกิริยาใน reactor นั้นอาจเกิดโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst) ช่วย หรือไม่มีก็ได้ ในกรณีที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยจะเรียกว่าเป็น catalytic reactor
 

เฟสสารตั้งต้นที่ไหลเข้าออก reactor นั้นไม่จำเป็นต้องเป็นเฟสของเหลวหรือเฟสแก๊สเพียงชนิดเดียว อาจมีทั้งเฟสของเหลวและแก๊สร่วมกันก็ได้ และในกรณีของ catalytic reactor นั้นอาจมีการบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งไว้ใน reactor หรือป้อนเข้าไปอย่างต่อเนื่องเหมือนกับสารตั้งต้นก็ได้ ตรงนี้ขึ้นอยู่กับแต่ละปฏิกิริยา แต่ละกระบวนการ
 

catalytic reactor แบบหนึ่งที่มีการใช้งานกันอย่างแพร่หลายมากในอุตสาหกรรมเคมี ปิโตรเคมี และกลั่นน้ำมันคือ แบบที่เรียกว่า fixed-bed reactor (หรือ fixed-bed catalytic reactoc) หรือ packed-bed reactor รูปแบบการไหลผ่านเครื่องปฏิกรณ์ชนิดนี้จะเหมือนกับกรณีของ tubular reactor แต่แทนที่จะเป็นการไหลผ่านที่ว่าง กลายเป็นการไหลผ่านชั้นอนุภาคของแข็ง (ตัวเร่งปฏิกิริยา) ที่บรรจุอยู่ภายใน ทำนองเดียวกันกับน้ำที่ไหลผ่านชั้นทรายหรือเรซินที่ใช้กรองน้ำ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ fixed-bed มีทั้งแต่ไม่กี่สิบมิลลิเมตร (เช่นในกรณีของ multi tubular reactor ที่ใช้ในปฏิกิริยา selective oxidation ที่มีการคายความร้อนสูง ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 25 มิลลิเมตร) ไปจนถึงหลายเมตร
 

รูปร่างของอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาที่นำมาบรรจุใน fixed-bed reactor นั้นมีขนาดและรูปร่างที่หลากหลาย ขนาดของอนุภาค (ที่เริ่มจากไม่กี่มิลลิเมตรจนถึงระดับเซนติเมตร) มักจะถูกกำหนดโดยค่าความดันลดที่ยอมรับได้ (คือผลต่างระหว่างความดันด้านไหลเข้ากับความดันด้านไหลออก ตัวเลขนี้บ่งบอกถึงความต้านทานการไหลผ่านเบด ถ้าค่านี้สูงก็แสดงว่าความต้านทานการไหลผ่านเบดก็สูงตามไปด้วย) ส่วนรูปร่างของตัวเร่งปฏิกิริยานั้นส่วนหนึ่งก็เป็นผลมาจากค่าความดันลดที่ยอมรับได้ แต่ส่วนใหญ่ก็เป็นผลมาจากปัจจัยเรื่องการถ่ายเทมวลสารและพลังงาน (mass and heat transfer) ระหว่างของไหลที่ไหลผ่านอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยากับพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา และการแพร่ซึมเข้าไปข้างในอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งรายละเอียดในส่วนนี้ขอละเอาไว้ไม่กล่าวถึง เพราะจะเป็นเรื่องยาวอีกเรื่องหนึ่ง
 

ปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาที่จะบรรจุเข้าไว้ใน fixed-bed ขึ้นอยู่กับอายุการใช้งานและระยะเวลาวงรอบที่จะทำการเปลี่ยน แต่โดยทั่วไปก็จะมักจะให้ตรงตามรอบเวลาการหยุดเดินเครื่อง (shut down) ประจำปีของโรงงาน แต่ไม่ได้หมายความว่าต้องเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาทุกปี อาจเป็น ๓ ถึง ๕ ปีครั้งก็ได้ คือใส่ไว้เยอะ ๆ เผื่อเอาไว้ก่อน จะได้ไม่ต้องเสียเวลาเปลี่ยนบ่อย

รูปที่ ๑ Reactor layout and piping arrangement (๑)

เอกสาร "Reactor layout and piping arrangement" ที่เอามาให้ดูในวันนี้ สำหรับคนที่ทำงานอยู่ในวงการแล้วคงจะเห็นว่ามันไม่มีเนื้อหาอะไร แต่วัตถุประสงค์ของการนำเสนอในที่นี้คือให้นิสิตปริญญาตรีที่กำลังศึกษาอยู่ หรือคนที่ไม่ได้เรียนมาทางด้านวิศวกรรมเคมี แต่ต้องทำงานเกี่ยวกับวิศวกรรมเคมี พอจะมองเห็นภาพบ้างว่าเนื้อหาในเอกสารนี้เกี่ยวกับอะไร โดยเนื้อหาที่จะเล่าจะไม่ใช่การแปล แต่จะขอเน้นไปด้านการอธิบายศัพท์และขยายความมากกว่า

เนื้อหาในย่อหน้าแรกในรูปที่ ๑ หรือส่วนของบทนำ (Introduction) ทำให้ทราบว่าเนื้อหาในส่วนนี้เป็นการยกตัวอย่างกรณีของ fixed-bed catalytic reactor ที่ใช้ในหน่วยการผลิตที่มีชื่อว่า "Platformer" (ย่อมาจาก Platinum reforming คือใช้โลหะพลาทินัมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ใช้ในการเปลี่ยนสารประกอบไฮโดรคาร์บอนโซ่ตรงช่วง C₆-C₈ ให้กลายเป็นสารประกอบอะโรมาติก เบนซีน โทลูอีน และไซลีน เพื่อนำไปผสมเพิ่มเลขออกเทนในน้ำมันเบนซินหรือใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีต่อไป)
 

"Atmospheric crude unit" คือหน่วยกลั่นน้ำมันที่ความดันบรรยากาศ กล่าวคือในการกลั่นน้ำมันนั้นจะมีหอกลั่นอยู่ด้วยกันสองหอ หอแรกเป็นการกลั่นที่ความดันบรรยากาศ จะได้พวกน้ำมันเบา (แก๊สหุงต้ม เบนซิน น้ำมันก๊าด ดีเซล) ออกมา น้ำมันส่วนเหลือที่ออกทางก้นหอเป็นพวกมีจุดเดือดสูง จะส่งไปกลั่นแยกต่อที่หอกลั่นสุญญากาศ โดยทำการกลั่นที่ความดันต่ำกว่าบรรยากาศ ทั้งนี้เพื่อลดจุดเดือดของน้ำมันหนัก ไฮโดรคาร์บอนที่จะนำมาเข้ากระบวนการ platforming จะอยู่ในช่วงของน้ำมันเบนซิน (gasoline) ที่บางทีก็เรียกว่าแนฟทาเบา (light naphtha)
 

H.D.S. ย่อมากจาก Hydrodesulfurisation (หรือ Hydrodesulfurization) เป็นหน่วยที่ใช้กำจัดสารประกอบกำมะถันอินทรีย์ที่อยู่ในน้ำมัน ด้วยการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาและแก๊สไฮโดรเจนเปลี่ยนอะตอม S ที่อยู่ในรูปสารประกอบอินทรีย์ให้กลายเป็นแก๊สไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H₂S) วัตถุประสงค์ของหน่วยนี้ก็เพื่อลดปริมาณกำมะถันในน้ำมัน เพื่อที่ว่านำไปเผาไหม้เป็นเชื้อเพลิงจะได้ไม่เกิดแก๊ส SO₂ ออกมา และยังเป็นการป้องกันตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในหน่วย catalytic cracking (ทำให้ไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่แตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลง) ไม่ให้ถูกทำกลายด้วยสารประกอบกำมะถัน (เพราะตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในหน่วย catalytic cracking มีฤทธิ์เป็นกรด ส่วนสารประกอบกำมะถันอินทรีย์มีฤทธิ์เป็นเบสที่สามารถไปสะเทินความเป็นกรดของตัวเร่งปฏิกิริยา catalytic cracking ได้)

ข้อ 1. กล่าวว่าเรื่องของ piping นั้นไม่ใช่เรื่องสำคัญอันดับหนึ่งในการออกแบบตำแหน่ง reactor สิ่งที่สำคัญกว่าได้แก่การจัดการกับตัวเร่งปฏิกิริยา (คือการบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาลงใน reactor และการนำเอาตัวเร่งปฏิกิริยาที่เสื่อมสภาพแล้วออกจาก reactor เพื่อเปลี่ยนตัวใหม่)

ข้อ 2. เป็นเรื่องเกี่ยวกับ การเข้าถึง การซ่อมบำรุง และความปลอดภัย
 

ข้อ 2 a) กล่าวถึงแผนการการจัดการกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่จะนำออกจาก reactor ว่าจะถ่ายลงสู่อะไร จะถ่ายลงสู่ถัง (drum) หรือถึงบรรจุ หรือถ่ายลงสู่รถบรรทุกโดยตรง ประเด็นนี้เกี่ยวข้องกับความสูงและตำแหน่งของจุดที่จะถ่ายตัวเร่งปฏิกิริยาออก ในกรณีที่จะถ่ายลงสู่รถบรรทุกโดยตรงก็ต้องมั่นใจว่ามีเส้นทางเข้าถึงและที่ว่าง (ทั้งความกว้างและความสูง) รอบ reactor ที่เพียงพอที่รถบรรทุกจะเข้าไปรองรับข้างใต้ reactor ได้ ประเด็นนี้ควรได้รับการพิจารณาตั้งแต่ขั้นตอนการวางแผน (คือตำแหน่งที่ตั้ง reactor)

รูปที่ ๒ Reactor layout and piping arrangement (๒)

ข้อ 2 b) (ในรูปที่ ๒) เป็นแผนการการบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาเข้าสู่ reactor ปรกติตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นอนุภาคของแข็งมักจะบรรจุมาในถุงหรือในถัง (ต่อไปขอใช้คำว่าถังอย่างเดียวก็แล้วกัน) สำหรับ fixed-bed ขนาดเล็กนั้นอาจใช้วิธีการเทลงไปโดยตรงจากทางด้านบนได้ (ถ้าไม่ต้องกังวลว่าอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาจะเกิดการแตกหักเมื่อตกกระทบพื้นด้านล่าง) หรือเทผ่านทางท่อหรือปล่องหรืองวง (ที่เรียกว่า chute) แต่ถ้าเป็น fixed-bed ขนาดใหญ่อาจต้องให้คนเข้าไปอยู่ใน reactor เพื่อเข้าเทตัวเร่งปฏิกิริยาภายใน หรือย้ายตำแหน่งปลายด้านล่างของ chute ว่าจะให้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เทลงมาตาม chute นั้นตกลงตำแหน่งใด
 

ประเด็นที่ต้องพิจารณาตรงนี้คือต้องมีที่ทำงานทางด้านบนของ reactor สำหรับให้พนักงานขึ้นไปปฏิบัติงาน และควรต้องมีอุปกรณ์ช่วยยกในการยกถังบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยานั้นขึ้นไปข้างบน (รวมทั้งส่งกลับลงมาด้วย) และในกรณีที่คาดว่าจะต้องมีการนำถังบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาจำนวนหลายถังไปกองรวมไว้ด้านบนก่อนการเท ก็ต้องมั่นใจว่าพื้นที่ทำงานตรงนั้นสามารถรับน้ำหนักถังบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาที่นำไปกองเอาไว้ได้ด้วย ซึ่งข้อมูลตรงนี้จำเป็นต้องแจ้งให้ทางวิศวกรโยธาผู้ทำการออกแบบโครงสร้างทราบด้วย (เพราะมันเป็นงานพิเศษที่นาน ๆ ทำครั้งและมักไม่ปรากฏในรายละเอียดการทำงานตามปรกติ)

ข้อ 2 c) เกี่ยวข้องกับประเด็นที่อาจมีฝนตกในระหว่างการทำงาน เพราะการเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาใน fixed-bed นั้นมักจะกินเวลาหลายวัน และในกรณีที่น้ำอาจก่อให้เกิดความเสียหายต่อตัวเร่งปฏิกิริยาได้ก็ให้คำนึงถึงโอกาสที่จะมีฝนตกในระหว่างการทำงานด้วย ว่าจะให้มีโครงสร้างหลังคาป้องกันแบบชั่วคราว (เสร็จงานแล้วรื้อออก) หรือแบบถาวร แต่ถ้าตั้งใจจะให้มีโครงสร้างแบบถาวรก็ควรพิจารณาติดตั้ง "loading beam" (ในที่นี้คือคานเหล็กรูปตัวไอ (I) ที่มีรอกติดตั้งอยู่ถาวรและเคลื่อนไปมาตามแนวความยาวคานได้) แทนการใช้ "davit" (แขนโค้งรูปร่างคล้ายสระอา "า" ที่หมุนรอบแนวตั้งได้) แม้ว่าการใช้ davit จะประหยัดกว่า แต่จะมีขีดจำกัดเรื่องของระยะทางและน้ำหนักที่รับได้

ข้อ 2 d) เป็นส่วนของรถบรรทุกที่จะใช้ลำเลียงถังบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาและขนตัวเร่งปฏิกิริยาออกไป โดยให้คำนึงถึง วงเลี้ยว ความกว้าง ความยาว และความสูงของรถด้วย เพราะปัจจัยเหล่านี้เป็นตัวกำหนด ความสูง พื้นที่ว่าง และเส้นทางเข้าถึงตัวอุปกรณ์

ข้อ 2 e) (รูปที่ ๓) กล่าวถึงการตรวจสอบความสูงของรถบรรทุกและวิธีการที่จะถ่ายตัวเร่งปฏิกิริยาออกจาก reactor ว่าจะถ่ายออกทางด้านข้างหรือทางด้านล่าง จำเป็นต้องมีเครื่องมือเพิ่มเติมเช่น chute สายยาง หรือกรวย ติดตั้งเพิ่มเติมเพื่อใช้ในการถ่ายตัวเร่งปฏิกิริยาลงสู่รถหรือไม่ ข้อมูลเหล่านี้เป็นตัวกำหนดความสูงของ reactor จากพื้น โดยให้คำนึงถึงปัญหาที่อาจมีกับระบบท่อและการถอดหน้าแปลนที่อยู่ทางด้านล่างด้วย

ข้อ 2 f) ให้ทำการระบุน้ำหนักของถังหรือถุงที่ใช้บรรจุตัวเร่งปฏิกิริยา และให้คำนึงถึง "ขนาด" ของภาชนะบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาด้วย เพราะขนาดของภาชนะบรรจุส่งผลต่อที่ว่างที่ต้องใช้ในการทำงาน (ไม่ว่าจะเป็นการกองเก็บบนพื้นทำงานด้านบน หรือในช่วงที่ยกขึ้นจากรถบรรทุกที่นำมาส่ง เพราะส่งผลต่อระยะการทำงานของ davit หรือ loading beam ด้วย) โดยให้ตรวจสอบในหัวข้อต่อไปนี้ (Check I - Check VI)

ข้อ 2 f) Check I กล่าวถึงราวกั้นพื้นที่ทำงานด้านบน (กันคนทำงานร่วงลงมา) ว่าเป็นการติดตั้งแบบถาวรหรือถอดออกได้ (ซึ่งถ้าถอดออกได้จะทำให้การยกภาชนะบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยามาวางบนพื้นที่ทำงานด้านบนทำได้ง่ายขึ้น เพราะไม่ต้องยกข้ามราวกั้น) ในหัวข้อนี้กล่าวไว้ว่าการใช้ประตูแบบบานพับ (swing gate) ที่เปิดประตูเข้ามาทางด้านในพื้นที่ทำงาน เป็นวิธีที่ดีและปลอดภัยที่สุด

รูปที่ ๓ Reactor layout and piping arrangement (๓)

ข้อ 2 f) Check II กล่าวถึงความสูงรวมของ ถังหรือถุงบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยา และอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่ต้องใช้ในการยกภาชนะบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยา ไม่ว่าจะเป็นฐานรอง (cradle - ถ้ามี) ระยะความสูงของลวดที่ใช้ยก เป็นต้น

ข้อ 2 f) Check III กล่าวถึงความสามารถในการรับน้ำหนักของลวดและอุปกรณ์ยก

ข้อ 2 f) Check IV ตำแหน่งระดับความสูงของอุปกรณ์ยก (คือให้สูงพอที่จะยกภาชนะบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาให้สูงเหนือระดับพื้นที่จะนำมาวางด้านบน)

ข้อ 2 f) Check V (รูปที่ ๔) กล่าวถึงระดับตำแหน่งความสูงของหน้าแปลน (คงหมายถึงหน้าแปลนที่ต้องเปิดออกเพื่อทำการบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยา) และแนวเส้นท่อที่อาจกีดขวางการทำงาน

ข้อ 2 f) Check VI กล่าวถึงการบรรจุทางด้านบนสุด ปรกติแก๊สที่ไหลเข้า fixed-bed จะไหลเข้าทางด้านบน ตรงกลาง reactor ในกรณีนี้คงหมายถึงการที่จะใช้

ข้อ 2 g) กล่าวถึงการเข้าถึงพื้นที่ทำงานทางด้านบนสุดของเครื่องปฏิกรณ์ reformer ว่าจะใช้บันไดชนิดปีน (ladder) หรือเป็นขั้นเดินขึ้นไป (stairs) การเลือกชนิดบันไดตรงนี้ขึ้นอยู่กับความถี่ในการใช้งาน ซึ่งความถี่ในการใช้งานก็ขึ้นอยู่กับเสถียรภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาว่าต้องมีการเปลี่ยนบ่อยครั้งแค่ไหน และในกรณีที่เป็นเครื่องปฏิกรณ์สองตัววางคู่ขนานกัน (แต่ใช้งานทีละตัว พอตัวเร่งปฏิกิริยาของเครื่องปฏิกรณ์ตัวที่ใช้งานอยู่นั้นเสื่อมสภาพ จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกริยา ก็เปลี่ยนเส้นทางการไหลให้ไปเข้าเครื่องปฏิกรณ์อีกเครื่องแทน) การมีขั้นบันไดแบบเดินขึ้นไปนั้นจะเหมาะสมกว่า

ข้อ 2 g) 1. กล่าวถึงรูปแบบของฐาน (reactor support) ของเครื่องปฏิกรณ์ (ฐานในที่นี้คือโครงสร้างของตัวเครื่องปฏิกรณ์ที่ถ่ายน้ำหนักตัวเครื่องปฏิกรณ์ลงพื้นหรือโครงสร้างอื่นนะ ไม่ใช่พื้นหรือโครงสร้างอาคารที่ทำหน้าที่รับน้ำหนักของเครื่องปฏิกรณ์)

จุดที่ควรตรวจสอบ ในกรณีที่ฐานนี้ไม่ใช่แบบ skirt

ข้อ 2 g) 1. ข้อย่อย I กล่าวว่าถ้าโครงสร้างของพื้นที่ทำงานนั้นเป็นอิสระจากตัวเครื่องปฏิกรณ์ ให้คำนึงถึงการขยายตัวของเครื่องปฏิกรณ์ (ที่จะร้อนขึ้นในขณะใช้งาน) ว่าจะส่งผลต่อพื้นที่ทำงานด้านบนหรือไม่ ไม่ใช่ว่าตอนสร้างเสร็จก็ดูเรียบร้อยดี แต่พอใช้งานจริง ตัวเครื่องปฏิกรณ์ (คงรวมถึงตัวท่อที่ต่ออยู่ด้วย) มีการขยายตัวจนไปเบียดเข้ากับพื้นที่ทำงาน

เรื่องนี้ยังไม่จบ ยังมีต่อตอน ๒ แต่วันนี้คงพอแค่นี้ก่อน

รูปที่ ๔ Reactor layout and piping arrangement (๔)