Piping layout ตอน Reactor piping (๒) MO Memoir : Saturday 22 April 2560

ฉบับนี้เป็นตอนต่อจากฉบับที่แล้ว ดังนั้นเพื่อไม่ให้สับสนจะขอใช้หลายเลขรูปต่อเนื่องจากฉบับที่แล้ว

ข้อ 2 ) 1. ข้อย่อย II (รูปที่ ๕ ในหน้าที่ ๒) กล่าวว่าถ้าโครงสร้างรองรับตัว reactor (คือ support) สูงกว่าระดับ "bottom tangent line" และมีการถ่ายตัวเร่งปฏิกิริยาจากทางด้านล่าง ก็ให้ตรวจสอบด้วยว่าไม่มีสิ่งกีดขวางในการถ่ายตัวเร่งปฏิกิริยาออกมา

"bottom tangent line" คือเส้นตรงแนวรอยต่อระหว่างส่วนลำตัวทรงกระบอกกับส่วนฝาที่เป็นรูปทรงคล้ายครึ่งทรงรีที่เรียกว่า torispherical head (ดูรูปที่ ๖ ข้างล่าง)

รูปที่ ๕ Reactor layout and piping arrangement (๕)

รูปที่ ๖ ตัวอย่างการถ่ายน้ำหนัก vessel ลงไปยังโครงสร้างรับน้ำหนัก ในกรณีที่คาดว่าจะมีการถ่ายตัวเร่งปฏิกิริยาออกทางด้านล่างของ reactor ใส่รถบรรทุกที่มารอรับ ก็ควรต้องเผื่อระดับความสูงของ reactor จากพื้น และระยะห่างจากโครงสร้างและระบบท่อต่าง ๆ ทั้งทางด้านข้างและด้านบนเอาไว้ด้วย

ข้อ 2 ) 1. ข้อย่อย III กล่าวถึงจำนวนและขนาดของ "reactor bracket" (ขารับน้ำหนักสีเขียวในรูปที่ ๖) ที่ไม่ได้ถูกกำหนดเอาไว้ในการออกแบบโรงงาน (plant design) สิ่งที่ทราบในขั้นตอนนี้ก็คือขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ reactor ดังนั้นตำแหน่งของ reactor bracket จะอยู่ถัดออกมาจากผนังด้านนอกของ reactor ดังนั้นเมื่อทราบขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ reactor ก็จะสามารถกำหนดได้ว่าตำแหน่งที่ตั้งของ reactor bracket นั้นควรจะต้องห่างออกมาจากผนังด้านนอกของ reactor เป็นระยะเท่าใด แต่ทั้งนี้ต้องไม่ลืมเผื่อความหนาของฉนวน (ถ้ามี) ที่ต้องห่อหุ้ม reactor เอาไว้ด้วย
 

(รูปที่ ๗) นอกจากนี้ส่วนขาที่เป็นเหล็กนั้นยังต้องได้รับการป้องกันความร้อนจากไฟไหม้ ด้วยการหุ้มคอนกรีตทบไฟไว้รอบส่วนขาด้วย และควรต้องมี nozzle (หน้าแปลนสำหรับเป็นจุดต่อท่อ) ไว้ใต้โครงเหล็กรับน้ำหนักด้วย (เอกสารไม่ได้ให้รายละเอียดอะไรไว้ บอกแต่เพียงว่าเป็นความผิดพลาดที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งและมีราคาแพง)

รูปที่ ๗ Reactor layout and piping arrangement (๖)

มาต่อกันในหัวข้อ "Piping considerations" ในรูปที่ ๗

ข้อ 1. กล่าวถึงคุณลักษณะทั่วไปของ reactor ที่มีทั้งของเหลว แก๊ส และของผสมไหลผ่าน เพื่อทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโมเลกุล
 

ในกรณีของ reactor ที่ทำงานที่อุณหภูมิและความดันสูง ให้คำนึงถึงความยืดหยุ่นของระบบท่อเมื่อทำการออกแบบระบบท่อ ทั้งนี้เป็นเพราะท่อที่รับความดันสูงนั้นจำเป็นต้องมีผนังหนา ทำให้ความยืดหยุ่นลดลง แต่ความร้อนทำให้ท่อขยายตัวในทิศทางความยาว และท่อที่รองรับของเหลวและ/หรือแก๊สที่อัตราการไหลสูงก็จะมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางท่อมากตามไปด้วย จึงทำให้ความยืดหยุ่นลดลง
 

ตรงประเด็นเรื่องความยืดหยุ่นของท่อจะขออธิบายเพิ่มเติมนิดนึง (ดูเพิ่มเติมในรูปที่ ๘) ความยืดหยุ่นของท่อขึ้นอยู่กับอัตราส่วนระหว่างความยาวกับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ ถ้าอัตราส่วนนี้สูงก็จะมีความยืดหยุ่นสูงไปด้วย (ความยืดหยุ่นในที่นี้คือความสามารถในการโก่งตัวออกทางด้านข้างหรือบิดตัวโดยที่ตัวมันเองไม่เกิดความเสียหาย) ท่อนั้นถูกยึดตรึงที่ปลายทั้งสองด้าน เช่นเชื่อมต่อระหว่าง vessel สองใบ เมื่อท่อมีอุณหภูมิสูงขึ้น ท่อก็จะขยายตัว ทำให้เกิดความเค้นกดขึ้นกับตัวท่อและเกิดแรงกดกระทำต่อ vessel ที่ปลายท่อทั้งสองเชื่อมต่ออยู่ โดยทั่วไปนั้นขนาด vessel จะใหญ่กว่าท่อมาก ดังนั้นถ้าเกิดความเค้นมากเกินไปก็จะทำให้ตัวท่อเกิดความเสียหายก่อน 
  

ในบรรทัดสุดท้ายของรูปที่ ๗ กล่าวว่าท่อดังกล่าวอาจต่อตรงมาจาก "heater" คำว่า "heater" ในที่นี้หมายถึงเตาเผาให้ความร้อนแก่สารที่ไหลอยู่ในท่อ โดยมีเปลวไฟให้ความร้อนอยู่ภายนอกท่อ (ดูภาพตัวอย่างได้ในบทความชุด "ทำความรู้จัก Process Fired Heater") เฟสที่ออกมาจาก heater นั้นอาจเป็นเฟสของเหลวหรือไอเพียงอย่างเดียวหรือเฟสของเหลวปนกับไอก็ได้ การที่ต้องไม่มี "pocket" คงเป็นเพราะเป็นกรณีของท่อที่มีเฟสไอเป็นหลัก และไม่ต้องการให้มีตำแหน่งที่ของเหลวที่ควบแน่นนั้นสะสมในเส้นท่อได้

รูปที่ ๘ ท่อที่เชื่อมต่อระหว่าง vessel สองใบ เมื่อท่อร้อนท่อก็จะเกิดการขยายตัวในทิศทางความยาว (รูปซ้าย) ถ้าท่อนั้นเป็นท่อขนาดใหญ่และระยะหว่างระหว่าง vessel ไม่มาก แรงที่เกิดจากการขยายตัวในทิศทางความยาวท่อจะไม่ทำให้ท่อโก่ง แต่จะไปเพิ่มความเค้นให้กับท่อ แต่ถ้าเป็นท่อขนาดเล็ก แรงที่เกิดจะทำให้ท่อโก่ง (เป็นการลดความเค้นในทิศทางความยาว) อีกวิธีการหนึ่งที่สามารถลดความเค้นที่เกิดจากการขยายตัวคือการเดินท่อให้มีการหักเลี้ยวหรือมี loop ให้ขยายตัว (รูปขวา) การทำ loop มักจะใช้กับการวางท่อเป็นระยะทางยาว แต่ในระยะทางที่ไม่มากก็สามารถใช้การออกแบบที่มีการหักเลี้ยวช่วยได้ แต่ทั้งนี้ช่วงระยะ

รูปที่ ๙ Reactor layout and piping arrangement (๗)

มาต่อกันในรูปที่ ๙

ข้อ 2. กล่าวถึงการบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาเข้า reactor ที่ปรกติจะบรรจุเข้าจากทางด้านบน ด้วยการถอดท่อที่ต่อเข้า reactor ออก ดังนั้นจึงต้องตรวจสอบว่าท่อที่ต่อเข้า reactor นั้นมีชิ้นส่วนท่อ (ที่เรียกว่า spool pieces) ที่สามารถถอดออกได้ และถ้าหากท่อที่ต่อเข้า reactor นั้นมีขนาดเล็ก ก็อาจทำการขยายขนาดท่อให้ใหญ่ขึ้น (เช่นเพิ่มเป็นท่อขนาด 16 นิ้วหรือ 20 นิ้ว) ก่อนต่อเข้า reactor ทั้งนี้เพื่อทำให้การบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาเข้า reactor นั้นทำได้ง่ายขึ้น นอกจากนี้ช่องทางดังกล่าวยังสามารถใช้เป็นช่องทางให้พนักงานมุดเข้าไปทำงานข้างใน (ช่อง manhole หรือ manway) เมื่อทำการซ่อมบำรุง

ข้อ 3. กล่าวถึงปัญหาการขยายตัวที่ไม่เท่าในกรณีที่มี reactor หลายตัวเชื่อมต่อกันและต่างมีอุณหภูมิไม่เท่ากัน เช่นตัวหนึ่งมีอุณหภูมิสูงในขณะที่อีกตัวหนึ่งมีอุณหภูมิต่ำ ให้คำนึงถึงการขยายตัวที่แตกต่างกันของชิ้นส่วนต่าง ๆ (เช่น ท่อ หรือ platform ที่ใช้เป็นที่ทำงาน) ที่เชื่อมต่อระหว่าง reactor ทั้งสองตัว (ดูรูปที่ ๑๐ เพิ่มเติม)

รูปที่ ๑๐ กรณีที่มี reactor มากกว่าหนึ่งตัวทำงานร่วมกัน เช่นมีสองตัวที่ตัวหนึ่งเป็นตัวที่กำลังทำงาน (ตัวสีแดงซึ่งมีอุณหภูมิสูง) ในขณะที่อีกตัวหนึ่งเป็นตัวสำรอง (ตัวสีน้ำเงินซึ่งมีอุณหภูมิต่ำ) ในการนี้จำเป็นต้องคำนึงถึงการขยายตัวที่ไม่เท่ากันของตัว reactor ทั้งสองและระบบท่อ (ทั้งด้านขาเข้าและขาออก) ที่เชื่อมต่อกับ reactor ทั้งสองตัวด้วย และการติดตั้งวาล์วควรเลือกตำแหน่งที่ไม่ทำให้เกิด "pocket" ที่ทำให้ของเหลวค้างสะสมได้

ข้อ 4. กล่าวถึงการให้ตรวจสอบช่องทางที่จะใช้สำหรับการบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาเข้า reactor และการนำตัวเร่งปฏิกิริยาออกจาก reactor และเส้นทางที่จะใช้ในการยกภาชนะบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาขึ้นไปยังด้านบนของ reactor ด้วย ว่าต้องไม่มีสิ่งกีดขวางใดในการทำงาน

ข้อ 5. ให้หลีกเลี่ยงการทำให้เกิด "pocket" หรือบริเวณที่เป็นกระเปาะหรือ dead end ที่ทำให้ของเหลวค้างสะสมอยู่ได้ และการติดตั้งวาล์วควรติดตั้งในช่วงเส้นท่อนอน (และควรเป็นที่ตำแหน่งสูงสุด) เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิด dead end (ดูรูปที่ ๑๐ ประกอบ)

รูปที่ ๑๑ Reactor layout and piping arrangement (๘)

ข้อ 6. กล่าวถึงการตรวจสอบระบบท่อสาธารณูปโภคต่าง ๆ เช่นจุดต่อสายยาง (สำหรับท่อน้ำ อากาศ ไอน้ำ) จุดเก็บตัวอย่าง ระบบน้ำล้างตาและล้างตัว และในกรณีที่มีการติดตั้ง probe สำหรับวัดอุณหภูมิภายใน reactor ซึ่งถ้าเส้นผ่านศูนย์กลาง reactor มีขนาดใหญ่ ความยาว probe ที่ใช้วัดอุณหภูมิตอนกลางของ reactor ก็จะมากตามไปด้วย ดังนั้นให้ตรวจสอบบริเวณรอบข้างตำแหน่งติดตั้ง probe ด้วย ว่ามีพื้นที่เพียงพอสำหรับการทำงาน

ต่อไปเป็นรูปที่ ๑๑

ข้อ 7. กล่าวถึงการตรวจสอบตำแหน่งติดตั้งอุปกรณ์วัดต่าง ๆ ที่ควรจะมีเส้นทางเข้าถึงได้ไม่ว่าจะเป็นการใชับันไดปีนหรือมีขั้นบันไดเดินถึงได้

ข้อ 8. เป็นกรณีของระบบ piping ที่เชื่อมต่อเข้ากับ reactor โดยระบบวาล์วที่ใช้ในการ isolate (ตัดการเชื่อมต่อ) reactor ออกจากระบบนั้นควรเป็นชนิด "double block และ bleed valve" และในบางกรณีเพื่อความปลอดภัย อาจต้องใช้ "swing elbow" (ใช้ข้องอแทนการใช้ข้อต่อสามทางและระบบวาล์ว ในการเลือกชนิดแก๊สที่จะให้ไหลเข้าระบบ
 

ตรงประเด็นนี้ขอยกตัวอย่างเพิ่มเติมจากประสบการณ์หนึ่งที่เคยเห็น ในกรณีของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโลหะ (หมายถึงมีเลขออกซิเดชันเป็น 0) นั้นทางผู้ผลิตจะเตรียมในรูปของสารประกอบโลหะออกไซด์ก่อน หรือเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะที่ทำการออกซิไดซ์ให้เกิดเป็นสารประกอบโลหะออกไซด์บาง ๆ ไว้บนพื้นผิว เพื่อความปลอดภัยในการทำงาน ทั้งนี้เพราะตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโลหะจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศได้อย่างรุนแรง (เกิดไฟลุกไหม้ได้) ดังนั้นเมื่อบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาเข้าใน reactor เรียบร้อยแล้วก็ต้องทำการรีดิวซ์ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนจากรูปสารประกอบโลหะออกไซด์ให้กลายเป็นโลหะก่อนการใช้งาน แก๊สที่ใช้กันทั่วไปในการรีดิวซ์นี้ก็ได้แก่แก๊สไฮโดรเจน
 

และเมื่อต้องการเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยา ก็ต้องทำลายตัวเร่งปฏิกิริยาของเดิมก่อนด้วยการป้อนแก๊สที่มีออกซิเจนเป็นองค์ประกอบเข้าสู่ reactor เพื่อให้ออกซิเจนนั้นเข้าไปออกซิไดซ์โลหะบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาให้กลายเป็นสารประกอบออกไซด์ก่อน ในระหว่างการทำลายนี้จะมีความร้อนเกิดขึ้น ดังนั้นเพื่อความปลอดภัยก็จะเริ่มจากการใช้ออกซิเจนความเข้มนต่ำก่อนเพื่อไม่ให้อุณหภูมิใน reactor เพิ่มมากเกินไป จากนั้นจึงค่อยเพิ่มความเข้มข้นออกซิเจนให้สูงขึ้น จนกระทั่งพบว่าไม่มีความร้อนเกิดขึ้นใน reactor ก็แสดงว่าส่วนที่เป็นโลหะถูกเปลี่ยนเป็นโลหะออกไซด์หมดแล้ว จากที่เคยเห็นนั้นการเดินท่อไฮโดรเจนและออกซิเจนเข้าระบบนั้นเขาใช้ระบบ swing elbow เพื่อป้องกันไม่ให้ไฮโดรเจนพบกับออกซิเจนได้ (รูปที่ ๑๒)

ข้อ 9. กล่าวถึงกรณีที่ใช้ swing elbow ต่อเข้ากับ nozzle ของ reactor โดยตรง ให้ตรวจสอบว่ามีจุดต่อสำหรับ thermowell ด้วยหรือไม่

ข้อ 10. เป็นกรณีของ ring type joint flange ให้ตรวจสอบว่ามีพื้นที่ว่างสำหรับการถอดเอาชิ้นส่วนท่อออกมาด้วย

ข้อ 11. เกี่ยวข้องกับข้อต่อของท่อที่ใช้กับแก๊สไฮโดรเจน เนื่องจากแก๊สไฮโดรเจนมีโมเลกุลที่เล็กมาก ในทางปฏิบัติจึงถือว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะป้องกันการรั่วไหลตรงหน้าแปลน ด้วยเหตุนี้สำหรับท่อที่มีขนาดใหญ่ตั้งแต่ 8 นิ้ว หรือ 12 นิ้วขึ้นไป จึงควรมีการติดตั้งระบบฉีดไอน้ำ เพื่อให้ไอน้ำร้อนทำให้แก๊สไฮโดรเจนฟุ้งกระจายออกไปอย่างรวดเร็ว ป้องกันการเกิดการสะสมจนเกิดการระเบิดได้

รูปที่ ๑๒ รูปซ้ายคือระบบ double block และ bleed valve ในการ isolate อุปกรณ์นั้นจะปิด block valve ทั้งสองตัวและเปิด bleed valve เอาไว้ ถ้ามีการรั่วไหลผ่านวาล์วจากด้าน process (ด้านมีความดัน) เข้ามา ของเหลวหรือแก๊สที่รั่วผ่านวาล์วมาได้จะระบายออกทาง bleed valve (ตัว bleed valve มักเป็นวาล์วตัวเล็กเช่น 3/4 นิ้วหรือใหญ่กว่า) ส่วนเมื่อแก๊สหรือของเหลวที่รั่วออกมานั้นเมื่อผ่าน bleed valve แล้วจะส่งไปไหนต่อ ก็ขึ้นอยู่กับอันตรายของแก๊สหรือของเหลวนั้น ส่วนรูปขวาเป็น swing elbow (คือข้องอนั่นแหละ) ที่บังคับให้เลือกต่อท่อเข้ากับแก๊สตัวใดตัวหนึ่งเท่านั้น อย่างเช่นในรูปที่ต่ออยู่กับท่อไฮโดรเจน ถ้าต้องการต่อเข้ากับท่ออากาศก็ปลดปลายด้านไฮโดรเจนออกแล้วหมุนไปต่อกับท่อออกซิเจนแทน ระบบนี้เคยเห็นกับ reactor ตัวหนึ่งที่ต้องใช้ไฮโดรเจนในการรีดิวซ์ตัวเร่งปฏิกิริยาก่อนการใช้งาน และใช้อากาศ (อันที่จริงเป็นอากาศ + ไนโตรเจน เพื่อปรับระดับความเข้มข้นออกซิเจนในแก๊สผสม) ในการทำลายตัวเร่งปฏิกิริยาก่อนทำการเปลี่ยน ระบบนี้ปลอดภัยกว่าการใช้ข้อต่อสามทางติดตั้งถาวรร่วมกับวาล์ว เพราะการใช้วาล์วนั้นอาจมีการรั่วไหลผ่านวาล์ได้ (โดยเฉพาะไฮโดรเจนที่รั่วซึมได้ง่าย)

ต่อไปเป็นรูปที่ ๑๓ ซึ่งเป็นรูปสุดท้ายแล้ว

ข้อ 12. กล่าวถึงความต้องการพิเศษต่าง ๆ เช่น
 

ข้อย่อย I กล่าวถึงการติดตั้ง vibrator (อุปกรณ์สั่น นึกภาพไม่ออกเหมือนกันว่าเขาต้องการสื่อถึง vibrator แบบไหน ที่เคยเห็นกับงานโยธาก็มีหน้าตาแบบหนึ่ง พวกที่ใช้กับตะแกรงร่อนก็เป็นอีกแบบหนึ่ง)
 

ข้อย่อย II กล่าวถึง stiffening ring ที่มีลักษณะเหมือนกับเป็นแหวนหรือเข็มขัดรัดรอบส่วนลำตัวทรงกระบอกของ pressure vessel ที่รับความดันสูง (อาจอยู่ภายนอกหรือภายในตัว pressure vessel ก็ได้) โดยเฉพาะกับ pressure vessel ที่มีส่วนลำตัวทรงกระบอกที่ยาวเมื่อเทียบกับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของมัน หน้าที่ของ stiffening ring คือป้องกันไม่ให้ส่วนลำตัวเกิดการสูญเสียรูปร่างที่ความดันสูง โดยไม่จำเป็นต้องใช้ผนัง vessel ที่หนา
 

ตรงนี้คงต้องขอหมายเหตุไว้นิดนึง คือในอินเทอร์เน็ต (เว็บต่างประเทศ) นั้นมีหลายรายอธิบายว่าการติดตั้ง stiffening ring ก็เพื่อป้องกันการเกิด "buckle" ที่แปลเป็นไทยว่าการ "โก่ง" หรือการงอออกทางด้านข้างของวัสดุที่มีควายยาวและรับ "แรงกด" ซึ่งตรงนี้ก็มีคนให้ความเห็นแย้งเหมือนกันว่าในกรณีของ pressure vessel ที่มีความดันภายในนั้น ผนังของ vessel มันรับ "แรงดึง" ที่ทำให้ตัวมันยืดออกหรือโป่งออกทางด้านข้าง ดังนั้นมันจึงไม่เกิดปัญหาเกิดการโก่ง แต่น่าจะเป็นการช่วยกระจายการรับความเค้นและป้องกันการโป่งพองมากกว่า
 

ข้อย่อย III กล่าวถึงการติดตั้ง weight cell หรือ load cell ที่เป็นอุปกรณ์วัดน้ำหนักตัว reactor เพื่อตรวจสอบว่ามีการหลุดร่อนหายไปของตัวเร่งปฏิกิริยาหรือไม่ (น้ำหนักลดลง) หรือมีสารมาสะสมอยู่ใน reactor (น้ำหนักเพิ่มขึ้น)

เรื่องของ reactor piping ก็คงจะจบเพียงเท่านี้

รูปที่ ๑๓ Reactor layout and piping arrangement (๙)