Throttling Process กับ Flash separation MO Memoir : Tuesday 17 April 2561

เมื่อของไหลไหลผ่านช่องทางการไหลที่มีขนาดจำกัด (เช่น วาล์วที่เปิดไว้เพียงเล็กน้อย แผ่น orifice ท่อ capillary หรือวัสดุมีรูพรุน) โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์ ไม่มีการแลกเปลี่ยนพลังงานกับสิ่งแวดล้อม เอนทาลปี (enthahly หรือที่ย่อว่า H) ของของไหลนั้นจะไม่มีการเปลี่ยนแปลง (∆H = 0)
 

จากความรู้ทางเทอร์โมไดนามิกส์ที่กล่าวว่า ∆H = ∆U + ∆(PV) (เมื่อ U คือพลังงานภายในหรือ internal energy P คือความดัน และ V คือปริมาตร) ในกรณีที่ของไหลนั้นเป็นแก๊สอุดมคติ ผลคูณของค่า PV จะคงที่เสมอ แต่สำหรับแก๊สจริงนั้นผลคูณของค่า PV จะเปลี่ยนแปลงไปตามความดันและอุณหภูมิ กล่าวคือถ้าการลดความดันนั้นทำให้ผลคูณของค่า PV เพิ่มมากขึ้น ค่า U จะต้องลดต่ำลงเพื่อรักษาให้ค่า ∆H = 0 ดังเดิม หรือแก๊สที่ผ่านการลดความดันจะมีอุณหภูมิลดต่ำลง ในทางกลับกันถ้าการลดความดันนั้นทำให้ผลคูณของค่า PV ลดต่ำลง ค่า U จะต้องเพิ่มขึ้นเพื่อรักษาให้ค่า ∆H = 0 ดังเดิม หรือแก๊สที่ผ่านการลดความดันจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น เรื่องนี้เคยเล่าไว้ครั้งหนึ่งแล้วใน Memoir ปีที่ ๙ ฉบับที่ ๑๒๒๔ วันอังคารที่ ๒๓ สิงหาคม ๒๕๕๙ เรื่อง "Compressibility factor กับ Joule-Thompson effect"
 

กลไกนี้ถูกนำมาใช้ทั้งในระบบทำความเย็นและการแยกสาร ในระบบทำความเย็นนั้นจะใช้การอัดไอสารทำความเย็นให้มีความดันที่พอเหมาะ จากนั้นจึงให้สารทำความเย็นนั้นไหลผ่านวาล์วลดความดันหรือท่อ capillary เพื่อที่จะให้ได้ผลดี ช่วงความดันที่ลดลงนั้นควรทำให้สารทำความเย็นนั้นมีการควบแน่นเป็นของเหลว เพราะจะทำให้อุณหภูมิลดต่ำลงมา และของเหลวอุณหภูมิต่ำที่ได้จากการควบแน่นนี้เมื่อระเหยกลายเป็นไอจะสามารถดูดกลืนความร้อนได้มาก (ค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ) ตัวอย่างเช่นกรณีของโพรเพน จาก PH (Pressure - Enthalpy) diagram ในรูปที่ ๑ ถ้าเราให้แก๊สโพรเพนที่ความดันสัมบูรณ์ 1000 kPa ที่อุณหภูมิ 30ºC ลดความดันลงเหลือความดันบรรยากาศ (100 kPa) อุณหภูมิแก๊สด้านขาออกจะลดลงเหลือประมาณ 10ºC (เส้นสีแดง) แต่ถ้าเราให้แก๊สดังกล่าวที่อุณหภูมิ 100ºC ความดันประมาณ 5000 kPa ลดความดันลงเหลือความดันบรรยากาศ แก๊สจะมีการควบแน่นแยกเป็นสองเฟสและมีอุณหภูมิเหลือประมาณ -30ºC 
  

แต่ถ้าก่อนที่จะทำการลดความดัน ถ้าทำให้ไอสารทำความเย็นนั้นมีการควบแน่นเป็นของเหลวก่อน เมื่อของเหลวนั้นไหลผ่านวาล์วลดความดัน บางส่วนจะกลายเป็นไอ และอุณหภูมิด้านขาออกที่ได้ก็จะลดต่ำลงไปอีก ระบบทำความเย็นที่ใช้กับเครื่องปรับอากาศและตู้เย็นตามบ้านเรือนต่าง ๆ นั้นก็ทำงานแบบนี้ กล่าวคือหลังจากทำการอัดไอสารทำความเย็นให้มีความดันสูงแล้ว (อุณหภูมิจะสูงตามไปด้วย) ก็จะให้ไอสารทำความเย็นความดันสูงนั้นระบายความร้อนออกสู่อากาศก่อน (ถ้าเป็นตู้เย็นก็ผ่านทางแผงขดลวดที่อยู่ทางด้านหลัง แต่ปัจจุบันจะมองไม่เห็นแล้วเพราะถูกปิดคลุมไว้ ถ้าเป็นเครื่องปรับอากาศก็จะเป็นส่วนของคอยล์ร้อนที่ติดตั้งอยู่นอกห้อง) จากนั้นจึงค่อยลดความดันลง
 

กลไกแบบเดียวกันนี้ก็มีการนำมาใช้ในการแยกสารในอุตสาหกรรมเคมีโดยมีชื่อเรียกว่า flash separation หรือ flash distillation กล่าวคือเมื่อให้สารผสม (ที่อาจเป็นแก๊ส หรือของเหลว หรือของเหลวที่มีแก๊สละลายอยู่) ที่ความดันสูง ลดความดันด้วยการไหลผ่านวาล์วลดความดันเข้าสู่ภาชนะรองรับ (ที่เรียกว่า flash drum ดูรูปที่ ๒) ส่วนใหญ่ของสารที่มีจุดเดือดต่ำจะไปอยู่ในเฟสไอ และในขณะเดียวกันส่วนใหญ่ของสารที่มีจุดเดือดสูงไปอยู่ในเฟสของเหลว ตัวอย่างของกระบวนการที่มีการนำเอา flash separation มาใช้ได้แก่การทำปฏิกิริยาในเฟสของเหลวที่สารตั้งต้นเป็นแก๊สที่ต้องละลายเข้าไปในเฟสของเหลวที่เป็นตัวทำละลายเพื่อทำปฏิกิริยา (เช่นในปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ใน liquid phase หรือ slurry phase) การติดตั้ง flash drum จะช่วยลดปริมาณสารตั้งต้นที่หลงเหลือจากการทำปฏิกิริยาและละลายอยู่ในเฟสของเหลวออกไป ช่วยลดภาระการแยกสารออกจากกันในกระบวนการถัดไป

รูปที่ ๑ PH diagram ของโพรเพน

รูปที่ ๒ แผนผังการแยกสารด้วยกระบวนการ flash

ใน Memoir ฉบับที่แล้ว (เสาร์ที่ ๑๔ เมษายน ๒๕๖๑) ที่ได้ยกตัวอย่างกรณีของโรงแยกแก๊ส Esso Longford มาเล่านั้นได้กล่าวทิ้งท้ายไว้ว่า การลดลงของอุณหภูมิที่เกิดจากกระบวนการ flash นี้เป็นปัจจัยหนึ่งที่ทำให้อุณหภูมิของระบบลดต่ำลงกว่าปรกติมาก กล่าวคือด้วยเหตุการผิดปรกติหลายอย่าง แทนที่ของเหลวจากก้นหอ Absorption column ที่ส่งไป flash drum จะเป็น rich oil (ไฮโดรคาร์บอนในช่วงน้ำมันก๊าดที่มีแก๊สไฮโดรคาร์บอนช่วง C₁ - C₄ ละลายอยู่) ที่มีอุณหภูมิประมาณ 1ºC ความดันประมาณ 6900 kPa กลับกลายเป็น condensate ที่มากับแก๊สธรรมชาติ (ไฮโดรคาร์บอนเบาที่น่าจะอยู่ในช่วงแก๊สโซลีนที่มีแก๊สไฮโดรคาร์บอนช่วง C₁ - C₄ ละลายอยู่) ที่มีอุณหภูมิประมาณ -20ºC หรือต่ำกว่า (ผลจากการที่ระดับ condensate สูงจนล้นเข้าไปใน tray ของ rich oil และไหลออกมาแทน rich oil และจากการที่ไม่มี lean oil ไหลเข้าทางด้านบน Absorption column) ทำให้ของเหลวที่ออกจาก flash drum นั้นมีอุณหภูมิลดต่ำลงกว่า -30ºC ส่งผลให้อุณหภูมิทางด้าน downstream ลดต่ำลงไปอีก (ดังเช่นตัวอย่างในรูปที่ ๓ ที่เป็นกรณีของมีเทน จะเห็นว่ามีเทนที่อุณหภูมิ -20ºC ความดัน 6900 kPa เมื่อลดความดันลงเหลือ 4500 kPa อุณหภูมิจะลดลงเหลือประมาณ -35ºC)
 

และเมื่อมีการนำเอาของเหลวทางด้าน downstrem นั้นกลับมาใช้งานทางด้าน upstream ก็ยิ่งทำให้อุณหภูมิที่ flash drum นี้ลดต่ำลงไปอีก อุณหภูมิต่ำสุดที่บันทึกเอาไว้ได้ก่อนการระเบิดก็คือ -48ºC (อุณหภูมิที่ต่ำขนาดนี้ สามารถโลหะที่ใช้ทำทั้งตัว flash drum และอุปกรณ์ทางด้าน downstream เปลี่ยนสภาพจากเหนียวไปเป็นแข็งและเปราะ แต่ที่ยังไม่เสียหายก็เพราะยังไม่มีแรงกระแทกหรือความเค้นที่สูงพอมากระทำ)
 

มีหลายบทเรียนที่ได้จากกรณีของการระเบิดของโรงแยกแก๊ส Esso Langford บทเรียนหนึ่งก็คือความซับซ้อนที่เกิดจากความพยายามที่จะประหยัดพลังงาน (ด้วยการแลกเปลี่ยนความร้อนกันแบบพันกันไปหมด) ทำให้ผู้ปฏิบัติงานนั้นไม่สามารถเล็งเห็นผลกระทบที่เกิดขึ้นต่อเนื่องได้เมื่อระบบหนึ่งมีปัญหา และปัญหาที่เกิดขึ้นนั้นก่อให้เกิดผลกระทบที่เวียนรอบกลับมายังจุดตั้งต้นและทำให้ผลกระทบนั้นขยายตัวขึ้นไปเรื่อย ๆ (อย่างเช่นการที่ระบบมีอุณหภูมิที่ลดต่ำลงผิดปรกติในที่นี้) และอีกบทเรียนหนึ่งก็คือการให้ระบบควบคุมตัวหนึ่งไปอีกอำนาจเหนือระบบควบคุมอีกตัวหนึ่ง (ที่เรียกว่า override) แบบไม่มีข้อจำกัด ซึ่งในกรณีของอุบัติเหตุนี้คือการที่ปล่อยให้ระบบควบคุมอุณหภูมิไปมีอำนาจเหนือระบบควบคุมระดับ condensate แบบไม่มีขีดจำกัด ทำให้ condensate นั้นสะสมที่ก้น Absorption column จนล้นออกทางสาย rich oil ได้ รายละเอียดเรื่องเหล่าสามารถหาอ่านได้ในรายงานการสอบสวนที่มีเผยแพร่ทางอินเทอร์เน็ต เพียงแต่ก่อนอ่านขอแนะนำให้พิมพ์ภาพ process flow ออกมาก่อนเพื่อที่จะได้เข้าใจได้ง่ายขึ้นเวลาอ่าน

รูปที่ ๓ PH diagram ของมีเทน เส้นสีแดงคือเมื่อมีเทนที่อุณหภูมิ -20ºC ลดความดันจาก 6900 kPa เหลือ 4500 kPa